计算机网络-期末复习
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东南大学-计算机网络-期末复习笔记
计算机网络概述
网络发展
计算机网络：计算机的网络（组成），用于计算机之间通信的网络（应用），是计算机技术和通信技术相互渗透和发展的结晶，是在用户需求刺激下发展起来的技术。
硬件发展：电子管——晶体管——中小规模集成电路——（超）大规模集成电路——智能机。体积减小，性能/价格提升
软件发展：单用户OS——分时多用户OS——网络OS——分布式OS
用户角度
单机：单个用户独占系统资源
分时系统：分时多用户系统（大型机），多个用户利用多台终端共享单台计算机的资源，主机轮询终端，获取指令，提供服务，返回结果
远程访问系统：利用通信线路将远程终端连至主机，不受地域限制地使用计算机的资源
网络：将多台计算机连在一起，相互共享资源
全球网络（互联网/因特网）
覆盖网：面向应用的网络(在支撑网络的基础上增添组件，使其满足各类应用需求)
典型系统：以信息/计算资源共享为目的网格(云中心)
以闲散资源共享为目标的对等网(P2P网)
信息网络(INS)：云计算(大数据挖掘，内容分发(CDN)，发布/订阅，满足信息获取的需求)+电子商务(B2B、B2C等)
典型系统：检索类平台(如百度)
网购(如淘宝、订票等)
移动社交网络(MSNS)：社交网络+智能终端普及
典型系统：Facebook+微信
物联网(IoT Internet of things)
计算机网络的定义
计算机网络是以共享资源(硬件、软件和信息等)为目的而连接起来的、在协议控制下，由一台或多台计算机、终端设备、数据传输设备等组成的系统之集合。
其中的计算机等系统应当具有独立自治的能力，是可以独立运行的系统。
网络的功能
计算机联网的主要目的——跨越时空
资源共享
硬件共享
软件共享
信息共享
数据传输 支持用户之间的数据传输/信息交换
计算机网络和信息社会
农业社会——工业社会——信息社会
信息社会的特征：时效性
计算机：信息处理的最佳工具
计算机网络：具有高速的信息传输能力，发挥计算机处理的效率，信息社会得以快速发展的支撑技术
趋势：后台走向前台，(产业)辅助走向引领
网络对社会的影响
人民生活丰富多彩
工业化社会——物质享受
信息化社会——精神享受
经济生活日益变化
产业结构的变革，新兴产业
社会功能不断充实
网络世界需要新的法律、法规予以维护
国际间合作更加密切
“地球村”
网络的分类及命名
根据网络覆盖范围
不同覆盖范围的网络采用了不同的技术，应用的普及导致范围的淡化，目前习惯用技术来分析网络类型
广域网(WAN)
覆盖范围通常在几十到几千公里，有时也称远程网，公用设施，长距离传输用户数据，目前为光纤链路为主，具有较大的通信容量
局域网(LAN)
覆盖范围通常在几公里以内，往往用于企事业单位内部，目前为光纤和双绞线链路为主，速率通常在10Mbps以上
城域网(MAN)
覆盖范围通常在一个城市，几到几十公里，公用设施，目前为光纤+同轴电缆链路为主，部分城域网开始采用局域网技术
个人区域网(PAN)
覆盖范围通常在10米以内(房间)，个人使用的电子设备联网，通常采用无线技术，有时也称无线个人区域网(WPAN)
多处理器系统(MPS)
覆盖范围通常在1米以内，中央处理机类总线方式的连接，不属于计算机网络范畴
园区网(campus network/enterprise network)
覆盖整个企业或校园，通常为多个局域网的互联，包括借助广域网的局域网互联，淡化覆盖范围的概念
根据网络拓扑(连接方式)结构
不同形态的网络采用不同的节点访问方式，具有不同的特点，适用不同的场景
星形网络
以一台中心处理机为主而构成的网络，其它入网机器仅与该中心处理机之间有直接的物理链路，所有网上传输的信息均需通过该处理机转发
特点：
- 网络结构简单，便于管理(集中式)
- 入网机需物理线路与处理机互连，线路利用率低
- 处理机负载重(需处理所有的服务)
- 入网机故障，网络可正常工作，中心机故障，网络瘫痪(瓶颈效应，备份/容错)
总线网络
所有入网机器共用一条物理传输信道
特点：
- 多台机器共用一条传输信道，信道利用率较高
- 同一时刻只能由两台计算机通信
- 某个结点的故障不影响网络的工作
