计算机网络(基础篇)复习笔记——体系结构/协议基础（持续更新中......)

1 计算机网络基础

1. 三大特征:信息化 /网络化/数字化

2. 分类1: 计算机网络/电信网络/有线电视网 ;互联网(资源共享/共享)与互连网
   分类2:广域网WAN/城域网Man/局域网LAN/个人局域网PAN
   分类3: 公用网/专用网

3. 发展历史:arpanet/三级结构互联网(主干网/地区网/校园网)/ISP结构的互联网(主干ISP/地区ISP/本地ISP)

4. 组成:边缘(C/S或P2P模式通信)/核心部分(电路/报文/分组交换)

5. 性能:

   1速率:
   1Gb=10^3 Mb=10^6 Kb =10^9bit
   1GB=1024MB=2^20 KB=2^30 Byte=2^30 * 8 bit
   2带宽: 频带宽度/最高数据率
   3吞吐量:通过某个网络(接口等)的实际数据量
   4时延:
   发送时延: 电脑处理, =帧长度bit / 发送速率bit/s
   传播时延: 通过链路时间,=信道长度m / 传播速率 m/s
   处理时延: 路由器处理(查找转发表等)
   排队时延: 经过路由器等待处理
   时延带宽积:传播时延*带宽
   往返时间RTT: 发送时间=数据长度/发送速率(一方主机确认信息的时间)
   利用率: 信道利用率和网络利用率

相关技术

1. 互联网交换点 IXP: 两个网络直接相连并交换分组,无需通过第三个网络来转发分组

Rip 路由更新操作

路由器6 收到路由器4的更新路由信息, 尝试更新路由器6的路由表
1 r4 中距离都加1
2 r4中的信息在r6中没有,添加
3 下一跳路由器相同: 若距离变大或小,则更新
下一跳路由器不同, 比较距离, 若小于r6表中距离则更新,否则不更新

2 体系结构(OSI 7层, TCP/IP4层)

由高到低排序
协议:即规则,

1. 语法:信息结构或格式(txt / zip )
2. 语义:请求与响应等动作
3. 同步:顺序

应用层

功能: 完成进程间的通信

协议

1. DNS:

   域名系统
   53
   域名解析成IP地址

2. . HTTP:

   超文本传输协议
   80
   web服务器间 传输超文本文档

3. SMTP:

   简单邮件传输协议
   25
   发送邮件

运输层

功能: 为进程间通信提供数据传输服务

服务:

可靠服务   (顺丰快递员送到你手上)

设备:

网关: 网络层及以上

协议

1. TCP:

2. UDP:

网络层

类似物流的 分拣中心和配送网络

功能:

1. 在路由器上生成转发表
2. 转发分组

服务:

无连接 (  无需建立持久的连接 )/ 尽最大努力交付的数据报(分组)服务;   可以出错( 向某地方扔石头, 到底能不能扔到指定地方不关心,纯粹玩)

设备:

路由器 (中间设备)

两个层面

传送的数据   (数据层面)
传送的路由信息  (控制层面)

虚电路

是一种逻辑连接

IPv4

IP地址标志了网段( 网络号 )  , 也标志了主机( 主机号  )
::  意思: 定义为
0.0.0.0 : 表示本网络地址; 0.0.0.0 /0  默认路由
127.0.0.1:环回测试地址

分类:

A  0.0.0.0   127.0.0.0 
B  128.0.0.0  191.255.0.0
C  192.168.0.0  223.255.255.0
D  224.0.0.0  239.255.255.255  多播或组播地址 
E  240.0.0.0   255.255.255.255   保留地址私有地址：
10.0.0.0   10.255.255.255
172.16.0.0   172.31.255.255
192.168.0.0   192.168.255.255A类: 网络号n=8位 ; 固定网络号0  ( 网络号2^7, 主机数 2^24-2 ) ; 地址掩码255.0.0.0/8  ;
B类: n=16, 固定10
C类: n=24 ,固定110
(A/B/C都是单播)
D类:(多播)
E类: (保留)网络号全0: 
主机号全0: 表网络地址(5.0.0.0 )   ;    全1:表该网段所有主机, 非单一的指定主机( 5.1.1.1 )地址掩码: 网络前缀全1, 主机号全0构造超网
路由聚合
无编号网络/匿名网络: 两个路由器相连的区间构成的网络, 用 /31地址块,只有两个地址

