计算机网络-考研(一)
体系结构、物理层、数据链路层概述
计网简介
计算机网络：将分散的，有独立功能的计算机系统，连接起来，实现资源共享和信息传递的系统。简而言之，就是一些互联网的、自制的计算机系统的集合。
计网组成：
组成部分看：硬件，软件，协议
工作方式看：核心部分和边缘部分
功能组成看：通信子网和资源子网
分布范围分类：广域网，局域网，城域网，个人局域网
传输技术类：广播式网络，点对点网络
拓扑结构类：总线型，星型，环形，网状等
带宽：最高数据传输速率bt/s
时延：网络一端到另一端所需的总时间
时延带宽积：指发送第一个比特到达终点，发送端此时已经发送了多少个比特
往返时延：发送端发送开始到接收端返回的确认所经过的时间
吞吐量：单位时间通过网络/信道/接口的数据量
速率：在数字信道上传输的速度
信道利用率：某一信道有百分之多少时间是有数据通过的
体系结构
协议：就是规则的集合，只有相同的层才会存在协议
接口：相邻两层交换信息的连接点
服务：下层为上层提供的看得见的服务，是垂直的
OSI参考模型：七层
1.应用层（Apolication Layer） 应用层是由网络应用程序使用的，离用户最近的一层。 2.表示层（Presentation Layer） 表示层从应用层接收数据，这些数据是以字符和数字的形式出现的，表示层将这些字符和数据，转化成机器能够理解的二进制格式。在传输数据之前，表示层减少了用来表示原始数据的比特数，也就是将原始数据进行了压缩，数据压缩减少了数据原始所需的空间，对着文件大小的减小，他就可以在很短时间内到达目的地，数据压缩对实时视频和音频传输有很大的帮助，以保持完整性的数据传输前的数据加密。与此同时，在发送端，数据会在表示层进行加密，然后在接收端，数据再在表示层进行揭秘操作，保持数据传输的安全性。 3.会话层（Sssion Layer） 会话层用于建立和管理连接、启用、发送和连接数据。含有各种API或应用程序接口，还有NetBIOS，即网络基本输入输出系统，它允许不同计算机上的应用程序相互通信。 4.传输层（Transport Layer） 传输层通过分段、流量控制和差错控制来控制通信的可靠性。传输层控制协议有面向连接的传输和面向无连接的传输，面向连接的传输通过TCP来实现的，面向无连接的传输是通过UDP来实现的。 5.网络层（Network Layer） 网络层用于将接收到的数据段从一台计算机传输到不同网络中的另一台计算机，网络层的数据单元称为数据包，网络层的功能是进行逻辑寻址、路由和路径确定。 6.数据链路层（Data Link Layer） 数据链路层从网络层接收数据包，数据包包含了发送方和接收方的IP地址。 7.物理层（Physical Layer） 应用的"行为动作"已经通过传输层进行了分割，变成网络层的数据包和数据链路层的数据帧，现在是一种二进制序列了，最后在物理层将这些二进制序列转换成信号并在本地介质（铜缆、光纤、无线信号等）上传输，并在目标计算机应用层上显示数据。
TCP/IP模型：四层
应用层
传输层
网络层
网络接口层
物理层
基本概念
数据：传输信息的实体
信号：数据的电气或电磁表示形式
码元：数字通信中数字信号的计量单位，可携带若干信息量，比如二进制时有两码元0状态和1状态，而码元可以是多进制的也可以是二进制的。
信源：发送信号的源头
信宿：接收信号的接收方
信道：信号的传输媒介，但他不是电路，而是一条线路的逻辑部件，只是为了我们方便理解，可以理解为向某个方向传送信息的介质。
速率：单位时间传输数据量，也就是数据传输速率。包括码元传输速率（单位是1比特，此时码元可以是多进制的）和信息传输速率（单位是1二进制码元个数，也就是b/s，要知道一个二进制码元就是1比特）
奈奎斯特定理：
1.任何信道码元传输速率是有上限的，超过此上限会造成严重串扰问题 2.频带越宽，就可以用超高速的速率进行码元传输 3.但是并没有规定一个码元可以携带多少位数的限制，也就是信息速率的限制，所以可以通过每个码元带更多比特信息量，来加快传输。
香农定理：
刚刚没有规定信息传输速率，而香农定理规定了一个码元对应的二进制位数是有限的。 信道极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N) W是带宽，S是平均功率，N是高斯噪声功率 结论：信噪比越大，数据极限传输速率就高，而且这个极限是确定的，而只要信息传输速率低于这个极限，就能做到无差错传输。
编码：把数据转变为数字信号，也就是将一个个数字变成对应的线条状，只要能区分不同数字就可以
调制：将数据变为模拟数据，变成曲线型
数字数据调制技术：调制：将数据信号变为模拟信号；解调：将模拟信号还原为数字信号
电路交换：两个节点通过先建立一条双方独占的物理通信路径，在传输期间，该路径一直被独占，直到通信结束才被释放。所以其时延非常小，但是建立时间长度不够高效和灵活。
