软考架构师（5）——数据通信与计算机网络

一：网络架构

1:基本理论

网络协议三要素：语法，语义，同步

总时延 = 传输时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

2：层次架构

网络互连模型（OSI/RM七层模型）：

物理层（比特bit）：RJ45、CLOCK、IEEE802.3    （中继器又转发器[原理信号再生]，集线器，不能隔离冲突域也不能隔离广播域）

数据链路（帧Frame）：PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC  （网桥，交换机，可以隔离冲突域，不能隔离广播域）

网络层（包Packet 分组）：IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP、 （路由器既可以隔离冲突域也可以隔离广播域）

传输层（段Segment）：TCP、UDP、SPX（网路层以上的中间设备称网关）

会话层（会话协议数据单元SPDU）：NFS、SQL、NETBIOS、RPC

表示层（表示协议数据单元PPDU）：JPEG、MPEG、ASII

应用层（应用协议数据单元APDU）：FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS

3： 电路交换与分组交换

1：电路交换

　　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。

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

 

总时延 = 排队时延 + 处理时延 + 传输时延 + 传播时延

二：物理层

物理层的特性：机械特性（规定连接所用的设备规格，接口形状）电气特性（信号电压的高低，）功能特性（电平代表的含义接口不见信号的用途，引脚功能）规程特性（）

通信方式：单工通信，半双工通信，全双工通信

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。

调制：把数值信号转换为模拟信号

 

 

三：数据链路层

1：数据链路层的三个基本问题

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。

透明传输：字节填充转义字符——帧开始符：SOH，帧结束符：EOT

差错检测：循环冗余检测（CRC）

（1）编码

不归零编码：正电平为1，负电平为0

归零编码：正脉冲为1，负脉冲为0

曼切斯特编码：中心向上跳变为0，向下跳变为1

差分曼切斯特编码：中心始终跳变，边界跳变为0，边界不跳为1

（2）奇偶校检码

（3）循环冗余码

 

 （4）海明码

 

 

2：信道分类：广播信道，点对点信道

3：信道复用技术

1：频分复用：占用不同的频率带宽资源

2：时分复用：在不同的时间占用相同的频率带宽资源

3：统计时分复用

4：波分复用：光的波分复用

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

 

4：CSMA/CD表示  载波监听   多点接入/   碰撞检测

多点接入 ：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。

争用期：记端到端的传播时延为t ，称2t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。

5：PPP协议：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。

 6：MAC地址：一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 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，因此就有两个 MAC 地址。

 

7：局域网：主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类为：星型网，环形网，总线网，以太网是星型拓扑结构

 

香农定理：C = W log2(1+S/N)  b/s

奈氏准则：

编码与循环冗余码：

CSMA/CD

四：网络层

1：IP

1）：ip数据报格式：

 

• 版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值；
• 首部长度 : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为首部固定长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。
• 区分服务 : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用。
• 总长度 : 包括首部长度和数据部分长度。
• 生存时间 ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。
• 协议 ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。
• 首部检验和 ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。
• 标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。
• 片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。

2）：IP地址编址的划分：

分类编址：

子网划分：

 IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

要使用子网，必须配置子网掩码。一个 B 类地址的默认子网掩码为 255.255.0.0

无分类编址CIDR：

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

特殊的IP地址：

本地广播地址：

多播地址：

私有IP地址：

A类 10.0.0.0--10.255.255.255

B类 172.16.0.0--172.31.255.255

C类 192.168.0.0--192.168.255.255

 

IP数据报分片问题：

IPV6：

与IPV4相比，IPv4的IP地址长度是32位，而IPv6的IP地址长度为128位

IPv6的128位地址通常写成8组，每组为四个十六进制数的形式。比如：AD80:0000:0000:0000:ABAA:0000:00C2:0002 是一个合法的IPv6地址。这个地址比较长，看起来不方便也不易于书写。零压缩法可以用来缩减其长度。如果几个连续段位的值都是0，那么这些0就可以简单的以::来表示，上述地址就可写成AD80::ABAA:0000:00C2:0002。这里要注意的是只能简化连续的段位的0，其前后的0都要保留，比如AD80的最后的这个0，不能被简化。还有这个只能用一次，在上例中的ABAA后面的0000就不能再次简化。当然也可以在ABAA后面使用::，这样的话前面的12个0就不能压缩了。这个限制的目的是为了能准确还原被压缩的0，不然就无法确定每个::代表了多少个0。例如，下面是一些合法的IPv6地址：

CDCD:910A:2222:5498:8475:1111:3900:2020

1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B

2000:0:0:0:0:0:0:1

同时前导的零可以省略，因此2001:0DB8:02de::0e13等价于2001:DB8:2de::e13。

一个IPv6地址可以将一个IPv4地址内嵌进去，并且写成IPv6形式和平常习惯的IPv4形式的混合体。IPv6有两种内嵌IPv4的方式：IPv4映像地址和IPv4兼容地址。

