[网络协议]计算机网络（第一部分 第一第二章）

第一章 计算机网络体系结构

1.1.1概念、组成、功能和分类

计算机网络的概念：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络是互联的、自治的计算机集合。

• 互联-互联互通 通信链路

• 自治-无主从关系

计算机网络的功能：

• 数据通信（重点）

• 资源共享（重点）

• 分布式处理：多台计算机鸽子承担同一工作任务的不同部分

• 提高可靠性

• 负载均衡

计算机网络的组成：

• 组成部分：硬件、软件、协议

• 工作方式：

  • 边缘部分：用户直接使用-->c/s方式、p2p方式

  • 核心部分：为边缘部分服务

• 功能组成：

  • 通信子网：实现数据通信

  • 资源子网：实现资源共享/数据处理

计算机网络的分类：

• 按分布范围分：广域网WAN（交换技术）、城域网MAN、局域网WAN（广播技术）、个人区域网PAN

• 按使用这分：公用网（中国电信等）、专用网（军事、铁路、地铁）

• 按交换技术分：电路交换、报文交换、分组交换

• 按拓扑结构分：总线型、星型、环形、网状型（常用于广域网）

• 按传输技术分：广播式（共享公共通信信道）、点对点网络（使用分组存储转发和路由选择机制）

1.1.2标准化工作及相关组织

标准的分类：

• 法定标准：由权威机构指定的正式的、合法的标准（OSI）

• 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准（TCP/IP）

标准化工作：

RFC（Request For Comments）------因特网标准的形式

RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段：

• 因特网草案（Internet Draft）这个阶段还不是RFC文档。

• 建议标准（Proposed Standard）从这个阶段剋是成为RFC文档。

• 草案标准（Draft Standard）IETF、IAB ——先已不存在

• 因特网标准（Internet Standard）

标准化工作的相关组织：

• 国际标准组织ISO：OSI参考模型、HDLC协议

• 国际电信联盟ITU：指定通信规则

• 国际电气电子工程师协会IEEE：学术机构、IEEE802系列标准、5G

• Internet工程任务组IETF：负责因特网相关标准的指定 RFC XXXX

1.1.3速率相关的性能指标

速率：速率即数据率或称数据传输率或比特率。

比特：1/0位

连接在计算机网络上的主句在数字信道上传送数据位数的速率。

单位是b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s.Tb/s （10^3）

带宽：

• ”带宽“原本指某个信号具有频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。

• 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指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”比特每秒“，b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s。

• 网络设备所支持的最高速度

吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位b/s,kb/s,Mb/s等。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

1.1.4时延、时延带宽积、RTT和利用率

时延：指数据（报文、分组、比特流）从网络（或链路）的一段传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s

时延：

• 发送时延（传输时延）：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完毕所需的时间。 发送时延=数据长度/信道宽带（发送速率）

• 传播时延：取决于电磁波传播速度和链路长度。 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

• 排队时延：等待输出/入链路可用

• 处理时延：检错找出口

时延带宽积：时延带宽积又称韦以比特位单位的链路长度。即“某段链路先现在有多少比特”。容量

时延带宽积（bit）=传播时延（s）*带宽（b/s）

往返时延RTT：

• 从发送方发送数据开始，到发送发收到接受方的确认（接受方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

• RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。

• RTT包括

  • 往返传播时延=传播时延*2

  • 末端处理时间

利用率：

• 信道利用率=有数据通过时间/（有+无）数据通过时间

• 网络利用率=信道利用率加权平均值

1.2.1分层结构、协议、接口、服务

发送文件前要完成的工作：

• 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。

• 要告诉网络如何识别目的主机。

• 发起通信的计算机要查明的主机是否开机，并且于网络连接正常。

• 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件挂你了程序是否已经做好准备工作。

• 确保差错和意外可以解决。

• 等等

为什么要分层？

由于计算机网络工作过于复杂，是个大问题，因此计算机将其拆分称一系列的小问题进行解决。

怎么分层？

实体、对等实体、协议、接口、服务（下级为上级服务）

分层的基本原则：

• 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。

• 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能邵。

• 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。

• 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。

• 整个分层结构应该能促进标准化工作。

正式认识分层结构：

• 实体：第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。

• 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。【水平】

  • 语法：规定传输数据的格式

  • 语义：规定所要完成的功能

  • 同步：规定各种操作的顺序

• 接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口。

• 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】

协议数据单元的传输过程：

?

SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。

PCI协议控制信息：控制协议操作的信息。

PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。

概念总结：

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。

• 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。

• 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能。

• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。

• 第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。

• 仅仅在相邻层间由接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。

• 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

1.2.2 OSI参考模型（1）

计算机网络分层结构

• 7层OSI参考模型（法定规定）

  • 5层的体系结构

• 4层TCP/IP参考模型（事实标准）

ISO/OSI参考模型--怎么来的？

为了解决计算机网络复杂的大问题-->分层结构（按功能）

目的：支持异构网络系统的互联互通。

国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互联（OSI）参考模型。但是！理论成功，市场失败。

ISO/OSI参考模型

OSI七层：

1~3层：通信子网（数据通信） 5~7层：资源子网（数据处理）

1. 物理层

2. 数据链路层

3. 网络层

4. 传输层

5. 会话层

6. 表示层

7. 应用层

（物联网输会示用）

每层完成特定的功能0

ISO/OSI参考模型解释通信过程

?

1.2.3 OSI参考模型（2）

应用层：

用户与网络的界面，所有能和用户交互产生网络流量的程序。

典型应用层服务：

文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、万维网（HTTP）...

