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计算机网络

2023-12-26 18:57:04   35  举报

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AI智能生成

计算机网络

计算机网络原理

网络

七层网络协议

作者其他创作

大纲/内容

网络层

网络层服务

网络层核心任务

将数据分组从源主机送达到目的主机

主要功能

路由选择与分组转发：解决最佳路径

异构网络互连：路由器

拥塞控制：开环控制与闭环控制

数据交换技术

电路交换：需要建立一条专用的物理通信路径。【优】时延小，有序，无冲突。                                                                        【缺】建立连接时间长，效率低，灵活性差

报文交换（基本上被分组所替代）：采用储存转发方式，数据交换单位是报文。【优】无需建立连接，动态分配线路，多目标服务                                                                                                                       【缺】有转发时延，因报文大小无限制，需要较大的缓存空间

分组交换（包交换）

存储转发，数据分组，大小合理且相等

数据报

无连接，随时发送，最大努力交付，没有可靠性，没有按序到达，每个分组都有发送和接收端的地址

虚电路

建立一条逻辑上的虚电路，每个分组的辅助信息中没有目的地址但是有通过的虚电路号

虚电路上每个结点都维持一张虚电路表，表中又打开的虚电路信息，前后结点

致命缺点：若链路每一环出现问题，则整个链路崩塌

路由算法与路由协议

静态路由：人工配置，难度和复杂度高

动态路由

链路状态路由选择算法LS

【与隔壁发所有】收敛快

全局式路由选择算法，每个路由器计算路由时，需构建整个网络拓扑图

利用Dijkstra算法求源端到目的端网络的最短路径

D(v)

到本次迭代为止，源结点（计算结点）到目的结点v的当前路径距离

P(v)

到本次迭代为止，在源结点到目的结点v的当前路径上，结点v的前序结点

如果路径上只有两个结点，则该值就是最后一个结点。 例如：X→Y，P(y)就是y

c(x,y)

结点x与结点y之间直接链路的费用，如果x和y之间没有之间链路相连，则c（x,y）=∞

结点的集合，用于存储从源结点到该结点的最短路径已求出的结点集合。

初始值只有源结点本身

距离-向量路由选择算法DV

【与隔壁发所有】收敛慢、会存在回路

基础是Bellman-Ford方程（简称B-F方程）

网络中每个结点x，估计自己到网络中结点y的最短距离，记为Dx(y),称为结点x的距离向量

层次路由（Internet路由选择协议）

自治系统内使用内部网关协议 IGP

路由信息协议 RIP【应用层】 基于距离-向量

较小的AS（自治系统），适合小型网络

RIP报文，封装进UDP数据报

RIP特性

RIP在度量路径时采用的是跳数（每个路由器维护自身到其他每个路由器的距离记录）

RIP的费用定义在源路由器和目的子网之间

RIP被限制的网络直径不超过15跳

和隔壁交换所有的信息，30主动一次（广播）

开放最短路径优先协议 OSPF【网络层】 基于链路状态

较大规模的AS ，适合大型网络

直接封装在IP数据报传输

链路变化时才被动更改信息

优点

安全

支持多条相同费用路径

支持区别化费用度量

支持单播路由和多播路由

分层路由

自治系统之间使用外部网关协议 EGP

边界网关协议 BGP【应用层】 基于距离-向量

寻找一条好路由：首次交换全部信息，以后只交换变化的部分

BGP封装进TCP报文段

四种报文

OPEN（打开）报文，用来与BGP对等方建立BGP会话

UPDATE（更新）报文，用来通告某一路由可达性信息，或者撤销已有路由

KEEPALIVE（保活）报文，用于对打开报文的确认，或周期性地证实会话的有效

NOTIFICATION（通知）报文，用来通告差错

重要协议

IPv4协议

概念

IP网际协议是 Internet 网络层最核心的协议

如何封装上层协议（如UDP、TCP）的报文段

Internet网络层寻址（IP地址）以及如何转发IP数据报

IP数据报格式

版本

4位，IP协议的版本号

首部长度

4位，IP数据报的首部长度

20B-60B

区分服务

8位，用来指示期望获得哪种类型的服务（服务类型）

数据报长度

16位，IP数据报的总字节数

标识

16位，标识一个IP数据报。

每产生一个IP数据报，IP协议的计数器加1

用途

在IP数据报分片和重组过程中用于标识属于同一IP数据报

该字段不可唯一标识一个IP数据报

源IP地址

目的IP地址

标识

标志

3位（只有2位有意义），DF 禁止分片 MF 更多分片

DF 禁止分片

0 允许分片

1 禁止分片

MF 更多分片

0 未被分片或分片的最后一片

1  是分片且不是最后一个

DF MF

0 0

分片的最后一片

0 1

分片且不是最后一片

1 0 

未被分片

IP数据报分片

最大传输单元 MTU

数据链路层帧能承载的最大数据量

数据报分片的原则

尽可能少分片

一个最大分片可封装的数据字节数最好是8的倍数

片偏移量

13位，以8B为单位

表示一个IP数据报分片与原IP数据报的数据的相对偏移量

当该字段值为0时，且 MF =1 ，则表示这是一个IP分片且是第一个分片

生存时间

8位，表示IP数据报在网络中可以通过的路由器数或跳步数（经过一个路由器-1，变成0则丢弃）

上层协议

8位，指示该IP数据报封装的是哪个上层协议

TCP 6

UDP 17

首部校验和

16位，实现对IP数据报首部的差错校验

源IP地址

32位，发出IP数据报的源主机的IP地址

目的IP地址

32位，IP数据报需要送达的主机的IP地址

可选字段

长度可变，0-40B

数据

存放IP数据报封装的传输层报文段

IPv4编址

IP地址的三种标记方式

点分十进制标记法

192.1.3.1

二进制标记法

11000000 00000001 00000011 00000001

【十转二进制转换】：十进制数*从上往下*“除2取余”，*从后往前，不够8位用零补*写成二进制

【二转十】：*从后往前的8位二进制，依次对应（2^0+2^1+2^2+2^3+2^4+2^5+2^6+2^7）*，加总可得十进制数

十六进制标记法

0xC0A80165

IP地址分配

32bit =4B 【<网络部分 Net ID><主机部分 Host ID>】

前缀

<网络号>

用户描述主机所归属的网络

分类地址：定长前缀

无类地址：前缀长度不变

后缀

<子网号 主机号>

用于表示主机在网路中的唯一地址

分类地址

分类寻址

A、B、C 类地址可以用于标识网络中的主机或路由器

D类地址作为组广播地址

E类是地址保留

特殊地址

【主机全0】本网络本身、【主机全1】本网络广播、【0.0.0.0】本网络本主机 【255.255.255.255】整个网络的广播，因为广播域的隔离，还是表示本网络广播

