计算机网络复习

发表于 2023-03-06 更新于 2023-03-07 分类于复习总结本文字数： 5.5k 阅读时长 ≈ 20 分钟

第一章引言

网络核心
- 目标：将海量的端系统互联起来
- 由各类路由器、交换机和链路，构成的网状网络
分组交换（也称包交换）
- 主机将数据分成分组，发送到网络
- 网络将数据分组从一个路由器转发到下一个路由器，通过从源到目标的路径上的链路，逐跳传输抵达目的地
网络核心两大功能
- 功能1：路由
  - 全局操作：确定数据分组从源到目标所使用的路径
  - 需要路由协议和路由算法，产生路由表
- 功能2：转发
  - 本地操作：路由器或交换机将接收到的数据分组转发出去（即移动到该设备的某个输出接口）
  - 确定转发出去的接口/链路：根据从 “入接口〞收到分组头中的目的地址，查找本地路由表，确定“出接口”
存储转发技术
- 数据分组传输延迟
  - 需要L/R秒才能将L位数据包以Rbps的速率传输(推出）到链路中
- 存储和转发
  - 路由器需要接收到完整的整个数据分组以后，才能开始下一跳发送
分组交换
- 通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制，实现数据交互的通信方式
- 以分组作为数据传输单元
- 每个分组的首部都含有地址（目的地址和源地址）等控制信息
- 每个分组在互联网中独立地选择传输路径
- 支持灵活的统计多路复用
电路交换主要特点
- 电路交换通常采用面向连接方式
- 先呼叫建立连接，实现端到端的资源预留
- 预留的资源包括：链路带宽资源、交换机的交换能力
- 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，资源专用，即使空闲也不与其他连接共享
- 由于建立连接并预留资源，因此传输性能好；但如果传输中发生设备故障，则传输被中断
典型交换方式的比较
- 报文交换
  - 与分组交换类似，采用存储转发方式，但不将应用的大报文拆分成多个分组
- 三种交换的比较
  - 电路交换需要建立连接并预留资源，难以实现灵活复用
  - 报文交换和分组交换较灵活，抗毁性高，在传送突发数据时可提高网络利用率
  - 由于分组长度小于报文长度，分组交换比报文交换的时延小，也具有更好的灵活性
网络协议设计
- 网络协议
  - 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，即网络协议(networkprotocol)
  - 通信双方需要共同遵守，互相理解
- 三要素
  - 语法：规定传输数据的格式（如何讲）
  - 语义：规定所要完成的功能（讲什么）
  - 时序：规定各种操作的顺序（双方讲话的顺序)
协议层次结构
- 层次栈
  - 为了降低网络设计的复杂性，大部分网络都组成一个层次栈，每一层都建立在其下一层的基础上
- 对等实体
  - 不同机器上构成相应层次的实体成为对等实体
- 接口
  - 在每一对相邻层次之间的是接口；接口定义了下层向上层提供哪些原语操作与服务
- 网络体系结构
  - 层和协议的集合为网络体系结构，一个特定的为系统所使用的一组协议，即每层的协议，称协议栈
服务原语
- 两种不同类型的服务：面向连接和无连接
  - 面向连接：按照电话系统模型建立的（一个常见的例子）
    - 每个“请求”或“响应〞后，都在对方产生一个“指示”或“确认”动作
  - 无连接：按照邮政系统模型建立的（一个常见的例子）
    - 邮件携带了完整的目标地址，传输过程不需要应答
服务
- 典型服务：面向连接传输服务，无连接传输服务
- 服务由一组可用于用户进程以访问服务的原语（操作）形式指定
- 原语告诉服务执行某些操作或报告对等实体所采取的操作
六个核心服务原语(以面向连接服务为例）
1. 连接请求
2. 接受响应
3. 请求数据
4. 应答
5. 请求断开
6. 断开连接
服务与协议的关系
- 协议是“水平”的，服务是“垂直”的
- 实体使用协议来实现其定义的服务
- 上层实体通过接口使用下层实体的服务
OSI和TCP/IP参考模型

