计算机网络 【速记宝典】

前言

今天的因特网无疑是有史以来由人类创造的、精心设计的最大系统、该系统由数以千计的计算机设备（计算机、平板电脑、智能手机）彼此相互连接构成，并且还有一批与因特网相互连接的物品比如游戏机、监控系统、汽车、医疗设备、智能眼镜、手表、运动手环等，随着5G时代的到来，万物互联也越来越称为可能，这里推荐一下 尤瓦尔·赫拉利 的《未来简史》，这个人的格局很高，他书中描述的未来也越来越成为现实，他写的文字能让你感觉到你更想变为计算机世界里的一片硅片。

但是，面对互联网如此巨大且迅速的变化，我们能做些什么？我在地铁站等车的时候经常被地铁广告洗脑，鼓吹人工智能发展的多么牛逼，鼓吹大家都成为人工智能的高端型人才，我不能否认这个操作，但是我认为人工智能并不适合每个人，而且人工智能需要的技术和知识储备是巨大的，所以，**与其憧憬成为人工智能的高端型人才，不如把眼下的计算机基础知识学好，你的未来才会有更多的可能性。**毕竟，一切计算力发展的源头都是计算机，也可以说现在互联网一切的衍生物都是计算机的儿子。

说到计算机基础，就不得不提计算机网络，就像人长大后是需要和外界进行交流一样，计算机网络也是计算机彼此通信的必要条件。如果计算机的创造好比新中国成立，那么计算机网络的出现就相当于是改革开放。并且计算机网络是每个软件工程师必须要学好的一门知识。扯了这么多，下面开始进入正题

计算机网络

• 简单介绍：
  • 组成部分：硬件，软件，协议
  • 工作方式：边缘和核心
  • 功能组成：通信子网，资源子网
  • 局域网：广播技术；广域网：交换技术（点对点）
• 计算机网络的分类：
  • 按传输技术：广播式网络，点对点网络
  • 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，分组交换网络
• 网络标准化：（non）
  • 标准化常见过程：因特网草案->建议标准->草案标准->因特网标准
  • 相关组织：ISO，ITU，IEEE
• 网络体系结构：
  • 接口：有接口才能够提供服务
  • 常见分类：服务数据单元SDU，协议控制信息PCI，接口控制信息ICI，协议数据单元PDU
• 对于“服务”的定义：
  • 只有能够被上一层级看得见的才能够称之为服务
• TCP/IP和OS模型的显著区别：
  • TCP/IP有7层（多了数据链路层，网络层进行了细分：会话层和表示层），OSI有4层

 

应用层

• 应用层的细分：
  • 会话层：点和点之间的建立，维护和进行释放
  • 表示层：数据格式的转换和压缩，便于不同设备进行通信
  • 应用层：主要是现成的接口
• 网络应用模型：
• C/S模型
• P2P模型，应用如PPlive Bittorrent等
  • 优点：
  • 消除了对于服务器计算压力；
  • 多个客户机可以共享资源；
  • 可扩展性好
  • 网络健壮性強，单个结点失效不会影响其他部分结点

DNS系统

• 层次域名空间：
  • 结构：三级域名:二级域名：顶级域名=www.google.com
  • 注意：不使用其他符号，除-；每一个部分字符不超过63个，整个不超过255个
• 顶级域名分类Top Level Domain：
  • 国家顶级域名，如cn, uk,kr等
  • 通用域名，如gov,edu
  • 基础结构域名.这种域名只有一个，即apra
• 域名解析过程：
  • 递归查询
    • 本地客户端->本地域名服务器->根域名服务器->顶级域名服务器->权限 域名服务器
• 递归与迭代相互结合：
  • 本地客户端->本地域名服务器
    • 本地域名服务器->根域名服务器
    • 本地域名服务器->顶级域名服务器
    • 本地域名服务器->权限域名服务器

FTP协议

• 工作步骤：
  • 打开端口21进行连接
  • 等待客户连接请求，20进行数据接受
• 功能：
  • 以用户权限管理方式提供用户对远程FTP服务器上的文件管理功能；
  • 以匿名FTP的方式提供公用文件共享的能力；
  • 网络文件系统NSF（基于UDP），允许进程打开一个远程文件，并从特定位置开始读取；

电子邮件系统

• 主要过程：
  • Send:SMTP->服务器25端口
  • Receive:POP3->接受端
• SMTP与MIME的关系
  • MIME在SMTP，用户中间，负责转换非ASCII码

