深入理解计算机网络读书笔记（一、二）

第一章：数制与编码

1.1 常见数制：

十进制（Decimal）十进制数的标志为D
二进制（Binary）二进制数的标志为B
八进制（Octal）八进制数的标志为O或Q，在C、C++这类语言中规定，一个数如果要指明它采用八进制，必须在它前面加上一个0
十六进制（Hexadecilmal）最新的IPv6地址就是采用16进制来表示的（IPv4地址通常采用十进制表示）0、l、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。十六进制数的标志为H，十六进制数也常常用前缀0x来表示（注意是数字0，而不是字母O）。在C、C++这类编程语言中也规定，16进制数必须以0x开头

1.2 进制转换

• 十进制数转换成非十进制数的方法是： 整数部分的转换用“除基取余法”，也就是用基数相除，然后反序（由后向前取）取余数；小数部分的转换用“乘基取整法”，也就是用基数相乘，然后正序（由前向后取）取整数。
• 二进制数的四种表示形式：

1. 原码，二进制数前用第一位（最高位）来表示符号，即1表示负，0表示正。在原码表示形式中，0有“+0”和“-0”之分。对应的原码分别是0 0000000和1 0000000。
2. 反码，反码编码原理：正数的反码和原码相同；负数的反码是把除符号位外其他各位取反。
3. 补码，原码在加、减法运算中不方便，符号位需要单独处理、单独判断。另外，在原码中0有+0和-0两种表示形式，存在二义性。补码编码原理：正数的补码和原码相同；负数的补码是通过先把除符号位外其他各位取反，再在末位（最低位）加1得到的。
   补码的加减法：
   补码的加法运算法则如下：[X＋Y]补= [X ]补＋[Y]补
   该式表明，两个有符号数相加的补码可以通过先分别对两个数求补码，然后相加得到。在采用补码形式表示时，进行加法运算时可以把符号位和数值位一起进行运算（若符号位有进位，则溢出不管），结果为两数之和的补码形式。
   补码的减法运算法则如下：[X－Y]补=[X]补＋[-Y]补
4. 移码，移码编码原理：正数的符号位为1，负数的符号位为0；真值部分与补码一样。移码是符号位取反的补码，计算移码的方法：[X]移=2的n次方（n为二进制数的位数，不包括符号位）的二进制值+X
   在计算机机器数中实际上全是采用补码方式进行运算的，特别是减法运算。因为原码和反码的减法运算有时结果是不正确的。

第二章：计算机网络概述

2.1 基础概念

计算机网络：指将不同地理位置，具有独立功能的多台计算机及网络设备通过通信线路（包括传输介质和网络设备）连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的共同管理和协调下实现资源共享和信息传递的计算机系统。
计算机可以是微机、小型机、中型机、大型机或巨型机等，网络设备包括网桥、网关、交换机、AP、路由器、防火墙等。
资源共享包括：硬件资源共享、软件资源共享、数据资源共享。

2.2 计算机网络发展史

• 第一代计算机网络（面向终端的计算机网络）
  以计算机主机（其实相当于我们现在所说“计算机服务器”）为中心，一台或多台终端围绕计算机主机分布在各处，而计算机主机的任务是进行成批处理，用户终端则不具备数据的存储和处理能力。
  缺点：（1）担当计算中心的计算机负荷很重，造成对终端系统的响应比较慢，甚至会出现服务器崩溃现象。（2）单主机系统的可靠性较低，一旦发生计算机主机＝瘫痪，将导致整个计算机网络系统瘫痪。

• 第二代计算机网络（分组交换式的计算机网络）
  1969年12月，产生了世界上第一个基于分组技术的计算机分组交换系统APPANET。APPANET中主机构成“资源子网”，主机通过接口报文处理机（IMP,Interface Message Processor）转接互连。IMP和它们之间互连的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成“通信子网”。

