基本概念

计算机网络: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.

计算机网络是互连,自治的计算机集合

功能:
计算机网络具有以下功能:
数据通信即连通性
资源共享 硬件,软件,数据
分布式处理多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分,Hadoop平台
提高可靠性替代机
负载均衡

组成方式

硬件,软件,协议

工作方式

工作方式可分为 C/S模式,P2P模式

功能组成

分类

按分布范围分 广域网WAN 城域网MAN 局域网WAN 个人区域网PAN

按使用者分 公用网 专用网

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 环型 网状型

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

性能指标

局域网

Local Area Network(LAN),是指某一区域内由多台计算机互联成的计算机组,使用广播信道
特点1:覆盖的地理范围小
特点2:使用专门铺设的传播介质(双绞线.同轴电缆)进行联网,数据传输速率高
特点3:通信延迟时间短,误码率低,可靠性较高
特点4:各站为平等关系,共享传输信道
特点5:多采用分布式控制和广播式通信,能进行广播和组播

决定局域网的要素:网络拓扑,传输介质,介质访问控制方法
网络拓扑

常用:以太网

分类
以太网
逻辑拓扑总线型,物理拓扑是星型或者扩展星型,采用CSMA/CD.都符合IEEE802.3系列标准规范.

令牌环网 IEEE802.5
物理上采用星型拓扑结构,逻辑上是环形拓扑结构

FDDI网(Fiber Distributed Data Interface ) IEEE802.8
物理上采用双环拓扑结构,逻辑上是环形拓扑结构.

ATM网(Asynchronous Transfer Mode)
较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换

无线局域网(WLAN)
采用IEEE802.11标准

以太网

以太网提供无连接,不可靠的服务.
无连接:发送方和接收方之间无”握手过程”
不可靠:不对发送方的数据帧编号,接收方不向发送方进行确认,差错帧直接丢弃,差错纠正由高层负责

Mac地址
在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC地址
每个适配器有一个唯一个全球唯一的48位二进制地址,前24位代表厂家(由IEEE规定),后24位厂家自己指定,常用6个16进制位表示,如02-60-8c-e4-b1-21

无线局域网

广域网

Wide Area Network

广域网的通信子网主要使用分组交换技术,广域网的通信子网可以利用公用分组交换网,卫星通信网,无线分组交换网,它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来,达到资源共享的目的.

PPP协议

Point-to-Point是目前使用最广泛的数据链路层协议,用户使用拨号电话接入因特网一般使用PPP协议,它只支持全双工链路.
PPP协议要求

• 简单,对于链路层的帧,无需纠错,无需序号,无需流量控制.
• 封装成帧 帧定界符
• 透明传输 与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理,异步线路用字节填充,同步线路用比特填充
• 多种网络协议 封装的IP数据报可以采用多种协议
• 多种类型链路 串行/并行 同步/异步 电/光
• 差错检测 错就丢弃
• 检测连接状态 链路是否正常工作
• 最大传送单元 数据部分最大长度MTU
• 网络层地址协商 知道通信双方的网络层地址
• 数据压缩协商

HDLC协议

高级数据链路控制,是一个在同步网上传输数据,面向比特的数据链路层协议,数据报文可透明传输,用于实现透明传输的”0比特插入法”易于硬件实现

HDLC与PPP区别

分层结构

为什么要分层?

分层的基本准则:
1.各层之间相互独立
2.各层之间界面自然清晰
3.结构上可分隔开,每层都采用最合适的技术来实现
4.保持下层对上层的独立性,上层单向使用下层提供的服务
5.整个分层结构应该能促进标准化工作

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: 对等实体间数据交换规则,包括 语法,语义,同步
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)

SDU 服务数据单元-为完成用户所需的功能而传送的数据
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元

OSI参考模型

7层 OSI参考模型(法定标准)

记忆诀窍:物-链-网-输-会-示-用(物联网淑慧实用)


应用层 所有能和用户交互产生网络流量的程序
典型服务: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)
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).功能一: 建立,管理,终止会话;功能二: 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 ADSP,ASP

传输层 负责主机中两个进程的通信,即端到端通信.传输单位是报文段或用户数据报.
功能一: 可靠传输,不可靠传输

功能二:差错控制

功能三:流量控制
发送/接收速度是否匹配

功能四:复用分用
复用:多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务
分用:运输层把接收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程

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.网络层传输单元是数据报
功能一 路由选择

功能二 流量控制

功能三:差错控制

功能四:拥塞控制,若所有节点都来不及接收分组,而要丢弃大量分组的话,网络就处于拥塞状态,因此要采取一定措施,缓解这种拥塞.
常用协议: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.
功能一:成帧(定义帧的开始和结束)
功能二:差错控制 帧错+位错
功能三:流量控制
功能四:访问(接入)控制 控制对信道的访问
常用协议 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
物理层传输的单位是比特

