计算机网络

本文最后更新于：2024年11月2日 上午

第一章 概述

概念功能组成分类

计算机网络的概念

  • 计算机网络是 互连 的、自治 的计算机集合
    • 互联：互联互通
    • 自治：无主从关系

计算机网络的功能

  1. 数据通信
  2. 资源共享
    • 硬件
    • 软件
    • 数据
  3. 分布式处理
  4. 提高可靠性
  5. 负载均衡

计算机网络的组成

  1. 组成部分
    • 硬件
    • 软件
    • 协议
  2. 工作方式
    • 边缘部分：用户直接使用（主机所在的地方）
      • C/S方式
      • P2P方式
    • 核心部分：为边缘部分服务
  3. 功能组成
    • 通信子网：实现数据通信
    • 资源子网：实现资源共享/数据处理

计算机网络的分类

  1. 按分布范围分
    • 广域网WAN 交换技术
    • 城域网MAN
    • 局域网WAN 广播技术
    • 个人区域网PAN
  2. 按使用者分
    • 公用网
    • 专用网
  3. 按交换技术分
    • 电路交换
    • 报文交换
    • 分组交换
  4. 按拓扑结构分
  5. 按传输技术分
    • 广播式网络 共享公共通信信道
    • 点对点网络 使用分组存储转发和路由选择机制

标准化工作和计算机相关性能指标

标准化工作

标准的分类

  1. 法定标准：
    有权威机构指定的正式的、合法的标准 OSI
  2. 事实标准：
    某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准

计算机相关性能指标

速率

  • 速率及数据率或称数据传输率或比特率
  • 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率

带宽

  1. “带宽”原本只某个信号具有的拼单宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)
  2. 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是“比特每秒”。（网络设备所支持的最高速度）

吞吐量

  • 表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。
  • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

时延

  • 指数据（报文/分组/比特流）从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。
  1. 发送时延
  2. 传播时延
    取决于电磁波传播速度和链路长度
  3. 排队时延
    等待输出/入链路可用
  4. 处理时延
    检错 找出口

时延带宽积

时延带宽积=传播时延 * 带宽
以比特为单位的链路长度，即某段链路现在有多少比特。

往返时延RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延
RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多

  1. 往返传播时延=传播时延*2
  2. 末端处理时间

利用率

  • 信道利用率
  • 网络利用率

分层结构、接口、协议、服务

发送文件前要完成的工作

  • 发送通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活
  • 要告诉网络如何识别目的主机
  • 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常
  • 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作
  • 确保差错和意外可以解决

分层的基本原则

  1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
  2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少（接口）
  3. 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
  4. 保持下层对上层的独立性，上层单项使用下层提供的服务。
  5. 整个分层结构应该能促进标准化工作。

分层结构

  1. 实体：第n层中的活动元素成为***n层实体。***同一层的实体叫对等实体。
  2. 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定成为网络协议。（水平）
    • 语法：规定传输数据的的格式
    • 语义：规定所要完成的功能
    • 同步：规定各种操作的顺序
  3. 接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口
  4. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。（垂直）
  • SDU服务数据单元：为完成用户所要去的功能而应传送的数据。
  • PCI协议控制信息：控制协议操作的信息
  • PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位

概念总结

  • 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
  • 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。
  • 每层遵循某个/些网络协议已完成本层功能。
  • 计算机网络体系结构是计算机网络的各层级其协议的集合。
  • 第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含有下层服务提供的功能。
  • 仅仅在相邻层间有接口，且所能提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽
  • 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

OSI参考模型

  • 国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型。
  • 目的：支持异构网络系统的互联互通。
  • OSI七层

    每层完成特定的功能

应用层

  • 所有能和用户交互产生网络流量的程序
  • 典型应用层服务
    1. 文件传输（FTP）
    2. 电子邮件（SMTP）
    3. 万维网（HTTP）

表示层

  • 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）
  • 功能
    1. 数据格式变换（翻译官）
    2. 数据加密解密
    3. 数据压缩和恢复
  • 主要协议：JPEG、ASCII

会话层

  • 向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据，这是会话，也是建立同步（SYN）
  • 功能
    1. 建立、管理、终止会话
    2. 使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复数据同步（是用于传输大文件）
  • 主要协议ADSP、ASP

传输层

  • 负责主机中两个进程的通信，及端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。
  • 功能
    1. 可靠传输、不可靠传输
    2. 差错控制
    3. 流量控制
    4. 复用分用
      • 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务
      • 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。
  • 主要协议：TCP、UDP

网络层（IP层、网际层）

  • 主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报
  • 功能
    1. 路由选择（最佳路径）
    2. 流量控制
    3. 差错控制
    4. 拥塞控制
      • 若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。
  • 主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