• 第三代计算机网络（标准化的计算机网络）
  第二代计算机网络没有统一的网络体系架构和协议标准。1984年ISO（国际标准化组织）公布了开放系统互连参考模型（OSI/RM）。OSI/RM模型是一个开放体系结构，定义了网络互连的七层结构，并详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互连性、互操作性和应用的可移植性。计算机之间只能在对应层之间进行通信。
  注：OSI/RM七层结构：（1）物理层：将比特流放到物理介质上传送（2）数据链路层：在链路上传输信息（3）网络层：分组传输和路由选择（4）传输层：端到端透明的传输报文（5） 会话层：会话管理和数据同步（6）表示层：数据格式转换（7）应用层：与用户应用进程的接口

• 第四代计算机网络（国际化的计算机网络）
  第四代计算机网络：将多个具有独立工作能力的计算机系统通过通信设备和线路由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统。TCP/IP取代了OSI/RM的过程，其原因有：（1）TCP/IP协议簇非常庞大，功能完善且实用。（2）OSI/RM的网络体系结构本身分层过多，有些层次（如会话层和表示层）没有太大单独划分的必要性，而有些功能（如流量控制和差错控制等）又在多个层次中出现，实现和协调起来比较难。（3）Internet的投资者不会轻易放弃在TCP/IP协议体系上的巨大投资。

• 下一代计算机网络
  下一代计算机网络（NGN，也就是我们所说的第五代计算机网络）是因特网、移动通信网络、固定电话通信网络的融合，IP网络和光网络的融合；是可以提供包括语音、数据和多媒体等各种业务的综合开放的网络构架；是业务驱动、业务与呼叫控制分离、呼叫与承载分离的网络；是基于统一协议的、基于分组的网络。在功能上NGN分为四层，即接入和传输层、媒体层、控制层、网络服务层。

2.3 计算机网络基本组成

计算机网络的基本组成：硬件系统和软件系统。
计算机网络硬件系统：计算机（或者是计算机终端）、网络设备、传输介质。
计算机网络软件系统：计算机软件（包括网络操作系统，网络通信和应用软件）、网络设备软件（操作系统和网络通信软件）、计算机和网络设备间的网络通信协议。
计算机设备：如PC、计算机服务器、计算机终端、笔记本式计算机、iPAD之类的便携式设备。
网络设备：网络设备通常是指除计算机设备以外的设备，如有线网络中的网卡、网桥、网关、Modem、交换机、路由器、硬件防火墙、硬件IDS（入侵检测系统）、硬件IPS（入侵防御系统）、宽带接入服务器（BRAS）、UPS（不间断电源）等，无线网络（WLAN）中的WLAN网卡、WLAN AP、WLAN路由器、WLAN交换机等。
传输介质：网线。例如：有形介质：同轴电缆（有线电视所用的电缆也是同轴电缆）、双绞线、光缆（也常叫光纤）等；无线介质：无线网络中的电磁波。

2.4 计算机网络分类

• 按通信协议类型分为IBM令牌网络、分组交换网络、以太网协议局域网、TCP/IP协议网络等
• 按管理模式则可分为对等网和C/S（客户机/服务器）。网络对等网（Peer-to-Peer，PTP），网络中各成员计算机的地位都是平等的，没有管理与被管理之分。优点：配置简；缺点：（1）配置与管理困难，（2）安全性差（3）成本高（4）性能差。C/S（客户机/服务器）网络优点：（1）管理和配置容易（2）安全性高（3）性能好。
• 按不同传输介质则可分为同轴电缆网络、双绞线网络、光纤网络、WLAN无线网络、卫星网络、微波网络等
• 按传输方式来分又可分为点对点网络和广播网络（其实是根据所采用的传输协议进行划分的方式）。点对点网络中的网络传输协议：SLIP（串行线路Internet协议）、PPP（点对点协议）、PPPOE（基于以太网的点对点协议）、PPTP（点对点隧道协议）。广播网络是一种可以仅使用由网络上的所有节点共享的公共信道进行广播传输的计算机网络，是一种一点对多点的网络结构。例如：以太网协议，令牌环网络和令牌总线网络。
• 按所覆盖的地理范围又可分为局域网、城域网和广域网。
  局域网（Local Area Network，LAN），特点：（1）私有服务，（2）分布范围较小，（3）结构简单，布线容易，（4）网络速度较快，（5）误码率低。LAN又可分为以太网（EtherNet）、WLAN（无线局域网），以前还有IBM令牌网（传输速率最高可达16Mbps）、FDDI（光纤分布式数据接口）网（最高传输速率可达100Mbps）、ATM（异步传输模式）网（最高传输速率可达Gbps以上）。以太网（EtherNet）包括10Mbps的标准以太网、100Mbps的快速以太网、1Gbps的千兆以太网、10Gbps的万兆以太网。
  城域网（Metropolitan Area Network，MAN），MAN的标准为IEEE 802.6，通常采用ATM技术作为骨干网传输技术。
  广域网（Wide Area Network，WAN），Internet是最大的广域网。特点：（1）覆盖范围广（2）构建成本高（3）网络结构和类型复杂（4）传输速率低，误码率高。
  注：“接入网”是位于局域网与城域网或广域网之间的中间小型网络，专门为远程网络间互连提供网络用户接入技术，如各种ISP（Internet服务商）为我们提供的ADSL拨号、光纤接入、分组接入、卫星接入，以及各种专线接入等。
  