私有地址

这部分分类地址可以在内网使用，但不能在公共互联网上使用

网段类别：A【10.0~10.255】 B【172.16~172.31】 C【192.168.0~192.168.255】因特网中路由器不转发目的地址为私有地址二点数据报 

网络地址转换NAT

使私有地址在公共Internet上正常通信

NAT 工作原理

从内网出去的IP数据报，将其IP地址替换为NAT服务器拥有的合法的公共IP地址， 并将替换关系记录到NAT转换表中

从公共互联网返回的IP数据报，依据其目的的IP地址检索NAT转换表， 并利用检索到的内部私有IP地址替换目的IP地址，然后将IP数据报转发到内部网络

子网划分

子网化

将一个较大的子网划分为多个较小子网的过程  大变小

超网化

将具有较长前缀的相对较小的子网合并为一个具有稍短前缀的相对较大的子网  小变大

子网掩码

子网掩码位数是32 位

定义一个子网的网络前缀长度：【网络号部分】为1，【主机号部分】为0，与IP地址相‘与’得到网络号

计算题

已知某主机地址和子网掩码

假设某子网中的一个主机的IP地址是203.123.1.135，子网掩码是 255.255.255.192

子网地址：子网掩码和主机地址按位与运算（&）

与运算：0&0=0; 0&1=0; 1&0=0; 1&1=1;

11001011 01111011 00000001 10000111 203.123.1.135 11111111 11111111 11111111 11000000 255.255.255.192 11111111 11111111 11111111 10000000 255 255 255 128/26 即子网地址为 255 255 255 128/26

广播地址：子网掩码的反码与主机地址按位  或运算（||）

反码：1变为0；0变为1

或运算：0||0=0 ；1||0=1； 0||1=1； 1||1=1

<div>11111111 11111111 11111111 11000000 255.255.255.192</div><div>00000000 00000000 00000000 00111111 反码</div><div>||</div><div>11001011 01111011 00000001 10000111 203.123.1.135  </div><div>=</div><div>11001011 01111011 00000001 10111111</div><div>1+2+8+64+128=203</div><div>1+2+8+16+32+64=123</div><div>1+2+4+8+16+32+128=191 即 广播地址为 203.123.1.191</div>

IP地址总数

IPv4 地址共32位，分为网络位（前缀）和主机位（后缀）

通过子网掩码可以确定网络位，则主机位为32-网络位  如：225.225.225.192  可以得出来前缀为26位，后缀为6位

IP地址总数=2^主机位  ，即 2^(32-网络位)

