计算机网络

这是一个关于计算机网络的思维导图，计算机网络是一种将计算机连接在一起，实现数据和资源共享的通信系统。其核心功能是数据传输和资源共享，使得网络中的计算机可以相互通信、交换信息和共享资源。

计算机网络

• 1.互联网
  • 重要基础点
    • 连通性
    • 共享性
  • 互联网+
    • 为传统行业注入新鲜血液
  • 负面影响
    • 瑕不掩瑜
  • 区别于“互连网”
• 2.计算机网络
  • 概述
    • 简称“网络”：由若干节点和连接这些节点的链路组成
    • 互连网
      • 互连网是”网络的网络“
      • 网络把许多计算机连接起来，互连网通过路由器把网络连接在一起。
    • 主机
      • 与网络相连的计算机
      • 包含但不仅限于计算机，如手机等
      • 需包含相应的软件
  • 结构发展
    • ARPANET向互连网
      • 始于1969年美国国防部
      • 1983年TCP/IP协议应用
    • 三级结构的互联网
      • 1985年的NSFNET
      • 交托于私人公司经营
    • 多层次ISP结构的互联网
      • 商业化
      • 国内
        • 移动
        • 联通
        • 电信
      • 分类
        • 主干ISP
        • 地区ISP
        • 本地ISP
      • IXP诞生
        • 数据流量急剧增长
        • 优势
          • 降低迟延
          • 流量分布合理
          • 降低费用
      • 互联网标准
        • 面向公众
        • 1992年ISOC
          • IAB
            • IETF
            • IRTF
        • 流程
          • 1.互联网草案（2011.10取消）
          • 2.建议标准
          • 3.互联网标准
  • 互联网的组成
    • 边缘部分
      • 概念
        • 由所有连接在互联网的主机构成
        • 客户直接使用
        • 用来通讯和资源共享
      • 类别
        • 客户-服务器（C/S）
          • 客户程序
            • 主动方，须知道服务程序地址
            • 硬件/操作系统要求不高
          • 服务器程序
            • 可同时处理多个客户的请求
            • 不断运行，不需要知道客户地址
            • 强大的硬件/高级的操作系统
        • 对等连接（P2P）
          • 运行P2P程序
          • 平等、对等连接通信
    • 核心部分
      • 特殊作用：路由器
        • 用来转发分组
        • 必须经常交换彼此掌握的路由信息
      • 电路交换
        • 建立连接→通话→释放连接
        • 物理通路，不被占用
        • 用户线是专有的，中继线是共享的
        • 通话时间内，始终占用端到端的通话资源
        • 传输计算机数据效率很低
      • 分组交换
        • 实则采用储存转发技术
        • 将报文分组，再加上由控制信息组成的首部，构成分组
          • 互联网中传送的数据单元
          • 分别独立传输
        • 传输数据之前不必先占用端到端的链路的通信资源
        • 传输效率更高
        • 优点
          • 高效
          • 灵活
          • 迅速
          • 可靠
        • 弊端
          • 路由器存储转发排队造成时延
          • 携带的分组信息造成一定的开销
          • 需要专门的管理和控制机制
  • 我国的发展
    • 1980年铁道部实验
    • 1989.11 CNPAC
    • 1994.04.20 64kbit/s专线接入互联网
    • 大规模
      • 电信CHINANET
      • 联通UNINET
      • 移动CMNET
      • 教育网CERNET
      • 科学网CSTNET
  • 类别
    • 定义：由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。这些可编程的硬件能够用来传输多种不同类型的数据，并能支持广泛且日益增长的应用。“可编程的硬件”表明硬件一定要有中央处理机CPU。
    • 不同类别
      • 作用范围
        • 广域网WAN
        • 城域网MAN
        • 局域网LAN
        • 个人区域网PAN
      • 使用者
        • 公用网
        • 专用网
      • 接入网AN
  • 性能
    • 性能指标
      • 速率
        • 数据的传送速率
        • 单位：bit/s
      • 带宽
        • 本指一个信号具有的频带宽度——频域
        • 单位时间内“最高数据率”——时域
      • 吞吐量：单位时间内通过网络的实际数据量
      • 时延
        • 数据从网络的一端到另一端的时间
        • 发送时延
          • 主机或路由器发送数据帧所需要的时间
          • 数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）
        • 传播时延
          • 电磁波在信道中传播一定距离所需要的时间
          • 信道长度（m）/电磁波在信道中的传播速率（m/s）
        • 处理时延
        • 排队时延
          • 取决于当时网络的通信量
          • 队列溢出时，使分组丢失，排队时延无穷大
        • 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
      • 时延带宽积
        • 传播时延*带宽
        • “管道”充满比特时，链路得到充分利用
      • 往返时间RTT
      • 利用率
        • 信道利用率
          • 百分之几的时间有数据通过
