【计算机 络】计 笔记知识点整理篇(1-3章，后续章节持续更新)

文章目录

• 前言
• 一、概述
• • 1.计算机 络概述
  • 2.互联 概述
  • 3.互联 的组成
  • 4.计算机 络在我国的发展
  • 5.计算机 络的类别
  • 6.计算机 络的性能
  • 7.计算机 络的体系结构
• 二、物理层
• • 1.物理层的基本概念
  • 2.数据通信的基础知识
  • 3.信道的极限容量
  • 4.物理层下面的传输媒体
  • 5.信道复用技术
  • 6.数字传输系统和宽带接入技术等内容
• 三、数据链路层
• • 1.数据链路层的基本概念
  • 2.使用点对点信道的数据链路层
  • 3.PPP协议
  • 4.使用广播信道的数据链路层——局域 的数据链路层
  • 5.使用广播信道的以太
  • 6.扩展的以太
  • 7.高速以太
  • 8.虚拟 络设备工作原理
  • 9.虚拟局域
• 总结

前言

以“ 络体系结构为主线，按照 络分层结构自底向上”逐层学习计算机 络基本原理和技术。

一、概述

1.计算机 络概述

1. 计算机 络在信息时代的作用
   （1）21 世纪的一些重要特征就是数字化、 络化 和 信息化，它是一个以 络为核心 的信息时代。
   （2） 络现已成为信息 会的命脉和发展知识经济的重要基础。
   （3） 络是指“三 ”，即电信 络、有线电视 络 和计算机 络。
   （4）发展最快的并起到核心作用的是计算机 络
2. 计算机 络的产生
   （1）计算机 络源于计算机技术 与通信技术 相结合
   （2）1946年——ENIAC（第一台电子计算机）
   （3）20世纪50年代，计算机与通信技术相结合，产生了计算机 络
3. 计算机 络的定义
   （资源共享观点的计算机 络定义）：以能够相互共享资源 的方式互连 起来的自治计算机系统 的集合。
   （1） 络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；
   （2）互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”；
   （3）连 计算机在通信过程中必须遵循相同的 络协议。

2.互联 概述

1. 互联
   （1）起源于美国的互联 （Internet）现已发展成为世界上最大的覆盖全球的计算机 络
   （2）互联 != 计算机 络 互连 != 互联
   （3）互连 （internet）是 络的 络（多个 络通过路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机 络。）
   （4）互联 的前身：ARPANET
   （5）TCP/IP协议是互联 上的标准
2. 互联 的具体构成
   （1）主机（端系统）：运行 络应用.
   （2）通信链路：光缆、铜线、无线电、卫星。传输率=带宽
   （3）路由器：转发分组
3. 互联 发展的三个阶段
   (三个阶段有部分重叠。)
   （1）单个 络ARPANET向互连 发展，向互联 发展（1983年——互联 诞生时间）
   （2）三级结构的互联 /NSFNET（主干 、地区 、校园 /企业 ）
   （3）全球范围的多层次ISP结构的互联

3.互联 的组成

6.计算机 络的性能

1. 速率
   （1）比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
   （2）速率即数据率 (data rate)或比特率 (bit rate)是计算机 络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等
   （3）速率往往是指额定速率或标称速率。
2. 带宽
   （1）“带宽”(bandwidth)本来是指信 具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
   （2）（计算机 络）现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s(bit/s)。
   （3）常用的带宽单位：
   千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
   兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
   吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
   太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）
3. 吞吐量
   吞吐量： (throughput)表示在单位时间内通过某个 络（或信道、接口）的数据量。即在发送者和接收者之间传送比特的速率。
   瞬时：接收时的速率
   平均：一段时间内的速率
4. 往返时间RTT
   往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。
   （当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。）

5. 计算机 络体系结构的定义
   计算机 络的体系结构 (architecture)是计算机 络的各层及其协议的集合。（计算机 络的体系结构就是这个计算机 络及其部件所应完成的功能的精确定义。）

6. 实体、协议、服务和服务访问点
   （1）实体(entity) ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
   （2）协议：控制两个对等实体 进行通信的规则的集合。
   协议的三要素：
   ·语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应，即“讲什么” 。
   ·语法：数据与控制信息的结构或格式，即“怎么讲” 。
   ·同步：事件实现顺序的详细说明。
   在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
   要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
   （3）本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明 的。
   协议是“水平的 ”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
   服务是“垂直的 ”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
   （4）同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)
   

