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计算机网络体系结构

物理层

数据链路层

网络层

传输层

应用层

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计算机网络体系结构

• 区分计算机网络、互连网、互联网
  计算机网络：是由若干节点和连接这些节点的链路组成
  互连网(internet)：泛指多个计算机网络互连而成的计算机网络，这些网络可以使用任何通信协议作为通信规则（网络的网络）
  互联网(Internet)：当前全球最大的，开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，采用TCP/IP协议族作为通信规则
   
• 互连网基础阶段发展的三个阶段：从单个网络ARPANET向互连网发展的过程；建成三级结构的互连网；逐渐形成全球范围多层次ISP结构的互连网

• 互联网的组成：边缘部分和核心部分
  边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成（这些主机又叫端系统），由用户直接使用，用来进行通信和资源共享
  网络边缘的端系统之间通信方式划分为两大类：客户——服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）
  核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，用来为边缘部分提供服务（连通性和交换），常采用网络拓扑结构；网络核心部分起特殊作用的是路由器——一种专用计算机，实现分组交换

• 组成按逻辑功能组成分类：资源子网和通信子网
  资源子网是提供网络共享功能的设备及其软件的集合，主要是由互联网的主机构成
  通信子网是通信连路+通信设备+网络协议构成

• 计算机网络的功能
  数据通信【最基本、最重要】
  资源共享
  分布式处理
  可靠性
  负载均衡

• 电路交换、报文交换与分组交换

  	优点	缺点
  电路交换	建立连接——数据传输——连接释放 ①适用传输大量数据，且传输时间大于连接建立时间，传输时延小 ②有序传输，不会出现失序 ③没有冲突，不会出现争用物理信道的问题 ④适用性强，可以传输模拟信号和数字信号	①通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，通信效率低 ②灵活性差，出现故障需要重新拨号 ③难以实现差错控制，中间节点不具备存储和检验数据的能力，无法检验并纠正错误
  报文交换	数据交换的单位是报文，报文交换采用存储转发 ①适用于传输突发数据，无需建立连接 ②动态分配线路，可靠想搞	以报文进行存储转发，网络时延大，且大量占用交换机的内存与外存；且错误处理低效，报文较长时处理错误报文额定代价大
  分组交换	适用于传输突发数据，且分组交换比电路交换更灵活，简化了存储管理（分组长度固定）	造成额外开销，分组交换需要专门的管控与协议 相对于电路交换，存在存储转发时延

• 虚电路交换：建立连接（虚拟电路）；分组按序，通过已经建立好的既定线路发送，通信双方不独占线路；释放连接

计算机网络的分类

按照分布范围	广域网WAN，城域网MAN（以太网技术），局域网LAN（以太网技术），个人区域网PAN
按传输技术	广播式网络、点对点网络
按拓扑结构	总线型网络：建网方便；重负载时通信效率不高，对某一处的故障敏感，存在总线争用 星型网络：点对点传输，便于集中管理；成本高，中央设备对故障敏感 环形网络：典型代表是令牌环 网状网络：多用于广域网中，可靠性高；控制复杂，线路成本高
按使用者	公用网，专用网s
按传输介质分类	有线网络和无线网络

• 计算机性能指标

  速率	也称数据传输速率，表示每秒传输多少bit；单位K——>M——>G——>T
  带宽	能传送的最高数据传输速率;需要注意的是节点之间的传输带宽是由链路带宽和节点性能共同决定
  吞吐量	单位时间通过某个网络的实际数据量
  时延	发送时延+传输时延+处理时延+排队时延；发送时延=分组长度/发送速率；传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传输速率;
  时延带宽积	发送端已经发出但尚未到达接收端的最大比特数；时延带宽积=传播时延×信道带宽
  往返时延	发送端发送完一个分组到接受来自接收端的确认之间的时间间隔
  信道利用率	利用率分为信道利用率和网络利用率，信道利用率指信道有百分之几的时间是被使用的，网络利用率是信道利用率的加权平均值；网络利用率达到1/2时，时延会加倍；当前网络时延=空闲网络时延/（1-u）

