计算机网络第一章第二章学习笔记

JerryPlus1

于 2024-04-07 15:49:11 发布

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分类专栏：计算机网络文章标签：计算机网络学习笔记

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该博客是计算机网络学习笔记，涵盖顶层设计、物理层、数据链路层等内容。介绍了互联网特点、发展阶段、标准化工作，阐述了网络性能指标、体系结构，还讲解了物理层传输媒体、信道复用技术，以及数据链路层的封装成帧、透明传输和差错控制等关键知识。

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计算机网络

第一章计算机网络顶层设计

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

**定义：**计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

1.2 互联网概述

1.2.1网络的特点

连通性：使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频），好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。注意，互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁，也无法知道对方的位置。

资源共享：

指资源共享。
资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。
由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用。

互联网的特点：

互联网，特指 Internet，它起源于美国，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的一个互连网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。

Internet 和 internet 的区别：

以小写字母 “i” 开始的 internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。
以大写字母 “I” 开始的的 Internet（互联网或因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。

任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网 (internet)，而不是互联网 (Internet)。

网络的网络（network of networks）

网络：把许多计算机连在一起

通信子网：

资源子网：

交换节点：

主机在云外

1.2.2互联网基础结构发展的三个阶段

第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。（1969-1990）

1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互联网相互通信。
人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。
1990年，ARPANET 正式宣布关闭。

第二阶段：建成了三级结构的互联网。（1985-1993）

它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

第三阶段：逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。（1993-今）

出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。
任何机构和个人只要向某个 ISP 缴纳规定的费用，就可从该 ISP 获取所需 IP 地址的使用权，并可通过该 ISP 接入到互联网。
根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP 也分成为不同层次的 ISP：主干 ISP、地区 ISP和本地 ISP。

主干 ISP 在美国

IXP：互联网的交换点

采用工作在数据链路层的网络交换机
Tbit/s 量级

1.2.3互联网的标准化工作

**RFC：**Request For Comments（请求评论）。

所有的 RFC 文档都可从互联网上免费下载。

任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。但并非所有的RFC 文档都是互联网标准。只有很少部分的 RFC 文档最后才能变成互联网标准。

RFC 文档按发表时间的先后编上序号（即 RFCxxxx，xxxx 是阿拉伯数字）。

1.3互联网的组成

1.3.1互联网的边缘部分

**边缘部分：**由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

端系统之间的两种通信方式

1. 客户-服务器方式（C/S 方式）

客户/服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

客户程序和服务器程序主要特点

客户程序

被用户调用后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）。必须知道服务器程序的地址。

不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器程序

专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求。

一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。不需要知道客户程序的地址。

一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

1.3.2互联网的核心部分

**核心部分：**由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。

**“计算机之间通信”的含义实际上是指：**主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信。

1.4计算机网络在我国的发展

1.5计算机网络的类别

1.5.1计算机网络的定义

计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

1.5.2几种不同类别的计算机网络

1.6计算机网络的性能

1.6.1计算机网络的性能指标

**信息指标：**从不同的方面来度量计算机网络的性能。

1. 速率：

2.带宽：

吞吐量

单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

额定速率是绝对上限值。

可能会远小于额定速率，甚至下降到零！

有时可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

4. 时延 (delay 或 latency)：指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。

组成：

发送时延
1. 也称为传输时延。（传输时延是指一个站点从开始发送数据帧到数据帧发送完毕所需要的全部时间，传播时延是指发送端开始发送数据到接收端收到数据所需要的全部时间。传播是全程，传输是发送）
2. 是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
传播时延
2. 2 * 10 ^ 8 m/s

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发送时延与传播时延有本质上的不同。

发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。

传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播时延就越大。
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处理时延
1. 主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。
排队时延
1. 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延。
2. 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。

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总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

在某些情况下，一个低速率、小时延的网络很可能要优于一个高速率但大时延的网络。
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**对于高速网络链路，我们****提高的仅仅是数据的发送速率，**而不是比特在链路上的传播速率。