          • 并非越高越好
        • 网络利用率
          • 全网络信道利用率的加权平均值
        • 利用率过高会产生较大的时延
        • • D为当前时延
          • 为空闲时的时延
          • U为网络利用率
    • 非性能特征
      • 费用
      • 质量
      • 标准化
      • 可靠性
      • 可扩展性和可升级性
      • 易于管理和维护
  • 体系结构
    • OSI：理论标准
      • 应用层
      • 表示层
      • 会话层
      • 运输层
      • 网络层
      • 数据链路层
      • 物理层
    • TCP/IP：实际标准
      • 应用层
      • 运输层（TCP/UDP）
      • 网际层IP
      • 网络接口层
    • 五层协议
      • 应用层
      • 运输层
        • TCP
        • UDP
      • 网络层
      • 数据链路层
      • 物理层
    • 相关概念
      • 实体
        • 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
      • 协议
        • 两个队等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合
        • 协议的实现保证了能够为上一层提供服务
      • 服务
        • 能够被上一层“看得见”的功能才能称之为“服务”
      • 协议是“水平的”，服务是“垂直的”
    • TCP/IP结构
      • 并未严格遵守OSI标准
      • 可以为各式各样的应用提供服务
      • 允许IP协议在各种网络构成的互联网上运行
      • everything over IP;IP over everything
• 3.物理层
  • 基本概念
    • 主要任务
      • 机械特性
      • 电气特性
      • 功能特性
      • 过程特性
    • 数据在通信线路上主要为串行传输
  • 数据通信基础知识
    • 通信系统
      • 源系统
        • 源点
        • 发送器
      • 传输系统
      • 目的系统
        • 接收器
        • 终点
    • 信号
      • 数字信号
      • 模拟信号
    • 通信
      • 单向通信
      • 双向交替通信
      • 双向同时通信
    • 调制
      • 编码
        • 不归零制
        • 归零制
        • 曼彻斯特编码
        • 差分曼彻斯特编码
      • 带通调制
        • 调幅
        • 调频
        • 调相
        • 正交振幅调制
    • 信道
      • 所能通过的频率范围
        • 具体的信道所能通过的频率范围是有限的
        • 码间串扰
        • 奈氏准则
      • 信噪比
        • 信噪比（dB）=(dB)
        • 香农公式：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
    • 传输媒体
      • 引导性
        • 双绞线
          • STP屏蔽
          • UTP非屏蔽
        • 同轴电缆
        • 光缆
          • 多模光纤
          • 单模光纤
      • 非引导性
        • 短波通信
          • 一般传输速率低
          • 需复杂的调制解调才能提速
        • 微波通信
          • 地面微波接力通信
          • 卫星通信
    • 信道复用
      • 类型
        • 频分复用FDM
        • 时分复用TDM
        • 统计时分复用STDM
          • 时分复用的改进
          • 集中器：前提是用户间歇地工作
          • 按需动态地分配时隙
        • 波分复用WDM
          • 密集波分复用DWDM
          • 掺饵光纤放大器EDFA
        • 码分复用CDM
          • 抗干扰能力强
          • 每个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片
          • 每个站使用唯一的m bit码片序列，且相互正交
          • 扩频
            • 直接序列扩频DSSS
            • 调频扩频FHSS
      • 设备
        • 分用器
        • 复用器
    • 数字传输系统
      • 速率标准不统一
        • 北美和日本的T1速率（1.544Mbit/s）
        • 欧洲的E1（2.048Mbit/s）速率
      • 不是同步传输
        • 为节省成本：准同步
        • 解决办法
          • 同步光纤网SONET
          • 同步数字系列SDH
    • 宽带接入技术
      • ADSL技术
        • 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造
          • 0-4kHz低频留给传统电话
          • 4kHz-1.1MHz高频留给数字上网
        • 非对称，下行远大于上行
        • 传输距离取决于数据率和线径
        • 离散多音调DMT
        • 不能保证固定数据率
        • 组成
          • 数字用户线接入复用器DSLAM
            • 包括许多ADSL调制解调器
              • 接入单元ATU
              • 成对使用：ATU-C/ATU-R
          • 用户线
            • 两端接分离器
          • 家用其他设备
        • 第二代ADSL
          • 提高了调制效率得到更高数据率
          • 无缝自适应技术SRA
          • 改善了线路质量评测和故障定位功能
