計算機網路學習筆記（未完結）

阿新 • • 發佈：2022-03-17

計算機網路學習筆記（未完結）

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導語

定義及特點

計算機網路就是指將地理位置不同，並具有獨立功能的多個計算機系統通過通訊裝置和線路連線起來，且利用功能完善的網路軟體（網路協議及網路作業系統等）實現網路資源共享和資料通訊的系統。
特點
- 連通性
- 資源共享

概述

網際網路與互連網
- 網際網路：一個特指，僅使用TCP/IP，是專有名詞
- 互連網：一個泛指，除了TCP/IP，還可使用其他協議，是一個通用名詞
目前階段

正處於網際網路基礎結構發展的第三階段，形成多層次ISP（網際網路服務提供者）結構的互連網
- 向ISP繳納費用，獲取所需IP地址的使用權並通過該ISP接入網際網路
- ISP分層：主幹ISP、地區ISP、本地ISP
網際網路的組成
- 邊緣部分：包括所有連線在網際網路上的主機，由使用者使用
  - 端系統之間通訊：主機之間的通訊實際上是主機上程序之間的通訊
    - 客戶—伺服器方式（C/S方式）
      
      工作方式：伺服器持續執行，客戶機請求服務，伺服器提供服務
    - 對等方式（P2P）
      
      工作方式：在主機都執行P2P軟體時，每個主機都既是客戶機也是伺服器，
- 核心部分
  
  包括大量網路和連線這些網路的路由器，為邊緣部分提供服務（使邊緣部分中的任一主機能向其他主機通訊）。
  
  路由器：實現分組交換的關鍵構件，用來轉發收到的分組，這是核心部分最重要的功能
- 分組交換原理
  
  將資料先分組，在分組資料上加首部（含目的地址和源地址等控制資訊），路由器根據首部資訊轉發資料包。資料包之間是相互獨立的。
  
  在傳輸轉發的過程中，路由器需要先暫存再轉發。
  
  問題：
  - 轉發時必須先儲存，導致需要排隊，造成時延
  - 必須攜帶首部，造成一定的開銷。
網際網路的分類
- 按作用範圍分為：廣域網WAN、都會網路MAN、區域網LAN、個人區域網PAN
- 按使用者分為：公用網、專用網
- 用來把使用者接入到網際網路的網路：接入網AN，不屬於核心也不屬於邊緣部分，是從使用者端系統到網際網路中第一個路由器之間的一種網路。只是起到一個接入的作用。
計算機網路的效能指標

速率（單位：bit/s資料率）

頻寬：指最高資料率（單位：赫、bit/s）

吞吐量：單位時間內通過某個網路的資料量（即實時速率，受網路的頻寬或網路的額定速率的限制）

時延：傳送時延（資料幀長度/傳送速率）、傳播時延（通道長度/訊號速率）、處理時延、排隊時延的總和（即傳送端到接收端傳輸的總時間）

對於高速網路鏈路，我們提高的僅僅是資料的傳送速率而不是位元在鏈路上的傳播速率

時延頻寬積=傳播時延*頻寬，也稱為鏈路長度（單位bit），即單位長度鏈路最多傳輸位元量

往返時間RTT：從傳送方傳送資料開始，到傳送方收到來自接收方的確認，總共經歷的時間，其中包括各中間結點的總時延

利用率：分為通道利用率和網路利用率
- 通道利用率：某通道有百分之幾的時間是有資料通過的，完全空閒的通道的利用率是零。
- 網路利用率：全網路的通道利用率的加權平均值

由公式可見，通道利用率並非越高越好。當某通道的利用率增大時，該通道引起的時延也就迅速增加

計算機網路的體系結構
- 五層協議體系結構
  
  分層的優點：靈活、各層獨立、便於實現和維護、結構上分開、促進標準化
  - 應用層
  - 傳輸層
  - 網路層
  - 資料鏈路層
  - 物理層
  傳輸的過程：
  
  主機一：應用層產生資料加應用層首部成為PDU，傳送到傳輸層加首部成為傳輸層報文，再傳到網路層加首部成為分組（IP資料報），再傳到資料鏈路層加首部、尾部成為資料鏈路層幀，再傳到物理層把位元流傳送到物理傳輸媒體。
  