OSI7层模型	OSI定义	TCP/IP4层模型	TCP/IP定义
应用层	通过应用层协议，提供应用程序便捷的网络服务调用
表示层	关注所传递信息的语法和语义，管理数据的表示方法，传输的数据结构	应用层	传输层之上的所有高层协议：DNS、HTTP、FTP、SMTP……
会话层	利用传输层提供的服务，在应用程序之间建立和维护会话，并能使得会话获得同步
传输层	（进程到进程）将数据从源端口发送到目的端口（可靠传输和不可靠传输）	传输层	允许源主机与目标主机上的对等实体，进行端到端的数据传输：TCP/UDP
网络层	路由（定位主机），将数据包跨越网络从原设备发送到目的设备	网络层（互联网层）	允许主机将数据包注入网络，让这些数据包独立的传输到目的地，并定义了数据包格式和协议（IPV4，IPV6）
数据会话层	成帧，实现相邻网络实体间的数据传输，从物理层的比特流中提取出完整的帧	网络接口层（链路层）	描述了为满足无连接的互联网网络层需求，链路必须具备的功能
物理层	定义如何在信道上传输0和1

ARPNET最终采用TCP和IP为主要协议
先有TCP/IP协议栈，然后有TCP/IP协议模型，协议模型只是来描述协议栈的

TCP/IP协议模型
- 模型特点
  - 摒弃电话系统中“笨终端&聪明网络〞的设计思路
  - 采用聪明终端&简单网络，由端系统TCP负责丢失恢复等，简单的网络大大提升了可扩展性
  - 实现了建立在简单的、不可靠部件上的可靠系统
- IP分组交换的特点
  - 可在各种底层物理网络上运行(IPovereverything)
  - 可支持各类上层应用(EverythingoverIP)
  - 每个IP分组携带各自的目的地址，网络核心功能简单（通过路由表转发分组），适应爆炸性增长
OSI模型与TCP/IP模型比较
- 7层与4层的异同
  - ICP/IP模型的网络接口层定义主机与传输线路之间的接口，描述了链路为无连接的互联网层必须提供的基本功能
  - TCP/IP模型的互联网层、传输层与OSI模型的网络层、传输层大致对应
  - TCP/IP模型的应用层包含了OSI模型的表示层与会话层
- 基本设计思想：通用性和实用性
  - OSI：先有模型后设计协议，不局限于特定协议，明确了服务、协议、接口等概念，更具通用性
  - TCP/IP模型：仅仅是对已有协议的描述
- 无连接和面向连接
  - OSI模型网络层能够支持无连接和面向连接通信
  - TCP/IP模型的网络层仅支持无连接通信(IP）
- 两者的不足
  - OSI
    - 从未真正被实现：TCP/IP已成为事实标准，OSI缺少厂家支持
    - 技术实现糟糕：OSI分层欠缺技术考虑：会话层、表示层很少内容；数据链路层、网络层内容繁杂。模型和协议过于复杂。
      分层间功能重复：差错控制、流量控制等在不同层反复出现
    - 非技术因素：TCP/IP实现为UNIX一部分，免费；OSI被认为是政府和机构的强加标
  - TCP/IP
    - 核心概念未能体现：未明确区分服务、接口和协议等核心概念
    - 不具备通用性：不适于描述TCP/IP之外的其它协议栈
    - 混用接口与分层的设计：链路层和物理层一起被定义为网络接口层，而非真正意思上的分层
    - 模型欠缺完整性：未包含物理层与数据链路层；物理层与数据链路层是至关重要的部分
计算机网络度量单位
- 速率
  - 单位是bit/s，表示的是二进制数字，提到的网络速率往往是额定速率或标称速率，并非网络实际运行的速率。
- 带宽
  - 通用：某个信号具有的频带宽度，即表明某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽（通频带）
  - 计算机网络：某个通道传送数据的能力，表示单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据量”
- 包转发率
  - Packet Per Second（包/秒）
  - 线速转发：交换机端口在满负载的情况下，对帧进行转发时能够达到端口线路最高速度。
  - 在交换机上，与小包相比，大包更容易实现线速（同等条件下，大包数据多，分发量小）
- 时延
  数据从网络（链路）的一端到另一段的时间。也可称为延迟或迟延。
  - 发送时延（传输时延）
    - 主机或路由器发送数据帧所需要的时间（数据帧第一比特开始到最后一比特发送完毕）。发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit)
  - 传播时延电磁波在波道上传播一定距离需要花费的时间。（波道可分不同介质）
    - 传播时延=信道长度(m)/电磁波在波道上的传播速率(m/s)
    - 电磁波在自由空间传播速率为光速（3x10^5km/s），在铜线电缆中约为2.3x10^5km/s，光纤中约为2.0x10km/s
  - 发送时延产生于机器内部发送器中（一般为网络适配器），与传输信道长度无关，传播时延发生在机器外的传输信道媒体，与发送速率无关，信号传送距离越远，传播时延越大。
  - 处理时延：主机或路由器收到分组后需要花费时间进行处理。如分析分组首部、提取数据部分、进行差错检验或查找路由等
  - 排队时延：分组进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理，路由器确定转发接口后还需在输入队列排队转发。排队时延取决于网络的通信量。
  - 网络总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

