计算机网络

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第1章计算机网络的概述
- 定义
  - 是指一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机集合
- 形成与发展
  四个阶段
  - 1. 以数据通信为主的第一代计算机网络
  - 2. 以资源共享为主的第二代计算机网络
  - 3. 体系标准化的第三代计算机网络
  - 4. 以Internet为核心的第四代计算机网络
- 功能和应用
  - 1. 资源共享
  - 2. 数据通信
  - 3. 集中管理和远程控制
  - 4. 分布式信息处理
  - 5. 提高计算机系统的可靠性
  - 6. 娱乐和电子商务
- 分类
  - 作用范围分类
    - 广域网(WAN,Wide Area Network)
    - 城域网(MAN,Metropolitan Area Network)
    - 局域网(LAN,Local Area Network)
  - 使用者分类
    - 公用网
      - 我国的公用网一般由政府电信部门组建、管理和控制
    - 专用网
      - 由部门或企事业单位自行组建，不允许其它部门或单位使用
  - 通信方式分类
    - 点到点网络
      - 网络中的两台主机、两台结点交换机之间或主机与结点交换机之间都存在一条物理信道
    - 广播式网络
      - 广播式网络结构中，所有主机共享一条信道，某主机发出的数据，其他主机都能收到
  - 拓扑结构分类
    拓扑结构一般是指由点和线排列成的几何图形计算机网络的拓扑结构是指一个网络的通信链路和计算机结点相互连接构成的几何图形
- 网络结构
  - 资源子网
    - 构成
      - 是由处于网络外围的主机构成
    - 任务
      - 负责信息处理
    - 共享
      - 不仅共享通信子网的资源，还共享硬件资源和软件资源。
  - 通信子网
    - 构成
      - 由网络中的通信链路和用于信息交换的交换机结点构成
    - 主要任务
      - 负责全网网络互连和数据通信
    - 数据交换技术
      主要有三种
      - 电路交换
        
        必须经过“建立连接通信释放连接”三个步骤的连网方式为面向连接的
        
        举例
        
        缺点
        
        由于计算机数据具有突发性，导致通信线路的利用率很低
      - 报文交换
        
        原理
        
        基于存储转发
        
        在报文交换中心，以每份报文为单位，根据报文的目的站地址，在进行相应的转发
        
        缺点
        
        延迟时间较长，几分钟到几小时不等
      - 分组交换
        
        原理
        
        基于存储转发技术
        
        优点
        
        高效
        
        分组过程中动态分配传输带宽，对通信电路逐段占用
        
        灵活
        
        每个节点均为智能，为每一个分组独立地选择转发路由
        
        迅速
        
        以分组作为传送单位，可以不先建立连接就向其它主机发送分组；网络使用高速链路
        
        可靠
        
        完善的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使用网络有很好的生存性
        
        缺点
        
        有一定的时延
        
        各分组所携带的控制信息会造成一定的开销（overhead）
        
        需要专门的管理和控制机制
- 组成
  一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的
  - 网络硬件
    - 1. 主机
    - 2. 网络工作站
    - 3. 网络终端
    - 4. 通信处理机
    - 5. 通信线路
    - 6. 信息变换设备
  - 网络软件
    - 1. 网络操作系统
    - 2. 网络协议软件
    - 3. 网络管理软件
    - 4. 网络通信软件
    - 5. 网络应用软件
  - 网络连接设备
    - 1. 中继器
      - 当主机之间的距离大于一定数值时，就需要中继器延长通信介质的距离
    - 2. 集线器
      - 实现中继功能（它实质上是一个多端口的中继器）
      - 汇接多台主机，被形象地称为Hub
    - 3. 网桥
      - 互联两个局域网
    - 4. 交换机
      - 由网桥发展而来的，它相当于一个多端口的网桥
      - 还具有提高局域网性能的作用
    - 5. 路由器
      - 当要互联的局域网之间需要对信息交换施加比较严格的控制时，或者把局域网通过广域网与远程的局域网互联时，一般采用路由器作为互联设备
    - 6. 调制解调器
      - 俗称“猫”
      - 将电脑中表示数据的数字信号在模拟电话线上/不同线路传输
      - 构成
        
        调制
        
        将电脑中表示数据的数字信号在模拟电话线上/不同线路传输
        
        解调
        
        将电话线上的模拟信号转换成数字信号，由电脑接收并处理
    - 7. 网卡/网络适配器NIC
      - 通过网络线（如双绞线、同轴电缆或光纤）与网络交换数据、共享资源
      - 每块网卡都拥有唯一的ID号，也叫做MAC地址（48位），MAC地址被烧录在网卡的ROM中，就像我们每个人的遗传基因DNA一样，即使在全世界也绝不会重复。
  - 传输介质
    - 传输介质就是通信中实际传送信息的载体，在网络中是连接收发双方的物理通路
    - 常用的传输介质分为有线介质和无线介质
- 性能指标
  - 1. 速率
    - 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标
    - 单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等
    - 速率往往是指额定速率或标称速率
  - 2. 带宽
    - 模拟信号
      - 表示允许信号占用的频率范围。
      - 单位
        