- 网络的延伸距离有限，结点数有限
适用于局域网
环形网络
入网设备通过转发器接入网络，每个转发器仅与两个相邻的转发器有直接的物理线路，所有的转发器构成了环状的网络
特点：
- 每个结点只与相邻两个结点有物理链路，传输控制机制比较简单
- 实时性较好(可预测信息在网中传输的最大时间)
- 某个结点(转发器)的故障可能导致网络瘫痪
- 结点数有限
适用于局域网，实时性要求较高的环境
网状网络
利用专门负责数据通信和传输功能的结点机构成，结点机间形成网状的连接，入网设备直接接入结点机进行通信
特点：
- 结点间有多条路径，完整性、可靠性高
- 主要用于覆盖范围大，入网主机多(机型多)的环境，常用于构造广域网络
树状网络
星形网络的扩展或网状网络的简化
根据管理性质
公用网：资源可供任何人使用
电话网、公共数据网、DDN等
专用网：资源仅供有限对象使用
国家安全网、军事网、气象网、电力网、以及各类LAN等
利用公用网组建专用网——虚拟专用网(VPN)
金融网、教育网、政府网
互联网(Internet——因特网)
内联网(intranet，如企业网)
外联网(extranet，如企业之间网络)
接入网(access network——AN)
伴随宽带接入因特网而发展起来的网络技术，也称本地接入网，由网络服务提供商(ISP)提供，辅助用户接入因特网，例如电话网(ADSL)接入、局域网接入、电视网接入等。
根据交换方式
信息在网络设备(交换机)中的转移方式
电路交换网
交换机采用程控跳线接续工作方式(类似电话)，无存储能力。具有建立链路、数据传输和释放链路三个阶段，通信过程中，自始至终占用该条线路，且不允许其他用户共享其信道容量。
报文交换网
交换机采用具有“存储—转发”能力的计算机，用户数据可以暂时保存于交换机内，等待线路空闲时，再进行用户数据的一次性传输，多个用户的数据可以经过一条链路传输
分组交换网
类同报文交换技术，规定了交换机处理和传输的数据长度(称之为分组)
不同的用户数据分组可以交织地在网络中的物理链路上传输
目前的计算机网络(包括广域网和局域网)都采用了分组交换技术，只是分组的大小有所不同
根据功能
通信子网
网络中面向数据传输或者数据通信的部分资源集合，主要支持用户数据的传输，该子网包括传输线路、交换机和网络控制中心等硬软件设施
资源子网
网络中面向数据处理的资源集合、主要支持用户的应用，该子网由用户的主机资源组成，包括接入网络的用户主机，以及面向应用的外设、软件和可共享的数据等
计算机通信基本原理
计算机通信的实质：进程(线程)类对等实体之间的通信
各进程间相互制约地等待或互通消息
同一系统中：共享内存、缓冲区、文件等
不同系统之间：通过网络进行通信，利用线路和中继设备的传输/存储/处理能力
通信举例：
应用进程
作为用户使用网络的接口，辅助用户实现上网的目的(如文件上传、下载等)
网络控制程序(NCP)
负责控制和监视进程使用网络资源的情况，具有建立通信链路、分配存储器、控制计算机与网络之间信息流的功能
通信接口(网络接入模块)
用于不同系统的设备和部件之间的连接，由设备和说明组成
- 物理方面：(接口有多少个插脚)
- 电气方面：(电路信号的电压大小、以及与时间的关系)
- 逻辑方面(语法)：控制数据流如何通过接口“流”到线路上等
- 过程方面：数据流穿入接口时的命令、顺序、控制信息的内容等
通信协议(一组约定和规则的集合，通信的灵魂)：
通信的两个实体(进程)在通信内容、通信方式
以及通信时序等方面，要遵从相互可以理解的协议(相同或兼容的协议)
协议的三要素
语义
确定通信双方通信的内容，包括各种控制信息对应完成的动作和相应
语法
确定通信双方通信时数据报文的格式
时序规则(同步)
确定通信双方信息交互的顺序(建链、数据传输、拆链、数据重传等)
数据通信原理
数据通信系统基本组成
数据通信系统的基本组成(理解时可对比人际交互)：
- 载体：信息的传送通道
- 信源/信宿：信息的发出者/接收者
- 变换器：将信息变换成载体上可传输的信号
- 反变换器：将载体上传输的信号变换成信宿可识别的信息
- 噪声：干扰信号
载体(信道)
载体：承载信息/信号的媒体(介质)
信道：信息单向传输通道(二线)，含传输媒体和中继通信设施
传输媒体类型划分——形式
