計算機網絡思維導圖

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再長的路，一步步也能走完，再短的路，不邁開雙腳也無法到達。

01計算機網絡體系結構

01計算機網絡概述

• 概念
  • 計算機網絡是一個将分散的、具有獨立功能的計算機系統，通過通信裝置與線路連接配接起來，由功能完善的軟體實作資源共享和資訊傳遞的系統。
• 組成
  • 組成部分
    • 硬體
      • 由主機（端系統）、通信系統（雙絞線、光纖）、交換裝置（路由器、交換機）和通信處理機（網卡）
    • 軟體
      • 包括各種實作資源共享的軟體和友善使用者使用的各種工具軟體
    • 協定
      • 協定規定了網絡傳輸資料時所遵循的規範。
  • 工作方式
    • 邊緣組成
      • 由所有連接配接到網際網路上、供使用者直接使用的主機組成，用來進行通信和資源共享
    • 核心組成
      • 由大量的網絡和連接配接這些網絡的路由器組成，它為邊緣部分提供連通性和交換服務
  • 功能組成
    • 通信子網
      • 由各種傳輸媒體、通信裝置和相應的網絡協定組成，它使網絡具有資料傳輸、交換、控制和存儲的能力，實作聯網計算機之間的資料通信
    • 資源子網
      • 實作資源共享功能的裝置及其軟體的集合，向網絡使用者提供共享其他計算機上的硬體資源、軟體資源和資料資源的服務
• 功能
  • 資料通信
    • 實作聯網計算機之間的各種資訊的傳輸
  • 資源共享
    • 可以是軟體共享、資料共享、也可以是硬體共享。使計算機網絡中的資源互通有無、分工協作、進而極大地提高硬體資源、軟體資源和資料資源的使用率。
  • 分布式處理
    • 将其處理地某個複雜任務配置設定給網絡中地其他計算機系統，進而利用空閑計算機資源以提高整個系統的使用率
  • 提高可靠性
    • 計算機網絡中的各台計算機可以通過網絡互為替代機
  • 負載均衡
    • 将工作任務均衡的配置設定給計算機網絡中的各台計算機
• 分類
  • 分布範圍
    • 廣域網、城域網、區域網路、個人區域網
  • 傳輸技術
    • 廣播式網絡、點對點網絡
  • 拓撲結構
    • 總線型、行型、環型、網狀型
  • 使用者
    • 公用網、專用網
  • 交換技術
    • 電路交換、封包交換、分組交換
  • 傳輸媒體
    • 有線網絡
      • 雙絞線網絡、同軸電纜網絡等
    • 無線網絡
      • 藍牙、微波、無線電等
• 性能名額
  • 帶寬
    • 計算機網絡中，貸款用來表示網絡的通信線路傳輸資料的能力，通常是指機關時間内從網絡的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”。機關是“比特每秒”
  • 時延
    • 指資料（封包/分組/比特流）從網絡（或鍊路）地一端傳送到另一端所需的時間
      • 發送時延（傳輸時延）

        • 從發送分組的第一個比特算起，到該分組的最後一個比特發送完畢所需地時間

          發送時延=分組長度/信道寬度

      • 傳播時延

        • 電磁波在信道中傳輸一定地距離需要花費地時間，即一個比特從鍊路地一端傳輸到另一端所需地時間。

          傳輸時延=信道長度/電磁波在信道上的傳播速率

      • 處理時延
        • 資料在交換節點為存儲轉發而進行的一些必要的處理所花費的時間。
      • 排隊時延
        • 路由器确定轉發端口後，還要再輸出隊列中排隊等待轉發，這就産生了排隊時延。
  • 時延帶寬積
    • 發送端連續發送資料且發送的第一個比特即将到達終點時，發送端已經發出的比特數。即時延帶寬積=傳播時延*信道寬度
  • 往返時間時延
    • 從發送方發送資料開始，到發送方收到接收方地确認（接收方收到資料後立即發送确認），總共經曆的時延。
  • 吞吐量
    • 指機關時間内通過某個網絡（或信道、接口）地資料量。吞吐量受網絡帶寬或網絡額定速率地限制。
  • 速率
    • 指連接配接到計算機網絡上的主機在數字信道上傳送資料的速率，也稱為資料率或比特率。
  • 使用率
    • 信道使用率
      • 有資料通過時間/（（有+無）資料通過時間）
    • 網絡使用率
      • 信道使用率權重平均值

