计算机网络学习笔记

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机网络学习笔记相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

【计算机网络】学习笔记

1. 概论

  • 协议：数据在线路上传输的规则
  • 边缘部分：主机（资源子网）
  • 核心部分：连通/通信（通信子网）

核心部分中最重要的是路由器：实现分组交换和路由选择

因特网中的服务

  • 面向连接服务

通信效率不高，协议复杂（TCP/PPP）

  • 无连接服务

数据分组中，目的结点接收的数据可能出现重复与丢失的现象，协议简单，效率高。

  • 可靠服务

检错，纠错（TCP）

  • 不可靠服务

  • 有应答服务

  • 无应答服务

只要可靠一定面向连接，一定有应答

PPP不可靠，重发次数够了，将丢弃

计算机网络特点

  • 连通性

有虚拟的特点

  • 共享性

资源共享

VPN：

  1. charge：VPS

用虚拟机请求境外主机

  1. free

软件，插件（电脑卡顿：用你的电脑去挖矿~算力）

计算机网络功能

  • 数据通信：连接控制、传输控制、差错控制、流量控制，路由选择、多路复用
  • 资源共享：数据资源、软件资源

基本功能

  • 分布式处理
  • 信息综合处理

计算机网络的分类

拓扑结构：

  • 星型网络
  • 总线型网络
  • 环形网络
  • 网状网络

分布范围

  • 广域网 WAN
  • 局域网 LAN
  • 域域网 MAN
  • 个人局域网 PAN

网络使用者

  • 共用网
  • 专用网

资源：

  • 软件资源
  • 硬件资源
  • 数据资源

通信子网：

  • 路由器
  • 交换器
  • 网桥
  • 中继器
  • 集线器
  • 网线

2. 性能指标

  • 速率：数据率/比特率，b/s，每秒传输速度
  • 带宽：信号的频带宽度（赫）
  • 数字通信
  • 模拟通信

Now`带宽：数字信道所能传送的“最高数据率”，单位是b/s

收音机：106.2MP~~：波段；带宽：指波段的上界下界。

  • 延迟时延：数据从网络或链路的一端到另一端的所需时延。
  • 发送时延：传输时延：数据帧长度（b）/ 发送速率（b/s）
  • 传播时延：信道长度/传输速率
  • 时延带宽积：传播时延*带宽
  • 吞吐量：单位时间通过某网络的信道或接口的数据量

体系结构

分层设计

  • 对等实体：同一层的实体
  • 对等层：不同计算机的同一层

只定义，不讨论实现

接口：服务访问点

ISO/OSI参考模型

OSI：七层：应、表、会、传、网、数、物

  • 表示层：数据格式转换与压缩
  • 会话层：Session，访问次序的安排（插入同步结点）
  • 传输层：段：TCP：数据段/UDP：用户数据报（进程到进程）
  • 网络层：数据包/报/分组（路由器，基于IP的寻址）IP、ICMP、ARP、IGMP
  • 数据链路层-帧：两层交换机、网桥
  • 物理层：比特率

下为上服务

TCP/ICP模型：（应、表、会）、传、网际层、接口层

五层：

  • 物理层（处理信号）
  • 数据链路层（提供用户和网络的接口，物理寻址、流量控制、差错校验）
  • 网络层（控制报文通过网络的路由选择）
  • 运输层（保证数据的正确顺序和完整性、拥塞控制）
  • 应用层

上~下：封装（物理层不需要封装）

3. 物理层

传输媒体

传输媒介

  • 光纤：光信号
  • 双绞线：电信号
  • 同轴电缆：电信号
  • 微波：电磁波
  • 红外线：光信号

物理层的功能

传输比特流

  • 机械特性
  • 电气特性
  • 功能特性
  • 过程特性
  • 信号：数据的电气或电磁的表现
  • 模拟信号：联系
  • 数字信号：离散

调制

  • 基带信号：能量与频率（低频/直流）
  • 基带调制：数字
  • 带通调制：模拟

编码：其他信号转化为数字信号

  • 差分曼彻斯特：前一个后半部分与后一个的前半部分（相异为0）
  • 不归零制：正电平：1
  • 归零：突出来的是1
  • 曼彻斯特：高-低：1、低高：0

调制：物理层要在信号(载体)中识别数据的比特流

码元和比特率

  • 码元：波形/信号的不同形状（携带nbit数据）对应一种二进制编码格式

  • 比特率：单位时间数字通信系统传输的比特数（M*n bit/s）

  • 每个码元携带数据量： n = l o g 2 码 元 数 n=log_2^码元数 n=log2码元数​

  • 码元=波形

  • 奈氏准则：极限码元传输速率 B = 2 W B=2W B=2W、极限数据传输速率 B = 2 W ∗ l o g 2 V B=2W*log_2^V B=2W∗log2V​

