考纲汇总
第一章 计算机网络体系结构
1.1 计算机网络概述
计算机网络:是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统,通过通信设备与线路连接起来,由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
计算机网络是互连的、自治的计算机集合。
速率(数据率或称数据传输率或比特率):连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。
计算机网络中数据传输的最小单位为比特,表现为一个二进制位,单位是位。
速率的单位:b/s,kb/s ,Mb/s,……
速率的单位是比特(b,bit),1kb/s = 10^{3}b/s
存储容量的单位是字节(B,Byte),1B = 8b,1KB = 2^{10}B
原本指某个信号最高频率与最低频率之差。
计算机网络中,带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力,通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。
单位是比特每秒,b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s ……
表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。
单位:b/s,kb/s,Mb/s……
吞吐量受带宽或网络的额定速率的限制。
指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。也单位是s。
发送端发送的第一个比特到达终点时,此时管道中有多少个比特
时延带宽积 = 传播时延 \times 信道带宽
从发送方发送数据开始,到发送方收到接收方的确认总共经历的时延
1.2 计算机网络体系结构与参考模型
SDU服务数据单元:为完成用户所要求的功能而应传送的数据
PCI协议控制信息:控制协议操作的信息
PDU协议数据单元:对等层次之间传送的数据单位
每一层的数据(SDU)加上控制信息(PCI)构成下一层所使用的SDU。
开放性系统互联参考模型,通称OSI参考模型。
应用层、表示层、会话层属于资源子网
网络层、数据链路层、物理层属于通信子网
传输层连接资源子网与通信子网
所有能和用户交互产生网络流量的程序。
用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式(语法和语义)。
向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据。
负责主机中两个进程的通信,即端到端的通信。
传输单位是报文段或用户数据报。
主要任务是把分组从源端传到目的端,为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
网络层传输单位是数据报。
主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。
数据链路层/链路层的传输单位是帧。
主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。
物理层传输单位是比特。
透明传输:不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送
分层 | OSI参考模型 | TCP/IP模型 |
---|---|---|
网络层 | 无连接+面向连接 | 无连接 |
传输层 | 面向连接 | 无连接+面向连接 |
面向连接分为三个阶段
面向无连接没有这么多阶段, 它直接进行数据传输。
将OSI参考模型与TCP/IP协议综合,得到5层参考模型。
5层参考模型的数据封装流程如下图所示
第二章 物理层
2.1 通信基础
物理层的主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性
数据:传送信息的实体,通常是有意义的符号序列
信号:数据的电气/电磁的表现,是数据在传输过程中的存在形式
信源:产生和发送数据的源头
信宿:接收数据的终点
信道:信号的传输媒介。信道是有方向性的,因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
信道的分类:
码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲),代表不同离散数值的基本波形,是数字通信中数字信号的计量单位。
这个固定时长内的信号称为k进制码元,而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2),该码元为M进制码元。
1码元可以携带多个比特的信息量。例如,在使用二进制编码时,只有两种不同的码元,一种代表0状态,另一种代表1状态。
在模拟信号系统中,最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的带宽,单位为赫兹(Hz)。
数字设备中,表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率/单位时间内通过链路的数量,常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(bps)。
只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道。
通信的双方都可以发送或接收信息,但任何一方都不能同时发送和接收, 需要两条信道。
通信双方可以同时发送和接受信息,也需要两条信道。
串行传输:将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。
并行传输:将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。
同步传输:在同步传输的模式下,数据的传送是以一个数据区块为单位,因此同步传输又称为区块传输。 在传送数据时,需先送出1个或多个同步字符,再送出整批的数据。
异步传输:异步传输将比特分成小组进行传送,小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组,而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时,加一个字符起始位和一一个字符终止位。
速率也叫数据率,是指数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量。
别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等,它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数),单位是波特(Baud)。
由一个低电平到另一个低电平也算一次信号变化,因为从一个码元变到了另一个。
别名信息速率、比特率等,表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数),单位是比特/秒(b/s)。
\begin{align}\text{bit/s} &= \text{Baud} \times \log_2n\\&= 采样频率 \times 信号携带的比特数\end{align}
影响失真程度的因素:
码间串扰:接收端收到的信号波形由于频率太高,失去了码元之间清晰界限的现象。
在理想低通(无噪声,带宽受限)条件下,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2W Baud。
极限数据率:
理想低通环境下的极限数据传输率=2w \log_{2}V \quad(b/s)
例:在无噪声的情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是多少?
V=4*4=16
W=3*10^3
2\times 3\times 10^3 \times \log_{2}16=24\ \text{kb/s}
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生,它的瞬时值有时会很大,因此噪声会使接收端对码t元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的,若信号较强,那么噪声影响相对较小。
信道的极限数据传输率=W \log_{2}(1+\frac{S}{N}) \quad(b/s)
信噪比(dB) = 10\log_{10}\frac{S}{N}
例:电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz,信噪比为30dB,则该系统最大数据传输速率是多少?
30(dB) = 10\log_{10}\frac{S}{N}\frac{S}{N} = 1000信道的极限数据传输速率=W\log_{2}(1+\frac{S}{N}) = 3000\times\log_{2}(1+1000)\approx 30\ (kb/s)
基带信号:将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示,再送到数字信道上去传输(基带传输)
宽带信号:将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)
编码:将数据处理为数字信号
调制:将数据处理为模拟信号
使用设备为数字发送器。
在4位比特流开头插入额外的一位0或1用于分割一长串的0、1信号。
编码效率为80%
使用设备为调制器。
三种调制方式:
此外,还有将调幅和调相结合起来的正交振幅调制(QMA)
QAM数据传输率=\text{B} \log_2 (mn)
例:某通信链路的波特率是1200Baud,采用4个相位,每个相位有4种振幅的QAM调制技术,则 该链路的信息传输速率是多少?
