计算机网络原理

第一章–概述

1.1三大网络

1. 电信网络
2. 有线电视网络
3. 计算机网络（成为三网融合的核心）

1.2互联网与物联网的区别

• 互联网：特指使用TCP/IP协议连接的计算机网络
• 互连网：指局部范围通过任何协议连接而成的计算机网络

1.3计算机网络与互联网

1. 计算机网络
   • 结点（node）
   • 链路（link）

2. 互联网 网络的网络
   • 云内：表示已经与网络相连接的计算机
   • 云外：讨论几个计算机如何通讯时使用

主机（host）:与网络相连接的主机

计算机网络通过网络相连接，互联网通过路由器相连接

1.4互联网发展三阶段

1. ARPANET（分组交换网）——阿帕网
2. 三级计算机网络
   • 主干网
   • 地区王
   • 校园网
3. 多层次ISP网络
   • 主干ISP
   • 地区ISP
   • 本地ISP

ISP：互联网应用服务提供商 Internet Service Provider

IXP：互联网交换点 Internet eXchange Point

1.5互联网标准化工作

• 互联网草案 Internet Draft
• 建议标准 Proposed Standard —之后成为RFC（Request For Comments）文档
• 互联网标准 Internet Standard

IETF：互联网工程部 Internet Engineering Task Force
IRTF：互联网研究部 Internet Research Task Force

1.6互联网组成

1. 边缘部分 -用户使用
   • C/S 客户-服务器模式

客户程序：1. 发起多个请求 2.硬件要求低

服务程序：1.同时处理多个请求 2.被动等待连接 3.硬件要求高

• P2P 对等连接
  只要运行P2P软件即可直接访问通讯

2. 核心部分-提供服务
   关键部件：路由器-实现分组交换，用于转发主机信息
   • 电路交换：建立连接——>通话——>释放连接
     连接过程中不进行传输时，会占用端到端资源（效率低）
     单线路——多线路复用技术
     多路复用：不同频率、不同时隙、不同码序之间的交换
   • 报文交换：不分块整个传输
     相邻节点——>查找转发表——>抓发到下一个结点
   • 分组交换：存储转发技术（报文交换的改进）—分块传输
     报文：被分为数据包，每一个包均含有 包头 + 数据段
     特点：高效、灵活、迅速、可靠

1.7在我国的发展

• 1994.4.20 接入互联网
• 1996 搜狐
• 1997 网易
• 1998 新浪
• 1999 阿里
• 2000 百度

我国五大基础网络建设

1. 中国电信 CHINANET
2. 中国移动 UNINET
3. 中国联通 CMNET
4. 教育网 CERNET
5. 科学技术网 CSTNET

中国互联网中心 CNNIC China Network Information Center

1.8计算机网络分类

计算机网络定义：由一些通用的可编程的硬件相互连接而成，硬件并非为了实现某一目的

1. 网络作用范围
   • WAN 广域网 Wide Area Network
   • MAN 城域网 Metropotian Area Network
   • LAN 局域网 Local Are Network
   • PAN 个人区域网 Personal Area Network
   • WPAN 无线个人区域网 Wireless Personal Area Network
2. 使用者
   • 公用网
   • 私用网
3. 接入网 AN Acess Point

1.9网络性能

1.9.1性能指标

1. 速率
   $k=10^3$ $M=10^6$ $G=10^9$

通信领域k、M、G指的是速率！！！

2. 带宽
   • 信号频带宽度（HZ）
   • 最高传输速率（按照$10^3$为单位bIt/s）
3. 吞吐量（速率单位）
   单位时间通过某个网络接口或信道的实际数据量
4. 时延
   1. 处理时延：主机或者路由器收到数据进行查找转发表所消耗的时间
   2. 排队时延：路由器中进项发送前排队消耗的时间
   3. 发送时延：发送数据包所消耗的时间
      $T=\frac{数据大小（bit）}{发送速率（bit/s）}$

