计算机网络（更新中）

1 计算机网络概述

1.2 计算机网络的组成和功能

1.2.1 计算机网络的组成

从组成部分看

拓展：网络适配器

从工作方式看

核心部分为边缘部分提供了连通性和交换服务

连通性：边缘部分主机是相互连通的

交换服务：当一个数据包想从一个网络中的$A$点传送到$B$点的时候，计网的核心部分会为数据包选择一个合适的路径进行传送(动态选择数据在网络传送的路径以免网络中的各条线路负载太重)——核心设备路由器

从逻辑功能看

1.2.2 计算机网络的功能

数据共享：

分布式处理：

提高可靠性：

负载均衡：

1.3 三种交换技术

1.3.1 电路交换 - 用于电话网络

通过物理线路的连接，动态的分配传输线路的资源

优点：

通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时间内，两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直送，传输效率高

缺点：

建立/释放连接，需要额外的时间开销
线路被通信双方独占，利用率低
线路分配的灵活性差
交换节点不支持“差错控制”（无法发现传输过程中的发生的数据错误）

1.3.2 报文交换 - 用于电报网络

优点：

通信前无需建立连接
数据以报文为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配
在通信时间内，两个用户无无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
交换节点支持“差错控制”（通过校验技术）

缺点：

报文不定长，不方便存储转发管理
长报文的存储转发时间开销大，缓存开销大
长报文容易出错，重传代价高

1.3.3 分组交换 - 用于现代计算机网络

优点：

通信前无需建立连接
数据以分组为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配
在通信时间内，两个用户无无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
交换节点支持“差错控制”（通过校验技术）

相比于报文交换，分组交换改进了如下问题：

分组定长，方便存储转发管理
分组的存储转发时间开销小，缓存开销小
分组不易出错，重传代价低

缺点：

相比于报文交换，控制信息占比增加
相比于电路交换，依然存在存储转发时延
报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序，丢失等问题，增加处理的复杂度

1.3.4 三种交换方式性能对比

电路交换性能分析

报文交换性能分析

分组交换性能分析

三者对比

1.4 计算机网络的分类

按分布范围分类

按传输技术分类

按拓扑结构分类

前三种多用于局域网，最后一种多见于广域网

按使用者分类

公用网：向公众开放的网络。如：办宽带，交手机话费即可使用的互联网

专用网：仅供某个组织内部使用的网络。如：政府，军队，电力，银行等内部网络

按传输介质分类

有线网络：如网线，光纤

无线网络：5G，WIFI，卫星

总结

1.5 计算机网络性能指标

速率

定义：

指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。也称数据率或比特率，数据传输速率

单位：

$B代表字节，1B = 8bit。bit/s,或b/s,或bps$

$1.8MB/s = 1.8 * 10^6 * 8 b/s$

计算机网络中常用的数据前缀：

$K(10^3) M(10^6) G(10^9) T(10^12)$

信道（$Channel$）：
表示向某一方向传送信息的通道（信道 $\neq$ 通信线路)一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道

带宽

定义1：某信道所能传送的最高数据率
定义2：在《通信原理》中，带宽表示某信道允许通过的信号范围。单位：HZ

结论：节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽，节点性能共同限制

吞吐量

定义：指单位时间内通过某个网络（或信道，接口）的实际数据量

吞吐量受带宽限制，受复杂的网络负载情况影响

时延Delay

指数据（一个报文或文组，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

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
含义：一条链路中，已从发送端发出但尚未到达接收端的最大比特数

往返时延RTT

定义：表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接受方的确认总共经历的时间

信道利用率

定义：某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的

信道利用率 = 有数据通过的时间 / (有数据通过的时间 + 没有数据通过的时间)

注意：

信道利用率不能太低，浪费资源，但也不能太高，容易导致网络堵塞

1.6 计算机网络分层架构

各层之间的关系

实体：在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素：软件 + 硬件通常称为第n层实体。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体
协议：即网络协议，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的
接口：即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，又称服务访问点
服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的

为什么要分层？为什么要指定协议？

计算机网络功能复杂，采用分层结构，将诸多功能合理地划分在不同层次，对等层之间指定协议，以实现功能

协议数据单元（$PDU$）：对等层之间传送的数据单位。第$n$层的$PDU$记为$n-PDU$
服务数据单元（$SDU$）：为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第$n$层的$SDU$记为$n-SDU$
协议控制信息（$PCI$）：控制协议操作的信息，第$n$层的$PCI$记为$n-PCI$

协议的三要素

协议由语法，语义，同步三部分组成（协议的三要素）

1）语法，数据与控制信息的格式。例如，协议控制信息（首部）部分占几个字节，每个字节是什么含义；协议的数据部分最多有多少字节

2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作及做出何种应答。例如，协议中需要明确规定：发送方发完数据后，接收方是否需要“应答”，以及应答的种类有哪些（如：传输成功，传输失败）

3）同步（或时序）：执行各种操作的条件，时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。例如发送方发完数据后，接收方需要立刻应答。如果发送方在10秒内未收到“传输成功”应答，则发送方会再次发送数据

