计算机网络知识点——概述、信道复用、数据链路层、网络层

因为计网的知识点较为零散！此处系统整理了概述、信道复用、数据链路层、网络层比较重要的知识点，供复习（预习）食用。

概述

1. 网络由若干结点和链路组成，结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等。
2. 互连网（intenet）通用名词，网络的网络
3. 互联网（Intenet）专用名词，指当前全球最大的互连网。
4. 互联网基础结构发展的三个阶段
   • 单个网路ARPANET到互连网的发展
   • 三级结构的互联网（主干网，地区网，校园网（或企业网））
   • 多层次ISP结构的互联网
5. ISP：互联网服务提供者（Intenet service provider）。
6. IXP：互联网交换点，允许你两个网络直接相连并交换分组。
7. 互联网的组成
   • 边缘部分（由所有连接在互联网上的主机组成）
     • 客户-服务器方式
     • 对等连接方式P2P（主机既是客户也可以是服务器）
   • 核心部分（网络和路由器）
     • 电路交换：在通话时间内，两个用户始终占用端到端的通信资源 。全部报文连续地从源点直达终点
     • 报文交换：整个报文先传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，再转发到下一个结点。
     • 分组交换：报文被划分成若干数据段，每个数据段加上首部，构成一个分组。路由器用于分组交换。单个分组的转发。
       
8. 实体是什么？ 任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。
9. 协议是什么？ 控制两（多）个对等实体进行通信的规则的集合。
10. 服务是什么？ 下层为上层提供服务，上层无法看见下层的协议，只能看见服务。
11. SAP：服务访问点。
12. 三种体系结构
    
13. 信号常用编码方式
    

• 不归零制
  正电平代表1，负电平代表0。
• 归零制
  正脉冲代表1，负脉冲代表0。
• 曼彻斯特编码：
  位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
• 差分曼彻斯特编码
  在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

物理层的信道复用技术

1. 信道复用
   • 时分复用：
     时分复用TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。
   • 频分复用：
     频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输1路信号。
   • 波分复用：
     波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术
   • 码分复用 CDMA：
     将每个比特再细分为m个短间隔，每个短间隔被称作码片（chip）
     • 一个站如果发送比特1，发送原码片。
     • 如果发送比特0，发送码片的反码。
     • 任何码片与自己的规格化内积为1：求平方和再除以总数。1乘1为1，-1乘-1为1，1乘-1为-1。
     • 码片与自己反码内积是-1。
     • 接收站使用源站的码片序列与接收到的向量做内积，必有：
       • 所有其它站的信号都被滤掉（内积为0）
       • 运算结果为+1：源站发送1
       • 运算结果为-1：源站发送0
       • 运算结果为0：源站没有发送数据

数据链路层

1. 信道分为：
   • 点对点信道：一对一
   • 广播信道：一对多
2. 数据链路：一个点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线）

物理链路和数据链路的区别

(1)物理链路是指有线或无线的传输通路,简称链路,中间不包括任何交换节点。级联起来的物理链路是通信网的基本组成单元之一。
(2)数据链路则具有逻辑上的控制关系,这是因为在相邻计算机之间传输数据时,必须有一些必要的规程或协议来控制这些数据的传输。把实现这些规程的硬件和软件加到物理链路上去,就构成了数据链路。因此,数据链路就好象一条将物理链路加以改造后的数字通道。

3. 帧：协议数据单位

4. 封装成帧：给数据添加首部和尾部。

5. 透明传输：转义字符消除歧义

6. 差错检测：

   • 循环冗余检验CRC：在数据后面添加供差错检测的冗余码。这个冗余码通常叫做帧检验序列FCS，注意模2除法用的是异或。计算过程如下：
     (1) 设约定的生成多项式为G(x)=x4+x+1，其二进制表示为10011，共5位，其中k=4。
     (2) 假设要发送数据序列的二进制为101011(即f(x))，共6位。
     (3) 在要发送的数据后面加4个0(生成f(x)*xk)，二进制表示为1010110000，共10位。
     (4) 用生成多项式的二进制表示10011去除乘积1010110000，按模2算法求得余数比特序列为0100（注意余数一定是k位的）。
     (5) 将余数添加到要发送的数据后面，得到真正要发送的数据的比特流：1010110100，其中前6位为原始数据，后4位为CRC校验码。
     (6) 接收端在接收到带CRC校验码的数据后，如果数据在传输过程中没有出错，将一定能够被相同的生成多项式G(x)除尽，如果数据在传输中出现错误，生成多项式G(x)去除后得到的结果肯定不为0。

7. 点对点协议PPP
   
   若出现歧义的现象，如首部尾部出现在IP数据报中，则需要

   • 字节填充：在信息字段中，转义字符为0x7D（01111101），添加到对应字段前面
   • 零比特填充：发现有5个连续地1，立即填入一个0，接着接收端再把它删除。因为01111110会被误认为7E，即标志F。

