408计算机网络理论知识

计算机网络基础

定义

计算机网络是通过 传输介质、通信设施和网络通信协议 ，把分散在不同地点的计算机设备互连起来，实现 资源共享和数据传输 的系统.

基本功能

数据通信（最基本）
资源共享: 硬件、软件和数据
分布式处理
信息综合处理

计算机网络的物理结构

从功能组成看，计算机网络由通信子网和资源子网构成.

通信子网(内部)：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议构成，使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现 数据通信.
资源子网(外部)：实现 资源共享 功能的设备及其软件的集合.

从工作方式看，可划分为边缘部分和核心部分.

边缘部分(资源子网): 由所有连接在互联网上的主机组成，这部分供用户直接使用，用于通信(传送数据、音频或视频)和资源共享。其中，这些主机又称之为”端系统”。
端系统之间的通信方式可划分为两大类：客户——服务器方式(C/S方式)和对等方式(P2P方式).
核心部分(通信子网): 由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务。
在网络核心部分起特殊作用的是路由器，实现了分组交换和路由选择，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能.

交换技术

电路交换
最典型的电路交换网是传统电话网，在电路交换的整个通信阶段，比特流从源点直达终点。
优点：
- 通信时延小
- 传输速率高
缺点：
- 建立连接时间长，需要额外的时间开销
- 线路利用率低
报文交换
报文交换的数据单位是报文，采用 存储转发 技术，整个报文先传送到相邻节点，全部存储后查找转发表，转发到下一个节点，如此重复.
优点：
- 无序建立连接，线路利用率高
- 交换节点支持”差错控制”(通过校验技术)
缺点：
- 长报文的存储转发时间开销大，数据经过网络的传输延迟长且不固定，不能用于语音数据传输
- 不便于存储转发管理
分组交换
现代计算机网络采用”分组交换”的技术进行交换，分组转发也采用存储转发技术，但解决了长报文问题.
相比于报文交换，分组转发进行了改进：
- 分组定长，方便存储转发管理
- 信道利用率高
- 存储管理的转发时间开销小
缺点：
- 相比于电路交换，控制信息占比增加，附加信息开销大
- 相比于报文交换，依然存在存储转发时延

计算机网络的分类

逻辑功能

由上可知，可分为通信子网和资源子网两类.

分布范围

1) 广域网：长距离通信，一般由电信部门组建的网络都为广域网，采用点到点信道和广播信道(卫星网络)，覆盖范围达100km-1000km.
2) 城域网：例如城市的有线电视网络、宽带网络等，多用光纤线路连接通信节点和计算机设备，覆盖范围在100km以内.
3) 局域网，日常最多使用的网络，传输介质为光纤和双绞线，覆盖范围在10km以内.

传输技术

1) 广播式网络：所有联网计算机都共享一个公共的通信信道。局域网基本采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用该通信技术.
2) 点对点网络：每条物理线路连接一对计算机，若两台主机间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间节点进行存储和转发，直至到达目的结点.

拓扑结构

1) 总线形结构.
2) 星形结构.
3) 环形结构.
4) 网状结构.
计算机的拓扑结构取决于它的 通信子网。其中，网状拓扑结构常用于广域网，其余适用于局域网.

计算机网络的性能指标

速率：也称数据传输速率，单位为bit/s(缩写为bps)
延迟时延：数据从网络或链路的一端传送到另一端所需要的时间。
发送时延：从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
$发送时延=\dfrac{数据帧长度(b)}{发送速率(bps)}$
传播时延：链路中传输数据所需的时间
带宽：表示网络通信线路的传达数据能力，单位同样为bps
吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量
时延：数据从网络的一端传送到另一端所需的总时间，它由4部分组成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延
信道利用率：某个信道有数据通过的百分比

因特网中的服务

通信服务分为两大类：面向连接的服务和无连接服务

面向连接的服务：数据传输过程须经过连接建立、连接维护与释放连接三个过程(TCP),其数据传输的可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高
无连接服务：每个分组都携带完整的目的节点地址，各分组在系统中是独立传送的；不需要经过上述三个过程；目的节点接受的数据分组可能出现乱序、重复和丢失的现象；可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高

可靠服务：网络中具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地
不可靠服务：只是尽量正确、可靠地传送，并不能保证数据正确、可靠地传送到目的地