4. 传播时延：光或电磁波在物理介质传输的时间
   $T=\frac{信道长度（m）}{电磁波传输速度（m/s）}$

对于高速网络链路我们提升的只是数据发送率 而不是物理传输速率

5. 时延带宽积（链路上可以容纳多少bit）
   $T=传播时延\times 带宽$

近似为柱形链路的bit容积

6. 往返时间RTT
   指发送数据A后，需要等待B回复一个确认信息（RTT便是这个确认信息的时间）
7. 有效数据率
   $T=\frac{数据长度}{(发送时间\times RTT)}$
8. 利用率
   • 信道利用率
   • 网络利用率
9. $当前时延=\frac{空闲时延}{(1-网络利用率)}$

1.9.2非性能指标

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理

1.10网络体系结构

最简单形成传输数据

系统网络体系结构 SNA System Network Architecture

开放系统互连基本参考模型 OSI Open System Interconnection

• 协议与层次
  网络协议：为网络中数据交换而建立的规则
  • 语法：数据控制信息的结构和格式
  • 语义：发出的什么样的信息（要干什么？表达啥意思？）
  • 同步：怎么同步
• 层次式网络协议
  1. 各层之间独立
  2. 灵活性好
  3. 结构上下可分割
  4. 易于实现与维护
  5. 促进标准化工作
     缺点：效率被降低、可能会重复出现导致系统开销大

各层及协议的集合是网络的体系结构

• 五层协议的体系结构

5）应用层：应用间数据交互完成网络应用——（报文）交换的数据单元
4）运输层：两台主机中进程之间的通信提供的数据传输服务

• TCP：面向连接-**可靠 单位：报文段 **Transmission Control Protocol
• UDP：尽最大努力传输-不一定可靠 单位：用户数据报 User Datagram Protocol

3）网络层：为分组交换网主机提供通服务，使用IP协议 分组（IP数据报） 或 包

2）数据链路层：一段一段链路传输，由IP数据报组成帧，每一帧包括数据 以及 控制信息，具有检错与纠错能力

1）物理层：单位为Bit

0）线缆，传输通道（真正的物理媒介）

注意：每一层数据向更第一层传输时会增加自己的首部（控制信息所在）

特别的：在网络层——>数据链路层 不仅会增加首部也会增加尾部，因为其数据链路层负责数据的校验与纠错，而尾部就含有校验的信息。

类似

• 应用层<——>应用层 这种水平通信叫”对等层“，对等层之间数据传输单位叫：协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）采用通信方式叫协议
• 应用层——>传输层 这种垂直之间的通信方式是服务

实体：可以接受或者发送信息的硬件或者软件进程

协议：控制实体之间通信规则的集合

协议是水平的，服务是垂直的（上下层之间命令叫做 *服务原语 *），上下两层实体之间的结点叫做 服务访问点 SAP Service Acess Point

层与层之间交换数据单位：SDU（Service Data Unit）——服务

• TCP/IP 四层协议

某些应用完全可以直接访问下层服务——实现直接跨层

第二章 --物理层

2.1物理层概念

• 机械特性：大小形状尺寸
• 电器特性：电器属性
• 功能特性：电线出现的意义
• 过程特性：对于不同状态出现的顺序

传输系统三大部分：

1. 源系统
   • 源点/信源：发送设备产生的数据
   • 发送器：调制器->进行编码
2. 传输系统：传输线或者复杂网络系统
3. 目的系统：
   • 接收器：解调器->用于解码
   • 终点/目的站/信宿：终点设备获取传来数字比特流

消息是视频、语音、文字等，数据是消息的实体

模拟信号：取值连续 数字信号：取值离散

信道：表示某一个方向传输的媒体 一条传输线路包含一个发送信道一个接受信道

三种交互方式：

1. 单项通讯：单工
2. 双向交替通讯：半双工
3. 双向同时通讯：全双工

基带信号（来自信源）——>进行调制（编码）

调制：

1. 基带调制：还是来自信源的信号，只是对其波形进行变化，使其适应信道特征 信号叫：基带信号
2. 带通调制：使用载波（物理信号）把基带信号的频率范围搬到较高的频段转化为模拟信号 信号叫：带通信号

