第一章 计算机网络概述
计算机网络体系结构
第二章 网络应用
应用的体系结构
- 客户/服务器（C/S）结构
- P2P（peer to peer）结构[对等模式]
-
通信基本原理（C/S通信，单次通讯C/S角色固定）
服务进程
- 客户进程
-
域名系统（DNS）
层次树状结构的命名
1.国家顶级域名nTLD
- 2.通用顶级域名gTLD
- 3.基础结构域名
域名解析
-
域名服务器
分布式数据库，存储网络中域名与IP地址的映射关系
域名服务器分类
递归查询
- 代替主机查询其它域名服务器，获得结果逐级返回
迭代查询
TCP连接
- 应用层http协议（发送http报文）
-
HTTP
定义浏览器如何向web服务器发送请求以及web服务器如何向浏览器进行响应
- 连接方式
- 非持久连接
- 非并行连接
- 并行连接
- 持久连接
- 非流水方式
- 流水方式
- 非持久连接
http报文
- 请求报文 - 从客户端向服务器发送请求报文
- 请求行
- 方法
- GET：请求读取URL所标识的信息（获取资源）
- HEAD：请求读取URL所标识信息的首部（无须在响应报文中包含对象）
- POST：给服务器添加信息（例如：注释）
- OPTION：请求一些选项信息
- PUT：在指明的URL下存储一个文档
- 空格
- URL
- 空格
- 版本
- CRLF（回车换行）
- 方法
- 首部行
- 首部行字段名：值
- CRLF
- 首部行字段名：值
- CRLF
- 实体主体（通常不用）
- 请求行
- 响应报文 - 从服务器到客户端的回答
- 请求报文 - 从客户端向服务器发送请求报文
指某些网站为了辨别用户身份、进行会话跟踪而存储在用户本地终端上的数据
弥补了http协议无状态性的不足，有利于用户跟踪并提供针对性的服务，但也带来了一些安全问题
Internet电子邮件
电子邮件系统组成
邮件服务器
- 简单邮件传输协议（SMTP）
-
SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）【简单邮件传输协议】
Internet电子邮件中核心应用层协议
- 依赖TCP协议，端口号25
应用层交互完成邮件传输阶段
电子邮件格式
- 首部
- To - 发给谁
- Subject - 主题
- Cc - 抄送
- From - 发件人
- Date - 日期
- Reply-To - 按照怎么个地址回复
- ……
- 空白行
- 主体
- 首部
MIME（多用途互联网邮件扩展）
第三版邮局协议（Post Office Protocol-Version 3 —- POP3）
- 邮件下载到本地操作，不能操作服务器邮箱
- 可以离线操作
- 互联网邮件访问协议（Internet Mail Access protocol —- IMAP）
- 联网访问邮件服务器，操作服务器邮箱
HTTP
应用层协议
C/S模式，TCP协议，采用控制连接（21端口）传输控制指令，数据连接（20端口）传输文件内容
P2P应用
优势
网络应用进程通信时通过API接口请求底层协议服务
- 可以创建数据报类型套接字SOCK_DGRAM
- 流式套接字SOCK_STREAM
- 原始套接字SOCK_RAW
基于TCP的Socket编程
基于UDP的Socket编程
第三章 传输层
传输层基本服务
-
主要功能
传输层寻址
- 应用层报文的分段和重组
- 报文的差错检测
- 进程间的端到端可靠数据传输控制
- 面向应用层实现复用与分解
- 端到端的流量控制
- 拥塞控制
传输层协议提供逻辑通信服务 传输层协议只需要在端系统中实现 通信的真正端点并不是主机，而是主机中运行的应用进程
传输层寻址与端口
- 用统一的寻址方法对应用进程进行表示
- 端口号
- 在全网范围标识一个唯一示通信端点（应用进程）
- IP地址+端口号
- 传输层端口为16位整数，包含三类端口
- 熟知端口号
- 0~1023
- 固定端口号
- 登记端口号
- 1024~49151
- 没有熟知端口号的应用程序使用
- 必须IANA（Internet Assigned Numbers Authority — 互联网地址编码分配机构）登记避免重复
- 固定端口号