02計算機網絡體系結構與參考模型

• 01計算機網絡分層結構
  • 分層的基本原則
    • （1）各層之間互相獨立，每層隻實作一種相對獨立的功能
    • （2）每層之間界面自然清晰，易于了解，互相交流盡可能少
    • （3）結構上可分割開。每層都采用最合适的技術來實作。
    • （4）保持下層對上層地獨立性，上層單向使用下層提供地服務。
    • （5）整個分層結構應能促進标準化工作
• 02計算機網絡協定、接口、服務地概念
  • 實體
    • 第N層中的活動元素稱為n層實體。同一層地實體叫對等實體。
  • 協定
    • 為進行網絡中的對等實體資料交換而建立地規則、标準或約定稱為網絡協定。
      • 文法
        • 規定傳輸資料地格式
      • 語義
        • 規定所要完成的功能
      • 同步
        • 規定各種操作的順序
  • 接口（通路服務SAP）
    • 上層使用下層服務的入口
  • 服務
    • 下層為相鄰上層提供的功能調用
      • 服務原語-上層使用下層所提供的服務時必須與下層交換一些指令
        • 請求
          • 由服務使用者發往服務提供者，請求完成某項工作
        • 訓示
          • 由服務提供者發往服務使用者，訓示使用者做某件事情
        • 響應
          • 由服務使用者發往服務提供者，作為對訓示的響應
        • 證明
          • 由服務提供者發往服務使用者，作為對請求的證明
      • 計算機網絡提供的服務分類
        • （1）面向連接配接服務與無連接配接服務
          • 面向連接配接服務
            • 通信前雙方必須先建立連接配接，配置設定相應的資源（如緩沖區），以保證通信能正常進行，傳輸結束後釋放連接配接和所占的資源。
          • 無連接配接服務
            • 通信前雙方不需要先建立連接配接，需要發送資料時可直接發送，把每個帶有目的位址的包（封包分組）傳送到線路上，由系統標明線路進行傳輸。
        • （2）可靠服務和不可靠服務
          • 可靠傳輸
            • 網絡具有糾錯、檢錯、應答機制，能保證資料正确、可靠性傳送到目的地。
          • 不可靠傳輸
            • 網絡隻是盡量正确、可靠地傳送，而不能保證資料正确、可靠地傳送到目的地，是一種盡力而為的服務
        • （3）有應答服務和無應答服務
          • 有應答服務
            • 接收方在收到資料後向發送方給出相應的應答，該應答由傳輸系統内部自動實作，而不由使用者實作。
          • 無應答服務
            • 接收方收到資料後不自動給出應答。若需要應答，則由高層實作。
• 03ISO/OSI參考模型和TCP/IP模型
  • 7層OSI參考模型
    • 7應用層
      • 所有能和使用者互動産生網絡流量的程式
    • 6表示層
      • 用于處理再兩個通信系統中交換資訊的表示方式（文法和語義）
    • 5會話層
      • 向表示層實體/使用者程序提供建立連接配接并在連接配接上有序地傳輸資料
    • 4傳輸層
      • 負責主機中兩個程序的通信，即端到端地通信
    • 3網絡層
      • 主要任務是把分組從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通信服務。網路層傳輸機關是資料報。
    • 2資料鍊路層
      • 主要任務是把網絡層傳下來地資料報組裝成幀。
    • 1 實體層
      • 主要任務是在實體媒體上實作比特流地透明傳輸。實體層傳輸機關是比特。
  • TCP/IP模型
    • 4應用層
      • 包含所有的高層協定，如虛拟終端協定、檔案傳輸協定FTP、域名解析服務DNS、電子郵件協定SMTP、超文本傳輸協定HTTP
    • 3傳輸層

      • 和OSI中的傳輸層類似

        使得發送端和目的端主機上的對等實體進行會話

        • 傳輸控制協定TCP
          • 面向連接配接的，資料傳輸的機關是封包段，能夠提供可靠地傳遞
        • 使用者資料報協定UDP
          • 無連接配接的，資料傳輸的機關是使用者資料報，不保證提供可靠的傳遞，隻能提供“盡最大努力傳遞”
    • 2網際層

      • 和OSI網絡層上相似

        網際層将分組發往任何網絡，并為之獨立地選擇合适的路由，但它不保證各個分組有序地到達，各個分組的有序傳遞由高層負責。

    • 1網絡接口層

      • 類似OSI的實體層和資料鍊路層。

        指出主機必須使用某種協定與網絡連接配接，以便在其上傳遞IP分組。

        作用是從主機或結點接收IP分組，并把它們發送到指定的實體網絡上。

  • 5層參考模型
    • 5應用層
      • 支援各種網絡應用 FTP、SMTP、HTTP
    • 4傳輸層
      • 程序-程序的資料傳輸 TCP、UDP
    • 3網絡層
      • 源主機到目的主機的資料分組路由與轉發 IP、ICMP、OSPF等
    • 2資料鍊路層
      • 把網絡層傳下來的資料報組裝成幀 Ethernet、PPP
    • 1實體層
      • 比特傳輸
  • TCP/IP模型與OSI參考模型的比較
    • 相同點
      • 二者都采取分層的體系結構，将龐大且負責的問題換分為若幹較容易處理的、範圍較小的問題，而且分層的功能也大體相似
      • 二者都是基于獨立的協定棧的概念
      • 二者都可以解決異構網絡的互聯
    • 不同點
      • OSI參考模型精确定定義了三個主要概念：服務、協定和接口；而TCP/IP模型在這三個概念上卻沒有明确區分
      • OSI參考模型産生在協定發明之前，沒有偏向于任何特定的協定，通用性良好；TCP/IP模型正好相反，該模型不适合于任何其他非TCP/IP的協定棧

