决胜春招(二)——万字长文保你忘记的计网基础

第一章

计算机网络是一个将分散的，具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统

组成部分：硬件，软件，协议。

工作方式：边缘部分【用户直接使用的<通信和资源共享>】 P2P C/S

核心部分大量网络和连接这些网络的路由器——为边缘部分提供服务

功能组成：资源子网【应用层表示层会话层传输层】：资源共享数据处理

通信子网【网络层数据链路层物理层】：各种传输介质通信设备相应的网络协议组成。

路由器是分组交换的关键构件

电路交换的特点：电路交换必定是面向连接的
电路交换的三阶段：建立连接，通信，释放连接
由于·计算机数据有突发性，因此通信线路的利用率很低。
分组交换的特点是在发送端将较长的斑纹划分成较短的固定长度的数据段，每一个数据段前面添加首部构成分组，路由器的输入和输出端口之间没有直接连线
路由器处理分组的过程是
- 把收到的分组放入缓存
- 查找转发表。找到到某个目的地址应该从哪个端口转发
- 把分组送到适当的端口转发出去
优点：
- 高效，动态分配<传输带宽>，对通信链路是逐段占用
- 灵活，以分组为传送单位和查找路由
- 迅速，不必先建立连接就能想其他主机发送分组
- 可靠，保证可靠性的网络协议，分布式路由选择协议使网络有很好的生存性
缺点
- 分组在各节点存储转发时需要排队，这就造成了一定的==时延== 。分组必须携带的首部也造成了一定的开销

分类

分布范围分：广域网 WAN==交换技术== 城域网MAN 局域网LAN ==广播技术== 个人区域网PAN

按使用者分：公用网【中国移动】专用网【军队】

交换技术分：电路交换报文交换分组交换

拓扑结构分：总线型星型环型网状型【常用于广域网】

按传输技术分：广播式网络共享公共通信通道

点对点网络使用==分组存储转换路由选择机制==

性能指标

带宽： Hz 带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是比特/秒

时延指数据从网络的一端到传送到另一端的总时间：

发送时延结点将分组发送至链路所需要的时间分组长度/信道宽度数据帧长度/发送速率 [数据块，数据帧，分组是一个东西]
传播时延电磁波在信道传播的时间
处理时延数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理
排队时延分组在进行路由器后在输入队列等待时间+输出队列等待转发的时间

时延带宽积传播时延*信道带宽表示该管道可以容纳的比特数量
往返时延指从发送端发送数据开始到发送端收到来自接收端的确认总共的时延
吞吐量单位时间内通过某个网络的数据量吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。
速率主机在数字信道上传送数据的速率比特/s

在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示以为二进制数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，间隔称为码元长度

波特是码元传输的蹱率单位，码元/s

比特是信息量单位

语法数据与控制信息的结构或格式
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
同步 事件实现顺序的详细说明

各层之间是独立的，灵活性好
结构上可分开，易于实现和维护
能促进标准化工作

体系结构

实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

协议：控制两个对等实体进行通信和规则的集合，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，还需使用下层所提供的服务。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)

接口：接口是同意节点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定

ISO/OSI参考模型和TCP/IP参考模型

OSI模型	说明	功能
物理层	定义数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)的物理和逻辑连接方法	在物理媒体上透明的传输原始比特流	数据链路层	提供相邻节点之间的通信，==检测并校正==物理层传输介质上产生的传输差错，使链路对网络层显现为一条无差错、可靠的数据传输线路	成帧、差错控制、流量控制、传输管理和控制对共享信道的访问	网络层	把网络层的协议数据单元(分组)从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务	流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联	传输层	提供可靠的==端到端(或进程到进程)==的数据传输服务	端到端的传输管理、差错控制、流量控制和复用分用	会话层	向表示层实体或用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据，这就是会话。	建立、管理进程间的会话	表示层	处理在==两个通信系统==中交换信息的表示方式	数据压缩、加密和解密	应用层	为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段	用户和网络界面