8. 介质访问控制
   可以分为静态划分信道和动态分配信通。

   • 静态划分信道：也叫信道划分介质访问控制，有四种控制的方法，1、频分多路复用FDM；2、时分多路复用TDM；3、波分多路复用WDM；4、码分多路复用CDM。
   • 动态分配信通，可以分为轮询访问控制 令牌传递协议；随机访问介质访问控制 ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议、CSMA/CA协议。

9. 适配器（网卡）
   网卡是一块被设计用来允许计算机在计算机网络上进行通讯的计算机硬件。
   网卡是工作在数据链路层的网路组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，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、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。计算机网卡由网线是和外界相连的，而网卡的作用就是把计算机的数字信号转换成光电信号发送出去。计算机IP地址存储在CPU存储器中，硬件地址（MAC地址）在适配器的ROM中。

CSMA/CD

10. CSMA/CD协议

• 总线如何实现一对一？仅当发送的数据帧中的目的地址与适配器ROM中存放的硬件地址一致时，该适配器才能接受数据帧，否则丢弃。
• 多点接入：多个计算机连接一根总线。
• 载波监听：不停地检测信道（先听后发）。
• 碰撞检测：边发边听。
• 假设端到端传播时延为 $\tau$，主机知道发生碰撞最长时间为 2$\tau$，成为争用期、碰撞窗口。
• CSMA/CD是边发边听，而不是边发边收，因为不可能边发边收，所以只能是半双工通信。
• 如果一个帧的长度过大，一个站点不停地发送帧，让其他站点一直无法无法使用信道；另外如果帧的长度过大，接收方的缓冲区可能也装不下该帧产生溢出
• 帧间最小间隔9.6us
• 碰撞槽时间（Slot time）：设距离最远主机之间的传输媒体长度S ，帧在媒体上传输速度为0.7C（C为光速）

$$T=S/0.7C+t_{phy}\left(t_{phy}\text{为物理层延时}\right)$$
$$SlotTime=2T$$

• 设Lmin为网络最小帧长，R为网络传输率，必须满足Lmin/R>=Slot time，最小帧长64字节：确保了主机可在帧发送完成之前就检测到该帧的发送过程中是否遭遇了碰撞，因为边发边监听。

11. 集线器（星形拓扑）：也是CSMA/CD协议，同一时刻只允许一个站发数据，将接受的数据一股脑直接发给其他站点。
    

MAC和LLC子层

1. MAC子层：MAC子层的的主要功能为数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制。

2. LLC子层：LLC子层的主要功能为传输可靠性保障和控制，数据包的分段与重组，数据包的顺序传输。

IEEE 802.3 以太网（Ethernet）

• 标准以太网 10 BASE 5
  • 传输媒体 10mm粗缆
  • 特性阻抗50欧
  • 曼彻斯特编码
  • 总线拓扑
  • 单段最长500m
  • 5-4-3规则：五个网段，四个中继器，最多三段线连计算机
• 细缆以太网 10 BASE 2
  • 传输媒体：细缆
  • 特征阻抗：50欧
  • 曼彻斯特编码
  • 总线拓扑
  • 单段最长 185m
  • 185x5=925m 网络跨距（有slottime限制，最长5段）
• 10 BASE T（双绞线）
  传输媒体：UTP（一般指非屏蔽双绞线
  • RJ-45连接器（一个插口）
  • 星型拓扑结构：星状拓扑结构是中央节点和通过点到点链路连接到中央节点的各节点组成
  • 单段最长100m
  • 曼彻斯特编码
  • 使用HUB互连
  • 网络跨距500m
  最多间隔四个集线器。
• 10 BASE F（光纤）
  （ IEEE 802.5 非主流局域网：令牌环）

快速以太网（100 BASE TX）

由于传输速度是原来的十倍，保持最小帧长度Lmin不变，则跨距S就要调整。
$$Lmin=(2S/0.7C+2t_{phy}+2N{t}_r)\times R$$
（N为集线器的个数，tr为集线器的设备延时）
因此跨距需要调整。

网桥

（Bridge）也叫桥接器，是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。

1. 原理

• 帧的接收策略（查看帧的地址DA（目标地址）/SA（原地址））
  • 相同网络数据交换，丢弃帧
  • 不同网络数据交换，接收帧，转发
• 帧的转发规则（查看MAC地址表）
  • DA不在表内，用扩散Flooding方式转发帧。（泛洪：发送给所有其他设备）
  • DA在表内，按表的指定端口转发帧