① 有应答服务：接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答(文件传输协议)
② 无应答服务：接收方在收到数据后不自动给出应答

在考研中，只有TCP和PPP是面向连接的，其他的均为无连接服务;只有TCP协议是可靠的，其他的均为不可靠服务；只有TCP与CSMA/CA是有应答的，其他的均不会应答

计算机网络的体系结构

定义

计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构

实体：表示可发送或接受信息的硬件或软件进程
对等实体：同一层的实体
对等层：不同计算机的同一层
相邻层：相同计算机的相邻层次

三要素：协议、服务、SAP

计算机网络协议

定义

为了在网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，是控制在 对等实体 之间进行通信的规则的集合，是水平的.

网络协议的三要素：语法、语义、同步(时序)

1
2
3

语法是用户数据与控制信息的结构和格式(怎么做)
语义是需要发出控制信息，以及完成的动作与做出的响应(做什么)
同步可以理解为时序，即对事件实现顺序的详细说明(什么时候做)

网络分层结构

在分层结构中，第$n$层中的活动元素通常称为第$n$层实体。
分层结构的重要原则：第$n$层为第$n+1$层提供服务

网络协议的数据单元(PDU)

PDU由控制部分和数据部分组成，控制部分表示协议，数据部分为传输的内容。由于概念并不重要，不多赘述.
每层的PDU都不同，例如物理层的PDU为比特流，数据链路层的PUD为帧，网络层的PDU为分组(或称数据包)，传输层的PDU为报文段.

OSI参考模型和TCP/IP模型

OSI参考模型概述

OSI参考模型共7层, 自下而上 依次为 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层 。低三层统称为通信子网(核心部分)，高三层统称为资源子网(边缘部分).

其中，运输层承上启下，第一个端到端的层次为运输层，运输层及以上的层都在端系统上.

OSI参考模型的3个主要概念是协议、接口、服务。

(1)物理层

物理层的传输单位(PDU)是比特流，功能是在物理介质上为数据端设备透明地传输比特流.

(2)数据链路层

数据链路层的PDU是帧，需要完成的功能有链路管理、封装成帧、 差错控制、流量控制 等。其中，数据链路层的流量控制是提供相邻节点间的流量控制.
数据链路层能够对帧的丢失进行处理，一般方法是发送方在发送帧以后保留一个副本，并启动超时计时器，在预定的时间内若没有收到应答帧，则进行重发。如若应答帧丢失，会造成重复帧，解决的办法是给帧加上序号.

(3)网络层

网络层的PDU为分组，负责从源主机节点到目的主机节点之间的可靠的网网络传输。网络层是通信子网的最高层，主要功能包括 路由选择、网络寻址、流量控制、拥塞控制 等。网络层可同时提供无连接服务和面向连接服务.

(4)传输层

也称运输层，负责主机中两个进程之间的通信，功能是为端到端提供可靠的传输服务，提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等.
上述已提及到运输层的特殊位置，换句话说，传输层利用通信子网提供的服务实现两个进程之间的端到端通信.

(5)会话层

会话层的PDU为S-message(S-报文)，允许不同主机上的各个进程之间进行会话，主要功能是负责管理主机间的会话进程.

(6)表示层

表示层的PDU为P-message(P-报文)，主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，使得数据和信息能够互相交换，即实现 数据格式转换,数据压缩、加密和解密等功能.

(7)应用层

应用层的PDU为A-message(A-报文)，它是用户与网络的接口，所以应用层的服务访问点是用户接口 ;因此应用层是最复杂的一层，会采用不同的应用协议来解决不同类型的应用要求，典型的协议如文件传输协议(FTP)、简单邮件传输协议(SMTP)、超文本传输协议(HTTP)、域名解析协议(DNS)等.

TCP/IP模型

在TCP/IP模型中, 自下而上 依次为 网络接口层、IP层、TCP层、应用层 。TCP/IP协议提供统一的网络逻辑地址(IP地址)，IP地址与计算机设备的物理网络接口对应，用于标识网络中的一个连接，使得计算机网络实现互联.

1.网络接口层

网络接口层用于控制对本地局域网或广域网的访问，类似于OSI的物理层和数据链路层.

