[网络协议]计算机网络基础

计算机网络基础

第一章 计算机网络概述

1.1 计算机网络的产生与发展

1.1.1 面向终端的计算机通信网

• 20世纪50年代到20世纪60年代末，计算机技术与通信技术初步结合

1.1.2 以共享为目标的计算机网络

1.1.3 开放的国际标准化计算机网络

• 目前存在着两种处于主导地位的网络体系结构：
  • 国际标准化组织IOS提出的OSI参考模型
  • Internet所使用的事实上的工业标准 TCP/IP 参考模型

1.1.4 互联网络和高速计算机网络

1.2 计算机网络的概念与功能

1.2.2 计算机网络的功能

• 数据通信
• 资源共享
• 负载均衡和分布处理

1.3 计算机网络的组成与逻辑结构

1.3.1 计算机网络系统的组成

• 包括硬件和软件两大部分。
• 组成计算机网络的四大要素
  • 计算机系统
  • 通信线路与通信设备
  • 网络协议：必须指定相互都能接受并遵守的约定和通信规则，这些规则的集合就称为“网络通信协议”。协议通常包括所传输数据的格式、差错控制方案，以及在计时与时序上的有关规定
  • 网络软件

1.3.2 计算机网络的逻辑结构

• 计算机网络从逻辑上分为资源子网和通信子网两大部分
  • 资源子网：网络中数据处理和数据存储的资源集合
  • 通信子网：网络中数据通信部分的资源集合

1.4 计算机网络的拓扑结构

1.4.1 总线型拓扑结构

• 

• 所有入网设备共用一条物理传输线路

  • 优点：结构简单灵活，可扩充性好。局部结点故障不会造成全网瘫痪。
  • 缺点：故障诊断和隔离较困难，总线的长度有限，不具有实时功能，信息发送容易产生冲突

1.4.2 星型拓扑

• 

• 结构中有唯一一个中心点。

  • 优点：结构简单，增加新结点方便，故障诊断和隔离容易
  • 缺点：中心节点负担较重，可靠性较低，中心结点如果故障就会造成全局瘫痪

1.4.3 换型拓扑结构

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• 既可以单向，也可以双向。
  • 优点：当网络确定时，数据沿环单向传送，其延时固定，实时性较强
  • 缺点：可靠性低，不便于扩充，维护难

1.4.4 树状拓扑

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• 可看做是星型结构的扩展，除了叶节点，所有根节点和分支节点都具有转发功能
  • 优点： 相比星型结构，通信线路总长度较短，故障隔离容易
  • 缺点：结构复杂，时延较大，对根节点依赖性较大

1.4.5 网状拓扑结构

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1.5 计算机网络的分类

1.5.1 按网络传输技术分类

• 广播式网络：所有联网的计算机都共享一个公共传输信道。当一台计算机利用公共信道发送数据时，所有其他的节点计算机都会收到这个数据。但由于发送的数据中带有目的地址和源地址，所以只有相应的才能收到。
• 点对点网络

1.5.2 按网络的覆盖范围

• 局域网：一般限制在一个单位内，多采用广播式传输技术。因为采用广播式网络，可能在一条信道上同时出现几个不同的信号，这些信号的互相重叠产生信号“冲突”。所以需要采用特殊的通信协议来对信道访问权进行控制。
• 广域网：
• 城域网：覆盖范围最大的——Internet。但Internet不是一种具体的物理网络，而是将不同的物理网络按照TCP/IP协议互联起来的网络技术。与其说Internet是一种网络类型，不如说是计算机网络的一种体系结构。

