本文档为教学视频【计算机网络微课堂(有字幕无背景音乐版)_哔哩哔哩_bilibili】的摘录

• **网络（Network）由若干结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）**组成
• 多个网络还可通过路由器（Router）互连起来，便构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网（互连网）。因此，互联网是**“网络的网络（Network of Networks）”**
• **因特网（Internet）**是世界最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计）

internet 与 Internet 的区别：

• internet（互联网或互连网）：是通用名称，泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的
• Internet（因特网）：是专用名词，指全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，采用TCP/IP协议簇作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET

因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider）

基于ISP的三层结构的因特网

• 边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频、视频）和资源共享
• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

电话之间两两相接不借助交换机的情况下， n n n部电话则需要连接$C_{n}^{2} $条电路

• 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
• 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
• 电路交换的三个步骤：
  1. 建立连接（分配通信资源）
  2. 通话（一直占用通信资源）
  3. 释放连接（归还通信资源）

思考：若使用电路交换来传送计算机数据，效果如何？

由于计算机数据的传送具有一定的突发性，用户之间建立连接后一般只有少部分时间用于数据传送，但期间却一直占用着该条连接，因此利用率较低。计算机网络通常采用分组交换

• 发送方：构造分组、发送分组
• 路由器（分组交换机）：缓存分组、转发分组
• 接收方：接收分组、还原报文

电路交换：

优点：

• 通信时延小
• 有序传输
• 没有冲突
• 适用范围广
• 实时性强
• 控制简单

缺点：

• 建立连接时间长
• 线路独占、使用效率低
• 灵活性差
• 难以规格化

报文交换：

优点：

• 无需建立连接
• 动态分配线路
• 提高线路可靠性
• 提高线路利用率
• 提供多目标服务

缺点：

• 引起了转发时延
• 需要较大存储缓存空间
• 需要传输额外的信息量

分组交换：

优点：

• 无需建立连接
• 线路利用率高
• 简化了存储管理
• 加速传输
• 减少出错概率和重发数据量

缺点：

• 引起了转发时延
• 需要传输额外的信息量
• 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

• 计算机网络的精确定义并未统一

• 计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合

  • 互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信
  • 自治：是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用
  • 集合：是指至少需要两台计算机

• 计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用

  • 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件
  • 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的各种应用）

• 按交换技术分类
  • 电路交换网络
  • 报文交换网络
  • 分组交换网络
• 按使用者分类
  • 公用网
  • 专用网
• 按传输介质分类
  • 有线网络
  • 无线网络
• 按覆盖范围分类
  • 广域网WAN
  • 城域网MAN
  • 局域网LAN
  • 个域网PAN
• 按拓扑结构分类
  • 总线型网络
  • 星型网络
  • 环形网络
  • 网状型网络

• 比特（ b i t bit bit）：计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位。一个比特即为二进制数字中的一个1或0

  • 常用数据量单位：字节（ B y t e Byte Byte）
  • 单位换算： 1 B y t e = 8 b i t 1Byte = 8bit 1Byte=8bit， 1 K B = 2 10 B 1KB = 2^{10}B 1KB=210B， 1 M B = 2 20 B 1MB = 2^{20}B 1MB=220B， 1 G B = 2 30 B 1GB = 2^{30}B 1GB=230B， 1 T B = 2 40 B 1TB = 2^{40}B 1TB=240B

• 速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率

  • 常用数据率单位：比特每秒（bit/s、b/s、bps）
  • 单位换算： 1 k b / s = 1 0 3 b / s 1kb/s = 10^{3}b/s 1kb/s=103b/s， 1 M b / s = 1 0 6 b / s 1Mb/s = 10^{6}b/s 1Mb/s=106b/s， 1 G b / s = 1 0 9 b / s 1Gb/s = 10^{9}b/s 1Gb/s=109b/s， 1 T b / s = 1 0 12 b / s 1Tb/s = 10^{12}b/s 1Tb/s=1012b/s

