Computer Professional Course保研

计算机网络复习

到这个阶段开始计网和ML并发复习了,因为实在是无形的压力太重,还有心理压力导致你感觉怎么复习都不到位,保研和考研的区别就在于考研初试和复试是有考试范围的,你可以进行针对性的复习,但是保研的面试你完全不知道老师会问什么,可能是想到什么问什么,可能是数学,可能是你做过的科研项目中的某个技术,也可能是你根本没有学过的一门专业课,所以你不知道你准备这门课的复习到底在面试中有没有用,这种压力是比较大的,未知才是最可怕的

废话不多说了,开始计网的知识点总结了,按照谢希仁的那本教材进行总结,因为我之前没有学过,所以暂时先跟着b站方老师的网课进行同步学习,如果有一定基础并且有时间之后一定会重新研读课本的

第1章 概述

1.1 计算机网络在信息时代的作用

1.21世纪是一个以网络为核心的信息时代,重要特征是数字化、网络化和信息化

2.Internet成为全球最大和最重要的计算机网络

3.Internet是由数量极大的各种计算机网络互连起来的,是覆盖全球的,对于仅在局部范围互连起来的计算机网络只能称为互连网

4.互联网的两个重要基本特点是连通性共享

1.2 互联网概述

1.计算机网络:由若干结点和连接这些结点的链路组成

2.网络之间通过路由器互连起来,构成了一个覆盖范围更大的计算机网络,就是互连网,互连网是网络的网络

3.习惯上与网络相连的计算机称为主机

4.互联网基础结构发展的三个阶段:①第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程②第二阶段是建成了三级结构的互联网,分为主干网、地区网和校园网(或企业网)③第三阶段是逐渐形成多层次ISP(互联网服务提供者)结构的互联网,根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有IP地址数目的不同,分为主干ISP、地区ISP和本地ISP

5.互联网交换点IXP可以更快地转发分组,主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组,不需要通过第三个网络转发分组,典型的IXP由一个或多个网络交换机组成

6.互联网由国际性组织互联网协会(ISOC)管辖,下属技术组织为互联网体系结构委员会IAB,下设互联网工程部和互联网研究部,所有互联网标准以RFC形式在互联网上发表

7.制定互联网的正式标准要经过三个阶段:①互联网草案②建议标准③互联网标准

1.3 互联网的组成

1.互联网从工作方式来看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,是用户直接使用的,用来进行通信和资源共享,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(提供连通性和交换)

2.边缘部分的主机也称为端系统

3.计算机之间通信指主机A的某个进程和主机B上的另一个进程之间通信,包括客户——服务器方式(C/S)和对等方式(P2P)

4.客户——服务器方式:主机A运行客户程序,主机B运行服务器程序,客户A向服务器B发出服务请求,服务器B向客户A提供服务,客户程序被用户调用后运行,通信时主动向服务器发起通信,必须知道服务器程序的地址,服务器程序可同时处理多个远地或本地客户的请求,系统启动自动调用并一直运行,被动等待客户的通信请求,不需要知道客户程序的地址,一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持

5.通信关系建立后,通信可以是双向的,客户和服务器本来指的是计算机进程

6.对等连接:两个主机在建立通信时不区分服务请求方和服务提供方,只要两台主机都运行对等连接软件,可以进行平等的、对等连接通信,本质仍是C/S方式,每一个主机既是客户又是服务器

7.对等连接工作方式可支持大量对等用户同时工作

8.网络核心部分是互联网中最复杂的部分,网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性,使边缘部分每个主机都能向其他主机通信,在其中起特殊作用的是路由器,是一种专用计算机,是实现分组交换的关键构件,任务是转发收到的分组,这时网络核心部分最重要的功能

9.从通信资源的分配角度来看,交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

10.电路交换:三个阶段,建立连接(占用通信资源)→通话(一直占用通信资源)→释放连接(归还通信资源),在通话的全部时间内通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

