计算机网络课程笔记1

计算机网络1

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1. 物理层

   1. 机械特性 2. 电气特性 3. 功能特性 4. 过程特性

   调制：数字信号转换为模拟信号 解调：模拟信号转换为数字信号

   信道：一般表示向某一方向传送信息的介质

   基带信号：来自信源的信号。计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

   基带信号可能出现频率低，甚至出现直流(全为0)，没法在现实世界中传输。因此要调制。

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1. 非导引型

   1. 短波通信：传输距离长，但信号质量差，传输速率低，不长使用

   2. 微波通信：

      1. 地面微波通信：长距离传输时，建立中继站，进行接力转发

         优点：抗干扰能力强，信道范围宽，建设速度快，成本低

         缺点：缺点但会受到地面上地理或建筑物影响，会受气候影响

         隐蔽性和保密性较差，维护需要消耗人力和物理资源

   3. 频率范围不是想用就用的，免费的（不用申请使用的）是ISM（Industrial, Scientific, Medical)

   4. 卫星通信：

      优点：通信距离远，覆盖范围广，通信容量较大

      缺点：传播时延大，毕竟上天了

      发展：使用低轨道微信，时延较小，传输距离短，信号衰减小，可以与地面手持设备通信

      好处：在某些偏远的地方，沙漠海上之类的，有卫星通信还是好的

2. 信道复用技术

   1. 复用：在一个信道上传输多路信号（节约资源）

   2. 频分复用

      1. 不同用户占用不同的频带资源

   3. 时分复用——TDM

      1. 将时间分为等长的时隙（time slot 时间片，时间槽），由不同的用户使用

   4. 波分复用——WDM

      1. 波分复用实际上是光的频分复用，原因在于人们喜欢用波长称光

      2. 专用于光纤通信

      3. DWDM密集波分复用，继续提高单根光纤的复用程度

   5. 码分复用——CDM

      1. 主要用于通信，是的，就是那个玩垂直的家伙

      2. 将每个比特时间划分为m个短的间隙，成为码片

      3. 每个站分配一个唯一的码片，各站的码片之间相互正交

      4. 具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪音

3. 数字传输系统

   1. 脉码调制系统：显然脉码是模拟信号啊，似乎是进行数字采样。比如说像打个电话之类的,采样频率8000次/秒,采样数据用8bit表示。话音数据速率为64kb/s。将模拟信号用数字信号来表达。

   2. 数字化的话音数据进行时分多路复用。8000次采用，每一帧中有30路信号，还有2个时隙用来传控制信号，上面说过每个时隙8bit，即帧长度为32*8，再与8000次相乘，最后有2.048MB/s。这里的帧与网络里面的似乎有些不同，原因在于这是通信领域，出现时间在网络之前。

4. 宽带接入技术

   1. 传统上，宽带是访问网络更快的技术，因为早期上网使用电话线或者电视线。拨号上网，相当于电话商认为用户在打电话，实际上在上网。

   2. xDSL技术：尝试解决最后一公里问题，即运营商到达家庭用户之间的本地回路问题。

      1. ADSL，保留原有电话线，低端频谱留给传统电话使用，高端用于上网。且上下行的带宽不一样。

      2. HFC，光纤混合同轴网，使用电视线来传网络。主干线路使用光纤，部分使用同轴线。

      3. FTTx，x表示有多种，是基于光纤的宽带接入，有光纤到户，到大楼，到路边。

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1. 数据链路层设计

   1. 字符计数法：在帧头表明本帧的字节数

   2. 字符填充的首尾定界法：定义专门的字符作为帧的起始/结束标志，并用字符填充方式将标志字符和数据区分开

   3. 比特填充的首尾定界法：定义专门的比特序列作为帧的起始/结束位置，并使用比特填充方式将标志序列和数据区分开

   4. 物理编码违例法：使用无效的物理编码作为帧的开始/结束位置

2. 错误检验和纠正

   1. 纠错码开销大，且不能保证可靠性，还是选择了检错码

   2. 常用的检错：奇偶校验、简单累加和、循环冗余校验CRC

   3. 简单累加和似乎就是简单累加，将和附在尾处，并进行检验

   4. 循环冗余校验CRC是对数据分组，每组k个比特都要额外增加n位比特(似乎就是那个算除法的题)

   5. 检错码只能发现数据出现错误，但无法得知哪个比特出错

   6. 纠错编码通过增加冗余信息使得能够检测错误发生所在，以便于纠正，又称为前向纠错

   7. 检错码/纠错码只能做到帧的无差错接受，但还有帧丢失，帧重复，帧失序

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1. CSMA/CD协议的优缺点讨论

   1. 网络负载轻时效率高，硬软件实现简单，灵活

   2. 网络负载较重时，碰撞发生概率增大，网络效率较低

   3. 存在多次冲突的可能，数据从发送方到达接收方的时间没有保证——》时效性差

2. IEEE802标准将局域网的数据链路层分为两个子层

   1. LLC——逻辑链路控制子层

   2. MAC——介质访问控制子层

3. 令牌环网(Token ring)和令牌总线网(Token bus)使用称为令牌(Token)的控制标志，当网络节点持有该令牌时，才能够发送数据。

4. 习惯使用同轴电缆总线网来表示LAN，总线上单点故障会导致全网瘫痪，网络中结点数较多时可靠性较差且维护困难；同轴电缆成本较高。

   后面发展为使用非屏蔽双绞线，并且使用集线器(HUB)连接每个结点，物理上呈星型结构。这种技术称为10Base-T技术。其中10表示传输速度，T表示双绞线。

5. 曼彻斯特编码，使用码元跳变来表示0和1，这就使得码元数目减半后才能用来计算信息量。但如果使用101010就可能使得码元表现出周期性。

6. MAC地址，也对应着介质访问控制协议中使用的地址。结点发送数据时，以太网总线结构，总线上所有结点都能收到帧(大家都可以听见哦)。

7. 适配器——Adapter，其实俗称为网卡，即NIC，network interface card。适配器收到一个帧时检查帧中的目的MAC地址，如果不是给本栈的就丢弃。单播帧检查，广播帧直接收，组播/多播帧会检查(不确定)。