TCP/IP模型	对应OSI模型	典型协议
网络接口层	物理层、数据链路层		网络层(仅支持无连接)	网络层(支持无连接和面向连接)	IP	传输层(支持无连接和面向连接))	传输层(仅支持无连接)	TCP、UDP	应用层	会话层表示层应用层	FTP、DNS、SMTP、HTTP

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第二章——物理层

通信基础

奈奎斯特定理(奈氏n准则) $2 * W \log_{2} (V) 2*W\log_2(V)$ 2∗Wlog2(V)

理想低通信道中，极限码元传输率为2W波特，否则==码间串扰==
任何信道中，码元传输速率有上限
信道频带越宽，就可以用更高速率进行码元有效传播
限制的是码元，不在乎k的数值，即码元的位数

香农定理

带宽受限、有高斯白噪声干扰的情况下，极限速率为 $W \log_{2} (1 + S / N) W\log_2(1+S/N)$ Wlog2(1+S/N) W为信道带宽、S为信道锁传输信号得为平均功率、N为信道内部的高斯噪声功率
信噪比和极限传输速率正相关
极限速率有上限（除非信噪比和带宽无上限）

编码与调制

编码

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归零编码：每个时钟周期的中间均跳到低电平，影响效率，自同步机制
非归零编码：如需同步，需要都带有时钟线
反向非归零：信号翻转代表0，不变代表1，USB2.0使用
曼彻斯特编码：先高电平后低代表1，反之代表0，所占频带宽度是原始宽度的两倍
差分曼彻斯特：码元为1，前半个码元和上个码元后半个码元电平相同，反之为0，自同步，抗干扰性好
4B/5B编码：每四位作为一组，转换为5位码，剩下16种作为控制码

对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)

采样定理(奈奎斯特定理)： $f_{采样} 必须是原始信号最大 f 的两倍 f_{采样}必须是原始信号最大f的两倍$ f采样必须是原始信号最大f的两倍
采样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变为离散的信号
量化：把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字并取整
编码：转换为二进制编码

调制

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频分复用技术

电路交换、报文交换、分组交换

电路交换

通信时延小有序传输无冲突
适应范围广实时性强控制简单

建立连接时间长线路独占灵活性差
难以规格化

报文交换

无需建立连接动态分配线路
提高线路可靠性提高线路利用率提供多目标服务

转发时延(接收报文、检验正确性、排队、发送时间)
报文交换对报文的大小没有限制，需要占用网络节点较大的缓存空间

分组交换

无建立时延线路利用率高
简化了存储管理加速传输减少了出错概率和重发数据量

存在传输时延(但比报文强) 需要传输额外的信息量
当分组交换采用数据报服务时，可能会哦出现失序、丢失或重复分组
若采用虚电路，虽无失序，但有呼叫建立、数据传输、虚电路释放三个过程

数据报(无连接)

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不需要建立连接，由于分组中包含控制信息，因此可以独立传输，提高网络吞吐量、资源利用率高
传输不保证可靠性、排队有时延、拥塞时会造成丢包

虚电路(面向连接)

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虚电路通信链路建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组来说浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率高
虚电路的路由选择体现在建立连接阶段
如果接收方来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送
不灵活（容易故障）
分组控制信息不包括目的地址而是虚电路标识符，相较数据报开销少

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传输介质

做题看看就成

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物理层设备

中继器

又称转发器，本质就是将信号再生，不能连接不同速率和不同数据链路协议的局域网，最多只能由4个中继器

集线器

本质上是多端口的中继器，集线器连接的仍是一个总线网、冲突域。

只能在半双工状态下工作

第三章数据链路层

为网络层提供服务

无确认无连接服务——适用于实时通信或误码率较低的通信信道，如以太网
有确认无连接服务
- 目的机器收到数据帧时必须发回确认，如果源机器在规定时间内未收到确认信号，就重传丢失的帧
- 适用于误码率较高的通信信道——无线通信
有确认面向连接的服务
- 目的机器对收到的每一帧都要给出确认，源机器收到确认后才能发送下一帧
- 适用于通信要求(实时性、可靠性)较高的场合

