2024考研笔记-计算机网络

计算机网络

计算机网络体系结构

计算机网络概述

计算机网络的组成

组成部分

• 硬件
  • 主机（端系统）、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：实现资源共享的软件以及方便用户使用的各种工具软件
  • 网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序
• 协议：计算机网络的核心，规定了网络传输数据遵循的规定

工作方式

• 边缘部分：供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享
• 核心部分∶大量的网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务

功能组成

• 通信子网
  • 由传输介质、通信设备、相应的网络协议组成
  • 使得网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信
• 资源子网
  • 是实现资源共享功能的设备以及其软件的集合
  • 共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源

计算机网络的功能

• 数据通信、资源共享、资源的利用率分布式处理、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

  • 广域网是因特网的核心部分，连接广域网的各节点交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量
  • 多采用交换技术

• 城域网MAN

  • 多采用以太网技术10base-T

• 局域网WAN

  • 多采用广播技术

• 个人区域网PAN

  • 多采用无线技术

按传输技术分类

• 广播式网络

  • 所有联网计算机共享一个公共通信信道
  • 一台计算机发送报文分组，其他计算机也能收听这个分组（根据报文目的地址进行接收）
  • 局域网；广域网中的无线、卫星通信网络

• 点对点网络

  • 每个物理线路连接一对计算机
  • 计算机采用分组存储转发机制，通过中间结点对分组进行接收、存储和转发直到目的地
  • 广域网

按拓扑结构分类

• 总线形网络、星形网络、环形网络（令牌环局域网）、网状网络

按交换技术分类

• 电路交换网络
  • 在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据
  • 包括建立连接、传输数据、断开连接三个阶段
  • 应用：传统电话网络
• 报文交换网络（存储-转发网络）
  • 用户数据加上源地址、目的地址、校验码等信息，封装成报文。整个报文传送到相邻结点，存储、转发，重复直到到达目的结点
• 分组交换网络（包交换网络）
  • 将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加入源地址、目的地址等信息，组成分组（包），以存储-转发方式传输
  • 应用：主流网络

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、无限电

计算机网络的性能指标

• 带宽：网络在通信线路中传送数据的能力；最高数据率

  • 单位：b/s

• 时延：数据从网络的一端传送到另一端所需要的总时间

  • 发送时延
    • 从发送分组的第一个比特起，到分组的最后一个比特发送完毕所需的时间
    • 发送时延=分组长度/信道带宽
  • 传播时延
    • 一个比特从链路的一段到链路的另一端所需的时间
    • 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
  • 处理时延
    • 数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间
    • 如：分析分组的首部、从分组中提取数据部分、差错检验、寻找适当的路由器
  • 排队时延
    • 路由器中，在输入队列排队等待处理；在输出队列排队等待转发

• 时延带宽积=传播时延*信道带宽

  • 单位：bit

• 往返时延RTT

• 吞吐量

  • 单位时间内通过某个网络的数据量
  • 单位：b/s

• 速率

  • 数据传输率、比特率，最高速率即带宽

• 信道利用率

计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络分层结构

服务数据单元SDU：为完成用户所要求的功能而应传送的数据（报文的数据部分）

协议控制信息PCI：控制协议操作的信息（报文的控制信息部分）

协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据单位（物理层：比特；链路层：帧；网络层：分组；传输层：报文）

$(n+1)-PDU=n-SDU$

$n-SDU+n-PCI=n-PDU$

计算机网络协议、接口、服务的概念

协议

• 控制两个或者多个对等实体进行通信的规则集合，是水平的

• 组成：语法、语义、同步

接口

• 同一节点内相邻两层间交换信息的连接点

服务

• 下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的

原语

• 请求、指示、响应、证实

分类

• 面向连接服务 / 无连接服务

  • 面向连接服务：通信双方必须建立连接，分配相应资源，结束后释放连接与资源
    • 可靠服务
    • 代表协议：TCP协议
  • 无连接服务：通信双方不需要建立连接，直接发送数据
    • 不可靠服务
    • 代表协议：IP协议、UDP协议

• 可靠服务 / 不可靠服务

  • 可靠服务：网络具有纠错，检错，应答机制，保证数据正确可靠的传送到目的地
  • 不可靠服务：网络尽量正确地传送，不能保证数据的正确，可靠性由应用或者用户来保障

