计算机网络基础知识--面试收藏必备

　　一、概述

　　网络的网络

　　网络把主机连接起来，而互联网是把多种不同的网络连接起来，因此互联网是网络的网络。

　　

　　ISP

　　互联网服务提供商 ISP 可以从互联网管理机构获得许多 IP 地址，同时拥有通信线路以及路由器等联网设备，个人或机构向 ISP 缴纳一定的费用就可以接入互联网。

　　

　　目前的互联网是一种多层次 ISP 结构，ISP 根据覆盖面积的大小分为第一层 ISP、区域 ISP 和接入 ISP。互联网交换点 IXP 允许两个 ISP 直接相连而不用经过第三个 ISP。

　　

　　主机之间的通信方式

　　客户-服务器(C/S)：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

　　对等(P2P)：不区分客户和服务器。

　　

　　电路交换与分组交换

　　1. 电路交换

　　电路交换用于电话通信系统，两个用户要通信之前需要建立一条专用的物理链路，并且在整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路，因此电路交换对线路的利用率很低，往往不到 10%。

　　2. 分组交换

　　每个分组都有首部和尾部，包含了源地址和目的地址等控制信息，在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响，因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组，也就是说分组交换不需要占用传输线路。

　　在一个邮局通信系统中，邮局收到一份邮件之后，先存储下来，然后把相同目的地的邮件一起转发到下一个目的地，这个过程就是存储转发过程，分组交换也使用了存储转发过程。

　　时延

　　总时延 = 传输时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

　　

　　1. 传输时延

　　主机或路由器传输数据帧所需要的时间。

　　其中 l 表示数据帧的长度，v 表示传输速率。

　　2. 传播时延

　　电磁波在信道中传播所需要花费的时间，电磁波传播的速度接近光速。

　　其中 l 表示信道长度，v 表示电磁波在信道上的传播速度。

　　3. 处理时延

　　主机或路由器收到分组时进行处理所需要的时间，例如分析首部、从分组中提取数据、进行差错检验或查找适当的路由等。

　　4. 排队时延

　　分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待的时间，取决于网络当前的通信量。

　　计算机网络体系结构

　　

　　1. 五层协议

　　应用层 ：为特定应用程序提供数据传输服务，例如 HTTP、DNS 等。数据单位为报文。

　　传输层 ：为进程提供通用数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。运输层包括两种协议：传输控制协议 TCP，提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据单位为报文段;用户数据报协议 UDP，提供无连接、尽最大努力的数据传输服务，数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。

　　网络层 ：为主机提供数据传输服务。而传输层协议是为主机中的进程提供数据传输服务。网络层把传输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。

　　数据链路层 ：网络层针对的还是主机之间的数据传输服务，而主机之间可以有很多链路，链路层协议就是为同一链路的主机提供数据传输服务。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧。

　　物理层 ：考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。

　　2. OSI

　　其中表示层和会话层用途如下：

　　表示层 ：数据压缩、加密以及数据描述，这使得应用程序不必关心在各台主机中数据内部格式不同的问题。

　　会话层 ：建立及管理会话。

　　五层协议没有表示层和会话层，而是将这些功能留给应用程序开发者处理。

　　3. TCP/IP

　　它只有四层，相当于五层协议中数据链路层和物理层合并为网络接口层。

　　TCP/IP 体系结构不严格遵循 OSI 分层概念，应用层可能会直接使用 IP 层或者网络接口层。

　　TCP/IP 协议族是一种沙漏形状，中间小两边大，IP 协议在其中占据举足轻重的地位。

　　4. 数据在各层之间的传递过程

　　在向下的过程中，需要添加下层协议所需要的首部或者尾部，而在向上的过程中不断拆开首部和尾部。

　　路由器只有下面三层协议，因为路由器位于网络核心中，不需要为进程或者应用程序提供服务，因此也就不需要传输层和应用层。

　　

　　二、物理层

　　通信方式

　　根据信息在传输线上的传送方向，分为以下三种通信方式：

　　单工通信：单向传输

　　半双工通信：双向交替传输

　　全双工通信：双向同时传输

　　带通调制

　　模拟信号是连续的信号，数字信号是离散的信号。带通调制把数字信号转换为模拟信号。

　　

　　三、数据链路层

　　基本问题

　　1. 封装成帧

　　将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

　　

　　2. 透明传输

　　透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

　　帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。

　　

　　3. 差错检测

　　目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验(CRC)来检查比特差错。

　　信道分类

　　1. 广播信道

　　一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

　　所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突(冲突也叫碰撞)。

　　主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。

　　2. 点对点信道

　　一对一通信。

　　因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。

　　信道复用技术

　　1. 频分复用

　　频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。

　　

　　2. 时分复用

　　时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。

　　

　　使用频分复用和时分复用进行通信，在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。

　　3. 统计时分复用

　　是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。

　　

　　4. 波分复用

　　光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

　　

　　5. 码分复用

　　为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 s 和 t有

　　为了讨论方便，取 m=8，设码片 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。

　　在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到其中 s'为 s的反码。

　　利用上面的式子我们知道，当接收端使用码片 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是用户发送的比特 1，结果为 -1 的是用户发送的比特 0。

　　码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。

　　

　　CSMA/CD 协议

　　CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

　　多点接入 ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。

　　载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。

　　碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

　　记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

　　当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

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