计算机网络

计算机网络技术知识总结，包括数据通信系统、网络体系结构、局域网技术、网络安全、INTERNET基础与应用、网络互连技术、TCP/IP协议集、计算机网络概述等内容。

计算机网络基础

第一章 计算机网络结构体系

计算机网络概述

在计算机网络发展的不同阶段，对计算机网络的定义是不一样的。

（1）计算机网络就是一些互连的，自治的计算机系统合集（2）计算机网络是能实现远程信息处理的系统或进一步能达资源共享的系统（3）计算机网络是以能够相互共享资源的方式互连起来的、自治的计算机系统集合

计算机网络的组成

物理组成：硬件、软件协议

硬件：主机、通信处理器、通信线路，交换设备

软件：主要包括实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件

协议：是一种规则，数据在线路上传输也必须遵循一定的规则

工作方式

边缘部分：所有连接在互联网上，供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享。

核心部分：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，他的边缘部分提供连通性和交换服务

功能组成

通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，为网络提供数据传输、交换能力和控制能力，实现联网计算机之间的数据通信

资源子网：由主机、终端以及各种软件资源信息组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种各样网络资源和服务

计算机网络功能

数据通信：是计算机网络最基本和最重要的功能，包括连接控制、传输控制、差错控制、流量控制、路由选择，

资源共享：数据资源、软件资源以及硬件资源。

分布式处理：当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可将其处理的任务传送给网络中其他计算机处理，利用空闲计算机资源提高整个系统的利用率

信息综合处理：将分散在各地的计算机中的数据资料进行集中处理或分级处理

负载均衡：将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机

提高可靠性：计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机

计算机网络分类

按分布范围分类：广域网、城域网、局域网、个人区域网。

按拓扑结构分类：星形网络、总线型网络、环形网络、网状形网络

按传输技术分类：广播式网络、点对点网络

按使用者分类：公用网、专用网

按数据交换技术分类：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网路

计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络分层结构

实体：任何可发送或接收信息的硬件或者软件进程，通常是一个特定的软件模块

对等层：不同机器上的同一层

对等实体：同一层上的实体

协议

语义：对构成协议元素的含义的解释

语法：数据与控制信息的结构或者格式

同步：规定了事件的执行顺序

接口：接口又称访问点儿，从物理层开始，每一层都向上层提供服务的访问点儿，即没有接口就不能提供服务。

服务

服务是指下层为相邻上层提供的功能调用。协议是水平的，而服务则是垂直的。

面向连接的服务和面向无连接的服务

有答应服务与无答应服务

可靠服务与不可靠服务

ISO/OSI参考模型和TCP/IP参考模型

ISO/OSI参考模型和TCP/IP参考模型

ISO/OSI模型

具有七层结构

TCP/IP模型

具有五层结构（实际上只有四层）

计算机网络性能指标

时延

发送时延（传输时延）：主机或路由器发送数据帧所需要的时间，即从发送数据帧的第一位算起到该帧的最后一位发送完毕所需要的时间，因此发送时延也称传输时延。其公式为：发送时延=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。传播时延的计算公式是： 传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速度（m/s）

处理时延:主机或路由器在接收到分组时进行处理所需要的的时间。

排队时延：分组在进入网络传输时，要经过许多路由器，但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理，在路由器确定了转发接口后，还需要在输出队列中排队等待转发： 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

时延带宽积

时延带宽积又称以比特为单位的链路长度。 时延带宽积=传播时延×带宽

往返时间：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认消息（接收方收到数据后便立即发送确认），总共经历的时间。

利用率

信道利用率：指某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道利用率为零。

网络利用率：指全网络的信道利用率的加权平均值。但是不是数值越高越好，利用率越高会导致数据在路由器中转发的时延过长。

参考模型

物理层

传输单位：比特bit

所实现的硬件：集线器、中继器 任务：透明的传送比特流。

功能：为数据端设备提供传送数据通路

数据链路层（链路层）

传输单位：帧

所实现硬件：交换机、网桥 任务：将网络层传下来的IP数据组装成帧

功能：链路的连接建立、拆除、分离；帧定界和帧同步；差错检测 协议：PPP、HDLC

网络层（网际层、IP层） （主机对主机）

传输单位：数据报

所实现硬件：路由器 任务：将传输层传下来的报文段封装成组；选择适当的路由，使传输层传下来的分组能够交付到目的主机.