IP地址与Mac地址

Mac地址: 数据链路层使用
IP地址: 网络层及以上可以直接使用Mac地址通信,为什么还要多个IP?
各种不同网络使用各种不同Mac地址, 互相通信困难,  才有了IP

ARP协议:

解决的问题: 同一局域网中, IP 到 Mac地址的解析(I儿子 找 M妈妈; 高层的IP 找 低层的Mac )

要点:  在主机ARP 高速缓存中存放IP 到 Mac的映射表( 动态更新)
过程: 
先在本地缓存表中查找,有则将该Mac地址写入帧并转发; 
没有,广播自己IP/Mac 以及要找对方主机的IP地址, 运行arp进程的都会收到;  
某主机收到该IP地址与自己IP地址相符则单播给对方; 且发送方记录映射关系

IP数据报格式

IP地址特点:

分等级地址结构
根据网络前缀转发分组,减少查找转发表的时间
多归属主机: 连接到两个网络,同时具有两个相应的IP地址
不同网络前缀使用路由器互连
以太网交换机链路层设备,只有Mac地址

计算:

网络地址= IP地址 ( 按位与 and)  &&   地址掩码

无分类域间路由选择 CIDR

解决/延迟的问题:

IP地址枯竭

要点:

网络号 变  网络前缀
区别: 网络前缀位数 n 可变
方法:斜线记法／ CIDR记法

下一跳

相邻的目的地
三家,一条线上,b居于其中 ; a 去 c家玩, 跳数可当做距离数, a的下一跳目的地就是b家, b家的下一跳就是c家
总共2跳 

rip

r4与r6相邻, r6加1即可得到相应链路条数
相互比对,下一跳一样不更新, 哪个短留哪个, 没有路由信息则添加

洪泛法

对相邻间的路由器进行广播转发,直到所有结点都收到该信息

IPV6

解决: IPv4耗尽情况,采用更大地址空间的新版本IP, 即 IPv6
当前情况: IPv4和IPv6共存, 不能直接去掉IPv4,因为IPv6不能一次性部署完

IPv6的变化:

更大的地址空间
扩展的IPv6更多的层次ipv4三个层次,
支持即插即用(自动配置)
IPv4,4字节对齐,IPv6,8字节对齐
IPv6固定首部40个字节后缀默认为 / 64

其他协议:

ARP
ICMP
IGMP

数据链路层

功能:

1. 两台相邻主机间的数据传输

2. 数据传输中的差错控制

3. 封装成帧
   数据前后添加首部和尾部—帧
   帧定界: 确定帧的界限
   帧开始符:soh
   帧结束符:eot

4. 透明传输

   无论什么比特的数据,都能没有差错的通过数据链路层
   数据中出现soh或eot, 在前加入转义字符esc
   如数据中的eot变为esceot

5. 差错检测
   传输过程不理想,有比特差错,进行检测
   方法:

循环冗余校验CRC

1. 前提条件: 二进制 与 K(x)多项式的转换 / 约定好的除数 K(x) ,r为g(x)中最高次幂

2. 转换数据:
   原始数据: 101001 转换为   K(x)= x^5+ x^3 +1(x^0)
   约定好的除数: 1101 转换为   g(x)=x^3+ x^2 +1…, r=3 (最低位为0 , 则 不写 )

被除数: k(x) * x^3 =x^8 +x^6 + x^3= 101001000

或者r=3,  则在原始数据后添加3个0 , 得到101001 000

运算:

被除数101001000 / 除数1101 (模二/异或运算,  相同为0,不同为1),得到余数 帧检验序列 FCS= 001
r=3, 则帧检验序列  得到的余数也是3位

3. 发送的数据: 原始数据+FCS: 101001001

4. 检验: 发送的数据 / 约定好的除数 , 余数为0, 正确

作用:实现无比特差错传输

协议

PPP点对点协议:

计算机和ISP通信时所用的协议, 支持多种网络层协议如IP
支持全双工链路过程	
建立LCP链路连接,NCP链路连接,通信完毕关闭NCP连接,收回IP地址

设备

交换机 /	网桥或桥接器 (中间设备)

1. 适配器

   Mac地址 就在适配器的ROM中
   功能: 过滤帧, 混杂模式监听接收帧; 串并传输转换

Mac帧: 目的地址6,源地址6B,类型2B(协议),数据1500B,FCS 4B

2. 二层交换机,又称交换式集线器

    特点:几个端口,几个冲突域功能: Mac地址与转发端口的交换表, 表中没有则交换机广播,广播后记录相应信息缺点与解决: 广播时重复转圈查找 ,浪费资源.因而有了 生成树协议STP
   