• 计算机网络体系结构

  OSI的七层协议	TCP/IP的四层协议	五层协议
  应用层	应用层（各种应用层协议HTTP等）	应用层
  表示层	运输层TCP或UDP	运输层
  会话层	网际层IP	网络层
  运输层	链路层（网络接口层），无具体内容	数据链路层
  网络层		物理层
  数据链路层
  物理层

        实体：任何能够发送和接收信息的硬件和软件进程，通常是指某个特定的软件模块

        对等实体：不同机器上同一层的实体

        协议数据单元PDU：对等层之间传送的数据单位，物理层的PDU叫做比特流，数据链路层的PDU叫做帧，网络层的PDU叫做分组，传输层的PDU叫做报文段

        服务数据单元SDU：未完成用户所要求的功能而传送的数据

        协议控制信息PCI：控制协议操作的信息

        协议：控制对等实体进行通信的规则的集合，是水平的。由语法、语义和同步组成；语法是指数据与控制信息的格式；语义是指需要发出何种控制信息，完成何种动作及做出何种应答；同步（时序）是指执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明

        服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的

        服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSi中被叫做服务原语

        服务访问点：同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方，叫做服务访问点

物理层

• 码元可以携带的数据大小，取决于一个时刻可能会出现多少种信号，如果会出现K信号，则一个码元能携带的数据为log2K
• 速率
  • 码元传输速率，又称波特率；单位时间内传输的码元个数；码元传输速率转换成比特传输速率要乘上码元携带的比特数
  • 比特传输速率，又称比特率，单位时间内传输的比特数
• 根据信号中代表消息的参数取值范围不同，信号可以分为两大类：模拟信号（连续信号），代表消息的参数取值是连续的和数字信号（离散信号），代表消息的参数取值是离散的
• 限制码元在信道上的传输速率因素：信道能通过的频率范围、信噪比
• 奈氏准则【没有噪声，带宽有限】
  • 在理想低通信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率是2W波特，W是信道的频率带宽
  • 理想低通信道极限传输速率=2W * log2V，V表示有多少个不同的码元
• 香农定理
  • 注意题目给的是标准的信噪比，还是分贝计法；如果是分贝还需要转换成标准的信噪比
  • 分贝计法：db = 10 * log10 (S/N)
  • 信道的极限比特传输速率 = W * log2（1+S/N）
• 调制：基带调制（编码），仅仅对基带信号的波形进行变换，使其能与信道特性适应，变换后仍然是基带信号，是把一种数字信号变换成另一种数字信号；带通调制：使用载波将基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并将数字信号转换成模拟信号，经过调制后的信号也叫作带通信号

  • 调幅AM	抗干扰能力差
    调频FM	抗干扰能力强
    调相PM
    正交幅度调制QAM	m个相位，每个相位有n个振幅。则一个码元携带的信息为log 2 (mn) 比特

• 编码：将数据转换成数字信号的过程

  • 	优点	缺点
    非归零编码NRZ	不用归零，一个时钟可以全部用来传输数据，编码的效率最高	收发双方存在同步问题，需要双方都带有时钟线；抗干扰能力弱
    归零编码RZ	高电平表示1，低电平表示0。每个码元的中间均跳变到零电平；方便发送者和接收者	浪费带宽 抗干扰能力弱
    反向非归零编码NRZI	跳0，不跳1，终不变；结合了非归零和归零的优点 每8bit增加一位用于自同步	抗干扰能力弱 浪费部分带宽
    曼彻斯特编码【以太网物理层默认的编码方式】	上跳0，下跳1，看中间；或者采用相反的规则； 抗干扰强	浪费带宽
    差分曼彻斯特编码【广泛用于宽带高速网中】	关注每个信号周期的起点是否有跳变，跳0，不跳1，中间必变； 抗干扰强	浪费带宽

