[专业课]——计算机网络复习

前言

基础知识：概念、功能、组成、工作方式、分类

概念：计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，再由功能完善的软件来实现资源共享、信息传递

不同的角度、不同的组成分类：

• 组成部分：
  • 硬件：主机、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）、通信处理机（网卡）
  • 软件：QQ、微信
  • 协议
• 工作方式：
  • 边缘部分：直接供用户使用（C/S方式、P2P方式）
  • 核心部分：为边缘部分提供服务
• 功能：
  • 通信子网:数据通信
  • 资源子网:资源共享

分类：

• 分布范围：广域网、诚域网、局域网、个人区域网
• 使用者：公用网络（电信）、专用网络（军事）
• 交换：电路交换、报文交换、分组交换
• 拓扑结构：总线型、星型、环型、网状型
• 传输技术：广播式、点对点
• 传输介质：有线（双绞线）、无线（蓝牙、微波、无线电）

硬件、软件必须相互连通，遵循统一标准（协议）

标准的分类：法定的标准（OSI）、事实的标准（TCP/IP）
请求评论标准（Request for comments）能够成为因特网标准的过程：因特网草案->建议评论标准RFC->因特网标准

计算机网络的指标

速率：数据传输速率（b/s）（如果发送端向接收端发送10bit数据，用了1s，则速率为10b/s）

带宽：最高数据传输速率（b/s）（如果主机在1us能够向链路发送2bit数据，则带宽就是2Mb/s）

吞吐量（单位时间通过某个网络的数据量）：

上面是速度的指标，还有时间的指标

时延：

• 发送（传输）时延：=数据长度/信道带宽（使用高速链路，只能减少发送时延）
• 传播时延：=信道长度/电磁波（而非数据，可理解为是电磁波背着数据）在信道上的传播速率
• 处理时延：数据在交换节点进行一些处理，比如：分析分组的首部、提取分组的数据部分、差错检验、选择何时的路由
• 排队时延：在输入队列和输出队列中排队
• 时延带宽积：=传播时延x信道带宽
• 往返时延RTT：从发送方发送数据，到发送方收到接收方确认，的时间，=传播时延 x 2 + 末端处理时间
• 利用率：
  • 信道利用率：单个信道，有数据通过的时间/总时间
  • 网络利用率：多个信道利用率的加权求和取平均

问题很复杂，需要把大问题化为小问题：分层、协议、接口、服务

概念：

• 服务数据单元（SDU）：为完成用户所要求的功能而传送的数据
• 协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息
• 协议数据单元（PDU）：传输的数据单元
• 实体：第n层的对等实体
• 服务：第n层需要向n+1层提供服务（但是，n层SDU（数据单元）+n层PCI（协议控制信息）= n层PDU = n-1层SDU）
• 协议：不同结点之间对等实体进行通信的规则的集合
  • 语法信息：传输数据的格式
  • 语义信息：要完成的功能
  • 同步信息：各种操作的条件、时序关系
• 接口：同一结点内上下层交换信息的连接点不同层传输的规则：下层的SDU（数据单元）+下层的PCI（协议控制信息）= 下层的PDU = 上层的SDU
  
  就比如（特别的，只有数据链路层，加了首部、还要加尾部）：
  

那如何分层？——OSI/ISO

OSI参考模型：物理层、数据链路层、网络层 | 传输层 | 会话层、表示层、应用层（上四层是端到端的通信、下三层是点到点的通信）
分类： 数据子网（数据通信） 源子网（资源共享）

七个层的功能：

• 应用层：所有能和用户交互、产生网络流量的程序（文件传输FTP\电子邮件SMTP\万维网HTTP）
• 表示层：对交换信息进行语法和语义的处理（数据格式变换、数据加密、数据压缩和回复），得到表示方式
• 会话层：不同主机上的各个进程之间进行会话
• 传输层：传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP）(端到端通信，端指不同主机之间的进程(port))。TCP\UDP
• 网络层：把数据从源端传到目的端，单位为数据报，可进一步分组。提供的功能为：
  • 路由选择：选择最佳路径
  • 流量控制：控制发送端的速度
  • 差错控制：设置奇偶校验码，检查数据是否错误
  • 拥塞控制：缓解节点的拥塞
• 数据链路层：把网络层的数据组装成帧（点到点通信，点指主机）
  • 差错控制：检测出在传输过程中受到干扰的信号
  • 流量控制：控制相邻结点传输数据和接受数据的速率
• 物理层：在链路上进行比特流的传送
  • 规定了通信结点和通信链路的接口的一些参数（尺寸、形状，如电脑的网线接口）
  • 规定了传输信号的电气特征（如信号A表示0）

TCP/IP更加好

其结构：

• 应用层
• 传输层
• 网际层
• 网络接口层
  与OSI的异同：
• OSI参考模型先出现，再出现协议；TCP/IP反之
• TCP/IP将IP(网际层)作为单独的重要层次，并只用无连接的通信模式，而认为传输层的端到端通信需要很稳定的无连接+面向连接：
  