- 客户端口号或短暂端口号
- 49152~65535
- 留给客户进程选择暂时使用
- 不固定
POP3（基于TCP协议）：110端口 SMTP（基于TCP协议）：25端口 HTTP（基于TCP协议）：80端口 DNS（基于UDP协议）：53端口
- 熟知端口号
无连接服务与面向连接服务
- UDP
- 无连接服务
- 数据传输前无需与端进行信息交换（即”握手”）
- 直接构造传输层报文并向接收端发送
TCP
多路复用
- 对不同端口的应用进程提供传输层封装发送
- 多路分解
- 对接收数据按照端口拆分传输给不同进程
- 无连接多路复用与分解
- UDP套接字
- <目的IP地址，目的端口号>
- UDP套接字
面向连接多路复用与分解
实现可靠数据传输的措施
发送方经过差错编码和编号的报文段，等待接收方确认（发送并等待确认）
- 接收方如果正确接收报文段（即差错检查无误且序号正确则接收报文段），并向发送方发送ACK，否则丢弃报文，并向发送方发送NAK（接收并确认/否认）
如果发送方收到ACK，则继续发送后续报文段，否则重新发送刚发送的报文段（继续发送/重发）
主要性能问题
-
解决方法
流水线协议或管道协议
增加分组序号范围
-
典型的流水线协议
滑动窗口协议
连接建立—-三次握手
- SYN连接请求（客户端->服务端）
- SYNACK确认（服务端->客户端）
- ACK确认（客户端->服务端）
seq：序列号
- 断开连接—-四次挥手
TCP实现可靠数据传输
利用窗口机制实现流量控制，但不是简单的滑动窗口协议
TCP建立时，双方分配固定大小的缓冲空间，TCP接收端只允许另一端发送其缓冲区所能接纳的数据
窗口机制
- 通过调节窗口大小实现对发送数据速率的调整
- 窗口调整的基本策略
- AIMD（Additive Increase，Multiplicative Decrease）
- 加性增加，乘性减少
- 网络未发送拥塞时，逐渐“加性”增大窗口大小，当网络拥塞时“乘性”快速减少窗口大小
- TCP的拥塞控制算法
数据报网络与虚电路网络
分组交换技术
数据报网络
本质上是不可靠的 效率高 成本低
- 按照目的主机地址进行路由选择网络
特点
在网络层提供面向连接的分组交换服务
- 特点
路由器
交换结构
路由处理器
执行路由器的各种命令，包括路由协议的运行、路由计算以及路由表的更新维护
网络层拥塞控制
拥塞：一种持续过载的网络状态此时用户对网络资源（包括链路带宽、存储空间和处理器处理能力等）的总需求超过了网络固有容量 原因
- 缓冲区容量有限
- 传输线路的带宽有限
- 网络节点的处理能力有限
- 网络中某些 部分发生了故障
流量感知路由
根据网络负载动态调整，将网络流量引导到不同的链路上，均衡网络负载，从而延缓或避免拥塞发生
解决网络负载的震荡现象：
基本思想：
- 对新建虚电路进行审核，如果建立的虚电路会导致网络变得拥塞，那么网络拒绝建立该新虚电路。
拥塞状况量化：
- 感知拥塞
- 处理拥塞：将拥塞信息通知到其上游节点
处理方法：
如何选择要丢弃的数据报：
IP数据报分片
IPv4编址
地址分类：A、B、C、D、E
- A、B、C可作为主机地址
- 网络号+主机号
特殊地址、私有地址
子网划分
将一个较大的子网划分为多个较小子网的过程 较大子网具有较短的网络前缀，较小子网具有稍长的前缀
超网
具有较长前缀的相对较小的子网合并为一个具有稍短前缀的相对较大的子网
子网掩码
用来定义一个子网的网络前缀长度 点分十进制（32位） 前半全1（网络号，子网号部分），后半全0（主机地址部分）
例题
主机IP：203.123.1.135子网掩码：255.255.255.192Q:1.子网地址2.直接广播地址3.IP地址总数4.可分配IP地址5.可分配IP地址范围6.如何分配成两个等大子网
IP 位与 Mask = Subnet1.子网地址203.123.1.128(主机号全0) 26位（网络前缀长度 - 对应'网络号+子网号'）
2.直接广播地址(主机号全1)203.123.1.1913.IP地址总数64个203.123.1.128~203.123.1.1914.可分配IP地址62个(主机号全1全0,不参与分配)5.可分配IP地址范围203.123.1.129~203.123.1.190
