计算机网络知识汇总（超详细整理）_计算机网络全局理解

• 通过应用层协议，提供应用程序便捷的网络服务调用

②TCP/IP 4层模型

③两种模型比较

注：我们教材的是以下分层来讲述的

二、物理层

• 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。
• 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。
• 用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

1.物理介质

①引导型介质

信号在固体介质中传播，例如铜、光纤、同轴电缆

光纤

• 高速运行
  高速点对点传输（10-100 Gbps）
• 低错误率
  中继器相距很远，对电磁噪声免疫
  

双绞线

• 两根绝缘铜线互相缠绕为一对
• 电话线为1对双绞线，网线为4对双绞线，广泛用于计算机网络（以太网）双向传输
• 第5类：100 Mbps~1 Gbps；第6类：10Gbps
• 传输距离一般为为100米

同轴电缆

• 两根同心铜导线，双向传输
• 电缆上的多个频率通道
• 带宽可达100Mbps
• 传输距离一般为200米

②非引导型介质

信号自由传播，例如无线电（陆地无线电、卫星无线电信道)

无线电

• 电磁频谱中各种“波段”携带的信号
• 没有物理“电线”
• 不依赖介质的广播
• 半双工（发送方到接收方）

无线链路类型

• 无线局域网（WiFi）
  10-100 Mbps；10米
• 广域（如3/4/5G蜂窝）
  在~10公里范围内
• 蓝牙：短距离，有限速率
• 地面微波：点对点；45 Mbps
• 同步卫星：36000km高空， 280毫秒的往返时延
• 低轨卫星：近地，但围绕地球高速运动，需要大量卫星才能覆盖地球

2.数据交换方式

①分组交换

分组交换采用把一个个小的数据包存储转发传输来实现数据交换。

主要的一些缺点：
1、不具有实时性。
2、存在延时。
3、会造成通信阻塞。
4、存在无用的重复数据。
5、会出现丢包的情况。

优点：
1、设计简单。
2、资源利用率很高。

②电路交换

电路连接的三个阶段：

1、建立连接。
2、数据传输。
3、释放连接。

优点：
1、传输速度快、高效。
2、实时。

缺点：
1、资源利用率低。
2、新建连接需要占据一定的时间，甚至比通话的时间还长。

电路交换的多路复用
频分多路复用FDM
时分多路复用TDM

3.信道复用

复用 (multiplexing) 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。

①频分复用

• 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（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

②时分复用

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。

③波分复用

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。

④码分复用

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

三、数据链路层

1.功能（要解决的问题）

成帧 （Framing）
将比特流划分成“帧”的主要目的是为了检测和纠正物理层在比特传输中可能出现的错误，数据链路层功能需借助“帧”的各个域来实现
差错控制 （Error Control）
处理传输中出现的差错，如位错误、丢失等
流量控制 （Flow Control）
确保发送方的发送速率，不大于接收方的处理速率，避免接收缓冲区溢出

2.数据链路层提供的服务

1.无确认 无连接 服务（ Unacknowledged connectionless ）

• 接收方不对收到的帧进行确认
• 适用场景：误码率低的可靠信道；实时通信；
• 网络实例：以太网

2.有确认 无连接 服务（ Acknowledged connectionless ）

• 每一帧都得到单独的确认
• 适用场景：不可靠的信道（无线信道）
• 网络实例：802.11

3.有确认 有连接 服务（ Acknowledged connection-oriented ）

• 适用场景：长延迟的不可靠信道

3.成帧（Framing）

3.1 要解决的关键问题：如何标识一个帧的开始？

• 接收方必须能从物理层接收的比特流中明确区分出一帧的开始和结束，这个问题被称为帧同步或帧定界
• 关键：选择何种定界符？定界符出现在数据部分如何处理？

3.2 成帧（framing）的方式

①带比特填充的定界符法

定界符：两个0比特之间，连续6个1比特，即01111110，0x7E

发送方检查有效载荷：若在有效载荷中出现连续5个1比特，则直接插入1个0比特

接收方的处理：
若出现连续5个1比特，
若下一比特为0，则为有效载荷，直接丢弃0比特；
若下一比特为1，则连同后一比特的0，构成定界符，一帧结束

②物理层编码违例

• 核心思想：选择的定界符不会在数据部分出现
• 4B/5B编码方案
  4比特数据映射成5比特编码，剩余的一半码字（16个码字）未使用，可以用做帧定界符
  例如： 00110组合不包含在4B/5B编码中，可做帧定界符
• 前导码
  存在很长的 前导码（preamble），可以用作定界符
  例如：传统以太网、802.11
• 曼切斯特编码 / 差分曼切斯特编码
  正常的信号在周期中间有跳变，持续的高电平（或低电平）为违例码，可以用作定界符
  例如：802.5令牌环网