如：225.225.225.192 网络位为26，主机位为6  则IP地址总数为2^6=64个

可分配的地址总数

在IP地址总数中提前子网地址占一个，广播地址占一个

子网地址占头

广播地址占尾

所以可分配IP地址总数：IP地址总数-2

可分配地址范围

子网地址：203.123.1.128（占头）

广播地址：203.123.1.191（占尾）

可用主机IP：203.123.1.129 ~ 203.123.1.190

无分类域间路由选择（CIDR）：路由聚合【把多个子网相同最长网络前缀作为网络号】，减少路由表项数，提高路由效率

动态主机配置协议（DHCP）：【传输层UDP】整个过程全是广播的方式

需要IP的主机（广播发现报文）—>DHCP服务器（提供报文）—>主机(DHCP请求报文)—>DHCP服务器（确认报文）

网际控制报文协议（ICMP)：【网络层】提高交付成功的机会，报告差错和异常

差错报告报文

终点不可达：数据无法交付

源点抑制：拥塞丢数据

时间超时：TTL为0时丢弃

参数问题：首部字段不正确时

路由重定向：可通过更好的路由

询问报文

回送请求和回答报文

PING：测试两个主机的连通性

时间戳请求和回答报文

IPv6协议：从根本上扩充地址空间

格式特点

128bit = 16B

只有源节点才能分片，路径中的路由器不能分片。    首部长度必须是8B的整数倍。  没有校验但更安全

IPv4到IPv6的迁移

双协议栈

网络结点同时具备发送IPv4与IPv6数据报的能力

隧道技术

把IPv6的数据报封装到IPv4数据报中的数据部分（解决IPv6通信中经过IPv4路由器的问题）

IP组播和移动IP

IP组播【基于UDP】

需要组播路由器，简历组播转发树。主机只发一份数据。 数据报协议字段是2

IGMP与组播路由选择协议  IGMP是TCP/IP的一部分

移动IP

把分组自动的投递给移动结点

功能实现

移动结点：具有永久IP地址的移动结点

移动代理

本地代理：在移动结点的永久居所中代表移动节点执行移动管理功能的实体

外部代理：在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体

网络层设备

路由器

具有多个输入/输出端口的专用计算机，获取与维护路由信息以及转发分组

功能

路由选择：根据所使用的路由选择协议构造路由表（涉及多个路由器）

分组转发：处理通过路由器的数据流，查询转发表转发。（只涉及单个路由器）

能隔离广播和冲突域

网络层拥塞控制

网络拥塞

用户对网络资源（包括链路带宽、存储空间和处理器处理能力等）的总需求超过了网络固有的容量

网络负载在膝点附近时，吞吐量和分组平均延迟达到理想的平衡，网络的使用效率最高。

发生拥塞的原因

缓冲区容量有限

传输线路的带宽有限

网络结点的处理能力有限

网络中某些部分发生了故障

网络层拥塞控制措施

流量感知路由

权值根据网络负载动态调整，可以将网络流量引导到不同的链路上，均衡网络负载

准入控制

广泛应用于虚电路网络的拥塞预防技术

基本思想：对新建虚电路审核，如果新建立的虚电路会导致网络变得拥塞，那么网络拒绝建立该新虚电路

流量调节

在网络发生拥塞时，通过调整发送方发送数据的速率来消除拥塞

路由器如何感知发生了拥塞？

通过路由器输出端口的排队时延

路由器感知到拥塞时，如何通知其上游结点， 并且使上游结点降低发送速率？

抑制分组

感知到拥塞的路由器选择一个被拥塞的数据报， 给该数据报的源主机返回一个抑制分组

背压

抑制分组在从拥塞结点到源结点的路径上的每一跳，都发挥抑制作用

负载脱落

有选择地主动丢弃（序号大的）一些数据报，来减轻网络负载，从而缓解或消除拥塞

数据链路层

功能服务

数据链路

网络中两个结点之间的逻辑通道 实现控制数据传输协议的硬件（网卡）和软件加到链路上所构成的

无确认无连接

有确认无连接

有确认面向连接

组帧

帧头（帧首）

发送结点和接收结点的地址信息、定界字符

帧：封装网络层IP数据报

帧尾

用于差错检测的差错编码

流量控制

限制发送方的数据流量，使其不超过接收方的接收能力

差错控制

差错控制

差错的产生

信号在信道传输过程中，会受到各种噪声的干扰，从而导致传输差错

帧错

丢失

重复

错序

位错

随机噪声（全局性，信道固有）：随机差错

提高信噪比，对传感器下手

冲击噪声（局部性，外界引起，是产生差错的主因）：突发差错

差错编码技术

差错编码的基本原理

在待传输数据信息基础上，附加一定的冗余信息

冗余信息：与数据信息建立某种关联关系

复制一次、复制两次等

复制一次：待传输数据为10，传输数据+冗余信息：1010

复制两次：待传输数据为10，传输数据+冗余信息：101010

差错控制的比特错

检错编码

奇偶校验码

奇校验码

使得编码后的码字中1的个数为奇数

偶校验码

使得编码后的码字中1的个数为偶数

CRC 循环冗余码

基本思想：把二进制位串看成是系数为0或1的多项式系数

例题：假设CRC编码采用的生成多项式G(x)=x⁴+x+1，请为位串10111001进行CRC编码校验。

第一步：写出多项式对应的位串：G(x)=1·x⁴+0·x³+0·x²+1·x¹+1·x⁰  ，取其系数即10011（5位，阶为5-1=4）

第二步：多项式G(x)的阶为r，则添加r个0 待编码位串： 10111001——101110010000

第三步：用得到的新的待编码位串(101110010000)除以多项式对应的比特串(10011)

“异或”（同0异1逻辑运算）

第四步：得到余数/冗余码/FCS帧检验序列(1001)添加在待编码位串后，即CRC编码后的码，最终发送的数据：101110011001

接收端把每条帧都除以同样的除数，得到余数

为0，帧无错，接受

不为0，帧差错，丢弃

检错过程由硬件实现，处理迅速，不会延误数据传输

纠错编码

具体知道哪一位错

海明码（又称汉明码）

发现双比特错，纠正单比特错

工作流程：确定校验码位串 r  及其位置-->求出校验码值-->检错并纠错

海明不等式：  2^r≥k+r+1      冗余码（校验码）位串：r   数据比特位串：k  海明码位串：r+k

介质访问控制协议（MAC）

使得结点之间的通信不会发生干扰的情况

MAC（Media Access Control）协议的根本任务：解决信道的共享问题

MAC协议分类

静态划分信道

多路复用的基本思想：信道按时空划分（复用器与分解器），分配结点，通信时只使用独立信道资源，避免干扰

频分多路复用 FDM

把多路基带信号调制到不同频率的载波上，再叠加成一个复合信号

例：用船载着机动车和非机动车过河

时分多路复用 TDM

把物理信道按时间分成若干时间片，轮流分配

例：机动车和非机动车交替驶入公路

波分多路复用 WDM

传输不同波长的光信号

例：飞机和机动车都在AB两点间运输XY两种货物

码分多路复用 CDM

用不同编码区分各路原始信号

例：在机动车道用车来同时运输XY两种货物

动态分配信道

随机访问MAC协议

谁抢到信道谁用，易冲突

ALOHA协议

最早的，最基本的无线数据通信协议

纯ALOHA

不听就发，吞吐量低、效率低

当冲突碰撞，等待一个随机时间重传

时隙ALOHA

同步时间，划分等长的间隙，各站点只能在时隙开始才发

CSMA

CS载波监听：先听后发

MA多路访问：总线型网络

根据监听策略不同

非坚持CSMA

先监听，空则发；若满则放弃监听，等待一个随机时间，再监听

1-坚持CSMA

先监听，空则发；若满，再监听；若碰撞则等待一个随机时间，再监听

P-坚持CSMA（用于时分信道）

先监听，空则以P的概率发；若不发，则一直监听；若满则等待下一个时隙，再监听

CSMA/CD

先听后发、总线型有线以太网

CD碰撞检测：边发边听，半双工

若发现冲突则停止发送，并发一个48bit的拥塞信号

帧的传输时延≥RTT，规定以太网的最小帧长为64B

二进制指数退避算法：参数k<10，重传次数≤16，站点随机数r∈[0, (2^k)-1]