2.IP层(网络层、网际层)

     IP层是TCP/IP体系结构的关键部分，功能上与OSI网络模型的网络层非常相似，所以它的传输单元是数据报(数据分组)。IP层包括五种协议：IP协议、ICMP协议、IGMP协议、ARP协议和RARP协议.
     IP协议也称为互联网协议，是一种 不可靠、无连接 的数据报协议,也就是说，TCP/IP模型的网络层提供的是无连接不可靠的数据报服务;通过IP地址可以实现Internet中的寻址，实现Internet中计算机设备之间的逻辑连接和异构网络之间的互连。IP协议的PDU是IP数据报，也称为IP分组.
     ARP协议负责将主机名IP转换为MAC地址.

协议：ICMP、ARP、RARP、IP、IGMP

3.TCP层

     TCP层负责在应用进程之间建立端到端的连接和可靠通信，它只存在于端结点中，该层设计两个协议：传输控制协议(TCP)和用户数据协议(UDP)，它们也是传输单元.
     TCP协议提供面向连接的服务，提供按字节流的有序、可靠传输，能实现连接管理、流量管理、差错控制、拥塞控制等.
     UDP协议提供无连接的服务，用于不需要或无法实现面向连接的网络应用中.
     TCP层类似于OSI协议的传输层;但要注意的是，OSI模型中的网络层支持无连接和面向连接的服务，而TCP/IP模型在IP层(网络层)仅有无连接的通信模式，而在TCP层(传输层)支持无连接和面向连接的两种方式.

协议：TCP、UDP

4.应用层

顾名思义，TCP/IP模型的应用层对应OSI模型中传输层以上的三层(会话层、表示层、应用层)，主要实现为Internet中的各种网络应用提供服务，提供系统与用户的接口，同样具有大量的协议,如SMTP和DNS等.

协议：FTP、SMTP、POP3、HTTP

TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

流量控制：TCP/IP只有3层和4层，OSI为2-7层
网络层：TCP/IP只有不可靠传输，而OSI具有可靠传输和不可靠传输两种
传输层：TCP/IP具有可靠传输TCP和不可靠传输UDP，OSI只有可靠传输

物理层

通信基础

数据、信号与码元

数据：信息的具体表现形式，传送信息的实体
信号：数据的电子或电磁编码
码元：对应数据的脉冲信号

其中，数据和信号都有模拟和数字两种形式，模拟数据(或信号)随时间的变化是连续的，而数字数据(或信号)不随时间连续变化，是离散的值.

信道与传输介质

信道：信号的通路，建立在传输介质之上，含有一条双向通道的线路包含一个发送信道和一个接受信道.
传输介质：用于连接两个或多个网络节点的物理传输线路，例如双绞线、同轴电缆、光纤等.

速率与带宽

速率分为两种：

码元速率
又称波特率，表示每秒发送信号的数目或者可能的信号变化次数，单位为波特(Baud),其中码元速率与进制数无关。
数据传输率
又称位传输率或比特率，表示单位时间内传输的二进制位数(码元),单位为bit/s.

两种速率的计算公式为：

$C=Blog_2L$

其中,$C$代表数据传输率(bit/s)，$B$表示码元速率(Baud)，$L$表示一个信号可能取值的个数或者称不同的离散状态数量.

带宽：信道上可以传输的最高频率的信号与最低频率的信号的差值，即$f_{max}-f_{min}$,单位显然为Hz.

数据的通信方式

信道数量

根据信道的数量，可分为串行传输和并行传输.

串行传输：仅有一条信道，适合长距离传输
并行传输：多条信道并行传输，适合速度快的短距离传输，被用于计算机内部的数据传输

传输方向

根据数据传输的方向，可分为单工、半双工和全双工三种方式.

1
2
3

单向通信(单工)：信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变传送方向.(有线电视，无线电广播)
双向交替通信(半双工)：信号可以交替地双向传输，但同一时间只能单向传输.(传统以太网，对讲机)
双向同时通信(全双工)：信号能够双向同时传输.(手机)

信道的最大容量

1. 奈奎斯特定理(理想信道)

奈奎斯特定理的公式为：

$C=2H log_2 L$

$C$————信道的最大容量，即最大数据传输率(bit/s);
$H$————信道的带宽
$L$————同上

由奈奎斯特定理易知，只要采样率等于或大于信号带宽的两倍，就能完全恢复原始信号.