        HZ、KHZ、MHZ
    - 数字信号
      - 表示数字信道发送数字信号的速率，即比特率或数据率或传输速率，也称为吞吐量
      - 单位
        
        比特/秒，bit/s，bps
  - 3. 吞吐量
    - 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
    - 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制
  - 4. 时延
    - 传播时延
      - 指电磁波在信道中传播一定距离所需的时间
    - 发送时延
      - 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间
      - 也就是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
    - 处理时延
      - 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间
    - 排队时延
      - 结点缓存队列中分组排队所经历的时延
      - 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量
    - 总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
  - 5. 时延带宽积
    - 传播时延 x 带宽 = 链路的体积
    - 表示链路能够容纳的比特数
  - 6. 往返时延RTT
    - 数据从发送端开始发送，到发送端收到来自接收端的确认信息所经历的时间
    - 数据从发送端开始发送，到发送端收到来自接收端的确认信息所经历的时间
  - 7. 利用率
    - 信道利用率
      - 信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率为零
      - 信道利用率并非越高越好
    - 网络利用率
      - 全网络的信道利用率的加权平均值
- 拓扑结构
  - 概念
    - 拓扑的概念来源于几何学，主要描述几何图形中点和线的关系
    - 计算机网络拓扑是指计算机或设备与传输媒介形成的结点与线的物理构成模式
  - 常见的网络拓扑结构
    - 星型拓扑
    - 树型拓扑
    - 总线型拓扑
    - 环型拓扑
    - 网状拓扑
- 有关的网络标准组织与管理机构
  - 有关的标准组织
    - 1. 国际标准化组织
    - 2. 国际电信联盟
    - 3. 美国电子工业协会
    - 4. 电气和电子工程师协会
  - Internet管理机构
    - 1. Internet协会
    - 2. Internet体系结构组
    - 3. Internet工程任务组
    - 4. Internet工程指导组
    - 5. Internet编号管理局
    - 6 .Internet名字和编号分配组织(ICANN)
    - 7. Internet网络信息中心和其他注册组织
  - RFC文档与Internet标准
    - RFC文档
      - 所有的因特网标准都是以 RFC的形式在因特网上发表。RFC (Request For Comments的意思就是“请求评论”。所有的RFC文档都可从因特网上免费下载。但应注意，并非所有的RFC文档都是因特网标准，只有一小部分RFC文档最后才能变成因特网标准
      - 形成阶段示意图
    - 因特网标准形成阶段
      - (1)因特网草案(Internet Draft)
      - (2)建议标准(Proposed Standard)
      - (3)草案标准(Draft Standard)
      - (4)因特网标准(Internet Standard)还有三种RFC，即历史的、实验的和提供信息的。
第2章计算机网络体系结构
- 概述
  - 分层模型
    - 层次划分的必要性
      - 计算机网络是由许多硬件、软件和协议交织起来的复杂系统。由于网络设计十分复杂，如何设计、组织和实现计算机网络是一个挑战，必须要采用科学有效的方法
    - 层次划分的方法
      - 计算机网络应当具有相对独立的功能
      - 梳理功能之间的关系，使一个功能可以为实现另一个功能提供必要的服务，从而形成系统的层次结构
      - 为提高系统的工作效率，相同或相近的功能仅在一个层次中实现，而且尽可能在较高的层次中实现
    - 层次划分的优点
      - （1）各层之间相互独立，每一层只实现一种相对独立的功能
        
        使问题复杂程度降低
      - （2）灵活性好
        
        各层内部的操作不会影响其他层
      - （3）结构上可分割开
        
        各层之间都可以采用最合适的技术来实现
      - （4）易于实现和维护
        
        因为整个系统已被分解成相对独立的子系统
      - （5）能促进标准化工作
        
        因为每一层的功能及其提供的服务都有了精确的说明
    - 模型
  - 概念
    - 定义
      - 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合
    - 术语
      - （1）实体
        
        表示进行信息交换时任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
        
        在具体实现时，可以是一个特定的软件模块或软、硬件结合的设备
        
        可理解为信息的发送者和接收者
      - （2）服务
        
        描述为体系结构中下一层为其上一层提供支持
        
        也就是说下一层为上一层提供需要的服务，上一层利用下一层提供的服务实现自己的功能，并同时再向更上一层提供所需要的服务
      - （3）接口
        
        指同一系统上下层之间提供服务与被服务的一种接口
        
        任何上下层之间都存在接口
      - （4）服务访问点（SAP）
        
        是上下层实体在接口上交换信息的地方，即上下层实体间的逻辑接口
        
        上下层实体之间通过服务访问点利用服务原语进行信息交换
      - （5）网络协议（network protocol）
        
        三要素
        
        语法
        
        定义通信双方交换信息时的数据与控制信息的结构或格式
        
        语意
        
        即语法定义的结构或格式中具体的含义
        
        表示要发出何种控制信息、完成何种动作以及作出何种相应等
        
        时序
        
        也称为定时或同步
        
        即事件实现顺序的详细说明
        
        即网络中的结点为进行数据交换和通信而建立的规则、标准或约定的集合，简称协议
        
        即两个对等实体之间进行通信的规则的集合
    - 协议与服务的关系
      - （1）在协议的控制下，两个对等实体之间的通信可以使本层能够向上一层提供服务
        
        协议的实现保证了下一层能够向上一层提供服务。要想实现本层的协议，还需要使用其下一层所提供的服务。
      - （2）使用本层的服务实体，即服务接受者只能看见下层的服务而无法看见协议
        