万维网

• 内核：URL（统一资源定位符），HTTP（超文本传输协议），HTML（超文本标记语言）
• HTTP协议：基于TCP，一般是端口80
• 常用HTTP请求：GET,POST,PUT,DLETE

 

传输层（TCP,UDP）

常用设备：路由器

• 主要功能：报文段TCP和用户数据段UDP；
  • 负责进程之间的通信
  • 为端到端提供流量控制，差错控制
  • 提供无连接或者面向连接的服务
• 寻址：
  • 传输层是按端口进行寻址；
  • 数据链路层是按MAC地址寻址；
  • 网络侧是按IP进行寻址
• 端口号的分类：
  • 熟知端口：0~2^10;
  • 登记端口2^10~3x(2^14),这类端口需要在IANA进行登记；
  • 客户端端口号3x2^14~2^16
• 套接字（主机IP：端口号PORT）：唯一标识了网络中的某台主机上的某个应用进程；

UDP（20B）

• 主要特点：
  • 无需提前建立连接，也无需确认
  • 头部短，开销小，时间延迟短
  • 支持N:M的形式进行通信，通过在UDP的端口分发实现
• UDP数据报和IP分组的区别（倒序观看）：
  • 应用层报文
  • UDP数据报部分+UDP首部
  • IP数据报部分+IP首部
• UDP报文段：
  • 组成格式：伪首部：源端口：目的端口：长度：校验和：12B：2B：2B：2B：2B
  • 分段的数据一般来说是小于512B
• UDP校验：
  • 伪首部主要是用来进行校验和，不向上下两层传输
  • 校验常用算法：反码计算后为1正常，否则不正常，丢弃

TCP（80b）

• TCP与网络层虚电路的区别：
  • TCP报文段中含有端到端的逻辑通信地址信息，对路由器不可见
  • 电路交换是在物理层的一种物理连接
  • 虚电路建立是在网络层的建立，不属于物理连接
• 主要特点：
  • 面向连接，故不提供广播或多播的服务
  • 可靠的交付
  • 报文段头部长，开销大
• TCP连接与释放：
  • TCP连接需要解决的问题
    • 客户端和服务端要通知对方的存在
    • 允许双方协商一些参数进行差错控制（如最大窗口值等）
    • 能够对运输实体资源进行约定（如：缓存大小，连接表中的项目等）
• TCP连接过程：SYN(synchronous建立联机,建立后不再需要)，Sequence number(顺序号码)，ACK(acknowledgement 确认)：
  • Client->Server：SYN=1,SEQ=X;
  • Server->Client: SYN=1,ACK=1,SEQ=y,ACK=x+1;
  • Client->Server: ACK=1,SEQ=X+1,ACK=X+1;
• TCP释放过程:FIN(finish结束)
  • 前两步关闭Client->Server,后两步关闭Server->Client
  • Client->Server: FIN=1,SEQ=u;
  • Server->Client: ACK=1,SEQ=v,ACK=u+1;
  • Server->Client: FIN=1,ACK=1,SEQ=w,ACK=u+1;等待2MSL
  • Client->Server: ACK=1,SEQ=u+1,ACK=w(U+1)+1;

TCP实现可靠传输的机制：超时，冗余ACK

• 超时：
• new RTTs=（1-a）x old RTTs +a x (new RTTo)
• RTO(超时重传时间)=RTTs+4 x RTTd
• RTTd是RTT的加权平均值
  • 第一次为1/2 RTTo;
  • 非第一次，new RTTd = （1-p）x old RTTd+ (p)(RTTs-new RTTo),p的值推荐为0.25
• 冗余ACK:回传3个A，表示希望收到 A+1：
  • 例：A->B:1,2,3,4,5->1,3,4,5 ；
    • 2号丢失无法抵达：B->A:1,1,1->1,1,1

TCP拥塞控制

• 流量控制与数据链路层区别：
  • 传输层是端到端，数据链路层是相邻结点
• 拥塞控制和流量控制的区别：
  • 拥塞控制是指整体网络能够承受的负荷
  • 流量控制更强调端口与端口之间来得及接受
• Max s wnd(发送端最大数据量)=Min[rwnd,cwnd]
• 拥塞控制相关算法：
  • 慢开始和拥塞避免
    • 慢开始算法：
      • cwnd= (primary cwnd )^2;
      • 每经过一个RTT后，A收到B的确认，于是下一个窗口调整为4；
  • 拥塞避免算法：ssthresh最大拥塞数量的一半
    • cwnd<ssthresh：使用慢开始算法
    • cwnd=ssthresh：2种算法都可以
    • cwnd>ssthresh: 使用拥塞避免算法，线性增加cwnd=old cwnd+k
• 快重传和快恢复：
  • 快重传不是取消计时，而是更早的重传丢失报文
  • 连续3个冗余ACK时，直接重传，不必等待计时
  • 快恢复定义：当cwnd达到最大值时，从0执行慢开始算法
  • 冗余是慢上升，超时才是重开始