第二章 数据通信基础

2.1 基本知识

2.1.1 信息，数据和信号

• 数据分为模拟数据和数字数据。
  • 模拟数据：在某个区间内连续变化的值，例如声音和电压是幅度连续变化的波形
  • 数字数据：在某个区间内离散的值，例如二进制只有离散的0和1
  • 这两种数据可以相互转换
• 数据是信息的载体，信息是数据的内容和解释，信号则是数据在传输过程中的电磁波表示形式
• 模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。这种数据可以直接利用占有相同频带的电信号（模拟信号）来表示。例如，语音数据的可懂频率范围仅为300-3400Hz。
• 模拟数据可以用数字信号表示。
  • 模拟数据转换成数字信号的设备是：编码解码器（CODEC）
• 数字数据可以直接用二进制形式的数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性，一般先对二进制数据进行编码
• 数字数据可以用模拟信号表示：
  • 调制解调器（MODEM）

2.1.2 数据通信系统

• 信源和信宿：发送者接收者

• 发送器接收器

• 信道：传输信号的道路。同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过

• 噪声源

• 根据在传输媒体上传输的是模拟信号还是数字信号，可以分为模拟数据通信系统和数字数据通信系统

• 近年来数字通信成为主流：

  • 抗干扰能力强，便于加密，便于存储和处理，便于集成化和微型化

2.1.3 数据通信系统的连接方式

2.1.4 主要性能指标

• 有效性是指数据传输的速度，可靠性指传输数据的质量。
• 在数字通信系统中，一般使用数据传输速率和误码率来分别衡量传输有效性和传输质量的好坏
• 在模拟通信系统中，一般使用带宽和信噪比来衡量系统传输的有效性和可靠性
• 码元传输速率：单位时间内通过信道传输的码元数
• 数据传输速率：单位时间内传输二进制数据的位数
• 数据传输速率针对的是二进制位数传输，码元传输速率是信号波形的传输
• 数据传输速率和信号传输速率都是描述通信速度的指标，但这是两个完全不同的概念。
  • 信号：公路上单位时间经过的货车数量
  • 数据：单位时间经过的货车所装运的货物箱数
• 信道容量与信道带宽
  • 数据以信号的形式传输，实际上就是通过电压或电流等物理量在线路上连续变化来传递数据信息
• 窄带信道：0 ~ 300HZ，音频信道：300 ~ 3400Hz，宽带信道：3400Hz以上。普通电话线路带宽约为3KHz

2.2 数据编码

• 信息在信源/信宿出以模拟/数字数据形式存在，但是在信道中以模拟/数字信号存在

• 数据要在信道上传输首先要转变成信号

2.2.1 数字数据的模拟信号编码

• 数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器

2.2.2 数字数据的数字信号编码

• 将数字数据转换为数字信号编码的方法，要解决数字数据的数字信号表示问题

• 由计算机、数据中断产生的原始数字信号一般不直接送到信道上进行传输，通常要经过编码后才送入信道。因为

  • 编码更有利于在接收端区分0和1的值
  • 编码可以在传输信号中携带时钟，可以不必再传输专用的同步信号
  • 采用合适的编码方式，可以充分利用信道的传输能力，达到更高的传输速度

• 常用的通信编码

  • 不归零编码

    • 缺点：难以判断一位的开始和结束，为了保持收发双方的时钟同步，需要额外传送同步时钟信号。另一个是存在直流分量，半倚在传输中使用交流耦合器件和变压器
    • 计算机串口和调制解调器之间采用此编码

  • 曼彻斯特编码

    • 自含始终编码（自同步码）。编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去
    • 局域网中的数据通信常使用自含始终编码，比如曼彻斯特和差分曼彻斯特
    • 优点：一是自含时钟编码，不需要另外的同步信号，二是不含直流分量

  • 差分曼彻斯特编码

    • 加一个跳变，当做同步时钟信号，与数据信号无关。
    • 两种曼彻斯特的数据传输速率只有调制速率的一半

2.2.3 模拟数据的数字信号编码

• 将模拟数据转换为数字信号的方法
• 数字信号传输失真小，误码率低，传输速率高
• 常用方法是PCM：脉冲编码调制
  • 语音数字化，用数字信道传输模拟信息
  • 语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输，但是如果想在网上将语音与计算机产生的数字文字图像等一起传输，就必须语音信号数字化
• PCM工作步骤：采样、量化、编码