功能：为传输层提供服务；组包和拆包；路由选择；拥塞控制 协议：ICMP、ARP、RARP、IP、IGMP

传输层（运输层） （应用对应用；进程对进程）

传输单位：报文段（TCP）或用户数据报（UDP）

任务：负责主机中两个进程之间的通信

功能：为端到端服务提供可靠的传输服务；为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量等管理服务。 协议：TCP、UDP、ARQ

第七层：应用层（用户对用户）

任务：提供系统与用户接口

功能：文件传输；访问和文件管理；电子邮件服务

协议：FTP、SMTP、POP3、HTTP

会话层

表达层

物理层

通信基础

信号

信号：数据的电气或者电磁的表现。而数据是传送信息的实体。

注：无论数据或信号，都是既可以是模拟的也可以是数字的。“模拟就是连续变化的”“数字的表示取值仅允许是有限的离散值”

信道传输的信号分为基带信号和带宽信号。基带信号是将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，然后传输到数字信道上传输，称为基带传输；带宽信号是将基带信号进行调制后形成的模拟信号，然后再传送到模拟信道上去传输，称为带宽传输，总之记住一句话：基带对应数字信号，带宽对应模拟信号，

信源、信道及信宿

信源：信息的源泉，也就是通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。

信道：信息传送的道路，也就是信号的传输媒介，分为有线信道和无线信道，人们常说双绞线和人造卫星传播信号分别是有线信道和无线信道的典型代表。

信宿：字面意思就是信息的归宿地，也就是通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。

数据传输方式、通信方式与通信方式

数据传输方式

串行传输：一个一个比特按照时间顺序传输（远距离常用）

并行运输：多个比特通过多条通信信道同时传输（近距离传输经常采用）

通信方式

同步通信：要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等以便接收端对接收到的比特流的采样判决时间是准确的。

异步通信：发送数据以字节为单位，对每一字节增加一个起始比特和一个终止比特共10bit接收端接收到初始比特，便开始对这个数据单元的10bit进行处理，他的特点是发送端发送完一个字节后，可以经过任意长时间间隔再发送下一个字节。

区别是相对来说同步通信技术更复杂，价格高昂，但通信效率高；而异步通信开销较大，价格低廉，使用一般精度的时钟来进行数据通信。

通信模式

单向通信（单工）：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如有线电视

双向交替通信（半双工）：通信双方都可以发送信息，但双方不能同时发送信息，也不能同时接收

双向同时通信（全双工）：通信双方可以同时发送和接收信息

速率、波特及码元

在计算机网络中，速率顾名思义是指数据的传输速率，即单位时间内传输数据的数据量。一般有两种方式：波特率和比特率

波特率：又称为码元传输速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为脉冲个数或信号变化次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输1个码元。码元可以用二进制表示，也可以用多进制表示

比特率：又称为信息传输率，他表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数，即比特数，单位为bits/s。

正常情况下，每比特只能表示两种信号变化（0或1），可以看成二进制。此时每个码元只能携带1bit信息，所以在数量上，波特率就和比特率相等了。

带宽

数字信号的带宽：

此时带宽是用来表示网络通信线路所能传送数据的能力。此时单位是bit/s 读作“比特每秒”

模拟信号的带宽：

通信线路允许通过的信号频带范围，就是允许通过的最高频率减去最低频率。此时单位以Hz为单位。

奈奎斯特定理

采样定理：

将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f（采样）必须大于或等于最大频率f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整的保留原始模拟信号的信息。

奈奎斯特定理：

码间串扰：具体信道的带宽是确定的，所以信号中的大部分高频分量就过不去了，这样在传输过程中就会衰减，导致在接收端收到信号的波形就失去了码元之间的清晰界限。

在采样定理和无噪声的基础上提出奈奎斯特定理其公式为： f表示理想低通信道的带宽； N表示每个码元的离散电平数目。

低通信道就是信号的频率只要不超过某个上限值，都可以不失真地通过信道； 低通信道只有上限没有下限； 理想低通信道的最高码元传输速率是每秒两个码元。

理想带通信道：只允许上下限之间信号频率成分不失真地通过其他频率成分不能通过。其最高码元传输率是每秒一个码元。

香农定理

信噪比：要清楚噪声的影响是相对的，信号越强，噪声的影响就相对较小。（两者是同时变化的，仅考虑其中之一是没有意义的），所以求信号的平均功率和噪声的平均功率之比。（记作S/N,读作“信噪比”）

引入信噪比的香农公式为：

（1）要是信息的极限传输速率提高，就必须提高信道的带宽或者信道中的信噪比。只要信道的带宽或者信道中的信噪比固定了，极限传输速率就固定了。 （2）只要信息的传输速率定于信道的极限速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。 （3）实际信道的传输速率要比极限速率低不少。

编码与调制

调制

数字数据调制为模拟信号

调制解调器的调制和解过程

带通调制（把矮子变高）：将基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。

调幅

调频

调相

基带调制（换件西装）：给基带信号的低频成分改变波形，使之适应信道的特性。低频成分改变波形后依然是基带信号，没有变成其他信号。

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。

充分利用带宽

编码

数字数据编码为数字信号

非归零码：

曼切斯特编码

差分曼切斯特编码

模拟数据编码为数字信号

脉冲编码调制

传输介质

物理层设备