计算机网络

第一章概述

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络

计算机网络（简称网络）由若干结点和连接这些结点的链路组成。

结点可以是：

计算机
集线器
交换机
路由器

基本概念

网络把许多计算机连接在一起；

互连网则把许多网络通过路由器连接在一起；

与网络相连的计算机常称为主机（host）

1.3 互联网的组成

(1) 边缘部分：由所有连接互联网上的主机组成。

(2) 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。

1.3.1 互联网的边缘部分

计算机之间通信：主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信

端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

客户-服务器方式（C/S方式）
对等方式（P2P方式）

客户-服务器方式（C/S方式）

客户：服务请求方

服务器：服务提供方

对等方式（P2P方式）

平等的、对等连接通信

每个主机既是客户又是服务器

1.3.2 互联网的核心部分

在网络核心部分起特殊作用的是路由器。

路由器是实现分组转发的关键构件，其任务是转发收到的分组。

1.电路交换

建立连接（占用通信资源）---->通话（一直占用通信资源）----->释放连接（归还通信资源）

端对端通信具有可靠保障；

对连续传输大量数据效率高。

2.分组交换

分组交换采用存储转发技术

分组是在互联网中传送的数据单元

主机和路由器的作用不同

主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组

路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机

分组交换带来的问题：

有一定的时延；

必须有首部，造成额外开销

1.5计算机网络的类别

1.5.2 几种不同类别的计算机网络

按照网络的作用范围进行分类
1. 广域网WAN
2. 城域网MAN
3. 局域网LAN
4. 个域网PAN
按照网络的使用者进行分类
1. 公用网
2. 专用网
用来把用户接入到互联网的网络
1. 接入网AN

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机性能指标

1、速率

速率往往是指额定速率或标称速率，而非实际运行速率

2 、带宽

3、吞吐量

4 、时延

发送时延
传播时延
处理时延
排队时延

5、时延带宽积

6、往返时间RTT

7、利用率

信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。

利用率不是越大越好。

1.6.2 计算机网络的非性能特征

费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性

1.7 计算机网络体系结构

1.7.2 协议与划分层次

协议的三要素:

语法
语义
同步

1.7.3 具有五层协议的体系结构

运输层和网络层是重中之重

发送方是从上往下，接收方式从下往上。

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程；

协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合；

在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

协议和服务之间的关系

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则；

服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

1.7.5 TCP/IP的体系结构

不难看出，IP协议是互联网中的核心。

第二章物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能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。

2.2 数据通信的基础知识

数据是运送消息的实体；

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体；

基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号；

什么叫作编码？即一种数字信号转换为另一种数字信号。

基本的带通调制方法

2.2.3 信道的极限容量

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

限制码元在信道上传输速率的因素有两个：

（1）信道能通过的频率范围

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

（2）信噪比

香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

结论：

码元传输速率受奈氏准则的限制
信息传输速率受香农公式的限制

2.4 信道复用技术

频分复用FDM：用户在同样的时间占用不同的带宽资源；

时分复用TDM：用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

统计时分复用

2.4.3 码分复用CDM（码分多址CDMA)

求规格化内积，再除以位数：

-1：发送自己的反码

1：发送自己的原码

0：没有发送

第三章数据链路层

3.1 使用点对点信道的数据链路层

数据链路：在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。

数据链路层的协议数据单元就是帧；

谈到帧就想到数据链路层。

3.1.2 三个基本问题

封装成帧
透明传输
差错检测

1.封装成帧

首部和尾部作用：帧定界

2.透明传输

透明表示：某个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

解决透明传输问题：字节填充或字符填充

3.差错检测

比特差错：1可能会变成0，而0也可能变成1.

循环冗余检验CRC检错技术：基于每一个帧来进行检验。

注意：在数据链路层若仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术，则只能做到对帧的无差错接受。

要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

不重复
不失序
不丢失

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

1.PPP协议应该满足的需求

（1）简单

（2）封装成帧

（3）透明性

（4）多种网络层协议

（5）多种类型链路

（6）差错检测

（7）最大传送单元

3.2.2 PPP协议的帧格式

透明传输问题：

当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充；

当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

3.2.3 PPP协议的工作状态

ppp协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网的数据链路层

1.以太网的两个标准

2.适配器的作用（网卡）

3.3.2 CSMA/CD协议（难点）载波监听多点接入/碰撞检测

多点接入

载波监听：不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停地检测信道

碰撞检测：”边发送边监听“

CSMA/CD协议重要特性：

使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）
每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

争用期（碰撞窗口）：以太网的端到端往返时延2τ（tao);

经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发送碰撞。

以太网在发送数据时，若前64字节没有发送冲突，则后续的数据就不会发送冲突。

总结：

先听后发
边听边发
冲突停止
延迟重发

3.3.3 使用集线器的星形拓扑

集线器的特点：

使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。
集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。