2.3 数据传输方式

2.3.1 并行传输和串行传输

• 根据组成字符的各个二进制位是否同时传输，字符编码在信源、信宿之间的传输分为并行和串行
• 并行：
  • 有多个数据位，同时在两个设备间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可以附加一位数据校验位
  • 计算机内的总线结构
  • 传输速度快，通信成本高，主要用于近距离，由于信道之间有电容感应，远距离传输时可靠性较低
• 串行
  • 先由计算机内的发送设备将几位总线的并行数据经并、串转换硬件转换成串行方式，在逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，供接收方使用
  • 成本低，长距离传输用，速度慢，需要进行串、并行转换
  • 电话线
• 串行通信需要注意同步问题，介质每次传送一位数据，发送器和接收器对这些数据必须有时序控制。接收方必须知道他接受的每一位的开始时间和持续时间
• 用来控制时序的同步技术有异步传输和同步传输两种方式

2.3.2 异步传输和同步传输

• 根据同步单位大小不同，分为
  • 位同步：最基本的同步方式。位（比特）是数据传输的最小单位
    • 收发凉的的时钟频率必须同频，同相
    • 实现位同步有外同步法和内同步法两种
  • 字符同步：位同步只能区分出每个二进制码元，传输时要确定各个由位组成的字符的边界，达到字符同步。
    • 即便每个二进制码元的传输无误，如果不能区分每个字符，传输也无效
    • 接收端从串行数据流中正确的区分出一个个字符所才去的措施称为字符同步
    • 字符同步的传输方式采用异步传输
  • 帧同步：在串行中，接收端从串行数据流中正确的区分出由位组成的更儿数据块（帧）的边界，以便能正确的识别出一个帧的起始和结束所采取的的措施
    • 传输方式采用同步传输
• 串行传输时，根据接收端从串行数据流中正确区分出是字符还是数据块（帧），将数据传输分为异步传输和同步传输
• 异步传输：字符同步
  • 每个传输字符由4部分组成：起始位、数据位、校验位和停止位
  • 异步传输过程中，字符同步是基于位同步的，字符间的异步定时与字符内各位间的同步定时是异步传输的特征
  • 以字符作为独立的传输单位
  • 用起始位和停止位标识字符开始结束
  • 传输字符之间的时间间隔任意
  • 实现简单，主要用于低速设备，键盘打印机等
• 同步传输：不是对每个字符进行单独同步，而是对数据块进行同步，实现的是帧同步
  • 须在每个块的开始喝结束处加特殊的同步标志，组成数据块（帧）后传输
  • 面向字符：数据块由字符组成，则以一个或多个同步字符SYN作为同步标志
  • 面向位：数据块是由位组成的位串，以特殊模式的位组合
  • 工作原理：发送前，双方约定同步字符的个数，以实现接受与发送的同步
  • 数据传输额外开销小，传输效率高，但是实现复杂，只要勇于需要高速数据传输的设备

2.3.3 单工、半双工和全双工传输

• 按传输方向分为如题三种
• 单工传输：只支持数据在一个方向上传输，只能在一个固定的方向上进行，
  • 无线电广播
• 半双工：允许数据在两个方向上传输，但是某时刻只能允许在一个方向上传输，就是切换方向的单工
  • 对讲机
• 全双工：允许同时两个方向传输，有两个信道
  • 计算机

2.3.4 基带传输和频带传输

• 基带传输指计算机数据的数字信号传输，频带传输指计算机数据的模拟信号传输
• 基带信号与基带传输
  • 由计算机或终端产生的0、1数字脉冲信号称作基带信号
  • 矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带
  • 基带传输就是在数字信道上直接传送0、1数字脉冲信号的方法
  • 数字信号可以直接采用基带传输
  • 基带传输中，整个信道只传一路信号、通信信道利用率低，近距离通信的局域网都采用基带传输
• 频带传输
  • 远距离通信信道多为模拟信道
  • 计算机网络远距离通信

