《计算机网络》第七版 谢希仁 知识总结（持续更新）

《计算机网络》

第一章 概述

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

• 21世纪的主要特征：数字化、网络化、信息化。

• 三大类网络

  ​ 电信网络：向用户提供电话、电报、传真等服务。

  ​ 有线电视网络：向用户传送各种电视节目。

  ​ 计算机网络：在计算机间传送**数据文件。**因特网：译名

• 互联网：由数量极大的各种计算机网络互连起来的 特点：连通性和共享

  ​ **连通性：**互联网上的用户不受距离限制，在互联网上交换各种信息。

  ​ **共享：**资源共享，信息共享，软件共享，硬件共享。

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络

• 计算机网络：由若干结点和连接这些结点的链路组成 (结点可以是 计算机、集线器、交换机、路由器)
• 互连网：网络之间通过路由器连接起来 构成一个覆盖范围更大的计算机网络。
• 主机：与网络相连的计算机称为主机
• 基本概念：网络把许多计算机连接在一起，而互连网吧许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机称为主机

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段：单个网络ARPANET(分组交换网，TCP/IP协议为标准协议)向互连网发展。

• 第二阶段：构成了三级结构的互联网 分为 主干网、地区网、校园网。

• 第三阶段：形成了多层次ISP结构的互联网。 ISP又称为互联网服务提供者

• 互连网(internet)与互联网(Internet)的区别

  • 互连网：通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络(不一定用TCP/IP协议)
  • 互联网(Internet、因特网)：专用名词 指当前全球最大的、开放的、由众多网络互相连接而成的特定互连网，采用TCP/IP协议族作为通信规则，且其前身是美国的ARPANET。

• 互联网交换点 IXP

  作用：允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要通过第三个网络来转发分组。
  

1.2.3 互联网的标准化工作

• 互联网体系结构委员会IAB
  • 互联网工程部
  • 互联网研究部

1.3 互联网的组成

1.3.1 互联网的边缘部分

• 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成由用户直接使用用来进行通信(传送数据、音频或视频)资源共享

• 网络边缘的端系统之间的通信方式可分为：

  • 客户-服务器方式(c/s方式)

    客户是服务请求方 服务器是服务提供方

• 对等连接方式(P2P方式)

  两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方，两台主机都运行了对等连接软件(P2P软件)，他们就可以平等的，对等连接通信。

  

1.3.2 互联网的核心部分

• 路由器：网络核心部分起特殊作用 实现分组交换的关键构件 作用：转发收到的分组。

• 电路交换：N部电话两两相连 需要N(N-1)/2对电线。

  • 方式：建立连接-通话-释放连接。
  • 特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
  • 缺点：线路传输效率低。

• 分组交换：采用存储转发技术

  • 原理: 把一个报文分为几个分组后再进行传送分组又称为包。加上一些控制信息组成的首部后构成一个分组**(包头)**。

• 互联网的核心：由许多网络和把它们连接起来的路由器组成的。

• 主机和路由器的区别：主机是为用户进行信息处理的 路由器是用来转发分组，进行分组交换。

• 分组交换的优点：

  优点	所采用的手段
  高效	在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用。
  灵活	为每一个分组独立的选择最合适的转发路由。
  迅速	以分组作为传送单位，可以先不建立连接就能向其他主机发送分组。
  可靠	保证可靠性的网络协议：分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。

• 三种交换方式的主要特点

1.4 计算机网络在我国的发展

• 规模最大的五个公用计算机网络
  • 中国电信互联网 CHINANET(原中国公用计算机互联网)
  • 中国联通互联网 UNINET
  • 中国移动互联网 CMNET
  • 中国教育和科研计算机网 CERNET
  • 中国科学技术网 CSTNET

1.5 计算机网络的类别

1.5.1 计算机网络的定义

• 主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，这些硬件并非专门实现特定目的。
• 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了其他智能设备。
• 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用。

1.5.2 不同类别的计算机网络

• 按照网络的作用范围分类：

  类别	作用范围
  广域网WAN	几十到几千公里也被称为远程网。
  城域网MAN	一个城市，五到五十公里。
  局域网LAN	一公里左右
  个人区域网PAN	十米

• 按照网络使用者分类：

  • 公用网(public network)：电信公司出资建造的大型网络。
  • 专用网(private network)：某个部门为了满足本单位的特殊业务工作时建造的网络。

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

• 速率：

  • 单位：bit/s、b/s、bps

• 带宽：

  • 定义：某个信号具有的频带宽度
  • 单位：赫兹Hz
  • 作用：表示网络中某通道传送数据的能力 带宽越宽传输的最高数据率越高

• 吞吐量：

  • 定义：表示在单位时间内通过某个网络的实际数据量。

• 时延：

  • 定义：数据(一个分组，报文，比特)从网络的一段传送到另一端所需要的时间；也称为延迟。

    • 发送时延：主机或路由器发送数据帧需要的时间
      $$\ast 发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)\ast$$

    • 传播时延:电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间
      $$\ast 传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上传播的速率(m/s)\ast$$