     
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  • 传输介质和设备

    • 导向性传输介质	双绞线	普遍运用于局域网和传统电话网；根据有没有金属丝的屏蔽层可以分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP 可用于模拟传输和数字传输，模拟传输中对于衰减的信号采用放大器 数字传输中，对于失真的信号采用中继器整形
      	同轴电缆	分为50Ω和70Ω；前者传输系带数字信号，用于早期的局域网；后者用于宽带信号，在有线电视网络中应用 抗干扰性强（相较双绞线）
      	光纤	传递光脉冲来通信，系统带宽远远大于目前所有的传输媒体 由纤芯和包层组成，纤芯是实心的，光脉冲在纤芯中传导 分为多模光纤和单模光纤 多模光纤只适合近距离，长距离失真严重；光源是普通的发光二极管 单模光纤衰减小，适合远距离运输；光源是定向性很好的激光二极管； 特点：传输损耗小，适合长距离传输；抗雷电电磁干扰性好，没有串音干扰，体积小。
      非导向传输介质	无线电波	信号向所有方向传播，穿透能力强，广泛用于通信能力
      	微波	信号往固定方向传播，频带范围很大导致数据率很高；因为微波按照直线传输，所以需要中继站接力 分为地面接力通信和卫星通信
      	红外线、激光	信号按固定方向传播，需要将信号转换成红外信号和激光信号

    • 中继器	再生数字信号，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，增加信号传输距离 中继器是物理层设备，只能连接同一网段，网段的速率也要相同，网络协议也要相同；连接的传输媒体可以不同 5-4-3规则：5个网段内最多有4个中继器，挂接3个计算机设备
      集线器	本质是多接口集线器，作用和中继器一样

数据链路层

• 主要功能：封装成帧，透明传输，差错检测，流量控制
• 组帧构建
  • 字符技术法：帧首部使用一个计数字段记录该帧包含的字节数，计数字段一旦出错就会导致双方失去同步
  • 字节填充法：SOH代表帧开头，EOT代表帧结尾。对于帧中出现的EOT采用控制字符ESC加以区分；接收方收到后删除插入的控制字符即可
  • 零比特传输法：和字节填充法类似，采用01111110帧定界，填充时遇到5个连续的1自动提填0；接收方收到后，遇到5个连续的1自动删除后面的0；零比特填充法很容易由硬件实现，性能比字节填充法更高
  • 违规编码法：类似物理层曼彻斯特编码，可以使用违规编码来定界；802协议采用这种填充技术，但是只适用于冗余编码的特殊编码环境（有多余的编码可以使用，用于定界）
• 差错控制
  • 检错编码技术（只检错不纠错）
    • 奇偶校验码：只能检测奇数个错误，检错率50%
    • 循环冗余校验码CRC：会算即可；FCS的生成和检验都是由硬件实现
  • 纠错编码（既检错也纠错）
    • 海明码
      • 海明距离：一个编码系统中任意两个合法码字的海明距离（对应比特取值不同的比特数）
      • 海明码仅实现检错功能（d位）需要的海明距离为d+1位，纠错需要2*d+1位
      • 海明码取值·2^r ≥m+r+1
      • 步骤：①确认冗余码位数，在相应的位置插入冗余码；②分组计算冗余码；③接收方检验
• 流量控制与透明传输
  • 常用的两类流量控制方法：停止-等待协议和滑动窗口协议
  • TIPS：注意和传输层的流量控制区分，前者是点到点的控制，后者是端到端的控制；且前者的控制方式是由接收方掌握，接收方接受不下就不返回确认，后者的控制方式是由接收方在报文的窗口值填写相应的数值来调整发送方的发送窗口
  • 停止等待协议S-W
    • 发送方每次只发送一个帧，当收到接收方返回的确认帧之后才可以发送下一个帧。发送窗口和接收窗口都是1
    • 发送方发送的帧丢失，超时后会重传该帧；接收方返回的确认帧丢失时，发送方因收不到确认帧会重传，接收方收到重复的帧会丢弃并重传一个确认帧
    • 发送方和接收方都会设置一个帧缓冲区，保证能够重传
    • 
    • 注意区分信道利用率和信道吞吐率
  • 后退N帧协议GBN
    • 对n号帧采用累计确认的方式，标明接收方已经收到n号帧与它之前的帧
    • 掌握对丢失帧的处理过程
    • 发送窗口大小：采用n比特对帧编号时，发送窗口的大小是1≤Wr≤(2^n)-1，否则接收方无法区分新数据帧和旧数据帧；接收窗口大小固定为1
  • 选择重传协议SR
    •  缓存失序的帧，并不要求发送方重传所有帧；丢了哪个帧，错了哪个帧就返回哪个帧
    •  滑动窗口长度？发送窗口和接收窗口加起来不大于2^n，单个窗口的值不大于2^(n-1)
    • 为什么连续ARQ协议要求发送窗口大小不能超过窗口总数-1，在一个滑动窗口协议的发送窗口大小最多有n-1个
      假设一个窗口总数大小为8，发送窗口大小只能为7；如果发送窗口大于等于n，会导致接受方分不清这是上一轮的重传帧，还是下一轮的新帧