        下面的协议对上面的实体用户是透明的。
      - （3）协议是控制对等实体之间的通信规则，是在“水平方向”的
        
        而服务是由下层向上层通过层与层之间的接口提供的，是“垂直方向的”。
- ISO/OSI网络参考模型
  - ISO／OSI参考模型
    - OSI/RM模型结构
      - 层次
        
        物理层
        
        数据链路层
        
        网络层
        
        传输层
        
        会话层
        
        表示层
        
        应用层
      - 模型图
      - 参考模型
    - OSI参考模型各层的功能
      - （1）物理层
        
        物理层是最重要、最基础的一层，位于OSI参考模型的最低层。
        
        物理层为数据链路层提供服务，屏蔽了具体使用的通信介质与设备通信方式的差异。
        
        主要任务
        
        为通信双方提供数据传输的物理连接，并实现透明传输比特流。
        
        功能
        
        ①为两个数据链路层实体之间数据的传输建立、维持和拆除相应的物理连接。
        
        ②位同步传输。在物理连接上的数据传输一般是串行传输。物理层要保证按位传输的信息的正确性。
        
        ③物理层管理。管理物理层内的一切活动。
        
        ④实现机械特性、电气特性、功能特性和规程特性的匹配。
      - （2）数据链路层
        
        主要任务
        
        检测并校正物理传输介质上产生的差错
        
        传输单位
        
        帧
        
        功能
        
        ① 数据链路的建立、维持和拆除
        
        链路两端的结点在通信前要先建立数据链路，在传输过程中也要维持，并在传输完毕后拆除相应的数据链路。
        
        ② 数据帧同步
        
        数据帧首部和尾部用来表示数据帧的开始与结束，接收方必须能够明确地从物理层收到的比特流中区分出完整的数据帧，以便进行同步。
        
        ③ 差错控制
        
        数据帧信息在传输过程中可能会出现差错。通常采用检错、重发方式等差错控制技术保证数据传输的正确性。
        
        ④ 流量控制
        
        通过采取一定措施使网络中部分或全部链路上的信息流量不超过规定的阈值，以保证信息传输通畅顺利。
      - （3）网络层
        
        主要任务
        
        在数据链路层的基础上，实现通信子网内部的连接，并向传输层提供端到端的数据传输，为报文或分组通过通信子网以最佳路径到达目的主机。对于跨越多个网络的实体，网络层还需要提供网络互连和路由选择服务等
        
        功能
        
        ①网络连接的建立、维持与拆除
        
        为传输层实体之间的通信提供服务
        
        ②路由选择
        
        在通信子网中根据一定路由选择算法，选择一条从源结点到目的结点的最佳路由
        
        ③流量控制
        
        对整个通信子网内的数据流量和布进行控制与管理，以免发生网络阻塞和死锁，进而提高通信子网的传输效率和吞吐量
        
        ④网络层需要对通信子网中传输的数据进行控制与同步，包括组包、拆包、重装以及包信息的同步
      - （4）传输层
        
        OSI参考模型中负责通信的最高层是传输层，网络中两个主机间端到端的可靠通信要依赖传输层
        
        传输层是OSI参考模型中用户功能的最低层，也是唯一负责数据传输与控制的层次
        
        功能
        
        ①传输层传输连接的建立、维持和拆除管理
        
        ②寻址
        
        传输层的寻址可以正确识别网络上两台主机间相互通信的应用进程
        
        ③多路复用
        
        传输层支持向上的复用，即一个传输层协议可同时支持多个进程连接，可将多个进程连接绑定在一个虚电路或数据报的网络连接上；传输层也支持向下的复用，即一个传输层可以使用多个网络连接
        
        ④流量控制
        
        传输层需要对发送端实体发向接收端实体的数据流实施端到端的流量控制，使其不超过接收端的接收能力
        
        ⑤差错控制
        
        传输层面向连接的可靠传输服务需要传输层提供如重传策略、重复检测和故障恢复等的差错控制机制
      - （5）会话层
        
        会话服务是在传输连接的基础上，在会话层实体之间建立会话连接。
        
        功能
        
        ①提供会话连接的建立、数据传送和释放功能。
        
        ②管理会话双方的会话活动，包括对单工、半双工、全双工数据传送方式的设定和会话权限管理
        
        ③在数据传送流中可以插入适当的同步点，会话用户可以在发生差错是从双方确认的同步点重新开始
      - （6）表示层
        
        表示层是为应用进程之间传输的信息提供表示服务，处理与语法有关的语法转换和上下文控制服务
        
        表示层的功能是表示连接的管理、语法转换和上下文表示控制
      - （7）应用层
        
        OSI参考模型的最高层是应用层，即用户与网络的界面
        
        任务
        
        采用不同的应用协议为用户解决不同类型的应用需求，为应用进程访问OSI参考模型环境提供服务。
  - OSI模型中的数据传输过程
    - OSI模型的数据传输流程
      - 流程图
    - OSI模型协议数据单元PDU的封装与拆封
      - 略
  - TCP／IP模型
    - 模型概述
      - TCP／IP参考模型
      - TCP／IP与OSI/RM的对应关系
    - 各层主要协议
      - 图
      - 应用层
        