 

网络层（IP，ARP）

• 常用设备：路由器
• 交换机（数据链路层）与路由器区别：交换机之间是同一网络，路由器之间可以不同网络；
• 主要功能：进行异构网络互联，拥有对风暴的控制能力，进行路由转发；
  • 拥塞控制，进行路由选择的能力
  • 将传输层的报文段分组成数据
• “尽最大努力交付”的含义?
  • 不保证一定无差错交付；
  • 不保证在某一规定时间内交付；
  • 不保证按发送时的顺序交付；
  • 不故意丢弃IP数据报，用首部校验和进行确保安全性；
  • 不会重复交付；
• 路由与转发：
  • 路由选择
    • 数据报，每一个分组都进行重新选择；
    • 虚电路，一直使用同一个路径直到转发完成；
• 分组转发：
  • 路由器根据转发表将数据转发出去
  • 转发表：使得查找过程最优；
  • 路由表：需要对网络变化的计算最优
• 拥塞控制：
  • 主要：确保能够传送的数据是全局性的问题，涉及所有主机和路由器等因素
  • 开环控制：事先考虑到拥塞的各种因素，使得尽量不要出现；
  • 闭环控制：事先不考虑拥塞因素，采用监视系统去监视系统的拥塞状况并进行调整
• 路由算法：
  • 静态路由：非自适应路由选择，一般手动配置，如NAT转换协议（传输层）
  • 动态路由
    • 距离-向量路由算法，常见如RIP，RIP采用跳数作为距离量度
      • 1.每条路径的目的地
      • 2.路径的代价
    • 链路状态路由算法，典型如OSPF算法
      • 1.在本域内中所有路由器发送信息，采用泛洪法，即路由通过所有输出端口向所有相邻的路由器发送信息；
      • 2.发送的信息到相邻路由，“链路状态”就是指费用，距离，时延，带宽；
      • 3.只有链路状态发生改变，才用泛洪法向所有路由发送信息
• 层次路由及路由选择协议：
  • 域内路由，即内部网关协议IGP
  • RIP
    • RIP三要点
      • 1.只和路由器交换消息
      • 2.交换全部消息，即路由表
      • 3.固定时间（如30s）进行交换
    • RIP选择的路径不是最短的，但一定是转发次数最少的
    • RIP报文最大长度（受制于UDP最大报文512B）:4B+25x20B=504B,前4B是首部，后是路由信息
    • 优点：实现简单，开销小，收敛过程快；
    • 缺点：
      • RIP最大跳数为15（16表示不可达），限制了网络规模
      • 路由信息是转发全部，会随着网络整体规模呈现指数上升
      • 网络出现故障时，更新速度过慢
• OSPF
  • 基于Dijsktra算法进行计算路由
  • 在上层区域用作骨干区域，以连接其他下层域。一般标识符规定为0，0，0，0；
  • 每一个区域都至少有一个区域边界路由器；
  • 在骨干区域也有一个路由器，实现与其他路由的交换。分层划分增加了交换信息的种类，同时OSPF变得更为复杂，但降低了路由的通信量。
  • OSPF适合大规模的自治系统
• 五种分组类型（OSPF按不同类型进行不同传递）：
  • 1.问候分组
  • 2.数据库描述分组
  • 3.链路状态请求分组
  • 4.链路状态更新分组
  • 5.链路状态确认分组
• 域间路由BGP，即外部网关协议EGP：
• BGP4种报文:
  • 打开报文Open
  • 更新报文Update
  • 保活报文keepalive
  • 通知报文Notification

