计算机网络原理笔记

总概述

计算机网络的定义：

计算机网络可以定义为由通信信道连接的主机和网络设备的集合，以方便用户共享资源和相互通信。主要的用途有以下四个：

1、共享信息。

2、协同计算。

3、方便通信。

4、共享硬件。

网络的组成有两种，

一种称为节点，是计算设备，可分为端系统(主机)和中间节点(路由器、交换机，虚拟节点，代理等)

一种称为链路(双绞线，光缆等)

在交换网中，传递数据有两种基本方法：电路交换和分组交换。计算机网络使用的主要是分组交换技术。

在分组交换网中，当一个端系统要向另一个端系统发送数据时，发送端系统将长数据划分为等长的短段，并为每个段加上首部。由此形成的信息块被称为分组(又称作包)

分组交换网络通常采用一种存储转发的技术。交换网络中的每个节点先通过链路接受到一个完整的分组，将其存储在内存中，然后再转发给下一个节点。这是如果一个端系统跨越因特网向另一个端系统发送分组时，分组交换网将不会为其预留任何带宽。所以其他分组恰好也同时经过某链路发送，可能会使该链路变得拥塞，只能在缓存中排队等待。所以因特网将以尽力而为的方式传递分组，但不保证分组一定能够送达。

协议：

为了进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或规约称为网络协议。

网络协议主要由以下三个要素组成：

1、语法，即数据与控制信息的结构或格式。

2、语义，即语法定义结构中的具体含义，表示发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应等。

3、定时，即事件实现顺序的详细说明。

因特网网络分层：(重点)

因特网网络按功能划分为七层，每一层包含多个协议，分别是：

1、物理层：处理通信链路上原始比特的传输。

2、数据链路层：收集比特流形成帧。

3、网络层：处理分组交换网中节点之间的路由选择和数据报转发，实现了主机之间端到端的功能。IP协议位于这一层

4、传输层：负责向两个端系统中进程之间的通信提供端到端的服务，这是交换的数据又称为报文。TCP和UDP协议位于这一层

5、表示层：关系对等实体之间的交换数据的格式。

6、会话层：用一个名字空间将一个应用的各部分传输流关联在一起。

7、应用层，直接为用户的应用进程提供服务，定义了各种传输协议等。HTTP,FTP等协议位于这一层。

在本课的教学中，将七层网络结构简化为五层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

时延(计算题)

时延定义为一个分组从网络的一端传到另一端的时间

令dproc、dqueue、dtrans和dprop分别表示处理时延、排队时延、传输时延和传播时延，则总时延为：

dnodal = dproc + dqueue +dtrans + dprop

dtrans = 报文长度 / 信道带宽

dprop = 信道长度 / 电磁波在信道中传播的速率

丢包率

定义为一定的时段内，两节点之间分组传输过程中分组丢失数量与总的分组发送数量的比率

无拥塞时丢包率为0，轻度拥塞时丢包率为1% ~ 4%，严重拥塞时丢包率为 5% - 15%

带宽：链路在单位时间内所能传输的比特数的额定值。例如100Mbps指的是每秒钟能传输一亿个bit。

吞吐量：网络在单位时间内无差错地传输数据的能力。

香农公式：信道的极限信息传输速率C可表达为：

C = W log2(1+S/N)bps

其中 W为信道带宽(以Hz为单位)，S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明，信道的带宽以及信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。这意味着只要信息传输速率不高于信道的极限信息传输速率，就可能找到某种办法来实现这种无差错的传输。

物理层：

通信方式：一般有三种基本方式：

单工通信：只能单方向传输报文的工作方式。广播与电视就是属于这种通信方式。

半双工通信：收发双方都能收发报文，但不能同时收发报文的工作方式。很多对讲机系统都采用这种信道形式。

全双工通信：收发双方可以同时发送和接受报文的工作方式，如电话就采用这种通信形式。

编码：

为了使信道能有效地传输信号，并且接受节点能够有效地识别发送节点发送的比特，首先要将比特编码为信号，然后再在媒体上进行传输。

一种解决方案是将比特数值1映射为高电平信号，数值0映射为低电平信号。这是一种称为不归零的编码方案，容易引起两个问题，第一个是基线漂移，第二个是时钟恢复。

多路复用、频分复用、时分复用、波分复用和码分复用

多路复用是指 在一条物理链路上同时传输多路信息，以扩大信道的传输容量的技术。

频分复用FDM是指将传输线路的可用频带分割成若干条较窄的子频带，每一子频带传输一路信号。节点一旦分配到特定的通信频带，在此次通信过程中会始终占用这个频带。

时分复用TDM将一条物理线路的传输时间划分成若干个时间片，各个节点按照一定次序轮流使用这些时间片。

波分复用WDM是对光信号进行多路复用和多路分离，将不同的波长多路复用到一根光纤上的技术。

码分复用CDM称为码分多址，使每一个用户可以在相同的时间内使用同样的频带进行通信。(据说会考细节，看懂p51图2-9就好了)

接入网络的方式：

1、电话网拨号接入：优点：简单易行，经济实用。 缺点：数据传输速率极低，仅64kbps

2、DSL接入：即数字用户线接入，使用频分复用技术将家庭和ISP中的双绞线划分成3个不重叠的频段。

3、混合光纤同轴电缆接入

4、光纤接入

5、以太网接入：局域网中最流行的接入方式

6、无线接入：优点：安装速度快，适应动态环境，费率较低。

3、链路层

链路层：著名的链路层协议包括以太网、WiFi、点对点协议、异步传送模式等。

网络链路有两种类型：点对点链路和广播链路

链路层环境有个重要特点

数据报在网络端到端路径的不同单段链路上可能由不同的链路层协议来承载。

几种成帧的方法：p76

1、面向比特的协议

2、点对点协议（PPP）

3、面向字节的协议

差错检测； (奇偶检验法、检验和法、循环冗余检验法)

以太网的工作原理

　　以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问（CSMA/CD）机制。以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播网络。

　　以太网的工作过程如下：

　　当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行：

　　1、帧听信道上收否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续帧听，直到信道空闲为止。

　　2、若没有帧听到任何信号，就传输数据

　　3、传输的时候继续帧听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送会返回到帧听信道状态。

　　注意：每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点）

　

无线网络分类及其特征（p132 表3-2记一下）

网络层

转发和路由选择

路由选择算法：

路由选择信息协议（RIP）算法（p167）

开放最短路优先（OSPF）算法（p171），跟Dijkstra算法很像

IPv4编址：

IP地址分为网络号和主机号，分为ABC类 ，不同类别IP地址说占的网络号和主机号长度各不相同。(p150 图4-9)

利用主机IP地址和子网掩码，计算分别划分出的子网网络号和主机号范围

运输层

运输层是一种端到端协议，为两个端系统中的不同应用提供了逻辑通信。

UDP协议特点：

1、面向非连接

2、提供不可靠的传输

3、具有较小的协议开销和发送时延

4、没有拥塞控制机制

TCP协议特点：

1、面向连接

2、提供可靠的数据传输

3、拥有拥塞控制机制

4、点对点连接

5、采用的是C/S模式

TCP的三次握手过程：(p231 图5-13)