1.7 OSI参考模型

1层物理层

任务：实现相邻节点之间的比特（0/1）的传输

需定义电路接口参数（如：形状，尺寸，引脚数等）
需定义传输信号的含义，电气特征（如：5V表示1，1V表示0；每比特电信号持续时间0.1ms）

2层链路层

任务：确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错

差错控制：检错 + 纠错；或检错 + 丢弃 + 重传
流量控制：协调两个节点的速率

3层网络层

任务：把分组从源结点转发到目的结点。

路由选择：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径
分组转发：将分组从合适的端口转出去
拥塞控制：发现网络堵塞，并采取措施缓解拥塞
网际互联：实现异构网络互联
其他功能：差错控制，流量控制，连接建立和释放，可靠传输管理

4层传输层

任务：实现端到端通信（即实现进程到进程的通信，端即端口）

复用和分用：发送端几个高层实体复用一条底层的连接，在接收端再进行分用
其他功能：差错控制，流量控制，连接建立和释放，可靠传输管理

5~7层

应用层：实现特定的网络应用

表示层：解决不同主机上信息表示不一致的问题

会话层：管理进程间会话

总结

1.8 TCP/IP模型

2 物理层

2.1 通信基础概念

信源：信号的来源（即数据的发送方）

信宿：信号的“归宿”（即数据接收方）

信道：即信号的通道

数据：即信息的实体（如：文字，声音，图像），在计算机内部数据通常是二进制

信号：数据的载体

数字信号：信号值是离散的
模拟信号：信号值是连续的

码元：一个“信号周期”内可能出现几种信号？

每一类信号就是一个码元
码元宽度指一个信号周期的长度
若一个周期可能出现K种信号，就是K进制码元一码元携带$log_2Kbit$

速率：

波特率：每秒传输几个码元。单位：码元/秒，或波特（$Baud$）
比特率：每秒传输几个比特。单位：$bit/s，或b/s，bps$

2.2 信道的极限容量

噪声

对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率

奈奎斯特定理

对一个理想低通信道（没有噪声，带宽有限的信道）

极限波特率 = $2W$（单位：波特，即码元/秒）

W是信道的频率带宽（单位：HZ）

极限比特率 = $2W log_2Kb/s$

例题：

香农定理

对于一个有噪声，带宽有限的信道

极限比特率 = $Wlog_2 (1 + S/N)$ 单位：$b/s$

S/N信噪比 = 信号的功率 / 噪声的功率 (无单位)
你讲话的声音功率S = 100瓦
舍友背单词的声音功率 N = 5瓦
信噪比 = S / N = 100 / 5 = 20

注：

信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小
在通信领域信噪比往往很大，采用无单位会很不方便，所以采用$dB$（分贝）为单位表示信噪比
信噪比 = $10log_{10} S/N $ 类似一种科学计数法
计算时一定要带入无单位记法

对比

奈奎斯特：

如果波特率太高，导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元
带宽越大，信道传输码元能力越强
奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

香农

提高信道带宽，加强信号功率，降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率
结合奈奎斯特定理，可知，在带宽，信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的

2.3 编码和调制

变换器：将二进制数据转换为信号

反交换器：将信号转换成二进制数据

常用编码技术：

自同步能力：信源和信宿可以根据信号完成“节奏同步”，无需时钟信号

常用的调制方法

QAM

AM与PM的结合，形成叠加信号，若有$xm$种振幅，$n$种相位，则1码元 = $log_2mnbit$

补充：QAM - 16的含义是“采用QAM调制技术，有16种码元

2.4 传输介质

双绞线

示例：

同轴电缆

示例：

光纤

单/多膜光纤：

以太网对有线传输介质的命名规范

无线传输介质

物理层接口的特性

2.5 物理层设备

中继器

总结

3 数据链路层

总览

3.1 数据链路层所处的地位

数据链路层使用物理层提供的“比特传输”服务
数据链路层为网络层提供服务，将网络层的IP数据报（分组）封装成帧，传输给下一个相邻节点

物理链路：传输介质（0层）+ 物理层（1层）实现了相邻节点之间的“物理链路”

逻辑链路：数据链路层需要基于“物理链路”，实现相邻结点之间逻辑上无差错的“数据链路（逻辑链路）”

3.2 封装成帧（组帧）

主要问题：

帧定界
透明传输

组帧方法：

字符计数法

原理：在每个帧的开头，用一个定长计数字段表示帧长
最大缺点：任何一个计数字段出错，都会导致后续所有帧无法定界

注：帧长 = 计数字段长度 + 帧的数据部分长度

字节填充法

原理：在帧的首尾添加控制字符SOH和EOT，如果数据部分出现SOH和EOT时候要在前面添加转义字符ESC，数据接收方在处理的时候会忽略ESC并保留后一字节的数据

零比特填充法

原理：见图

违规编码法

原理：见图

3.3 差错控制

检错编码

奇偶校验

偶校验硬件实现：

总结：

循环冗余校验码（CRC码）

基本原理：

数据发送，接受方约定一个“除数”