        • 高速DSL技术记为xDSL
      • 光线同轴混合网（HFC网）
        • 把原有电视网中的同轴电缆主干部分换成光纤
        • 光纤从头端到光纤结点
          • 一个光纤结点的典型用户500左右，不超过2000
          • 传输距离25km
          • 光纤结点到用户不超过3km
        • 机顶盒
        • 电缆调制解调器
        • 速率取决于同一电缆上用户使用情况
      • FTTx技术
        • 光纤到户FTTH
          • 价格高
          • 没有高数据率需求
          • 暂存问题
        • 光配线网ODN
          • 无源光网络PON
            • 以太网无源光网络EPON
            • 吉比特无源光网络GPON
          • 波分复用
        • 光线路终端OLT→1：N光分路器→光网络单元ONU
• 3.数据链路层
  • 使用点对点信道的数据链路层
    • 数据链路
      • 链路是一个结点到相邻结点的一段物理线路
      • 数据链路包含了必要通信协议的链路，软硬一体
      • 链路和数据链路
      • 最常用的方法是网络适配器
      • 通信协议又叫做通信规程
    • 帧
      • 数据链路层的数据单元
      • 过程
        • 1.把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧
        • 2.把封装好的帧发送至目标结点
        • 3.目标结点收到的帧无差错则上交网络层，否则丢弃
    • 三个基本问题
      • 封装成帧
        • 在一段数据前后添加首部和尾部
        • 首部尾部重要的作用是帧定界（可使用帧定界符）
        • 每一种数据链路层协议规定了最大数据单元MTU
        • SOH表示开始，EOH表示结束——两者都是名称
      • 透明传输
        • 无论怎样的比特组合的数据都能准确无误的被数据链路层传输
        • 数据中出现的“SOH”和“EOH”前使用转义字符ESC
          • 字节填充/字符填充
      • 差错检测
        • 比特差错：传输过程中1变0，0变1
        • 误码率BER：传输出错的比特和传输比特总数的比值
        • 方法：循环沉余检查CRC
          • 仅能实现比特差错的甄别，即仅确保帧的正确性
        • 传输差错
          • 比特差错
          • 帧丢失
          • 帧重复
          • 帧失序
          • 出现传输差错
          • 应对
            • 通信质量好的不使用确认和重传机制，若出现差错由上层协议解决
            • 通信质量不好的使用确认和重传机制
            • 可以提高通信效率
  • 点对点协议PPP
    • PPP协议的特点
      • 应满足的需求
        • 简单
        • 封装成帧
        • 透明性
        • 多种网络协议
        • 多种类型链路
        • 差错侦测
        • 检测连接状态
        • 最大传送单元
        • 网络层地址协议
        • 数据压缩协商
      • 不支持多点线路
      • 只支持全双工链路
      • 协议的组成
        • 一个将IP数据封装到串行链路的方法
        • 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP
        • 一套网络控制协议NCP
    • PPP协议的帧格式
      • 各字段的意义
        • 子主题
        • F为标志字段（0x7E，01111110），为帧的定界符
        • A为地址字段（0xFF，11111111）
        • C为控制字段（0x03，00000011）
        • 首部第四段2字节为协议字段
        • 信息字段可变，不超过1500字节
      • 字节填充
        • 异步传输时，转义字符为0x7D（01111101）
        • 填充方法
          • 信息字段出现的每一个0x7E转化为（0x7D，0x5E）
          • 信息字段出现的每一个0x7D转化为（0x7D，0x5D）
          • 信息字段出现ASCII码的控制字符，在其前面加0x7D
      • 零比特填充
        • 使用SONET/SDH链路时，使用同步传输的情况下
        • 连续五个1后面加一个0
    • PPP协议的工作状态
      • 1.通过调制解调器呼叫路由器建立物理层连接，从而建立链路层的LCP连接
      • 2.发送LCP配置请求帧
        • 配置确认帧
        • 配置否认帧
        • 配置拒绝帧
        • 响应种类
      • 3.建立LCP链路，进入“鉴别状态”
        • 协议
          • 口令鉴别协议PAP
          • 口令握手鉴别协议CHAP
        • 结果
          • 成功，则进入“网络层协议”状态
          • 失败，则进入“链路终止”状态
      • 4.“网络层协议”状态下，NCP根据网络层的不同协议交换网络层特定的网络控制分组
      • 5.网络配置完成后，进入“链路打开”状态进行数据通信
      • 6.中止请求LCP分组/链路故障，将转到“链路终止”状态
  • 使用广播信道的数据链路层
    • 局域网的数据链路层
      • 局域网特点：网络为一个单位所有，且地理范围和站点数量均有限
      • 局域网优点
        • 具有广播功能，从一个站点访问全网
        • 便于系统的扩展和逐渐演变
        • 提高了系统的可靠性、可用性及生存性
      • 分类
        • 星型网（集线器的使用）
        • 总线网
        • 环形网
      • 共享信道
        • 静态划分信道
        • 动态媒体介入控制（多点接入）
          • 随机接入
          • 控制接入
    • 子主题