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[网络协议]计算机网络

计算机网络

计算机网络的层次结构

层次结构设计的基本原则

当计算机A和计算机B进行通信时

计算机网络需要解决的四个问题：

保证数据通路顺畅
识别目的计算机
查询目的计算机状态
数据是否错误

分层实现不同的功能

基本原则：
- 各层之间是相互独立的
- 每一层要有足够的灵活性（用来应对未来的变化
- 各层之间完全解耦（各层的变化不会相互影响

OSI七层模型

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OSI并没有成为广为使用的标准模型

OSI专家缺乏实际经验
OSI标准制定周期过长
OSI设计不合理

TCP/IP在全球范围成功运行

TCP/IP四层模型

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计算机之间的传输：

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四层模型使用的协议：

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中间窄，两端大的沙漏形状

现代互联网的网络拓扑

边缘部分

用户可以接触到的部分

e.g. 家庭：终端机器（手机、电脑）-> 路由器 -> 网关 -> 地区ISP

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e.g. 企业：

核心部分

地区的主干ISP通过国际路由器进行互通

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树状结构

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计算机网络的性能指标

速率Mbps = bit/s

为什么电信拉100M光纤，测试峰值速度只有12M每秒？

网络常用单位为Mbps

100M光纤指的是100M/s = 100Mbps = 100Mbits/s = (100/8)MB/s = 12.5MB/s

时延

发送时延

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传播时延

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排队时延

数据包在网络设备中等待被处理的时间
处理时延

数据包到达设备或目的机器被处理所需要的时间

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 排队时延 + 处理时延

往返时间RTT（Route-Trip Time）

数据报文在端到端通信中的来回一次的时间

通常使用ping命令查看RTT

IP物理地址离得越远RTT越长

物理层

在OSI七层模型属于最底层，在TCP/IP四层模型中属于网络接口层

作用

连接不同的物理设备
- 介质
  - 双绞线
  - 同轴电缆
  - 光纤
  - 红外线、无线、激光
传输比特流

比特流：高低电平交替传输信息

信道

往一个方向传送信息的媒体
一条通信电路包含一个接收信道和一个发送信道

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发送和接收会不会冲突？冲突了怎么办
- 单工通信信道
  
  只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道
  
  e.g. 电视、无线电收音机等
- 半双工通信信道
  
  双方都可以发送和接收信息
  
  不能同时发送也不能同时接收
- 全双工通信信道
  
  双方都可以同时发送和接收信息

信道的分用-复用技术

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多个计算机连接复用器和分用器，共享同一条信道，提高信道的利用效率。

但可能导致信道的拥塞

分类
- 频分复用（按频率不同进行分用复用
- 时分复用
- 波分复用
- 码分复用

数据链路层

在OSI七层模型属于物理层的上一层，在TCP/IP四层模型中也属于网络接口层

封装成帧

“帧”是数据链路层数据的基本单位

（比特位是物理层的基本单位
发送端在网络层的一段数据前后添加特定标记形成“帧”
接收端根据前后特定标记识别出“帧”

过程：

网络层把IP数据报传输到数据链路层

数据链路层收到数据后把它看做数据帧

在数据帧的前后（帧首部SOH、帧尾部EOT添加特定的控制字符（特定比特流）

在这里插入图片描述

数据流恰好也有这些比特流怎么办
- 透明传输

透明传输

透明：“一种实际存在的实物又看起来不存在一样”

? 即“控制字符在帧数据中，但是要当做不存在的去处理”

那么数据流恰好有这些怎么办？

在EOT前添加一个转义字符（‘\’），当接收端接收到EOT并判断EOT前有一个转义字符时，那么接收端就不会把它判断成数据报的尾部。
- 如果数据中也出现了转义字符咋办？
  
  在转义字符前再加一个转义字符，把转义字符转义一下（…?）
  
  比如要输出一个反斜杠“\“时，就要在前面再加一个转义字符表示这不是转义字符，即”\\”。如果要输出两个反斜杠，就要在前面加两个。

差错检测

作用：因为物理层只管传输比特流，无法控制是否出错。所以数据链路层负责起“差错检测”的工作。

奇偶校验码

在比特流的尾部添加一位比特位来检测比特流是否有出错

比特流中所有位数相加，如果是奇数那么校验码是1；如果是偶数则为0

在这里插入图片描述

局限性：

如果是奇数位丢失（比如丢失了1个或3个“1”）是可以检测出的

但如果是偶数个1丢失，是检测不出来的。

循环冗余校验码CRC

根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码的方法

检测数据传输或保存后可能出现的错误

也是生成的数字计算出来并且附加到数据后面

模二除法

二进制下的除法，不借位，实际是异或操作

步骤
- 选定一个用于校验的多项式G(x)，并在数据尾部添加r个0，r为最高阶
- 将添加r个0后的数据，使用模二除法除以多项式的位串
- 得到的余数填充在原数据r个0的位置得到可校验的位串
例子：使用CRC计算101001的可校验位串。
1. 选定多项式G(x)