K个信息位 + R个校验位 作为 “被除数”，添加校验后需保证除法的余数为0

收到数据后，进行除法检查余数是否为$0$

若余数非$0$说明出错，则进行重传或纠错

求CRC码：

确定K，R以及生成多项式对应的二进制码（除数）

R = 生成多项式最高次幂 = 3

多项式 $G(x) = 1 * x^3 + 1 * x^2 + 0 * x^1 + x^0 * 1$ 
对应除数二进制形式 = $1101$

移位：信息码左移R位，低位补0
相除：对移位后的信息码，用生成多项式进行模2除法，产生余数

所以校验位 = $001$
对应的$CRC$码 = $101001 001$

检错和纠错

发送：$101001001$ 记为$C_9C_8C_7C_6C_5C_4C_3C_2C_1$
接受：$101001001$ 用$1101$进行模$2$除，余数为$000$代表没有出错
接收：$101001011$ 用$1101$进行模$2$除，余数为$010$代表有出错（但不能说明$C_2$出错）

K个信息位，R个校验位，若生成多项式选择得当，且2^R >= K + R + 1,则CRC可纠正1位错

纠错编码

海明校验码

基本思想：

分组偶校验，多个校验位可反映出错位置

求解步骤：

确定校验位个数（$k$个校验位，$n$个信息位）

确定k大小的原则$2^k >= n + k + 1$

确定校验位分布

$p_1,p_2,p_3$...分别在$1，2，4，8，16$
空出来的其他位置依次填入信息位

求校验位

将信息位的位置序号用k位二进制表示出来
校验位$p_i$与位置序号第$i$位为$1$的信息位归同一组，进行偶校验

纠错

对$p_1,p_2,p_3$..所属各分组进行异或（相当于分组偶校验），求得$S_1,S_2,S_3$
$S_3 S_2 S_1 = 000$ 说明无错误
$S_3 S_2 S_1 \neq 000$，则其值反映出错位置

补充

3.4 流量控制，可靠传输与滑动窗口机制

滑动窗口机制

发送，接收窗口

三种协议的信道利用率分析

S-W协议的信道利用率

如果确认帧非常短，那么T_A为0（即确认帧传输时延为0）

GBN，SR信道利用率

术语补充

3.5信道划分介质访问控制

介质访问控制（MAC）：解决多个节点共享同一个总线型广播信道时，可能发生“信号冲突”

时分复用（TDM）

将时间分为等长的“$TDM$帧”，每个$TDM$帧又分为等长的$m$个“时隙”，将$m$个时隙分配给$m$对用户（节点）使用

缺点：

每个节点最多能分配到信道总带宽的1 / $m$，
如果某节点暂不发送数据，会导致被分配的时隙闲置，信道利用率低

根据以上缺点可以统计每个节点对信道的使用需求，动态按需分配时隙由此引出以下的复用方法

统计时分复用（STDM）——— 又称异步时分复用

在TDM的基础上，动态按序分配时隙

优点：

如果需要时，一个节点可以在一段时间内获得所有信道带宽资源
如果某节点暂不发送数据，可以不分配时隙，信道利用率更高

频分复用（FDM）

是将信道的总频带划分为多个子频带，每个子频带，每个子频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信

优点：各节点可同时发送信号，充分利用了信道带宽

缺点：FDM技术只能用于模拟信号的传输

波分复用（WDM）

码分复用

3.6 随机访问介质控制

ALOHA

CSMA（载波监听）

$CSMA$协议在$ALOHA$协议基础上提出改进：在发送数据之前，先监听信道是否空闲，只有信道空闲时，才会尝试发送

节点的网络适配器需要安装“载波监听装置”

1-坚持CSMA协议

非坚持CSMA协议

p-坚持CSMA协议

CSMA/CD

流程：

争用期：

最短帧长：

CSMA/CA

为什么不采用CSAM/CD协议

硬件上很难实现“边听边发，冲突检测” —— 因为接收信号的强度往往远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大
存在“隐蔽站”问题 ———— 在无线通信中，并非所有站点都能够听见对方。发送结点处没有冲突并不意味着在接收结点处就没有冲突

AP：接入点，也就是你平时连接的无线WIFI热点

协议要点

隐藏站问题

令牌传递协议

3.7 局域网

802.3工作组：以太网技术

802.11工作组：Wi-Fi技术

802.1Q：VLAN虚拟局域网

局域网基本概念与体系结构

局域网特点：

覆盖较小的地理范围
较低的时延和误码率
局域网内的各节点之间以帧为单位进行传输
支持单播，广播，多播

单播：如A -> B
广播（一对全部发送帧）：如A -> B + C + D + E + F + G
多播（一对部分发送帧）：如A -> B + D + E

局域网分类：

关注三要素：

拓扑结构
传输介质
介质访问控制方式

有线局域网

（1）令牌环网

（2）以太网

无线局域网（WLAN）

(1)环形
(2)同轴电缆/双绞线
(3)令牌传递协议

posted @ 2025-10-10 14:56 Gabriel_7 阅读(10) 评论(0) 收藏举报

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