  局域网、城域网、广域网之间的关系

2.5 计算机网络拓扑结构

网络拓扑结构：由网络节点设备和通信介质通过物理连接所构成的逻辑结构图。
网络拓扑结构基本概念：

1. 节点：一个“节点”其实就是一个网络端口。节点又分为“转节点”和“访问节点”两类。“转节点”的作用是支持网络的连接，它通过通信线路转接和传递信息，如交换机、网关、路由器、防火墙设备的各个网络端口等；而“访问节点”是信息交换的源点和目标点，通常是用户计算机上的网卡接口。
2. 结点：一个“结点”是指一台网络设备，因为它们通常连接了多个“节点”，所以称之为“结点”。在计算机网络中的结点又分为链路结点和路由结点，它们就分别对应的是网络中的交换机和路由器。
3. 链路：“链路”是两个节点间的线路。链路分物理链路和逻辑链路（或称数据链路）两种，前者是指实际存在的通信线路，由设备网络端口和传输介质连接实现；后者是指在逻辑上起作用的网络通路，由计算机网络体系结构中的数据链路层标准和协议来实现。
4. 通路：“通路”从发出信息的节点到接收信息的节点之间的一串节点和链路的组合。它与“链路”的区别主要在于一条“通路”中可能包括多条“链路”。

• 星型拓扑结构
  星型拓扑结构（Star Topology）又称集中式拓扑结构，是因集线器或交换机连接的各节点呈星状（也就是放射状）分布而得名。在这种拓扑结构的网络中有中央结点（集线器，或交换机），其他节点（工作站、服务器）都与中央结点直接相连。
  基本星型拓扑结构
  
  基本星型拓扑结构
  
  在基本星型拓扑结构单元中，所有服务器和工作站等网络设备都集中连接在同一台交换机上。
  固定端口交换机一般最多有48个交换端口，模块式的交换机端口数可达100个以上。
  扩展交换端口的另一种有效方法就是堆叠了。有一些固定端口配置的交换机支持堆叠技术，通过专用的堆叠电缆连接，所有堆叠在一起的交换机都可作为单一交换机来管理，不仅可以使端口数量得到大幅提高（通常最多堆叠8台），还可以提高堆叠交换机中各端口实际可用的背板带宽，提高了交换机的整体交换性能。
  多级星型拓扑结构
  复杂的星型结构网络就是在基本星型拓扑结构单元基础上通过多台交换机级联形成的。
  星型结构网络中通常是采用双绞线和光纤作为传输介质。
  星型拓扑结构主要优缺点：
  优点：（1）节点扩展、移动方便；（2）网络上行通道不共享，网络传输数据快；（3）节点相对独立，维护容易。缺点：（1）核心交换机工作负荷重；（2）网络布线较复杂；（3）广播传输影响网络性能（以太网的缺点）。在以太网中，当集线器收到节点发送的数据时，采取的是广播发送方式，任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到，这严重影响了网络性能的发挥。
• 环形拓扑结构（已被抛弃，传输速率低，扩展性能又不好。）
  令牌环在物理上是一个由一系列环接口（称之为中继转发器，即RPU）和这些接口间的点对点链路构成的闭合环路，各站点PC通过环接口连到网上。
  
