计网复习

体系结构

OSI 7层模型 & TCP/IP 模型

协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合

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，还需要使用下面一层提供的服务

协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则，但服务是垂直的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。另外，并非在一个层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才能称之为“服务”

体系结构、协议、服务的概念
两个模型组成（层次、功能）、异同
对等层次通信的概念

基本概念

按作用范围的不同，计算机网络分为广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN和个人区域网PAN

计算机网络最常用的性能指标是：速率、带宽、吞吐量、时延（发送时延、传播时延、处理实验、排队时延）、时延带宽积、往返时间和信道（或网络）利用率

计算机网络及分类
计算机网络的性能指标
协议（定义、组成）

物理层

在物理层上所传数据的单位是比特，物理层要考虑用多大的电压代表1或0，以及接收方如何识别发送方所发送的比特

一个数据通信系统可以划分为源系统（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端、接收方）三部分

信道表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

从通信双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式

• 单向通信

  又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型

• 双向交替通信

  又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送（也不能同时接收），这种通信方式是一方发送一方接收，过一段时间后再反过来

• 双向同时通信

  又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息，其传输效率最高

信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为$S/N$S/N，并用分贝（dB）作为度量单位

香农公式：信道的极限信息传输速率(bit/s)$C=Wlog_2(1+S/N)$C=Wlog2​(1+S/N)

香农公式表明，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。因此只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输

尼奎斯特定理指出最大码元速率为：B=2W（Baud），尼奎斯特定理制定的信道容量也叫做尼奎斯特极限，这是由信道的物理特性决定的。因为超过尼奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的，所以要进一步提高码元速率必须改善信道带宽。

通信系统模型

两个公式

尼奎斯特定理
香农定理

数据链路层

在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点之间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的空值信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

• 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式
• 广播信道：广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送

点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤：

1. 结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧
2. 结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层
3. 若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报交给上面的网络层，否则丢弃这个帧

三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测

每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——最大传送单元MTU

字节填充（字符填充）：在数据部分与帧开始符、帧结束符和转义字符相同的字符前插入转义字符

比特差错：比特在传输过程中1变成0或者0变成1

误码率BER：在一段时间内，传输错误的比特占所传输的比特总数的比率，设法提高信噪比可以使误码率减小

循环冗余检验CRC：

在发送端，先把数据划分为组，假定每组k个比特。现假定待传送的数据M=101001（k=6）。CRC运算就是在数据M的后面添加供差错检测用的n位冗余码，然后构成一个帧发送出去，一共发送（k+n）位。在所要发送的数据增加n位冗余码，虽然增大了数据传输的开销，但却可以进行差错检测。当传输可能出现差错时，付出这种代价往往是很值得的

在接收端把接收到的数据以帧为单位进行CRC检验：把收到的每一个帧都除以同样的除数P（模2运算），然后检查得到的余数R。若得到的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受（accept）；若余数$R\not=0$R̸​=0，则判定这个帧有差错（但无法确定究竟是哪一位或哪几位出了差错），就丢弃

PPP协议

PPP协议有三个组成部分：

• 一个将IP数据报封装到串行链路的方法，PPP既支持异步链路（无奇偶检验的8比特数据），也支持面向比特的同步链路
• 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，其中每一个协议支持不同的网络层协议

使用广播信道的数据链路层

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所有，且地理范围和站点数目均有限

局域网的有点有：

• 具有广播功能，从一个站点可以很方便的访问全网。局域网上的主机可共享链接在局域网上的各种硬件和软件资源
• 便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活调整和改变
• 提高了系统的可靠性、可用性和生存性

CSMA/CD算法

• 多点接入：说明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”
• 载波监听：用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送，就是在发送前和发送中不停的检测信道
• 碰撞检测：也成为“冲突检测”。边发送边监听，适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据

电磁波在1km电缆的传播时延约为$5\mu s$5μs

使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但必须便发送边监听信道）。因此只能进行双向交替通信（半双工通信）

如果希望在以太网上发生碰撞的机会很小，必须使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率

以太网的端到端往返时间称为争用期，一个站在发送完数据后，经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，就能肯定这次发送不会发生碰撞

以太网规定帧间最小间隔为$9.6\mu s$9.6μs，相当于96比特时间。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

定义参数a为以太网单程端到端时延与帧的发送时间之比

信道利用率

只有当参数远小于1才能得到尽量高的极限信道利用率

在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址

广播是一种信息的传播方式，指网络中的某一设备同时向网络中所有的其它设备发送数据，这个数据所能广播到的范围即为广播域(Broadcast Domain)。简单点说，广播域就是指网络中所有能接收到同样广播消息的设备的集合。