2. 香农定理(有热噪声信道)

香农定理的公式为：

$C=H log_2(1+\frac{S}{N})$

$C、H$同上
$\dfrac{S}{N}$————信噪比(dB)，当信噪比为 $ x $ dB时，$10 \cdot log_{10}(\dfrac{S}{N})=x \rightarrow $ $\dfrac{S}{N}=10^{\frac{x}{10}}$.
公式表明，信道的带宽或信道中信噪比越大(提高信号功率，降低噪声功率)，信道的极限传输速率(最大容量)就越高.

编码

常用的数字数据编码有以下几种(只介绍三种)：

不归零制编码(NRZ)

特点：无同步时钟信息变化，用高电平表示1，低电平表示0.

曼彻斯特编码

特点：每一位周期中间发生跳变，由高到低标识1，低到高则表示0.

差分曼彻斯特编码

特点：每一位周期中间发生跳变,用每一位的前沿电平与前一位的后沿电平相比较，有跳变表示0，无跳变则表示1.

note:曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步信息的功能

传输介质

传输介质用来提供信号传输的信道和信息传输的通路，可分为有线传输和无线传输，着重介绍有线传输.

1.双绞线

双绞线是最常用的传输介质，在局域网和传统电话网中普遍使用，由两根采用一定规则并排绞合、相互绝缘的铜导线组成。为了进一步提高抗电磁干扰辐射的能力，还可以再加一层金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP) ，没有屏蔽层的双绞线叫做非屏蔽双绞线(UTP).
双绞线的拓扑结构多为总线形或星形，由于它最大长度受到限制，在以太网中的最大传输距离是100m，只适合于小范围的局域网配置.

双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。

2.同轴电缆

同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层组成，由于外导体屏蔽层的存在，同轴电缆具备高屏蔽性和抗噪声性，从而提高传输速率同轴电缆.(优于双绞线)

3.光纤

光纤通信是利用光导纤维(光纤)传到光脉冲来进行通信，因可见光频率极高，光纤通信系统的带宽极大。光纤主要有纤芯和包层构成，光波通过纤芯进行传导，在传播过程中碰到包层就会折射回纤芯，通过这个过程使得光沿着光纤传输下去。

多模光纤：利用光的全反射原理，让不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，只适合近距离传输.
单模光纤：光纤直径很小时，光线一直向前传播而不产生多次反射，其衰减较小，适合远距离传输。特征：高速度、长距离、高成本、细芯线.

光纤利用光信号传输，不受电磁干扰，抗干扰能力最强.

无线传输

无线通信中的多径效应会导致信号失真.

物理层的接口特性

1) 机械特性———描述接口的形状和尺寸、引脚数目等.
2) 电气特性———描述在各条线上的电压、电流范围、传输速率和距离限制等.
3) 功能特性———指某条线上出现的某一电平的电压的意义，以及每条线的功能等.
4) 过程(规程)特性———指对不同功能的各种可能事件的出现顺序.

物理层设备

中继器与放大器

放大器：对于模拟传输，距离太远时，要用放大器放大衰减的模拟信号；
中继器：对于数字传输，要用中继器对失真的数字信号进行整形；可以用来连接不同介质的局域网.

集线器(Hub)

    集线器(Hub)是一个多端口的中继器,只起放大和转发作用。当集线器的一个端口收到数据后，将其从除端口外的所有端口广播出去。它不能分割冲突域，所有的端口都属于同一个冲突域和广播域，各设备的冲突域和广播域在下面会详细归纳.
    集线器以共享的方式提供带宽，当多台计算机连接到同一集线器时，每台计算机分得的带宽是其平均值.
    拓扑(物理)结构———星形；逻辑———总线形

数据链路层

主要信道

点对点信道：使用一对一的通信方式，$PPP$协议是使用最广泛的点对点协议.
广播信道：信道上连接很多主机，使用一对多的广播通信方式，采用共享广播信道的有线局域网普遍使用$CSMA/CD$协议，而无线局域网则使用$CSMA/CA$协议, 下文会详细介绍.