组帧的实现

字符计数法

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如果计数字段出错，失去同步

字符填充的首尾定界法

用特殊字符来定界一帧的开始和结束
并通过转义字符来实现一帧内部数据的透明传输

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比特填充的首尾标志法

用0【6个1】0 来定界
如果在内部数据中连续出现5个1，就添加一个0

违规编码法(IEEE 802)

如曼彻斯特编码法中，使用”高-高“，”低-低“电平定界

差错控制

差错控制有两类

graph LR
A[差错控制]-->自动重传请求ARQ-->检错编码
A--> 前向纠错FECA-->纠错编码

检错编码

奇偶校验码

由n-1位信息元和1位校验元
奇偶校验分别时通过添加校验元使1的个数为奇数、偶数个

循环冗余码

要发送的数据A、生成多项式B、冗余码C、接收到的数据[实际发送的数据]D
根据AB求C，通过BD相除余数为0来校验对错
在A后面添加B位-1个0，并除以(异或除)B得到余数C
A后面加C为D

纠错编码

海明码(能发现双比特错误，但只能纠正单比特错误)

做法：
海明码公式： $2^{k} - 1 \geq n + k 2^k - 1 \geq n + k$ 2k−1≥n+k:这个式子的意思是，可以用来校验错误的数字个数（ $2^{k} - 1 2^{k}-1$ 2k−1）要大于或者等于原数据位数（n）和校验位数（k）的和。即，校验码能够表示的所有数字2^k^ 减去一个正确的可能，一定要大于等于，任何一位（n+k）可能出错的情况
码距：L-1=D+C 且D $\geq \geq$ ≥C 即编码最小码距L越大，其检测错误的位数D越大，纠正错误的位数C也越大，且纠错能力恒小于等于检错能力
计算：讲校验码放在2^i^位上，然后利用奇偶校验确定值
纠错方式：

$e_{i} e_i$ ei如果没错则为0，如果错了则为1

流量传输与可靠传输机制

基本原理

停止-等待流量控制基本原理

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滑动窗口流量控制基本原理

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只有接收窗口往前移动，发送窗口才可能往前移动
从滑动窗口的概念来看，停止-等待协议，后退N帧协议和选择重传协议只在发送窗口和接收窗口的大小上有差别
接收窗口为1时，可保证帧的有序接收
数据链路层协议中，窗口的大小在传输过程中是确定的

可靠传输机制

单帧滑动窗口和停止等待协议

过程自己过一遍

若连续出现相同发送序号的数据帧，表明发送端进行了超时重传
连续出现相同序号的确认帧时，表明接收端收到了重复帧
利用率低

多帧滑动窗口和后退N帧协议

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接收方只允许按顺序接收帧
==为了减少开销== ，。。。。。，即对某一数据帧的确认，表明该数据帧和此前所有的数据帧均确认无误
- 可以在连续手倒好几个正确的数据帧后，才对最后一个数据帧发确认信息
- 可以在自己有数据要发送的时候才对前几个帧发确认信息
信道质量差误码率高，别用

多帧滑动窗口和选择重传协议

一旦接收方怀疑帧出错，就发个否定帧NAK给发送方，要求重传
接收端设置具有相当容量的缓冲区来暂存哪些未按序正确收到的帧

BOSSSS!!!!!

信道利用率:发送方在一个发送周期内，有效的发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率

发送周期：发送方从开始发送数据到收到第一个确认帧为止，称为一个发送周期(这里要考虑传输时延【发送时延】、以及传播时延等)

数据传输[速]率

信道利用率 = (数据量 / 数据传输率) / 发送周期 信道吞吐率 = 信道利用率 \times 发送方的发送速率 信道利用率 = (数据量/数据传输率) / 发送周期 \\ 信道吞吐率 = 信道利用率 \times 发送方的发送速率

信道利用率=(数据量/数据传输率)/发送周期信道吞吐率=信道利用率×发送方的发送速率

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