        DNS：域名系统或域名服务器
        
        HTTP：超文本传输协议
        
        FTP：文件传输协议
        
        TELNET：远程登录（终端）仿真协议
        
        NNTP：网络新闻传输服务协议
        
        SMTP：简单邮件管理协议
        
        SNMP：简单网络管理协议
      - 传输层
        
        TCP:传输控制协议，提供可靠的面向连接服务
        
        UDP:用户数据报协议，提供无连接服务
      - 网际层
        
        IP：Internet协议
        
        IGMP： Internet组管理协议
        
        ICMP： Internet控制消息协议
        
        ARP：地址解析协议
        
        RARP：反向地址解析协议
      - 网络接口层
        
        无网络协议
        
        支持各种接口类型的网络
  - OSI模型和TCP／IP模型的比较
    - 相同之处
      - （1）层次结构划分思想相同
        
        两种体系结构都是以协议栈，即不同协议形成的层次结构，为基础进行层次结构的划分，而且协议栈中的协议相互彼此独立。这样做的好处是，可以大大简化各种网络协议的设计，只需要为不同协议提供关联接口即可
      - （2）总体层次结构相似
        
        这两个体系结构虽然总的层数和对应层次名称都有所不同，但总体层次结构极其相似
        
        TCP/IP协议体系结构中的网络接口层对应了OSI/RM最低的数据链路层和和物理层
        
        TCP/IP协议体系结构的应用层对应OSI/RM中的应用层、表示层和会话层
        
        OSI/RM中的网络层虽然与TCP/IP的网际层名称上不同，但功能却完全一样，至于传输层两种结构都是完全一样的
        
        在这两种结构中，传输层以下都属于通信子网部分，传输层及以上各层都提供了端到端、与网络无关的服务，属于资源子网部分
      - （3）核心组成一样
        
        两种体系结构中都定义了服务、接口和协议三个重要核心概念
        
        服务定义了各层应该做些什么，要提供哪些功能
        
        接口，也就是SAP（服务访问点），为对应的上层提供了获取本层服务的逻辑接口，规定了有哪些参数可以使用，以及使用这些参数的结果是什么
        
        协议就是标准中所说的“通信规程”，它是各层服务功能的具体实现者
        
        当然同一服务在不同网络中可以用不同的协议来实现
        
        各层中的协议各自实现自己的功能，并不影响其他层，任何的一层都只为相邻的上一层提供服务
    - 不同之处
      - （1）适用范围不同
        
        OSI/RM是先有理论模型，后面才开发标准化协议，所以OSI/RM不偏重于任何特定的网络类型，具有最广泛的理论参考性，是一个理想化的模型
        
        而TCP/IP协议体系结构则相反，它是在TCP/IP协议族的基础上，专门针对这些协议进行的功能描述和层次划分，与协议的关系非常紧密，仅适用于TCP/IP网络，最具实践性
      - （2）层次结构不同
        
        TCP/IP协议体系结构中没有会话层和表示层，事实已证明这两层没有多大用途，即使在OSI/RM中也一样，所以最后取消了，它们的功能合并在应用层之中
        
        另外，OSI/RM中的物理层和数据链路层的功能在TCP/IP协议体系结构中合并到网络接口层，尽管实际上在TCP/IP协议体系结构中对这个层中的具体功能并没有明确规定，实际上这层功能就是OSI/RM物理层和数据链路层的功能
        
        这也是TCP/IP协议体系结构层次划分中不科学的一个重要方面。
      - （3）支持的网络通信模式不同
        
        OSI/RM的网络层同时支持无连接和面向连接的网络通信，TCP/IP模型的网络层只提供无连接的服务
      - （4）所包括的通信协议不同
        
        OSI/RM是一种开放型的适用于所有类型计算机网络的理想化体系结构模型，所以它的通信协议不仅非常多而且类型复杂，适用于各类网络
        
        但是，由于现在网络系统设计者通常不是参考OSI/RM，而是以目前占据了绝大部分市场的TCP/IP体系结构作为设计参考，所以现在OSI/RM中的许多通信协议都已过时
        