功能一:定义接口特性
功能二:定义传输模式 单工,半双工,双工
功能三:定义传输速率
功能四:比特同步
功能五:比特编码
常见协议:Rj45,802.3

TCP/IP参考模型

4层TCP/IP参考模型(事实模型)

TCP/IP协议栈

OSI与TCP/IP参考模型相同点

• 都分层
• 基于独立的协议栈的概念
• 可以实现异构网络互连

OSI与TCP/IP参考模型不同点

• OSI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作为重要层次
• 

5层体系结构

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和转发 IP,ICMP,OSPF
数据链路层 把网络层传下来的数据报组织成帧 Ethernet,PPP
物理层 比特传输

物理层

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
机械特性,物理连接时所采用的规格,接口形状,引线数目,引脚数量
电气特性,规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围,传输速率和距离
功能特性,指明某条线上出现的某一电平表示何种意义
规程特性,定义各条物理线路的工作规程和时序关系

传输介质及分类

传输介质也称传输媒体/传输媒介,它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路.传输媒体并不是物理层.

• 导向型传输介质->电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播
  无屏蔽双绞线,屏蔽双绞线,同轴电缆,光纤(多模,单模)
• 非导向性传输介质-> 自由空间,介质可以是空气,真空,海水等
  无线电波,微波(地面微波接力通信,卫星通信),红外线,激光

物理层设备

中继器
由于存在损耗,在线路上传输的信号功率会逐渐衰减,衰减到一定程度时将造成信号失真,因此会导致接收错误.

中继器对信号进行再生和还原,对衰减信号进行放大,保持与原数据相同,以增加信号传输的距离,延长网络的长度.

• 两端的网络部分是网段,而不是子网,适用于完全相同的两类网络的互连,且两个网段的速率要相同
• 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆,它仅作用于信号的电气部分,并不管数据中是否有错误或不适于网段的数据
• 两端可以连相同媒体,也可以连不同媒体
• 中继器两端的网段一定要是同一个协议(中继器不会存储转发)
• 5-4-3规则
  
  集线器(多口中继器)
  对信号进行再生放大转发,对衰减的信号进行放大,接着转发到其他所有处于工作状态的端口上,以增加信号传输的距离,延长网络的长度.不具备信号的定向传送能力,是一个共享式设备.
  

数据链路层

结点: 主机,路由器
链路: 网络中两个结点之间的物理通道,链路的传输介质主要有双绞线,光纤,微波.分为有线链路,无线链路
数据链路: 网络中两个结点之间的逻辑通道,把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路
帧: 链路层的协议数据单元,封装网络层数据报

数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报.

功能一:为网络层提供服务.无确认无连接服务,有确认无连接服务,有确认面向连接服务.注意:有连接一定有确认

功能二:链路管理,即连接的建立,维持,释放(用于面向连接的服务)

功能三:组帧.

首部和尾部包含许多的控制信息,他们的一个重要作用:帧定界
帧同步:接收方应能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止

组帧

1. 字符计数法
   
   帧首部使用一个计数字段(第一个字节,八位)来标明帧内字符数

2. 字符(节)填充法
   
   当传送的帧是由文本文件组成时(文本文件的字符都是从键盘上输入的,都是ASCII码),不管从键盘上输入什么字符都可以放进帧里传过去,即透明传输.当传送的帧是由非ASCII码的文本文件组成时(二进制代码的程序或图像)就要采用字符填充实现透明传输.
   

3. 零比特填充法
   在发送端,扫描整个信息字段,只要连续5个1,就立即填入1个0.在接收端接收到一个帧时,先找到标志字段确定边界,再用硬件对比特流进行扫描.发现连续5个1时,就把后面的9删除

4. 违规编码法
   
   可以用”高-高”,”低-低”来定界帧的起始和终止

功能四:流量控制.
较高的发送速度和较低的接收能力不匹配,会造成传输出错,因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作

功能五:差错控制(帧错/位错)


奇偶校验码只能检查出奇数个错误,检错率为50%

流量控制

较高的发送速度和较低的接收能力不匹配,会造成传输出错,因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作.数据链路层的流量控制是点对点的,而传输层的流量控制是端到端的.

数据链路层流量控制手段:接收方收不下就不回复确认
传输层流量控制手段:接收端给发送端一个窗口公告

停止-等待协议

为什么要有停止-等待协议?
除了比特出差错,底层信道还会出现丢包问题,为了实现流量控制

每发送完一个帧就停止发送,等待对方的确认,在接收到确认后再发送下一个帧.

有差错情况

1. 数据帧丢失或检测到帧出错
   

超时计时器:每次发送一个帧就启动一个计时器.超时计时器设置的重传时间应当比帧传输的平均RTT更长一些.
注意:

• 发送一个帧后,必须保留它的副本
• 数据帧和确认帧必须编号

2. ACK丢失

3.ACK迟到

停止等待协议性能分析
简单!信道利用率太低!