4.差错控制

4.1 背景

链路层存在的一个问题：信道的噪声导致数据传输问题

• 差错（ incorrect ）：数据发生错误
• 丢失（ lost ）：接收方未收到
• 乱序（out of order）：先发后到，后发先到
• 重复（repeatedly delivery）：一次发送，多次接收

解决方案：差错检测与纠正、确认重传

• 确认：接收方校验数据（差错校验），并给发送方应答，防止差错
• 定时器：发送方启动定时器，防止丢失
• 顺序号：接收方检查序号，防止乱序递交、重复递交

4.2 差错检验与纠正

目标

保证一定差错检测和纠错能力的前提下，如何减少冗余信息量？

考虑的问题

• 信道的特征和传输需求
• 冗余信息的计算方法、携带的冗余信息量
• 计算的复杂度等

两种主要策略

• 检错码（error-detecting code）

在被发送的数据块中，包含一些冗余信息，但这些信息只能使接收方推断是否发生错误但不能推断哪位发生错误，接收方可以请求发送方重传数据主要用在高可靠、误码率较低的信道上，例如光纤链路偶尔发生的差错，可以通过重传解决差错问题

• 纠错码（error-correcting code)

发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，并能纠正错误（定位出错的位置）主要用于错误发生比较频繁的信道上，如无线链路也经常用于物理层，以及更高层（例如，实时流媒体应用和内容分发）使用纠错码的技术通常称为前向纠错（FEC，Forward Error Correction)

常用的检错码包括：

①奇偶检验 (Parity Check)

1位奇偶校验是最简单、最基础的检错码。

1位奇偶校验：增加1位校验位，可以检查奇数位错误。

②校验和 (Checksum)

主要用于TCP/IP体系中的网络层和传输层

③循环冗余校验 (Cyclic Redundancy Check，CRC)

数据链路层广泛使用的校验方法

CRC校验码计算方法

• 设原始数据D为k位二进制位模式
• 如果要产生n位CRC校验码，事先选定一个n+1位二进制位模式G (称为生成多项式，收发双方提前商定)，G的最高位为1
• 将原始数据D乘以2^n （相当于在D后面添加 n 个 0），产生k+n位二进制位模式，用G对该位模式做模2除，得到余数R（n位，不足n位前面用0补齐）即为CRC校验码

CRC校验码计算示例

• D = 1010001101
• n = 5
• G = 110101 或 G = x5 + x4 + x2 + 1
• R = 01110
• 实际传输数据：101000110101110
  

④汉明码

目标：以奇偶校验为基础，找到出错位置，提供1位纠错能力

• 给定n位待发送的数据，首先确定校验位的个数k（根据2^k≥k+n+1）
• 确定校验位在码流中的位置，2^i,i=0,1,2,……，得到校验位P_1,P_2,P_4,P_8,……
• 确定分组，即每个校验位分别负责哪些数据位
  P_1负责位置号的二进制符合XXXX1形式的数据位，即1,3,5,7,9,……
  P_2负责位置号的二进制符合XXX1X形式的数据位，即2,3,6,7,10,……
  P_3负责位置号的二进制符合XX1XX形式的数据位，即4,5,6,7,12,13,14,15,……
• 基于偶校验确定每组的校验位（0或1）

注： 汉明码是采用奇偶校验的码。它采用了一种非常巧妙的方式，把这串数字分了组，通过分组校验来确定哪一位出现了错误。

实际的海明码编码的过程也并不复杂，我们通过用不同过的校验位，去匹配多个不同的数据组，确保任何一个数据位出错，都会产生一个多个校验码位出错的唯一组合。这样，在出错的时候，我们就可以反过来找到出错的数据位，并纠正过来。当只有一个校验码位出错的时候࿰