2.4 多路复用技术

• 为了提高线路利用率，把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术就是多路复用

2.4.1 频分多路复用（FDM）

• 当物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下（供大于求），可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同的子信道

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• 前提：物理信道的可用带宽要远远大于各原始信号的带宽

• 主要用于模拟信道的复用，广播电视或者宽带计算机网络

2.4.2 时分多路复用：TDM

• 物理信道能达到的为传输速率超过各路信号源所要求的数据传输速率，可用这个技术

• 当采用基带信号时，若让各路信号按时间顺序瞬时的分别占有线路的整个频带，并周期性的重复，该线路就按时间分割成了多个逻辑信道，各信号就可以互不干扰相互分开

• FDM用于模拟信道复用，TDM用于数字信道的附庸

• 时分多路复用

  • 同步时分多路复用
  • 异步时分多路复用

2.4.3 波分多路复用

• 将频分复用技术用于光纤信道，一根光纤能同时传送多个波长不同的光载波

2.4.4 码分多路复用：CDM

• 主要用于移动通信：CDMA

• 微波扩频通信：即将徐传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去

• 接收端使用完全相同的伪随机码，进行处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号，解扩

• FDM是以频带不同来区分不同信号的，特点是信道不独占，而时间资源共享，每一个子信道使用的频带互不重叠

• TDM独占时隙，新到资源共享

• CDM则是所有子信道在同一时间可以使用整个信道进行数据传输，他在信道与时间资源上均为共享，因此信道的效率高，系统的容量大

2.5 数据交换技术

2.5.1 电路交换

• 三个阶段：建立线路、占用线路并进行传输、电路拆除
• 特点：实时性好、独占性

2.5.2 存储转发交换

• 当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方式会浪费信道容量和有效时间
• 交换过程中，先存储接收到的数据，待传输信道空闲时再一级一级的传出去
• 动态使用，利用率高，但是实时性不好
• 报文交换
• 报文分组交换

2.5.3 高速交换技术

• 帧中继是目前使用的一种在分组交换技术上发展起来的高速分组技术。
• 帧中继交换节点在接收到一个帧时就转发该帧，并大大减少（并不完全取消）接收该帧过程中的检错步骤，从而将节点对阵的处理时间缩短一个数量级，因此称为高速分组交换
• 异步传输模式：ATM，是建立在电路交换与分组交换基础上的一种新的交换技术，同时提供电路交换和分组交换服务，采用动态时分复用技术，一部分带宽分配给电路交换，另一部分给分组交换

2.6 传输介质

• 双绞线、同轴电缆和光纤等
• 微波、红外线和激光等

2.6.1 双绞线

• 每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根导线上发出的电波抵消
• 可以传输模拟信号和数字信号
• 非屏蔽双绞线：UTP
  • 一共六类不同级别
  • 第五类：增加了绕线密度，传输频率为100MHZ
  • 第六类：用于支持1000MB/s
  • 成本低，但是容易有信号辐射，容易被窃听
• 屏蔽双绞线：STP
  • 在一对或者多对双绞线的外面加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，再放入一个绝缘套管

2.6.2 同轴电缆

• 比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性
• 已经不怎么用

2.6.3 光纤

• 由能传导光波的石英玻璃纤芯和包层构成，纤芯传输光信号，光信号中携带用户数据，包层的折射率更低，可使光信号在纤芯内反射传输
• 光纤通信是基于光的全反射原理形成的
• 高带宽，衰减小，抗干扰能力强，贵
• 单模光纤和多模光纤