物理层

概念

作用：在 连接各种计算机的传输媒体 上传输数据比特流

主要任务：确定和传输媒体接口相匹配的一些特性：

• 机械特性：规格、接口形状、引线数目、排列情况
• 电气特性：电压范围（哪一个范围表示0…）、传输速率、传输距离
• 功能特性：某一个电平表示何种含义
• 规程特性：定义各条线路的工作规程和时序关系

数据通信是非常重要的！

一些概念：
信源将数据先转换为信号（数字信号：离散的、模拟信号：连续的），通过信道（包含发送信道和接收信道，按照传输信号分：1. 模拟信道 2. 数字信道，按照传输介质分：1. 无线信道 2. 有线信道）发送给信宿。

三种通信方式：

• 单工通信：一条信道，发送方不能作为接受方
• 半双工通信：两条信道，但一方不能同时发送和接收
• 全双工通信：两条信道，通信双方可同时发送和接收信息

两种数据传输方式：

• 串行传输：速度慢、费用低、适合远距离
• 并行传输：速度快、费用高、适合近距离

计算题来了！ 码元、速率、

码元：M进制（表示有M种不同的状态）、固定时长的信号波形

速率：

• 码元传输速率（传输是主机到信道的过程）：单位时间传输的码元个数，单位是波特。 等价于 脉冲个数、信号变化的次数
• 信息传输速率：单位时间传输的比特个数。计算： 码元传输速率=M波特，1码元携带了n比特（比如：1个k进制的码元，说明有k个不同的状态，需要log(k)个比特来表示），则信息传输速率 = Mxn bit/s
• 带宽：单位时间传输的最大数据量

练习题：


系统的传输速率指的是信息传输速率，因此十六进制码元系统更快。而如果让十六进制码元系统去传输四进制码元，4800bit/s -> 2400比特，依然是大于前者。

编码和调制

编码和调制发生在基带信号和宽带信号中，什么是基带、宽带信号？：

• 基带信号：计算机直接发送的信号，发送到数字信道（短距离）
• 宽带信号：基带信号通过调制之后形成的频分复用模拟信号，发送到模拟信道（长距离）

编码和调制：

数字数据编码为数字信号的方式主要是：非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码，其中后两种由于每个码元都发生跳变，同时携带了时钟、数据信号，从而实现了同步+数据传输。

数字数据—数字发送器—>数字信号（基带传输）
对于10011010的二进制数字数据，编码分别为：

• 非归零编码：1->高、0->低

  

• 归零编码：1->从高到低，0不变（在一个码元内，必须恢复到低）
  

• 反向不归零编码：1不变，0跳变
  

• 曼切斯特编码：1->从高到低，0->从低到高（在一个码元内，必须跳变）。码元传输速率是数据传输速率的两倍。
  

• 差分曼彻斯特编码：1：当前码元的起始高度与上一个码元的末尾高度相同； 0：相反
  

• 4B/5B编码：为每一段4个比特增加一个比特，编码率为80%

需要学会根据振幅、频率、相位个数，来判断状态个数，即码元的进制数N，从而得到一个码元对应的比特数log(N)

数字数据—调制器—>模拟信号（调制）

• 调幅（ASK）：0没有幅度、1有幅度（振幅）
  
• 调频（FSK）：01都有幅度，0频率低、1频率高（频率）
  
• 调相（PSK）： 相位调制
  
  • 调幅+调相（QAM）
  • 题目：
    
    4 x 4 = 16种波形，也就是16进制码元。16进制的码元需要4个比特来表示，所以信息传输率（比特/s） = 4 x 码元传输率（波特）。答案：1200 x 4 = 4800

PCM编码中，抽样将连续的信号转换成离散的电平，量化将电平按照规定的幅值转换成整数，编码用二进制比特来表示整数

模拟数据—PCM编码器—>数字信号（编码），可以达到最高保真水平，分为三步：
- 抽样：对模拟信号周期性扫描，得到离散信号，规定：采样频率 >= 2 x 信号最高频率（对于一个已知频率的正弦波，需要在一个周期，采样得到两个点，才能知道y=Asin(频率x+z)）
- 量化：按照电压幅值，把电压转换为整数
- 编码：根据整数个数（状态数N），采用log(N)位比特编码状态

作用是调高宽带信号的频率，减少失真

模拟数据—放大器调制器—>模拟信号（调制）

奈氏准则和香农定理

失真

• 概念：接受信号波形和发送信号的波形不一样，和码元传输速率、传输距离、噪声干扰、传输媒体质量有关
• 举例：码间串扰：码元的传输速率太快了，无法识别码元之间的差异，从而失真（太快和太慢都不行，信道带宽=能够通过的最高频率 - 最低频率）

如何解决码间串扰？

• 奈氏准则
  • 概念：没有外界噪声的条件下，为了避免码间干扰，规定码元传输速率最高为 2W 波特，其中W是信道带宽，单位是HZ
  • 利用奈氏准则求最大数据传输率：2 W log_2^V b/s，其中V是进制数，为了提高数据传输速率，需要提高码元的进制
  • 题：
    