CSMA/CA 

无线局域网（尽量而非完全避免碰撞）

避免冲突

先听后发

RTS/CTS帧握手

可选的碰撞避免机制，解决“隐蔽站”问题

1、空则发RTS（request to send）

2、接收端收到RTS，将响应CTS（clear to send）

3、发送端收到CTS，开始预约信道（通知其他站点自己需要的传输时间）并发送数据帧

4、接收端收到数据帧，将用CRC来检验，数据正确则响应ACK帧

5、发送端收到ACK帧，开始下一数据帧发送

若未收到ACK则一直重传，或者到达重发次数（采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）

轮询访问MAC协议

既不冲突，发送时又占全部带宽

集中式控制（依次轮叫）

系统有一个主机负责调度其他通信站接入信道，从而避免冲突

轮询开销、等待延迟、单点故障

分散式控制（令牌传递）

令牌以固定次序交换，是一种特殊的比特帧，代表了站使用信道的许可

在网络负载高的信道空闲时，一直在信道上传输

令牌开销、等待延迟、单点故障

局域网

局域网定义

LAN(Local Area Network) 局部区域网络：采取分布式控制和广播式链路，覆盖面积小，网络传输速率高，传输的误码率低

IEEE 802

逻辑链路控制(Logical Link Control ,LLC)子层   【名存实亡】

介质访问控制(Media Access Control ,MAC)子层

决定局域网的主要素

网络拓扑

总线型拓扑

传输介质

双绞线、同轴电缆

电磁波

介质访问控制方法

CSMA/CD

令牌总线

令牌环网

局域网分类

Ethernet以太网IEEE802.3

概识

1、目前为止最流行的有线局域网技术

2、以太网第一个广泛部署的高速局域网

3、以太网数据速率快

4、以太网硬件价格便宜，网络造价成本低

以太网功能服务

无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”

不可靠传输：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责

以太网帧结构

类型：标识上层协议

2字节

目的地址和源地址：MAC地址

每个6字节

数据：封装的上层协议的分组

46~1500字节

CRC ：循环冗余码

4字节

以太网最短帧

以太网帧最短64字节

以太网帧除了数据部分18字节

数据最短46字节

以太网技术

分类

传输介质

传输速率

标准

10Base-5(经典以太网)

粗同轴电缆

10Mbit/s

IEEE 802.3

10Base-T 

非屏蔽双绞线 UTP

10Mbit/s

IEEE 802.3

100Base-T（高速以太网）

 UTP 

100Mbit/s

IEEE 802.3u

WLAN无线局域网IEEE802.11

WIFI是其中的一种技术应用

数据链路层寻址与ARP寻址

MAC地址（物理地址、局域网地址） 

MAC地址长度为6字节，48位

MAC地址具有唯一性，每个网络适配器对应一个MAC地址

通常采用十六进制表示法，每个字节表示一个十六进制数，用 - 或 :   连接起来

MAC广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF

地址解析协议 ARP

为网卡（网络适配器）的IP地址到对应的硬件地址提供动态映射

基本思想

在每一台主机中设置专用内存区域，称为ARP高速缓存(也称ARP表)

ARP 查询分组

通过一个广播帧发送的

ARP 响应分组

通过一个单播帧发送的

ARP 是即插即用的，一个ARP表是自动建立的，不需要系统管理员来配置

广域网

点对点协议（PPP协议）

点对点链路、面向字节、无纠错、无编号、无流量控制、不可靠、全双工

三类功能(成联网)

成帧

链路控制协议 LCP

启动线路

检测线路

协商参数

关闭线路

网络控制协议 NCP

协商网络层选项

高级数据链路控制协议（HDLC协议）

点对点和多点、面向比特、有编号、CRC检验、可靠、全双工

帧格式

6字节

控制位的不同

信息帧（I格式 Information）：传输数据

监控帧（S格式 Supervisory）：差错控制、流量控制

无序号帧（U格式 Unnumbered）：链路的建立、拆除

站

主站：发送命令帧

从站：发送响应帧

复合站：具有以上两种功能

数据操作方式

正常响应：非平衡的结构，从站只有在主站的许可后才能响应

异步平衡：平衡结构

异步响应：非平衡结构，但是从站未被允许也传输

数据链路层设备

网桥

处理对象是帧，把多个以太网链接成一个更大的以太网

能隔离冲突域，不能隔离广播域

分类

透明网桥：选择的不是最佳路由，使用生成树算法

源路由网桥：选择的是最佳路由（时间最佳），使用发现帧来探测

交换机

应用最广泛的数据链路层设备，可看成是多接口网桥

冲突域看交换机结点，广播域看路由器结点

直通式：只检测帧的目的地址（6B），接收后立即传出去，无法支持具有不同速率的端口

存储转发式：先把帧缓存，并检查是否正确，支持不同速率端口，可靠性高，但延迟大

物理层

数据通信系统模型

数字通信和模拟通信

数据通信系统的构成

数据通信方式

三种数据传输方向

两种传输时空顺序

数据同步技术

异步通信：发送字符，不需建立同步时钟，实现简单，适用低速网络。

同步通信：发送数据块，双方建立同步时钟，实现复杂，适用高速网络

信道与信道容量

信道定义

通信系统中连接发送端与接收端的通信设备，实现从发送端到接收端的信号传送

狭义信道：信号传输介质。

广义信道

包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置

编码信道

数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分

不包括编码器和译码器

调制信道

从调制器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分

不包括调制器和解调器

信道传输特性

随机参数信道(随参信道)

信号通过信道发生畸变是时变的

大部分无线信道(依靠地波和天波传播的无线电信道)

1、信号的传输衰减随时间随机变化

2、信号的传输时延随时间随机变化

3、存在多径传播现象

恒定参数信道(恒参信道)

信号通过信道发生畸变是恒定的

各种有线信道和部分无线信道(微波视线传播链路)

1、对信号幅值产生固定的衰减

2、对信号输出产生固定的时延

连续信道容量(调制信道)