2.7 差错控制技术

2.7.1 差错的产生及其控制

• 一般来说，传输中的差错来自噪声

2.7.2 差错控制编码

• 将发送的数据重新编码
• 奇偶校验码
  • 在发送的数据块后增加以为校验位构成传输码字，该位的取值由采用的校验方法和原数据块中1的个数之和决定
  • 例如，数据信息为 1101010 ，采用偶校验时，增加一位校验位0，编程 11010100
  • 偶校验就是增加一位校验位似的传输码字中1的个数称为偶数
  • 奇校验就是变为奇数
  • 校验能力较低，漏检率为50%，但是实现简单
• 循环冗余码：CRC
  • CRC是信息字段和校验字段的长度可以任意选定，检错能力强，实现编码和校验相对简单，常用
  • 在发送端产生一个冗余码R(x)，附加在信息位K(x)后面一起形成实际传输码字T(x)，使带冗余码的传输码字的多项式T(x)能被G(x)整除，发送到接收端
  • 接收端收到实际传输码字后，用生成多项式G(x)除传输码字多项式，若无余数则无措，否则有错

2.7.3 差错控制方式

• 数据通信中使用更多的是反馈重发

总结

• 数据编码
  • 数据有数字数据和模拟数据，数据要在信道上传输，需要转变成信号。
  • 数字数据在模拟信道上传输需要进行模拟信号的编码，使用的是调制技术
  • 数字数据在数字信道上传输需要进行数字信号的编码，使用NRZ、曼彻斯特等
  • 模拟数据在数字信道上传输需要进行数字信号的编码，使用脉码调制

第三章 计算机网络体系结构

• 网络通信协议和网络体系结构是计算机网络技术中重要的内容

3.1.1 通信协议

• 应该包含三要素
  • 语法：如何讲
  • 语义：讲什么
  • 时序

3.1.2 网络体系结构

• 体系结构的层次化：每一层不必知道下面一层是如何实现的

3.1.3 分层结构中的相关概念

• 通信实体和对等实体
  • 通信实体是层功能实现的真正继承者
• 服务和分层协议
• 面向连接的服务和无连接的服务
  • 电话系统
  • 邮政系统：传输的每个分组中必须包括目的地址
• 接口和服务访问点
  • 接口是同一系统相邻两层之间的边界
  • 这两层实体交换信息的地方称为服务访问点：SAP

3.2 OSI参考模型

• 为了解决不同网络设备之间的互连问题，ISO提出了OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model）

• [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-d0g1sIGu-1636554357445)(计算机网络基础.assets/image-20211109222103126.png)]

• 只有在主机中才可能需要包含所有7层的功能，而在通信子网一般只需要最低3层的功能

• OSI并不是一个标准，而只是有个车在指定标准时所使用的概念性框架

• 其本身并不满足网络体系结构要求，按照定义，网络体系结构是网络的层次结构和分层协议的集合，OS没有定义各层的协议，只是描述了每一层的功能与服务

• 应用层：是最高层，提供用户应用软件与网络之间的接口服务

• 表示层：主要解决用户信息的语法表示问题，将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于网络系统内部使用的传送语法，即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩，加密和解密等工作也有表示层负责

• 会话层：是进程-进程的层次，其主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信（也称为对话）。不参与数据传输，但对数据传输进行管理。在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文

• 传输层：是端-端层次，根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统（源站和目的站）的会话层之间提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责可靠的传输数据。传送单位是报文

• 网络层：结点-结点层次，在计算机网络中进行通信的两个计算机可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层主要负责如何使数据跨越通信子网从一个结点到另一个结点的正确传送，即在通信子网中进行路由选择。当否是要跨越多个通信子网时，还要解决网际互连的问题。传送单位是分组

• 数据链路层：是相邻结点层次，主要是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路，为网络层在相邻结点间无差错的传送以帧为单位的数据。还要协调收发双方的数据传输速率，进行流量控制，数据传送单位是帧

• 物理层：要物理媒体传输数据，单位是位

3.2.3 OSI中的数据传输

• 每一层将上层传过来的数据加上若干控制位后在传递给下一层，由物理层传到对方物理层，再逐层上传
• 其他对等层之间的通信均为逻辑通信
• 每一层加上自己的控制信息传到下一层，直到数据链路层，这一层除了增加头信息，还要增加尾信息，然后由物理层成为由0和1组成的数据比特流，转换为电信号在物理媒体上传输