PPP协议

PPP协议是面向字节的协议，提供的是有连接的不可靠服务，共有三部分组成：

链路控制协议(LCP)：在建立状态阶段协商数据链路协议的选项.
网络控制协议(NCP)
一个将IP数据报封装到串行链路(组帧)的方法

其主要特点有：

PPP协议不使用序号和确认机制，只保证无差错接受(CRC检验)，因此是不可靠服务
PPP协议只支持全双工的点对点链路，不支持多点线路
PPP协议是面向字节的，所有PPP帧长都是整数个字节

主要功能

(1)封装成帧

数据链路层需要把物理层提供的二进制位比特列组成帧，通常采用以下几种方法：

字符(或字节)计数法
在帧首部设置字段标明字符(或字节)数，确定帧的长度和边界
字符填充法
填充特殊的ASCII字符作为帧的边界，字符的位数限制为8位。例如PPP协议是一种面向字节的协议，它的帧长都是证书个字节，只能使用字符填充法实现.
位填充法

(2)透明传输

(3)流量控制

流量控制指的是由接收方控制发送方的发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧。常见的流量控制方法是使用滑动窗口协议，是基于自动重传协议(ARQ)，分为连续ARQ协议和停等ARQ协议：

连续ARQ协议：

在GBN协议中，当接收方检测到某个帧出错时，会简单地丢弃该帧及所有的后续帧，发送方超时后需重传该数据帧及所有的后续帧。因此，接收方一般采用累积确认的方式，所以只需要关注其发送的最后一帧编号.
而在SR协议中，ACK分组不再具有累积确认的作用，需要重传所有丢弃的帧.
停等ARQ协议：单帧传输，$W_T=W_R=1$
其中$W_T$表示发送窗口，$W_R$表示接受窗口.
若发送方发送的数据帧中途丢失，且发送方在经过超时时间后未收到ACK帧，则会自动重发此帧.

发送窗口大小 $\le$ 总窗口大小$-1$；当滑动窗口的大小为$n$时，最多可以有$n-1$帧已发送但没有确认.

滑动窗口协议的信道利用率

Ⅰ. 停止-等待协议

$U = \dfrac{T_D}{T_D+RTT+T_A}$

$U$———信道利用率
$T_D$———发送方的传输时延
$RTT$———往返时延
$T_A$———接收方的传输时延

Ⅱ. 连续ARQ协议

$U = n \cdot \dfrac{T_D}{T_D+RTT+T_A}$

$U,T_D,RTT,T_A$同上
$n$———窗口大小
(4)差错检验

差错检验指的是判断传输中是否产生误码。
常用的检错码：

奇偶校验：
在数据后面增加一位检验位，检验位(0或1)将整个检验码中”1”的个数变为相应的奇数或偶数；它只能够检测奇数位的出错情况(~~原理不用管~~)，但不知道具体哪一位有错.
例如，7位数据编码$1001101$对应的奇检验码为$10011011\underline1$,而偶检验码为$10011011\underline0$.
循环冗余校验(CRC):
循环冗余码的原理和应用计算题详见该篇博客：

常用的纠错码：海明码，可纠正一位差错,~~了解就好~~.

海明码的”纠错”$d$位，需要码距为$2d+1$;”检错”$d$位，只需码距$d+1$位.
对于海明码的位数，有以下公式： $n+k \le 2^k-1$

$n$表示有效信息的位数
$k$表示检验位的位数

介质访问控制(MAC)

用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，称为介质访问控制子层.常见的介质访问控制方法有信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制和轮询介质访问控制(令牌传递协议),前一者是静态的，而后两者是动态的.

信道划分介质访问控制

信道划分的实质是通过分时、分频、分码等方法，将原来的一个广播信道，逻辑上分为几个用于在两个结点之间进行通信的互不干扰的子信道.

频分复用(FDM)

所有用户同时占用不同的频带资源并行通信.

时分复用(TDM)

将时间划分为时间片，即分割传输时间，每个用户在各自时间独占频带通信.

波分复用(WDM)

光的频分复用。一根光纤上可传输多个频率，相近光波信号.

码分复用(CDM)

(码分多址)扩频通信技术基础上发展的无线通信技术.
对于码片序列的计算详见该篇博客：.

统计(时分)复用(STDM)

统计复用是对时分复用的改进，每一路信号与复用的其他各路信号之间的时间间隔是固定的，相当于各路信号同步传输.