信道:
3. 点对点通道
4. 广播通道

链路:相邻结点间的物理线路(物理链路)
数据链路:协议+硬件/软件(逻辑链路)

物理层

功能: 确定与传输媒体接口有关的一些特性

注意: 传输媒体如: 双绞线/光纤不包括在 物理层

Mac地址: 6字节, 48位

传输媒体

导引型(有线)

1. 双绞线(屏蔽stp/无屏蔽utp)
   5类双绞线: 100Mbit/s, 带宽100Mhz
   超5类双绞线(5E): 1Gbit/s, 带宽125Mhz

2. 同轴电缆
   抗干扰性好
   1ghz

3. 光缆
   单模光纤:
   多模光纤:

非导引型(无线)
低频: 30khz~300khz
中频: 300khz~3mhz
高频: 3mhz~30mhz
超高频: 30mhz-300mhz-3ghz-30ghz-300ghz

1. 无线电微波:
   微波: 频率范围–300mhz~300Ghz, 波长(1m-1mm)
2. 短波通信(高频)
3. 微波接力
4. 卫星通信: 传播时延较大
5. 红外通信
6. 激光通信

信道复用技术

复用: 多信道融合/共享

1. 频分复用FDM
   根据频率, 不同信号划分到不同的频率位置
   频分多址(多个用户)FDMA

2. 时分复用TDM
   每个时间段中, 有每个信号固定的时间帧
   时分多址(多个用户)TDMA

3. 码分复用CDM

码分多址CDMA

4. 波分复用
   光的频分复用
   分波器: 光复用器/光分用器

宽带接入技术

有线宽带接入
无线宽带接入

宽带: 提供高速互联网接入的技术
带宽:

1. 频率范围

2. 传输速率

3. ADSL(非对称数字用户线)
   下载带宽 远大于> 上行带宽

升级版VDSL(甚高速数字用户线)

DSL(对称数字用户线)
带宽平均与上行和下行;
适用于企业

2. 光纤同轴混合网(HFC网)
   居民宽带接入网
   光纤+同轴, 分别传输光信号与电信号
   数据率取决于多少个用户正在传输数据; 人数多,速率低

3. 光纤到户 FFTx 技术
   光纤铺设到家门口,之后才将光信号转为电信号
   FFTC(光纤到路边)
   FFTZ(光纤到小区)
   FFTB(光纤到大楼)
   FFTF(光纤到楼层)
   FFTO(光纤到办公室)
   FFTD(光纤到桌面)

设备

转发器 (中间设备)
集线器

数据通信

模型: 源, 传输, 目的系统

数字传输系统:
数字传输标准—同步光纤网SONET

3 网络

局域网(以太网Ethernet)

1. 原因: 未形成统一的局域网标准

2. 结果: 局域网的数据链路层分为 逻辑链路控制子层LLC(逐渐消失) 和 媒体接入控制子层MAC

3. 服务:不可靠交付; 虚拟局域网VLAN

4. 通信方式:半双工通信,交替进行

5. 网状结构:

    总线型广播式以太网通信,同一时间仅允许一台主机通信,占用资源.因而出现了 载波监听多点接入/碰撞检测协议 CSMA/CD星型以太网:集线器为核心扩展以太网:1.物理层扩展2.数据链路层扩展: 网桥
   

虚拟局域网VLAN:

	提供的一种服务,应对广播风暴, 财务安全,划分逻辑上的局域网以太网帧格式:(以支持vlan)目的地址6B -源地址6B-VLAN标签4B-类型2B-数据1500B-FCS 4B

4 通信过程

发送器—调制解调器(调幅/频/相)—线路通道—接收器—终点
发送器发送消息 . 消息, 数据, 信号
信道中通信方式:
单工通信, 双工通信,半双工通信

编码:

归零码:1为正, 0为负
不归零码: 1在高处,0在低处
曼彻斯特编码:1在起始高位, 0在起始低位
差分曼彻斯特编码: 分界线处无跳变不连续1, 分界线有跳变连续0

信道极限容量

信噪比:

1. s/n=信号的平均功率/噪声的平均功率

2. db=10 log10(s/n) db

香农公式:
信道的极限信息传输速率c= W log2(1+s/n) bit/s( 其中w为信道带宽hz)

5 名词解释

1. 主机
   计算机/站点

待续、更新中

 
 
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