• 有应答服务 / 无应答服务

  • 有应答服务：接收方在收到数据后向发送方发出相应的应答
    • 由传输系统内部自动实现
  • 无应答服务：接收方受到数据后不会自动给出应答
    • 若需要应答，就由高层实现
    • 代表协议：WWW协议

ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

OSI参考模型

	任务	传输单位	功能	协议
应用层	用户与网络的界面，为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段			FTP SMTP HTTP
表示层	处理在两个通信系统中交换信息的表示方式		数据格式交换 数据加密/解密 数据压缩/恢复	JPEG ASCLL
会话层	负责不同主机上的各个进程之间的会话		建立同步 建立/管理/终止会话	ADSP ASF
传输层	负责主机中两个进程之间的相互通信，即端到端的通信	报文段（TCP）或用户数据报（UDP）	可靠、不可靠传输 流量控制 差错控制 服务质量 数据传输管理	TCP UDP
网络层	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	数据报	流量控制 差错控制 拥塞控制 网际互联	IP IPX ICMP ARP RARP OSPF
数据链路层	将网络层传来的IP数据报组装成帧	帧	成帧 差错控制 流量控制 传输管理 控制对共享信道的访问（广播式网络）	SDLC HDLC PPP STP 帧中继
物理层	在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流	比特	定义接口特性 定义传输模式（单工、半双工、双工） 定义传输速率 比特同步 比特编码	EIA-232C EID/TIA RS-449 X.21d

附1

• 点到点的通信（数据链路层）
  • 主机到主机的通信，一个硬件地址或IP地址到另一个
• 端到端的通信（传输层）
  • 不同主机内两个进程之间的通信，一个进程端口到另一个

附2

• 资源子网：应用层、表示层、会话层
• 承上启下：传输层
• 通信子网：网络层、数据链路层、物理层

附3

数据链路层、网络层、传输层都具有流量控制的功能

• 数据链路层：相邻结点之间的流量控制
• 网络层：整个网络中的流量控制
• 传输层：端到端的流量控制

TCP/IP模型

	与OSI比较	功能	协议
应用层	应用层+表示层+会话层		Telnet FTP DNS SMTP HTTP
传输层	传输层	实现发送端和目的端主机上的对等实体进行会话	TCP UDP
网际层	网络层	将分组发往任何网络，并为之选择合适的路由，但不保证有序到达	IPv4 IPv6
网络接口层	数据链路层+物理层	从主机或结点接收IP分组，并把它们发送到指定的物理网络上

附1

• ISO/OSI参考模型在传输层仅支持面向连接的通信，在网络层支持无连接和面向连接的通信
• TCP/IP模型在传输层支持无连接和面向连接的通信，在网络层仅支持无连接的通信

物理层

基本概念

名词概念

• 数据：传送信息的实体

• 信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式

  • 模拟数据（模拟信号）：连续变化的数据或者信号
  • 数字数据（数据信号）：取值仅允许为有限的几个离散数值的数据或者信号

• 码元：一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一个K进制数字

  • 这个时长内的信号称为K进制码元，该时长称为码元宽度

• 信源：产生和发送数据的源头

• 信道：信号的传输媒介

• 信宿：接收数据的终点

  • 单工通信：只有一个方向的通信
    • 例如：无线电广播、电视广播
  • 半双工通信：通信双方都可以发送或者接收信息，但是任何一方不能同时发送和接收信息，需要两条信道
    • 例如：对讲机
  • 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道

• 码元传输速率（波特率）：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数

  • 单位：波特Baud

• 信息传输速率（比特率）：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数

  • 单位：b/s

物理层接口的特性

• 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、抗阻匹配、传输速率和距离限制等
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

奈奎斯特定理与香农定理

奈奎斯特定理

• 内忧：码间串扰

理想低通信道下的极限数据传输速率$=2W\ast lo{g}_{2}V$ （单位为$b/s$）

• W为理想低通信道的带宽
• V为每个码元离散电平的数目

香农定理

• 外患：噪声

信道的极限数据传输率$=Wlog2(1+S/N)$ （单位为$b/s$）

• W为信道的带宽
• S为信道所传输信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率
• 信噪比$=10lo{g}_{10}(S/N)$