IPV4分组：4x8

• IPV4分组形式：
  • 标识（版本：首部长度：区分服务）：总长度（标志：片偏移）=（4：4：8）：（3：13）
  • 首部校验和占16位；生存时间TTL占8位，协议占8位
  • 在首部中关于长度的标记：首部长度4B，总长度2B，片偏移8B
• 最大传送单元：
  • 一个链路层数据报的最大数据量；
  • 以太网的MTU为1500字节，广域网一般不超过567字节
• MF和DF（More Fragment和Dont Fragment）：
  • 是ip首部标志位3B里面有意义的2B
  • DF=0,IP数据报才可以被分片
  • MF=0, 表示数据报是相应原始数据报的最后一个片
  • MF=1，表示相应的原始数据报还有后片
• IPV4地址划分：
  • A类：1.0.0.0~126.255.255.255（2^7-1）
  • B类: 128.1.0.0~191.255.255.255 (2^7+2^6-1)
  • C类：192.0.0.0~223.255.255.255（2^7+2^6+2^5-1）
  • D类：224.0.0.0~239.255.255.255（2^7+2^6+2^5+2^4-1）
  • E类: 240.0.0.0~254.255.255.255(2^7+2^6+2^5+2^4+2^3+2^2+2^1+2^0-1);
  • 其中127.0.0.0~127.255.255.255用于环回测试，D类组播，E类科研
• 私有地址：
  • A类:10.0.0.0~10.255.255.255.255 1个段
  • B类: 172.16.0.0~173.31.255.255 16个段
  • C类：192.168.0.0~192.168.255.255 256个段 这也是为什么一般路由器的私有地址是192.168网段
• 特殊地址：全1，本网广播地址：
  • 网络地址转换NAT：通过专用网络将内部IP地址转换为外部IP地址；内部IP只用LAN，外部使用WAN，有效解决了IP地址不足的问题

 

子网划分

• 子网掩码：
  • 将IP与子网掩码与运算=真实IP地址
• CIDR：
  • 为解决IP地址耗尽而提出的一种措施
  • IP地址={网络前缀:主机号}
  • 一般采用最长前缀匹配，常用的数据结构是二叉线索树
• DNS作用：
  • 将域名解析成ip地址
  • 网络通讯大部分是基于TCP/IP的，而TCP/IP是基于IP地址的，所以计算机在网络上进行通讯时只能识别如“202.96.134.133”之类的IP地址，而不能认识域名。
  • 我们无法记住10个以上IP地址的网站，所以我们访问网站时，更多的是在浏览器地址栏中输入域名，就能看到所需要的页面，
  • 这是因为有一个叫“DNS服务器”的计算机自动把我们的域名“翻译”成了相应的IP地址，然后调出IP地址所对应的网页。

• • dns域名解析大致过程如图
    • 浏览器先检查本地缓存，如果有，解析结束。
    • 然后查询本地 "C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts" hosts记录，如果有，解析结束。
    • 如果任然没有命中，才会去查询网络中配置的dns服务器，比如上图中的 8.8.8.8。
• ARP协议：
  • 在同一个路由系统内，通过IP找到相应的硬件MAC地址的协议；
  • ARP是网络层，NAT在传输层

• 什么是ARP协议？

  • ARP作用： 实质是一张表，存放 IP地址转换为MAC地址对应关系
  • 网络设备有数据要发送给另一台网络设备时，必须要知道对方的网络层地址（即IP地址）。
  • IP地址由网络层来提供，但是仅有IP地址是不够的，IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送。
  • 数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。
• 2.查看本地ARP缓存：

• 3.ARP协议原理：

• • ARP协议工作在数据链路层，也就是我们我们的二层交换机那一层
  • 比如我的电脑ip 是 192.168.1.100 要与 192.168.1.1 通信，但是二层设备无法通过ip地址访问，只认识 　MAC地址
  • 此时我的电脑就会发送 ARP广播报文，所有连接到这台交换机的主机都能收到: “谁是 192.168.1.1 请回话给 192.168.1.100”

• ARP报文格式

• 使用Wireshark抓取ARP报文：

 

 

 DHCP协议

• DHCP协议（基于UDP应用层协议）
  • DHCP客户端->DHCP服务端:客户端广播DHCP discover消息
  • DHCP服务端->DHCP客户端:服务器提供地址租约offer
  • DHCP客户端->DHCP服务端:客户端选择并请求地址租用
  • DHCP服务端->DHCP客户端:服务器确认将地址租用给客户端
• DNS作用
  • DHCP（动态主机配置协议）是一个局域网的网络协议，常被应用在大型的局域网络环境中。
  • 指的是由服务器控制一段lP地址范围，客户机登录服务器时就可以自动获得服务器分配的lP地址和子网掩码。