11.用电路交换传输计算机资源线路的传输效率往往很低,计算机数据具有突发性

12.分组交换采用存储转发技术,把发送的整块数据称为一个报文,发送报文之前把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段,每个数据段前面加上必要的控制信息组成首部,就构成了一个分组

13.在讨论互联网核心部分中的路由器转发分组的时候,往往把单个网络简化为一条链路,路由器成为核心部分的结点

14.分组在到达一个路由器后,先暂时存储到缓存,然后查找转发表然后选择一条合适的链路发出去

15.采用存储转发的分组交换实质是采用了数据通信过程中动态分配带宽的策略,分组在各路由器转发时需要排队,这就会造成时延

16.分组交换的优点:以分组作为传送单位,可以不先建立连接就能向其他主机发送分组

17.报文交换的存储转发与分组交换的区别是存储整个报文

1.4 计算机网络在我国的发展

1.5 计算机网络的类别

1.计算机网络的定义:计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件(带有中央处理机CPU的硬件),而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的,这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据,并能支持广泛的日益增长的应用

2.从网络的作用范围分类:广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)、个人区域网(PAN),若中央处理机之间距离非常近就称之为多处理机系统

3.从网络的使用者分类:公用网(交钱就能用)、专用网(特殊业务工作需要)

4.用来把用户接入到互联网的网络:接入网AN,又称为本地接入网或居民接入网,本身既不属于互联网的核心部分,也不属于互联网的边缘部分,接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器之间的一种网络,从覆盖范围来看还是属于局域网,作用只是起到桥梁的作用

1.6 计算机网络的性能

1.性能指标:

①速率:速率是计算机网络中最重要的一个性能指标,指的是数据的传送速率,也称数据率或比特率,单位是bit/s,往往指的是额定速率或标称速率,而非实际运行速率

②带宽:在计算机网络中表示网络中某通道传送数据的能力,表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的最高数据率,单位是bit/s,相当于马路上限速的提高而不是马路宽度增加

③吞吐量:表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际的数据量,受网络的带宽和网络的额定速率的限制

④时延:指数据(或分组、比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间,分为四部分:

(1)发送时延:发送数据时数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间,发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)

(2)传播时延:电磁波在信道上传播一定的距离需要花费的时间,传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)

(3)处理时延:主机或路由器收到分组时花费一定时间进行处理

(4)排队时延:分组在进入路由器后在输入队列中等待处理,排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量

⑤时延带宽积:表示链路可容纳多少个比特,时延带宽积=传播时延*带宽,又称为以比特为单位的链路长度

⑥往返时间RTT: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,发送时间=数据长度/发送速率,有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)

⑦利用率:利用率分为信道利用率和网络利用率两种,信道利用率指的是某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过),信道利用率并非越高越好,根据排队论理论,信道利用率越高,信道引起的时延也迅速增加,网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值,时延与网络利用率的关系D=\frac{D_0}{1-U}D_0表示网络空闲时的时延,D表示网络当前的时延,U为利用率

2.非性能指标:费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理和维护

1.7 计算机网络体系结构

1.相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行,而分层可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题

2.国际标准化组织ISO提出了开放系统互连基本参考模型OSI/RM,简称OSI,事实上的国际标准TCP/IP

3.规则明确规定了所交换的数据格式以及有关的同步问题,同步含有时序的意思

4.网络协议的三个组成要素:①语法:数据与控制信息的结构与格式②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③同步:事件实现顺序的详细说明

5.分层的好处:①各层之间相对独立②灵活性好、结构可分割、易于实现和维护③促进标准化工作

缺点:①降低效率②功能在不同层次重复出现增加额外开销

6.各层完成的主要功能:①差错控制②流量控制:发送端的发送速率必须使接收端来得及接收,不要太快③分段和重装④复用和分用:发送端几个高层会话复用一条低层的连接,在接收端再进行分用⑤连接建立和释放:交换数据前先建立一条逻辑连接,数据传送结束后释放连接

7.计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构

8.OSI体系结构七层(物链网输会示用)、TCP/IP四层(网络接口层、网际层、运输层和应用层)和常用的五层协议(物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层)

9.