有线信道：双绞线/缆、同轴电缆、光纤/缆。能量集中在导线附近
- 双绞线/缆：以电磁波形式传输电气信号
- 无屏蔽双绞线
- 屏蔽双绞线
- 同轴电缆：以电磁波形式传输信号
- 粗缆：10Base-5，Ф10mm，AUI（粗缆接口），单段长度≤500米，最长5段达2.5公里。
- 细缆：10Base-2， Ф5mm，BNC（细缆接口），单段长度≤185米，最长5段达925米。
- 光纤/缆：以光波形式传输信号。由传导光波的高纯石英玻璃纤维和保护层构成，纤芯的折射率大于包层折射率，保证光信号在纤芯内折射传输。多根光纤封装于外壳中，形成多芯光缆。
- 双绞线/缆：以电磁波形式传输电气信号
无线信道：自由空间，红外、微波等。能量向空间发散
以无线电频率(射频—RF)形式传输信号
低频LF、中频MF波段：电波沿地表传播；
高频HF和甚高频VHF波段：电波通过电离层反射实现长距离传输；
红外线与毫米波传输：直线传输，不能穿透障碍物，适用于室内
微波传输：能量集中，天线必须对准。
激光传输：不能穿透雨或浓雾。
传输媒体类型划分——方式
- 模拟信道：支持模拟信号传输，如双绞线、同轴电缆等；
- 数字信道：支持数字信号传输，如光纤、双绞线等
模拟传输系统：模拟信道构成的传输系统，如电话网等
数字传输系统：数字信道构成的传输系统，如光纤网等
变换器/反变换器——调制/解调与编码/解码
调制/解调：利用模拟信道支持数据信息传输的技术
调制：将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的电磁波(称为载波，单位：码元/符号)信号。(数字—>模拟)
解调：将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据信息。(模拟—>数字)
调制解调器(modem)：具有调制/解调功能的通信设备
调制方法——调制依据
傅里叶变换：任何周期为T的函数g(t)都可以展开为Fourier级数(n次谐波叠加)
模拟信号可由三角函数表示。
模拟信号(三角函数)可由三个要素(幅度、频率和相位)予以定义
调制：三个要素的调制
调幅(幅度调制或移幅键控法ASK)：
将不同的数据信息(0和1)调制成不同幅度，但相同频率的载波信号
调频(频率调制或移频键控法FSK)
将不同的数据信息(0和1)调制为相同幅度，但不同频率的载波信号
调相(相位调制或移相键控法PSK)
利用相邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号的数据信息值，此时的幅度和频率均不发生变化
组合调制——提高数据传输速率
调制/解调的结果
调制设备负责将主机端的数字信号调制成可在模拟信道上传输的模拟信号(码元/符号)
调制速率(波特率)：调制设备每秒可调制的码元/符号个数，即信道上每秒传输的码元/符号个数
数据传输速率(比特率)：信道在单位时间内可以传输的最大比特数，取决于调制设备的调制速率和码元蕴含的信息量(码元的状态数)
信道容量：信道在单位时间内可以传输的最大信号量(可灵活表征调制速率、数据传输速率)
波特率和数据传输速率之间的关系
如果调制设备的调制速率(波特率)为M，调制出的每个码元具有N种取值(码元蕴含的信息量，或者状态数)，则有：
数据传输速率 = $M * log_2N$ = 波特率 $* log_2N$
信道带宽、信道容量、信道速率的关系
信道带宽(H)：信道可以不失真地传输信号的频率范围
信道容量(B)：信道在单位时间内可以传输的最大信号量(码元数，从调制/解调器的角度看)
信道数据速率(C)：信道在单位时间内可以传输的最大比特数(数据传输速率(bps)，从信源/信宿角度看)
奈奎斯特定理：
无噪声下的B与H的关系：$B = 2*H$(波特率)；
无噪声下的C与H的关系：$C = 2 * H * log_2N(bps)$
其中：N为一个码元可取的离散值个数(状态数)
香农定理：
有热噪声时C、H的噪声的关系 \(C=H * log_2*(1+S/N)(bps)\) 其中：S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比，通常表示成$10*lg(S/N)$分贝(dB)
调制/解调器的选择和应用