  • 信噪比：信号平均功率/噪声的平均功率

  • B = 2 W ∗ l o g 2 1 + S / N B=2W*log_2^1+S/N B=2W∗log21+S/N​

  • 影响信道最大传输速率的因素：信道带宽和信噪比

物理层设备

中继器：将已经衰减得不完整信号，重新整理，产生完整的信号再继续发送（再生、仅作用于信号的电气部分）

仅仅简单的转发bit
总带宽/主机数

使用中继器的局域网是一个星形网，竞争对传输媒体的控制，同时刻只允许一个传输数据。

放大器，也放大了噪声。

集线器：多端口的中继器，增大碰撞的可能性。

传输媒体

两根双绞线在一起：减少串扰

4. 数据链路层

  • 垂直：服务
  • 水平：协议

数据链路层传输的是帧

不必考虑传输bit细节。

  • 广播通信方式

数据链路层的功能

  • 封装成帧

数据前后加上帧首部，尾部。

  1. 字符计数法
  2. 首尾定界符
  3. 比特填充
  4. 违规编码
  • 差错控制

误码率：传输错误的比特所占的比特总数

原始数据+CRC冗余位

原 始 数 据 / P = n 位 C R C 原始数据/P=n位CRC 原始数据/P=n位CRC

n+1位除数：P（异或模）

  • 只能做到无差错传输

  • 要做到“无差错传输”，加上确认重传机制

  • 数据链路层都是不可靠传输

  • 流量控制

接收方控制发送方的数据，点对点

发送窗口：没收到确认，可以将连续窗口的数据全部发送出去

接收窗口：只允许接收窗口内数据

停止-等待机制：发送一帧，等待确认

第一次发送标号为0，出错重传标号1

网络利用率：最大利用率（发送时间/总时间）

  1. 发送时延
  2. 传播时延
  3. 发送时延
  4. 传播时延

后退N帧滑动窗口协议：发送N，接收1，确认7次（累计确认）

哪里出错回哪里（忽略发送时延t1）

窗口编号：0-N-1，接收是0，1，2…N-1

2 n > = 发 送 窗 口 大 小 + 接 收 窗 口 大 小 2^n >= 发送窗口大小+接收窗口大小 2n>=发送窗口大小+接收窗口大小

  • 选择重传滑动窗口协议：不支持累计确认

哪里出错传哪里

带 宽 = 数 据 量 / 时 间 带宽=数据量/时间 带宽=数据量/时间

实 际 带 宽 = n ∗ 帧 长 / t 1 + t 2 + t 3 + t 4 实际带宽=n*帧长/t1+t2+t3+t4 实际带宽=n∗帧长/t1+t2+t3+t4

链 路 利 用 率 = n ∗ 发 送 时 延 / （ 发 送 时 延 + 传 播 时 延 ∗ 2 ） 链路利用率=n*发送时延/（发送时延+传播时延*2） 链路利用率=n∗发送时延/（发送时延+传播时延∗2）

n发送窗口大小

介质访问控制

总线型介质访问

  • 静态划分
  1. 频分复用
  2. 时分复用TDM
  3. 波分复用WDM
  4. 码分复用CDM
  • 随机访问介质访问控制
  1. ALOHA协议：有数据即发送
  2. CSMA协议：帧听空闲

碰撞检测：冲突检测

  1. CSMA/CA
  • 随机重发：二进制退避算法

空闲检测方法：

  • 能量载波混合检测
  • 带确认的发送机制
  • 轮训访问

介质访问控制方法，发生冲突：

  1. CDMA
  2. TDMA
  3. WDMA
  4. FWDM
  5. 轮询

以太网二进制回退算法，11次碰撞，随机数 0 − 2 10 − 1 0-2^10-1 0−210−1

K = k , k ≤ 10 10 , 10 < k < 16 报 错 ， k ≥ 16 K= \\begincases k, k\\leq10\\\\ 10, 10<k<16\\\\ 报错，k\\geq16 \\endcases K=⎩⎪⎨⎪⎧​k,k≤1010,10<k<16报错，k≥16​