提高数据的发送速率****只是减小了数据的发送时延。

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举例

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往返时间（round-trip time）RTT

表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。

利用率

1.6.2 计算机网络的非性能特征

1.7 计算机网络体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

最初的 ARPANET 设计时提出了分层的设计方法。

**分层：**将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。

1974 年，IBM 按照分层的方法制定并提出了****系统网络体系结构SNA (SystemNetwork Architecture)。

此后，其他一些公司也相继推出了具有不同名称的体系结构。

国际标准：开放系统互连参考模型 OSI/RM

ISO (国际标准化组织) 提出的 OSI/RM**(Open Systems Interconnection Reference Model) 是使各种计算机在世界范围内互连成网的****标准框架。**

OSI/RM 是个****抽象的概念。

1983年，形成了著名的 ISO 7498 国际标准，即****七层协议的体系结构。

l 基于 TCP/IP 的互联网已抢先在全球相当大的范围成功地运行了。

lOSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；

lOSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；

lOSI 标准的制定周期太长，使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；

lOSI 的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

1.7.2 协议与划分层次

1.7.3 具有五层协议的体系结构

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画图

OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的****协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。

l**任何两个同样的层次把 PDU （即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的****“对等层”**之间的通信。

各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

l实体 (entity) ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

l协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

l在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供****服务。

l要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点SAP（Service Access Point）。
SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
OSI 把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU(Service Data Unit)。
SDU可以与PDU不一样。
例如：可以是多个SDU合成为一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。

1.7.5 TCP／IP的体系结构

TCP/IP 体系结构的另一种表示方法

沙漏计时器形状的 TCP/IP 协议族

第二章物理层

2.1 物理层的基本概念

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，而不是指具体的传输媒体。
作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

物理层的主要任务(四个特性)

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
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的意义。
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 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

消息(message)：如话音、文字、图像、视频等。

数据 (data)：运送消息的实体。有意义的符号序列

2.2.2 有关信道的几个基本概念

**信号 (signal)：**数据的电气的或电磁的表现。

**模拟信号 (analogous signal)：**代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号 (digital signal)：代表消息的参数的取值是离散的。

**码元：**在使用时间域（简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。使用二进制编码时，只有两种不同的码元： 0 状态，1 状态。

**信道：**一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

**单向通信（单工通信）：**只能有一个方向的通信，没有反方向的交互。

**双向交替通信（半双工通信）：**通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送（当然也就不能同时接收）。

**双向同时通信（全双工通信）：**通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号（即基本频带信号）

来自信源的信号。
包含有较多的低频成分，甚至有直流成分。

调制

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。把这种过程称为编码 (coding)。（局域网就是一种基带调制，否则无法通信）
带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

(1) 常用编码方式

**不归零制：**正电平代表 1，负电平代表 0。

**归零制：**正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。

**曼彻斯特编码：**位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。

**差分曼彻斯特编码：**在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。（重点考）

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。

必须对基带信号进行调制 (modulation)。

最基本的调制方法有以下几种：

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

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一种多元制的振幅相位混合调制方法，以达到更高的信息传输速率。

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例如：

可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有16 种组合，即16 个码元。由于 4 bit 编码共有 16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。数据传输率可提高4 倍。

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2.2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的****失真就越严重。

限制码元在信道上的传输速率的****两个因素：

信道能够通过的频率范围。

信噪比。

(1) 信道能够通过的频率范围

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。

(2) 信噪比

奈氏准则：激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。

香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

2.3物理层下面的传输媒体

传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的****物理通路。

两大类：

**导引型传输媒体：**电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。

非导引型传输媒体：指自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

1. 双绞线

最古老但又最常用的传输媒体。

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合 (twist) 起来就构成了双绞线。

绞合度越高，可用的数据传输率越高。

2 大类：

无屏蔽双绞线 UTP。

屏蔽双绞线 STP。

屏蔽双绞线 STP：

x/UTP：对整条双绞线电缆进行屏蔽。

F/UTP (F=Foiled)：表明采用铝箔屏蔽层。

S/UTP (S=braid Screen)：表明采用金属编织层进行屏蔽。

SF/UTP：表明在铝箔屏蔽层外面再加上金属编织层的屏蔽。

FTP 或 U/FTP：把电缆中的每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层。U表明对整条电缆不另增加屏蔽层