      • TCP/IP模型在設計之初就考慮到了多種異構網的互聯問題，并将網絡協定IP作為一個單獨的重要層次。

        OSI參考模型隻考慮到用一種标準的共用資料網将各種不同的系統互連。

      • OSI參考模型在網絡層支援無連接配接和面向連接配接的通信，但在傳輸層僅有面向連接配接的通信。

        TCP/IP模型認為可靠性是端到端的問題，是以它在網際層僅有一種無連接配接的通信模式，但傳輸層支援無連接配接和面向連接配接兩種模式。

02實體層

01通信基礎

• 1基本概念
  • 相關術語
    • 資料
      • 指傳送資訊的實體。
    • 信号
      • 指資料的電氣或電磁表現，是資料在傳輸過程中的存在形式。
    • 碼元
      • 指用一個固定時長的信号波形（數字脈沖）表示一位K進制數字，代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信号的計量機關，這個時長内的信号稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度
    • 信源
      • 産生和發送資料的源頭
    • 信道
      • 是信号傳輸媒介
    • 信宿
      • 是接收資料的終點，通常都是計算機或其他數字終端裝置
    • 速率，稱為資料率，指的是資料的傳輸速率，表示機關時間内傳輸的資料量
      • 碼元傳輸速率（碼元速率、波形速率）
        • 表示機關時間内數字通信系統所傳輸的碼元個數（也稱為脈沖個數或信号變化的次數），機關是波特
      • 資訊傳輸速率（資訊速率、比特率）
        • 表示機關時間内數字通信系統傳輸的二進碼元個數（比特數，機關比特/秒）
    • 帶寬
      • 指信号具有的頻帶寬度，機關是赫茲（HZ）。表示機關時間内從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”
    • 信道寬度
      • 信道能通過的最高頻率和最低頻率之差
    • 碼間串擾
      • 接收端收到的信号波形失去了碼元之間清晰界限的現象
  • 兩種傳輸方式
    • 串行傳輸
      • 指一個一個的比特按照時間順序傳輸
    • 并行傳輸
      • 指多個比特通過多條通信信道同時傳輸
  • 實作同步的傳輸/通信方式
    • 同步傳輸
      • 在同步傳輸的模式下，資料的傳送是以一個資料區塊為機關，是以同步傳輸又稱為區塊傳輸。在傳送資料時，需先送出1個或多個同步字元，再送出整批的資料。
    • 異步傳輸
      • 異步傳輸将比特分成小組進行傳輸，小組可以是8位的一個字元或更長。發送方可以在任何時刻發送這些比特組，而接收方不知道它們會在什麼時候到達。傳送資料時，加一個字元起始位和一個字元終止位。
  • 三種資料通信方式
    • 單工通信
      • 隻有一個方向的通信而沒有反方向的互動，僅需要一條信道
    • 半雙工通信
      • 通信的雙方都可以發送或接收資訊，但任何一方都不能同時發送和接收資訊，此時需要兩條信道
    • 全雙工通信
      • 通信雙方可以同時發送和接收資訊，也需要兩條信道
• 2奈氏準則與香農定理
  • 奈氏準則
    • 概念
      • 在理想低通（無噪聲，帶寬受限）條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W是信道帶寬，機關是Hz。
    • 公式
      • 理想低通信道下的極限資料傳輸率=2Wlog2V (b/s)
    • 結論
      • （1）在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的。若傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重-的碼間串擾問題，使得接收端對碼元的完全正确識别成為不可能。
      • （2）信道的頻帶越寬（即通過的信号高頻分量越多），就可用更高的速率進行碼元的有效傳輸。
      • （3）奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對資訊傳輸速率給出限制。
      • （4）由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，是以要提高資料的傳輸速率，就必須設法使每個碼元能攜帶更多個比特的資訊量，這就需要采用多元制的調制方法。
  • 香農定理
    • 概念
      • 在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不産生誤差，資訊的資料傳輸速率有上限值。
    • 公式
      • 信道的極限資料傳輸速率=Wlog2(1+S/N) (b/s)
    • 結論
      • （1）信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高。
      • （2）對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，資訊傳輸速率的上限就确定了。
      • （3）隻要資訊的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法來實作無差錯的傳輸。
      • （4）香農定理得出的為極限資訊傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少。
      • （5）從香農定理可以看出，若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（不可能），那麼信道的極限資訊傳輸速率也就沒有上限。
• 3編碼與調制
  • 概念
    • 調制
      • 把資料變換為模拟信号的過程
    • 編碼
      • 把資料變換為數字信号的過程
  • 1數字資料編碼為數字信号
    • （1）非歸零編碼
      • 用兩個電壓來代表兩個二進制數字 ，如用低電平表示0，用高電平表示1；或者相反
    • （2）曼徹斯特編碼
      • 将一個碼元分成兩個相等的間隔，前一個間隔為高電平而後一個間隔為低電平表示碼元1；碼元0的表示方法則正好相反。
    • （3）差分曼徹斯特編碼

