计算机网络知识总结之基本概念、物理层、数据链路层

计算机网络知识总结之基本概念、物理层、数据链路层

一、概述

1.1、网络的网络

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

1.2、ISP

因特网网络服务提供商ISP，他可以从因特网管理机构申请到很多IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连接设别，任何机构或个人只要向某个ISP缴纳规定费用，就可以从该ISP获取所需IP地址的使用权，并通过该ISP接入到因特网。
根据提供服务的覆盖面积大小以及拥有IP地址数目的不同，ISP也分为不同的层次：主干ISP、地区ISP、本地ISP。
随着因特网上数据流量的急剧增加，为了更快的转发分组，以及更加有效的利用网络资源，于是就出现了因特网交换点IXP。

因特网交换点IXP的作用主要是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

1.3、主机之间的通信方式

客户——服务器方式(C/S)：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户——服务器方式所描述的是进程之间服务与被服务的关系。

对等连接（P2P）:不区分客户端和服务器。可以支持大量对等用户同时工作。

1.4、电路交换与分组交换

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%。

报文交换：整个先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。报文交换用于邮局通信系统，邮局接收到一份报文之后，先存储下来，然后把相同目的地的报文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：分组交换也使用存储转发技术，但是存储转发的是分组而不是报文。整个数据称为一个报文，由于一个报文可能可能很长，需要先进行切分，来满足分组能处理的大小。每个切分的数据前面都加上首部之后就成了分组，首部包含了目的地址和源地址等控制信息。

存储转发允许在一条传输线路上传输多个主机的分组，也就是说两个用户之间的通信不学哟啊占用端到端的线路资源。相比于报文交换，由于分组比报文更小，只是报文的一部分，因此分组交换的存储转发速度更快。

1.5、时延

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延。

发送时延：主机或者路由器发送数据帧所需要的时间。

其中l表示数据帧的长度，v表示发送的速率。

传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离所需要花费的时间，电磁波的速度接近于光速。

处理时延：主机或者路由器收到分组时进行处理所需要花费的时间，例如分析首部、从分组中提取数据部、进行差错效验或者查找适当的路由等。

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

1.6、计算机网路的体系结构（重点）

五层协议

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

运输层：提供的是进程间的通用数据传输服务。由于应用层传输协议很多，定义通用的运输层传输协议就可以支持不断增多的应用层协议。运输层包含两种协议：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：为主机之间提供数据传输服务，而运输层协议是为主机中的进程提供服务。网络层把运输层传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，而主机之间可能有很多链路，链路层协议就是为同一链路的结点提供服务。数据链路层把网络层传来的分组封装成帧。

物理层：考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能的屏蔽掉传输媒体和通信手段带来的差异，使数据传输感觉不到这些差异。

七层协议

其中表示层和会话层的用途如下：

表示层：数据压缩、加密以及数据描述。这使得应用程序不必担心在各台主机中表示/存储的内部格式不同的问题。

会话层：建立级管理会话。

五层协议中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。

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。路由器只有三层协议，由于路由器位于网络的核心中，不需要为进程或者应用程序提供服务，因此也就不需要运输层和应用层。

TCP/IP体系结构

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。
现在的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 协议在其中占用举足轻重的地位。

二、物理层

2.1、通信方式

单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信二没有反方向的交互。无线电广播或者有线电广播以及电视广播就属于这种类型。

双向交替通信：又称为半双工通信即通信方法都可以发送信息，但是双方不能同时发送（当然也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过段时间后可以放过来。

双向同时通信：又称为全双工通信即通信双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或者双向同时通信则需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。

2.2、带通调制

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

2.3、信道复用技术

频分复用和时分复用

频分复用：所有用户在相同时间占用不同的频率带宽资源。

时分复用：所有用户在不同时间占用相同的频率带宽资源。

使用这两种方式进行通信，在通信的过程中用户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。

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。

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。

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，对于任意两个码片向量S和向量T有

为了方便，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

其中向量S’为向量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。

三、数据链路层

3.1、信道分类

点对点通信：一对一通信方式，使用的是PPP协议

广播信道：一对多通信方式，使用的是CSMA/CD协议。

3.2、三个基本问题

封装成帧

将网路层传下来的分组调价首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

透明传输

透明表示一个实际上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（ESC）符，这种方法称之为字节填充或字符填充如果出现转义字符，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。

差错检测

现实的通信线路都不会是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错：1可能变成0，而0也可能变成1.这就叫比特差错。

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。

我们通过一个例子来说明循环冗余效验的原理。在发送端，先把数据划分为祖，假定每组K个比特。现假定待传送的数据M = 101001（k=6）。CRC运算就是在数据M后面添加提供差错检测的n位冗余码，然后构成一个帧发送出去，一共发送（k+n ）位。在所要发送的数据后添加冗余码，显然增大了数据传输的开销，但却可以进行差错检测。当传输可能出现差错时，付出的代价往往是很值得的。用二进制的模2运算进行2^n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0 ，得到的（k+n ）位的数除于收发双方实现商定的长度为（n + 1）位的除数P，得出的商是Q而余数是R（n位，比P少一位）。用生成多项式P(X)表示上面的除数（假定n+1位），P(X) = X^3 + X^2 + 1则P = 1101。在接收端把收到的数据以帧为单位进行CRC检测：把收到的每一个帧除于同样的除数（模2运算），然后检查得到的余数R，如果传输过程无差错，经过CRC检测得到的余数肯定是0 。R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受。R！= 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

3.3、局域网

局域网是典型的一种广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。可以按照网络拓扑对局域网进行分类：

3.4、PPP协议

用于点对点信道中。互联网用户通常需要连接到某个ISP之后才能接入到互联网，PPP协议是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。

在PPP的帧中：

• F 字段为帧的定界符
• A 和 C 字段暂时没有意义
• FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
• 信息部分的长度不超过 1500

3.5、CSMA/CD协议（重点）

用于广播信道中。在广播信道上，同一时间只能允许一台计算机发送数据。

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，许多计算机以多点的方式连接到总线上。
载波监听：每个站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站正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每一个站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。

3.6、扩展局域网（重点）

在物理层上进行扩展

使用集线器进行扩展。

集线器的主要功能是对接收到的信号进行放大，以扩大网络的传输距离。

集线器不能根据 MAC 地址进行转发，而是以广播的方式发送数据帧。

集线器是一种共享式的传输设备，意味着同一时刻只能传输一组数据帧。

在链路层上进行扩展

最开始使用的是网桥，它收到一个帧时，根据帧的 MAC 地址，查找网桥中的地址表，确定帧转发的接口。

网桥不是共享式设备，因此性能比集线器这种共享式设备更高。

交换机的问世很快就淘汰了网桥，它实质上是一个多接口网桥，而网桥是两接口。交换机的每个接口都能直接与一个主机或者另一个交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。

交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容。交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧。主机 B 收下之后，查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 3 的映射。

3.7、虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息，例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。

3.8、MAC层（重点）

MAC 地址是 6 字节（48 位）的地址，用于唯一标识网络适配器（网卡），一台主机拥有多少个适配器就有多少个 MAC 地址，例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器。

在MAC帧中：

• 类型 ：标记上层使用的协议；
• 数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
• FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；
• 前同步码 ：只是为了计算 FCS 临时加入的，计算结束之后会丢弃。

参考资料：

• 计算机网络, 谢希仁
• https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/blob/master/notes/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C.md