  • 碰撞次数越多，等待时间越多
  • 首次重传的帧发生冲突概率最低
  • 数据帧传输时延至少要等于信号传播时延的2倍

局域网的数据链路层

局域网中的主机和路由器/交换机构成数据链路层，局域网只有两层结构

局域网：主机与主机通过交换机连接

局域网与局域网通过路由器连接

局域网广播的通信方式

局域网技术要素：

  1. 网络拓扑结构：星形网、环形网
  2. 传输介质：双绞线、铜线、光纤
  3. 介质访问控制方法：CSMA/CD、令牌总线和令牌环

局域网标准≈以太网

曼彻斯特：码元率=2*数据率

10Mbit/s以太网：51.2us为争用期长度（发送64字节，时延带宽积）

最 短 有 效 帧 长 = 争 用 期 ∗ 发 送 速 度 = 2 ∗ （ 介 质 长 度 / 传 播 速 度 ） ∗ 发 送 速 度 最短有效帧长=争用期*发送速度=2*（介质长度/传播速度）*发送速度 最短有效帧长=争用期∗发送速度=2∗（介质长度/传播速度）∗发送速度

有效地检测冲突：

  1. 减少电缆介质的长度或增加最短帧长

以太网规定最短有效帧长：64字节

以太网的MAC层

为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部目的地址字段中

MAC：物理地址，名字/标志符

  • 48位
  • 6字节，后三字节，由厂家指派，称为扩展唯一标志符

广播：目的地址为广播地址则，所有计算机接收

多播：帧（一对多）

  • 网络接口板：通信适配器或网络接口或网卡
  • 适配器的重要功能：绿色操作系统，不能无线上网（安装网卡驱动，安装以太网协议）
  • 适配器，会将本机MAC与帧中MAC检查，对号入座