- 符合相关标准
- 用途：使用的场合
- 符合当地有关部门的入网规定
- 性能：速率、功能等
注意：Modem需成对使用，通信双方Modem的调制方式匹配一台主呼，另一台被呼。用户方一般为主呼
编码/解码(coding and decoding)
起因：光纤信道支持语音信号传输
编码/解码：实现模拟信息与数字信号之间的转换，用于生产控制、数字信道传输模拟信息等
编码：将模拟信息转换为数字信号的过程
解码：将数字信号还原为模拟信息的逆过程
依据：奈奎斯特取样定理：最大频率为F的模拟信号被不失真还原的前提条件是取样频率不低于2F
脉码调制技术(PCM)
- 取样：通过某种频率的取样脉冲将模拟信息的值取出，变连续的模拟信息为离散信号
- 量化：量化的目的是确定取样出的模拟信号的数值。通过规定一定的量化级，对取样的离散值进行“取整”量化，得到离散信号的具体数值
- 编码：将量化后的值编码成一定位数的二进制值
变换器和反变换器的效果
通过调制/解调、编码/解码技术，可以保证计算机之间以数字信号的方式进行通信。
传输编码
通信编码(信源出口编码)——数字信号的表示
二进制数字对应两个电平(或光脉冲)
电平维持时间——位/比特时间
单极性脉冲：无电压(或者无电流)“0”
恒定正电压(或者有电流)“1”
双极性脉冲：数字信号“0”或者“1”，相同幅度的正电压或者负电压
发送：发送设备根据自身的时钟分频形成约定频率(发送频率)的数据波(脉冲序列)，并发往线路
接收：接收端设备则根据自身的时钟形成约定频率(接收频率)的取样脉冲，对信道上的数据波进行取样并通过设置阙值电平识别数据波对应的值
RS-232编码(双极性)
利用不同的电平表示不同的二进制值
正电平(+3~+15 V)表示数字信号“0”
负电平(-3~-15 V)表示数字信号“1”
特点：直观，但不利于区分连续的“0”和“1”
不归0交替编码(NRZI)(双极性)
根据相邻比特的电平变化确定值
比特间隔发生电平变化表示“1”
比特间隔不发生电平变化表示“0”
RS-232编码和NRZI编码的共同特点：
编码中不含同步信息，发送/接收设备的时钟略有差异时，可能造成误差积累，造成取样脉冲的偏移，出现差错(不宜传输大块数据)
曼彻斯特编码
一个比特时间一分为二(借助触发器对突变信号的敏感性)
比特时间内 电平发生变化
发生低电平到高电平的变化表示“1”
高电平到低电平的变化表示“0”
差分曼彻斯特编码
一个比特时间一分为二，
比特时间的中部发生电平变化
表示的值依赖于位(比特)间电平是否发生变化
当后比特的前半部分电平不同于前一比特的最终电平状态(即位间电平发生变化)，表示“0”
当后比特的前半部分电平相同于前一比特的最终电平状态(即位间电平不发生变化)，表示“1”
曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的共同特点：
同时传输数据和同步信息
同步信息：每个比特中部的电平跳变信号(借助触发器对突变信号的敏感性)。接收方可以根据该同步信息及时调整接受脉冲的产生，消除误差积累，可以支持较大数据块的传输
一个比特时间一分为二，发送/接收一个比特需要产生两个发/收脉冲。要求发送/接收设备能够产生较高频率的发/收脉冲(即编码效率较低，50%)
4b/5b码——光纤应用，降低成本
用5位(32个)的符号表示4位(16个)的信息(数据)
采用不归0交替编码(NRZI)表示这5位符号。
(32选16)使得每个符号中至少有2个“1”比特(跳变)出现
特点：内含同步信号，支持批量数据传输，编码效率较高，80%
字符编码
利用0和1比特的特定组合来表示字符
BCD码、EBCDIC码、IA5码、ASCCII码(美国信息交换标准码、P23)
图形字符：数字、字母、运算符号、语句符号等
控制字符：传输控制、格式控制、信息分割字符等
ASCII码的控制字符
传输控制字符：用于控制信息的传输
SOH(标题开始，0000001，0/1)
STX(正文开始，0000010，0/2)
ETX(正文结束，0/3)
EOT(传输结束，0000100，0/4)
ENQ(询问，0/5)
ACK(确认，0000110，0/6)
NAK(否认，1/5)
DLE(数据转义，0010000，1/0)
SYN(同步，1/6)