表示层：

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）

功能：

• 数据格式变换（翻译官）

• 数据加密解密

• 数据压缩和恢复

主要协议：JPEG、ASCII

会话层：

向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据。这是会话，也是建立同步（SYN）

功能：

• 建立、管理、终止会话

• 使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步。（使用与传输大文件）

主要协议：ADSP、ASP

传输层：

负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。

功能：

• 可靠输出、不可靠传输

• 差错控制

• 流量控制

• 复用分用

  • 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。

  • 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应得进程。

主要协议：TCP、UDP

网络层：

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

功能：

• 路由选择（最佳路径）

• 流量控制

• 差错控制

• 拥塞控制：若所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的化，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定的措施，缓解这种拥塞。

主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

数据链路层：

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路层/链路层的传输单位是帧。

功能：

• 成帧（定义帧的开始和结束）

• 差错控制（帧错+位错）

• 流量控制

• 访问/接入控制（控制对信道的访问）

主要协议：

SDLC、HDLC、PPP、STP

物理层：

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层传输单位是比特。

透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。

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

主要协议：RJ45、802.3

1.2.4 TCP、IP参考模型和5层参考模型

OSI参考模型与TCP/IP参考模型

?

OSI参考模型与TCP/IP草靠模型的相同点：

• 都分层

• 基于独立的协议栈的概念

• 可以实现异构网络互联

OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点：

• OSQ定义三点：服务、协议、接口

• OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议

• TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要次层

• 	ISO/OSI参考模型	TCP/IP模型
  网络层	无连接+面向连接	无连接
  传输层	面向连接	无连接+面向连接

  • 面向连接分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成功建立之后，，才能开始数据传输，这是第二阶段。接着，当数据传输完毕，必须释放连接。而面向无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传送。

5层参考模型：

• 应用层：支持各种网络应用 FTP、SMTP、HTTP

• 传输层：进程-进程的数据传输 TCP、UDP

• 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发 IP、ICMP、OSPF等

• 数据链路层：把网络层传下来的数据报组装成帧 Ethernet、PPP

• 物理层：比特传输

5层参考模型的数据封装与解封装：

?

第二章 物理层

剧透：

• 通信基础

• 两个公式lim（重要）

• 看图说话

• 传输介质

• 物理层设备

2.1.1 物理层基本概念

物理层的基本概念：

物理层解决如何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。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性--->定义标准

接口有关的特性：

• 机械特性：定义物理连接的特性，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。

• 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。（某网络在物理层规定，信号的电平用+10V~15V表示二进制0，用-10V~-15V表示二进制1，，电线长度限于15m以内）

• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。（描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时）

• 规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2.1.2 数据通信基础知识

典型的数据通信模型：

?数据通信相关术语：

通信的目的是传送消息。

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

• 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。

• 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接受数据的重终点。

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道。

• 信道分类：

  • 传输信号：模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）

  • 传输介质：无线信道、有线信道

三种通信方式：

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

• 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。

• 半双工通信：通信的双方都可以发送或接受信息，但任何一方都不能同时发送和接受，，需要两条信道。

• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

两种数据传输方式：

• 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离。

• 并行传输：速度块，费用高，适合近距离。

2.1.3 码元、波特、速率、带宽

码元：

码元是指用一个固定时长和信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，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。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

速率：

速率也叫数据率，是指数据的传输速率（发送速率），表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

• 码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它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），单位时波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以时多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。1s传输多少个码元

• 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（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。1s传输多少个比特

  关系：若一个码元携带n bit的信息量，则MBaud的码元传输缩率所对应的信息传输速率为M*n bit/s。

• 带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

2.1.4 奈氏准则和香农定理

失真

失真的一种现象--码间串扰

?

奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。

$$
理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2^V (b/s)
$$

总结：

1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，是接收端对码元的完全正确识别成为不可能。

2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。

3. 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。

4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法时每个码元能携更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

香农定理

推论：

1. 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. 对一定的传输宽带和一定的信噪比，信息传输熟虑的上限就确定了。

3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。

4. 香浓定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能打倒的传输速率要比它低不少。

5. 从香浓定理可以看出，若信道宽带W或信噪比S/N没有上线（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

2.1.5 编码与调制（1）

基带信号与宽带信号

?

编码与调制

数据 -> 数字信号（编码）

数据 -> 模拟信号（调制）

数字数据 -数字发送器-> 数字信号（编码）

数字数据 -调制器-> 模拟信号（调制）

模拟数据 -PCM编码器-> 数字信号（编码）

模拟数据 -放大器调制器-> 模拟信号（调制）

2.1.6 编码与调制（2）

数字数据编码为数字信号

• 非归零编码

  

• 归零编码

  

• 反向不归零编码

  

• 曼彻斯特编码

  

  以太网的编码方式就是曼彻斯特编码

• 差曼彻斯特编码

  

• 4B/5B编码

  

数字数据调制为模拟信号：

模拟数据编码为数字信号：

模拟数据调制为模拟信号：

2.2 物理层的传输介质

传输介质及分类

?导向性传输介质--1.双绞线

?导向性传输介质--2.同轴电缆

?导向性传输介质--3.光纤

?光纤的特点：

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

2. 抗雷电和电磁干扰性能好。

3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

4. 体积小，重量轻。

非导向性传输介质：

?2.3 物理层设备

中继器

集线器（多口中继器）

参考资料

王道计算机考研 计算机网络