生成树网桥

可见，由环路引起的循环转发破坏了网桥的数据库，使得网桥无法获得正确的转发信息。
克服这个问题的思路就是要设法消除环路，从而避免出现相互转发的情况。
图论中有一种提取连通图生成树的简单算法，可以用于因特网络消除其中的环路。
在因特网络中，每一个LAN对应于连通图的一个顶点，而每一个网桥则对应于连通图的一个边。
删除连通图的一个边等价于移去一个网桥，凡是构成回路的网桥都可以逐个移去，最后得到的生成树不含回路，但又不改变网络的连通性。
最后得到一颗生成树，这就是生成树网桥

交换机

局域网交换机相当于多端口的网桥。

级联与堆叠

• 级联：交换机简单的互连（类似串联）
• 堆叠：通过相对高速的端口串接和软件的支持，最终实现构建一个多交换机的层叠结构

网络层

分组交换网提供两种传输服务

• 虚电路服务
  虚电路服务是指是一种面向连接的，使所有分组顺序到达目的端的可 靠性数据传输服务。为了进行数据传输，网络中的两节点之间需要先建立一条逻辑通道，该逻辑通道临时建立并在会话结束时释放，固称之为“虚”电路。
• 数据报服务
  数据报服务是一种无连接的，使分组按照独立路由到达目的端的数据 传输服务。

网际协议IP

虚拟互连网络

利用ip协议使性能各异的网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络。

地址分类

主机号全0表示某网络的网络号。
主机号全1表示某网络的广播地址。

子网掩码

网络号全1，主机号全0。
子网掩码 AND 目的地址= 网络地址。
主机使用子网掩码判断目的IP地址是否与本机处在同一个网络中。

子网划分

当IP网需要的网段多，每一个网段上的计
算机台数又少时，就会造成IP地址的巨大
浪费。

• 划分的方法：
  就是向主机ID借位，将借来的二进制位
  与原来的网络ID一起构成一个新的网络ID。

实际上是子网个数与主机个数之间的矛盾。
一个路由器和交换机下可以有多个不同的网段，即多个VLAN，每个网段对应一个IP地址范围，这个范围就由主机位数决定。
例如：
对于C类地址来说，
如果每个网段下主机最多只有30台，每一台都需要一个ip地址，那么至少要5个主机位，$2^5$=32>30。
那么还有3位就可以作为网络号来划分网段，例如001xxxxx，010xxxxx分别表示不同网段下的IP地址。当然网络号不能全0或全1，这样可以划分14个网段。

因此就有了变长的子网掩码，变长子网掩码专用于一些特定情况下，如为了最大限度地节省地址，会在不同的网络中使用不同的掩码长度。例如上个例子来说的子网掩码就是255.255.255.224。

平常看到的后面**/26**就表示子网掩码为1的长度。

超网

超网(supernetting)是与子网类似的概念–IP地址根据子网掩码被分为独立的网络地址和主机地址。但是，与子网把大网络分成若干小网络相反，它是把一些小网络组合成一个大网络–超网。

ip地址与硬件地址

ip数据报格式

• Version: 版本号, 目前为4
• HLen: 首部长度,以4字节为单位记录
• TOS: 区分服务
  

– D:低时延
– T:高吞吐率
– R:高可靠性
– C:低费用

• Total Length: 总长度, 以字节为单位
• 生存时间TTL: Time To Live
• 协议: 指高层的协议类型
• 首部校验和 checksum
• 可变部分

– 如果没有多余字段，IP首部的长度为20字节

地址解析协议ARP

已知IP地址，找出相应的硬件地址。
每一台主机中都有ARP高速缓存。存有IP地址到硬件地址的映射表。
在本局域网中，主机A要向主机B发送IP数据报，先在ARP高速缓存中查看有无B的IP地址。

• 如果有，读对应的硬件地址，存到MAC帧中，然后把MAC帧送往此硬件地址。
• 如果没有，则发送ARP请求，问一下到底是谁，如果有响应，则写入。

发送方与响应方都会存入对方的IP地址与硬件地址。
高缓空间有限，每个地址一般都有生存时间。

ICMP协议

ICMP提供一致易懂的出错报告信息。发送的出错报文返回到发送原数据的设备，因为只有发送设备才是出错报文的逻辑接受者。发送设备随后可根据ICMP报文确定发生错误的类型，并确定如何才能更好地重发失败的数据包。但是ICMP唯一的功能是报告问题而不是纠正错误，纠正错误的任务由发送方完成。

我们在网络中经常会使用到ICMP协议，比如我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令（Linux和Windows中均有），这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。
ICMP封装在IP数据之中。