      • 同1異0；常用于區域網路傳輸；若碼元為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的後半個碼元的電平相同，若為0，則相反。

        該編碼的特點是，在每個碼元的中間，都有一次電平的跳轉，可以實作自同步，且抗幹擾性強于曼徹斯特編碼。

    • （4）4B/5B編碼
      • 将欲發送資料流的每4位作為一組，然後按照4B/5B編碼規則将其轉換成相應的5位碼。5位碼共32種組合，但隻采用其中的16種對應16種不同的4位碼，其他的16種作為控制碼（幀的開始和結束、線路的狀态資訊等）或保留
  • 2數字資料調制為模拟信号
    • 概念
      • 在發送端将數字信号轉換為模拟信号，而在接收端将模拟信号還原為數字信号，分别對應于數據機的調制和解調過程。
    • 調制方法
      • （1）幅移鍵控（ASK）
        • 通過改變載波信号的振幅來表示數字信号1和0，而載波的頻率和相位都不改變。抗幹擾能力差。
      • （2）頻移鍵控（FSK）
        • 通過改變載波信号的頻率來表示數字信号1和0，而載波的振幅和相位不改變。抗幹擾能力強。
      • （3）相移鍵控（PSK）
        • 通過改變載波信号的相位來表示數字信号1和0，而載波的振幅和頻率都不改變。又分為絕對調相和相對調相。
      • （4）正交振幅調制（QAM）
        • 在頻率相同的前提下，将ASK和PSK結合起來，形成疊加信号。
  • 3模拟資料編碼為數字信号
    • 采樣定理
      • 将模拟信号轉換成數字信号時，假設原始信号中的最大頻率為f，那麼采樣頻率f必須等于最大頻率f 的兩倍，才能保證采樣後的數字信号完整保留原始模拟信号的資訊
    • 采樣
      • 指對模拟信号進行周期性掃描，把時間上連續的信号變成時間上離散的信号
    • 量化
      • 把采樣取得的電平幅值按照一定的分級标度轉化為對應的數字值并取整數，這樣就把連續的電平幅值轉換為了離散的數字量。
    • 編碼
      • 把量化的結果轉換為與之對應的二進制編碼。
  • 4模拟資料調制為模拟信号
    • 為了實作傳輸的有效性，可能需要較高的頻率。
• 4電路交換、封包交換與分組交換
  • 1電路交換
    • 概念
      • 在進行資料傳輸前，兩個結點之間必須先建立一條專用（雙方獨占）的實體通信路徑，該路徑可能經過許多中間結點。這一路徑在整個資料傳輸期間一直被獨占，直到通信結束後才被釋放。分為三個階段：連接配接建立、資料傳輸和連接配接釋放。
    • 優點
      • 通信時延小
      • 有序傳輸
      • 沒有沖突
      • 适用範圍光
      • 實時性強
      • 控制簡單
    • 缺點
      • 建立連接配接時間長
      • 線路獨占
      • 靈活性差
      • 難以規格化
  • 2封包交換
    • 概念
      • 資料交換的機關是封包，封包攜帶有目标位址、源位址等資訊。封包交換在交換結點采用的是存儲轉發的傳輸方式
    • 優點
      • 無須建立連接配接
      • 動态配置設定線路
      • 提高線路可靠性
      • 提高線路使用率
      • 提供多目标服務
    • 缺點
      • 由于資料進入交換結點後要經曆存儲、轉發這一過程，是以會引起轉發時延（包括接收封包、檢驗正确性、排隊、發送時間等）
      • 封包交換對封包大小沒有限制，這就要求網絡及欸DNA需要有較大的緩存空間
  • 3分組交換
    • 概念
      • 采用存儲轉發方式，但解決了封包交換中大封包傳輸的問題。分組交換限制了每次傳送的資料塊大小的上限，把大的資料塊劃分為合理的小資料塊，再加上一些必要的控制資訊，構成分組。
    • 優點
      • 無建立時延
      • 線路使用率高
      • 簡化了存儲管理
      • 加速傳輸
      • 減少了出錯機率和重發資料量
    • 缺點
      • 存在傳輸時延
      • 需要傳輸額外的資訊量
      • 當分組交換采用資料報服務時，可能會出現失序、丢失或重複分組。
  • 三種比較
    • 要傳送的資料量很大且其傳送時間遠大于呼叫時間時，采用電路交換較為合适。
    • 端到端的通路由多段鍊路組成時，采用分組交換傳送資料較為合适。
    • 從提高整個網絡的信道使用率上看，封包交換和分組交換優于電路交換，其中分組交換比封包交換的時延小，尤其适合計算機之間的突發式資料通信。
• 5資料報與虛電路
  • 資料報
    • 資料報的方式
      • 1源主機（A）将封包分成多個分組，依次發送到直接相連的結點（A）
      • 2結點A收到分組後，對每個分組差錯檢測和路由選擇，不同分組的下一跳結點可能不同
      • 3結點C收到分組P1後，對分組P1進行差錯檢測，若正确則向A發送确認資訊，A收到C确認後則丢棄分組P1副本
    • 特點
      • 1發送分組前不需要建立連接配接。發送方可随時發送分組，網絡中的結點可随時接收分組。
      • 2同一封包的不同分組達到目的結點時，可能發生亂序，重複與丢失
      • 3每個分組在傳輸過程中都必須攜帶源位址和目的位址，以及分組号
      • 4分組在交換結點存儲轉發時，需要排隊等候處理，這會帶來一定的時延。當通過結點的通信量較大或網絡發生擁塞時，這種時延會大大增加，交換結點還可根據情況丢棄部分分組。
      • 5網絡具有備援路徑，當某一交換結點或一段鍊路出現故障，可相應地更新轉發表，尋找另一條路徑轉發分組，對故障地适應能力強
      • 6存儲轉發地時延一般較小，提高了網絡的吞吐量
      • 7收發雙方不獨占某一鍊路，資源使用率較高
  • 虛電路
    • 虛電路的方式
      • 虛電路将資料報方式和電路交換方式結合，以發揮兩者優點。一條源主機到目的主機類似于電路的路徑（邏輯連結），路徑上所有結點都要維持這條虛電路的建立，都維持一張虛電路表，每一項記錄了一個打開的虛電路的資訊
    • 虛電路的特點
      • 虛電路通信鍊路的建立和拆除需要時間開銷，對互動式應用和小量的短分組情況顯得很浪費，但對長時間、頻繁的資料交換效率較高。
      • 虛電路的路由選擇展現在連接配接建立階段，連接配接建立後，就确定了傳輸路徑。
      • 虛電路提供了可靠地通信功能，能保證每個分組正确且有序到達。
      • 緻命弱點：當網絡中的某個結點或某條鍊路出故障而徹底失效時，則所有經過該結點或該鍊路的虛電路将遭到破壞。
      • 分組首部并不包含目的位址，而包含虛電路辨別符，相對資料包方式開銷小。