带通调制方法：

1. 调幅AM：调整振幅
2. 调频FM：调整频率
3. 调相PM：调整波形相位

常见编码方式：

• 不归零：正电平 1 负电平 0
• 归零： 正脉冲 1 负脉冲 0
• 曼彻斯特编码：周期中心向上跳变为 0 向下为 1
• 差分曼彻斯特编码：边界有跳变是0 没有是1

2.2信道极限容量

码元传输速率越高、信号距离越远、噪声干扰越大、传输媒介越差——>失真越严重

码间串扰：两个马元之间所间隔的时间非常短，失去了马元之间的间隔，造成干扰分不清1和1

信噪比：信号的平均功率与噪声平均功率之比S

$信噪比=10\cdot \log 以10为底\frac{S}{N}$

极限信道传输率：信道极限传输速度 信噪比越大，信息极限传输速率越高极限信道传输率：信道极限传输速度 信噪比越大，信息极限传输速率越高

$C=W\cdot {\log }_2(1+\frac{S}{N})=W\cdot {\log }_2(1+信噪比)$

2.3物理层下的传输媒介

2.3.1引导形传输媒介

1. 双绞线：
   • 无屏蔽双绞线 （Shield Twisted Pair）
   • 屏蔽双绞线 (Unshield Twisted Pair)

• 常用绞线类别、带宽以及典型应用

衰减随着频率升高而增大

2. 同轴电缆：铜质芯线->抗干扰性能强

3. 光缆：使用光导纤维进行传输，发送端有光源，接收端存在光检测器 ->利用全反射

• 多模光纤：存在多条不同角度入射的光在一条光纤中传输
• 单模光纤：光纤直径足够小的时候，其只传播一条光的波长
• 特点：
  • 传输损耗小
  • 抗干扰效果号
  • 保密性好
  • 体积小重量轻

2.3.2非引导行传输媒介

1. 短波通信：电离层反射
2. 无线电微波通讯：
   1. 地面微波接力
   2. 卫星通讯

2.4信道复用技术

1. 频分复用***FDM(Frequency Division Multiplexing)***

2. 时分复用***TDM(Time Division Multiplexing) ->分时间***

复用器与分用器成对使用，一个合并数据一个分离数据

时分存在浪费现象：当某一个用户此时不占用时，其还是会划分时间给他造成空闲浪费

3. 统计时分复用***STDM(Static TDM)*** ->异步分时复用（用户占用时间并不是周期性出现。且其每一个STDM帧中间都含有用户地址信息，所以存在开销）

注意：这里的TDM和STDM帧均是物理层面上的帧

4. 波分复用->分光
   • 波分复用***WDM(Wavelength Division Multiplexing) ***
   • 密集波分复用***DWDM(Dense Wave Division Multiplexing)***

光复用器-光分用器

5. 码分复用***CDM(Code Division Multiplexing)*** ->CDMA(Code Division Multiple Acess)每一个比特时间被划分成为m个短的时间间隔->码片

使用CDMA时，如果一个站需要发送比特1，则发送自己的m bit码片序列，若要发射比特0，则发送自己m bit码片序列的相反值。若发送信息率为b bit/s，则其实际上发送数据率就会提高到mb bit/s。
在码片中，0写为-1。1写为+1

1. 扩频
   1. 直接序列扩频
   2. 跳频扩频

确定码片是某一个站点发来的信息，使用其源站的码片序列与码片向量求内积，得到的结果如果是1即为其源站发送的。不同站的码片序列计算内积结果为0。

2.5宽带接入

1. 非对称数字用户线***ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)***->下行带宽大于上行
   其接入网分为
   • 数字用户线接入复用器DSLAM(DSL Acess Multiplexer)
   • ADSL调制解调器——接入端接单元ATU(Acess Termination Unit)
     • 端局（用户家中）ATU-C（Center）
     • 远端 ATU-R（Remote）