奈氏准则（奈奎斯特定理）

理想低通（无噪声，带宽受限）

避免码间串扰（若传输速率超过上限，无法正确识别码元，导致信息失真）

极限码元传输速率

香农定理

有噪声、带宽受限

极限信息传输速率

数据编码与调制

数字数据编码为数字信号

基带传输

基带传输基本概念

基带信号：没有经过调制直接转换成原始信号，可以用在低通特性的信道(有线信道)中进行传输

码元

用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值，可携带的比特信息量

是数字信号的计量单位，所在时长为码元宽度

离散状态有M个（M>2），即M种不同的信号波形，称M进制码元

信道带宽

又称码元速率、波形速率、调制速率、符号速率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（又称脉冲个数或信号变化次数）

即1s传输的码元

单位：波特（Baud）      公式：   1Baud=1码元/s

码元速率与进制数无关

信息传输速率

表示单位时间内数字通信系统传输的码元个数

即1s传输的比特

单位：bit/s    公式：    Baud (码元速率) × log₂M (进制码元的每个码元可携带的比特)

数字基带传输编码

数字基带信息码型

1、非归零码【NRZ】

高1低0，易实现，但无法检错、无法判断开始结束

2、归零码【RZ】

处于低电平状态非常多，信道使用率低

3、反向不归零码【NRZI】

下一个电平跳变表示0，电平不变表示1

4、4B/5B码

用5个比特编码4个比特，其他作为控制码，编码效率可达80%

5、差分码(相对码)

相邻电平有无跳变

数字传输基带传输码

信号交替反转码 AMI

用3种电平进行编码

0：零电平表示

1：交替用正电平和负电平表示

双相码（又称曼彻斯特码）

脉冲持续时间的中间时刻都要进行电平跳变，作为时钟信号，可实现同步通信

每个时钟周期被调成2个电平，高到低平表示1，低到高平表示0

原来1个码元被分成2个码元，但只有1位比特，信息传输速率只有调制速率的1/2

差分双相码(差分曼彻斯特码)