02傳輸媒體

• 概念
  • 發送裝置和接收裝置之間的實體通道
• 導向傳輸媒體
  • 雙絞線-由兩根采用一定規則并排絞合的、互相絕緣的銅導線組成
    • 屏蔽雙絞線（STP）
      • 在雙絞線的外面再加上一個由金屬絲編織成的屏蔽層
    • 屏蔽雙絞線（UTP）
      • 無屏蔽層的雙絞線
  • 同軸電纜-由内導體、絕緣層、網狀編織屏蔽層和塑膠外層構成
    • 50Ω同軸電纜
      • 主要用于傳送基帶數字信号，又稱基帶同軸電纜，它在區域網路中應用廣泛
    • 70Ω同軸電纜
      • 主要用于傳送寬帶信号，又稱為寬帶同軸電纜，主要用于有線電視系統
  • 光纖-主要由纖心和包層構成，光纖通信就是利用光導纖維傳遞光脈沖來進行通信
    • 多模光纖
      • 從不同角度入射的多束光線可在一條光纖中傳輸
    • 單模光纖
      • 光線一直向前傳播，不會産生多次反射
• 非導向傳輸媒體
  • 無線電波
    • 具有很強的穿透能力，可以傳輸很長的距離，是以它被廣泛應用于通信領域，如無線手機通信，無線區域網路等
  • 微波
    • 地面微波接力通信
      • 頻率較高，頻段範圍很寬，載波頻率通常為2-40GHZ，因而通信信道的容量大。沿直線傳播的，故在地面的傳輸距離有限，超過一定距離後就要用中繼站來接力。
    • 衛星通信
      • 利用地球同步衛星作為中繼來轉發微波信号，可以克服地面微波通信距離的限制。
  • 紅外光、雷射
    • 紅外通信和雷射通信把要傳輸的信号分别轉換為各自的信号格式，即紅外光信号和雷射信号，再直接在空間中傳播
• 實體層接口的特性
  • 機械特性
    • 主要定義實體連接配接的邊界點，即接插裝置。規定實體連接配接時所采用的規格、引線的數目、引腳的數量和排列情況等。
  • 電氣特性
    • 規定傳輸二進制位時，線路上信号的電壓高低、阻抗比對、傳輸速率和距離限制等。
  • 功能特性
    • 指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義，接口不見得信号線（資料線、控制線、定時線等）
  • 規程特性
    • 主要定義各條實體線路的工作規程和時序關系。