2：地址解析协议ARP

作用：根据IP地址获取物理地址MAC

过程：

1：首先，每个主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个ARP列表，以表示IP地址和MAC地址之间的对应关系。

2：当源主机要发送数据时，首先检查ARP列表中是否有对应IP地址的目的主机的MAC地址，如果有，则直接发送数据，如果没有，就向本网段的所有主机发送ARP数据包，该数据包包括的内容有：源主机 IP地址，源主机MAC地址，目的主机的IP 地址

3：当本网络的所有主机收到该ARP数据包时，首先检查数据包中的IP地址是否是自己的IP地址，如果不是，则忽略该数据包，如果是，则首先从数据包中取出源主机的IP和MAC地址写入到ARP列表中，如果已经存在，则覆盖，然后将自己的MAC地址写入ARP响应包中，告诉源主机自己是它想要找的MAC地址。

4：源主机收到ARP响应包后。将目的主机的IP和MAC地址写入ARP列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。

注意：广播（255.255.255.255）发送ARP请求，单播发送ARP响应。

3：控制报文协议ICMP

ICMP封装在IP数据报中，可分为

差错控制报文：终点不可达，时间超过，参数问题，改变路由

询问报文：

应用：ping 和Traceroute

4：路由协议

路由器从功能上可以划分为：路有选择和分组转发

路由协议可分为：

内部网关协议(IGP）：

RIP（基于距离向量的路由选择协议）

  距离是指跳数，直接相连的路由器跳数为 1。跳数最多为 15，超过 15 表示不可达。   

    ①仅和相邻路由器交换信息。

    ②路由器交换的为自己现在的路由表（当前本路由器所知道的全部信息）

    ③按固定的时间间隔交换路由信息

OSPF（开放最短路径优先）

• 使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法
• 向本自治系统中的所有路由器发送信息，这种方法是洪泛法。
• 发送的信息就是与相邻路由器的链路状态，链路状态包括与哪些路由器相连以及链路的度量，度量用费用、距离、时延、带宽等来表示。
• 只有当链路状态发生变化时，路由器才会发送信息。

外部网关协议（EGP）

BGP（边界网关协议）

互联网规模大，BGP智能找一条比较好的路由，而不是最佳路由。每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息。

 

 

 

 

五：传输层

1：UDP

 首部格式：首部字段只有 8 个字节，包括源端口、目的端口、长度、检验和。12 字节的伪首部是为了计算检验和临时添加的。

 

 

 

2：TCP

1）：首部格式：

 

• 确认号 ：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
• 数据偏移 ：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。
• 确认 ACK ：当 ACK=1 时确认号字段有效，否则无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。
• 同步 SYN ：在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接，则响应报文中 SYN=1，ACK=1。
• 终止 FIN ：用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放连接。

 

2）：建立连接：TCP三次握手与四次挥手

TCP 可靠传输

TCP 使用超时重传来实现可靠传输：如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认，那么就重传这个报文段。

TCP 滑动窗口

发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

TCP 流量控制

流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。

TCP 拥塞控制

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。

流量控制是限制发送方数据流量为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

流量控制方式有：注意：滑动窗口 = 发送窗口+ 接收窗口

　　1，停止等待协议：W发=1，W收 = 1

　　2，滑动窗口协议（连续ARQ）

　　　　　2.1：后退N帧协议：W发>1  ,W收 = 1 ，1

　　　　　2.2 ： 选择重传协议：W发>1，W收>1，接收窗口为序列号范围的一半，Wt = WR = 2^（n-1）

发送窗口实际大小 =  min（rwnd 接收，cwnd拥塞）

TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：

慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

为了便于讨论，做如下假设：

• 接收方有足够大的接收缓存，因此不会发生流量控制；

• 虽然 TCP 的窗口基于字节，但是这里设窗口的大小单位为报文段。

 

3：UDP与TCP的区别 

TCP对应的协议：

（1） FTP：定义了文件传输协议，使用21端口。

（2） Telnet：一种用于远程登陆的端口，使用23端口，用户可以以自己的身份远程连接到计算机上，可提供基于DOS模式下的通信服务。

（3） SMTP：邮件传送协议，用于发送邮件。服务器开放的是25号端口。

（4） POP3：它是和SMTP对应，POP3用于接收邮件。POP3协议所用的是110端口。

（5）HTTP：是从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

UDP对应的协议：

（1） DNS：用于域名解析服务，将域名地址转换为IP地址。DNS用的是53号端口。

（2） SNMP：简单网络管理协议，使用161号端口，是用来管理网络设备的。由于网络设备很多，无连接的服务就体现出其优势。

（3） TFTP(Trival File Transfer Protocal)，简单文件传输协议，该协议在熟知端口69上使用UDP服务。

 

 