分组转发
/26 表示子网掩码1的位数，网络前缀长度
1.IP地址与子网掩码位与 2.第一步结果与(目的)网络地址比较 3.最长前缀匹配
下一跳地址：去往下一个路由器的地址 最长前缀匹配：都匹配则去往网络前缀最长的地址
DHCP
动态主机配置协议（Dynamic host configuration protocol） 为网络内的主机提供动态IP地址分配服务
- 从内网进入互联网的IP数据报
- 将源IP地址替换为NAT路由器拥有的合法的公共IP地址
- 同时替换源端口号
- 并将替换关系记录到NAT转换表中
- 从互联网返回的IP数据报
- 依据其目的IP地址与端口号检索NAT转换表
- 得到内部私有IP地址与端口
- 替换目的IP地址和端口号
- 将IP数据报转发到内部网络
ICMP
互联网控制报文协议（Internet Control Messages Protocol） 在主机或路由器间，实现差错信息报告
- 解决IPv4地址耗尽问题
- IPv6报文首部长度固定40字节
- IPv6地址长度128位
- IPv4迁移到IPv6：双协议栈、隧道
路由算发与路由协议
层次化路由选择
实现大规模网络路由选择最有效、可行的解决方案
换分自治系统
- 网关路由器
- 自治系统间路由器协议
Internet路由选择协议
- 内部网关协议
- RIP【路由选择信息协议（Routing Information Protocol】
- 基于距离向量路由选择算法
- 跳数作为距离度量
- 最大不超过15跳
- 每30秒交换一次距离向量
- OSPF【 开放式最短路径优先（Open Shortest Path First）】
- 基于链路状态路由选择算法
- RIP【路由选择信息协议（Routing Information Protocol】
- 外部网关协议
主要功能
- 组帧
- 链路接入：点对点链路、广播链路
- 可靠交付（可靠传输方法多用于高出错率链路）
-
差错控制
差错控制的四种基本方式
检错重发
- 前项纠错
- 接收端进行差错纠正
- 反馈校验
- 接收端将收到的数据原封不动发回发送端
-
差错编码
香浓信道编码定理：
理论上可以通过编码使得数据传输过程不发生错误
- 或者将错误概率控制在很小的数值之下
汉明距离：
- 两个等长码字之间，对应位不同的位数
编码集的汉明距离：
- 该编码集中任意两个码字之间汉明距离的最小值
差错编码的检错或纠错能力与编码集的汉明距离有关
检错编码
- 如果编码集的汉明距离
ds=r+1，则该差错编码可以检测r位的差错
{0000, 0101, 1010, 1111} ds=2
纠错编码
- 如果编码集的汉明距离
ds=2r+1，则该差错编码可以纠正r位的差错
{000000, 010101, 101010, 111111} ds=3
典型的差错编码
- 奇偶校验码
- 奇校验
- 编码后的码字中
1的个数为奇数
- 编码后的码字中
- 偶校验
- 编码后的码字中
1的个数为偶数
- 编码后的码字中
- 奇校验
- 汉明码
- 可实现单个比特差错纠正
- 循环冗余码CRC（Cyclic Redundancy Check）
信道划分协议
- 频分多路复用
- 在频域内将信道带宽划分为多个子信道
- 时分多路复用
- 将通信信道的传输信号在时域内划分为多个等长的时隙
- 波分多路复用
- 在一根光纤中，传输多路不同波长的光信号
码分多路复用
纯ALOHA：直接发送->信道侦听->冲突重发
时隙ALOHA：时隙开始时发送->信道侦听->冲突则下一时隙以概率P重发
载波监听多路访问协议CSMA（Carrier Sense Multiple Access）
发送前监听信道是否空闲
非坚持CSMA：忙则等待随机时间后再监听
- 1-坚持CSMA：忙则持续监听
- P-坚持CSMA：闲则概率P在最近时隙发送
带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD
监听空闲后发送，发送时检测碰撞，碰撞后等待重发
受控接入MAC协议
- 集中式控制
- 由一个主机负责调度其它通信站接入信道，从而避免冲突
- 主要方法
- 轮询技术
- 轮叫轮询
- 传递轮询
- 轮询技术
