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计算机网络_part1
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计算机网络_part1

本文参照该仓库学习,大家可以star

概述

网络的网络

网络把主机连接起来,而互联网是把多种不同的网络连接起来,因此互联网是网络的网络。


ISP

互联网服务提供商 ISP 可以从互联网管理机构获得许多 IP 地址,同时拥有通信线路以及路由器等联网设备,个人或机构向 ISP 缴纳一定的费用就可以接入互联网。


目前的互联网是一种多层次 ISP 结构,ISP 根据覆盖面积的大小分为第一层 ISP、区域 ISP 和接入 ISP。互联网交换点 IXP 允许两个 ISP 直接相连而不用经过第三个 ISP。


主机之间的通信方式

  • 客户-服务器(C/S):客户是服务的请求方,服务器是服务的提供方。

  • 对等(P2P):不区分客户和服务器。

电路交换与分组交换

1. 电路交换

电路交换用于电话通信系统,两个用户要通信之前需要建立一条 专用 的物理链路,并且在整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路,因此电路交换对线路的利用率很低,往往不到 10%。

2. 分组交换

每个分组都有首部和尾部,包含了源地址和目的地址等控制信息,在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响,因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组,也就是说分组交换不需要占用传输线路。

在一个邮局通信系统中,邮局收到一份邮件之后,先存储下来,然后把相同目的地的邮件一起转发到下一个目的地,这个过程就是存储转发过程,分组交换也使用了存储转发过程。

时延

总时延 = 排队时延 + 处理时延 + 传输时延 + 传播时延


1. 排队时延

分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待的时间,取决于网络当前的通信量。

2. 处理时延

主机或路由器收到分组时进行处理所需要的时间,例如分析首部、从分组中提取数据、进行差错检验或查找适当的路由等。

3. 传输时延

主机或路由器传输数据帧所需要的时间。


其中 l 表示数据帧的长度,v 表示传输速率。

4. 传播时延

电磁波在信道中传播所需要花费的时间,电磁波传播的速度接近光速。


其中 l 表示信道长度,v 表示电磁波在信道上的传播速度。

计算机网络体系结构


1. 五层协议

  • 应用层 :为特定应用程序提供数据传输服务,例如 HTTP、DNS 等协议。数据单位为报文。

  • 传输层 :为进程提供通用数据传输服务。由于应用层协议很多,定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。运输层包括两种协议:传输控制协议 TCP,提供面向连接、可靠的数据传输服务,数据单位为报文段;用户数据报协议 UDP,提供无连接、尽最大努力的数据传输服务,数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务,UDP 主要提供及时性服务。

  • 网络层 :为主机提供数据传输服务。而传输层协议是为主机中的进程提供数据传输服务。网络层把传输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。

  • 数据链路层 :网络层针对的还是主机之间的数据传输服务,而主机之间可以有很多链路,链路层协议就是为同一链路的主机提供数据传输服务。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧。

  • 物理层 :考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异,使数据链路层感觉不到这些差异。

2. OSI

其中表示层和会话层用途如下:

  • 表示层 :数据压缩、加密以及数据描述,这使得应用程序不必关心在各台主机中数据内部格式不同的问题。

  • 会话层 :建立及管理会话。

五层协议没有表示层和会话层,而是将这些功能留给应用程序开发者处理。

3. TCP/IP

它只有四层,相当于五层协议中数据链路层和物理层合并为网络接口层。

TCP/IP 体系结构不严格遵循 OSI 分层概念,应用层可能会直接使用 IP 层或者网络接口层。


上课学的是5层协议,现在流行的似乎时tcp/ip的协议(我也不是横清楚)

4. 数据在各层之间的传递过程

在向下的过程中,需要添加下层协议所需要的首部或者尾部,而在向上的过程中不断拆开首部和尾部。

路由器只有下面三层协议,因为路由器位于网络核心中,不需要为进程或者应用程序提供服务,因此也就不需要传输层和应用层。

链路层

基本问题

1. 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束。


2. 透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧使用首部和尾部进行定界,如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容,那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符,那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符,用户察觉不到转义字符的存在。