        尽管TCP/IP网络也在OSI/RM的设计范围内，但TCP/IP网络中的通信协议是专门针对具体的TCP/IP协议体系结构而开发，更具有TCP/IP协议体系结构的特点，而且这些协议在不断改进，非常适用于目前广泛应用的TCP/IP网络
第3章物理层
- 概述
  - 主要任务
    - 确定与传输媒体的接口的一些特性
  - 1．机械特性
    - 机械特性定义了传输介质接线器、物理接口的形状和尺寸、引线数目、排列顺序，以及连接器与接口之间的固定和锁定装置等
  - 2．电气特性
    - 规定了在物理线路上传输二进制BIT流时，在线路上信号使用的电压范围、阻抗匹配及传输距离和传输速率等参数
    - 目前使用的电气特性标准定义的都是接口发送器和接收器的电器特性，还给出了互连电缆的相关规程
  - 3．功能特性
    - 指各条传输线路上出现的某一电平的电压所代表的意义，包括接口信号线的功能规定，接口信号线的功能分类
  - 4．规程特性
    - 指明利用接口传输比特流过程中各类事件发生的合理顺序，包括事件的执行顺序与具体的数据传输方式
- 数据通信基础
  - 数据通信系统的模型
    - 基本模型图
    - 1. 源系统
      - 也称为发送方或信源，是发送信号的一端
      - 一般包括源站和发送器两个部分
      - 源站由计算机或服务器等终端设备产生要传输的数据
      - 发送器是对要传送的数据进行编码或者调制的设备，如各种调制解调器、计算机网卡
    - 2. 目的系统
      - 目的系统也称为接收方，是接收信号的一端
      - 一般包括接收器和目的站或信宿两个部分
      - 接收器用来接收传输系统传送的信号，并把信号转换为可以被目的站设备识别与处理的数据信息
      - 目的站从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出
    - 3. 传输系统
      - 传输系统在源系统和目的系统之间，是计算机网络上的数据传输通道，除了源系统和目的系统外，网络中的其他部分都属于传输系统
      - 可以是简单的传输线，也可以是在源系统和目的系统之间复杂的网络系统
  - 数据通信的几个基本概念
    - 1. 数据和信号
      - 数据是表示信息的载体
      - 信号则是数据的电气或电磁特性的表现
    - 2. 模拟和数字
      - 模拟就是随时间在连续变化
      - 数字就是在时间上是离散的，不连续的，仅取几个有限的离散数值
    - 3. 信道
      - 信道是沿某一方向传送信息的媒体或介质，是线路的逻辑部件，一条通信线路至少包含一条发送信道和一条接收信道
      - 信道的分类
        
        （1）从信息交互方式分类
        
        图
        
        单工通信
        
        只有一个方向的通信
        
        半双工通信
        
        通信双方都可以发送和接收信息，但不能同时发送，也不能同时接收
        
        全双工通信
        
        通信双方可以同时发送和同时接收
        
        （2）以传送信号分类
        
        模拟信道
        
        数字信道
        
        （3）以传送信号的形式分类
        
        基带信号
        
        将数字0和1直接用两种不同的电压表示和传输
        
        宽带信号
        
        将基带信号调制后，形成频分复用模拟信号，再进行传输
        
        （4）按传输介质分类
        
        有线信道
        
        无线信道
    - 4. 奈奎斯特准则
      - 为了提高信号传输效率，总是希望在单位时间内尽可能传输更多的码元
      - 原因
        
        信号的传输效率受到实际的物理信道的干扰，码元传输速率越高，经过信道传输后的失真度就越大。
    - 5. 香农公式
      - 香农（Shannon）公式指出信道的极限信息传输速率
      - C=Wlog2(1+S/N)
        
        W：信道的带宽
        
        S：信道内部所传信号的平均功率
        
        N：信道内部高斯噪声的功率
        
        S/N:信道的信噪比
- 基带传输与宽带传输
  - 基带传输概述
    - 通常将数字数据以基带信号形式直接传输的方式称为基带传输
  - 数字数据编码方法
    在基带传输系统中要解决的关键问题是数字数据的编、解码问题
    - 发送端要将二进制数据通过编码(Encoding)转换为适合在数字信道上传送的基带信号
    - 接收端则要将接收到的基带信号通过解码( Decoding)恢复为与发送端相同的二进制数据
  - 宽带传输技术
    - 概念
      - 频带传输是将基带信号经过调制在公用电话网上以模拟信号传输，在接收端，再将模拟信号变换成原来的基带信号
      - 这种把基带信号经过调制后传送到接收端又解调还原成基带信号的传输方式，称为频带传输
    - 基本调制解调方法
      - 表达式
        
        （1）幅度调制A表示振幅，w表示频率，a表示相位
      - 三种基本的调制解调方法
        
        （1）幅度调制
        
        （2）频率调制
        
        （3）相位调制
      - 三种调制方法的示意图
- 传输介质
  - 传输介质的典型分类
  - 有线传输介质
    - 1. 同轴电缆
      - 同轴电缆带宽，损耗小，抗干扰能力强，传输距离长
      - 结构图
    - 2. 双绞线
      - 由两根绝缘铜导线并排对扭在一起而形成，相互绞和可减少对相邻导线的电磁干扰
      - 结构图
        