• 香农定理
  • 概念：有外界噪声的条件下，对于平均功率比较强的信号，它受到同样功率的噪声，干扰较少。所以信噪比(S/N)需要越大越好
  • 利用香浓定理求最大数据传输率：W log_2^(1+S/N)，S/N （不带单位） = 10log_10(S/N)（单位为dB）
  • 题（带入没有单位的信噪比）：

如果题目么有给出是否有噪声，则都求，取最小：

物理层的传输介质

分类：

• 导向性传输介质：
  • 双绞线：聚氯乙烯1->绝缘层2->两根并排绞合的铜线（无屏蔽双绞线UTP）；再在1和2之间加上一个屏蔽层（屏蔽双绞线STP）
  • 同轴电缆：绝缘保护套层->外导体屏蔽层->绝缘层->内导体；根据基带\宽带，分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆
  • 光纤：传递光脉冲，带宽非常大；需要光电二激光实现光电转换；分为多模光纤和单模光纤；
• 非导向性传输介质：
  • 无线电波、微波、红外线和激光

物理层的两大设备

中继器：输入一个衰减的数字信号，经过再生和还原，输出原数字信号。

• 中继器不会检查错误
• 中继器两端可以是不同的传输媒介
• 虽然是不同的传输媒介，但要是一样的协议
• 5-4-3规则：最多有5个网段，即，最多有4个网络设备（中继器），最多有3个段可以连接主机（工作站）
  

集线器（多口中继器）：集线器直接连接了多个主机，一个主机将信号送入集线器，集线器进行再生和还原，发送给剩下的其它主机

数据链路层

实现的功能：

• 为网络层提供服务：无确认无连接服务（实时通信）、有确认无连接服务、有确认面向连接服务。 （有连接一定有确认）
• 链路管理
• 组帧
• 流量控制
• 差错控制（帧错、位错）

功能1：组帧，将网络层输入的数据报，首尾加帧定界符，得到帧

什么是帧？——帧首部定界符+网络层的数据报（<=最大传送单元MTU）+帧尾部定界符

有哪几种组帧方法？

• 字符计数法：帧首部使用一个计数字段（第一个字节，8位比特）来标明帧内字符数
  
• 字符填充法：帧首部、帧尾部，各使用一个标识符。对内部和标识符相同的字节，前面填充一个转义字节。
  
• 零比特填充法：帧首部、帧尾部，各使用0111110进行标识。为了透明传输，从左到右遍历二进制，在连续的5个1后面填0
  
• 违规编码法：用曼彻斯特编码把数字数据编码成数字信号，并把”高高“、”低低“作为首尾帧。
  

透明传输：物理层不会关注比特流的内容，有时，控制信息可能和数据编码相同，这时需要数据链路层很好地组帧。

差错控制

差错的分类：

• 位差错：0< - >1
• 帧差错：（123）
  • 帧丢失：（13）
  • 帧重复：（1223）
  • 帧失序：（132）

位错误的控制：

• 检错
  • 奇偶校验码
    • 奇校验：通过1个校验位和n-1个数字位，保证数据1的个数是奇数，接受方判断是否成立（只能检验奇数位错）
    • 偶校验：通过1个校验位和n-1个数字位，保证数据1的个数是偶数，接受方判断是否成立（只能检验偶数位错）
  • CRC循环冗余码：定义生成多项式（阶数为位数-1），要传的数据后面补阶数个0 ÷ 生成多项式，得到余数，加上余数之后发送。接受方完成同样的操作，如果余数是0，则成立。
    
• 纠错：海明码
  海明不等式：2^r >= k + r + 1，其中r是校验位，k是信息位
  第一步：计算校验位数：给定信息位，根据不等式，确定满足不等式的最小校验位数
  第二步：确定校验码和数据的位置（从1…10，4个校验位依次放在2的n次方的位置）
  
  第三步：确定校验码的值（为每一个位置进行编码，对于校验位p_i，找到第i位和它编码一样的位置，用p_i和一样位置的其它实际值一起异或，取p_i，使得异或为0）
  
  第四步：校验并纠错（同样的，让校验位的实际值和对应位置的实际值进行异或，把结果从后往前排，比如p_4的结果、p_3的结果…，转成10进制，则是改变的位数）
  

网络层

传输层

网络应用模型

其它问题

TCP三次握手：【原因】：信道是不可靠的，但可以通过协议来让数据传输变得可靠。考虑客户端A、B，A发出的报文发生了阻塞，失效了，B收到后以为是一个新的连接，导致错误。【过程】A发送序列号为J的SYN，B发送序列号为K的SYN和序列号为J+1的ACK，A发送序列号为K+1的ACK，完成连接。
四次挥手：【原因】：两个客户端之间的连通是全双开的，A发送FIN表示自己没有数据了，B发送ACK表示收到后，A依然能够作为接收方，B依然能够作为发送方。【过程】B再发送一个FIN，A再发送ACK。
在地址栏输入网址发生的过程：