3.3.5 以太网的MAC层

1.MAC层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。

在争用期时间范围内，能发出去最少的数据叫最短帧长。

3.4 扩展的以太网

3.4.1 在物理层扩展以太网

使用光纤扩展

使用集线器扩展

3.4.2 在数据链路层扩展以太网

网桥工作在数据链路层；
他根据MAC帧的目的地址对接收到的帧进行转发和过滤；
当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪个接口，或把它丢弃。

1.以太网交换机的特点

实质上就是一个多接口的网桥
一般都工作在全双工方式
以太网交换机具有并行性，可同时接通多对接口

2.以太网交换机的交换方式

存储转发方式
直通方式：只检查数据帧的目的MAC地址

交换机具有隔离冲突域的作用

交换机具有过滤帧的作用

3.以太网的自学习功能

这种功能使得以太网交换机能够即插即用，不必人工进行配置，因此非常方便。

为了解决这种兜圈子问题（广播风暴），IEEE在802.ID标准制定了生成树协议STP.

关闭生成树协议的命令

no spanning-tree vlan 1

3.4.3 虚拟局域网VLAN

结论：不管是不是虚拟局域网，也可能是其他的一些网络，总之，但凡VLAN不同，以太网交换机就没有办法在数据链路层上，去实现两个主机的通信了。

ACCESS模式和TRUNK模式区别:

1、连接对象不同

TRUNK模式：可以允许多个VLAN通过，可以接收和发送多个VLAN 报文，一般用于交换机与交换机相关的接口。

ACCESS模式：可以允许多个VLAN通过，可以接收和发送多个VLAN 报文，可以用于交换机的间连接也可以用于连接用户计算机。

2、发送数据处理方法不同

ACCESS模式和TRUNK模式在接收数据时，处理方法是一样的，但发送数据时：ACCESS模式可以允许多个vlan的报文不打标签，而TRUNK模式只允许缺省vlan的报文不打标签，同一个交换机上不能hybrid和trunk并存。

3、作用不同

TRUNK模式主要用在交换机之间互连，使交换机上不同VLAN共享线路。

ACCESS模式：主要实现高隔离度的波分和复用。

第四章网络层（重点，难点）

数据链路层不能实现可靠传输问题，网络层能解决吗？

数据链路层实现的是同一网络当中的用户之间的连接，如果在不同网络怎么办？网络层能解决吗？

网络层又存在什么问题呢？

4.1 网络层提供的两种服务

虚电路是逻辑连接

虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都是沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而不是真正建立了一条物理连接；
注意，电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接；

网络提供数据报服务：

网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务；
网络层不提供服务质量的承诺。可能出错、丢失、重复和失序。

结论：网络层最终不会实现可靠传输。

这章研究网络层如何尽最大努力交付数据报的。

4.2 网际协议IP

与IP协议配套使用的还有三个协议：

地址解析协议ARP
网际控制协议ICMP
网际组管理协议IGMP

4.2.1 虚拟互连网络

如何将异构的网络互相连接起来？使用中间设备；

网络层使用的中间设备叫做路由器。

所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连的网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用IP协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。

4.2.2 分类的IP地址

学习重点：

IP地址及其表示方法
常用的三种IP地址

1.IP地址及其表示方法

IP地址就是给每个连接在互联网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符。

点分十进制法：

IP地址的一些重要特点：

IP地址是一种分等级的地址结构；
实际上IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口；
用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络；
所有分配到网络号net-id的网络，无论是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。

注意：

在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。

4.2.3 IP地址与硬件地址

IP地址与硬件地址是不同的地址
从层次的角度看：
- 硬件地址（或物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址
- IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址

IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部；

4.2.4 地址解析协议ARP

通信时使用了两个地址：

IP地址（网络层地址）
MAC地址（数据链路层地址）

ARP作用：从网络层使用的IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。

每一台主机都设有一个ARP高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表，这些都是该主机目前知道的一些地址。

ARP高速缓存的作用：存放最近获得的IP地址到MAC地址的绑定，以减少ARP广播的数量。

注意：

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题；
如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组转发给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。
从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种解析过程是不知道的。

4.2.5 IP数据报的格式

一个IP数据报由首部和数据两部分组成
首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的

首部长度：占4字节，可表示的最大数值是15个单位，0000表示零，忽略（一个单位为4字节），因此IP的首部长度的最大值是60字节。
区分服务：占8位，用来获得更好的服务。
总长度：占16位，指首部和数据之和的长度。单位为字节，因此数据报的最大长度为65535字节。总长度必须不超过最大传输单元MTU。
标识：占16位，他是一个计数器，用来产生IP数据报的标识。
标志位：占3位，目前只有前两位有意义。
1. 标志字段的最低位是MF(Moer Fragment) MF=1表示后面“还有分片”。MF=0表示最后一个分片
2. 标志字段中间的一位是DF(Don't Fragment) 只有DF=0才允许分片。
片偏移：占13位，指出较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以8个字节为偏移单位。
生存时间：占8位，记为TTL，指示数据报在网络中可通过的路由器输的最大值。
协议：占8位，指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给那个处理过程。
首部校验和：占16位，只检验数据报的首部，不检验数据部分。这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法。
源地址:占4字节
目的地址：占4字节