电信交换技术和信道复用技术的联系

上文提到过，数据共有电路交换、报文交换和分组交换技术三种交换方式；电信网络一般可分为线路交换网络和分组交换网络，其中线路交换网络可采用频分复用和时分复用技术,而分组交换网络采用的是统计时分复用技术.

随机访问介质访问控制(MAC)

在随机访问介质中，所有用户都根据自己的意愿随机地发送信息，当两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧冲突(也称碰撞)。为了解决随机访问的冲突，需要按照一定的规则反复重传它的帧，直到该帧无冲突地通过。其实质是一种将广播信道转换为点到点信道的机制.

(1)ALOHA协议

纯ALOHA协议：想发就发。如果发生冲突，接收方就会检测出差错，然后不予通过，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。解决冲突的方式是超时后等一随机时间后就重传.
时隙ALOHA协议：将时间划分为一段段等长的时隙，站点只能在每个时隙开始时才能发送帧，降低了产生冲突的可能性，提高了信道的利用率.

(2)CSMA协议

若每个站点在发送前都先监听公用信道，发现信道空闲后再发送，会大大降低冲突的可能性，载波监听多路访问(CSMA)正是基于此，它与ALOHA协议的主要区别是多了一个载波监听装置.
主要工作要点：先听再说
CSMA协议共分三种：1-坚持CSMA、非坚持CSMA和p-坚持CSMA,具体区别如下表所示.

信道状态	1-坚持	非坚持	p-坚持
空闲	立即发送	立即发送	以概率p发送，以概率1-p推迟到下一时隙
忙	继续坚持监听	放弃监听，等一个随机时间再监听	持续监听，直到信道空闲

(3)CSMA/CD协议

CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)协议是CSMA的改进方案，适用于总线形网络或 半双工 网络环境，一般用于使用有线连接的局域网.
CSMA/CD的工作流程可以简要概括为”先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”.

在CSMA/CD协议中，以太网规定了一个最短帧长，其计算公式为：
最短帧长=$2 \times$ 总线传播时延 $\times$ 数据传输速率

为确定碰撞后的重传时机，CSMA/CD采用截断二进制指数规避算法来实现：
详见该篇博客:.

(4)CSMA/CA协议

CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突避免)是对CSMA/CD协议的修改，它会对正确接收到的数据帧进行确认，采用冲突避免技术来极大地降低冲突的概率(尽量避免)，适用于无线局域网.

工作流程：
1) 检测信道是否空闲
2) 若信道空闲则发出RTS(各种信息)，若忙则等待
3) 接收端收到RTS后，将相应CTS
4) 发送端收到CTS后，开始发送数据帧(交换RTS和CTS帧)，并且预约信道：发送方会告知其他站点自己要传多久数据;由此可知，预约信道的方法就是交换RTS和CTS帧.
5) 接收端收到数据帧后，使用CRC来检验数据，正确则传输相应的确认帧(ACK帧</font>)
6) 发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若未收到ACK则一直重传至规定重传次数(采用二进制退避算法来确定随机的推迟时间)

由二进制指数退避算法可知，CSMA/CD与CSMA/CAS出现冲突后都会进行有次数上限的重传;选择该种算法的理由是这种算法考虑了网络负载对冲突的影响.

(4)轮询访问介质访问控制

最为关键的协议是令牌传递协议.

令牌：控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道；每个结点都能在一定的时间内(令牌持有时间)获得发送数据的权利
令牌环网：拓扑结构方面，物理是星型，逻辑环形，采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中.
令牌环网无碰撞
当一个站点收到自己发出去的数据帧后,它将不再转发该帧，并重新产生一个令牌.

逻辑链路控制(LLC)

在以太网中，逻辑链路控制子层(LLC)实现的是给帧加序号的功能.

局域网(LAN)

特殊的局域网：

以太网(目前使用最广泛):逻辑拓扑是总线形，物理拓扑是星形结构
令牌环:逻辑拓扑是环形，物理拓扑是星形结构

以太网

传输介质

标准名称	10BASE5	10BASE2	10BASE-T	10BASE-F
传输介质	同轴电缆(粗揽)	同轴电缆(细揽)	非屏蔽双绞线	光纤对
编码(仅一种)	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码
拓扑结构	总线形	总线形	星形	点对点
最大段长	500m	185m	100m	2000m
最多结点数量	100	30	2	2

MAC地址(以太网物理地址)

IEEE802为局域网规定了一种48位的全球地址，称为物理地址或MAC地址.MAC地址有6字节，一般由连字符分割的12个十六进制表示，如02-60-8c-e4-b1-21.
若同一局域网中两台设备具有相同的静态MAC地址，则无法正常通信.