滑动窗口协议

滑动窗口机制解决(1)流量控制:发送端发啥,接收端收啥(2)可靠传输:控制发送速率,使接收方有足够的缓冲空间来接受每一个帧

后退N帧协议(GBN)

GBN发送方必须响应的三件事

1. 上层的调用
   上层要发送数据时,发送方先检查发送窗口是否已满,如果未满,则产生一个帧并将其发送;如果窗口已满,发送方只需将数据返回给上层,暗示上层窗口已满.上层等一会再发送.(实际现实中,发送方可以缓存这些数据,窗口不满再发送帧)
2. 收到了一个ACK
   GBN协议中,对n号帧的确认采用累积确认方式,标明接收方已收到n号帧和它之前的全部帧
3. 超时事件
   如果出现超时,发送方重传所有已发送但未被确认的帧.

GBN接收方要做的事

1. 如果正确收到n号帧,并且按序,那么接收方为n帧发送一个ACK,并将该帧中的数据部分交付给上层.
2. 其余情况都丢弃帧,并为最近按序接收的帧重新发送ACK.接收方无需缓存任何失序帧,只需要维护一个信息:expectedseqnum
   

选择重传协议(SR)

注意:窗口大小固定

介质访问控制

采取一定的措施,使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况

静态划分信道
频分复用–并行 时分复用–并发

动态分配信道
特点:信道并非在用户通信时固定分配给用户
随机访问介质访问控制:所有用户可随机发送信息,发送信息时占全部带宽.

随机访问MAC协议

ALOHA协议

纯ALOHA协议
不监听信道,不按时间槽发送,随机重发

冲突如何检测?
如果发生冲突,接收方就会检测出差错,然后不予确认,发送方在一定时间内收不到就会判断发生冲突

冲突如何解决?
超时后等一随机时间再重传

时隙ALOHA协议
时隙ALOHA协议的思想:把时间分成若干个相同的时间片,所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道,若发生冲突,则必须等到下一个时间片开始时刻再发送.

注意:
纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低,效率更低.
纯LAOHA想发就发,时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发.

CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA(Carrier Sense Multiple Access)

CS:载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前要检查一下总线上是否有
其他计算机在发送数据(当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加),当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值,就认为总线上至少有两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞,即发生了冲突.)

MA:多点接入,表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上.

协议思想:发送帧之前,监听信道

1-坚持CSMA
坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持

如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道.
空闲则直接传输,不必等待.
忙则一直监听,等到空闲马上传输.
如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复),则等待一个随机长的时间再监听,重复上述过程.

优点:只要媒体空闲,站点就马上发送,避免了媒体利用率的损失
缺点:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免.

非坚持CSMA
非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听

如果一个主机要发送消息,那么先监听信道.
空闲则直接传输,不必等待.
忙则等待一个随机的时间之后再进行监听.

优点:采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性.
缺点:可能存在大家都在延迟等待过程中,使得媒体仍可能处于空闲状态,媒体使用率降低.

p-坚持CSMA
p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理

如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道.
空闲以p概率直接传输,不必等待;概率1-p等到下一个时间槽再传输.
忙则等待一个随机的时间之后再进行监听.

优点:既能像非坚持算法那样减少冲突,又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案.
缺点:发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完,造成了浪费

CSMA/CD协议⭐️

载波监听多点接入/碰撞检测协议(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

CD:边监听边发送,适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况,以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据.(半双工网络)

传播时延对载波监听是否有影响?

如何确定碰撞后的重传时机?
截断二进制指数规避算法

最小帧长?
帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延.

PS:以太网规定的最短帧长为64B,凡是长度小于64B的都是由于冲突而异常终止的无效帧.

CSMA/CA协议

载波监听多点接入/碰撞避免协议(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)


CSMA/CD与CSMA/CA异同

轮询访问MAC协议

既要不产生冲突,又要发送时占全部带宽

轮询协议

主节点轮流邀请从属节点发送数据

问题

1. 轮询开销
2. 等待延迟
3. 单点故障(主节点宕机)

令牌传递协议

应用与令牌环网(物理星型拓扑,逻辑环形拓扑),通常用于负载较重,通信量较大的网络中

令牌:一个特殊格式的MAC控制帧,不含任何信息.控制信道的使用,确保同一时刻只有一个结点独占信道.

每个结点都可以在令牌持有时间内获得发送数据的权利,并不是无限制的持有令牌.
问题:

1. 令牌开销
2. 等待延迟
3. 单点故障

链路层设备

物理层扩展以太网


链路层扩展以太网
网桥

网桥根绝MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤,当网桥收到一个帧后,并不向所有接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口,或者是把它丢弃(即过滤)

优点

1. 过滤通信量,增大吞吐量
2. 扩大物理范围
3. 提高可靠性
4. 可互连不同物理层,不同MAC子层和不同速率的以太网

交换机
多接口网桥独占传输媒体带宽

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
功能一 路由选择与分组转发