【区别】下一个时钟周期开始：电平相同表示0，异表示1

抗干扰性强于曼彻斯特码，常用于局域网等高速传输

频带传输

频带传输基本概念

无线信道：是带通特性。只能利用基带信号去调制与对应信道传输特性相匹配的载波信号

数字编码与调制

数字解调：在接收数据端需要将调制到载波信号中的数字基带信号卸载下来，还原为数字基带信号的过程。

数字频带传输系统

实现调制、传输与解调的传输系统

频带传输中三种调制方式（数字数据调制为模拟信号）

二进制数字调制

数字调制的基本方法

利用数字基带信号控制载波信号的某个(或某些)参数的变化

利用0或1控制载波的幅值、频率或相位

幅移键控(ASK)：调制载波的幅值

频移键控(FSK)：调制载波的频率

相移键控(PSK)：调制载波的相位

二进制幅移键控（2ASK）

二进制频移键控（2FSK）

二进制相移键控（2PSK）

二进制数字调制性能

频带利用率

频移键控最低

误码率

相移键控误码率最低；幅移键控误码率最高

对信道特性的敏感性

幅移键控最敏感

多进制数字调制

数据传输速率Rb (bit/s) 与码元传输速率RB (Baud) 以及进制数M之间的关系为

Rb=RBlog2 M

正交幅值调制

幅值相位联合键控（APK）

基本思想是：二维调制技术，对载波信号的幅值和相位同时进行调制的联合调制技术。

优点：频带利用率高；抗噪声能力强；调制解调系统简单；

传输距离近用基带传输，远则用频带传输

模拟数据编码为数字信号

PCM脉码调制（扫描f采样>2f带宽、量化数值、二进制编码）

模拟数据调制为模拟信号

例：广播-->收音机（将人的模拟声波，用放大器调制成高平模拟声波，最后由解调器还原人的声波）

物理层设备

中继器

同一局域网的再生信号

两端口的网段必须同一协议

5-4-3规程：  10BASE-5以太网中，最多串联4个中继器，5段中只能有3个连接主机

集线器

同一局域网的再生、放大信号（多端口的中继器）

半双工，不能隔离冲突域也不能隔离广播域

物理层传输介质

接口规程

概述

物理层主要任务

在传输介质上实现无结构比特流的传输。

规定数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间接口的相关特性

特性

机械特性

指明通信实体间硬件连接口的机械特点

例如：常用的电源插头的尺寸、引线和引脚数量

电气特性

规定了物理连接上，导线的电气连接及有关电路特性

例如：信号的电平、电压范围、阻抗匹配

功能特性

指明物理接口各条信号线的用途等

例如：数据信号线、控制信号线

规程特性

通信协议，指明利用接口传输比特流的全过程

例如：事件执行顺序

导引型传输介质（有线信道）

双绞线

两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起

屏蔽双绞线（ STP ）：性能好、价格高、安装工艺复杂。

非屏蔽双绞线（UTP）：使用更普遍

同轴电缆

对外界干扰具有较好的屏蔽作用，具有较好的抗电磁干扰性能。

目前多用于有线电视网络

光纤

基本原理是利用了光的全反射现象

光波传输模式

单模光纤：远距离

多模光纤：近距离

优点

光纤信道容量非常大，最高可达100 Gbit/s。

传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

抗雷电和电磁干扰性能好。

无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

体积小，重量轻。

非导引型传输介质（无线信道）

自由方向传播

电磁波频率、通信距离与位置的不同

地波传播

2MHz以下

沿地表

天波传播（电离层反射波）

2-30MHz

距离地表60-400km

视线传播

高于30MHZ

电离层之上

固定方向传播

微波

地面微波接力通信

卫星通信

红外线、激光

计算机网络概述

基础概念

计算机网络定义

计算机网络是互连的、自治的计算机的集合

互连：利用通信链路连接相互独立的计算机

自治：互连的计算机系统彼此独立，不存在主从或者控制与被控制的关系

协议的定义

协议三要素

语法

定义实体之间交换信息的格式与结构  { 例：二进制0110010101 }

语义

定义实体之间交换信息的控制信息  { 把二进制字符串分割再传输，每段的意义 }

时序（同步）

定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度

网络协议：网络通信对等实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或约定

HTTP

标准的分类

法定标准（OSI）：权威机构制定、正式合法

事实标准（TCP/IP）：某些公司的产品竞争中占据主流

计算机网络的功能

在不同主机（分布式处理）之间实现快速的数据通信，通过信息交换，计算机网络可以实现资源共享这一个核心功能

硬件资源共享

计算资源（CPU）

存储资源

打印机与扫描仪I/O

例如：云存储、云计算

软件资源共享

网络主机远程访问使用服务器上运行的各类大型软件

例如：大型办公软件、大型数据库系统

SaaS：软件即服务

数据资源共享

各类信息通过互联网发布分享

例如：信息检索、新闻浏览

计算机网络的分类

按覆盖范围分类

个域网

随身穿戴设备、便携设备通过无线技术构成的小范围网络

PAN（Personal）

局域网

通常部署在办公室、办公楼、厂区、校区等局部区域内

LAN(Local)

城域网

覆盖一个城市范围的网络

MAN(Metropolitan)

广域网

跨越更大的地理空间，实现异地城域网的互连

WAN(Wide)

按拓扑结构分类

星形拓扑结构

路由器

一个中央结点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央结点连接

适用网络

个域网

局域网

如果中央结点挂了，则所有主机都不能使用

如果某个主机出现通信问题，可以很好判断出问题来源的结点

总线型拓扑结构

网络采用一条广播信道作为公共传输介质。所有结点均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行

适用网络

早期局域网

环形拓扑结构

利用通信链路将所有结点连接成一个闭合的环

适用网络

早期局域网

城域网

网状拓扑结构

网络中的结点通过多条链路与不同的结点直接相连接

适用网络

广域网

核心网络

比较靠谱，即使有个网络断了，也是可以通信的

复杂、费用高

树形拓扑结构

可以看作是总线型拓扑或星形拓扑结构网络的扩展

适用网络

目前的局域网

根节点出现问题时，其子节点都会存在问题

混合型拓扑结构

由两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络

适用网络

绝大数实际网络

按交换方式分类

电路交换网络

报文交换网络

分组交换网络

按网络用户属性

公用网

面向公众开放的网络

私有网

某个组织出资建设专门面向该组织，不向公众开发

例如：银行专用网络

计算机网络的组成

组成部分：硬件、软件、协议

工作方式

网络边缘（硬件、软件）

连接到网络上的计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等称为主机或者端系统

C/S客户端客户服务器方式

P2P对等方式

网络核心（协议）

由通信链路互连的分组交换设备（路由器和交换机）构成的网络。

作用

实现网络边缘里主机之间的中继与转发

功能组成

资源子网：资源处理与共享【实现该功能设备和软件的集合】

通信子网：数据通信【各种传输介质、通信设备、相应的网络协议组成】

计算机网络的性能

速率与带宽

速率

网络单位时间内实际传送的数据量，用以描述网络传输数据的快慢

速率单位换算【区别存储大小单位】

比特  bit/s（位每秒） 千  1Kbit/s=10^3bit/s 兆  1Mbit/s=10^6bit/s 吉  1Gbit/s=10^9bit/s 太  1Tbit/s=10^12bit/s

带宽

在通信和信号处理领域，指信号的频带宽度，单位：Hz（赫兹）。

在计算机网络领域，指一条信道的最高数据速率（链路的入口，理想情况下注入的速率），单位：bit/s（位每秒）

吞吐量

在单位时间内源主机通过网络向目的主机实际送达的数据量（链路速率的总和），记为Thr。 单位：bit/s或B/s（字节每秒） 1B=8bit

时延

分组从网络中的一个结点到达另一结点所需要的时间

跳

通常将连接两个结点的直接链路称为一个“跳步”。

分组每跳传输过程中主要产生4类时间延迟：

结点排队时延。dq

分组在交换结点内被交换道输出链路，等待从输出链路发送到下一个结点的时间。

结点发送时延。dt

分组在输出链路发送时，从发送第一位开始，到发送完最后一位需要的时间。

dt=L / R L：分组长度，单位：bit R：链路带宽（即速率），单位：bit/s

传播时延。dp

信号从发送端出来，经过一段物理链路到达接收端需要的时间。

dp=D / V D：物理链路长度，单位：m V：信号传播速度，单位：m/s

结点处理时延。dc

交换设备检查分组是否有差错，确定如何转发分组的时间。

时延带宽积

物理链路的传播时延与链路带宽的乘积，记为G。

公式

G=传播时延×链路带宽=dp × R 传播时延的单位：s 带宽的单位： bit/s 时延带宽积的单位：bit

丢包率

丢失分组和发送分组之比。反映网络的拥塞程度

(发送分组数-丢失分组数)/发送分组数

计算机网络的体系分层结构

定义

计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合

OSI参考模型

ISO国际标准化组织：开放系统互连（Open System Interconnection， OSI ）参考模型

七层（具体意义参考P7）

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

特点

数据由上到下层层封装传递，且下层为上层提供服务

虚拟通信：对等层不直接进行通信

实通信：物理层的两个端点进行物理通信

中间系统：只实现物理层、数据链路层和网络层功能

端到端层（高层协议）：传输层、会话层、表示层、应用层

结点到结点层：物理层、数据链路层、网络层

有关术语

数据单元

在层的实体之间传送的比特组

协议数据单元PDU

对等层之间传输的数据单元

应用层 -> 报文（报应） 表示层 会话层 传输层 -> 数据段或报文段（段传） 网络层 -> 分组或包（布络分） 数据链路层 -> 帧（帧链） 物理层 -> 比特流或位流（物流）