MAC帧格式

MAC帧共有5个字段组成
1) 目的地址：6字节，帧在局域网上的目的适配器的MAC地址
2) 源地址：6字节，传输帧在局域网上的源适配器的MAC地址
3) 类型：2字节，指出数据字段中的数据应交给哪个上层协议处理

4) 数据字段：长度可在46-1500字节之间,若长度小于46字节时，需在数据字段的后面加一个整数字节的填充字段.
5) 帧校验序列(FCS):4字节，用于差错控制，采用CRC校验.

网卡

网卡是用来实现以太网协议并存储以太网地址的。网卡不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码及数据缓存等功能，因此实现的功能主要在物理层和数据链路层.

高速以太网

标准名称	100Base-T以太网	吉比特以太网	10吉比特以太网
传输速率	100Mb/s	1Gb/s	10Gb/s
传输介质	双绞线	双绞线或光纤	双绞线或光纤
通信方式	支持半双工和全双工	支持半双工和全双工	只有全双工
介质访问协议	半双工状态下使用CSMA/CD	半双工状态下使用CSMA/CD	无

高速以太网使用的MAC帧格式与标准以太网的帧格式完全相同.

网桥(不重要)

扩展以太网，转发或丢弃收到的帧，现已被以太网交换机取代;只需记忆它是数据链路层设备，下面会归纳它和其他设备在分隔广播域和冲突域的作用.

交换机(switch)

以太网交换机实质上是多接口的网桥，它能够将网络划分成多个冲突域，为每个用户提供更大的带宽。假如网络带宽为$x$,使用以太网交换机(全双工方式)连接各主机时，每个用户通信是独占带宽也就是说$N$个接口的交换机总容量为$N \cdot x$,平均每个用户的带宽为$x$而不同于物理层的集线器的平均带宽为$\dfrac{x}{N}$.
以太网交换机进行转发决策时使用的PDU地址———目的物理地址.

以太网交换机的自学习功能

以太网交换机的自学习功能是指记录帧的源MAC地址与该帧进入交换机的接口号，并将这些信息存储在交换机的交换表中，以便于后续的转发决策。

IEEE 802.11无线局域网

MAC帧

MAC首部含有4个地址字段，~~除首部外其余内容不考察.~~

VLAN(虚拟局域网)

通过虚拟局域网(VLAN)的技术，可将较大的局域网分割成较小的与地理位置㕆的逻辑上的VLAN，而每个VLAN同时也是较小的广播域.

划分VLAN的方式

基于交换机接口
基于MAC(或网卡)地址
基于IP(或网络层)地址

隔离冲突域和广播域的总结

层次	设备名称	能否隔离冲突域	能否隔离广播域
物理层	集线器、中继器	不能	不能
数据链路层	交换机、网桥	能	不能
网络层	路由器	能	能

网络层

网络层提供主机到主机的通信服务，主要任务是将分组(PDU)从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机.

主要目的

在任意结点间进行数据报传输.

主要功能

1. 路由选择

根据路由协议构造路由表，动态更新路由表，以决定分组到达目的地结点的最优路径.

2. 分组转发

根据路由器根据转发表，将分组从合适的端口转发出去.

网络层提供的两种服务

主要分为面向连接的虚电路服务和无连接的数据报服务.

虚电路服务

整个通信过程分三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放.

虚电路服务的特点：
1) 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对长时间、频繁的数据交换效率较高.
2) 虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达.
3) 虚电路某个节点若出现故障，则所有经过该节点或该链路的虚电路将遭到破坏
4) 分组首部不包含目的地址,包含的是虚电路号，相对于数据报方式，开销更小.