3. 差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验(CRC)来检查比特差错。

信道分类

1. 广播信道

一对多通信,一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据,因此需要有专门的控制方法进行协调,避免发生冲突(冲突也叫碰撞)。

主要有两种控制方法进行协调,一个是使用信道复用技术,一是使用 CSMA/CD 协议。

2. 点对点信道

一对一通信。

因为不会发生碰撞,因此也比较简单,使用 PPP 协议进行控制。

信道复用技术

1. 频分复用

频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。


2. 时分复用

时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。


使用频分复用和时分复用进行通信,在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质,通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用,因此这两种方式对信道的利用率都不高。

3. 统计时分复用

是对时分复用的一种改进,不固定每个用户在时分复用帧中的位置,只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。


4. 波分复用

光的频分复用。由于光的频率很高,因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

5. 码分复用

为每个用户分配 m bit 的码片,并且所有的码片正交,对于任意两个码片


为了讨论方便,取 m=8,设码片 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片,发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。

在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),可以得到



其中 的反码。

利用上面的式子我们知道,当接收端使用码片 对接收到的数据进行内积运算时,结果为 0 的是其它用户发送的数据,结果为 1 的是用户发送的比特 1,结果为 -1 的是用户发送的比特 0。

码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。


CSMA/CD 协议

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

  • 多点接入 :说明这是总线型网络,许多主机以多点的方式连接到总线上。
  • 载波监听 :每个主机都必须不停地监听信道。在发送前,如果监听到信道正在使用,就必须等待。
  • 碰撞检测 :在发送中,如果监听到信道已有其它主机正在发送数据,就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲,但是由于电磁波的传播时延的存在,还是有可能会发生碰撞。

记端到端的传播时延为 τ,最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞,称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时,站点要停止发送,等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数,记作 r,然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。


PPP 协议

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网,PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。(这个我之前不知道)


PPP 的帧格式:

  • F 字段为帧的定界符
  • A 和 C 字段暂时没有意义
  • FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
  • 信息部分的长度不超过 1500

MAC 地址

MAC 地址是链路层地址,长度为 6 字节(48 位),用于唯一标识网络适配器(网卡)。

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器,因此就有两个 MAC 地址。

局域网

局域网是一种典型的广播信道,主要特点是网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限。

主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术,目前以太网占领着有线局域网市场。

可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类:


以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

早期使用集线器进行连接,集线器是一种物理层设备, 作用于比特而不是帧,当一个比特到达接口时,集线器重新生成这个比特,并将其能量强度放大,从而扩大网络的传输距离,之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧,那么就发生了碰撞。

目前以太网使用交换机替代了集线器,交换机是一种链路层设备,它不会发生碰撞,能根据 MAC 地址进行存储转发。

以太网帧格式:

  • 类型 :标记上层使用的协议;
  • 数据 :长度在 46-1500 之间,如果太小则需要填充;
  • FCS :帧检验序列,使用的是 CRC 检验方法;

交换机

交换机具有自学习能力,学习的是交换表的内容,交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。

正是由于这种自学习能力,因此交换机是一种即插即用设备,不需要网络管理员手动配置交换表内容。

下图中,交换机有 4 个接口,主机 A 向主机 B 发送数据帧时,交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B,先查交换表,此时没有主机 B 的表项,那么主机 A 就发送广播帧,主机 C 和主机 D 会丢弃该帧,主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时,交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1,就发送数据帧到接口 1,同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。


要防止循环产生,所以有ttl

虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组,只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。

例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网,A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到,而其它站点收不到。

使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网,每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口,以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q,它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签,用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。


物理层

通信方式

根据信息在传输线上的传送方向,分为以下三种通信方式:

  • 单工通信:单向传输
  • 半双工通信:双向交替传输
  • 全双工通信:双向同时传输(双绞线)

带通调制

模拟信号是连续的信号,数字信号是离散的信号。带通调制把数字信号转换为模拟信号。



标题:计算机网络_part1
作者:ellenbboe
地址:https://zdone.top/articles/2019/04/22/1561009683042.html
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