7. 讲述原理的五层协议（不是一个标准！用来学习）——五层协议的体系结构
   

二、物理层

1.物理层的基本概念

1. 物理层的基本概念
   （1）物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
   （2）物理层的作用是要尽可能地屏蔽 掉不同传输媒体和通信手段的差异。
   （3）用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。
2. 物理层的主要任务
   主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。
   （1）机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
   （2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
   （3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
   （4）过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
   一些典型的物理层标准接口：LPT、USB、RJ45、EIA RS-232-C

2.数据通信的基础知识

1. 数据通信系统的模型
   一个数据通信系统包括三大部分：
   （1）源系统（或发送端、发送方），包括源点（源站、信源）、发送器
   （2）传输系统（或传输 络），包括接收器（目的站、信宿）、终点
   （3）目的系统（或接收端、接收方）
2. 有关信道的几个概念
   （1）单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
   （2）双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
   （3）双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。
   调制分为两大类：
   （4）基带信 （基本频带信 ）：来自信源的信 。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信 都属于基带信 。
   （5）基带调制：仅对基带信 的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信 仍然是基带信 。把这种过程称为编码 (coding)。
   （6）带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信 的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信 ，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
   （7）带通信 ：经过载波调制后的信 。
3. 常用编码方式
   （1）不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。
   （2）归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
   （3）曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
   （4）差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。
4. 基本的带通调制方法（二元调制方法）
   （1）调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信 而变化。
   （2）调频(FM)：载波的频率随基带数字信 而变化。
   （3）调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信 而变化。
   复杂多元制：正交振幅调制QAM

3.信道的极限容量

1. （1）任何实际的信道都不是理想的，在传输信 时会产生各种失真以及带来多种干扰。
   （2）码元传输的速率越高，或信 传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
2. 奈式（Nyquist）准则
   理想低通信道 的最高码元传输速率 = 2W Baud （W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)）
   每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。（Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。）
3. 波特率与比特率的关系
   1 Baud = （log2M） bps（其中，M表示一个码元中能表示的离散性信 或电平的个数；）
   一个信 往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。
4. 信噪比
   信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB)
5. 香农公式
   信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s
   （W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信道内所传信 的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。）
6. 补充
   （1）实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。
   （2） 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
   （3）波特 != 比特。波特是码元传输的速率单位（每秒传输多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符 速率。比特是信息量的单位。

4.物理层下面的传输媒体

1. 传输媒体（传输介质）
   传输媒体可以分为导引型（有线）和非导引型（无线）
   在有线介质中，电磁波沿着物理通路呈导向性传播。
   无线介质可以传播电磁波，但并不为它们导向。
   （1）导引型传输媒体有：双绞线、同轴电缆、光纤等
   （2）非导引型传输媒体一般指自由空间（大气、真空）

6.数字传输系统和宽带接入技术等内容

见《计算机 络（第8版）》第二章相关内容，在本博客不重点介绍。

三、数据链路层

1.数据链路层的基本概念

1. 数据链路相关几个概念
   （1）结点：主机和路由器
   （2）链路：沿着通信路径连接相邻结点的通信信道
   （3）数据链路：除了物理链路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
   （4）第2层数据封装单元：帧。
   （5）数据链路层：负责从一个结点到一个相邻结点的链路上传输帧。（ISO定义：数据链路层的目的是为了提供功能上和规程上的方法，以便建立、维护和释放 络实体间的数据链路。）
2. 两种链路类型（信道类型）
   （1）点对点（信道）：这种信道使用一对一的点对点通信方式。
   包括：PPP拨 访问、在以太 交换机与主机间的点对点链路
   （2）广播（信道）/共享链路/媒介：这种信道使用一对多的广播通信方式（过程比较复杂）。
   包括：传统以太 、802.11无线局域 、卫星通信
3. 数据链路控制要解决的问题:
   如何在有差错的线路上进行无差错的传输。
4. 数据链路层的主要功能：
   （1）链路管理
   （2）成帧
   （3）流量控制
   （4）差错控制
   （5）透明传输
5. 链路层通过“适配器”（ 络接口卡NIC）实现。