03實體層裝置

• 中繼器
  • 将信号整形并放大再轉發出去，消除信号的失真和衰減問題，具有5-4-3規則
• 集線器
  • 實質上是一個多端口中繼器，對信号進行放大後發到其他所有端口

03資料鍊路層

功能

• 主要作用
  • 加強實體層傳輸原始比特流的功能，将實體層提供的可能出錯的實體連接配接改造為邏輯上無差錯的資料鍊路，使之對網絡層表現為一條無差錯的鍊路
• 為網絡層提供服務
  • 無确認的無連接配接服務
    • 源機器發送資料幀時不需先建立鍊路連接配接，目的機器收到資料幀時不需發回确認。
  • 有确認的無連接配接服務
    • 源機器發送資料幀時不需先建立鍊路連接配接，目的機器收到資料幀時必須發回确認。
  • 有确認的面向連接配接服務
    • 目的機器對收到的每一幀都要給出确認，原機器收到确認後才能發出下一幀。
• 鍊路管理
  • 資料鍊路層連接配接的建立、維持和釋放的過程
• 幀定界
  • 首部和尾部中含有很多控制資訊，他們的一個重要作用是确定幀的界限
• 幀同步
  • 是接收方應能從接收到的二進制比特流中分出幀的起始與終止
• 透明傳輸
  • 不管所傳資料是什麼樣的比特組合，都應當能在鍊路上傳送
• 流量控制
  • 限制發送方的資料流量，使其發送速率不超過接收方的接收能力
• 差錯控制
  • 用以使發送方确定接收方是否正确收到由其發送的資料的方法

組幀

• 字元計數法
  • 在幀頭部使用一個計數字段來表明内字元數
• 首尾定界法
  • 概念
    • 使用特定字元或比特模式定結幀的開始和結束
  • 字元填充
    • 在資料中的特殊字元前面用轉義字元填充
  • 比特填充
    • 資料區每遇到連續5個1就填充一個
• 違規編碼法
  • 信号傳輸過程中采用違規的編碼來表示幀的起始和終止

差錯控制

• 檢錯編碼
  • 奇偶效驗碼、循環備援碼
• 糾錯編碼
  • 海明碼

可靠傳輸

• 資料鍊路層通常使用确認和逾時重傳兩種機制來保證可靠傳輸

流量控制

• 停止等待協定
  • 發送方每發送一幀都要等待接收方的應答信号才能發送到下一幀
• 後退N幀協定
  • 發送方一次可發送N幀，按序接收，重傳從最後一個确認開始
• 選擇重傳協定
  • 發送乙方一次可發送N幀，可以不按序接收，重傳沒有确認的幀

媒體通路

• 信道劃分
  • 頻分複用
    • 将多路信号調制到不同頻率載波上疊加形成一個複合信号
  • 時分複用
    • 将實體信道按時間分為若幹時間片，輪流給不同信号使用
  • 波分複用
    • 在一根光纖中傳輸多種不同波長（頻率）的光信号
  • 碼分複用
    • 靠不同的編碼來區分各路原始信号，例如CDMA技術
• 随機通路
  • ALOHA協定
    • 純ALOHA
      • 不檢測直接發送，若無确認則等待重發
    • 時隙ALOHA
      • 将時間劃分為若幹等長時隙，按時發送
  • CSMA協定
    • 1-堅持
      • 閑則發送，忙則繼續監聽
    • 非堅持
      • 閑則發送，忙則等待一個随機時間監聽
    • p-堅持
      • 閑則以機率p發送，1-p等待下一個時隙忙則等待一個随機時間監聽
  • CSMA/CD協定
    • 流程
      • 先聽後發，邊聽邊發，沖突停發，随機重發
    • 碰撞解決
      • 采用二進制指數退避算法來解決碰撞問題
  • CSMA/CD協定
    • 避免碰撞
      • 預約信道、ACK幀、RTS/CTS幀
    • 解決碰撞
      • 采用二進制指數退避算法來解決碰撞問題
• 輪詢通路
  • 令牌傳遞協定，隻有得到令牌的機器才能發送資料，其他必須等待

區域網路

• 在一個較小地理範圍内，将各種計算機等裝置通過雙絞線等媒體連接配接

廣域網

• PPP協定
  • 面向位元組，采用位元組填充方式，隻支援全雙工鍊路
• HDLC協定
  • 面向比特，采用0比特插入法，幀類分為資訊幀、監督幀和無編号幀

裝置

• 網橋
  • 特點
    • 把兩個或多個以太網通過網橋連接配接起來變成一個網段
  • 類型
    • 透明網橋
      • 按照自學習算法填寫轉發表，按轉發表轉發
    • 源路由網橋
      • 先發送發現幀，按傳回結果轉發
• 交換機
  • 特點
    • 實際就是一個多端口網橋
  • 交換方式
    • 直通式
      • 幀在接收後隻檢查目的位址，幾乎能馬上就被傳出去
    • 存儲式轉發
      • 先将接收到的幀緩存到高速緩存器，檢查資料正确性
• 相同點
  • 按MAC位址轉發，都能隔離沖突域，不能隔離廣播域