        屏蔽双绞线
        
        非屏蔽双绞线
    - 3. 光纤
      - 结构图
      - 原理
  - 无线传输介质
    - 1. 短波
      - 频率范围
        
        104~108Hz
      - 依靠电离层的辐射
    - 2. 微波
      - 频率范围
        
        300MHz—300GHz，通常使用2G—40GHz
      - 微波只能直线传输，而且可以穿透电离层，所以长距离通信需在地面架设微波中继站，或在同步地球卫星上安装中继器。
    - 3. 红外线
      - 红外线常用于小范围(例如在一个房间)的信号传输
      - 它可用于便携式计算机
      - 例如我们可以在一个房间的计算机网络中使用红外线来让笔记本计算机在房间内移动时均保持与网络连接
  - 不同传输介质的比较
- 多路复用技术
  - 频分多路复用
    - 示意图
    - 特点
      - 技术成熟，使用方便
    - 缺点
      - 不够灵活
  - 时分多路复用
    - 同步时分复用
    - 异步时分复用
  - 波分多路复用
    - 光的频分复用
    - 单模光纤：2.5Gbps
    - 光纤传输时主要存在色散问题（即光脉冲的不同频率的分量传输速率不同）
    - 用波长而不用频率来表示光的载波
  - 码分多路复用
    - 码分复用CDM（或称为码分多址CDMA）每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信
    - 各用户使用不同码型，不会造成干扰
    - 码分复用最初使用于军事通信
      - 发送的信号具有很强的抗干扰能力
      - 其频谱近似白噪声，不易被敌人发现
- 接入网技术
  - 电话拨号接入
    - 电话拨号接入通过计算机上安装的调制解调器（Modem，俗称“猫”）与电话线路相连接，拨号接入到因特网服务提供商（Internet Service Provider，简称ISP）的一种上网接入方式
  - DSL接入
    - DSL是数字用户线（Digital Subscriber Line）的缩写，是通过对已有的模拟电话线路进行技术改造后承载住宅宽带业务的接入技术。DSL技术支持对称和非对称传输模式，解决了ISP与用户间的“最后一公里”的瓶颈问题
    - DSL包括ADSL、RADSL、HDSL和VDSL等多种技术方案
    - ASDL家庭用户的接入方法
  - 混合光纤同轴电缆接入
    - HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网
    - HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务
    - HFC网的结构
  - 光纤接入
    - FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思
    - FFTB的组网方案示意图
  - LAN接入
    - 通过双绞线直接与交换机相连的接入方式，具有上下行速率稳定、可扩展性强等多方面的优势
    - 尤其适合宽带应用发展的需求，发展潜力十分巨大
    - 通常，用户使用100Mbps接入速率，交换机之间采用1000Mbps接入速率，而主干网、服务器可以使用1Gbps和10Gbps的接入速率
  - 无线接入
    - 无线接入是指部分或全部采用无线传输的手段在交换结点与用户终端之间
    - 在人口密集的城市或位置偏远的山区、岛屿，以达到安装迅速的目的，作为接入网技术中的一个重要部分
    - 具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展的特点
    - 根据无线接入终端的可移动性分类
      - 移动无线接入服务
        
        对象是移动终端，即蜂窝移动电话系统
      - 固定无线接入
        
        面向固定位置的用户或仅在小范围内移动的用户群体
    - 根据覆盖分为类
      - 无线个人区域网WPAN
      - 无线局域网WLAN
      - 无线城域网WMAN
      - 无线广域网WWAN
第4章数据链路层与局域网技术
- 数据链路层
  - 概述
    - 链路与数据链路
      - 数据流动图
      - 链路（link）是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何其他的交换结点
      - 当需要在一条线路上传送数据时，除了物理线路外，还必须有通信协议来控制数据的传输。把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路
      - 也有人把链路分为物理链路和逻辑链路
        
        物理链路就是所说的链路
        
        逻辑链路就是所说的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议
    - 点到点链路与广播链路
      - 点到点链路
        
        点到点链路（point-to-point link）使用一对一的点对点通信方式，由一条链路两端的发送结点和接收结点组成
      - 广播链路
        
        广播链路（broadcast link）使用一对多的广播通信方式，它能够让多个发送结点和接收结点都连接到单一的、共享的广播信道上，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送，因此过程比较复杂
        
        这里使用术语“广播”，是因为当任何一个结点传输一个数据帧时，都要经过该信道广播该数据帧，使连接的每个其余结点均能收到该数据帧的一个副本
    - 数据链路层的简化模型
      - 简化的三层结构模型
      - 只考虑数据链路层的简化模型
  - 需要解决的基本问题
    - 数据帧定界
      - 在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。要点：确定帧的界限
      - 数字管道模型
      - 用控制字符进行帧定界
    - 透明传输
      - 透明传输是指不管发送端发送的数据帧是怎么样的比特组合，都应当能够在链路上传送，而接收端应该能够准确无误地识别出完整的数据帧
      - 字符填充
        
        发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)
        
        例子
    - 差错检测
      - 在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 ，0 也可能变成 1
      - 循环冗余检验
        
        原理
        
        CRC检验也称为多项式编码（Polynomial Code），它将发送的二进制序列看作系数为0或1的一个多项式，对二进制序列的操作也称为多项式算术。CRC校验码由两部分组成，前一部分是k+1个比特的待发送信息，后一部分是r个比特的冗余码。前k+1个比特部分是实际要传送的内容，是固定不变的。CRC校验码的关键在于后一部分r个比特冗余码的计算
        
