互联网概述

        三大网络: 电信网络、有线电视网络、计算机网络, 计算机网络融入了前两者.

        计算机网络: 由若干个节点(计算机、集线器、交换机、路由器等)与连接的链路组成.

        internet(互连网): 网络的网络, 多个网络由一些路由器连接起来, 构成了一个覆盖范围更大的计算机网络, 其通信协议可以任意选择.

        Internet(互联网): 专有名词, 指的是由众多网络相互连接而成的特定互联网, 采用TCP/IP协议族作为通信规则.

        路由器是一种特殊的计算器, 并不能成为主机.

互联网组成

边缘部分

        互联网分为核心部分与边缘部分.处于边缘部分的是连接在互联网上的所有主机.

        端系统之间的通信有C/S(客户/服务器)与P2P(对等)两种通信方式

• CS架构中客户是服务的请求方(主动发起通信),服务器是服务的提供方.
• P2P不进行区分,都是平等的、对等的连接通信.

核心部分

        核心部分起特殊作用的是路由器,任务是转发收到的分组(分组交换).

电路交换

• 三个阶段,分为建立连接、通话、释放连接.

分组交换

        将报文划分为小的数据段,在数据段前加入首部(包头)构成分组(包),依次把各分组发送到接收段,接收段收到分组后剥去首部还原报文.

• 分组是互联网中传送的数据单元

        采用存储转发技术.暂存收到的分组,检查首部,根据首部中目的地址等信息查找转发表,再找到合适的接口转发出去.

• 路由器会创建和动态维护转发表

报文交换

        基于存储转发原理, 只适用于数字信号.

计算机网络的定义与类别

定义

计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(例如，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

类别

作用范围

        个人局域网(PAN) < 局域网(LAN) < 城域网(MAN) < 广域网(LAN)

网络使用者

        公用网与专用网

拓扑结构

        总线、星、环、树、网

传输媒体

        有线计算机网(双绞线、同轴电缆、光纤)、无线计算机网(无线电波、微波、红外线、激光)

计算机网络的性能指标

速率(传输率、比特率)

• 往往为额定速率或标称速率, 非实际运行速率.
• 速率单位为十进制关系, 而计算机的数据量为二进制关系.

带宽

• 频域:单位为赫, 是某个信号具有的频带宽度, 允许通过的信号频带范围为带宽.
• 时域:传送数据的能力.

吞吐量

• 单位时间内通过网络的实际数据量, 受网络带宽或网络额定速率限制.

时延(延迟、迟延)

• 数据从网络的一端送到另一端的时间.
• 时延=发送时延(传输时延)+传播时延+处理时延+排队时延

        发送时延=数据帧长度/发送速率, 与信道长度无关.

        传播时延=信道长度/信道上的传播速率, 与发送速率无关, 与信道带宽无关.

自由空间的传播速率是光速 = 3.0 ⅹ 10^5 km/s
在铜线电缆中的传播速率约 = 2.3 ⅹ 10^5 km/s
在光纤中的传播速率约 = 2.0 ⅹ 10^5 km/s

在高速链路（或高带宽链路）上, 比特会传送得更快些 (X)

时延带宽积

        时延带宽积=传播时延x带宽

往返时间RTT

        从发送方发送完数据, 到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间.

        RTT=2*传播时延+B的处理、排队时延、发送时延

利用率

• 分为信道利用率与网络利用率
• 信道利用率不是越高越好,信道利用率增大,时延也会迅速增加.

计算机网络体系结构

协议

• 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定.
• 要素为：语法(交换信息的格式)、语义(做什么)、同步(先做什么后做什么)

体系结构

• 应用层: 完成特定网络应用(DNS、HTTP), 数据单元为报文, TCP/IP协议
• 运输层: 进程间的数据传输, TCP(面向连接、可靠、报文段)、UDP协议(无连接、不可靠、用户数据报)
• 网络层: 提供通信服务, 主要任务为路由选择与转发
• 数据链路层: 实现相邻节点间的可靠通信, 传送帧
• 物理层: 实现比特传输

物理层

物理层基本概念

• 解决计算机间比特传输问题, 透明传输比特流(不管什么样的比特组合都能在链路中传输, 尽可能屏蔽不同传输媒体与通信手段的差异)
• 传输媒体传输信号, 但不知道信号代表的含义, 而物理层能够识别所传送的比特流

数据通信

• 数据通信系统包含发送端(源系统)、传输网络(传输系统)、接收端(目的系统)
• 消息: 语音、文字、图像、视频等
• 数据: 运输消息的实体
• 模拟信号: 连续的消息取值
• 数字信号: 离散的消息取值
• 码元: 时域中表示数字信号的波形, 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
• 信道: 单工通信、半双工通信、全双工通信

码元传输

         限制码元的传输速率的两个因素: 信道通过频率范围、信噪比.

