（湖科大教书匠）计算机网络微课堂（上）

第一章

因特网概述

1、网络、互联网和因特网

网络由若干结点和连接这些结点的链路（有线、无线）组成
多个网络还可以通过路由器互连起来。这样就构成一个覆盖范围更大的网络，即互联网。因此，互联网是网络的网络。因特网Internet是世界上最大的互联网络

2、因特网发展的三个阶段

因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider）
普通用户通过ISP（中国电信）接入因特网

基于ISP的三层结构的互联网
相隔较远的两台主机间的通信可能需要经过多个ISP
一旦某个用户能够接入因特网，那么他也可以成为ISP，购买调制解调器/路由器

4、因特网的组成
边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用于通信和资源共享
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的

三种交换方式

1、电路交换Circuit Switching

电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
电路交换三个步骤：
建立连接（分配通信资源）；通话（一直占用通信资源）；释放连接（归还通信资源）

当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低

2、分组交换Packet Switching
发送方：构造分组、发送分组
路由器：缓存分组、转发分组
接收方：接受分组、还原报文

4、电路交换、报文交换、分组交换对比

计算机网络的定义和分类

2、计算机网络的分类

计算机网络的性能指标

1、速率

比特
计算机中数据量的单位
8 bit = 1 Byte
KB = $2^{10}$ B（这个K大写）
MB = KKB = $2^{10}\ast 2^{10}$ B = $2^{20}$ B
GB = KMB = $2^{10}\ast 2^{20}$ B = $2^{30}$ B
TB = K*GB = $2^{10}\ast 2^{30}$ B = $2^{40}$ B

速率
连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称比特率或数据率
bit/s b/s bps
kb/s = $10^3$ b/s(bps)（这个k小写）
Mb/s = kkb/s = $10^3\ast 10^3$ b/s = $10^6$ b/s(bps)
Gb/s = kMb/s = $10^3\ast 10^6$ b/s = $10^9$ b/s(bps)
Tb/s = k*Gb/s = $10^3\ast 10^9$ b/s = $10^{12}$ b/s(bps)

2、带宽

带宽在模拟信号系统中的意义

带宽在计算机网络中的意义
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

3、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
吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制

4、时延

5、时延带宽积
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

6、往返时间

7、利用率
信道利用率：用来表示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：全网络的信道利用率的加权平均

信道利用率并非越高越好

8、丢包率
即分组的丢失率
是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率
主要有两种情况：1、出现误码，被结点丢弃；2、分组交换机队列已满，网络拥塞

常见的计算机网络体系结构

分层的必要性

第二章、物理层

物理层基本概念

机械特性：接线器形状尺寸、引脚数目排列
电气特性：电压范围
功能特性：电压表示何种意义
过程特性：时间的出现顺序

物理层下面的传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层

导引型传输媒体：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线
非导引型传输媒体：无线电波、微波、红外线、可见光

传输方式

1、串行传输 & 并行传输
远距离传输（如计算机网络）：串行传输
计算机内部数据传输：并行传输

2、同步传输 & 异步传输
同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔；接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测
异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的

3、单工、半双工、全双工
单工：只有一个传输方向（广播）
半双工：双方可以相互传输数据，但不能同时进行（对讲机）
全双工：可以同时发送和接收信息（电话）

编码与调制

1、
码元：代表不同离散数值的基本波形

2、常用编码

3、基本调制方法
使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息

4、混合调制方法
多元制

信道的极限容量

1、奈氏准则

注意波特的单位是 码元/秒

码元传输速率就是调制速度

2、香农公式

这题有噪声，故用香农公式

第三章、数据链路层

数据链路层概述

数据链路层以帧为单位传输和处理数据

1、使用点对点信道的数据链路层
3个重要问题：封装成帧、差错检测、可靠传输

2、使用广播信道的数据链路层
共享式以太网的媒体接入控制协议CSMA/CD
802.11局域网的媒体接入控制协议CSMA/CA

封装成帧

封装成帧是指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧
帧头和帧尾的作用之一就是帧定界

透明传输是指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制
面向字节的物理链路使用字节填充方法实现透明传输
面向比特的物理链路使用比特填充方法实现透明传输

为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分的长度尽可能大些
最大传输单元MTU

差错检测

1、奇偶校验
在待发送的数据后面添加一位奇偶校验位（0或1），使整个数据中“1”的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）
如果奇数个位发生误码，则奇偶性发生变化，可以检查出误码
如果偶数个位发生误码，则奇偶性不发生变化，不能检查出误码

2、循环冗余检验CRC
算法要求多项式必须包含最低次项

已知待发送信息，计算余数 & 发送信息

已知接收信息，判断是否误码

检错码只能检测出帧在传输过程中出现差错，但不能定位错误，因此无法纠正错误

CRC漏检率非常低，易于用硬件实现，因此广泛应用于数据链路层

可靠传输的基本概念

1、
数据链路层向上层提供的服务类型
（1）不可靠传输服务：仅仅丢弃有误码的帧
（2）可靠传输服务：想办法实现发送端发送什么，接收端就收到什么

一般情况下，有线链路误码率比较低，不要求数据链路层向上提供可靠传输服务
无线链路易受干扰，误码率比较高，因此要求数据链路层必须向上层提供可靠传输服务

2、
比特差错只是传输差错的一种
传输差错还包括分组丢失、分组失序、分组重复（一般不出现在数据链路层，而出现在其上层），因此，可靠传输服务不仅局限在数据链路层，其他各层均可选择实现可靠传输

可靠传输——停止等待协议SW

信道利用率

可靠传输——回退N帧协议GBN（Go-Back-N）

可靠传输——选择重传协议SR（Selective Request）

点对点协议PPP

2、透明传输——面向字节的异步链路采用插入转义字符的字节填充法

3、透明传输——面向比特的同步链路采用插入比特0的比特填充法

媒体接入控制的基本概念

媒体接入控制——静态划分信道

复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号

4、码分复用

随机接入——CSMA/CD协议（总线局域网协议）

随机接入——CSMA/CA协议（无线局域网协议）

MAC地址

IEEE 802局域网的MAC地址格式

IP地址

注意IP地址属于网络层范畴，而非数据链路层范畴

同一个网络上的各主机和路由器的各接口的IP地址的网络号部分应该相同，而主机号部分各不相同

1、从网络体系结构看IP地址与MAC地址
报文网络层首部封装IP地址，报文链路层首部封装MAC地址

2、数据包转发过程中IP地址与MAC地址的变化情况

地址解析协议ARP

ARP协议只能在一段链路或一个网络上使用，不能跨网络使用
本例中，ARP协议是逐段链路进行的

集线器与交换机的区别

2、以太网交换机

3、对比集线器和交换机

以太网交换机自学习和转发帧的流程

上图中A、G和交换机1的接口1由一个集线器连在一个总线上

以太网交换机的生成树协议STP

虚拟局域网VLAN概述

而且网络中会频繁出现广播信息

2、分割广播域的方法

路由器工作在网络层，用于路由器默认情况下不对广播数据包进行转发，因此路由器很自然地就可以隔离广播域

3、VLAN

虚拟局域网VLAN的实现机制

1、IEEE 802.1Q帧

2、交换机的端口类型