服务访问点

相邻层间的服务是通过其接口面上的服务访问点进行的

每个SAP有唯一的地址号码

服务原语

请求、指示、响应、证实

七层与四层区别

TCP/IP参考模型

应用层 -> 报文

应用层

表示层

会话层

www服、文件传输、电子邮件

常用的网络

www服务：HTTP

文件传输：FTP

电子邮件：SMTP和POP3

传输层 -> 报文段

传输层

面向连接、提供可靠数据流传输的传输控制协议：TCP 无连接、不提供可靠数据传输的用户数据协议：UDP

网络互联层 -> 数据包

网络层

TCP/IP参考模型核心。IP协议，ICMP（互联网控制报文协议）

网络接口层 ->帧

数据链路层

物理层

提供给网络互联层一个访问接口

五层参考模型

描述计算机网络中最常用、最接近实际网络的参考模型

应用层

报文

传输层

报文段

网络层

数据报

数据链路层

帧

物理层

比特流

应用层

网络应用模型

客户/服务器（C/S）模型

客户机之间不能通信

网络应用程序间的基本通信过程

服务器为客户机提供服务，且可同时为多个客户机服务

各计算机的地位不等，服务器可通过权限管理客户机

P2P模型

每个结点既是客户机，又是服务器

客户机（服务器）之间可以自由共享文档

域名系统（DNS）【C/S，UDP，端口53】

域名服务器

存储并完成自己所管辖范围内主机的域名到 IP 地址的映射

域名解析的顺序

【1】浏览器缓存，【2】找本机的hosts文件，【3】路由缓存，【4】找DNS服务器（本地域名、顶级域名、根域名）->迭代解析、递归查询

文件传输协议（FTP）【C/S，TCP，控：21  数：20】

功能

实现不同主机系统的交互式访问，允许客户指明文件的类型和格式

提供远程文件管理，匿名方式共享

FTP服务器组成

一个主进程：接收新请求

若干从属进程：处理单个请求

控制连接（端口21）：传输控制信息（连接、传输请求），以7位ASCII码的格式。整个会话期间一直打开

数据连接（端口20）：连接客户端和服务器端的数据传送进程（要修改服务器的数据）

电子邮件【C/S，TCP，SMTP：25  POP3：110】

邮件系统

用户代理：用户与电子邮件系统的接口（富文本编辑，界面操作）

邮件服务器【核心】：以C/S的方式发送和接收邮件

发送和读取协议：发送用SMTP；接收用POP3

IMAP：支持跨设备跨域处理同一邮件 MIME：支持多媒体及本国语言

【发送方】—SMTP—【服务器】—SMTP(TCP)—【服务器】—POP3—【接收方】

电子邮件格式：收件人邮箱名@邮箱所在主机域名 MaricoCheung@163.com

万维网（WWW）【C/S，TCP，端口80】

万维网结构

浏览器：web应用的客户代理

统一资源定位符：URL = 对象的主机域名（或IP地址） +  对象的路径名                                        www.processon.com          /diagrams.html