8. 成帧：在前面会发出前同步码，010101，会形成标准的方波，或许就是利用方波中的跳变来实现比特同步，后面还有一个字节用作帧开始定界符，这里的插入的同步和定界总长度为8字节。

   在以太网MAC帧中的前端长度为14，6+6+2，后面的FCS为4个字节。即总长为18字节，因此数据部从46~1500字节。

9. 局域网互连

   1. 使用中继器和集线器可实现局域网在物理层的互连——扩展方便，成本低，但会导致碰撞域增大，提高碰撞概率，影响网络性能

   2. 使用网桥可以实现在数据链路层的互连，网桥还可以根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发，具有过滤帧的功能，根据帧的目的MAC地址来确定该帧转发到哪一个接口。可以隔离碰撞域，但不隔离广播域。

   3. 网桥可以过滤通信量，增大吞吐量。可互连不同的物理层，不同MAC子层，不同速率的局域网。但缺点是，存储转发时增加了时延，MAC子层没有流量控制功能，并且不能解决广播风暴的问题。

      多接口网桥——交换机，其内部工作原理仍然为网桥。交换机采用自学习算法建立转发表，若从A发出的帧从接口x进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到A。

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1. 交换机的自学习过程

   1. 初始时转发表为空，通过自学习逐步建立

   2. 收到一个帧后，检查帧中源地址是否存在，不存在则添加源地址和其传入接口

   3. 然后转发帧，在交换表中查找目的地址，未找到则向进入接口外的所有接口进行转发，找到则单个转发

2. 透明网桥还使用生成树算法，用于避免由于多个局域网互连形成环路时，帧无休止转发

   具体而言，交换机之间会交换信息，使用生成树算法并关掉某些接口，避免产生环。当某天链路坏掉时，也可以打开备用链路。

3. 虚拟局域网(VLAN)：在现有局域网基础上，将网络站点分组，构成若干逻辑上独立的虚拟局域网。可以便于管理，控制广播风暴，提高安全性。

   补充：不同虚拟局域网之间还可以通信，只是不是通过交换机(数据链路)转发，而是在上层路由(网络)进行

4. 网络层曾经在思考这样的事，向传输层提供的服务应该是面向连接，还是无连接的呢？或者换句话说，是可靠数据传输还是不可靠传输呢？似乎应该做的更好，可靠传输，但这就需要更好的基础设备支持，开销也更大，不想干活啊。另一派认为可达就行，不管有没有错误之类的，由上层来处理。

5. 面向连接的服务：虚电路(virtual circuit)

   • H1发送给H2的所有分组都沿着一条虚电路走

6. 无连接的服务：数据报(datagram) —— keep it simple and stupid

   • H1发送给H2的分组可能沿着不同路径传送

7. 网际协议IP

   1. 与网际协议配套的有4个协议，ARP, RARP, ICMP, IGMP（网络层协议）

   2. 目前使用的IP地址是IPv4，总之已经不够用了，但还在用，以此为背景后面介绍了地址划分新方法和IPv6

   3. IP地址分为A, B, C, D, E五类，每一类包含网络号和主机号两个字段：IP地址 ::= {网络号，主机号}

      A类地址：网络号有8位，且第一位为0

      B类地址：网络号有16位，以10开头

      C类地址：网络号有24位，以110开头

      D类地址：最高位为1110，剩余28位用于组播/多播使用

      E 类地址：最高位为1111，保留为今后使用

      备注：这里的网络分类要求记忆，有些题目默认了解，比如问等价为几个C类网络之类的

   4. IP地址的表示方法为点分十进制法，不明觉厉，但就是用点对每8位进行分割，然后10进制表示

   5. 全0和全1的IP地址有特殊含义，全0表示本网络或本主机，全1表示广播地址（可用地址-2）

8. IP地址与硬件地址

   1. IP地址是网络层及以上各层使用的地址，是一种逻辑地址，存放在IP包头部

   2. 物理地址(MAC地址)是数据链路层以及物理层使用的地址，存放在数据链路层的帧中

   3. 单台主机似乎对两种地址都可以拥有多个

9. ARP与RARP协议

   1. 用于解决IP地址和物理地址的相互转换问题，对主机来说主要知道IP地址，但发送时底层是发送到对应的物理层上，而且主机不知道物理地址，由此产生转化需求

   2. ARP：主机A发出ARP请求，说“我是209.0.0.5，硬件地址是00-00-C0...-18，我想知道主机209.0.0.6的硬件地址”。相当于A在广场上直接喊B的名字了，因此ARP请求也是个广播帧。如果B听到了，就会向A发送响应分组，说“我的名字是209.0.0.6，硬件地址是xxxx”。但B从A的请求中知道了A的地址，可以直接发给A，因此响应是单播。其实，想明白后，就觉得在广场上直接喊人的行为不怎么优雅。。。

      而且也存在风险，有恶意结点可以冒充B，如果A没有方法进行身份检测的话，那么A和B的对话其实没有成立，并另一个结点欺骗了。