计算机网络基础

1. 计算机网络的性能指标

　　

1. 速率

　　　　定义：数据率或数据传输率或比特率，即连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率
　　　　单位：有b/s(比特每秒)，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s
　　　　单位转换：

　　　　　　　　　　　　　速率　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　存储容量   1Byte（字节） = 8 bit（比特）
　　　　　　　　　　千　1kb/s = 10³b/s　　　　　　　　　　　　　　　　 1KB = 2^10B = 1024B = 1024 * 8 b
　　　　　　　　　　兆　1Mb/s = 10³kb/s　　　　　　　　　　　　　　　 1MB = 2^10KB = 1024KB
　　　　　　　　　　吉　1Gb/s = 10³Mb/s　　　　　　　　　　　　　　　1GB = 2^10MB = 1024MB
　　　　　　　　　　太　1Tb/s = 10³Gb/s　　　　　　　　　　　　　　　 1TB = 2^10GB = 1024GB

　　

　　2. 带宽

　　　　1. 定义：表示网络的通信线路传送数据的能力，通常指单位时间内从计算机网络中的某一点到另外一点所能通过的“最高数据率”
　　　　2. 单位：比特每秒，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s

　　　　　　

 

　　3. 吞吐量

　　　　1. 定义：在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
　　　　2. 单位：比特每秒，b/s，kb/s，Mb/s

　　　　  

 

 　　4. 时延

　　　　1. 定义：指数据从网络或链路的一端传送到另一端所需的时间，也叫延迟或迟延，单位s秒

　　　　2. 计算：时延 = 发送时延 + 传输时延 + 排队时延 + 处理时延

　　　　　

 

　　　　3. 时延带宽积

　　　    　 

 　　　　

　　　　4. 往返时延RTT

　　　　　　1. 定义：从发送方发送数据开始，到发送发接收到接收方发送的确认（接收方接收到数据会立即发送确认）总共经历的时延

　　　　　　　

 

　　5. 码元

　　　　1. 定义：指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位。这个时长的信号称为K进制
　　　　　码元，而该时长称为码元宽度，当码元的离散状态有M个时，此时码元称为M进制码元。
　　　　2. 进制码元：
　　　　　　二进制码元：01010101 只有两种状态，分为0状态和1状态 
　　　　　　四进制码元：00011011 每两个数字组成一个状态，有四种状态，分为为00 01 10 11
　　　　　　依次类推。。。
 

2. 分层结构

　　1. 分层的原则
　　　　1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
　　　　2. 每层之间界面自如清晰，易于理解，相互交流尽可能少
　　　　3. 结构上可以分隔开，都由最合适的技术来实现
　　　　4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务

　　2. 分层结构

　　

　　3. OSI七层网络体系结构

 

　　　　1. 定义：由上到下：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，上三层为资源子网，负责数据处理，下三层为通信子网，负
　　　　　责数据通信，传输层起到承上启下的作用，用来检验数据的完整性和安全性

 　　　　2. 通信过程

　　　　　　

 

 　　4. TCP/IP四层网络体系结构

　　　　1. 定义：包括应用层、传输层、网络层、网络接口层

　　　　2. 通信过程

　　　　　

 

3. 物理层基本概念

　　1. 物理层解决了在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体
　　2. 特性
　　　　1. 机械特性：定义物理连接，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
　　　　2. 电气特性：规定传输二进制时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制。
　　　　3. 功能特性：致命某条线出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。

4. 数据通信

　　1. 常见术语
　　　　1. 数据：传输信息的实体，通常是有意义的符号序列
　　　　2. 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式
　　　　　　1. 数字信号：代表消息的参数取值是离散的　
　　　　　　2. 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的，波浪形
　　　　　　3. 基带信号：将数字0和1直接用两种不同的电压表示，在传送到数字信道上去传输（基带传输）
　　　　　　4. 宽带信号：将基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号，在传输到模拟信道上去传输（宽带传输）
　　　　3. 信源：产生和发送数据的源头
　　　　4. 信宿：接收数据的终点
　　　　5. 信道：信号的传输媒介，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
　　　　　　1. 按照传输信号划分：分为模拟信道和数字信道
　　　　　　2. 按照传输媒介划分：分为有线信道和无线信道
 