数据传输过程量（工业）单位

k(kilo)=10^3=千 M(Mega)=10^6=兆 G(Giga)=10^9=吉 T(Tera)=10^12=太 P(Peta)=10^15=拍 E(Exa)=10^18.=艾 Z(Zetta)=10^21=泽 Y(Yotta)=10^24=尧

存储数据量（学术）单位

K=2^10=1024. M=2^20. G=2^30. T=2^40……往往以字节B(byte)作为度量单位，1byte=8bit
在通信领域中，只有“1000”使用小写k

15GB的数据以10G的速率传输=15x2^30x8比特的数据以10x10^9bit/s的速率传送

第二章物理层

物理层功能
- 位置：物理层是网络体系结构中的最低层
  - 是连接计算机的具体物理设备吗？×不是
  - 是负责信号传输的具体物理媒体吗？x不是
- 功能：如何在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流
  - 数据链路层将数据比特流传送给物理层
  - 物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码
  - 然后将信号通过传输媒体传输到下一个节点的物理层
- 作用：尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
  - 为数据链路层提供一个统一的数据传输服务
物理层的接口特性
- 数据终端设备(DataTerminalEguipment,DTE)
  - 一种具有一定的数据处理和转发能力的设备
  - 可以是数据的源点或终点
- 标准化的DTE/DCE接口具有：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

常用以太网IEEE802.3协议，用传输率Mbps+传输方式+介质类型的格式表示（T双绞线，C、S、F光纤）
传统以太网：10Base-T（10Mbps+基带传输+双绞线）
千兆以太网：1000
万兆以太网：10000

物理层特性

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
电气特征：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围，如发送信号电平、发送器和接收器的输出抗阻、平衡特性等
功能特征：指明某条线出现某一电平的电压的意义
过程特征：指明不同功能的各种可能时间出现的顺序
物理连接方式：点对点通信和多点连接（广播连接）
点对点通信线路：直接连接两个节点
广播连接：使用公共通信线路连接多个节点

通信、消息、信息、数据、信号

通信：在源点和终点之间传递消息或信息
消息：能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音、图像等，其特点为能被通信双方所理解、可以相互传递。
1. 信息：消息中对通信者有意义的内容。消息是信息的载体，消息中可能含有信息
数据：对某一事实的不经解释并赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合的原始表达。数据是消息的一种表达形式，是传达某种意义或信息的实体。
信号是消息的载体（光信号、电信号等）

