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计算机网络

2024-12-13 09:30

1.1 计算机网络的分类
按分布范围分类

广域网(WAN): 也称远程网, 使用点对点网络
城域网
局域网: 使用广播技术, 广域网使用交换技术, 两者协议不同
个人区域网
按网络的拓扑结构

总线型网络: 增减结点方便, 重负载时通信效率不高, 总线任意一处故障敏感
星形网络: 便于集中控制管理, 中央设备对故障敏感
环形网络: 如令牌缓局域网
网状网络: 可靠性高, 成本高, 多用在广域网中
分类图:

计算机网络的组成:

网络边缘: 用户直接使用的,由所有连接在因特网上的主机组成。

网络核心: 为边缘部分提供服务的, 由大量网络和网络的路由器组成。

工作方式图:

通信子网: 实现数据通信

资源子网: 实现资源共享/数据处理

功能组成图:

1.2 三种交换方式
1.2.1 电路交换
建立连接-->数据传输-->释放连接, 在通话的全部时间内,建立了一条专用的物理通路, 通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

电话交换图:

特点: 通信时延小, 有序传输, 没有冲突, 但建立时间长, 独占线路线路利用率低。

1.2.2 报文交换
整个报文先传送到相邻结点, 全部存储下来后查找转发表,转发到下一个结点。

存储转发: 先暂时存储下来, 检查首部, 按首部中的目的地址查找转发表, 找到合适的接口转发出去,交给下一个分组交换机。

特点: 无需建立连接, 可以同时发给多个目的地址, 但转发时延高。

1.2.3 分组交换
同报文交换一样, 采用了存储转发方式, 但解决了报文交换中大报文的传输问题, 可分为面向连接的虚电路方式和无连接的数据报方式, 这两者方式都由网络层提供。

分组交换: 将一个数据报文划分成一个个更小的等长数据段, 每个数据段前加上必要的控制信息,构成分组, 通过路由器以存储转发方式,发送到目标主机。

数据报分组交换图:

数据报特点: 无建立时延, 线路利用率高, 动态分配线路, 相比报文交换, 减少了出错概率和重发数据量, 但存在存储转发时延, 需要传输额外信息量(控制信息), 可能出现失序(虚电路不会)、丢失、重复。

三种交换比较图:

1.3 计算机网络主要性能指标
1.3.1 速率
速率就是数据的传送率,它也称为数据率或比特率, 单位是bit/s (bps)

速率:

千 1kb/s=b/s

兆 1Mb/s=kb/s

吉 1Gb/s=Mb/s

太 1Tb/s=Gb/s

存储容量:

1KB=B=1024B

1MB=KB

1GB=MB

1TB=GB

1.3.2 带宽
在计算机中,带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力, 即单位时间从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率",单位是bit/s。

1.3.3 吞吐量
也称吞吐率, 表示在单位时间内通过某个网络(或信道,接口)的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

1.3.4 时延
时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间,也称延迟或迟延。

传输时延: 主机或路由器将分组发送到通信线路上所需的时间, 从发送分组的第一个比特算起,到该分组的最后一个比特发送到线路上所需的时间。公式是:

发送时延=数据长度/发送速率 (信道带宽)

传播时延: 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间, 公式是:

传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

处理时延: 主机或路由器收到分组时要花费一定的时间进行处理(分析分组首部、提取数据、差错检验、查找路由等)

排队时延: 在网络传输时, 经过许多路由器的缓存队列中排队的时间。

时延带宽积: 某段链路现在有多少比特

往返RTT: 从发送数据开始, 到收到接收方确认的时间

备注: 所谓高速网络链路,提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高发送速率只是减少了数据的传输时延。

1.3.5 丢包率***
即分组丢失率, 指在一定时间范围内, 分组在传输过程总丢失的分组数量与总的分组数量的比率。丢包率高,用户感觉往往是网络时延变大, 而不是信息丢失。

分组丢失的两种情况:

在传输过程中出现了比特级差错, 被结点丢弃
分组交换机队列已满,被抛弃
1.3.6 利用率***
信道利用率: 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的。根据排队理论, 信道利用率过高会产生非常大的时延。

网络利用率: 全网络的信道利用率的加权平均值

1.4 计算机网络体系结构
协议: 控制两个对等体(或多个实体)进行通信的规则。

协议三要素:

语法: 数据与控制信息的结构或格式
语义: 各个控制信息的具体含义, 完成何种动作及做出何种响应。
同步(时序): 数据应该在何时发送出去, 以什么速率发送。
服务: 下层为紧邻的上层提供的功能调用。协议是"水平的", 服务是"垂直的"。