　　2. 通信方式
　　　　1. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道
　　　　2. 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
　　　　3. 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
 

　　3. 数据传输方式
　　　　1. 串行传输：速度慢，费用低，适用远距离
　　　　2. 并行传输：速度快，费用高，适用近距离

　　　　

5. 编码与调制

　　1. 数字数据编码数字信号

　　　　1. 非归零编码：二进制数字1用高电平表示，0用低电平表示，高1低0，缺点没有检错功能，若是一条相同的电平很难进行判断。

　　　　　　　　

　　　　2. 归零编码：信号电平咋一个码元之内都要恢复到零。

　　　　　　　　       

　　　　3. 反向不归零编码：电平翻转表示0，电平不变表示1，定1变0

　　 　 　　    

　　　　4. 曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，高起低收表示1，低起高收表示0，亦可以反着自定义规定

　　      　　　   

　　　　5. 差分曼彻斯特编码：前半个码元的电平与上一个码元的后半个电平相同，则为1，反之则为0，同1异0

 　　　      

 

　　2. 数字数据调制为模拟信号

　　　　1. 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应调制解调器的调制和解调过程。

　　　  　

 

6. 物理层传输介质

　　1. 导向性传输介质

　　　　1. 双绞线：即网线，由两根采用一定规则并排绞合的，相互绝缘的 同导线组成。

　　　　　

 　　　　　

 

　　　　2. 同轴电缆：由导体铜制芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。

　　　　　　 

　　　　　　

 

 　　　　3. 光纤：利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。

 　　　　　　

 　　　　　　

 

　　2. 非导向性传输介质

　　　　1. 无线电波：信号向所有方向传播，较强的穿透能力，可原远距离，广泛用于通信领域（手机通信）。

　　　　2. 微波：信号固定方向传播，通信频率较高，频段范围宽，数据率高。

　　　　3. 红外线、激光：信号固定方向传播，把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再向空间中传播。

 

7. 数据链路层的作用

　　1. 基本概念

　　　　1. 结点：主机、路由器

　　　　2. 链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波

　　　　3. 数据链路：网络中的两个结点之间的逻辑通道，把视线控制数据传输协议的硬件好软件加到链路上就构成数据链路

　　　　4. 帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据包

　　

　　2. 功能

　　　　1. 为网络层提供服务：无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务

　　　　2. 链路管理，即连接的建立、维持、释放（面向连接服务）

　　　　3. 组帧，将数据封装成帧

　　　　4. 流量控制，限制发送方发送的数据大小

　　　　5. 差错控制（帧错/位错）

 

　　3. 封装成帧

　　　　1. 定义：在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端根据手部和尾部标识，来识别帧的开始和结束。

                    

　　　

　　　　2. 组帧的方法

　　　　　1. 字符计数法：帧首部使用一个计数字段来标明帧内字符数。缺点：一旦某个帧出错，后续的所有帧都会出错

　　　　　　

 

　　　　　2. 字符填充法：在帧的首部和尾部用专门的字符标识，为了避免数据报中出现和标识字符相同的字符，加入转义字符进行区分

　　　　　　　

 

　　　　　3. 零比特填充法：在发送端扫描整个信息字段，，只要连续5个1，就填充0

　　　　   　　

 

　　　　　4. 违规编码法：用两个不会用到的电平来界定帧的起始和终止位置

　　　　　　　　

 

