一篇学完：王道考研408计算机网络（全）

笔记从:lengyueling.cn

PDF版本附在lengyueling.cn对应文章结尾，欢迎下载访问交流

网络系统结构

概念与功能

网络：网络东西或网站系统

计算机网络：是通过通信设备和线路连接分散、独立功能的计算机系统，通过功能完善的软件实现资源共享和信息传输的系统。

计算机网络的功能： 数据通信、资源共享、分布式处理（hadoop提高可靠性，平衡负荷...

发展阶段-第一阶段： ARPAnet(美国国防部分散指挥系统)-> Internet（TCP/IP协议）

发展阶段-第二阶段： 1985年，因特网(校园网、区域网、主干网)三层结构

发展阶段-第三阶段： 多层次的ISP结构（本地ISP、地区ISP、主干ISP，电信、移动、联通都是ISP）

组成： 硬件、软件、协议(集合一系列规则和协议)

工作方式：

• 边缘部分

  • C/S方法(客户、服务)

  • P2P方法(平等连接peer-to-peer）

• 核心部分

  • 服务于边缘部分

功能组成：

• 通信子网络(网络层、数据链路层、物理层 )

  • 由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成

• 资源子网络(应用层、表示层、会话层)

  • 设备和软件集合实现资源共享/数据处理

• 传输层(承上启下)

按分布分类：

• 广域网WAN(交换技术)

• 城域网MAN

• 局域网LAN(广播技术)

• 个人区域网PAN

按照使用者分类：

• 公用网

• 专用网

按交换技术分类：

• 电路交换

• 报文交换

• 分组交换

按拓扑结构分：

• 总线型

• 星形

• 环形

• 网状型(常用于广域网)

按传输技术分：

• 广播网络 共享公共信号通道

• 点对点网络 使用分组存储转发和路由选择机制

标准化工作及相关组织

标准分类：

• 权威机构制定的正式、合法的法律标准 OSI模型

• 事实标准 某些公司的产品在竞争中占据主流标准，如 TCP/IP协议

标准化：

RFC要上升为Internet正式标准的四个阶段

• 因特网草案

• 建议标准

• 草案标准(现已取消)

• 因特网标准

相关组织：

• 国际标准化组织ISO OSI模型、HDLC协议

• 国际电信联盟ITU 指定通信规则

• 电气与电子工程师协会协会IEEE 学术机构，IEEE802系列标准、5G

• Internet工程任务组IETF 负责制定因特网相关标准 RFCYYYY

性能指标

速率：数据率、数据传输率、比特率、连接到计算机网络的主机在数字信道上传输数据位数的速率b/s kb/s Mb/s等等，关系是100倍

存储容量：1Byte=8bit 1KB=2^10B=1024B=1024*8b(比特通常不是字节)

带宽：表示网络通信线路传输数据的能力单位是b/s,链路带看=1MB/s意味着主机在1us内部可以发送到链路1bit以此类推，传输速度保持不变

吞吐量：单位时间内通过网络或信道或接口的数据量。b/s受网络带宽和网络额定速率的限制，多个服务器的最高速率不得超过带宽。

时延：单位是从网络的一段传输到另一端所需的时间s，分为发送延迟(传输延迟)、传播延迟、排队延迟、处理延迟

发送时延=数据长度/信道带宽

传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

排队时延=等待输入/出链路可用的时间

处理时延=检错、找出口

延迟带宽积：传播时延*带宽 单位：b 又称以比特为单位的链路长度

往返时间RTT：从发送人发送数据到发送人收到接收人确认总经验的延迟。

RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多

RTT包括：

• 往返传播延迟=传播时延*2

• 终端处理时间

利用率：

• 信道利用率

  • 有数据通过的时间/总时间

• 网络利用率

  • 信道利用率加权平均值

分层结构、协议、界面、服务

为什么要分层？

发送文件前要完成的动作：

• 启动通信的计算机必须激活数据通信的通道。

• 告诉网络如何识别目的主机。

• 启动通信的计算机应查明目的主机是否启动，并与网络正常连接。

• 发起通信的计算机要搞清楚对方计算机中的文件管理程序是否准备好了。

• 确保能够解决错误和事故。

• ......

• 因此需要分层

分层原则：

• 每层相对独立

• 每层界面自然清晰，易于理解

• 每层都采用最合适的技术来实现

• 保持下层和上层的独立性

• 分层结构应促进标准化工作

实体：第n层的活动元素被称为n同一层的实体称为对等实体。

协议：规则、标准或约定是为网络中等实体数据交换而建立的。(水平)

• 语法：规定数据传输格式

• 语义：规定要完成的功能

• 同步：规定各种操作顺序

接口：上层使用下层服务的入口

服务：下层为相邻上层提供功能调用。(垂直)

SDU服务数据单元：数据应该传输，以完成用户要求的功能。(上一层真正有意义的信息)

PCI协议控制信息：控制协议操作的信息。(控制信息)

PDU协议数据单元：数据单元在等级之间传输。(以上两种信息之和)

PCI SDU=PDU 紧接着PDU下一层SDU，类似金字塔的结构

OSI参考模型

OSI是7层模型，是法定标准，但是现在大家都用TCP/IP协议，理论是成功的，但是市场是失败的。

• 应用层

• 表示层

• 会话层

• 传输层

• 网络层

• 数据链路层

• 物理层

通信过程：

应用层：

面向用户的所有能和用户交互产生网络流量的程序就是应用层。

典型的应用层服务：

• 文件传输（FTP）

• 电子邮件（SMTP）

• 万维网（HTTP）

• ......