• 2.DHCP原理简析

  • 目的：DHCP客户端以广播的形式发送Discover包（主机并不知道DHCP的服务器的位置）
  • 发送者：源ip是0.0.0.0
  • 发送方式：目标ip是255.255.255.255，也就是网段内所有安装了TCP/IP协议的主机/服务器
  • 响应者：DHCP服务器会分配ip给

ICMP协议

• 功能：
  • 确认IP包是否成功到达目的地址
  • 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因
• 五种差错类型：
  • 1.终点不可达
  • 2.源点抑制
  • 3.时间超过
  • 4.参数问题
  • 5.改变路由
• 询问四种类型：
  • 回送请求和回答报文
  • 时间戳请求和回答报文
  • 时间戳请求和回答报文
  • 掩码地址请求和回答报文
  • 路由器和通告报文
• PING协议（基于网络层ICMP协议直接封装的应用层协议，未使用传输层协议）
• IPV6
  • 基本格式：将原先的32位扩充到128位,8组，每组4个16（2^4）进制数
  • IPV6首部是8B（8x8），IPV4首部是4B(4x8)
  • 3种地址类型：单播地址，组播地址，任播
    • 单播：优先点对点；
    • 组播：数据包交付到一组计算机中；
    • 任播：目的地址是一组主机，交付时只交付给其中一个；
• 移动IP
  • 分为：移动结点，归属代理和外阜代理（移动代理）
  • 移动结点：具有永久IP地址的移动结点
  • 本地代理:一个移动结点归属的网络
  • 外部代理：在外部网络中完成移动管理功能的实体

• 实现移动IP的技术？
  • 代理搜索，判断是否漫游；
  • 申请转交地址
  • 登录
  • 建立隧道
• 移动IP通信特点：每移动更新一个基站就更新转交地址（辅地址），但主地址不会改变。
• 路由器中的输入输出产生溢出是造成分组丢失的重要原因

 

数据链路层(MAC,LLC)