数据链路层

  • 主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。
  • 数据链路层/链路层的传输单位是帧。
  • 功能
    1. 成帧（定义帧的开始和结束）
    2. 差错控制 帧错+位错
    3. 流量控制
    4. 访问（接入）控制 控制对信道的访问
  • 主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP

物理层

  • 主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输
  • 物理层的传输单位是比特
    • 透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。
  • 功能
    1. 定义接口特性
    2. 定义传输模式 单工、半双工、双工
    3. 定义传输速率
    4. 比特同步
    5. 比特编码
  • 主要协议：Rj45、802.3

TCP、IP参考模型和5层参考模型

  • OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点
    1. 都分层
    2. 基于独立的协议栈的概念
    3. 可以实现异构网络互联
  • 不同点：
    1. OSI定义三点：服务、协议、接口
    2. OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
    3. TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次

5层参考模型

  • 5层参考模型的数据封装与解封装

第二章 物理层

物理层基本概念

  • 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
  • 主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 定义标准
  • 规定特性
    1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
    2. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
    3. 功能特性：指明某条线上出现的某一点平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
    4. 规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

数据通信基础知识

  • 典型的数据通信模型

数据通信相关术语

  • 通信的目的是传送消息。
  • 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
  • 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
  • 信源：产生和发送数据的源头。
  • 信宿：接受数据的终点。
  • 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道。

三种通信方式

  • 从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式
    1. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。
    2. 半双工通信：通信的双方都可以发送或接受信息，但任何一方都不能同时发送和接受，需要两条信道。
    3. 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

两种数据传输方式

  • 串行传输
    速度慢，费用低，适合远距离
  • 并行传输
    速度快，费用高，适合近距离

码元、波特、速率、带宽

码元

  • 码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为M进制码元。
  • 1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

速率、波特、带宽

  • 速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示
  • 码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，他表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变换的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。
  • 信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。
  • 关系：若一个码元携带nbit的信息量，即M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s。
  • 带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

奈氏准则和香农定理

失真

  • 影响失真程度的因素：
    1. 码元传输速率
    2. 信号传输距离
    3. 噪声干扰
    4. 传输媒体质量

失真的一种现象–码间串扰

  • 信道带宽 是信道能通过的最高频率和最低频率之差。
  • 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则（奈奎斯特定理）

  • 奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。
  • 理想地通信倒下的极限数据传输率=2Wlog2V(b/s)
    1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
    2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
    3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
    4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

香农定理

  • 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
  • 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即信噪比
    (dB)=10log10（S/N）
  • 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
    信道的极限数据传输速率=Wlog2（1+S/N）(b/s)
  • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
  • 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
  • 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
  • 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
  • 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

编码与调制

基带信号与宽带信号


  • 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
  • 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

编码与调制


数字数据编码为数字信号

  • 非归零编码【NRZ】
    高1低0
    编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
  • 归零编码【RZ】
    信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
  • 反向不归零编码【NRZI】
    信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
  • 曼彻斯特编码
    将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。
  • 差分曼彻斯特
    同1异0
    常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。改变吗的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码
  • 4B/5B编码
    比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B.编码效率为80%。

数字数据调制为模拟信号

  • 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

模拟数据编码为数字信号

  • 计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。
  • 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM),在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码。
    1. 抽样：
      对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
      为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：f(采样频率)>=2f(信号最高频率)
    2. 量化：
      把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
    3. 编码：
      把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

模拟数据调制为模拟信号

  • 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号时采用模拟信号传输模拟数据的方式：模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

物理层传输介质与设备

传输介质及分类

  • 传输介质也称传输媒体/传输媒介，他就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
    传输媒体并不是物理层。
    传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
  • 传输介质分为
    1. 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。
    2. 非导向型传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

导向性传输介质

双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就成为非屏蔽双绞线（UTP）。

双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和78Ω同轴电缆。其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

  • 同轴电缆和双绞线
    由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛应用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0.而可见光的频率大约是10^8MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤主要由纤芯（实心的！）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光纤从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光纤碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

  • 一根光缆少则只有一根光纤，多则包括十至数百根光纤。
  • 光纤的特点：
1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电荷电磁干扰性能好。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。

非导向性传输介质

无线电波

  • 信号向所有方向传播。
  • 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域。

微波

  • 信号固定方向传播。
  • 微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。
  1. 地面微波接力通信
  2. 卫星通信

红外线、激光

  • 信号固定方向传播。
  • 把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

物理层设备

中继器

  • 诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接受错误。
  • 中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与源数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。
  • 中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
    中继器只讲任何电缆端上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。
    两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
    中继器两端的网段一定要是同一个协议。
  • 5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

集线器（多口中继器）

  • 再生，放大信号
  • 功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
  • 集线器不能分割冲突域。
  • 连在集线器上的工作主机平分带宽。
计算机网络
#计算机网络 #学习笔记
计算机网络
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作者
dogNew
发布于
2022年5月16日
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