信息的度量
- 二元判断信息量
  - 8只灯泡，1只灯丝断，用一节电池来测，问测几次就可解除其不确定度
    - 等概率事件，概率为1/2，不确定度大小为log2(1(1/8))=3bit
信息度量例题
数据的传输方式
- 模拟通信和数字通信
  - 以模拟信号来传送消息的通信方式称为模拟通信，而传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统。
  - 以数字信号来传送消息的通信方式称为数字通信，而传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。
  - 模拟信号和数字信号在传输过程中可以相互变换，即A/D和D/A。
- 基带传输和频带传输
  - 按照传输系统在传输数据信号过程中是否搬其频谱，传输方式可分两类：
    - 基带传输指不搬移信号频谱的传输体制
    - 频带传输指利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制
  - 搬移频谱的目的是为了适应信道的频率特性
- 串行和并行传输
  - 按照传输数据的时空顺序，传输方式可分为两类：
    - 串行传输指数据在一个信道上按位依次传输的方式，其特点是：
      ①所需线路数少，投资省，线路利用率高；②在发送和接收端需要分别进行并/串和串/并转换：③收发之间必须实施同步。适用于远距离数据传输。
    - 并行传输：指数据在多个信道上同时传输的方式，其特点是：
      ①在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换 ②需要n条信道的传输设施，故其成本较高，适用于要求传输速率高的短距离数据传输。
- 异步和同步传输
  - 异步传输被传送的每一个字符一般都附加有1个起始位和1个停止位，起始位与停止位的极性不同，为了保证正确接收，利用一个频率为传输比特率的八(=16)倍的时钟，在每一个比特周期的中心采样
  - 同步传输每一个字符使用起止位按位进行传送，数据块以帧作为整体传输，并做到：
    ①发/收之间的位同步；
    ②每一帧建立同步标志，建立帧同步
  - 区别：异步传输的发送器的接收器的时钟是不同步的，而同步传输两者的时钟是同步的
- 单工、半双工、全双工
  - 单工指两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号
  - 半双工指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不能同时进行，又称“双向交替”模式，发/收之间的转向时间为20～50 ms -
  - 全双工指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号
- 传输损伤
  - 误码(Error）。指信号在传输过程中码元（0/1）发生的差错，即接收与发送数字信号的单个数宇之间的差异
  - 抖动(Jitter）。指码元出现的时刻随时间频繁地变化，也就是各有效瞬间相对于理想时间位置的短时间偏移（提前或落后）
  - 漂移(Nander）。指码元各有效瞬间相对于理想时间位置的长期缓慢偏移（累计偏差）
  - 滑动(S1ip）。指一个信号序列在传输过程中，不可恢复地丟失或增加若干码元（数量改变）
  - 时延(Delay）。指信号的各有效瞬间相对于理想时间位置的滞后或推迟
  - 信号的高频分量在传输中受到衰减，接收端的信号波形就失去的码间的清晰界限，称为码间串扰。
    - 当信道码元传输的速率超过了上限，就会出现此问题。
    - 干扰：环境干扰（大气环境）、人为恶意干扰
性能度量
- 传输速率指单位时间内传送的信息量，是衡量数据通信系统传输能力的一个重要指标。常用的传输速率有两种：
  - 调制速率(或波特率、码元速率〕指单位时间内调制信号波形的变换次数，其单位是波特：R=1/T(S)(Baud)
  - 数据信号速率(或传信率、比特率）指单位时间内通过信道的信息量，其单位是比特/秒
  - 调制速率与数据信号速率的关系：
带宽(bandwidth)
带宽有两种不同的意义:
- 在通信领域（模拟传输），带宽指某个信号具有的频带宽度。单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫、太赫等）。如话音信号的带宽是3.1KHz(300Hz3400Hz)。
- 在计算机领域(数宇传输），带宽指计算机网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能达到的“最高数据速率〞。单位是b/s(bit/s)。
数字通信与模拟通信相比较
- 优点：抗干扰性强，保密性好，设备易于集成，便于计算机处理等。
- 缺点：占用较多的带宽，信道利用率低。
模拟信道的容量
- 香农定律指出：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，计算信道容量的理论公式为：
  C=Blog2(1+S/N)
  式中B是信道带宽（单位为Hz)，S/N是平均信号噪声功率比，S为接收信号功率，N为噪声功率(指正态分布的加性高斯白噪声）
  - 提升模拟信道容量方式：增加系统带宽、提升源端信号发射功率(增加中继)、降低噪声等
- 奈奎斯特认为，即使是理想信道（无噪声、无码间串扰），它的传输能力也是有限的。对于一条有限带宽、无噪声的理想信道信道容量的计算公式（简称奈奎斯特公式）
  C=2Blog2(M)(b/s)
  - 此式表明，对于给定的带宽可以通过增加信号取值的状态数来提高信道容量。但这将会加重接收器的负担。意即在每个信号码元时间内，必须从M个可能的状态中区分出一个来。同时，传输线上的噪声和其他损伤也将会限制M的实际取值。
传输质量
- 信噪比SNR：信号通路某一点上的信号功率S,与混在信号中的噪声功率N之比值（常用对数表示）。SNR用来描述信号在传输过程中受到噪声影响的度量
  SNR=10 lg（S/N）
  S/N=10，SNR=10dB
  S/N=1000，SNR=30dB
复用技术