奈氏准则

• 码元传输的最大速率 = 2W (码元/秒)

  在带宽为 W (Hz) 的低通信道中, 若不考虑噪声影响, 则码元传输的最高速率是2W (码元/秒).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.

香农公式

• 信噪比: 信号的平均功率与噪声的平均功率之比, 记为S/N, 常用单位为dB.
• 信噪比 = 10log10(S/N)
• 极限信息传输速率 C = Wlog2(1 + S/N) (bits/s)

  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.

  只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输.

  用编码(把数字信号转换为另一种形式的数字信号)的方法让每一个码元携带更多bit的信息量也可提高传输率.

传输媒体(传输介质、传输媒介)

         分为导引型(沿着固定媒体传播)与非导引型(无线传输).

导引型传输媒体

双绞线

• 绞合度越高, 可用的数据传输率越高, 速率衰减随频率的升高而增大, 此外与数字信号编码方法有关
• 分为无屏蔽双绞线(UTP, 较便宜)与屏蔽双绞线(STP, 必须接地线)
• F/UTP < FTP < F/FTP

同轴电缆

• 具有很好的抗干扰特性, 被广泛用于传输较高速率的数据.

光缆

• 用于光纤通信, 需要有光源与光检测器.
• 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射, 纤芯为高折射率. 包层为低折射率.
• 多模光纤可以存在多种不同角度入射的光线(近距离), 单模光纤不会产生多次反射(较远, 贵).

非导引型传输媒体

无线电微波通信

• 直线传播
• 多径效应: 基站发出的信号经过多个障碍物反射, 以不同时间到达接收方, 叠加后会造成很大的失真
• 微波接力: 中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站

卫星通信

• 通信距离远、稳定、容量大, 但传播时延较大、保密性低、贵

信道复用技术

• 复用: 允许多个用户使用一个共享信道进行通信.

频分复用FDM

• 将带宽分为多个频带, 每个用户自始至终都占用这个频带, 在同样的时间占用不同的带宽资源

时分复用TDM

• 划分为等长的时分复用帧(TDM帧), 用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙, 即在不同的时间占用同样的频带宽度.
• 暂时无数据发送时,分配给该用户的时隙处于空闲状态,导致信道利用率不高,消耗线路资源
• STDM(统计时分复用)按需动态地分配时隙, 提高利用率

频分多址与时分多址

• 频分多址接入FDMA : 让N个用户各使用一个频带,或让更多的用户轮流使用这N个频带
• 时分多址接入TDMA : 让N个用户各使用一个时隙,或让更多的用户轮流使用这N个时隙

波分复用WDM

• 使用一根光纤同时传输多个光载波信号

码分复用CDM

• 挑选不同的码型, 在同样时间同样频带进行通信
  

数据链路层

         物理层没有解决传输错误、传输对象、传输结束的问题
         数据链路层有点对点信道与广播信道两种信道类型

点对点信道的数据链路层

基本概念

• 链路： 一条无源的点到点的物理线路段, 一条通路的组成部分.
• 数据链路: 链路 + 通信协议, 典型实现为适配器, 数据单元为帧

  数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上, 以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层, 不必考虑物理层如何实现比特传输的细节.

  一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能

数据链路的基本问题

封装成帧

• 向帧添加首部与尾部, 用于确定帧的界限.
• 用SOH作为帧的首部开始, 用EOT作为帧的结束.
  

透明传输

无论发送什么样的比特组合的数据, 这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层

• 用字节/字符填充解决数据部分出现控制字符的情况, 在SOH与EOT前插入转义字符ESC, 接收端删除转义字符.

  若转义字符出现在数据中, 则在其前面再插入一次.

差错检测

• 传输过程中可能会发生比特差错, 在一定时间内, 传输的错误的比特占总比特的比率成为误码率BER, 与信噪比有关.