以太网的帧格式

  1. DIX Ethernet V2 标准
  2. IEEE的802.3 标准
  1. 目的地址 6B
  2. 源地址-6B
  3. 类型-2B
  4. 数据-46B~1500B
  5. FCS检错-4B

64~1518B

  • 以太网MAC协议：无连接的不可靠的协议

广域网的数据链路层

点对点通信

国与国之间，不能用广播

连接用结点交换机组成

PPP协议

不需要的功能：

  • 纠错
  • 流量控制
  • 不可靠
  • 面向连接

三部分组成：

  • IP数据报串行链路的方法
  • 链路控制协议LCP：管理数据链路层

匹配不同链路层

  • 网络控制协议NCP：对上承接网络层协议

匹配不同网络层

透明传输协议：

  • 异步传输：字符填充法
  • 异步传输：位填充
  1. 建立链路
  2. 验证阶段
  3. 网络控制协商阶段
  4. 终止PPP链路

PPP：

  1. 一种成帧的方法
  2. 链路控制协议
  3. 网络控制协议
  4. 具有差错控制
  5. 支持动态IP分配
  6. 支持身份验证

PPP中的LCP帧作用：在建立状态阶段协商链路协议的选项

HDLC的帧类型

同时在线

  • 信息帧

  • 监督帧

  • 无编号帧

  • 广播域：只有能处理IP地址的才能称为

  • 扩展局域网：网桥

  • 网桥具有过滤功能

建立转发表，将源地址写在地址一栏，记录时间和接口

转发用目的MAC地址

透明网桥

透明网桥 运行自主学习算法维护转发表

交换机使用了生成树协议，无环路的树状结构

源路由网桥

源路由：在发送帧将详细的路由信息放在帧首部

指定发送路径

源站以广播方式欲向通信广播

  • 过滤通信量
  • MAC没有流量控制
  • 用户少和通信量不大的局域网

多接口网桥（以太网交换机）

无碰撞的传输数据

  1. 直通式交换，检测前6个字节，检测目的MAC
  2. 存储转发式交换：将帧存储在高速缓存中（延迟大）

  • 16个端口的集线器/中继器，冲突域1个，广播域1个

  • 16个端口的以太网交换机/网桥，冲突域16个，广播域1个

以太网交换机的本质是多端口网桥

5. 网络层

  • 网络层只提供简单灵活的、无连接、尽最大努力的数据报服务

  • 网络协议：IP/ARP/ICMP/IGMP

IP不可靠数据报传输，无连接

IP地址

32位的IP地址标识连接在互联网上的主机

  • 基本分类IP：两个字段net-id：host-id
  • 唯一性

IP地址8位一组，使用点分十进制提高可读性

特殊的IP：

  1. 0.0.0.0：本网络、DHCP请求的源地址、DSPF的根区域
  2. 255.255.255.255：全网广播、DHCP的目的地址
  3. 127.0.0.0：环回地址
  4. 网络地址：主机位全为0
  5. 广播地址：主机位全为1

C类：host-id：8位，有效/主机IP地址： 2 8 − 2 2^8-2 28−2

  • 路由器只有有两个IP地址
  • 转发器或网桥连接的依然有相同的host-id

划分子网

从主机号借用若干位作为子网号 subnet-id

  • 字段net-id:subnet-id: host-id

子网掩码：判断有无子网划分

  • 32位
  • 左边一连串1，对应网络号和子网号
  • 右边全为0，对应主机号

子网号不能全为1/0
主机号不能全为1/0

IP地址与子网掩码诸位相与~网路地址，点分十进制表示

划分子网的方式：

  1. 主机优先：优先考虑分配主机位（每个子网中，主机数不等）
  2. 子网优先：优先考虑分配子网位（每个子网中，主机数相等）
  3. 尽可能提高IP地址利用率

无分类编址 CIDR

  • 无类别
  • 网络前缀，代替网络号和子网号
  • 字段网络前缀: host-id
  • 路由聚合构成超网

路由聚合：把前缀相同的聚合在一起（把公共前缀留下）

私有IP

  • 本地地址（专用地址、私有地址）
  • 全球地址：唯一IP
  1. A：10.0.0.0~10.255.255.255

10.0.0.0/8，24位块

  1. B：172.16.0.0~172.31.255.255

172.16.0.0/12，20位块

  1. C：192.168.0.0~192.168.255.255

192.168.0.0,16，16位块

  • 私有IP需要网络地址转换NAT
  • NAT路由器，至少有一个全球IP地址（把私有IP通过NAT翻译为全球IP）

IPv6

地址增大128位

  • 每16位用16进制表示，冒号分割
  • 允许把前面的数字0省略
  • 单播
  • 多播
  • 任播，距离最近的一个

过渡算法

  • 双协议栈：自动切换
  • 隧道技术

全为0网络地址，全为1广播地址

Example

  1. C类网络，24位网络位，8位主机位，可以有 2 8 − 2 = 254 2^8-2=254 28−2=254台主机

  2. 主机位为0是网络地址，为1是广播地址，不全为1IP地址

  • A 0-126 8位
  • B 128-191 16位
  • C 192-223 24位
  • D 224-239：主播地址
  • 子网位： 2 N 2^N 2N个子网
  • 主机位： 2 M − 2 2^M-2 2M−2个主机

A：255.0.0.0
B：255.255.0.0
C：255.255.255.0

  1. 255.255.240.0与255.255.0.0 相与：4个1，255.255：8位，.240.0：4位，主机位12位， 2 1 2 − 2 = 4094 2^12-2=4094 212−2=4094

240:1111，子网掩码与IP地址与，最后4个1，4位子网

  1. 192.168.10.0：C类网络，24位网络位，最后4位全为0：网络地址
  2. 1个B类地址，新增51个子网，每个子网800台

子网数>= l o g 2 51 = 6 log_2^51=6 log251​=6位，掩码需要6个，252
主机数位=16-6=10位= l o g 2 10 = 1024 > 800 log_2^10=1024>800 log210​=1024>800

  1. 某网络号：198.90.10.0/27

C类地址，24位网络位，借了3位主机位，来充当子网位 2 3 2^3 23，5位主机位，有效IP数： 2 5 − 2 = 30 2^5-2=30 计算机网络之数据链路层

计算机网络学习笔记——数据链路层功能和服务帧定位差错海明距离检错码和纠错码

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