计算机网络知识点汇总（持续更新）

第一章 概述

1.1 计算机网络在信息时代的作用

信息服务基础设施

我国互联网发展状况

中国互联网络信息中心CNNIC：http://www.cnnic.net.cn/

1.2 因特网概述

网络、互联网、因特网的基本概述

• 网络由若干结点和连接这些结点的链路组成
• 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网（或互连网），互联网是“网络的网络”
• 因特网是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计）

因特网发展的三个阶段

• 1969年，单个分组交换网ARPANET
• 1985年，NSFNET（主干网、地区网、校园网）
• 1993年，多层次ISP结构的因特网

因特网的标准化工作

• 因特网协会ISOC
  • 因特网体系结构委员会IAB
    • 因特网工程部ETF
    • 因特网研究部RTF

制定因特网标准的四个阶段

1. 因特网草案（不是RFC）
2. 建议标准（开始成为RFC）
3. 草案标准
4. 因特网标准

1.3 三种交换方式

电路交换

三个步骤:
1、建立连接
2、数据传输
3、释放连接

对于计算机突发数据的传输，线路利用率不高

分组交换

• 将报文划分成若干个等长的数据段，然后给各数据段添加首部（包含重要的控制信息）构成分组
• 节点交换机（路由器）对分组进行存储转发
• 分组从源主机到目的主机，可做不同的路径

报文交换

• 与分组交换类似
• 但不限制报文的长度
• 对结点交换机的存储空间要求高

1.4 计算机网络的定义和分类

定义

• 没有明确的定义
• 最简单的定义：互连、自治、计算机集合
• 不同阶段定义不同，反映当时的网络技术发展水平

分类

按交换技术

• 电路交换网
• 分组交换网
• 报文交换网

按使用者

• 公用网
• 专用网

按传输介质

• 有线网
• 无线网

按覆盖范围

• 广域网WAN
• 城域网MAN
• 局域网LAN
• 个域网PAN

按拓扑结构

• 总线型网络
• 星型网络
• 环型网络
• 网状型网络

1.5 计算机网络的性能指标

速率

比特

计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0

常用数据量单位：
8 bit = 1 Byte
KB = 2^10 B
MB = K * KB = 2^10 * 2^10 B = 2^20 B
GB = K * MB = 2^10 * 2^20 B = 2^30 B
TB = K * GB = 2^10 * 2^30 B = 2^40 B

速率

连接在计算机网络上的主句在数字信道上传送比特的速率，也称比特率或数据率

基本单位：bit/s(b/s，bps)
常用单位：
Kbs=10^3b/s
Mbs=k Kbs=10^6b/s
Gbs=k Mbs=10^9b/s
Tbs=k Gbs=10^12b/s

带宽

模拟信号系统

信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围

单位: Hz(kHz, MHz, GHz)

计算机网络

用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在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: b/s(kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s)

吞吐量

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。

吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制。

时延

发送时延

分组长度(b)/发送速率(b/s)

发送速率 = min[网卡发送速率，信道带宽，交换机或路由器的接口速率]

传播时延

信道长度(m)/电磁波传播速率(m/s)

电磁波传播速率:
自由空间:3 x 10^8m/s
铜线电缆:2.3 x 10^8m/s
光纤电缆:2.0 x 10^8m/s

处理时延

时延带宽积

• 传播时延和带宽的乘积
• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将达到终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特。
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

往返时间RTT

通信双方交互一次所消耗的时间。

利用率

• 信道利用率用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。

• 网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均。

• 根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增大，因此，信道利用率并非越高越好。

• 也不能使信道利用率太低，这会使宝贵的通信资源被白白浪费。

丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组量与总分组数量的比率。

• 丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。

• 分组丢失主要有两种情况：

  • 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃；
  • 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃；在通信量较大时就可能造成网络阻塞。

1.6 计算机网络的体系结构

常见的计算机网络体系结构

OSI的七层体系结构

从下往上依次是：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层。

它是法律上的国际标准

TCP/IP的四层体系结构

从下往上依次是：网络接口层、网际层、运输层、应用层。

它是事实上的国际标准。

网络接口层并没有规定什么具体的内容，目的是为了可以互连各种各样的网络接口。

网际层的核心协议是IP协议，它可以互连各种不同的网络接口，并给运输层的TCP协议和UDP协议提供服务。

五层协议的原理体系结构

从下往上依次是：物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层。

分层的必要性

计算机网络是个非常复杂的系统

“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题

以五层原理体系结构为例，说明分层的必要性

• 采用怎样的传输媒体（介质）
• 采用怎样的物理接口
• 采用怎样的信号表示比特0和1

上述问题划归为物理层

• 如何标识网络中的各主机（主机编址问题，例如MAC地址）
• 如何从信号所表示的一连串比特流中区分地址和数据。
• 如何协调各主机通信（例如，各主机争用总线，交换机的实现原理）。

上述问题划归为数据链路层

• 如何标识各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址问题，例如IP地址）
• 路由器如何转发分组，如何进行路由选择

上述问题划归为网络层

• 如何解决进程之间基于网络的通信问题
• 出现传输错误时，如何处理

上述问题划归为运输层

• 通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

上述问题划归为应用层

五层协议的原理体系结构各层所解决的问题如下：

• 物理层解决使用何种信号来传输比特的问题。
• 数据链路层解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题。
• 网络层解决分层在多个网络间传输（路由）的问题。
• 运输层解决进程之间基于网络的通信问题。
• 应用层解决应用进程间的交互来实现特定网络应用的问题。