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      1

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  • 一些做题的TIP：
    ①题目中给出忽略传输时延（发送时延），通常是值发送方的传输时延（发送时延），发送方的发送时延仍然要计算（2018年27题）
    时延=发送方传输时延（发送时延）+RRT+接收方传输时延（发送时延）
    
    ②计算发送方的发送窗口最少需要多少帧序号比特数，临界条件：“发送窗口一次性发送完所有帧的时间T1，刚好比第一个确认帧返回的时间大”；怎么理解这句话，如果发送方一次性发送完窗口中的所有帧，刚好此时收到了第一个帧的确认，发送方就可以接着继续发送下一个帧，这样信道就一直在发送数据而不是空等
    
    ③注意滑动窗口协议和选择重传协议的发送窗口的最大值不同，如果②计算出了临界值；
    根据2^(n)-1≥临界值，计算出滑动窗口协议发送窗口的帧序号最大值
    根据2^(n-1)≥临界值，计算出选择重传协议发送窗口的最大值
     
  • 介质访问控制
    • 静态划分信道：信道划分介质访问控制（频分复用、时分复用、波分复用、码分复用）
    • 动态划分信道：随机访问介质访问控制（ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA等）、轮询访问介质控制
    • 信道划分介质访问控制
      • 频分复用FDM：所有用户在相同时间内占用不同的频带资源，用户分配到带宽后从始至终都会占用这个频带，适合传输模拟信号
        系统效率高，极大利用了信道带宽
      • 时分复用TDM：每个用户在相应的TDM帧占用信道，不同时间占用相同信道，适合传输数字信号
      • 统计时分复用的具体实现细节
        集中器收集TDM帧，将其放入缓存中，按次序扫描缓存将输入数据放入STDM帧，只要一个STDM帧满就发送出去；
        相比时分复用有什么优势？如果其他的用户空闲，有用户想要发送数据，也不必等待固定的时间后再发送数据。线路最高数据传输率是8000bit/s，采用时分复用每个用户最高2000bit/s，采用统计时分复用最高8000bit/s
         
      • 
      • 波分复用： 本质是光的频分复用，光信号的波长不同，互不干扰同时有很大的带宽可以实现多路的波分复用
      • 码分复用：码片序列必须相互正交，要发送比特1就送自己分配的码片序列，要发送比特0就发送自己分配到的码片序列的反码
        优点：频谱利用率高，抗干扰能力强，还可以减少投资和运行成本，主要用于无线通信系统特别是移动通信系统
        
  • ALOHA协议
    • 纯ALOHA协议想发就发，时隙ALOHA协议规定每个站点只能在时隙开始时才能发送帧，发送一帧的时间必须小于等于时隙的长度；两者发生冲突后都要重传
  • CSMA/CD载波监听多址接入碰撞检测
    • 争用期：2τ，τ是单向传播时延；以太网规定争用期为51.2μs
    • 碰撞检测的过程
      
      
       