表示层：

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）

功能：

• 数据格式变换（翻译官）

• 数据加密/解密

• 数据压缩和恢复

协议：JPEG ASCII

会话层：

向表示层/用户进程提供简历了解并在连接上有序的传输数据。这就是会话，也被曾为建立同步（SYN）

功能：

• 建立、管理、终止会话

• 通过校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步点继续恢复通信，实现数据同步。（传输大文件）

协议：ADSP ASP

传输层：

负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。

功能：

• 可靠传输、不可靠传输

• 差错控制

• 流量控制

• 复用分用

复用：多个应用层进程可同时使用下面运输车的服务

分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层相应的进程。

协议：UDP TCP

网络层：

主要任务是把分组从源端传送目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

功能：

• 路由选择 选择合适的路由（最佳路径）

• 流量控制 协调发送端和接收端的速度

• 差错控制

• 拥塞控制 通过一定措施缓解所有节点都来不及接收分组的状态

协议：IP IPX ICMP IGMP ARP RARP OSPF

数据链路层：

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路层/链路层的传输单位是帧。

功能：

• 成帧（定义帧的开始和结束）

• 差错控制 帧错+位错

• 流量控制

• 访问（接入）控制 控制对信道的访问

协议：SDLC HDLC PPP STP

物理层：

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。传输单位是比特。

透明传输：指的是不敢是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。

功能：

• 定义接口特性

• 定义传输模式 单工、半双工、双工

• 定义传输速率

• 比特同步

• 比特编码

协议：Rj45 802.3

TCP/IP参考模型

OSI与TCPIP参考模型的关系：

与OSI参考模型的相同点：

• 都分层

• 基于独立的协议栈的概念

• 可以实现异构网络互联

不同点：

• OSI定义三点：服务、协议、接口

• OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议

• TCPIP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次

• 

面向连接分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段发出一个建立连接的请求，只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段，接着当数据传输完毕，必须释放连接。

无连接没有那么多阶段，直接进行数据传输。

五层参考模型：

综合了OSI和TCPIP协议的优点，应用层支持各种网络应用（FTP SMTP HTTP），传输层负责进程-进程的数据传输（TCP UDP），网络层负责源主机到目的主机的数据分组路由与转发（IP ICMP OSPF等）数据链路层负责吧网络层传下来的数据报组装成帧，物理层负责比特传输。

封装与解封装：

物理层

基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性（定义标准）

机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引脚数目、引脚数量和排列情况。

电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。

功能特性：某调线上出现的某一电平表示某种意义，接口部件的信号线的用途。

规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

数据通信

通信的目的是传送消息（语音文字图像视频等）

数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

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。

数字信号：消息的参数的取值是离散的。

模拟信号：信息的参数的取值是连续的。

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接受数据的终点。

信道：信号的传输媒介，包含发送信道和接收信道。

按照传输信号分模拟信道和数字信道

按照传输介质分为无线信道和有线信道

三种通信方式：

单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅通过一条信道。例子：广播

半双工/双向交替通信：通信双方都可以发送或接受信息但是不能通知发送或接受，需要两条信道。例子：对讲机

全双工信道/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道，例子：打电话

数据传输方式：

串行传输：将一个字符的8位二进制数按低维到高维的顺序依次发送。速度慢，费用低，适合远距离。

并行传输：将一个字符的8为二进制数同时向八条信道发送。速度快，费用高，适合近距离

同步传输：

• 在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。

• 在传送数据时，需先送出一个或多个同步字符，再送出整批的数据。

异步传输：

• 将比特分为 小组进行传输，小组可以使8位的一个字符或者更长。

• 发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道他们会在什么时候到达。

• 传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

码元：

• 码元是指用一个固定时长的信号波形，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

• 这个时长内的信号成为k进制码元，而该时长称为码元宽度

• 码元的离散状态有几种状态就是几进制码元

• 1码元可以携带多个比特的信息量，2^n进制码元可以携带n进制信息量

速率：

• 是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。

• 可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

• 码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特（Baud）1波特表示每秒传输一个码元。

• 码元速率和进制无关，之和码元长度有关R=1/T（B） T：码元长度 R：码元速率

• 信息传输速率表示单位时间内数字通信系统的二进制码元个数（比特数）单位是b/s

• 关系：若一个码元携带n bit信息量， M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s

带宽：

模拟信号中：输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时，最高频率和最低频率之间的差值就代表了系统的通频带宽。单位为Hz

数字设备中：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高传输数据率/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s

奈氏准则和香农定理

失真：在现实中的信道中出现的码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等因素可能产生为失真，分为有失真但可识别和失真大无法识别。

失真的一种现象-码间串扰：模拟信号的频率过高，接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则：

• 在理想低通条件下，为了避免码间串扰，极限传输速率为2WBaud W为信道带宽，单位是Hz

• 理想低通信道下极限数据传输率=2Wlog 2 V(b/s)

• 在任何信道中码元传输速率是有上限的，若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收单对码元的完全正确识别成为不可能。

• 信道的频带越宽，就能用更高的速率进行码元的有效传输。

• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制

• 码元传输速率受到奈氏准则的制约，多以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息为，这就需要采用多元制的调制方式。

香农定理：

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，

• 因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。

• 因此，信噪比就很重要，信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率S/N 单位为分贝 dB

• dB=10log 10 （S/N）

• 信道的极限数据传输速率=Wlog2 （1+S/N）(b/s) W为带宽 S/N为信噪比

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高

• 对一定传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。

• 只要信息传输独立低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来无差错的传输。

• 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比他低不少。

• 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率就没有上限

选用情况：

• 奈氏准则：带宽受限