　　3. 差错控制

　　　　1. 差错分为位错和帧错：位错指比特位出错，1变为0，0变为1；帧错指丢失、重复、失序

　　　　2. 分类

　　　　　1. 检错编码

　　　　　　1. 奇偶校验码：由n-1位信息元和1位校验元组成，若1的个数为奇数，即奇校验码，若为偶数，即偶校验码，只能检查奇数个比特的错误

　　　　　　　

　　　　　　2. 冗余编码：在数据要发送之前，先按某种关系附加上一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后在发送。当要发送的有效数字变化                                                          时，响应的冗余位也随之变化，使码字遵从不变的规则。接收端根据收到码字是否符合原规则来判断是否出错。

　　　　　2. 纠错编码

　　　　　　1. 海明码：海明不等式=>2^r+1 >= k + r    r为信息冗余位，k为信息位

　　　　　　　1. 冗余码的位置：2的n次方位上，即1，2，4，8，16......

　　　　　　　　举个例子：101101六位数据，代入海明不等式：2^r+1 >= 6+r      求得 r = 4，k = 6

　　　　　　　　　　　

　　　　　　　

　　　　　　　2. 冗余码的实际值算法：二进制数第n处所有为1的实际值进行异或后结果为0（相同为0，不同为1）

• • • P1的实际值：P1⊕D1⊕D2⊕D4⊕D5=0（二进制数第一位为1的数，第一行的共性为第一位为1）即P1+1+0+1+0=0，所以P1的实际值为0
    • P2的实际值：P2⊕D1⊕D3⊕D4⊕D6=0（二进制数第二位为1的数，第一行的共性为第二位为1）即P2+1+1+1+1=0，所以P2的实际值为0
    • P3的实际值：P3⊕D2⊕D3⊕D4=0（二进制数第三位为1的数，第一行的共性为第三位为1）即P3+0+1+1=0，所以P3的实际值为0
    • P4的实际值：P4⊕D5⊕D6=0（二进制数第四位为1的数，第一行的共性为第四位为1）即P4+0+1=0，所以P4的实际值为1

　　　　　　　　得出

　　　　　　　  　

 　　

　　　　　　　3. 接收端的处理

　　　　　　　      接收端接收到海明码后，会和我们求冗余码的实际值一样做一个相同的操作——求所有位二进制数某一位的异或和（上例中的xxx1，xx1x，

　　　　　　　  x1xx，1xxx）因为我们求冗余码时令所有的异或和结果为0，如果某一位发生跳变，那么那一位的异或和结果将会为1，如果没有发生跳变正

　　　　　　　  常传输，那么结果就正常为0。

　　

　　　　　　　4. 纠错单比特跳变
　　　　　　　　假如我们刚刚的海明码的第五位发生了跳变，即0010011101→0010111101
　　　　　　　　接收端执行冗余码的第n为相同的重复异或运算，和为0

• • • • 二进制第一位为1的进行异或运算：P1⊕D1⊕D2⊕D4⊕D5 → 0+1+1+1+0 = 1
      • 二进制第二位为1的进行异或运算：P2⊕D1⊕D3⊕D4⊕D6 → 0+1+1+1+1 = 0
      • 二进制第三位为1的进行异或运算：P3⊕D2⊕D3⊕D4 → 0+1+1+1 = 1
      • 二进制第四位为1的进行异或运算：P4⊕D5⊕D6 → 1+0+1 = 0

　　　　　　　　得出结果：0101（由后往前）即第五位出现了跳变，将跳变的数改为相对的即可　　

　　　　　

　　　　　　　5. 发现双比特错误
　　　　　　　　假如我们刚刚的海明码的第五位和第六位发生了跳变，即0010011101→0010101101
　　　　　　　　接收端执行冗余码的第n为相同的重复异或运算，和为0

• • • • 二进制第一位为1的进行异或运算：P1⊕D1⊕D2⊕D4⊕D5 → 0+1+1+1+0 = 1
      • 二进制第二位为1的进行异或运算：P2⊕D1⊕D3⊕D4⊕D6 → 0+1+0+1+1 = 1
      • 二进制第三位为1的进行异或运算：P3⊕D2⊕D3⊕D4 → 0+1+0+1 = 0
      • 二进制第四位为1的进行异或运算：P4⊕D5⊕D6 → 1+0+1 = 0