  环形拓扑结构
  
  优点：（1）网络路径选择和网络组建简单；（2）投资成本低。缺点：（1）传输速度慢；（2）连接用户数非常少；（3）传输效率低；（4）扩展性能差；（5）维护困难。
• 总线型拓扑结构
  总线型拓扑结构网络中所有设备通过连接器并行连接到一条传输电缆（通常称之为中继线、总线、母线或干线）上，并在两端加装一个称为“终接器”的组件。终接器主要用来与总线进行阻抗匹配，最大限度吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰。
  
  总线型拓扑结构
  
  总线型拓扑结构与环型拓扑结构的区别：（1）与传输电缆的连接方式不同，环型：串联，总线型：并联（2）数据传输原理不同，令牌总线数据传输原理：逻辑结构上构成一个环型拓扑结构，每个站点都动态地维护着一个连接表，该表记录着本站点在环路中的前继、后继和本站点的地址，总线网络中某个站点出现故障或没有工作，则会重新建立新的逻辑令牌环网络，绕开出现故障或没有工作的站点。按照逻辑结构进行数据传输。
  总线型拓扑结构优缺点，优点：（1）网络结构简单，易于布线；（2）扩展较容易；（3）维护容易。缺点：（1）传输速率低；（2）难以实现大规模扩展；（3）网络不是集中式连接，故障诊断需要在网络中各站点计算机上分别进行，故障诊断困难。
• 树形拓扑结构
  树形拓扑结构是星型拓扑结构的扩展。优点：扩展性优。缺点：（1）对“根”设备（核心，或者骨干层）交换机的依赖性太大；（2）最顶端的核心层设备负荷重，可以通过配置冗余链路和选择高性能设备来弥补。
  
  树形拓扑结构
• 网状拓扑结构
  网状拓扑结构（Mesh Topology）又称无规则型拓扑结构。在这种结构中，各节点之间通过传输介质彼此互连，构成一个网状结构。网状拓扑结构又有“全网状结构”和“半网状结构”两种。全网状结构就是指网络中任何两个节点间都是相互连接的，半网状结构是指网络中并不是每个节点都与网络的其他所有节点有连接，可能只是一部分节点间有互连。
  网状拓扑结构优缺点，优点：具有较高的可靠性，容易在多条线路上实现负载均衡，主要用于广域网的骨干网络。缺点：布线复杂、成本高，不易管理、维护和进行网络扩展；容易出现路由环路，或者二层环路（如果连接的结点是交换机），路由配置复杂。
• 混合型拓扑结构
  混合型网络拓扑结构是指由多种结构（如星型拓扑结构、环形拓扑结构、总线型结构、网状结构）单元组成的拓扑结构，但常见的是由星型拓扑结构和总线型拓扑结构结合在一起组成的。
  混合型拓扑结构更能满足较大网络的灵活扩展，解决星型网络在传输距离上的局限（因为双绞线的单段最大长度要远小于同轴电缆和光纤），同时又解决了总线型网络在连接用户数量的限制。
  特点：（1）应用广泛；（2）扩展灵活；（3）维护较为困难。
• 无线局域网的两种拓扑结构
  无线局域网（WLAN）中有Ad-Hoc和Infrastructure两种拓扑结构（其实可以理解为WLAN的两种管理模式），前者连接性能较差，连接用户较少（通常为5个以内），主要用于小型家庭和SOHO网络中；后者连接性能较好，主要用于较多用户的企业网络中，应用更为广泛。
  Ad-Hoc模式主要优缺点，优点：网络结构简单，只要安装了无线网卡即可连接，无需其他网络设备，成本非常低。缺点：采用点对点连接方式，只能单点通信，所以连接性能较差，仅适用于较少数量的计算机无线互连。没有中心管理单元，因此这种网络在可管理性和扩展性方面受到一定的限制。
  Infrastructure结构类似于有线网络中的星型交换模式，额外需要有一个用于集中连接各无线用户的无线AP。优点：网络易于扩展、便于集中管理、能提供用户身份验证，另外数据传输性能也明显高于Ad-Hoc对等结构。