         循环冗余检验CRC: 在发送端中先把数据划分为组, 每组k个比特, 在每组后添加n位冗余码用于差错检测.

         计算方法:

• 用二进制的模2运算进行2n乘M的运算,相当于在M后面添加n个0

• 得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P,得出商是Q,余数是R,余数R比除数P少1,即R是n位

• 将余数R作为冗余码拼接在数据M后面,一起发送出去
  

• CRC差错检测技术只能做到无差错接受(凡是接受的帧，以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错), 不是可靠传输.

点对点协议PPP

• 组成: 将IP数据报封装到串行链路的方法、链路控制协议LCP、网络控制协议NCP
  

         首部(4个字段):

• 标志字段F:0x7E
• 地址字段A:0xFF
• 控制字段C:通常置为0x03
• 协议字段

         尾部(2个字段)

字节填充

• 用于异步传输
• 0x7E->0x7D, 0x5E; 0x7D->0x7D, 0x5D; 小于0x20的字符加入0x7D, 控制字符+0x20

零比特填充

• 用于同步传输
• 只要发现有5个连续的1,立即填入一个0, 接收端每发现5个连续1就把后面的0删去.

广播信道的数据链路层

        适配器的作用: 进行串行/并行转换、缓存数据、安装设备驱动程序、实现以太网协议.

CSMA/CD协议

实现一对一通信,将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中,仅当数据帧中的目的地址与适配器硬件地址一致时,才能接收这个数据帧.

• 采用无连接的工作方式、使用曼彻斯特编码、多点接入、载波监听、碰撞检测.
• 以太网的端到端往返时延2l称为争用期, 为51.2微秒, 经过这段时间没检测到碰撞才能肯定不会发送碰撞
• 检测到碰撞后等待一段随机时间后再发送
• 采用截断二进制指数退避确定重传时机, 时延=r x 基本退避时间

  以太网在发送数据时, 若前64字节没有发生冲突, 则后续的数据就不会发生冲突. 以太网规定了最短有效帧长为64字节, 凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧,应当立即将其丢弃.

星形以太网10BASE-T

• 10: 10Mbit/S
• BASE: 基带
• T: 双绞线

MAC层

MAC层的硬件地址(物理地址、MAC地址)

• 48位全球地址, 固化在适配器的ROM中

• 前24位为组织唯一标识符, 后24位为扩展唯一标识符, 不能有重复地址.

  

网络层

• 数据链路层没有解决跨局域网连接与资源共享、数据转发、路由选择的问题

网际协议IP

• TCP/IP称为传输控制协议/网际协议, 是一个协议族

网际协议IP

• 网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一
• 配套着ARP(地址解析协议)、ICMP(网际控制报文协议)、IGMP(网际组管理协议)

IP地址

• IP地址为32位二进制代码, 每8位的二进制数转换为十进制数, 采用点分十进制法.
• 互联网上的每台主机的每个接口分配一个在全世界唯一的IP地址
• IP地址分为网络号、主机号两个字段

分类的IP地址

• A类地址中, 网络号为0表示本网络, 127表示本地环回测试地址
• B类地址中, 网络号为128.0不指派
• C类地址中, 网络号为192.0.0不指派
• 主机号全0与全1也不能指派

划分子网

• 在IP地址中又增加了一个“子网号字段”,使两级的IP地址变成为三级的IP地址, 这种做法叫做划分子网

• 从主机号借用若干个位作为子网号

  根据IP数据报的目的网络号,先找到连接在本单位网络上的路由器,路由器在收到IP数据报后,再按目的网络号和子网号找到目的子网.

• 子网掩码: 找出IP地址中的子网部分

• 子网掩码长度=32位, 子网掩码左边的一连串1表示网络号与子网号, 右边的一连串0表示主机号
  

• 斜杠后的整数,就是掩码中所有1的个数. 156.26.30.60/255.255.240.0可表示为156.26.30.60/20

• 计算子网数: 2^N-2; 计算主机数: 2^N-2

无分类编址CIDR

• 无分类域间路由选择
• 两级结构, 分为网络前缀(在0~32之间选取任意值)与主机号
• 把网络前缀都相同的所有连续IP地址组成一个CIDR地址块
• 一个CIDR地址块表示很多地址, 这种聚合为路由聚合, 也称为构成超网