　　　　　　　　得出结果：0011（由后往前）即第三位出现了跳变，但是第三位并没有发生跳变，所有他只能发现错误，不能检查具体哪一位错误

　　4. 流量控制

　　　1. 停止-等待协议：没发送完一个帧就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后在发送下一个帧。

　　　　无差错情况：发送M1→确认M1→发送M2→确认M2→....发送Mn→确认Mn，传输效率低

　　　　有差错情况：

　　　　　1. 数据帧丢失或出错：接收方没有接收到发送方的数据帧，发送方在超时后重传丢失的数据帧

　　　　　2. ACK确认帧丢失：接收方接收到数据帧，但发送方没有收到确认帧，则在超时后进行重传，接收方收到重复数据帧，丢弃一个，再次发送确认帧

　　　　　3. ACK确认帧迟到：确认帧在超时重传后到达，发送方重新发送数据帧，接收方接收并发送确认帧，发送方收到确认帧发送下一个数据帧，迟到的数据帧被丢弃不作处理。

　　　　超时计数器：当发送方在规定时间内收不到接收方的确认信息，则重新发送数据帧，重传时间比传输的平均往返时延RTT更长一点

 

　　　2. 滑动窗口协议：分为后退N帧协议（GBN）和选择重传协议（SR）

 

　　　　1. 后退N帧协议（GBN）：浪费资源

　　　　　发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号，序列内的数据帧可以被连续发送，若收到确认帧后，序列向前移动

　　　　　

 

　　　　　接收窗口：只有一个窗口来接收发送端的数据帧，按照顺序持续接收数据帧，并采用累计发送的方式发送确认帧，表明接收方已经收到n号帧和它之前的帧。

　　　　　 

 

　　　　　超时机制或数据帧丢失：

　　　　　　接收方会按照顺序接收发送方的数据帧，当接收到0号帧，就会等待接收1号帧，假如1号帧丢失，接收到了2号帧、3号帧等，则接收方会直接丢弃

　　　　2号帧、3号帧，并向每次发送方发送ACK0的确认帧，当发送方触发超时机制时，就会从超时的帧向后重新发送一次，即重新发送1号、2号、3号帧。

　　　　       　　

　　　　　2. 选择重传协议（SR）　　

　　　　　　发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号，序列内的数据帧可以被连续发送，若序列首个数据帧被确认后，序列向前移动

　　　　　　　

 

　　　　　　接收窗口：接收方收到一个数据帧就发送一个确认帧给发送方，（来者不拒，收谁确认谁），发送方若没有收到某一个帧的确认帧，触发超时重传，只会重传超时的数据帧，不会发送已经收到确认帧的数据帧，就是谁丢失重发谁　

　　　　　　　

 

　　　选择重传协议工作原理图：

　　　

 

 　　　　　滑动窗口的长度：WTmax = WRmax = 2^(n-1)　　WTmax为发送窗口，WRmax 为接受窗口，n为帧的log2，下列的n=2

　　　　　　

 

　　　　小知识

　　　　　停止-等待协议　　　　　　发送窗口大小=1，接收窗口大小=1

　　　　　后退N帧协议（GBN）　　 发送窗口大小>1，接收窗口大小=1

　　　　　选择重传协议（SR）　　   发送窗口大小>1，接收窗口大小>1

 

8. 介质访问控制

　　1. 静态划分信道—信道划分介质访问控制：将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，合理分配时域和频域资源

　　　多路复用技术：吧多个信号组合在一条物理信道上进行传输，是的多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。

　　　　

 　　

　　　多路复用的方式：

　　　　1. 频分多路复用（FDM）

　　　　　　