码元种类=4X4=16
每个码元所包含的比特位:\log_{2}16=4\ \text{(bit)}
1200Baud = 1200 X 4 = 4800 bit/s
使用设备为PCM编码器。
编码的过程:
采样定理:为了保证信号不失真,采样领率必须是信号最高信号最高频率的两倍及以上
使用设备为放大器调制器。
将原本的基带信号调制为高频信号进行传输,还可以采用频分复用技术,充分利用带宽资源。
在数据传输期间,源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路,在数据传输结束之前,这条线路一直保持。
电路交换可以分为三个阶段:
报文:报文(message)是网络中交换与传输的数据单元,即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息,其长短很不一致,长度不限且可变。
无需在两个站点之间建立一条专用通路,其数据传输的单位是报文,传送过程采用存储转发方式
与报文交换相比,分组交换网中限制所传输的数据单位的长度,分组交换会将报文拆分成固定大小的分组,每个分组包含小数据块和控制信息(源和目的地址、分组编号等),分组分别在交换网络中传播,并由接收端组合回报文。
例:在如图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中,所有链路的数据传输速率为100Mbps ,分组大小为1000B,其中分组头大小为20B。若主机H1向主机H2发送一个大小为980000B的文件,则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下,从H1发送开始到H2接收完为止,需要的时间至少是()
总分组数
980000 \div (100-20) = 1000
第一个分组传播到终点的时间
3 \times \frac{1000 \times 8}{100 \times 10^6}
剩下的所有分组从最后一个结点到达终点的时间
(1000 - 1) \times \frac{1000 \times 8}{100 \times 10^6}
总时延
(3 \times \frac{1000 \times 8}{100 \times 10^6} )+ [(1000 - 1) \times \frac{1000 \times 8}{100 \times 10^6}] = 80.16 \times 10^{-3}s=80.16 \text{ms}
从信道利用率上看,报文交换和分组交换优于电路交换
其中分组交换比报文交换的时延小,尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信
无连接服务:不事先为分组的传输确定传输路径,每个分组独立确定传输路径,不同分组传输路径可能不同
类似于电路交换,但采用虚电路进行传输。
虚电路:一条源主机到目的主机类似于电路的路径(逻辑连接)。
分组只有在建立连接时需要携带起始地址和目的地址等信息,在连接建立后,仅需要携带虚电路号、分组号即可。
在传输结束后需要拆除已经建立的虚电路。
数据报服务 | 虚电路服务 | |
---|---|---|
连接的建立 | 不要 | 要 |
目的地址 | 每个分组都有完整的目的地址 | 仅在建立连接阶段使用,之后每个分组使用长度较短的虚电路号 |
路由选择 | 每个分组独立地进行路由选择和转发 | 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发 |
分组顺序 | 不保证分组的有序到达 | 保证分组的有序到达 |
可靠性 | 不保证可靠通信,可靠性由用户主机来保证 | 可靠性由网络保证 |
对网络故障的适应性 | 出故障的结点丢失分组,其他分组路径选择发生变化,可正常传输 | 所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作 |
差错处理和流量控制 | 由用户主机进行流量控制,不保证数据报的可靠性 | 可由分组交换网负责,也可由用户主机负责 |
2.2 传输介质
传输介质也称传输媒体/传输媒介,它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输介质不是物理层,他只传输信息,无法处理信息
它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
绞合是为了防止电磁干扰
在双绞线外加上金属网,构成屏蔽双绞线(STP),没有屏蔽层的则被称为非屏蔽双绞线(UTP)。
同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同,通常将同轴电缆分为两类:50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。
光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
定义 | 光源 | 特点 | |
---|---|---|---|
单模光纤 | 一种在横向模式直接传输光信号的光纤 | 定向性很好的激光二极管 | 衰耗小,适合远距离传输 |
多模光纤 | 有多种传输光信号模式的光纤 | 发光二极管 | 易失真,适合近距离传输 |
信号没有方向性,有较强穿透能力,可传远距离,广泛用于通信领域(如手机通信)。
信号定向传播,通信频率较高、频段范围宽,因此数据率很高。
信号定向传播,把要传输的信号分别转换为各自的信号格式,即红外光信号和激光信号,再在空间中传播。
对信号进行再生和还原,对衰减的信号进行放大,保持与原数据相同,以增加信号传输的距离,延长网络的长度。
中继器的两个接口:
对信号进行再生放大转发,对衰减的信号进行放大,接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上,以增加信号传输的距离,延长网络的长度。
集线器不具备信号的定向传送能力,是一个共享式设备
集线器上的设备共享带宽。
第三章 数据链路层
3.1 数据链路层的功能
3.2 组帧
3.3 差错控制
3.4 流量控制与可靠传输机制
3.5 介质访问控制
3.6 局域网
3.7. 广域网
3.8 数据链路层设备
第四章 网络层
4.1 网络层的功能
4.2 IPV4
4.3 IPV6
4.4 路由算法和路由协议
4.5 IP组播
4.6 移动IP
4.7 网络层设备
第五章 传输层
5.1 传输层提供的服务
5.2 UDP协议
5.3 TCP协议
第六章 应用层
6.1 网络应用模型
6.2 域名系统(DNS)
6.3 文件传输(FTP)
6.4 电子邮件
6.5 万维网