    • 处理时延：主机或路由器在收到分组后花费一定时间进行处理。

    • 排队时延：分组在经过网络传输时要花费一定时间进行处理，分组进入路由器后要现在输入队列中排 队等待处理。

• 时延带宽积：

  • 定义：时延带宽积=传播时延×带宽 表示该链路能容纳多少个比特。

• 往返时间RRT：

  ​ 发送时间=数据长度/发送速率

​ 有效数据率=数据长度/发送时间+RRT

• 利用率

  • 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
  • 网络利用率：全网络信道利用率的加权平均值。
  • 总结：信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。

1.6.2 计算机网络的非性能指标

1. 费用
2. 质量
3. 标准化
4. 可靠性
5. 可拓展性和可升级性
6. 易于管理和维护

1.7 计算机网络体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

• 系统网络体系结构SNA
• 开放系统互连基本参考模型OSI/RM
• OSI的失败原因
  • 缺乏实际经验，完成OSI标准是缺乏商业驱动力。
  • 协议实现过分复杂，运行效率很低。
  • OSI标准制定周期太长。
  • 层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

1.7.2 协议与划分层次

• 同步：在一定条件下应当发生什么事件因而同步含有时序的意思。

• 网络协议：为网络中的数据交换而建立的规则、标准、或约定。

• 网络协议三要素：

  • **语法：**数据与控制信息的结构或格式。
  • **语义：**发出何种控制信息。
  • **同步：**事件实现顺序的详细说明。

• 划分层次的举例：

• 分层的好处：
  • 各层之间是独立的。
  • 灵活性好。
  • 结构上可分割开。
  • 易于实现和维护。
  • 能促进标准化工作。
• 各层应该完成的功能：
  • 差错控制
  • 流量控制
  • 分段和重装
  • 复用和分用
  • 连接建立和释放
• 体系结构：计算机网络各层及其协议的集合。

1.7.3 具有五层协议的体系结构

• OSI的七层体系结构

• 五层协议

  • 应用层：通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用；应用层交互的数据单元称为报文。

  • 运输层：两台主机中的进程之间的通信提供通用的数据传输服务；主要采用两种协议。

    • 传输控制协议(TCP)：提供面向连接、可靠的数据传输服务；其传输单位是报文段。
    • 用户数据报协议(UDP)：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务(不保证数据传输的可靠性),其传输单位是用户数据报。

  • 网络层:

    • 负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

    • 网络层把运输层产生的报文段或数据报封装成分组或包进行传送。(分组也叫IP数据报)

      注意：互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的。网络层也叫做网际层或IP层

  • 数据链路层

    • 两个相邻的结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻的结点间的链路上传送帧

  • 物理层

    • 在物理层上传输数据的单位是比特

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

• 实体：任何可以发送或接受信息的硬件或软件进程。

• 协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

• 服务：在协议的控制下，两个对等的实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务；

  ​ 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

1.7.5 TCP/IP的体系结构

• TCP/IP协议族

第二章 物理层

2.1 物理层的基本概念

• 物理层主要任务描述：确定与传输媒体的接口有关的一些特性。
  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数量。
  • 电气特性：接口电缆的各条线上出现某一电平的电压的意义。
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

• 数据通信模型：源系统(发送端、发送方)、传输系统(传输网络)、目的系统(接收方、接收端)

• 源点：源点设备产生要传输的数据；如图计算机输入汉字产生数字比特流。

• 发送器：源点产生的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。

• 终点：从接收器获取传送过来的数字比特流，然后把信息显示出来。

• 信号的分类：

  • 模拟信号(连续信号)：例如家中调制解调器到电话端的用户线上传送的就是模拟信号。

  • 数字信号(离散信号)：计算机到调制解调器之间传送的就是数字信号。

2.2.2 信道的基本概念

• 信道概念：信道和电路不等同，信道一般是用来表示向某个方向传送信息的媒体。

• 双方信息交互通信方式：

  • 单向通信：**单工通信(**无线电广播、电视广播)。
  • 双向交替通信：半双工通信；双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(接受)。
  • 双向同时通信：全双工通信；双方可以同时发送和接受消息；传输效率最高。

• 基带信号：来自信源的信号；基带信号往往含有较多的低频成分、直流成分。

• 调制：为了解决许多信道不能传输低频成分和直流分量。

• 不归零式：正电平代表1 负电平代表0。

• **归零制：**正脉冲代表1 负脉冲代表0。

• **曼切斯特编码：**位周期中心向上的跳变代表0；位中心向下跳变代表1。

• **差分慢切斯特编码：**在每一位的中心始终都有跳变位开始边界有跳变代表0，而位边界没有跳变代表1。

• 基本的带通调制方法：

• 调幅

• 调频

• 调相

2.2.3 信道的极限容量

• 信道能够通过的频率范围：

  • 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的识别成为不可能。

• 信噪比：

  • $$信噪比(dB)=1{\log }_1(S/N)$$

    当S/N=1时；信噪比为1；

• 香农公式：

  • 信道的极限信息传输C是:
    $$C=W{\log }_2(1+S/N)(bit/s)$$

    • 其中W为信道的带宽；S为信道的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率；
    • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 引导型传输媒体