• 数据链路层以上的设备可以隔离冲突域，传输层以上可以隔离广播域
• 常用设备：交换机，网桥
  • 网桥
    • 透明网桥：
      • 选择的不是最佳路由
      • 网桥在收到一个帧后无进行自学习，然后增加一个项目
      • 源LAN和目的LAN相同，丢弃
      • 源LAN和目的LAN不同，转发
      • 目的LAN未知，扩散
• 源路由网桥：
  • 选择的是最佳路由
  • 源路由对于主机是不透明的
  • 使用应答帧和发送帧来确定网络的最佳路由
• 存储转发交换模式
• 交换机
  • 实质：多端口网桥，并且使宽带速率不下降
  • 总容量计算方式：
    • 全双工 端口数x带宽数
    • 半双工 1/2x 端口数x带宽数
• 交换模式：直通交换和存储转发交换
  • 直通交换
    • 只检查帧的目的地址，但缺乏智能性和安全性
  • 存储转发交换
    • 检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换输出端口将帧发送出去
• 主要功能：
  • 为网络层提供服务
  • 将IP数据报组装成帧
  • 具备差错校验，流量控制，成帧
• 提供的主要服务：
  • 有确认，无确认的无连接服务
  • 有确认的面向连接的服务
• 4种组帧的方法：
  • 字符计数法
    • 首字段用一个计数字段来表明该帧的字节数
    • 首4个字符，尾5个字符
    • 计数字节提供的字节数保护你自身所占的一个字节
    • 如果计数在传输中出现差错，接收方就无法判断所传输的帧的接收位
• 首尾定界法：
  • 开始DLE STX；结束DLE ETX
• 过程:
  • 1.网络层发出的数据 DLE STX |A DLE B| DLE ETX
  • 2.经数据链路层填充后的数据 DLE STX | A DLE DLE B|DLE ETX
  • 3.接收方传送的网络 DLE STX | A DLE B|DLE ETX
• 比特填充的首尾标志法：
  • 典型的连续5个1则加0
  • 1.原始数据：111111
  • 2.零比特进行填充后 1111101
  • 3.接收方收到数据后，一旦遇到5个连续1就去掉后面的0
• 物理编码法（IEE802采用此标准）：
  • 利用物理介质上的违法标志来区分帧的开始和结束
• PPP用来进行帧界定的字段为OXTE
• Mac帧在首尾界定法时不需要开始帧和结束帧来进行区分
• 差错控制：
  • 奇偶校验
  • 循环冗余码（异或校验）
• 纠错编码：海明码
• 流量控制与可靠传输：
  • 自动重传请求ARQ，传统ARQ分为停止等待，后退N帧，选择重传三种方式
    • 停止-等待协议
      • 发送=1，接收=1，如果接收方不返回应答，则发送方必须一直等待
  • 滑动窗口流量控制
    • 后退N帧GBN，累计确认
    • 选择重传，不按序接受，非累计
  • 可靠传输机制：确认，超时重传两种机制
• 信道吞吐率=信道利用率x发送方的发送速率
• 介质访问控制：
  • 信道
    • 时分
    • 频分
    • 波分
    • 码分
• 随机和轮询是动态分配信道的方法：
  • 随机协议
    • ALOHA协议
    • 当需要发送时，不进行任何检测就发送数据；
    • 如果一段时间内没有收到确认，该结点就认为传输过程中发生了冲突
    • 缺点：信道利用率低
• CSMA协议
  • 即共享信道频率又共享时间，是一种真正的动态复用技术
  • 任意两个不同站的码片向量正交一定为0，表示没有发送数据
  • 任意站点的码片向量与改码片的规格内积化为1，表示发送了1比特数据
  • 内积化为-1，表示接受了比特数
  • 码分多路复用具有抗干扰能力强，保密性強，语言质量优等优点，这可以减少投资和运行成本。主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统
  • 三种策略：
    • l-坚持CMSA
      • 当发送结点监听到信道空闲时，立即发送数据，否则继续监听
    • P-坚持CSMA
      • 以概率p发送数据；在概率1-p时不进行发送
    • 非坚持CSMA
      • 与l不同的是，会延迟一段时间进行监听
• CSMD协议 ：半双工
  • 半双工工作在同一信道，所以肯定用CSMA/CD冲突检测协议
• CSMA/CD协议
  • 带冲突检测的载波帧听多路访问协议
  • 解决问题的方法：CSMA机制中多个传送造成冲突，但是即使是冲突了。CSMA也要将帧发送完，但总线的利用率整体上降低
  • 在发送前：检测总线上是否有其他设备在发送数据；若有，则不发送计算机，若没有，则进行发送数据。
• 在发送时：如果产生冲突，采用截断二进制指数类型退避算法；
  • 截断二进制指数类型退避算法
  • 特点：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
  • 发生碰撞在停止发送数据后，需要推迟一个随机时间才能发送数，退避的时间按照以下算法计算：
  • 1.确定基本退避时间，一般取争用期2t
  • 2.定义重传参数k，k=Min[重传次数，10].可见。
    • 当重传次数不超过10时，参数k等于重传次数；
    • 当重传次数超过10时，k就不再增大而一直等于10；
  • 3.从整数集合{0，1，.....,2^k-1}中随机选择一个数记为r，重传所需时延就是r信的基本退避时间。即2rt
  • 4.当重传次数达到16b仍然不能成功的时候，说明网络太拥挤，直接丢弃帧，并向高层报告。
• 设置最大和最小帧长的原因？
  • 最小帧：区分噪声和因发生碰撞而异常终止的短帧；
  • 最大帧：保证每个站点能够公平竞争到以太网；因为如果某个站发送特别长的帧，那 其他帧就必须等待很长时间才能发送数据
  • <64b的帧都是由于冲突而异常无效的帧；发送小于64b，以太网会将其加长至最小64b的帧
• 无法应用于WIFI的原因：
  • 1.接收信号强度往往会小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度动态变化范围很少，因此，碰撞检测必须在硬件上花费更大
  • 2.无线通信中，并非所有的站点都能够听见对方，即“隐蔽站”的问题。IEEE802.11标准进行定义
• CSMA/CA协议 全双工：
  • 全双工通信不需要CSMA/CD冲突检测机制
  • 主要用于无线环境
  • 三种碰撞避免机制：预约信道，ACK帧，RTS/CTS帧
    • 预约信道：提前通知自己传输数据需要的时间长度；
    • ACK帧：收到数据帧后，回传一个ACK，如果未收到这代表失败，类似于TCP；
    • ATS/CTS帧：是可选的碰撞避免机制，主要用于解决无线网中的隐蔽站问题；
• CSMA/CD与CSMA/CA对比：
  • 冲突区别：CSMA/CD可以检测冲突但无法避免，CSMA/CA直接不提供检测冲突
  • 传输介质不同：CSMA/CD作用于以太网，CSMA/CA主要用于无线局域网，IEEE802.11 a/b/n等
  • 检测方式不同：CSMA/CD主要通过电缆中电压的变化来检测，CSMA/CA使用能量检测，载波检测，能量载波，混合检测三种检测信道的空闲方式
  • CSMA/CD发送前监听，边发送边监听，一旦碰撞马上停止发送；CSMA/CA是在发送前告知，让其他结点暂时不发送，来避免碰撞。
• 轮询协议：令牌传递
  • 令牌：一组特殊的比特组合而成的帧，帧中包含目的地址
  • 轮询访问非常适合高负载的广播信道。因为令牌环网采用各种轮流使用令牌发送数据，无论负载如何，都没有冲突产生。