报文交换：单位是报文，携带有目标地址，源地址等信息，通过存储转发方式传输，没有特定的路径，交换设备根据当前的空闲线路来选择一条线路传输。因为有存储转发这一过程，会引发转发时延。
分组交换：也采用存储转发的方式，但是将大报文分成了一个个小数据块，包括一些必要的控制信息，构成分组。分别传输。减少了出错率加快了速度，但是存在传输时延和增加额外的信息量。
比较报文交换和分组交换：当传送信息量很大选择电路交换。多段链路组成的通路选择分组交换，且分组交换比报文交换时延小。
分组交换中包括了数据报方式和虚电路方式。
数据报方式：也就是刚刚提到的传统的存储转发，将数据包分成一个个小数据块加上必要的信息形成分组传输。
虚电路：结合了数据报方式和电路交换的优点，在发送前，接收方和发送方先建立一条逻辑上相连的虚电路，然后分组不仅有分组号等控制信号，还要有通过的虚电路号，这样就实现了可靠通信功能，对长时间频率的数据交换效率很高。
传输介质
双绞线，同轴电缆，光纤，无线传输介质
物理层应尽可能屏蔽传输介质的差异，让数据链路层感受不到差异，只需考虑本层的协议。
物理层设备
中继器：将信号整形再生并放大转发出去，以消除信号的失真和衰减，进而扩大网络传输距离。但是中继器并没有存储转发功能，他连接的两个网段必须在同一协议。（区别放大器，放大器放大模拟信号，而中继器放大数字信号，将信号整形再生）
集线器：多端口的中继器。将一个端口接收的信号，整形放大，转发到其他所有处于工作状态的端口，只起信号的放大和转发的作用，目的是扩大网络传输范围，但没有定向传送能力，是一个标准共享式设备。
数据链路层
加强物理层传输原始比特流，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为逻辑无差错的数据链路，对网络层表现为无差错链路。
功能
为网络提供服务：
无确定的无连接服务：只要发送就算，适应于实时通信或误码率较低通信信道。
有确认的无连接服务：目标机器接收到必须返回确认，发送方收不到确认就重传丢失的帧：适用误码率较高的通信信道。
有确认的面向连接服务：每一帧收到都必须确认，发送方收到确认才发送下一帧
链路管理：主要面向连接的服务，进行通信要确认双方就绪，交换必要信息才能建立连接，维持链接，最后释放连接，还有负责通信站点间的分配和管理信道。
透明传输：有时候有一些帧定界符和数据的比特流刚好相同，导致数据丢失，而透明传输就是为了解决这个问题。
流量控制：流量控制用于限制发送方的发送速率，以免接收方跟不上发送方的速度，使前面来不及接受的帧被后面不断发送来的帧淹没造成帧丢失而出错。这在数据链路层和运输层都有此功能。
差错控制：通过循环冗余检测CRC来发现错误，也就是发送方发送检错码，接收方根据此来检测错误，若发现错误则丢弃，发送方没有收到确认，超时重传。这种差错控制方法称为自动重传请求ARQ
组帧
帧定界：通过在一段数据前面加入首部和尾部，来确定一个帧的界限（也就是知道哪里到哪里是一个帧）
帧同步：接收方从二进制比特流区分出帧的起始和终止
四种组帧方式：
1.字符计数法：就是在帧前标记后面有多少数据 2.字符填充的首位定界符法：就是通过SOH特殊字符和EOT分别代表首部和尾部 3.零比特填充首尾标志法：通过01111110来作为开始和结束 4.违规编码法
差错控制
比特差错：0和1在传输过程中改变
ARQ：自动重发请求（发现错误叫发送方重传）
检错编码：发送方按某种关系附加一定冗余位，接收方根据收到的码字看是否符合规则。分别由奇偶检验码和循环冗余码。
奇偶校验码：奇校验码1的个数为奇数，偶校验码1的个数为偶数
循环校验码：发送方和接收方先商定一个多项式，然后帧可以被多项式整除，如果接受方把接收到的码也可以被多项式整除，则没有差错。
（但是检错编码只能检错，并不能纠错）
FEC前向纠错
纠错编码：在每个要发送的数据块上附加足够冗余信息，使接收方能推导出发送方实际发送出了什么比特串。常见的纠错编码是海明码。
流量控制和可靠传输机制
停止-等待流量控制：发送方接收到应答，才能发送下一帧，接收方接收到必须返回应答。
滑动窗口流量控制：发送方有一个滑动窗口，代表他此时可以发送的已经准备好的帧，接收方有一个接收窗口，表示他此时此刻可以接收的帧，只有当接受上一个帧，接收窗口就向前移动，而且接收窗口只能接收落在窗口上的帧，并且返回应答。发送窗口只有接收到应答，才会往前移动。
协议：
1.单帧滑动窗口和停止-等待协议
停止等待协议就是发送方一次放送一个，接收方接受后返回确认，发送方收到确认后才发送第二个帧，这个协议仅仅用于单帧滑动窗口。两种差错：帧被破坏，接收方检测出错后抛弃，等发送方超时重传； 确认帧被破坏，此时接收方已经接受到，但是发送方没有接收到确认帧，所以还是会超时重传，此时接收方收到第二份相同的帧，会丢弃同时再次返回确认。