设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，求该QAM技术的数据传输率R？

$R=Blo{g}_2(mn)$

编码与调制

• 基带信号直接传送到通信线路（数字信道）上的传输为基带传输
• 基带信号经过调制后传送到通信线路（模拟信道）上的传输为频带传输

数字数据->数字信号（编码）	数字数据->模拟信号（调制）	模拟数据->数字信号（编码）	模拟数据->模拟信号（调制）
数字发送器	调制器	PCM编码器	放大器调制器
非归零编码NRZ > 1为高电平；0为低电平 > 难以同步	幅移键控（ASK） > 通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0	采样 > $f_{采样}\ge 2f$	频分复用技术
归零编码RZ > 1为高电平；0为低电平	频移键控（FSK） > 通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0	量化
反向非归零编码NRZI > 电平遇0翻转；遇1保持不变 > 即能传输时钟信号，又尽量不损失带宽	相移键控（PSK） > 通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0	编码
曼彻斯特编码 > 1为先高后低；0为先低后高 > 位中的跳变既可作为时钟信号，又作为数据信号 > 占用的频带宽度增加为两倍 > 应用：以太网	正交振幅调制（QAM） > 频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号
差分曼彻斯特编码 > 1则先保持，后翻转；0则先翻转，再翻转 > 可以实现自同步，抗干扰性好 > 应用：局域网
4B/5B编码 > 将发送的数据流每4位作为一组，按照4B/5B编码规则将其转换为相应的5位码

通信基础

电路交换、报文交换与分组交换

电路交换

• 数据传输前，先建立起一条专用（双方独占）的物理通信路径
• 使用直通方式传输数据

优点	缺点
通信时延小	建立连接时间长
有序传输	线路独占
没有冲突	灵活性差
适用范围广：模拟信号和数字信号都能传输	难以规格化
实时性强	难以进行差错控制
控制简单

报文交换

• 数据交换的单位是报文，报文携带有目的地址、源地址等信息

• 使用存储-转发方式

优点	缺点
无须建立连接	存在转发时延
动态分配线路	网络结点需要有较大的缓存空间
提高线路的可靠性
提高线路利用率
提供多目标服务

分组交换

• 限制了每次传送的数据块的大小上限，再加上一些必要的控制信息，构成分组

• 采用存储-转发方式

优点	缺点
没有建立时延	存在存储转发时延
线路利用率高	需要传输额外的信息量
简化了存储管理	到达目的地后要对分组进行排序工作
加速传输
减少了出错概率和重发数据量

数据报与虚电路

• 分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，分为无连接的数据报方式和面向连接的虚电路方式

	数据报	虚电路
连接	无连接	面向连接
目的地址	每个分组有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立地进行路由选择和转发	属于同一条虚电路的分组按照同一个路由转发
分组到达顺序	无序	有序
可靠性	不保证可靠通信（可靠性由用户主机来保证）	可靠性由网络保证
对网络故障的适应性	出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择不发生变化可以正常传输	所有经过故障结点的虚电路都不能正常工作
差错处理和流量控制	由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可以由用户主机负责
时延	存储-转发时延；拥塞时时延大大增加	建立连接的时延
应用	适用于突发性通信	适用于长报文、会话式通信

传输介质

	双绞线	同轴电缆	光纤	无线传播介质
类型	屏蔽双绞线（STP） 非屏蔽双绞线（UTP）	$50\Omega$用于传输基带数字信号 $70\Omega$用于传输宽带信号	多模光纤 单模光纤	无线电波 微波、红外线和激光 卫星通信
组成	由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成	由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成	光导纤维
优点	价格便宜、适用范围广	良好的抗干扰特性、广泛用于传输较高速率的数据	传输损耗小，中继距离长
使用范围	局域网；传统电话网；模拟传输和数字传输	有线电视系统

宽带接入技术

• ADSL技术
• 光纤同轴混合网（HFC网）
• FTTx技术
  • 光纤

物理层设备

中继器

• 功能

  • 将数字信号整形并放大再转发出去，消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减

• 原理&#