 

 

局域网

 

• 主要介质：双绞线，UTP5类以上的线支持所有
• 介质访问控制方法：CSMA/CD，令牌总线都作用于总线型网，令牌环主要作用于环形网
• 拓步结构：星形，环形，总线形，树形
• 以太网：
  • 工作原理：
    • 采用无连接的服务
    • 不对数据进行编号和确认
    • 只提供尽最大努力交付的不可靠服务，差错的纠正主要依靠传输层的TCP
  • MAC帧固化在ROM中
    • 6B（48位）
    • 高3位为为厂商代码，最后24到3位为厂商自行分配的网卡序号
  • 数据链路层上帧即加首部地址，也加尾部地址(MAC)
  • 插入字节：目的地址：源地址：类型：IP数据报:FCS校验=8:6:6:2:(1500-46):4
    • 首部插入8，使得接受端和发送端进行时钟同步
  • 802.3帧格式与DIX以太帧格式的不同之处
    • 帧起始标志法：与802.4和802.5相兼容
    • 长度城：替代3DIX帧中的类型域，指出数据域的长度
  • 高速以太网
    • 10base-T：CSMA/CD半双工；全双工
    • 吉比特：允许1G bit/s下全双工和半双工两种工作方式；CSMA/CD仍然半双工
• 无线局域网：
• 有固定基础设施
  • IEEE 802.11标准规定最小构件为基本服务集，因此，BSS中的基站为接入点（AP）
  • 一个服务集可以是孤立的，也可以通过接入主干分配系统DS，然后接入到另一个基本服务框架，构出扩展的服务集（Extended Service Set,ESS）
• 无固定基础设施
  • 无上诉基础服务的集中接入点，而是由于一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。
  • 这些移动站也具有路由器的功能
• IEEE 802.11标准中的物理层
  • 　　跳频扩频FHSS
  • 　　直接序列扩频DSS
  • 　　红外线IR
• IEEE 802.11标准中的MAC
  • 　　分布协调功能DCF
  • 　　点协调功能PCF
• IEEE 802.11在CSMA/CA上增加确认子层
• 令牌环网：一种特殊的MAC帧
  • 基本原理：以IBM的TOKEN Ring为例
    • 1.当网络空闲时，环路中只有令牌环传递
    • 2.有数据到达站点时，该站点修改令牌中的一个标志位，并在令牌中附加数据，这样令牌变成了一个数据帧
    • 3.沿着环路进行传输，校验，有错误就重传
    • 4.传递完数据后重新产生一个令牌进入下一段

 

广域网

• 广域网不能够使用广播通信，而应该使用点对点通信，使用交换机转发
• 广域网强调资源共享，局域网强调数据传输；
• 广域网在OSI上有，物理，数据链路，网络三层，局域网缺少网络层
• HDLC：
  • 　　两种基本配置：
    • 平衡配置：链路两端都是复合站，每个复合站都可以平等的数据传输而不需要得到对方复合站的允许
    • 非平衡配置：一个主站控制整个链路的工作
  • 3种类型：主站，从站，复合站
  • 3种数据操作方式：正常响应，异步平衡方式，异步响应方式
  • 正常响应：非平衡结构的。主站->从站，从站需要确认才能响应；
  • 异步平衡方式：任一一个复合站都可以进行对另一战的数据传输
  • 异步响应方式：非平衡，主站确认才能进行传输
• HDLC信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输
• PPP：
  • 为改进SLIP无法寻址，数据校验，分组类型且只能传递IP分组的现状，制定了PPP协议
  • 是一个面向字节的协议
  • PPP仅仅保证点对点的通信，支持全双工
  • 组成部分：
    • 链路控制协议LCP：用于建立，配置，测试和管理数据网络
    • 网络控制协议NCP：允许同时采用多路网络协议，每个不同的网络要采用相应的NCP进行配置
  • 提供端到端的传输，检测由高层协议控制，如工作在传输层的socket
  • LLC（逻辑链路控制）
  • MAC(媒体地址控制)：802协议中只有MAC