2.多帧滑动窗口与后退N帧协议
发送方变成了多帧滑动窗口，不再需要收到确认才传下一帧，而是可以一直传窗口内部的帧，而接收方仍然是一帧的窗口，但是此时可以连续接收，并一直返回确认，但是当出现差错就不会返回。此时发送方已经发送到第10个帧，但是如果发现第五个帧确认超时了，则会后退5帧重新从第5帧开始传。所以说在网络极其不稳定的时候，这个协议没有停止等待协议好。
3.多帧滑动窗口和选择重传协议
就是对上面一个出错全部重传的改进，此时接收方的接收窗口也增大，当收到一串有缺失的帧后，比如1245678，少了3，按照后退N帧协议需要重传3之后所有帧，而选择重传协议则通过将3后面的在接受窗口的帧放到缓冲区，直到接收到3再开始接收。所以发送方只要发送一个3就可以了。
介质访问控制
当几个节点共享某条信道，则要通过介质访问控制来让他们互不影响
信道划分介质访问控制
信道划分就是把多个输入通道信息整合到一个复用通道，一条信道逻辑上分为多条
1.频分多路复用FDM：将多路基带信号调制到不同频率载波上，叠加形成复合信号的多路复用技术,注意总的带宽不能超过信道总带宽。
2.时分多路复用TDM：将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流分配给多个信号使用。
3.波分多路复用WDM：光纤中传输不同波长的光信号
4.码分多路复用CDM: 采用不同编码来区分各路原始信号的方式。与FDM和TDM都不同，他是共享空间和时间的，FDM类似把信道划分为多条，TDM是轮流走这条信道，而CDM类似把不同的信号放到同一辆车上运输。
随机访问介质访问控制
不再采用集中控制方式解决发送信息次序，而是用户根据自己意愿来发送。
常用协议是ALOHA,CSMA,CSMA/CD,CSMA/CA
CSMA/CD
先听后发，边听边发，冲突停发，随即重发
CSMA/CA
也就是与CSMA/CD不同在于一开始会检测信道是否空闲一段时间，等待一段时间信道仍然空闲再发送，如果要发送第二帧，再重新倒计时。
轮询访问介质访问控制：令牌传递协议
会有一个令牌在节点之间传送，节点不再可以随机发送，而是等到令牌来到自己手上，才可以传送，如果没有节点要发送，那么令牌就会一直游荡。
局域网
局域网就是在一个较小地理范围的计算机互联网络，只要是以太网
以太网与IEEE802
总线型的局域网标准，描述物理层和数据链路层的MAC子层实现方法。
特点：采用无连接工作方式，尽最大能力交付，不需要确认
数据使用曼彻斯特编码的信号，码元中间通过电压转换来提取
以太网传输介质和网卡
传输介质：粗缆，细缆，双绞线和光纤
网卡：计算机与外界局域网连接的实现，功能是数据的串并转换。每一块网卡都有世界上唯一的标识：MAC地址
以太网MAC帧
MAC帧中包含MAC地址，网卡收到MAC帧首先检查MAC地址，看看是不是发往本站的帧。
高速以太网
速度超过100M/s的以太网
令牌环网
每一个站通过电缆与环接口干线耦合器相连，有一个令牌循环来控制节点占用信道
广域网
广域网指覆盖范围很广的超长距离网络，与之对应的是局域网。而他们共同构成了互联网。
广域网使用协议主要在网络层，而局域网是数据链路层
PPP协议
使用串行线路通信的 面向字节 的协议，应用在 直接连接 的 两个节点 的链路上。设计目的通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，是一种共同的解决方案。
HDLC协议
高级数据链路控制协议是 面向比特 的数据链路层协议，透明传输，全双工通信，所有帧有CRC检测，传输与处理功能分离。
数据链路层设备
网桥
两个或多个以太网通过网桥连接，变成了更大的以太网，每个小以太网称为网段，由于网桥工作在链路层的MAC子层，所以网段之间成为隔离开的碰撞域，一边故障另一边不受影响。
网桥有路径选择功能，接收帧以后，根据信息决定正确路径，转送到对应的局域站点
透明网桥
就是对于主机来说是透明的，并不知道确切路由在哪里，通过生成树算法来转发帧，是自学习算法自动建立转发表的。
源路由网桥
对主机透明，网桥根据数据真正的路由信息对帧进行转发和接收，可以选出最佳路由
局域网交换机
相当于一个多端口的网桥，但是他每个端口连接的不是网段而是主机，而且使用的转发表也是自学习算法构建的，就是看这个帧的MAC地址是否在查找表中，如果在则发送，不在则加入查找表再发送到对应的目的端口。
交换机最大优点是一个用户通信时是独占带宽，所以N个端口的交换机总容量时N* 每个端口速度
以太网每个端口的传输速率可以不同，所以根据用户需要分配端口
交换模式
1.直通式：只检查目的地址就直接发送
2.存储转发式：存储到高速缓存器，确认无误后再发送