2.使用点对点信道的数据链路层

1. 数据链路层的三个基本问题：
   （1）封装成帧
   （2）透明传输
   （3）差错检测

2. 封装成帧
   （1）封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。
   （2）首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（确定帧的界限）。
   （3）每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最大传输单元MTU。
   

3. 差错检测
   （1）在传输过程中可能会产生比特差错，1和0转变。
   （2）在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率成为误码率BER。
   （3）检错码：能发现出错，不能校正 / 纠错码：能发现并自动校正
   （4）数据链路层常用——循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）。
   （5）奇偶校验码只能检验奇数个错。

4. 循环冗余校验码CRC（检错码）
   

3.PPP协议

1. 目前使用最广泛的数据链路层协议——PPP协议（Point-To-Point Protocol）
   （用户使用拨 电话线接入因特 ，一般都是用PPP协议）
2. PPP协议的三个组成部分：
   （1）一个将IP数据 封装到串行链路的方法。
   （2）链路控制协议LCP（Link Control Protocol）
   （3） 络控制协议NCP（Network Control Protocol）
3. 局域 媒体共享技术
   （1）静态划分信道：频分复用/时分复用/波分复用/码分复用
   （2）动态媒体接入控制（多点接入）：
   ·随机接入
   ·受控接入，如：多点线路轮询

4. 以太 的信道利用率
   

5. IEEE802.3/Ethernet MAC帧格式
   

6.扩展的以太

1. 在物理层扩展以太
   （1）光纤
   （2）中继器、集线器
2. 在数据链路层扩展以太
   （1） 桥
   （2）交换机

7.高速以太

1. 100BASE-T以太
   （1）速率达到或超过 100 Mbit/s
   （2）在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信 的星形拓扑以太 ，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。
   （3）1995年定为正式标准：IEEE 802.3u
   （4）特点：
   ·可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。
   ·MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
   ·保持最短帧长不变（64字节），但将一个 段的最大电缆长度减小到 100 m。
   ·争用期从原来的51.2 ms改为 5.12 ms，帧间间隔从原来的 9.6 ms 改为 0.96 ms。
   （5）物理层标准：
   

2. 10Gbps以太 标准：802.3ae

8.虚拟 络设备工作原理

1. 转发器/中继器
   （1）第1层 络设备。（物理层）
   （2）在比特级上对 络信 进行再生和重定时，从而可以使它们可以在 络介质上传输更长的距离。
   （3）连接不能形成环/四中继器原则
   （4）不能对 络流量进行过滤
2. 集线器
   （1）第1层 络设备。（物理层）
   （2）对信 进行再生并且把它放大到所有的端口。
   （3）集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太 那样运行。
   （4）使用集线器的以太 在逻辑上仍是一个总线 ，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。
   （5）集线器很像一个多端口的转发器/中继器，工作在物理层。
   （6）不能对 络流量进行过滤
   （7）集线器所连接的 络处于同一个大的冲突域
3. 冲突域（碰撞域）
   （1）在 络内部，数据分组产生和发生冲突的这样一个区域被称为冲突域
   （2）所有共享介质环境都是冲突域，一条线路可通过接插电缆、收发器、中继器和集线器与另一条线路进行连接，所有这些第1层互连设备都是冲突域的一部分
4. 桥
   （1）第2层 络设备。（数据链路层）
   （2） 络互连设备。
   （3）它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。
   （4）当 桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。
   （5）早期使用 桥，现在主要使用以太 交换机。
5. 交换机
   （1）第2层 络设备。（数据链路层）
   （2）交换式集线器常称为以太 交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)
   （3）特点：
   ·以太 交换机实质上就是一个多接口 桥。（通常有十几个或更多的接口。）
   ·每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太 交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
   ·以太 交换机具有并行性。（能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。）
   ·相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
   ·以太 交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
   ·以太 交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
   ·以太 交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的 桥快很多。
   （4）优点（涉及计算）
   ·用户独享带宽，增加了总容量。

   ·从共享总线以太 转到交换式以太 时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。
   ·以太 交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。
   （5）交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域。

6. 划分虚拟局域 的方法
   （1）基于交换机接口
   （2）基于计算机 卡的MAC地址
   （3）基于协议类型
   （4）基于IP子 地址
   （5）基于高层应用或服务

总结

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