        CRC冗余码的计算中要用到两个多项式：和，其中，是一个k阶多项式，其系数是待发送的k+1位二进制序列，是一个r阶的生成多项式，由收发双方预先约定
        
        图
  - 点到点链路的数据链路层协议PPP
    - PPP协议简介
      - PPP协议的特点
        
        支持点到点的连接，不同于X.25、frame relay等数据链路层协议，具有CHAP、PAP验证协议，更好的保证了网络的安全性
        
        PPP的物理层既支持数据为8位和无奇偶校验的异步模式，还支持面向比特位的同步链接，如frame relay必须为同步电路
        
        PPP有针对不同网络层的网络控制协议，如IPCP，IPXCP。并且允许双方协商是否对报文首部进行压缩
        
        提供了一整套方案解决链路建立、维护、折除上层协议协商、认证等问题
    - PPP协议组成
      - 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法
      - 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)，用来建立、配置和测试数据链路连接
      - 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)，其中的每一个协议支持不同的网络层协议
    - PPP协议的帧格式
      - 帧格式图
      - 包含的字段
        
        标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）
        
        地址字段 A 只置为 0xFF。固定不变
        
        控制字段 C 通常置为 0x03。固定不变
        
        协议字段
        
        当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。
        
        若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。
        
        若为 0x8021，则表示这是网络控制数据。
        
        信息字段。最大默认长度是1500字节
        
        检验和FCS
    - PPP协议的透明传输实现
      - 异步传输
        
        使用一种特殊的字符填充法
        
        把转义符定义为0x7D，并使用字节填充
      - 同步传输
        
        协议规定采用硬件来完成比特填充
      - 字符填充
        
        将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)
        
        若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)
        
        若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变
        
        举例
      - 零比特填充
        
        发送端
        
        只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。
        
        接收端
        
        每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除
        
        举例
    - PPP协议的链路状态
      - 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接
      - PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。这些分组及其响应选择将要使用的一些 PPP 参数
      - 接着进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机
      - 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接
- 局域网
  - 概述
    - 特点与功能
      - 特点
        
        网络为一个单位所拥有
        
        地理范围和站点数目均有限
      - 主要功能
        
        资源共享和数据通信
      - 优点
        
        能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可以访问全网
        
        便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活的调整和改变
        
        提高系统的可靠性、可用性和残存性
    - 体系结构与标准
      - 结构体系
        
        LLC子层向高层提供一个或多个逻辑接口（具有帧发和帧收功能）。发送时把要发送的数据加上地址和CRC检验字段构成帧，介质访问时把帧拆开，执行地址识别和CRC校验功能，并具有帧顺序控制和流量控制等功能
        
        LLC子层还包括为某些网络层功能，如数据报、虚拟控制和多路复用等
        
        体系结构图
      - 标准
        
        （1）IEEE 802.1标准
        
        局域网体系结构、网络互连、以及网络管理和性能测试
        
        （2）IEEE 802.2标准
        
        逻辑链路控制LLC子层功能与服务
        
        （3）IEEE 802.3标准
        
        CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范
        
        （4）IEEE 802.4标准
        
        令牌总线（Token Bus）介质访问控制子层与物理层规范
        
        （5）IEEE 802.5标准
        
        令牌环（Token Ring）介质访问控制子层与物理层规范
        
        （6）IEEE 802.6标准
        
        城域网MAN介质访问控制子层与物理层规范
        
        （7）IEEE 802.7标准
        
        宽带网络技术
        
        （8）IEEE 802.8标准
        
        光纤传输技术
        
        （9）IEEE 802.9标准
        
        综合语音与数据局域网（IVD LAN）技术
        
        （10）IEEE 802.10标准
        
        可互操作的局域网安全性规范（SILS）
        
        （11）IEEE 802.11标准
        
        无线局域网技术
        
        （12）IEEE 802.12标准
        
        优先度要求的访问控制方法
        
        （13）IEEE 802.13标准
        
        未使用
        
        （14）IEEE 802.14标准
        
        交互式电视网
        
        （15）IEEE 802.15标准
        
        无线个人局域网（WPAN）的MAC子层和物理层规范。代表技术为蓝牙（Bluetooth）
        
        （16）IEEE 802.16标准
        
        宽带无线局域网网络
        
        （17）IEEE802.20标准
        
        移动宽带无线接入系统(MBWA，Mobile Broadband Wireless Access)
        
        （18）IEEE 802.22标准
        
        无线地域网络（Wireless Regional Area Networks，WRAN）
  - 组网设备
    - 网卡
      - 图
      - 作用
        
        进行串行/并行转换
        
        数据缓存
        
        在计算机操作系统中安装设备驱动程序
        
        实现以太网协议
      - 类型
        
        （1）按总线接口类型进行分类
        
        分为ISA网卡、PCI网卡、PCI-X 网卡、PCMCIA网卡和USB网卡等几种类型
        
        （2）按传输介质接口分类
        
        细同轴电缆的BNC接口网卡、粗同轴电缆AUI接口网卡、以太网双绞线RJ-45接口网卡、光纤F/O接口网卡、无线网卡等
        
        （3）按传输速率（带宽）分类
        
        10Mbps网卡、100Mbps以太网卡、10Mbps/100Mbps自适应网卡、1000Mbps千兆以太网卡、10Mbps/100Mbps/1000Mbps自适应网卡等
    - 中继器和集线器
      - 中继器
        