10.实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

11.协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合

12.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一层所提供的服务

13.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实现的

14.路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层

第2章 物理层

2.1 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.物理层协议也称为物理层规程

4.物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口有关的一些特性,包括机械特性(外观)、电气特性(接口电缆上各线的电压范围)、功能特性(某条线高低电平代表的含义)和过程特性(各种可能事件的出现顺序)

2.2 数据通信的基础知识

1.数据通信系统可划分为三大部分:源系统(发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(接收端)

2.数据通信系统的模型:

3.模拟信号是连续的,数字信号是离散的

4.数据:运送消息的实体

5.信号:数据的电气或电磁的表现

6.码元:在使用时间域(或时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形

7.信道:一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体

8.单向通信、双向交替通信(不能同时)、双向同时通信

9.来自信源的信号常称为基带信号,往往包含很多低频成分,甚至有直流成分,许多信道不能传输低频分量或直流分量,解决这一问题必须对基带信号进行调制,调制分为基带调制和带通调制,基带调制仅对基带信号进行转换,使其能够与信道特性相适应,变换后的信号仍然是基带信号,这一过程称为编码,带通调制不仅把信号调到更高的频段,并转换为模拟信号,使用载波进行调制,经过载波调制的信号称为带通信号

10.常用的编码方式:

(1)不归零制:高电平表示1,低电平表示0,缺点是突变次数太少,频率太低,表示太宽泛

(2)归零制:一开始为0,1波形向上跳变1次,0波形向下跳变1次

(3)曼彻斯特编码:位周期中心跳变

(4)差分曼彻斯特编码:在上一个编码的基础上加上遇到0边界跳变,遇到1边界不跳变的规则

11.从信号波形中可以看出曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高,从自同步能力来看,不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率,而曼彻斯特编码具有自同步能力

12.基本的带通调制方法:①调幅:振幅②调频:频率③调相:初始相位

13.码元在传输过程中失真的现象叫做码间串扰

14.限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个:

①信道能够通过的频率范围:奈式准则给出了在假定的理想条件下,为了避免码间串扰码元的传输速率的上限值,信道频带越宽,能够通过的信号高频分量越多,就可以用更高速率传送码元而不出现码间串扰

②信噪比:噪声(对本次传输无意义的声音)存在于所有电子设备和通信信道中,是随机产生的,产生的影响是相对的,信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比,常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位,信噪比=10log_{10}(S/N)

15.香农公式:带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信道的极限信息传输速率C=Wlog_2(1+S/N)(bit/s),W为信道带宽(以Hz为单位),S为信道所传信号的平均功率,N为信道内部的高斯噪声功率,只要信息传输速率低于信道极限传输速率,就一定可以找到一种方法来实现无差错的传输,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要低不少

16.对于频带宽度已经确定的信道,如果信噪比不能再提高,码元传输速率也已达到上限,还可以通过编码的方法让每一个码元携带更多的比特信息来实现传输速率的提高

2.3 物理层下面的传输媒体

1.导引型传输媒体:

①双绞线(双扭线):最常用的传输媒体,用两根互相绝缘的铜导线按规则的方法绞合起来就是双绞线,可以模拟传输和数字传输,分为带金属屏蔽层的屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP

②同轴电缆:具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数据,带宽取决于电缆的质量,50Ω的同轴电缆LAN/数字传输常用,75Ω的同轴电缆有线电视/模拟传输常用

③光缆:光纤是光纤通信的传输媒体,由于可见光的频率非常高,所以光纤通信系统的带宽远远大于其他通信系统带宽,可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输的光纤被称为多模光纤,只适合近距离传输,反之为单模光纤,传输距离可以很远,光猫实现电信号和光信号的互相转换