接口: 访问服务点(SAP), 上层使用下层服务的入口。

服务、协议、接口：

协议数据单元(PDU): OSI 对等层之间传送的数据单元, 包含协议控制单元(PCI), 服务数据单元(SDU)

PDU示例图:

1.4.1 五层协议模型
应用层

任务: 通过进程间的交互来完成特定的网络应用

协议: 如HTTP协议, SMTP协议, FTP协议等

数据单元: 报文

传输层

任务: 向两台主机中进程(端到端)之间的通信提供的数据传输服务,

功能: 复用, 分用, 流量控制, 差错控制的功能。

协议: TCP协议、UDP协议

TCP: 提供面向连接的, 可靠的数据传输服务, 数据单元是报文段

UDP: 提供无连接的, 尽最大努力的传输服务, 数据单元是用户数据报

服务访问点(SAP): 端口号字段

网络层(网际层、IP层)

任务: 选择合适的路由,存储转发,最后到达目标主机。

功能: 路由选择, 流量控制, 差错控制, 拥塞控制

主要协议：IP、IPX、ICMP、 IGMP、ARP、RARP、OSPF

数据单元: IP数据报, 简称数据报

服务访问点(SAP): 协议字段

数据链路层

任务: 把网络层传下来的数据报组装成帧, 差错控制, 流量控制, 控制对信道的访问的功能。

数据单元: 帧

主要协议：SDLC、HDLC、PPP、 STP

帧: 包括数据和控制信息(一个帧从哪里开始,到哪里结束、差错检测)

服务访问点(SAP): 类型字段

物理层

任务: 主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。

主要功能: 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

数据单元: 比特

主要协议：Rj45、802.3

传输媒体: 双绞线、同轴电缆、光缆等。

1.4.2 OSI参考模型
表示层: 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式, 如: 数据格式变换, 加密解密, 压缩和恢复。

会话层: 建立同步（SYN）, 提供建立连接并在连接上有序地传输数据。

示意图：

与TCP/IP的区别:

三者区别图:

1.5 两个重要的新兴网络技术***
云计算

定义: 云计算是一种运行在计算机网络上的分布式应用,通过网络以按需、易扩展的方式向用户提供安全、快捷、便捷、廉价的数据存储和网络计算服务。

Iaas: 基础设施即服务, 将硬件设备等基础资源(如处理能力、存储空间、网络组件)封装成服务通过网络提供给用户使用。

Paas: 平台即服务,提供用户应用程序的开发和运行环境

Saas: 软件即服务 ,将某些特定应用软件功能封装成服务

物联网

定义: 物物相连的互联网。按约定的协议,把任何物体与互联网相连接, 进行信息交换和通信,以实现人与物,物与物的相互沟通和对话, 对物体进行智能化识别、定位、跟踪、管理和控制的一种信息网络。

第二章物理层
2.1 基本概念
物理层主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性, 即定义标准

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接收数据的终点。

信道：信号的传输媒介。

三种通信方式:

单工通信: 只有一个方向的通信

半双工通信: 通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收

全双工通信: 通信双方可以同时发送和接受信息

物理层接口特性:

机械特征: 规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。

电气特征: 线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。

功能特征: 某条线上出现的某一电平表示何种意义

规程特征: 定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据传输方式:

1) 串行传输: 速度慢，费用低，适合远距离

2) 并行传输: 速度快，费用高，适合近距离

模拟信号/连续信号图:

数字信号/离散信号图:

同步传输: 需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。

异步传输: 加一个字符起始位和一个字符终止位。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。

码元: 用一个固定时长的数字脉冲, 代表不同离散数值的基本波形, 这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。1码元可以携带多个比特的信息量

码元传输速率：别名波特率, 或调制速率, 波形速率, 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（也可称为脉冲个数或信号变化的次数）, 单位是波特（Baud）, 码元速率与进制数无关，只与码元长度有关。

信息传输速率：别名信息速率、比特率等表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数, 单位是比特/秒（b/s）。

波特率与比特率的关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。

2.1.1奈氏准则（奈奎斯特定理）
在没有噪声、带宽有限的信道中, 为了避免码间串扰的极限码元传输速率。

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

采样定理(奈奎斯特定理): 采样率必须大于或等于最大频率的2倍。

公式:

说明:

1) 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的

2) 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。

3) 要提高数据的传输速率, 必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量

2.1.2 香农定理
在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

公式:

信噪比: 信号的平均功率/噪声的平均功率, 用分贝（dB）作为度量单位为:

如: , 则

说明: 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。

2.2 编码&调制
基带信号: 将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输

宽带信号: 将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输

备注: 传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式, 距离较远时，采用宽带传输方式

编码: 数据转化为数字信号

调制: 数据转化为模拟信号