  主機二：從物理傳輸媒體收到位元流，上交資料鏈路層剝去幀首幀尾，上交網路層剝去首部，上交傳輸層剝去首部，上交應用層剝去首部還原為原始資料上交應用程序。
  
  如果需要中間路由器轉發，在路由器中只需處理到網路層就繼續轉發，如圖

協議

是控制兩個對等實體進行通訊的規則的集合。指計算機網路中的資料交換必須遵守事先約定好的規則，明確規定了所交換的資料的格式以及有關的同步問題。在協議的控制下，兩個對等實體間的通訊使得本層能夠向上一層提供服務。

三要素
- 語法：資料與控制資訊的結構或格式
- 語義：需要發出何種控制資訊，完成何種動作以及做出何種響應
- 同步：事件實現順序的詳細說明
服務

協議是“水平的”，即協議是控制對等實體之間通訊的規則。
服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間介面提供的，上層使用服務原語獲得下層所提供的服務。
服務訪問點：同一系統相鄰兩層的實體進行互動的地方，實際上是一個邏輯介面
實體：表示任何可傳送或接收資訊的硬體或軟體程序。

一般的TCP/IP

實際上現在某些應用可以直接使用IP層甚至直接使用最下面的網路介面層

物理層

基本概念

定義：在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流的方法，而不是具體的傳輸媒體。

作用：儘可能遮蔽不同傳輸媒體和通訊手段的差異

用於物理層的協議通常也稱為物理層規程

主要任務

確定與傳輸媒體介面的一些特性

機械特性：指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。
電氣特性：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍
功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義
過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序

資料通訊基礎知識

資料通訊系統包括三大部分：源系統（或傳送端、傳送方）、傳輸系統（或傳輸網路）和目的系統（或接收端、接收方）

術語介紹

有關通道

通道：一般用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體。
單向通訊（單工通訊）：只能有一個方向的通訊而沒有反方向的互動。
雙向交替通訊（半雙工通訊）：通訊的雙方都可以傳送資訊，但不能雙方同時傳送(當然也就不能同時接收)。
雙向同時通訊（全雙工通訊）：通訊的雙方可以同時傳送和接收資訊。
基帶訊號（基本頻帶訊號）：來自信源的訊號。像計算機輸出的代表各種文字或影象檔案的資料訊號都屬於基帶訊號。
調製：基帶訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多通道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶訊號進行調製 (modulation)
- 基帶調製：僅對基帶訊號的波形進行變換，使它能夠與通道特性相適應。變換後的訊號仍然是基帶訊號。把這種過程稱為編碼。
- 帶通調製：使用載波 (carrier)進行調製，把基帶訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換為模擬訊號，這樣就能夠更好地在模擬通道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過通道）
  
  帶通調製方法：
  - 調幅（AM）
  - 調頻（FM）
  - 調相（PM）
- 帶通訊號：經過載波調製後的訊號

限制碼元傳輸速率的因素

因為通道頻寬受限，所以最高碼元傳輸速率受到限制。超過最高速率就會出現碼間串擾造成嚴重失真。提高頻寬是加快速率的有效途徑。
信噪比

噪聲隨機產生，瞬時值有時會造成對碼元的判斷錯誤。

物理層下面的傳輸媒體

導引型傳輸媒體：電磁波被導引沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播
- 雙絞線（最常用的傳輸媒體），通訊距離一般為幾到十幾公里，分為遮蔽雙絞線STP和無遮蔽雙絞線UTP
- 同軸電纜：具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的資料。質量決定頻寬。
- 光纖：一個光纖通訊系統的傳輸頻寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的頻寬。
  
  優點：通訊容量大、傳輸損耗小、抗電磁干擾效能好、無串音干擾、體積小重量輕
  - 多模光纖：多條不同角度入射光線同時傳輸
  - 單模光纖：光一直向前傳播，不會產生多次反射
非導引型傳輸媒體：電磁波的傳輸常稱為無線傳輸

