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计算机网络

学习笔记
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2018/11/07 Share

概述

因特网发展的三个阶段

  1. 从单个网络APRANET向互联网发展
  2. 建成了三级结构的因特网(主干网，地区网，校园网)
  3. 形成了多层次ISP(Internet Service Provider)的结构的因特网

传统三网

电信网、有线电视网、计算机网络

因特网的组成

  1. 边缘部分(用户直接使用的)
    • 客户-服务器方式(Client/Server)：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方
    • 对等方式(Peer-to-Peer)：不区分
  2. 核心部分(为边缘部分提供服务的)
    • 电路交换：在通话时间内，两个用户始终占用端到端的通信资源，线路传输效率很低。
    • 分组交换：采用存储转发技术。
      • 基于标记
      • 无连接
      • 由节点交换机(路由器)和链路组成
  3. 报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。
路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

分组交换的问题

  1. 分组在各结点存储转发时需要排队，会造成一定的时延。
  2. 分组必须带首部，造成一定开销
  3. 相比较电路交换更实时的传输数据，分组交换更适合突发性传输

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计算机网络的类别

按作用范围

  • 广域网 WAN (Wide Area Network)
  • 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)
  • 局域网 LAN (Local Area Network)
  • 个人区域网 PAN (Personal Area Network)

    按使用者

  • 公用网 (public network)
  • 专用网 (private network)
  • 虚拟专用网络（Virtual Private Network：VPN）

    性能指标

  1. 速率
    指传送数据的速率，也称为数据率data rate(b/s,kb/s,Mb/s,Gb/sTb/s)，往往指额定速率或标称速率。
  2. 带宽(bandwidth)
    原指通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽(或通频带)。
    现指数字信道能传送的最高数据率，单位b/s
    在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

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  1. 吞吐量(throughput)
    表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
  2. 时延(delay/latency)
    • 发送时延(transmission delay)：主机或路由器发送数据帧所需要的时间Alt text
    • 传播时延(propagation delay)：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间（介质的物理性质决定）Alt text
    • 处理时延：主机或路由器处理分组所花的时间
    • 排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延，取决于网络中当时的通信量
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  3. 时延带宽积
    时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
  4. 往返时间RTT
  5. 利用率： D = D 0 /1-U U为网络利用率，D表示当前时延，D0表示空闲时的时延

    协议和划分层次

    网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
    协议是控制两个对等实体间通信规则的集合
    要实现本层协议，还必须要下一层提供的服务
    服务是“垂直”的，协议是“水平”的
    三要素：
  • 语法：数据与控制信息的结构或格式
  • 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
  • 同步：事件实现顺序的详细说明
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物理层

接口特性

  1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等。
  2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  3. 功能特性：指明缪条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
  4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

    多模与单模光纤

  • 多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
  • 单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。

后者比前者速度快，但是铺设距离短。

基本概念

  • 数据(data)：运送消息的实体
  • 信号(signal)：数据的电气或电磁的表现
  • 模拟信号(analogous)：消息参数取值是连续的
  • 数字信号(digital)：消息参数取值是离散的
  • 码元(code)：在时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。二进制时只有两种，分别代表0,1
  • 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
  • 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
  • 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号->调制->带通信号
三种调制基本方法：

  • 调幅(AM)
  • 调频(FM)
  • 调相(PM)

    信道复用技术

    频分复用FDM

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    所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(这里带宽指频率带宽而不是数据的发送速率)

    时分复用TDM

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    所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

    码分复用CDM

    常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
    各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
    这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
    每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
    重要特点：每一个站分配的麻片序列不仅必须各不相同，并且必须互相正交
    Alt text
    S=(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
    Sx+Tx=（-2 -2 0 0 2 0 2 0）
    S（Sx+Tx）=（2+2+0+0+2+0+2+0)/8=1

    基本概念

    互联网发展

    从单个网络ARPANET到互联网，建成三级结构的互联网(主干网，地区网，校园网)，形层次多级ISP的互联网

    由n个HUB构成的网络，有n个冲突域

    流量控制与拥塞避免的基本概念和原理

    流量控制：让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来的及接收。利用窗口滑动机制可以很方便的在TCP连接上实现流量控制
    拥塞避免：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不过载

    特殊的IP地址

    127.0.0.1 环回地址
    0.0.0.0 表示所有未知的主机和目的网络
    255.255.255.255 限制广播地址
    224.0.0.1 组播地址

    各层有哪些协议

    数据链路层：PPP，CSMA/CD
    网络层：ARP,ICMP,RIP,OSPF,BGP,IGMP
    运输层：TCP,UDP
    应用层：DNS,FTP,HTTP,TELENT,SMTP

    频分多路复用的工作原理

    在物理信道可用的带宽超过某个原始信号所用带宽时，可将改物理信道总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同的子信道，然后在每个子信道上传输一路信号，实现在同一信道中传输多路信号

    数据链路层主要功能

  1. 封装成帧
  2. 透明传输
  3. 差错检测

    网络协议的定义

    为进行网络中的数据交换而建立的规则标准或约定

    TCP协议有一个TIME_WAIT状态的描述

    通信双方建立TCP连接后，主动关闭连接的一方会进入TIME_WAIT状态。
    客户端接收到连接释放报文后，发送ACK=1，ack=w+1后进入TIME_WAIT状态，等待2MSL后进入CLOSE状态