web服务器：储存管理供用户请求浏览的web页面

超文本传输协议（HTTP）：基于客户和服务器交互的协议

超文本传输协议（HTTP）

HTTP：面向事务的应用层协议、无状态无记录，一般主机由文本文件Cookie来记录

HTTP 连接

浏览器向服务器发收报文前，先建立TCP连接

HTTP使用TCP连接方式（HTTP自身无连接）

非持久连接

单条串行连接

多条并行连接

持久连接

非流水：单条串行请求

流水线：多条并行请求

HTTP 报文

请求报文

请求方法

GET：请求读取URL标识的信息，返回主体内容

POST：给服务器添加信息

HEAD：请求读取URL标识的信息的首部，只返回报文头

OPETION：请求一些选项的信息

PUT：在指明的URL下存储一个文档

响应报文

常用状态码

100：【continue】已收到请求的初识部分，请客户端继续

200：【ok】成功，所请求信息在响应报文中

301：【moved permanently】重定向

400：【bad request】客户端请求错误

404：【not found】客户端请求的资源，在服务器上不存在

451：【unsupported media type 】不支持的媒体类型

505：【http version not supported】请求使用的http 版本，服务器不支持

Cookie：网站为了辨别用户身份、进行会话跟踪而储存在用户本地终端上的数据

传输层

传输层提供的服务

功能

提供进程之间的通信【端到端】

面向通信的最高层，面向用户功能的最底层

（记忆口令：吩咐刘墉寻差错可靠）

对应用层报文进行分段和重组

面向应用层实现复用与分解

实现端到端的流量控制

拥塞控制

传输层寻址

对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分都检错）

实现进程间的端到端可靠数据传输控制

套接字与端口

典型的网络应用编程接口是套接字（Socket）

Socket 编程基础

Socket API 函数

创建套接字

socket（）

应用接口在应用层到传输层

UDP

数据报类型套接字

SOCK_DGRAM

不可靠协议

TCP

流式套接字

SOCK_STREAM

可靠协议

应用接口在应用层到网络层

原始套接字

SOCK_RAW

绑定套接字的本地端点地址 

bind（）

设置监听

listen（）

建立连接

TCP客户端：connect（）

TCP服务端：accept（）

接受数据

TCP：recv（）

UDP：recvfrom（）

发送数据

TCP：send（）

UDP：sendto（）

关闭套接字

close（）

对于一个传输协议，需要为其接口分配特定的编号，标识该【套接字】，该编号称为【端口号】

套接字 =“IP 地址+端口号”唯一标识网络中一台主机上的一个应用进程

16 bit（65536）个不同的端口号

服务器端口号

【熟知端口号】0-1023

常用：【DNS 53 UDP】【FTP 20/21 TCP】【SMTP 25 TCP】【POP3 110 TCP】【HTTP 80 TCP】 【HTTP 443】【TFTP 69】【SNMP 161】【TELNET 23】

【登记端口号】1024-49151

客户端端口号

【暂时随机端口号】49152-65535

传输层的复用与分解

复用与分解

多路复用

在源主机，传输层协议从不同的套接字收集应用进程发送的数据块， 并为每个数据块封装上首部信息（包括用于分解的信息）构成报文段， 然后将报文段传递给网络层

多路分解

在目的主机，传输层协议读取报文段中的字段，标识出接收套接字， 进而通过该套接字，将传输层的报文段中的数据交付给正确的套接字。

多路复用与多路分解（复用与分解/复用与分用）

支持众多应用进程共用同一个传输层协议， 并能够将接收到的数据准确交付给不同的应用进程

无连接的多路复用与多路分解

用户数据协议（UDP）

Internet 提供无连接服务的传输层协议

UDP 套接字二元组

目的IP地址

目的端口号

面向连接的多路复用与多路分解

传输控制协议（TCP）

Internet 提供面向连接服务的传输层协议

TCP 套接字四元组

源IP地址

源端口号

目的IP地址

目的端口号

停-等协议与滑动窗口协议

可靠数据传输基本原理

不可靠传输信道在数据传输中可能发生的情况

比特差错

1001——1000

乱序

数据块1、3、2、4

重传

数据块1、2、2、3

丢失

数据块1、2、4

基于不可靠信道实现可靠数据传输采取的措施

差错检测

利用编码实现数据包传输过程中的比特差错检测

确认

接收方向发送方反馈接收状态

ACK 肯定确认

NAK 否定确认

重传

发送方重新发送接收方没有正确接收的数据

序号

确保数据按序提交

计时器

解决数据丢失问题

实现数据可靠传输

自动重传请求协议ARQ

停-等协议

流水线协议（管道协议）

滑动窗口协议

GBN协议

SR协议

停止-等待协议【Ws=1，Wr=1】

工作流程

发送方发送经过差错编码和编号的报文段，等待接收方的确认

接收方如果差错检测无误且序号正确，则接收报文段，并向发送方发送ACK，否则丢弃报文段，并向发送方发送NAK

发送方如果收到ACK，则继续发送后续报文段，否则重发刚刚发送的报文段

最简单的自动重传请求协议

ARQ协议

性能差，信道利用率低

滑动窗口协议

流水线协议（管道协议）

允许发送方在没有收到确认前连续发送多个分组

发送窗口 Ws

发送方可以发送未被确认分组的最大数量

接收窗口 Wr

接收方可以缓存的正确到达的分组的最大数量

发送方和接收方可以缓存多个分组

增加分组序号

后退N帧协议GBN【Ws≥1，Wr=1】

发送端缓存能力高，可以在没有得到确认前发送多个分组

接收端缓存能力很低，只能接收1个按序到达的分组，不能缓存未按序到达的分组

乱序到达的分组直接丢弃

GBN发送方响应事件：

上层调用。发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满

收到ACK确认帧。GBN 采用累积确认方式 （即发送方收到ACKn时，表明接收方正确接收序号n及<n的所有分组）

计时器超时。发送方只使用一个计时器

选择重传协议SR【Ws>1，Wr>1】

发送端缓存能力高

接收端缓存能力高

只重传出错帧

SR发送方响应事件：

上层调用。发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满

收到ACKn确认帧。SR协议采用逐个确认方式

计时器超时。发送方对每个分组进行计时

用户数据报协议 UDP

特点

无连接

没有拥塞控制，不影响主机发送效率

尽最大努力交付，不保证可靠传输

数据报结构

首部

8B，四字段/2B【源端口 | 目的端口 | UDP长度 | 校验和】

数据字段

应用数据

校验和

检测UDP报文段从源到目的地传送过程中，数据是否发生了改变

若改变则直接丢弃，交付给上层并提交错误报告

计算规则

所有参与运算的内容按16位对齐求和

计算的内容包括3部分

UDP伪首部（只做计算用不交付）

源IP地址

4字节

目的IP地址

4字节

协议号

1字节

全0

1字节

UDP长度

2字节

UDP首部

应用数据

求和过程中遇到溢出（进位）都被回卷

即进位与和的最低位再相加

最后得到的和取反码，就是UPD的校验和，填入UDP数据报的校验和字段

传输控制协议 TCP

特点

面向字节流

应用进程先建立连接

可靠交付（有序，不重复，无丢失）

全双工通信（每条TCP连接只能一对一）

报文段结构

最大报文段长度：报文段中封装的应用层数据的最大长度。

首部

源端口号字段，目的端口号字段：占16位。复用和分解上层应用的数据

序号字段、确认序号字段：占32位

序号字段SEQ：TCP的序号是对每个应用层数据的每个字节进行编号

确认序号字段ACK_SEQ：期望从对方接收数据的字节序号，即该序号对应的字节尚未收到

首部长度字段：占4位。指出TCP段的首部长度，以4字节为计算单位

保留字段：占6位。保留为今后使用，目前值为0

URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN各占1位。为标志位字段； 各占1位，取值为0或1； 紧急URG=1，紧急指针字段有效，优先传送。 确认ACK=1，确认序号字段有效；ACK=0时，确认序号字段无效。 推送PSH=1，尽快将报文段中的数据交付接收应用进程，不要等缓存满了再交付。 复位RST=1，TCP连接出现严重差错，释放连接，再重新建立TCP连接。 同步SYN=1，该TCP报文段是一个建立新连接请求控制段或者同意建立新连接的确认段 终止FIN=1，TCP报文段的发送端数据已经发送完毕，请求释放连接。

接收窗口字段：占16位。向对方通告我方接收窗口的大小。实现TCP的流量控制

校验和字段：占16位 

计算方法与UDP校验和的计算方法相同

紧急指针字段：占16位

URG=1时，才有效。指出在本TCP报文段中紧急数据共有多少个字节

选项字段长度可变，最短为0字节，最长为40字节

填充字段，取值全为0，目的是为了整个首部长度是4字节的整倍数

首部总结要点

序号字段

TCP的序号是对每个应用层数据的每个字节进行编号

确认序号字段

期望从对方接收数据的字节序号，即该序号对应的字节尚未收到。用ack_seq标识