2.光纤优点:通信容量非常大,损耗特别小,中继距离长,抗雷电和电磁干扰性能好

3.非导引型传输媒体:利用无线电波在自由空间的传播可较快实现多种通信

4.无线传输的频段很广,短波通信主要是靠电离层的反射,但短波通信的通信质量较差,传输速率低,微波在空间中主要是直线传播,通常是地面微波接力通信和卫星通信,卫星通信具有较大的传播时延,另外非导引型传输媒体还包括红外通信、激光通信等

2.4 信道复用技术

1.复用是通信技术中的基本概念,它允许用户使用一个共享信道进行通信,降低成本提高利用率

2.频分复用FDM:将整个带宽分为多份,用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带,频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(这里的带宽是频率带宽不是数据的发送速率)

3.时分复用TDM:将时间划分为等长的一段段时分复用帧,时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度,类比时间片轮转,TDM信号也称为等时信号,可能造成线路资源的浪费,

4.统计时分复用STDM:STDM不是固定分配时隙,而是按需动态分配时隙,提高了信道的利用率

5.波分复用WDM:波分复用就是光的频分复用,使用一根光纤来同时传输多个光载波信号

6.码分复用CDM:常用的名词是码分多址CDMA,各用户使用经过特殊挑选的不同码型,各用户之间不会造成干扰,这种系统发送的信号具有很强的抗干扰能力,不易被敌人发现,每一个比特时间划分为m个短的间隔,称为码片,每个站被指派一个唯一的m bit码片序列,如果发送比特1,则发送m bit码片序列,如果发送比特0,则发送序列反码,为计算方便将站种序列0改为-1,这种方式将站所占用的频带宽度扩大了m倍,这种通信方式是扩频通信中的一种,扩频通信通常有直接序列扩频DSSS和跳频扩频FHSS两种,上述扩频就是直接序列扩频,每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交,在实用系统中使用伪随机码序列

站S的码片序列向量和另一个站T的规格化内积S\cdot T=\frac{1}{m}\sum\limits_{i=1}^mS_iT_i=0

第3章 数据链路层

3.1 使用点对点信道的数据链路层

1.数据链路层使用的信道主要有点对点信道和广播信道两种类型

2.不同的数据链路层可能采用不同的数据链路层协议

3.链路是一条无源的点到点的物理线路段,中间没有任何其他的交换结点

4.数据链路除了物理线路外,还必须有通信协议来控制这些数据的传输,若把实现协议的硬件和软件加到链路上则实现了数据链路,现在常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件,一般的适配器都包括数据链路层和物理层这两层的功能

5.数据链路层讨论的分组叫做帧

6.物理层没有将比特流进行分组、没有判断传输过程是否有错误,所以将引出三个基本问题,分别是封装成帧、透明传输和差错控制

7.封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部就构成了一个帧,确定帧的界限,首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界,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——最大传送单元MTU

8.当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时,帧定界可以使用特殊的帧定界符,SOH放在一帧的最前面,表示帧的首部开始,EOT表示帧的结束,SOH和EOT都是控制字符的名称,十六进制分别是01和04

9.当数据部分是非ASCII码的文本文件时,数据中某字节的二进制代码正好是SOH或EOT这种控制字符一样,数据链路层就会错误地找到帧的边界,这时就需要透明传输,这里的透明指的是某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样,解决透明传输的问题的方法为字节填充或字符填充,就是在SOH和EOT前面加上转义字符ESC,十六进制编码为1B,如果转义字符也出现在数据当中,解决方法就是在转义字符前面再插入一个转义字符

10.在传输过程中可能出现比特差错,即1可能变成0或者0变成1,传输错误的比特数占总比特数的占比为误码率BER,误码率和信噪比有很大关系,为了传输的可靠性需要差错检测

11.在数据链路层传输的帧中,广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术,检错和纠错的区别在于检错只需判断帧有没有错,而纠错需要知道帧中哪个比特错了,假定每个帧有k个比特,我们在帧的后面再添加差错检测用的n位冗余码一起发送,一共发送n+k位,为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序列FCS