• 物理层（模拟信号，数字信号，串行传输，并行传输，单工通信，半双工通信，双工通信）
  • 主要任务：透明的传输比特流，并为数据端设备提供数据通路
  • 常用设备：网卡，中继器，集线器
  • 中继器：将信号整理放大再转发，遵循5-4-3规则，4个中继器的5段信号介质，只可以挂载3个主机
  • 集线器，解决物理口过少的问题，只能工作在半双工网络
• 传输介质：
  • 无线：无线电波，微波，红外线和激光
  • 有线：双绞线，同轴电缆，光纤
• 传输方式：并行传输和串行传输
  • 并行传输：距离短，速度快
  • 串行传输：距离长，速度慢
• 通信方式：同步通信和异步通信
• 通信基础
  • 数据和信号
    • 数据是传送信息的实体，且取值一般是固定的几个值如0，1
    • 信号是数据的电气和电磁表现，是连续变化的
    • 信道和电路并不等同，信道是信号的传输介质
  • 码元是一个固定时长的脉冲信号，因此是数字信号；
  • 码元传输速率：单位时间，数字通信传输的码元个数。单位波特Baud
  • 信息传输速率：单位时间，数字通信传输的二进制个数，即比特数。单位b/s
  • 若一个码元携带nbit信息，M Baud的码元传输速率对应的信息传输速率是mxn bit/s
  • C=B log L；C表示比特率，B是码元，L是离散值
  • 在模拟信号中，带宽=高频-低频
• Nyquist定理：
  • V=2w log I；其中w表示带宽，I表示级数，一般I=mxn,m表示种类，n表示方式种类
• Shannon公式：
  • V=W log（1+S/N) ;
  • w为信道带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声比；
  • 例：信躁比=10 log10/(S/N) ;
  • S/N等于10时，信噪比为10db，S/N等于1000时，信躁比为30db
  • Shannon从另一个侧面上反应了一个码元所对应的二进制数量是有限的
• 通信方式：单工，半双工（CSMA/CD），全双工（CSMA/CA）
• 编码与调制
  • 数字数据->数字信号:
    • 1.非归零码NRZ
      • 低电频表示0，高电频表示1
      • 容易实现，无检错，无法判断开始
    • 2.曼彻斯特码 Manchester Encoding
      • 以太网的主要传输方式
      • 高电频->低电频（下降）：0
      • 低电频->高电频（上升）：1
    • 3.差分曼彻斯特码
      • 主要用于局域网传输
      • 可实现同步且抗干扰能力强
      • 前半个码元与上后半个相同，表示1
      • 前半个码元与上后半个不同，表示0
    • 4.4B/5B编码
• 数字数据->模拟信号：分别通过改变幅移，频移，相移来表示0和1
  • 1.幅移键控:ASK
  • 2.频移键控:FSK
  • 3.相移键控:PSS
  • 4.正交振幅调制:QSK,在频率相同的条件下，将ASK和PSK相结合
• 模拟数据->数字信号：
  • 脉冲调制PCM
    • 在采样定理中，f采样>=2f(max)
  • 调制过程:
    • 抽样->量化->编码
• 模拟数据->模拟信号：
  • 时分TDM
  • 频分FDM
  • 波分WDM
  • 码分CDM
• 数据交换方式：
  • 电路交换
    • 优点：时间延迟小，有效传输，无冲突，有序到达，简单易控制
    • 缺点：连接时间长，线路独占，效率低，灵活性差，难以规格化
  • 　　报文交换
    • 优点：无需建立连接，动态分配，提高可靠性和利用率
    • 缺点：无大小限制，需要大缓存，会计算往返时间，类似TCP
• 分组交换：
  • 优点：无建立时间延迟，线路利用率高，简化了存储管理，加速传输，减少出错机率和重发数量
  • 缺点：存在传输时延，需要额外的信息量，分组交换采用数据服务，时间先后顺序不一致，会出现丢失和重发
• 数据报与虚电路的区别：类似UDP与TCP
  • 数据报建立不需要建立连接，虚电路必须有
  • 数据报不保证分组有序到达，虚电路保证
  • 数据报传输过程中出现故障不会影响分组数据，虚电路会阻塞