04網絡層

網絡層的功能

• 功能
  • 主要任務是把分組從源端傳送目的端，分為交換網上的不同主機提供通信服務。網絡層傳輸機關是資料報。
• 異構網絡互聯
  • 網絡互聯，是指将兩個以上的計算機網絡，通過一定的方法，用一種或多種通信處理裝置（即中間裝置）互相連接配接起來，以構成最大的網絡系統。
• 路由與轉發
  • 路由選擇
    • 指按照複雜的分布式算法，根據從各相鄰路由器所得到的關于整個網絡拓撲的變化情況，動态地改變所選擇的路由。
  • 分組轉發
    • 指路由器根據轉發表将使用者的IP資料報從合适的端口轉發出去。
• 擁塞控制
  • 若所有結點都來不及接受分區，而要丢棄大量分組的話，網絡就處于擁塞狀态。是以要采取一定措施，緩解這種擁塞。

路由算法

• 靜态路由與動态路由
  • 靜态路由算法（非自适應路由算法）
    • 由網絡管理者手工配置的路由資訊
  • 動态路由算法（自适應路由算法）
    • 指路由器上的路由表項是通過互相連接配接的路由器之間彼此交換資訊，然後按照一定的算法優化出來的
• 距離-向量路由算法
  • 計算一個路由中的站段數或延遲時間，進而得到到達一個目标的最短（最小代價）通路
• 鍊路狀态路由算法
  • 執行兩項任務
    • 一、主動測試所有鄰接結點的狀态。兩個共享一條連結的結點是相鄰結點，它們連接配接到同一條鍊路，或者連接配接到同一廣播型實體網絡
    • 二、定期地将鍊路狀态傳輸給所有其他結點（路由結點）。典型的鍊路狀态算法是OSPF算法
• 層次路由
  • 概念
    • 将網際網路分成許多較小的自治系統，系統有權決定自己内部采用什麼路由協定
  • 協定
    • 内部網管協定
      • 自治系統内部使用的網關協定，如RIP、OSPF
    • 外部網管協定
      • 自治系統之間使用的網關協定，如BGP4

IPV4

• 首部
  • 固定部分共20B，其中首部長度、總長度和片偏移的基本機關分别為4B、1B、8B
• NAT
  • 實作專用網絡位址和公用網絡位址之間的互相轉換
• 子網劃分
  • 采用子網路遮罩對實體子網使用的再一次進行子網劃分
• CIDR
  • 在變長子網路遮罩的基礎上提出的一種消除傳統A、B、C類網絡劃分
• 路由聚合
  • 概念
    • 将網絡字首都相同的連續的IP位址組成“CIDR位址塊”
  • 目的
    • 使得一個位址塊可以表示很多位址，減少路由表表項和路由器間的資訊交換
  • 方法
    • 把一串IP位址都寫為二進制表示，取最長的公共字首作為網絡号
• 協定
  • ARP
    • 對于特定的IP位址，查詢其對應的實體位址
  • DHCP
    • 給網絡中的主機動态的配置設定IP位址
  • ICMP
    • 用來給主機或路由器報告差錯和異常情況

路由協定

• IGP
  • RIP協定
    • 基于距離向量路由選擇協定，使用UDP，與相鄰路由器交換整個路由表
  • OSPF協定
    • 基于鍊路狀态路由算法，使用IP，與全部路由器交換相鄰結點鍊路狀态
• EGP
  • BGP協定
    • 基于路徑向量路由選擇協定，使用TCP，尋找的并非最佳路徑

IP多點傳播

• 在發送者和每一接收者之間實作點對多點網絡連接配接，應用UDP協定，使用D類位址

移動IP

• 概念
  • 移動節點以固定的網絡IP位址，實作跨越不同網段的漫遊功能
• 組成
  • 移動結點、本地代理、外部代理

路由器

• 特點
  • 可以用來連接配接異構網絡，完成路由轉發，能隔離沖突域和廣播域，依照IP位址轉發
• 組成
  • 控制部分
    • 路由選擇處理機，根據路由協定構造與維護路由表
  • 分組轉發部分
    • 交換結構、一組輸入端口和一組輸出端口