分散式控制
MAC地址（硬件地址：网卡，路由器接口，交换机接口）
- 每一个接口对应一个MAC地址，且全球唯一
- 长度48位
- 前24位为厂商标识
- 后24位由厂商分配
地址解析协议
IEEE802.3标准
- 采用CSMA/CD访问控制方法
以太技术
转发与过滤（改变了原来广播的方式）
- 可以依据接收到的链路层帧的目的MAC地址，选择性转发到响应的端口
- 以目的MAC地址为主键，查找交换表
- 自学习
- 交换机通过自学习构建交换表
优点
一种基于交换机（支持VLAN
Virtual Local Area Network功能）的逻辑分割广播域的局域网应用形式- 不受物理位置限制，以软件的方式划分和管理局域网中的工作组
- 能够抑制广播风暴
- 划分方法
- 基于交换机端口
- 基于MAC地址
- 基于上层协议或地址
点对点链路协议
PPP - 点对点通讯协定 (Point-to-Point Protocol)
能够处理差错检测、支持多种上层协议、允许连接时协商IP地址、允许身份认证
- 典型应用
- 拨号上网
功能
帧定界：
- 帧的定界符是0111 1110
位填充（0bit填充）【透明传输】
消息
- 人类能够感知的描述
- 信息
- 对事物状态或存在方式的不确定性描述
- 信息可以度量
- 通信
- 本质就是在一点精确或近似地再生另一点的信息
- 通信系统
- 能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体
- 信号
- 通信系统中，在传输通道中传播的信息的载体
- 数据
- 对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记载的符号及其组合
信道
系统构成
- 信源
- 发送设备
- 信道
- 信道上可能存在噪声源
- 接收设备
- 信宿
- 模拟通信
- 传输模拟信号
- 因变量是连续的
- 传输模拟信号
- 数字通信
- 传输数字信号
- 因变量是离散的
- 传输数字信号
- 通信方式
- 单向通信（单工 - 广播、收音机）、双向通信（半双工 - 对讲机）和双向同时通信（双工 - 电话）
- 并行通信和串行通信
- 异步通信和同步通信
数据通信系统的功能
架空明线
- 平行且相互分离或绝缘的架空裸线线路
- 通常采用铜线或者铝线等金属导线
- 网络通信很少用
- 双绞线
- 两根相互绝缘的铜线，并排绞合在一起，减少对相邻导线的电磁干扰
- 抗电磁干扰差些
- 传输率高
- 成本比较低
- 同轴电缆
- 抗电磁干扰性能好
- 有屏蔽层
- 线径粗
- 传输率低
- 线径粗因此不容易布线
- 现在主要用于频带传输，如电视线
- 抗电磁干扰性能好
光线
地波传输
- 低频信号，沿地球表面传播
- 天波传输
- 较高频信号，利用电离层的反射传播
视线传播
狭义信道
- 信号传输介质
- 广义信道
- 信号传输介质和通信系统的一些变换装置
- 调制信道
- 信号从调制器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分
编码信道
对信号幅值产生固定的衰减
-
随参信道
传输特性随时间随机快速变化
信号的传输衰减随时间随机变化
- 信号传输时延随时间随机变化
-
信道容量
信道容量是指无差错传输信息的最大平均信息速率
连续信道容量（单位bps）
- 理想无噪声（低通）信道的信道容量，奈奎斯特公式
- 有噪声连续信道的信道容量，香农公式
- B - 带宽，M - 码源进制
信噪比(dB - 分贝值 => 信噪比)(S/N)dB = 10 * log10(S/N)- 30dB => S/N = 1030/10=1000
- 理想无噪声（低通）信道的信道容量，奈奎斯特公式
-
基带传输
基带传输基本概念
模拟基带信号
- 模拟信源发出的原始电信号
数字基带信号
- 数字信源发出的基带信号
模拟基带信号可以通过信源编码转换为数字基带信号
- 数字信源发出的基带信号
基带传输
差分码
- 信号
1相对前信号跳变，0相对前一个信号不变
- 信号
基带传输码型
数字调制
- 利用数字基带信号控制载波信号的某些特征参量，使载波信号的这些参量的变化反映数字基带信号的信息，进而将数字基带信号转换为数字通带信号的过程