数据报服务

网络在发送分组前不需要先建立连接。由源主机的高层协议将报文拆成若干较小的数据段，并加上地址等控制信息后构成分组，中间节点存储分组很短一段时间并找到最佳路由后，尽快转发每个分组;网络层不提供服务质量的保证，由于网络不提供端到端的可靠传输，使得网络中的路由器比较简单，且造价廉价.
数据报服务的特点：
1) 发送分组前不需要建立连接，发送方和接收方随时发送或接受
2) 传输不保证可靠性，分组可能会出错或丢失
3) 分组应包括发送方和接收方的完整地址，以便独立传输
4) 收发双方不独占某条链路，资源利用率高.

两种服务的比较

	虚电路服务	数据报服务
可靠性	可靠	不可靠
分组顺序	保证分组的有序到达	不保证分组的有序到达
连接的建立	需要	不需要
对网络故障的适应性	所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作	出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时仍能正常传输
差错控制和流量控制	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责	由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性

IPv44

IPv4(版本4)是现在普遍使用的IP协议.

IP分组的格式

一个IP分组(或称数据报)主要由首部和数据部分组成。首部的前一部分的长度固定20B(如下图，$5 \times 4 B$)，是所有IP分组必须具备的，而后一部分的可选字段的长度是可变的.

首部的重要字段：

版本：占4位，指IP的版本，该字段值为4.
首部长度：占4位，该字段值为5，以4B为单位.
总长度：占16位，指首部和数据之和的长度，单位为字节(1B)，因此数据报的最大长度为$2^16-1=65535B$；以太网的最大传送单位(MTU)为1500B，数据报的总长度(即首部+数据)一定不能超过下面的数据链路层的MTU值.
标识：占16位，它是一个计数器，每产生一个数据就加1，并赋值给标识字段。当数据报的长度超过网络的MTU时需分片，此时每个数据报片都复制一次标识号.
标志(Flag)：占3位，标志字段的最低位为MF,MF=1表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片；标志字段中间的一维是DF，当DF=0时才允许分片.
片偏移：占13位，它以8B为偏移单位，除最后一个分片外，每个分片的长度一定是8B的整数倍.
生存时间(TTL):占8位。路由器在转发数据报前，先将TTL减一。{ % wavy 若TTL = 0，则该数据报必须丢弃 %}.
协议：占8位，指出此数据报携带的数据应用哪种协议，如TCP、UDP等.
首部检验和：占16位，它只检验数据报的首部但不包括数据部分.
源地址字段：占4B，标识发送方的IP地址.
目的地址字段：占4B，标识接收方的IP地址.

IP数据首部中最需要记忆的三个长度单位分别为首部长度(4B)、总长度(1B)和片偏移(8B).

计算机网络基础

定义

基本功能

计算机网络的物理结构

交换技术

计算机网络的分类

逻辑功能

分布范围

传输技术

拓扑结构

计算机网络的性能指标

因特网中的服务

计算机网络的体系结构

定义

三要素：协议、服务、SAP

计算机网络协议

定义

网络协议的三要素：语法、语义、同步(时序)

网络分层结构

网络协议的数据单元(PDU)

OSI参考模型和TCP/IP模型

OSI参考模型概述

(1)物理层

(2)数据链路层

(3)网络层

(4)传输层

(5)会话层

(6)表示层

(7)应用层

TCP/IP模型

1.网络接口层

2.IP层(网络层、网际层)

3.TCP层

4.应用层

TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

物理层

通信基础

数据、信号与码元

信道与传输介质

速率与带宽

数据的通信方式

信道数量

传输方向

信道的最大容量

1. 奈奎斯特定理(理想信道)

2. 香农定理(有热噪声信道)

编码

不归零制编码(NRZ)

曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

传输介质

1.双绞线

2.同轴电缆

3.光纤

无线传输

物理层的接口特性

物理层设备

中继器与放大器

集线器(Hub)

数据链路层

主要信道

PPP协议

主要功能

(1)封装成帧

(2)透明传输

(3)流量控制

滑动窗口协议的信道利用率

(4)差错检验

介质访问控制(MAC)

信道划分介质访问控制

频分复用(FDM)

时分复用(TDM)

波分复用(WDM)

码分复用(CDM)

统计(时分)复用(STDM)

电信交换技术和信道复用技术的联系

随机访问介质访问控制(MAC)

(1)ALOHA协议

(2)CSMA协议

(3)CSMA/CD协议