    TCP基本概念

    面向连接的，可靠地，字节流服务，一对一

    利用集线器连接的网络的拓扑结构特点

    总线型，星形，环形

    UDP伪首部有多少个字节同首部一起发送到接收端作为校验

    12字节 首部8字节

    计算机网络按照覆盖范围的分类

    WAN广域网
    MAN城域网
    LAN局域网

    影响网络延时的主要因素是什么延迟

    发送时延，传播时延，处理时延，排队时延

名词解释

单向通信

只有一个方向的通信而没有反方向的交互

频分复用

用户在分配到一定的频率后，在通信过程中始终使用这个频率

CSMA/CD

载波监听多点接入/碰撞检测
所有节点共享网络信道，节点发送数据之前，首先检测信道是否空闲，如果空闲则发送，否则就等待，发出信息后再检测冲突，发现冲突则取消发送

RED随机早期检测

通过监控路由器输出端口队列的平均长度来检测拥塞，拥塞一旦逼近，即平均队列长度超过最小门限，按某一概率丢包。

多归属主机

当一台主机同时连接到两个网络上时，该主机必须同时拥有两个IP地址且网络号不相同

ARP

地址解析协议(Address Resolution Protocol)
根据 IP地址得到硬件地址的一个TCP/IP协议

总结

路由网关等设备

中继器：简单的增加局域网传输距离，作为信号放大器，工作在物理层
路由器：能将异种网络互联起来，不同网络间相互转换
集线器：
网关：执行传输层及以上各层协议转换，或者实现不同体系结构的网络协议转换，不同网络协议间转换

ping的命令及原理

ping用来测试两个主机之间的连通性
使用了ICMP回送请求与回送回答报文，应用层直接使用网络层ICMP的例子

CRC冗余校验计算

DNS及服务器类型

域名系统(Domain Name System)
四种类型：

  • 根域名服务器
  • 顶级域名服务器
  • 权限域名服务器
  • 本地域名服务器

路由器

结构图

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  • “转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。
  • “路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化 情况，动态地改变所选择的路由。
  • 路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。

    分组到路由器后路由器的操作

  1. 达到的数据包依次经过物理层解析，数据链路层解析（判断MAC地址是否是本路由器），网络层解析；
  2. 网络层先取出TTL减去1，如果为0则扔掉该报文并发送一个ICMP差错报文回源端；如果不为0，则取出目的IP进行查转发表工作，依照查到的转发表端口进行转发到对应目的端口；
  3. 目的端口把该IP数据包封装为MAC帧后发送到物理层线路上。

###访问网站
当你使用浏览器上网访问网站时，计算机协议栈会有哪些主要的处理流程，会发送什么协议报文，其主要作用是什么？
(1) 浏览器分析超链指向页面的 URL。
(2) 浏览器向 DNS 请求解析 www.tsinghua.edu.cn 的 IP 地址。
(3) 域名系统 DNS 解析出清华大学服务器的 IP 地址。
(4) 浏览器与服务器建立 TCP 连接
(5) 浏览器发出取文件命令：
GET /chn/yxsz/index.htm。
(6) 服务器给出响应，把文件 index.htm 发给浏览器。
(7) TCP 连接释放。
(8) 浏览器显示“清华大学院系设置”文件 index.htm 中的所有文本。

协议配置

需要配置的项目
(1) IP 地址
(2) 子网掩码
(3) 默认路由器的 IP 地址
(4) 域名服务器的 IP 地址

网际层的 IP 协议及配套协议

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原文作者: two_smi1e

原文链接: https://www.twosmi1e.com/2018/11/07/计算机网络/

发表日期: November 7th 2018, 7:31:05 pm

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CATALOG
  1. 1. 概述
    1. 1.1. 因特网发展的三个阶段
    2. 1.2. 传统三网
    3. 1.3. 因特网的组成
    4. 1.4. 分组交换的问题
    5. 1.5. 计算机网络的类别
      1. 1.5.1. 按作用范围
      2. 1.5.2. 按使用者
      3. 1.5.3. 性能指标
    6. 1.6. 协议和划分层次
  2. 2. 物理层
    1. 2.1. 接口特性
    2. 2.2. 多模与单模光纤
    3. 2.3. 基本概念
    4. 2.4. 信道复用技术
      1. 2.4.1. 频分复用FDM
      2. 2.4.2. 时分复用TDM
      3. 2.4.3. 码分复用CDM
  3. 3. 基本概念
    1. 3.1. 互联网发展
    2. 3.2. 由n个HUB构成的网络，有n个冲突域
    3. 3.3. 流量控制与拥塞避免的基本概念和原理
    4. 3.4. 特殊的IP地址
    5. 3.5. 各层有哪些协议
    6. 3.6. 频分多路复用的工作原理
    7. 3.7. 数据链路层主要功能
    8. 3.8. 网络协议的定义
    9. 3.9. TCP协议有一个TIME_WAIT状态的描述
    10. 3.10. TCP基本概念
    11. 3.11. 利用集线器连接的网络的拓扑结构特点
    12. 3.12. UDP伪首部有多少个字节同首部一起发送到接收端作为校验
    13. 3.13. 计算机网络按照覆盖范围的分类
    14. 3.14. 影响网络延时的主要因素是什么延迟
  4. 4. 名词解释
    1. 4.1. 单向通信
    2. 4.2. 频分复用
    3. 4.3. CSMA/CD
    4. 4.4. RED随机早期检测
    5. 4.5. 多归属主机
    6. 4.6. ARP
  5. 5. 总结
    1. 5.1. 路由网关等设备
    2. 5.2. ping的命令及原理
    3. 5.3. CRC冗余校验计算
    4. 5.4. DNS及服务器类型
    5. 5.5. 路由器
      1. 5.5.1. 结构图
      2. 5.5.2. 分组到路由器后路由器的操作
    6. 5.6. 协议配置
    7. 5.7. 网际层的 IP 协议及配套协议
Total : 36
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