ARP命令

ARP命令是地址解析协议，它也是一种TCP/IP协议，作用是根据IP地址来获取设备的MAC地址。经常用到的包括查询、添加和删除记录。

在命令提示符中输入：

• arp -a：可以读取IP地址和物理MAC地址的一一对应关系。

• arp -s ：绑定或添加一条ARP记录可以用arp -s 命令实现。格式为：ARP+空格±s+IP地址+MAC地址。

• arp -d：删除一条APR记录，直接用arp -d来实现删除。

RARP协议

反向地址转换协议（RARP：Reverse Address Resolution Protocol） 允许局域网的物理机器从网关服务器的 ARP 表或者缓存上请求其 IP 地址。
ARP（地址解析协议）是设备通过自己知道的IP地址来获得自己不知道的物理地址的协议。假如一个设备不知道它自己的IP地址，但是知道自己的物理地址，网络上的无盘工作站就是这种情况，设备知道的只是网络接口卡上的物理地址。这种情况下应该怎么办呢？RARP（逆地址解析协议）正是针对这种情况的一种协议。

分片问题

• MTU: 最大传输单元，指局域网中的最长帧

• 当较大的报文经过MTU小的局域网之前，
  应该对该报文进行分片

  • 分片由路由器来完成
  • 在分片时，对报文的数据段进行操作

• 标志(flag):
  – MF: 为1时, 表示“还有分片”
  – DF: 为1时, 表示“不能分片”

• 片偏移: 某片在原分组数据中的位置。
  
  片偏移以8字节为单位记录

• 0

• 600/8（bit） = 75

• 75+600/8 = 150

有分片就会有重组，每个片在到达目的地后会进行重组，准确的来说是在运输层之前会进行重组，出于性能的原因，分片重组不会在路由器中进行，而是会在目标主机中进行重组。

IP路由

确定最佳路径。

• 路由系统要解决的问题
  – 如何依据路标寻路
  – 如何维护路标

路标就是路由表。

• IP协议中，路由方式采用“下一站寻路”的
  策略
  • 直接寻址（相同网络中）：在物理网络内部确定目的主机—主机的数据传输路径
  • 间接寻址（不同网络中）： 确定到达目的网络的数据传输路径，在目的网络中用直接寻径方法

IP协议

IP（Internet Protocol）协议，中文叫网际协议 ，是位于网络层的一个协议。它用于屏蔽下层物理网络的差异，为上层提供统一的 IP 数据报。
IP 协议的特点：IP 协议提供无连接的、不可靠的、尽力的数据报投递服务：

• 无连接的投递服务：发送端可于任何时候自由发送数据，而接收端永远不知道自己会在何时从哪里接收到数据。每个 IP 数据报独立处理和传输， 一台主机发出的数据报序列，可能会走不同的路径， 甚至有可能其中的一部分数据报会在传输过程中丢失。
• 不可靠的投递服务：IP 协议本身不保证 IP 数据报投递的结果，在传输的过程中，IP 数据报可能会丢失、重复、延迟和乱序等， IP 协议不对内容作任何检测，也不将这些结果通知收发双方。
• 尽力投递服务：每个数据链路上会规定一个最大传输单元 MTU，如果 IP 数据报的长度超过 MTU，那么网络层就会把这些报文分割成一个一个的小组（分组）进行传送，以适应具体的传输网络。

网关

大家都知道，从一个房间走到另一个房间，必然要经过一扇门。同样，从一个网络向另一个网络发送信息，也必须经过一道“关口”，这道关口就是网关。顾名思义，网关（Gateway）就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。也就是网络关卡。

路由器

路由器（Router）是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络间起网关的作用，是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用智能性的网络设备。

路由表

通常，路由器将目的ip地址与子网掩码相与，比较是否与目的网络相等，若相等则发送到对应的下一站。
默认的子网掩码：0.0.0.0，和谁相于结果都是0

路由选择算法

1. 缺省路径
   缺省(Default)是默认的意思，缺省路由又称默认路由，其目的地址与子网掩码配置为全零（0.0.0.0 0.0.0.0），如果数据报文的目的地址无法与路由表中的路由记录相匹配，则路由器或网络主机中将使用缺省路由转发该报文，可以简化路由计算，提高寻径效率，缩短表长。

2. 静态路由

   • 由网络管理员设置路由表
   • 简单、有效，适于结构简单的网络
   • 不适于拓扑结构和传输流量经常改变的复杂网络
   • 需要管理员经常手工维护

3. 距离向量算法 （ Distance-Vector算法– 动态更新路由表）

   • 周期性地相互传递信息
     每个路由器向与它相邻的站点发送一个包含它到所有其他路由器的距离的向量（最短路径或最小代价）
   • 维护各自的路由表
     路由器根据邻居发送的距离—向量的动态信息启动算法，更新路由表。
   • 更新路由表的原则:
     – 发现新路由, 则更新路由表
     – 发现更短的路由, 则更新路由表
     – 发现必经之路上的距离有变化, 则更新路由表

• RIP协议
  就是使用D-V算法的协议

4. 链路状态算法
   感兴趣可以了解

…未完待续