键控法
二进制数字调制
- 二进制幅移键控
- 载波信号幅值随基带信号变化
- 二进制频移键控
- 随基带信号变化而选择不同频率载波信号
- 二进制相移键控
- 载波信号相位随基带信号信号变化
- 二级制差分相移键控
- 基带信号控制相邻码元载波相对相位是否变化
1：相对相位改变0：相对相位不变
- 二进制幅移键控
- 多进制数字调制
正交幅值调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）
物理层接口规程
物理层接口概述
物理层接口的四大特性
- 机械特性
- 电气特性
- 功能特性
- 规程特性
物理层接口规范定义DTE和DCE之间的接口特性
机械特性
- 通信实体间硬件连接接口的机械特性
- 电气特性
- 在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性
- 功能特性
- 物理接口各条信号线的用途
规程特性
无线主机（笔记本-无线网卡）
- 无线链路（电磁环境）
- 基站（通信）
- 网络基础设施
自组织网络（Ad Hoc网络）【特殊情况，节点间互相转发数据】
无线链路与无线网络特征
无线链路与有限链路的主要区别
- 信号强度衰减
- 干扰
- 多径传播
- 隐藏终端
移动网络
移动网络基本原理
移动节点的路由选择
- 间接路由选择：由归属代理转发数据给外部代理
- 直接路由选择：由通信代理通过归属代理获得转交地址，直接发送到外部代理
无线局域网IEEE 802.11（wifi）
网络结构
- 基站AP【接入点(Access Point)】
- 基本服务集BSS（Base Station Subsystem）
- AP发现
- 主动扫描探测帧（信号不好时耗电量比较大）
- 被动扫描信标帧
- IEEE 802.11a
- 5G赫兹（GHz）频率，最高传输率54Mbit/s
- IEEE 802.11b
- 2.4G赫兹（GHz）频率，最高传输率11Mbit/s
- IEEE 802.11g
- 2.4G赫兹（GHz）频率，最高传输率54Mbit/s
IEEE 802.11n
CSMA/CA【载波感测多元存取／碰撞侦测（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）】 —- 带碰撞避免的CSMA
- CSMA/CA通过RTS和CTS帧的交换，可以实现信道的预约占用，避免数据帧传输过程中的冲突
IEEE 802.11帧
- 帧类型
- 控制帧、数据帧和管理帧
- MAC首部
- 长度30字节；包括4个地址字段（主要使用目的地址、原地址、AP地址）
蜂窝网络
蜂窝网络体系结构
- 基站系统BSS【基站子系统（Base Station Subsystem）】：基站控制器、收发基站
- 移动交换中心MSC【移动交换中心(Mobile Switching Center)】
网关MSC【移动交换中心(Mobile Switching Center)】
蜂窝网络中的移动性管理
-
移动通信2G/3G/4G/5G网络
2G
- 信令和语音信道都是数字式的e
- 3G
- 无线通信与互联网等多媒体通信结合
- 4G
- 高速率数据，不同频段、不同业务环境间的无缝漫游
5G
代理通告
- 外部代理或归属代理使用一种现有路由器发现协议的扩展协议来通告其服务
- 周期性的在所有连接链路上广播一个类型字段为
9（路由器发现）的ICMP【网间控制报文协议（Internet Control Messages Protocol）】报文
代理请求
移动节点向外部代理发送一个移动IP注册报文
- 外部代理记录移动节点的永久IP地址，并发送注册请求给归属代理
- 归属代理接收注册请求并发送注册应答
-
其它典型无线网络简介
WiMax
- IEEE 802.16，城域网技术，传输距离更远，接入带宽更高
- 蓝牙
- IEEE 802.15.1，范围小，功率低，成本低，自组织
- ZigBee
- IEEE 802.15.4，功率低，低数据速率，低工作周期（非常省电 —- 物联网）
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