12.计算冗余码方法:首先利用给出的(n+1)位除数P,在帧后面加上n位0,然后用帧除以除数P,除的过程中与除数P最高位相同则商1,否则商0,得出的商计算采用异或计算,然后最后的余数加到n位0上就得到了冗余码

13.在接收端把接收到的数据以帧为单位进行CRC检验,收到的每一个帧都除以同样的除数P,然后检查得到的余数R,如果传输过程中无差错那么经过CRC检验后得出的余数肯定为0,若R≠0则丢弃,只要经过严格的筛选,用使用足够多位数的除数P,出现检测不到差错的概率很小很小

14.仅使用CRC技术只能做到对帧的无差错接受,并没有做到可靠传输,即发送端发什么接收端就收到什么,检测的差错只能在一帧之内,可能出现帧丢失、帧重复或帧失序

15.CRC检验能够做到无比特差错的传输,但不是可靠传输,本章的数据链路层协议都不是可靠传输的协议

3.2 点对点协议PPP

1.PPP协议满足的需求:①上一节的三个基本功能②简单:首要的要求③多种网络层协议:PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议④多种类型链路:能够在多种类型的链路上运行

2.PPP协议不需要的功能:①纠错②流量控制③序号④多点线路⑤半双工或单工链路

3.PPP协议三个组成部分:①将IP数据报封装到串行链路②用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP③网络控制协议NCP,其中每一个协议支持不同的网络层协议

4.PPP协议的帧格式:首部四个字段,分别是标志字段F(0x7E)、地址字段A(oxFF)、控制字段C(0x03)和协议(0x0021为IP数据报,0xC021为链路控制协议LCP的数据,0x8021表示没有携带PPP帧的信息),尾部有两个字段,分别是CRC的帧检验序列FCS和定界符F(0x7E)

5.PPP协议同步传输指一连串的比特连续发送,而异步传输指的是逐个字符(字节)发送

6.当PPP使用异步传输时,可能出现和标志字段一样比特组合,需要进行字符填充来避免,填充方法是把信息字段的每一个0x7E字节转变为2字节序列(0x7D,0x5E),若信息字段中出现一个0x7D的字节则把0x7D转变为2字节序列(0x7D,0x5D),然后接收端收到后再进行与发送端填充相反的变换

7.当PPP使用同步传输时,采用零比特填充方法来实现透明传输,因为0x7E中间正好是连续六个1,所以在发送端扫描整个信息字段只要发现有连续5个1则立即填入一个0,接收端接着再用硬件对比特流进行扫描当发现5个连续1时就把5个连续1后的0删除

8.PPP协议不加入序号和确认机制的原因是数据链路层不是可靠传输,不需要加入序号和确认机制

9.

3.3 使用广播信道的数据链路层

1.局域网最主要的特点是网络为一个单位所拥有、地理范围和站点数目均有限,主要优点是具有广播功能,从一个站点可以很方便地访问全网,局域网上的主机可以共享局域网上的各种硬件和软件资源、设备灵活调整、提高系统可靠性

2.局域网的拓扑结构有星形网、环形网和总线网

3.共享信道要使众多用户合理共享通信媒体资源,有静态划分信道和动态媒体接入控制(多点接入)两种方法,第一中在2.4节介绍的频分复用等,这种方法代价太高,不适合局域网使用,多点接入包括随机接入和受控接入两种,随机接入的特点是用户可随机发送信息,若两个用户同一时刻发送信息,则产生碰撞,因此必须有解决碰撞的网络协议,受控接入的特点是用户不能随机发送信息必须服从控制,典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询,或称为轮询

4.

第3章内容网课上部分有些简略,知识点总结就先暂停一下,日后找时间再整理,接下来先整理第4章的内容

第4章 网络层

4.1 网络层提供的两种服务

 

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