3.3 物理层

3.3.1 物理层功能与协议

• 物理层不是指这些连接设备的具体传输介质，它是介于数据链路层和传输介质之间的一层，起着数据链路层到传输介质之间的接口作用
• 物理层的功能：负责实际或原始的数据“位”传送

3.4 数据链路层

3.4.1 数据链路层的功能与服务

• 设立数据链路层的主要目的是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错的物理链路通过数据链路层协议改造为逻辑上无差错的数据链路，是指对网络层表现为一条无差错的传输通路
• 功能
  • 链路管理：数据链路的建立、维持和释放
  • 帧同步：接收端应当能从收到的比特流中准确的区分出一帧的开始和结束
  • 差错控制
  • 流量控制
  • 将数据和控制信息区分开
  • 透明传输
  • 寻址
• 把实现控制数据传输规程的硬件和软件加到物理链路上去，就成了数据链路。

3.4.2 帧的封装

• 传输的协议数据单元是帧
• 帧时逻辑的、结构化的数据块
• 帧同步解决的问题：接收方必须能从物理层收到的比特流中准确的识别出帧的起始与终止位置
• 字节计数法
• 字符填充的首尾定界法
  • 用特定的ASCII字符许洛DLE STX和DLE ETX 分别标识一帧的起始与终止
• 带比特填充的首尾标记法
  • 容易由硬件实现，性能优于字符填充
• 违法编码法
  • 只适合采用冗余编码的特殊编码环境
• 普遍的是比特填充和违法编码

3.4.3 差错控制

• 自动重发请求法：接收方发现错误时，采取反馈重发机制。
  • 发送方将要发送的数据帧附加一定的冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据帧进行差错检测，如果有错，就返回请求重发的应答，发送方收到请求重发的应答后，便重新传送该帧
• 如果想解决数据帧丢失造成的死锁，可以引入计时器
• 同时对每个数据帧进行编号，使得接收方能根据数据帧的不同编号来区分是新发送的帧还是已被接收但又重新发送的帧

3.4.4 流量控制

• 并不是数据链路层特有的功能
• 需要一种信息反馈机制，使发送方能了解接收方是否能接收到，常见的实现方法是窗口机制
• [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Sbvi2vTX-1636554357446)(计算机网络基础.assets/image-20211110221952099.png)]

3.4.5 数据链路层协议举例

• 控制相邻结点间数据传输的通信规则就是数据链路层协议
• 异步协议
  • 以字符为独立的信息传输单位，在每个字符的起始处对字符内的位实现同步，但字符与字符之间的间隔时间是不固定的，即字符之间是异步的
  • 多用于数据速率比较低的场合
• 同步协议
  ：接收方发现错误时，采取反馈重发机制。
  • 发送方将要发送的数据帧附加一定的冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据帧进行差错检测，如果有错，就返回请求重发的应答，发送方收到请求重发的应答后，便重新传送该帧
• 如果想解决数据帧丢失造成的死锁，可以引入计时器
• 同时对每个数据帧进行编号，使得接收方能根据数据帧的不同编号来区分是新发送的帧还是已被接收但又重新发送的帧

3.4.4 流量控制

• 并不是数据链路层特有的功能
• 需要一种信息反馈机制，使发送方能了解接收方是否能接收到，常见的实现方法是窗口机制
• [外链图片转存中…(img-Sbvi2vTX-1636554357446)]

3.4.5 数据链路层协议举例

• 控制相邻结点间数据传输的通信规则就是数据链路层协议
• 异步协议
  • 以字符为独立的信息传输单位，在每个字符的起始处对字符内的位实现同步，但字符与字符之间的间隔时间是不固定的，即字符之间是异步的
  • 多用于数据速率比较低的场合
• 同步协议
  • 以帧为传输单位，帧内维持固定的时钟，便于差错控制