分层思想举例

通过浏览器进程与Web服务器进程的交互实例，演示分组逐层封装和解封的过程

专用术语

实体

实体是指任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。

对等实体是指通信双方相同层次中的实体。

协议

协议是控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。

协议的三要素是语法、语义、同步

语法定义所交互信息的格式，例如，IP数据报的格式

语义定义通信双方所要完成的操作，例如，主机HTTP的GET请求给Web服务器，Web服务器收到后执行相应的操作，然后给主机发回HTTP的响应

同步定义通信双方的时序关系，例如，TCP的“三报文捂手”建立连接

对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元PDU

• 应用层：报文（message）
• 运输层：TCP报文段（segment）或UDP用户数据报（datagram）
• 网络层：分组（packet）或IP数据报
• 数据链路层：帧（frame）
• 物理层：比特流（bit stram）

服务

在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑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

协议是“水平的”，服务是“垂直的”

实体是看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议，也就是说，下面的协议对上面的实体是“透明”的

服务访问点是指在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型

• 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段
• 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”
• 运输层的服务访问点为“端口号”

服务原语是指上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令。

• 服务数据单元SDU是指统一系统内，层与层之间交换的数据包。
• 多个SDU可以合成为一个PDU，一个SDU也可划分为PDU

第二章 物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层所要解决的问题

• 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。
• 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

物理层协议的主要任务

• 机械特性
  • 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
• 电气特性
  • 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性
  • 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
• 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 物理层协议的主要任务

引导型传输媒体

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播

• 同轴电缆

• 双绞线
  绞合的作用
  1、低于部分来自外界的电磁干扰
  2、减少相邻导线的电磁干扰
  3、目前的家用以太网，最低应选用超5类（5E）双绞线
  4、屏蔽双绞线比非屏蔽双绞线具有更好的抗干扰性能，但价格也更贵

• 光纤

  • 多模光纤
  • 单模光纤

• 电力线

非引导型传输媒体

非导引型传输媒体是指自由空间

• 无线电波
• 微波
  • 直线传播，可以穿透电离层
  • 地面100米发生塔，最大视距LOS传输距离为100公里
  • 地球同步卫星
  • 低轨道卫星
• 红外线
• 可见光

无线电频谱管理结构

• 中国
• 美国
• ISM频段

2.3 传输方式

数据信道中的常用术语

消息

需要计算机处理的文字、图片、音频以及视频等统称为消息

数据

数据是运送消息的实体，计算机只能处理二进制数据

信号

信号是数据的电磁表现

基带信号

• 数字基带信号：例如在计算机内部，CPU与内存之间所传输的信号
• 模拟基带信号：例如，麦克风采集到声音后所产生的音频信号

编码

• 数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传输：例如，以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码

• 模拟型号转换为数字信号，在数字信道中传输：例如，对音频信号进行编码的脉码调制PCM

常用编码

• 不归零编码

  • 在整个码元时间内不会出现零电平
  • 存在同步问题，需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步
  • 对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。

• 归零编码

  • 每个码元传输结束后信号都要"归零"，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。‘

  • 实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这成为“自同步”信号。

  • 但是，归零编码中大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而被浪费了。

• 曼彻斯特编码

  • 在码元中间时刻发生电平跳变，即表示时钟，也表示数据。

  • 正跳变表示1或0，负跳变表示0或1，可自行定义。

  • 传统以太网（10Mb/s）使用该编码

• 差曼彻斯特编码

  • 在码元中间时刻发生电平跳变，跳变仅表示时钟。

  • 码元开始处电平是否发生变化表示数据。

  • 比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。

调制

• 数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输：例如WiFi，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分复用OFDM等调制方式
• 模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输：例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传输。频分复用FDM技术，充分利用带宽资源。

基本调制（二进制）

• 调幅AM

  • 所调制的信号由两种不同振幅的基本波形构成。

  • 每个基本波形只能表示1比特信息量。

• 调频FM

  • 所调制的信号由两种不同频率的基本波形构成。

  • 每个基本波形只能表示1比特信息量。

• 调相PM

  • 所调制的信号由两种不同初相位的基本波形构成。

  • 每个基本波形只能表示1比特信息量。

混合调制（多元制）

• 例如，将相位与振幅进行混合调制的正交振幅调制QAM
• QAM16可以调制出12中相位，每种相位有1或2种振幅可选
• 可以调制出16种基本波形，每种波形可以对应表示4个比特

码元

在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

简单来说，码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。

2.5 信道的极限容量

造成信号失真的因素

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

奈氏准则

• 在假定的理想条件下，为了避免码间干扰，码元传输速率是有上限的。

• 理想低通信道的最好码元传输速率=2W Baud = 2W码元/秒

• 理想带通信道的最好码元传输速率= W Baud = W 码元/秒

• W表示信道带宽，单位为Hz

波特率和比特率的关系

• 码元传输速率又称为波特率，调制速率，波形速率或符号速率，和比特率有一定的关系

• 当1个码元只携带1比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的。

• 当1个码元只携带n比特的信息量时，则波特率（码元/秒）转换成比特率（比特/秒）时，数值要乘以n。

注意事项

实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限值。这是因为实际信道还会受到其他因素干扰（噪声干扰、信号衰弱等）

要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量，这需要采用多元制。

并不是无限制的提高每个码元携带的比特数量，就可以无限制地提高信息的传输速率。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。

香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率

信道的极限信息传输速率

• c = W x log2（1 + S / N）

c：信道的极限信息传输速率（单位为b/s）
W：信道带宽（Hz）
S：信道内所传输信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位。信噪比（dB）= 10 x log1（ S / N）（dB）

注意事项

在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低，因为在实际信道中，信号还要收到其他一些损伤，如各种脉冲干扰等。

信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

奈氏准则和香农公式的意义

在信道带宽一定的情况下，要想提高信息的传输速率就必须要采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。

自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制的方法不断出现，目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。