05傳輸層

傳輸層提供的服務

• 傳輸層的功能
  • 提供服務
    • 程序之間的邏輯通信，複用和分用、差錯檢測、面向連接配接的TCP和無連接配接的UDP
  • 傳輸層的功能
    • 傳輸層提供應用程序之間的邏輯通信（即端到端的通信）。
    • 複用和分用
      • 複用
        • 指發送方不同的應用程序都可使用同一個傳輸層協定傳輸資料
      • 分用
        • 指接收方的傳輸層在剝去封包的首部後能夠把這些資料正确傳遞到目的應用程序。
    • 傳輸層還要對收到的封包進行差錯檢測（首部和資料部分）。而網絡層隻檢查IP資料報的首部，不檢測資料部分是否出錯。
    • 提供兩種不同的傳輸協定，即面對連接配接的TCP和無連接配接的UDP
• 傳輸層的尋址與端口
  • 端口的作用
    • 端口能讓應用層的各種應用程序将其資料通過端口向下傳遞給傳輸層，以及讓傳輸層知道應當将其封包段中的資料向上通過端口傳遞給應用層相應的程序
  • 端口号
    • 服務端使用的端口号
      • 熟知端口号
        • 給TCP/IP最重要的一些應用程式，讓所有使用者都知道0-1023
      • 登記端口号
        • 為沒有熟知端口号的應用程式使用的1024-49151
    • 用戶端使用的端口号
      • 僅在客戶程序運作時才動态選擇，又稱為短暫端口号(臨時端口号)
  • 套接字
    • 在網絡中采用發送方和接收方的套接字組合來識别斷點。所謂套接字，實際上是一個通信端點。
• 無連接配接服務與面向連接配接服務
  • 面向連接配接服務
    • 在通信雙方進行通信之前，必須先建立連接配接，在通信過程中，整個連接配接的情況一直被實時地監控和管理。
  • 無連接配接服務
    • 無連接配接服務是指兩個實體之間地通信不需要先建立好連接配接，需要通信時，直接将資訊發送到“網絡”中，讓該資訊地傳遞在網上盡力而為地往目的地傳送。

UDP協定

• 特點
  • 無連接配接、首部開銷小、最大努力傳遞，應用層要保證可靠性
• 首部
  • 8B，分貝為源端口号、目的端口号、長度、校驗和
• 校驗
  • 采用首部、僞首部、資料進行二進制反碼運算求和再取反

TCP協定

• 特點
  • 有連接配接、一對一、提供可靠傳遞、全雙工通信、面向位元組流
• 首部
  • 20B，源端口、目的端口、序号、确認号等控制資訊
• 連接配接管理
  • 三次握手建立，四次握手釋放
• 可靠傳輸機制
  • 序号
    • 用來保證資料能有序送出給應用層
  • 确認
    • 确認号為期待收到的下一個封包段第一個位元組的序号
  • 重傳
    • 逾時
      • 計時器到期還沒收到确認則重傳對應封包
    • 備援确認
      • 當收到失序封包時向發送端發送備援ACK
• 流量控制
  • 在确認封包中設定接收視窗rwnd地值來限制發送速率
• 擁塞控制
  • 原理
    • 根據自己估算地網絡擁塞成都設定cwnd地值來限制發送速率
  • 方法
    • 慢開始
      • 當cwnd<ssthresh時，每收到一個封包段的确認cwnd加1
    • 擁塞避免
      • 當cwnd>ssthresh時，每經過一個往返延時時cwnd加1
    • 快重傳
      • 當收到連續的三個重複的ACK，直接重傳對方期待的封包
    • 快恢複
      • 當收到連續的三個備援ACK，令ssthresh=cwnd=cwnd/2
  • 擁塞處理
    • ssthresh置為原cwnd的一半，cwnd置1

06應用層

網絡應用模型

• 客戶/伺服器模型 C/S模型
  • 區分處理請求的伺服器和送出請求的客戶機
• P2P模型
  • 每台機器即是伺服器又是客戶機

域名系統

• 作用
  • 把主機名轉換為IP位址
• 協定與端口
  • 運作在UDP之上，使用53端口
• 伺服器分類
  • 根域名伺服器
    • 知道所有頂級域名伺服器的IP位址
  • 頂級域名伺服器
    • 負責管理在其伺服器注冊的所有二級域名
  • 授權域名伺服器
    • 能夠将其管轄的主機名轉換為該主機的IP位址
  • 本地域名伺服器
    • 本地網絡提供商負責的域名伺服器
• 查詢方式
  • 遞歸查詢
    • 由查詢的伺服器發起下一次的查詢
  • 遞歸
    • 除第一次查詢外，其餘均由本機域名伺服器向外查詢

檔案傳輸協定（FTP）

• 作用
  • 允許使用者在網際網路上存取檔案
• 協定與端口
  • 運作在TCP之上，控制連結為21号端口，資料連接配接為20号端口

電子郵件

• STMP
  • 作用
    • 向郵件伺服器主動發送電子郵件
  • 協定與端口
    • 運作在TCP之上，使用25号端口
• POP3
  • 作用
    • 向郵件伺服器要求接收電子郵件
  • 協定與端口
    • 運作在TCP之上，使用110号端口

網際網路

• 統一資源定位符
  • 負責辨別網際網路上各種文檔
• 超文本傳輸協定
  • 作用
    • 在網際網路上能夠可靠地交換檔案
  • 協定與端口
    • 運作在TCP之上，使用80号端口
• 超文本标記語言
  • 文檔結構标記語言，使用約定的标記對頁面上的各種資訊進行描述

百度網盤連結：

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提取碼：l40l

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