        它实际上是一种信号再生放大器，可将变弱的信号和有失真的信号进行整形与放大，输出信号比原信号的强度将大大提高
        
        中继器不解释、不改变收到的数字信息，而只是将其整形放大后再转发出去
        
        优点
        
        （1）易于操作
        
        （2）很短的等待时间
        
        （4）价格便宜
        
        （5）突破线缆的距离限制来扩展局域网段的距离
        
        （6）可用来连接不同的物理介质
        
        缺点
        
        （1）采用中继器连接网络分支的数目要受具体的网络体系结构限制
        
        （2）中继器不能连接不同类型的网络
        
        （3）中继器没有隔离和过滤功能，无路由选择、交换、纠错／检错功能，一个分支出现故障可能会影响到其他的每一个网络分支
        
        （4）使用中继器扩充网络距离是最简单最廉价的方法，但当负载增加时，网络性能急剧下降，所以只有当网络负载很轻和网络时延要求不高的条件下才能使用
      - 集线器
        
        集线器（Hub）工作在物理层，是中继器的一种形式，是一种集中连接缆线的网络组件，可以认为集线器是一个多端口的中继器，集线器能够提供多端口服务，主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上
        
        集线器主要用于共享介质局域网的建设
        
        利用集线器星形拓扑结构网络的示意图
    - 网桥和交换机
      - 网桥
        
        网桥（Bridge）也叫桥接器，是连接两个局域网的一种存储/转发设备，根据MAC地址表对数据帧进行转发，可隔离碰撞域
        
        网桥将网络的多个网段在数据链路层连接起来，并对网络数据帧进行管理
        
        网桥的内部结构
        
        优点
        
        过滤通信量
        
        扩大了物理范围
        
        提高了可靠性
        
        可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网
        
        缺点
        
        存储转发增加了时延
        
        在MAC 子层并没有流量控制功能
        
        具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大
        
        网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴
      - 交换机
        
        交换机是工作在OSI参考模型数据链路层的设备，外表和集线器相似
        
        它通过判断数据帧的目的MAC地址，从而将数据帧从合适端口发送出去
        
        交换机是通过MAC地址的学习和维护更新机制来实现数据帧的转发
        
        内部结构
        
        工作原理
        
        （1）交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中
        
        （2）交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发
        
        （3）如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）
        
        （4）广播帧和组播帧向所有的端口转发
    - 集线器与交换机的比较
      - （1）交换机属于数据链路层设备，而集线器属于物理层设备
      - （2）集线器在转发帧时，不对传输介质进行检测
        
        交换机在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。所以交换机能隔离冲突，而集线器却只能增加冲突
      - （3）交换机的每个端口可提供专用的带宽，而集线器的所有端口只能共享带宽
      - （4）集线器只能实现半双工传送，而交换机可支持全双工传送
  - 以太网技术
    - 概述
      - 以太网（Ethernet）是一种产生较早且使用相当广泛的局域网，由美国Xerox（施乐）公司的Palo Alto研究中心（简称为PARC）于20世纪70年代初期开始研究并于1975年研制成功
    - MAC地址
      - 在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址（因为这种地址用在MAC帧中）
      - IEEE 802标准为局域网规定了一种48位的全球地址（一般都简称为“地址”)，是局域网中每一台计算机固化在网卡ROM中的地址
      - IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)
      - 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址
      - IP地址和MAC地址
        
        1. 对于网络上的某一设备，如一台计算机或一台路由器，其IP地址是基于网络拓扑设计出的，同一台设备或计算机上，改动IP地址是很容易的（但必须唯一），而MAC则是生产厂商烧录好的，一般不能改动
        
        2. 长度不同。IP地址为32位，MAC地址为48位
        
        3. 分配依据不同。IP地址的分配是基于网络拓扑，MAC地址的分配是基于制造商
        
        4. 寻址协议层不同
      - 以太网MAC帧格式
        
        略
      - IEEE 802.3 CSMA/CD协议
        
        工作原理
        
        略
        
        介质访问控制方法
        
        先听后发
        
        边发边听
        
        冲突停止
        
        延迟重发
  - 虚拟数据网
    - 概述
      - 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组
      - 这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网
      - 优点
        
        （1）更有效地共享网络资源。如果用交换机构成较大的局域网，大量的广播报文就会使网络性能下降。VLAN能将广播报文限制在本VLAN范围内，从而提升了网络的效能
        
        （2）简化网络管理。当结点物理位置发生变化时，如跨越多个局域网，通过逻辑上配置VLAN即可形成网络设备的逻辑组，无需重新布线和改变IP地址等。这些逻辑组可以跨越一个或多个二层交换机
        
        （3）提高网络的数据安全性。一个VLAN中的结点接收不到另一个VLAN中其他结点的帧
      - 三个虚拟局域网的构成
    - 虚拟局域网的实现技术
      - （1）基于端口的VLAN
      - （2）基于MAC地址的VLAN
      - （3）基于协议的VLAN
      - （4）基于网络地址的VLAN