　　　　2. 时分多路复用（TDM）

　　　　　　

 

　　　　3. 波分多路复用（WDM）

　　　　　　

 

　　　　4. 码分多路复用（CDM）

　　　　　码分多址是码分复用的一种方式

　　　　　　1个比特分为多个码片/芯片，每一个站点被指定一个唯一的m位的芯片序列。

　　　　　　发送1时站点发送芯片序列，发送0时发送芯片的序列反码。

　　　　　　　何如不打架：多个站点同时发送数据的时候，要求各个站点芯片序列相互正交。

　　　　　　　如何合并：各路数据在信道中被线性相加。

　　　　　　　如何分离：合并的数据和源站规格化内积。

　　

　　2. 动态分配信道—轮询访问介质访问控制和随机访问介质访问控制

　　　轮询访问介质访问控制：

　　　　1. 轮询协议：主节点轮流“邀请”从属节点发送数据

　　　　　

 

 　　　　

　　　　2. 令牌传递协议

　　　　　令牌：一个特殊的MAC控制帧，不含任何信息，控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。

　　　　　过程：

　　　　　　令牌会在主机环网中来回传递，假如主机C要发送数据给主机A，主机C持下令牌并修改它的标识位，将令牌的状态从空闲转为忙碌，然后在令牌
　　　　　的后面加上数据，形成数据帧并进行发送，因为要指定发给主机A，所有主机B和主机D不会对令牌进行处理，主机A收到令牌并复制数据帧，在发送
　　　　　给主机D，主机D接收到数据帧后，检查其差错性并进行数据回收，令牌有恢复空闲状态

　　　　　    

 

 

　　　　

　　　随机访问介质访问控制：

　　　　1. 纯ALOHA协议：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发（想发就发）

　　　　　

 

 　　　　2. 时隙ALOHA协议：把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，冲突则等到下一个时间片开始时在发送。

　　　　　　

 

　　　　3.CSMA协议（载波监听多路访问协议）：发送帧之前，监听信道，信道空闲，发送帧，信道忙，推迟发送（先听再发） 

　　　　　1. 1-坚持CSMA：如果主机要发送信息，先监听信道，信道空闲则直接传输，忙碌则一直等待，直到空闲立即发送

　　　　　　优点：只要信道空闲，站点马上发送，避免了信道利用率的损失

　　　　　　缺点：假如有两个或两个以上的站点要发送数据，冲突不可避免

　　　　　2. 非坚持CSMA：监听信道忙之后就不继续监听信道，信道空闲直接发送，信道忙则等待一个随机的时间之后在进行监听

　　　　　　优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性

　　　　　　缺点：可能错在都在延迟等待过程中，使得信道可能处于空闲状态，信道使用率降低

　　　　　3. p-坚持CSMA：监听信道空闲，信道空闲则以p概率直接传输，不需要等待，信道忙则等待一个随机的时间之后在进行监听

　　　　　　优点：像非坚持那样减少冲突，又像1-坚持那样减少信道空闲时间

　　　　　　缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成浪费

 　　　　　

 

 　　　　4. CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测）: 适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，判断其他站是否也在发送数据（边发边听）

　　　　　　1. 传播时延对载波监听的影响：

　　　　 　　　

 

 　　

　　　　　5. CSMA/CA协议（载波监听多点接入/碰撞避免）

　　　　　　工作原理：

　　　　　　　1. 发送数据前，检测信道是否空闲。

　　　　　　　2. 空闲则发出RTS（request to send），RTS包括发送端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息；信道忙则等待。

　　　　　　　3. 接收端收到RTS后，将响应CTS（clear to send）。

　　　　　　　4. 发送端接收CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道，告诉其他站点自己要传多久数据）。

　　　　　　　5. 接收端接收数据后，将用CRC检测数据帧是否正确，正确则响应ACK帧。

　　　　　　　6. 发送端收到ACK帧后，就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直进行重传至规定重发次数为止。