2. 光纤同轴混合网***HFC(Hybird Fiber Coax)***

用户家中使用同轴电缆

3. FTTx技术***(FIber To The xxx)*** FTTH/FTTZ/FTTB/FTTF/FTTO/…

光配线网 ODN(Optical Distribution Network) 无源光网络PON(Passive Optical Network) 光线路终端OLT(Optical Line Terminal) 光网络单元ONU(Optical Network Unit)

无源光网络：

• 以太网无源光网络EPON （Ethernet PON）链路层采用以太网协议
• 吉比特无源光网络GPON (Gigabit PON) 采用通用封装方法

第三章–数据链路层

简介

数据链路层使用的主要信道：

1. 点对点通讯：一对一点对点模式
2. 广播信道：一对多的广播方式

3.1使用点对点信道的数据链路层

3.1.1数据链路和帧

链路：从一个结点到相邻结点的物理线路

数据链路：链路+具有控制协议的硬件和软件->最常用 网络适配器（含有硬件和软件）

1. 封装成帧
   为数据添加头部和尾部——>用于帧定界

最大传输单元MTU （Maximum Transfer Unit）：每一种链路层都有规定，指的是帧的数据部分。

SOH（Start of Header）：放在一个帧的最前面
EOT（End of Transmission）：表示帧的结束
这两个在中断之后判断帧的完整，如果不完整即一帧缺这两个之一，就需要重新传输
2. 透明传输

当传送的帧是用文本文件组成的帧时，其数据部分不会出现帧界定符。也即是发送什么就接受什么，不会收到帧结束和开始标志的影响这就叫做透明传输
如果数据中间出现SOH和EOT那就需要使用转义字符进行限定！进行转意！

3. 差错检测

在传输的过程中可能会出现差错，如0变成1这就叫做比特差错
误码率BER(Bit Error Rate)：传输过程中错误比特占总比特总数的比率
**数据链路层使用CRC校验——添加的冗余码FCS（Frame Check Sequence）**在CRC码最后添加

**注：在数据链路层仅使用CRC只能做到帧的无差错接受，也就是在接收端的数据链路层接受的帧均无差错。**但是：并不能实现可靠传输
差错：

• 比特差错：帧是对的但是出现比特位错误
• 传输差错：指的是传输的帧序列中有某些帧丢了
  * 帧丢失
  * 帧数重复
  * 帧失序

另外：对于传输质量良好的有线传输链路，数据链路层不使用确认重传机制，即不需要向上层实现可靠传输，传输较差的反之，需要提供可靠传输服务。

3.1.2点对点协议PPP

PPP（Point To Point Protocol）:用户计算机和ISP通讯时使用的数据链路层协议

1. 满足的需求：
   • 简单：CRC没错就收下，有错就抛弃
   • 封装成帧：存在特殊的帧界定符
   • 透明性：出现与界定符一样的进行转译
   • 多种网络层协议：同一个物理链路可以支持多种网络层协议
   • 多种类型线路：串行、并行、低速高速、电、光…
   • 差错检测：对收到帧进行差错检测
   • 检测连接状态
   • 存在最大传输单元MTU
   • 需要有网络层地址协商：配置彼此网络层位置
   • 存在数据压缩协商
2. 组成：
   • 链路控制协议LCP（Link Control Protocol）
   • 网络控制协议NCP（Network Control Protocol）
3. PPP帧个段含义：
   • 首部
     • 第一字节 F：7E（01111110）帧界定符
     • 第二字节 A：0xFF（11111111）
     • 第三字节 C：0x03（00000011）无含义
     • 第四个和第五个字节：协议字段
       • 0x0021：表示PPP帧是IP数据报
       • 0xC021：表示其字段为PPP链路控制协议的LCP的数据
       • 0x8021：表示其为网络层的控制数据
   • 信息字段<=MTU
   • 尾部
     • 前两个字节是FCS
     • 最后一个字节F：7E（01111110）帧界定符