F/FTP：在 FTP 基础上对整条电缆再加上铝箔屏蔽层。

S/FTP：在 FTP 基础上对整条电缆再加上金属编织层的屏蔽。

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。

双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

2. 同轴电缆

由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。

具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

3. 光缆

光纤是光纤通信的传输媒体。通过传递光脉冲来进行通信。

其传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

发送端：要有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。

光源：发光二极管，半导体激光器等。

接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。

多模光纤

可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，只适合于近距离传输。

单模光纤

其直径减小到只有一个光的波长（几个微米），可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。
制造成本较高，但衰耗较小。
光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用较便宜的发光二极管。

常用的三个波段的中心：

850 nm，

1300 nm，

1550 nm。

所有这三个波段都具有 25000~30000 GHz 的带宽，通信容量非常大。

必须将光纤做成很结实的光缆。

数十至数百根光纤，

加强芯和填充物，

必要时还可放入远供电源线，

最后加上包带层和外护套。

使抗拉强度达到几公斤，完全可以满足工程施工的强度要求。

(1) 通信容量非常大

(2) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

(3) 抗雷电和电磁干扰性能好。

(4) 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。

(5) 体积小，重量轻。

现在已经非常广泛地应用在计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中。

利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信，因此将自由空间称为“非导引型传输媒体”。

无线传输所使用的频段很广： LF ~ THF （30 kHz ~ 3000 GHz）

占有特殊重要的地位。

微波频率范围：

300 MHz~300 GHz（波长1 m ~ 1 mm）。

主要使用：2 ~ 40 GHz。

在空间主要是直线传播。

地球表面：传播距离受到限制，一般只有 50 km左右。

100 m 高的天线塔：传播距离可增大到 100 km。

基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方。多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

**微波接力：**中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。

主要特点：

(1) 微波波段频率很高，频段范围很宽，其通信信道的容量很大。

(2) 工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小，微波传输质量较高。

(3) 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于实施。

主要缺点：

(1) 相邻站之间必须直视（常称为视距 LOS (Line Of Sight)），不能有障碍物，存在多径效应。

(2) 有时会受到恶劣气候的影响。

(3) 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。

(4) 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

l微波接力：中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。

主要特点：

(1) 微波波段频率很高，频段范围很宽，其通信信道的容量很大。

(2) 工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小，微波传输质量较高。

(3) 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于实施。

主要缺点：

(1) 相邻站之间必须直视（常称为视距 LOS (Line Of Sight)），不能有障碍物，存在多径效应。

(2) 有时会受到恶劣气候的影响。

(3) 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。

(4) 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

卫星通信

通信容量大，通信距离远，通信比较稳定，通信费用与通信距离无关。

但传播时延较大：在 250~300ms之间。

请注意：“卫星信道的传播时延较大”并不等于“用卫星信道传送数据的时延较大”。

保密性相对较差。造价较高。

低轨道卫星****通信系统：（卫星高度在2000公里以下）已开始使用。目前，大功率、大容量、低轨道宽带卫星已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。

**无线局域网：**使用无线信道的计算机局域网。

**无线电频段：**通常必须得到无线电频谱管理机构的许可证。

**ISM 频段：**可以自由使用。

2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

复用 (multiplexing)：允许用户使用一个共享信道进行通信。

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源。

时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)

l将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。

l每一个时分复用的用户在每一个TDM 帧中占用固定序号的****时隙。

l每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。

lTDM 信号也称为等时 (isochronous)信号。

l所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

频分多址与时分多址

可让 N 个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这 N 个频带。这种方式称为频分多址接入 FDMA (Frequency Division Multiple Access)，简称为频分多址。
可让 N 个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这 N 个时隙。这种方式称为时分多址接入 TDMA (Time Division Multiple Access)，简称为时分多址。

复用器 (multiplexer) 和分用器 (demultiplexer)

时分复用会导致信道利用率不高

统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

2.4.2波分复用

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2.4.3码分复用

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重点考
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每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
当码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

CDMA 工作原理

将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。

为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列。