    • 最小帧长：512bit，发送512bit的时间就是争用期。长度不够还需要填充；如果在争用期内检测到碰撞，就停止发送，此时发送的数据不足512bit，接收方对于小于512bit的数据会主动丢弃
      最短帧长=争用窗口*数据传输率，最短帧长不固定，任何一个因素改变都需要改变
      最短帧长/发送速率=争用期2τ
    • 最大帧长：帧的最大长度1518字节，数据载荷最大1500字节
      
      
      
       
    • 截断二进制退避算法
      重传16次还未成功，丢弃该帧向上层报告
      
      
       
    • 信道占用率
      
      
       
    • 帧发送过程
      
      
       
    • 接收方处理帧过程
      
      
       
    • 为什么计算时延不考虑发送时延？即使发送最小的1bit，发送时延=10^(-5)秒；而无论是在中点检测到碰撞，还是在要到达另一方时发生碰撞的往返时延都比发送1bit的发送时延小
      也就是，1bit数据还没有发送完毕时。线路上的碰撞就已经传回，所以计算用时只考虑传播时延
      
      
  • CSMA/CA载波监听多址接入碰撞避免
    • CSMA/CD协议不再适用于无线信道的原因

      • 1.  “碰撞检测”要求在发送本站数据的同时，还需要不间断地检测信道，但是接收到的信号强度会小于发送信号的强度，即无线局域网中要实现这种功能开销过

      • 2.  即使实现碰撞检测，并且在发送数据时检测到信道是空闲的时候，接收端仍然可能发生碰撞（隐蔽站）

    • 三种IFS

      •  短帧间间隔SIFS：最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应该在这段时间从发送方式切换到接收方式，高优先级，用于ACK,CTS等控制帧，分片后的数据帧，回答AP探寻的帧。长度为28μs

      • 点协调功能帧间间隔PIFS：中等优先级，用于PCF等非竞争式等传输功能时，站点传送帧所必须等待的时间，发送数据帧和管理帧，长度128μs

      • 分布协调功能帧间间隔DIFS：低优先级，用于DCF竞争式传输功能时，站点传送帧前必须等待的时间，长度为128μs

    • CSMA/CA的工作过程

    • 为什么源站检测到信道空闲后要等待一个DIFS帧的时间：便于其他优先级更高的异步帧发送；为什么目的站收到帧后要等待SIFS后再发送ACK：便于源站状态的改变，从发送状态改变为接收状态；检测到信道忙后为什么等待了一个DIFS后仍然等待一个退避时间才发送数据：防止多个站点一起发送数据造成碰撞

                何时退避，怎么退避？

                当且仅当检测到信道空闲且这是发送方发送的第一个数据帧才不用退避算法

                检测到信道忙，选择一个退避时间后启动计时器；检测到信道空闲，等待一个DIFS帧后计时器开始倒计时，如果检测到信道忙计时器就冻结；计时器为0站点开始发送整个帧

                信道预约如何实现：①源站检测到信道空闲后等待DIFS时间后发送RTS帧，其中包括源目IP地址以及通信持续时间。②若AP正确收到这个帧，等待SIFS后广播CTS帧，其中包括通信的持续时间；③源站收到CTS帧后等待SIFS后就开始发送数据，其他站点在这段时间不能发送数据帧；信道预约并不是强制要求，并不是都需要实现！！

                源站和目的站点分别在RTS和CTS中填写的时间不同

                虚拟载波监听：和RTS、CTS帧类似，802.11中规定数据帧也能够携带持续时间。这样其他站点不用检测信道，只要收到了RTS、CTS、数据帧其中的某一个都能知道信道占用时间

• 轮询访问介质访问控制
  • 轮询协议存在的缺陷：轮询存在开销，等待延迟，单点故障
  • 令牌传递协议：掌握传递过程，存在的问题：令牌传递开销和产生令牌开销，要发送数据的主机存在等待延迟，单点故障；应用于通信量较大负载较大的网络中，逻辑环网实际上是星型拓扑

网络层

• 网络层提供的是：简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
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• 编址方案 CIDR

传输层

应用层