4. 透明传输实现
   1. 字节填充：PPP采用异步传输，其实际上是使用转义符号进项转义
      1. 0x7E->(0x7D,0x5E)
      2. 0x7D->(0x7D,0x5D)
      3. 出现ASCII码控制字符，前加0x7D
   2. 零比特传输：PPP协议在SDH链路同步传输
      出现5个1补足一个0，防止出现形如“7E（01111110）”中间连续的1，与界定符混淆。

5. 工作状态
   链路静止——>链路建立——>配置请求——>鉴别——>网络层协议——>链路打开

LCP配置：

• 配置确认帧：所有都接受
• 配置否认帧：所有都理解但不接受
• 配置拒绝帧：有的无法识别，需要协商

鉴别：

• 口令鉴别协议PAP（Password Authentication Protocol）
• 握手鉴别协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）

3.2广播信道传输的数据链路层

3.2.1局域网数据链路层

局域网

1. 网络为一个单位所有，且地理范围和站点数目均有限
2. 优点：
   1. 具有广播功能：一个地方可以访问全网
   2. 便于系统资源扩展
   3. 提高可靠性、可用性、生存性
3. 分类
   1. 星形网：使用集线器
   2. 环形网
   3. 总线网：设置有匹配电阻，用于吸收多余电磁信号

局域网数据链路层：

1. 逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）
2. 媒体接入控制MAC（Medium Acess Control）

适配器（网卡）作用：其上面安装有处理器和存储器，因此其在接受和发送各种数据帧的时候不会占用计算机主机的CPU

以太网两个标准：

1. DIX Ethernet V2
2. IEEE 802.3

3.2.2载波监听/碰撞检测协议——>CSMA/CD

CSMA/CD协议内容：

1. 使用广播通信的方式进行传输，在帧的首部写明接收站的地址（各个站点检测到帧时候，看头部声明是不是自己的，是的话就接受，不是就不管）
2. 采用无连接的工作方式。发送的数据帧不需要进行编号，也不需要对方发消息进行确认，也就是不可靠交付。只会使用CRC进行检测，差错帧是否需要重新传输则由高层决定。
3. 要点
   1. 多点接入：总线型网络
   2. 载波监听：不管在发送前还是发送中，每个站都必须不停的检测信道。
   3. 碰撞检测：边发送边监听，看这个时候有没有出现数据碰撞

电磁波在1KM电缆传输时间为5us

CSMA/CD协议只能进行半双工通信

1. 单程端到端时延为r
2. 总线端到端往返时延2r

争用期 2r：

1. 规定：对于10Mbit/s以太网->争用期发送512bit，即64字节。争用期时间为512比特时间=51.2us
2. 每个站在发出信号之后一段时间都存在着发生碰撞的可能性，这段时间不确定——>存在***碰撞窗口***

截断二进制规避算法：用于在发生碰撞之后推迟发送时间规避碰撞——>动态规避算法

$K=Min[重传次数，10]\to K\in [0,1,...,(2^K-1)]$

注：适配器在每次发送一个新的帧的时候都需要执行一次CSMD/CD算法，并且要是在算法进行规避的时候，某一个适配器能碰巧成功发送一个帧到信道之中去，那么就需要再次执行退避算法继续等待。

在碰撞发生的时候还需要发出32/48bit的人为的干扰信号

**总共信道占用时间：**A站点发出数据到发现碰撞停止发送时间是Tb，A发送干扰信号时间是Tj，但是整个信道还是需要A发出这个干扰信号再信道上传输完毕之后才能空闲，也就是再等r个传输时间

规定：帧最小时间间隔为9.6us=96比特时间

最后

以上就是柔弱银耳汤为你收集整理的计算机网络原理——前三章个人总结计算机网络原理第一章–概述第二章 --物理层第三章–数据链路层的全部内容，希望文章能够帮你解决计算机网络原理——前三章个人总结计算机网络原理第一章–概述第二章 --物理层第三章–数据链路层所遇到的程序开发问题。

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