有關複用

允許使用者使用一個共享通道進行通訊，降低成本，提高利用率

頻分複用FDM：將整個頻寬分為多份，使用者在分配到一定的頻帶後，在通訊過程中自始至終都佔用這個頻帶。
時分複用TDM：將時間劃分為一段段等長的時分複用幀（TDM幀）。每一個時分複用的使用者在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。
統計時分複用STDM：STDM 幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙。

在光纖中還有波分複用，另外，分碼多重進接也是常用的複用手段
波分複用：波分複用就是光的頻分複用。使用一根光纖來同時傳輸多個光載波訊號。
分碼多重進接：請參照dog250的csdn文章，寫得非常生動精彩，文章連結：分碼多重進接(CDMA)的本質-正交之美

寬頻接入技術

有線
- 非對稱數字使用者線ADSL：把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高階頻譜留給使用者上網使用
- DSL（數字使用者線）中還有
  
  HDSL (High speed DSL)：高速數字使用者線
  SDSL (Single-line DSL)：1 對線的數字使用者線
  VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數字使用者線
  DSL (Digital Subscriber Line) ：數字使用者線
  RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應 DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調節線路速率）
- 還有HFC網、FTTx技術、無源光網路PON等技術
還有一些無線技術

資料鏈路層

概述

作用

在物理層提供的不可靠位元流服務的基礎上，實現對網路層的無差錯傳輸。

概念區分

鏈路和資料鏈路

鏈路：一個結點到相鄰結點的一段物理線路，中間無其他交換結點

資料鏈路：物理鏈路+一些必要的通訊協議

鏈路層協議

最常用的方法是使用網路介面卡（即網絡卡，既有硬體也有軟體）來實現這些協議，一般的介面卡都包括資料鏈路層和物理層
基本問題
- 封裝成幀，幀首尾的作用是幀定界。幀定界也可採用特殊的幀定界符。

透明傳輸：採用位元組填充法。裝在幀中的資料部分如果出現了控制字元SOH或EOT，就在其前面插入轉義字元ESC，防止傳輸中錯誤地結束了幀。使得幀內部的資料好像透明的一樣。
差錯控制：由於信噪比的存在，可以理解誤位元速率的存在。廣泛採用迴圈冗餘檢驗CRC的檢錯技術

CRC介紹

優點：只要除數P位數足夠大，可以說一定能檢測出來；過程都由硬體完成，速度很快，不會延誤資料傳輸。

缺點：不能確定究竟是哪一個或哪兩個比特出現差錯。並且光靠檢錯技術是不能實現無差錯傳輸的，因為檢錯技術只是把錯的丟了，不能讓傳送端把正確的再發一遍。
1. 先確定冗餘碼的位數n，選定長度為n+1位的除數P
2. 在原始資料M後面加入n個0，得到被除數M1
3. M1與P作模2除法得到餘數R，即幀檢驗序列FCS
4. 將餘數R拼接在M後面，得到幀M2，將M2傳送出去
5. 在接收端，M2與P作模2除法，如果資料無誤，則餘數為0，接受；如果有誤，餘數不為0，丟棄。

使用點對點通道

傳輸單元是幀，不必考慮物理層如何實現位元傳輸的細節。

點對點協議PPP

組成部分
- 將IP資料包封裝到序列鏈路的方法
- 在處理透明傳輸時，面向字元的傳輸（非同步傳輸）使用位元組填充法，面向位元的傳輸（同步傳輸）採用硬體實現的位元填充
- 用來建立、配置和測試資料鏈路連線的鏈路控制協議LCP
- 網路控制協議NCP

工作方法
1. 使用者接入ISP，路由器的調變解調器確認撥號，建立物理連線
2. PC機向路由器傳送LCP分組
  - 建立資料鏈路層連線並選擇了一些PPP引數
  - 進行了網路層配置
  - 通過網路控制協議NCP獲得一個臨時IP地址
  到此，PC機成為因特網上的一個主機
3. 通訊完畢時，NCP釋放網路層連線、收回臨時IP，LCP釋放資料鏈路層連線，最後釋放物理層連線。