六：应用层

1：域名系统DNS：提供主机名和IP地址之间的转换

域名具有层次结构：根域名，顶级域名，二级域名

2）：动态主机配置DHCP

提供了即插即用的连网方式，用户不再需要手动配置 IP 地址等信息。

3）：电子邮件协议：

简单邮件传送协议SMTP：只能发送ASCII码，互联网邮件扩充MIME可以发送二进制文件

POP3邮局协议

4）：ftp文件传输协议

它需要两个连接来传送一个文件：

• 控制连接：服务器打开端口号 21 等待客户端的连接，客户端主动建立连接后，使用这个连接将客户端的命令传送给服务器，并传回服务器的应答。

• 数据连接：使用20端口，用来传送一个文件数据。

 

在浏览器中输入www.baidu.com后执行的全部过程 

1、客户端浏览器通过DNS解析到www.baidu.com的IP地址220.181.27.48，通过这个IP地址找到客户端到服务器的路径。客户端浏览器发起一个HTTP会话到220.161.27.48，然后通过TCP进行封装数据包，输入到网络层。

  2、在客户端的传输层(添加TCP头)，把HTTP会话请求分成报文段，添加源和目的端口，如服务器使用80端口监听客户端的请求，客户端由系统随机选择一个端口如5000，与服务器进行交换，服务器把相应的请求返回给客户端的5000端口。然后使用IP层的IP地址查找目的端。

  3、客户端的网络层（添加IP头）不用关系应用层或者传输层的东西，主要做的是通过查找路由表确定如何到达服务器，期间可能经过多个路由器，这些都是由路由器来完成的工作，我不作过多的描述，无非就是通过查找路由表决定通过那个路径到达服务器。

  4、客户端的链路层（添加MAC头），包通过链路层发送到路由器，通过邻居协议查找给定IP地址的MAC地址，然后发送ARP请求查找目的地址，如果得到回应后就可以使用ARP的请求应答交换的IP数据包现在就可以传输了，然后发送IP数据包到达服务器的地址。

 

网络存储技术

主流的网络存储技术主要有三种，分别是

直接附加存储（Direct Attached Storage，DAS）

存储操作依赖于服务器，不带有任何存储操作系统

DAS的适用环境为：

（1）服务器在地理分布上很分散，通过SAN或NAS在它们之间进行互连非常困难时；

（2）存储系统必须被直接连接到应用服务器（例如，Microsoft Cluster Server或某些数据库使用的“原始分区”）上时；

（3）包括许多数据库应用和应用服务器在内的应用，它们需要直接连接到存储器上时。

网络附加存储（Network Attached Storage，NAS）

类似于一个专用的文件服务器，它去掉了通用服务器的大多数计算功能，而仅仅提供文件系统功能，从而降低了设备的成本

存储区域网络（Storage Area Network，SAN）

 通过专用交换机将磁盘阵列与服务器连接起来的高速专用子网。它没有采用文件共享存取方式，而是采用块（block）级别存储。

七：网络规划与设计

 

八：物联网

物联网可以分为三个层次：感知层、网络层和应用层。

感知层：用于识别物体、采集信息，就好比人通过视觉、嗅觉、听觉、触觉来感受事物一样，采集各类信息。如：二维码、RFID、摄像头、传感器。

网络层：传递信息和处理信息。通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。

应用层：解决信息处理和人机交互的问题。

 

九：计算专题

例一：

若两路由器间的频率带宽为8KHZ，信噪比为30dB，该链路实际数据传输速率约为理论最大数据传输速率的50%，则该链路的实际数据传输速率是_______

解：极限传输速率 = Wlog2(1+S/N)       　　　　——带宽受限有高斯白噪声

　　信噪比 = 10 log10（S/N）

　　故实际 = 50% * W log2（1+S/N） = 0.5 * 8K * log2（1001）= 40Kbps

补：极限传输率 = 2W log2V 　　　　　　　　　　——理想低通

例二：时延与信道利用率

主机甲 采用 停止等待协议 向 主机乙 发送数据，数据传输速率是 3k bps，单向传播延时是200ms，忽略确认帧传输时延，当信道利用率等于40%时，数据帧长度_______

解：信道利用率 = 发送时延/ 传输周期

　　传输周期 = 发送时延 + 2 * 传输时延

　　故40% = （x/3kbps）/  ((x/3kbps)+2 * 200ms)  =>  x = 800bit

补：信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送速率

　　最小帧长 = 总线传播时延 * 数据传输率 * 2，即帧的传输时延至少要2倍于线路的传播时延

       故 =>  发送帧数/ 发送速率  =   2 * （线路长度 /  传播速度）  

例三：

若hub再生比特流的过程中会产生1.535us延时，信号传播速度为200m/us ,不考虑前导码，则H3 与 H4 之间的最远距离是_______

以太网规定最小帧长64B，hub为100Base集线器，为V传输 = 100M bps，所以64 B / v传输 = 2 （l /v传输  + 1.535） 得 l  = 205 m

 

例四：