• 电磁波被导引在固体媒体(铜线或光纤)传播。
• 双绞线：
  • 两根相互绝缘的铜线用规则的方法绞合起来。
  • 屏蔽双绞线在双绞线外卖加上一层用金属丝编织而成的屏蔽层。
• **同轴电缆：**由内导体铜制芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层、保护塑料外壳。
• **光缆：**光导纤维的集合缆线；优点如下：
  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
  • 抗雷电和电磁干扰效果好。
  • 无串音干扰，保密性好。
  • 体积小，重量轻。

2.3.2 非引导型传输媒体

• 无线传输

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

• 复用：

• **频分复用：**用户在发票到一定的频带后，在通信过程中始终都占用这个频带。

  ​ 可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

• **时分复用：**将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)；每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中

  ​ 占用固定的时隙。可见时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度。

• **统计时分复用：**改进版时分复用，明显提高信道利用率。集中器常使用这种统计时分复用。

2.4.2 波分复用

• 波分复用：光的频分费用。

2.4.3 码分复用

• 每一个用户可以在同样的频带进行通信；由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会

  造成干扰。

2.5 数字传输系统

• 数字传输系统的主要缺点：
  • 速率标准不统一。
  • 不是同步传输。

2.6 宽带接入技术

2.6.1 ADSL技术

• 非对称数字用户线ADSL：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。

2.6.2 光纤同轴混合网(HFC网)

• 光纤同轴混合网

第三章 数据链路层

3.1 使用点对点信道的数据链路层

3.1.1 数据链路和帧

• 数据链路层使用的信道：

  • 点对点信道：一对一的点对点通信方式

  • **广播信道：**一对多的广播通信方式
    

• 链路和数据链路的区别：

  • 链路：一个结点到相邻结点的一段物理线路(有线或无线)。
  • 数据链路：实现协议的硬件和软件加上链路就构成了数据链路；用网络适配器来实现这些协议。

• 点对点信道数据链路层协议数据单元：帧

  • 数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接受的帧中的数据取出并上交给网络层。
    

3.1.2 三个基本问题

• 封装成帧：

  • 在一段数据的前后分别添加首部和尾部就构成了一个帧。

  • 每一种链路层协议都规定了所能传输的帧的最大数据部分长度上限——最大传输单元MTU。

  • 

  

  • 帧开始符：SOH

  • 帧结束符：EOT

• 透明传输：

  • 定义：

    ​ 当传送的帧是用文本文件组成的帧时(文本文件中的字符都是从键盘上输入的)，其数据部分显然不会出像SOH或EOT这样的帧定界控制字符，可见不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧传输过去因此这样的传输就是透明传输。

  • 透明：

    ​ 某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样，在数据链路层表示无论什么样的比特组合的数据，都能按照原样没有差错的通过这个数据链路层。

• 差错检测：

  • 循环冗余检验CRC：

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

• PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。

• PPP协议应该满足的需求：

  • 简单：对数据链路层的帧不需要纠错不需要序号不需要流量控制IETF把简单作为首要的需求。
  • 封装成帧：PPP协议必须规定特殊字符作为帧界定符。
  • 透明性：如果数据中碰巧出现了和帧界定符一样的比特组合时，就采取有效的措施来解决这个问题。
  • 多种协议层协议：PPP协议必须能在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行。
  • 多种类型链路：PPP能够在多种类型的链路上运行。
  • 差错检测：能够对接收端收到的帧进行检测并立即丢弃有差错的帧。
  • 检测连接状态：有一种机制能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
  • 最大传送单元：每一种类型的点对点链路设置最**大传送单元(载荷的数据部分最大长度)**的标准默认值。
  • 网络层地址协商：提供一种机制使通信的两个网络层的实体能通过协商知道或配置彼此的网络层地址。
  • 数据压缩协商：提供一种方法来协商正在使用的数据压缩算法。
  • 其他：
    • 在TCP/IP协议族中，可靠传输由运输层的TCP协议负责，因此数据链路层的PPP协议不需要进行纠错，不需要设置序号，也不需要进行流量控制；
    • PPP协议不支持多点线路，只支持点对点链路通信；PPP协议只支持全双工链路。

3.2.2 PPP协议的帧格式

3.2.3 PPP协议的工作状态

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网的数据链路层

3.3.2 CSMA/CD协议

3.3.3 使用集线器的星形拓扑

3.3.4 以太网的信道利用率

3.3.5 以太网的MAC层

3.4 拓展的以太网

3.4.1 在物理层拓展以太网

3.4.2 在数据链路层拓展以太网

3.4.3 虚拟局域网

3.5 高速以太网

3.5.1 100BASE-T以太网

3.5.2 吉比特以太网

3.5.3 10吉比特以太网(10GE)和更快的以太网

3.3.4 使用以太网进行带宽接入

第四章 网络层

第五章 运输层

第六章 应用层

第七章 网络安全

第八章 互联网上的音频/视频服务

第九章 无线网络和移动网络