面试复习之计算机网络

计算机网络体系结构

概述

计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

• 目的：资源共享
• 组成单元：分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”
• 网络中的计算机必须遵循统一的网络协议

用户透明性描述了一个分布式系统，它是网络未来发展追求的目标。

组成和分类（局域网和广域网）

• （组成部分）硬件、软件、协议
• （工作方式）边缘部分：主机；核心部分：路由器
• （功能组成）通信子网

计算机网络的功能

• 数据通信
• 资源共享
• 分布式处理
• 提高可靠性
• 负载均衡

计算机网络的分类

• 按分布范围分类
  • 广域网（WAN）
  • 城域网（MAN）
  • 局域网（LAN）
  • 个人区域网（PAN）
• 按传输技术分类
  • 广播式网络
  • 点对点网络
• 按拓扑结构分类
  • 星形网络
  • 总线形网络
  • 环形网络
  • 网状形网络
• 按使用者分类
  • 公用网
  • 专用网
• 按交换技术分类
  • 电路交换网络
  • 报文交换网络（也称存储-转发网络）
  • 分组交换网络（也称包交换网络）
• 按传输介质分类
  • 有线网络：双绞线网络、同轴电缆网络
  • 无线网络：蓝牙、微波、无线电

标准组织（OSI和IEEE）
因特网的所有标准都以RFC（Request for Comments）的形式在因特网上发布。

标准化组织

• 国家标准化组织（ISO）
• 国际电信联盟（ITU）
• 国际电气电子工程师协会（IEEE）

计算机网络的性能指标

• 带宽
• 时延（发送时延、传播时延、处理时延、排队时延）
• 时延带宽积
• 往返时延
• 吞吐量
• 速率

体系结构

服务数据单元（SDU）
协议控制单元（PCI）
协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU。物理层的PDU称为比特，链路层的PDU称为帧，网络层的PDU称为分组，传输层的PDU称为报文。
n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU

层次结构

协议、服务和接口

• 协议，就是规则的集合
• 接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。
• 服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。

计算机网络提供的服务

• 面向连接服务与无连接服务
• 可靠服务和不可靠服务
• 有应答服务和无应答服务

参考模型

OSI参考模型

• 物理层：传输单位是比特，任务是透明的传输比特流
• 数据链路层：传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组装成帧。功能可以概括为成帧、差错控制、流量控制和传输管理。
• 网络层（网际层、IP层）：传输单位是数据报，它关系的是传输子网的运行控制，主要任务是把网络层的协议数据单元（分组）从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，关键问题是对分组进行路由选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联等功能。
• 传输层：传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP），传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能是为端到端链接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。
• 会话层：会话层允许不同主机上的各个进程之间进行会话。会话层主要负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的会话。
• 表示层：表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。
• 应用层：是用户与网络的界面，使用的协议最多。

TCP/IP模型

• 网络接口层（对应OSI中的物理层和数据链路层）
• 网际层
• 传输层
• 应用层（对应OSI中的会话层、表示层和应用层）

OSI参考模型精确地定义了服务、协议和接口
OSI在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。而TCP/IP模型认为可靠性是端到端的问题，因此在网际层仅有仅有一种无连接的通信模式，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

学习计算机网络时，综合OSI和TCP/IP的优点，采用五层协议的体系结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

先层层包裹，再层层拆开。

本章小结及疑难点

分布式系统中各个计算机对用户都是透明的，计算机网络则与之不同。
网络协议必须考虑到各种不利的情况
计算机网络由用户的主机负责数据传输的可靠性。
物理层、数据链路层和网络层组成的通信子网为网络环境中的主机提供点到点的服务，而传输层为网络中的主机提供端到端的通信。
端是指用户程序的端口，端口号标识了应用层中不同的进程。

协议是控制两个对等实体之间通信的规则的集合。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，而要实现本层协议，还需要使用下一层提供的服务。

物理层

通信基础

• 单工通信：只有一个方向的通信，仅需要一条信道
• 半双工通信：任何一方不能同时发送和接受信息，需要两条信道
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，需要两条信道

奈奎斯特定理和香农公式、编码调制
奈奎斯特定理：
在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传输率为2W波特，其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。
若用V表示每个码元离散电平的数目，则极限数据率为$2Wlo{g}_{2}V$（单位为b/s）
由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多个比特的信息量，此时就需要采用多元制的调制方法。

香农定理
给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。
信道的极限数据传输率 = $Wlo{g}_2(1+$