在以太网中，如果某个CSMA/CD网络上的两台计算机在同时通信时会发生冲突，那么这个CSMA/CD网络就是一个冲突域（collision domain)。如果以太网中各个网段以集线器连接，因为不能避免冲突，所以它们仍然是一个冲突域。

什么是冲突？发生的原因？
最小帧长的概念与计算
广播域？冲突域

基本概念

传输技术 指充分利用不同信道的传输能力构成一个完整的传输系统，使信息得以可靠传输的技术。传输系统是通信系统的重要组成部分，传输技术主要依赖于具体信道的传输特性。

充分利用不同信道的传输能力，使信息得到可靠传输的技术。有效性和可靠性是信道传输性能的两个主要指标。

实际传输系统都存在噪声、色散等干扰，它们影响信息传输的可靠性。

可靠传输，就是采用一系列技术来保障信息在发送方和接收方准确、精确的传输。

数据传输率 bps
信道利用率
可靠传输

网络层-IP地址

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层吧传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称为数据报

与IP协议配套使用的三个协议：地址解析协议ARP、网际控制报文协议ICMP、网际组管理协议IGMP

IP的基本概念

IP地址的作用：使互连起来的许多计算机网络能够通信

IP报文结构

A类网络中的最大主机数是2^{24}-2，这里减2的原因是：全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址

B类网络地址可指派的网络数为2^{14}-1，因为128.0.0.0是不指派的

C类网络地址可指派的网络数为2^{21}-1，因为192.0.0.0是不指派的

IP地址的划分

子网的概念及子网划分

子网掩码

使用子网掩码的好处是：不管网络有没有划分子网，只要把子网掩码和IP地址进行逐位的与运算，就立即得出网络地址来。这样在路由器处理到来的分组时就可采用同样的算法

子网划分

划分子网增加了灵活性，但却减少了能够链接在网络上的主机数

网络层-路由算法

静态：由网络管理员手动配置路由信息

动态：通过裸游期间彼此交换的信息来构造路由表，分为距离-向量和链路状态算法

路由的基本概念

RIP算法

基本概念

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是互联网的标准协议，其最大的优点是简单

RIP算法过程

对每一个相邻路由器发送过来的RIP报文，进行以下步骤：

1. 对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，先修改此报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址都改为X，并把所有的"距离"字段的值加1.每个项目都有三个关键数据，即：目的网络N，距离是d，下一跳路由器是X。

2. 对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行如下步骤：

   • 若原来的路由表中没有目的网络N，则把该项目添加到路由表中，
   • 若下一跳路由器地址是X，则把收到的项目替换原路由表中的项目
   • 若收到的项目中距离d小于路由表中的距离，则进行更新

3. 若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可到达的路由器，即把距离设置为16。

4. 返回

OSPF的基本概念

OSPF（开放最短路径优先）最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议，而不是像RIP那样的距离向量协议

传输层

传输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供传输服务

传输层协议

传输控制协议TCP：提供面性连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段

用户数据报协议UDP：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传输的单位是用户数据报

TCP协议

连接管理（建立与释放）

TCP是面向连接的传输层协议。应用程序在使用TCP协议之前，必须先建立TCP连接，在传输数据完毕后，必须释放已经建立的TCP连接

每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的，TCP连接的端点叫做套接字或插口

TCP 报文段首部的20个字节是固定的，后面有4n字节是根据需要增加的选项，因此TCP首部的最小长度是20字节

可靠传输

TCP提供可靠交付的服务，通过TCP连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复，并且按序到达

TCP提供全双工通信

滑动窗口协议

拥塞控制

所谓拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。

拥塞控制都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，设计到所有的主机，所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素

流量控制往往是指点对点通信量的控制，是个端到端的问题

TCP的拥塞控制方法

• 慢开始
• 拥塞避免
• 快重传
• 快恢复

慢启动算法

当主机开始发送数据时，由于并不清楚网络的负荷情况，所以如果立刻把大量的数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞。经验证明，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口的数值

应用层

应用层是体系结构中的最高层，应用层任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则

DNS

域名系统DNS是互联网使用的命名系统，用来把便于人们使用的机器名字转换为IP地址

邮件

SMTP规定了两个相互通信的SMTP进程之间应如何交换信息。由于SMTP使用客户服务器方式，因此负责发送邮件的SMTP进程就是SMTP客户，而负责接收邮件的SMTP进程就是SMTP服务器。

Web应用