数据量中的单位有时为了简化计算，被视为和速率单位一致以10次幂为基准，需要依据具体题目说明而定

• 带宽在模拟信号系统中的意义
  • 信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围
  • 单位：Hz、kHz、MHz、GHz
• 带宽在计算机网络中的意义
  • 用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽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：（与上述速率单位一致）

其实，带宽的这两种表述之间有着密切的联系。一条通信线路的“频带宽度”越宽，其所传输数据的“最高数据率”也越高

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
• 吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上有多少数据量能够通过网络
• 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制

• 计算： 传 播 时 延 × 带 宽 传播时延\times带宽 传播时延×带宽
• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

• 多数情况下，因特网上的信息不仅仅是单方向传输，而是双向交互
• 因此，**往返时间RTT（Round-Trip Time）**是一个重要指标
• 时间为：发送端发送分组开始到接收到接收端传回的确认信息为止

由于卫星链路的距离较长，因此往返时间中该段路程占主导时间

• 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）

• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值

• 信道利用率并非越高越好，通信存在排队，利用率高也意味着排队产生的时延久

• 网络当前时延 D D D，网络空闲时延 D 0 D_{0} D0​和利用率 U U U三者关系：

  • 当网络的利用率达到50%时，时延便要加倍
  • 当网络的利用率超过50%时，时延急剧增大
  • 当网络的利用率接近100%时，时延趋于无穷大
  • 因此，一些拥有较大主干网的ISP通常会控制它们的信道利用率不超过50%。若超过了，就准备扩容，增大线路的带宽

• 也不能使信道利用率太低，否则将浪费宝贵的通信资源，应该使用一些机制，可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量，使网络利用率保持在一个合理的范围内

• 丢包率即分组丢失率，指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率
• 丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等
• 丢包率使网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但对于普通用户来说通常意识不到网络丢包
• 分组丢失主要的两种情况：
  • 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃
  • 在通信量较大时可能造成网络拥塞，分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃
• 丢包率反映了网络的拥塞情况：
  • 无拥塞时路径丢包率为 0
  • 轻度拥塞时路径丢包率为 1% - 4%
  • 严重拥塞时路径丢包率为 5% - 15%

• 计算机网络是个非常复杂的系统。早在最初的ARPANET设计时就提出了分层的设计理念

• “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理

• 物理层

  • 实际上传输媒体不属于物理层
  • 解决使用何种信号来传输比特的问题

• 数据链路层

  • 解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题

• 网络层

  • 解决分组在多个网络上传输（路由）的问题

• 运输层

  • 解决进程之间基于网络的通信问题

• 应用层

  • 解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题

各层对数据进行加码

物理层会将帧看作比特流并加上前导码

各层加码的具体内容与作用

• HTTP请求报文内容

• TCP报文段首部格式

  • 作用：区分应用进程、实现可靠传输

• IP数据报首部格式

  • 作用：使IP数据报可以在互联网上传输（即被路由器转发）

• 帧首部格式

  • 作用：使帧能在一个网络（或一段链路）上传输，能够被响应的主机接收

• 帧尾部格式

  • 作用：让目的主机检查所接收到的帧是否有误码

• 比特流前导码格式

  • 作用：为了让目的主机做好接收帧的准备

• 实体：任何可发送或接收消息的硬件或软件进程

  • 对等实体：收发双方相同层次中的实体

• 协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合

  • 协议三要素
    • 语法：定义所交换信息的格式
    • 语义：定义收发双方所要完成的操作
    • 同步：定义收发双方的时序关系

• 服务

  • 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务
  • 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务
  • 协议是”水平的“，服务是”垂直的“
  • 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是”透明的“
  • 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型
    • 数据链路层的服务访问点：帧的类型字段
    • 网络层的服务访问点：IP数据报首部中的协议字段
    • 运输层的服务访问点：端口号
  • 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语
  • 协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元
  • 服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元
  • 多个SDU可以合成为一个PDU，一个SDU也可划分为几个PDU

连续发送多个比特（分组）的总时延为：多个比特（分组）的发送时延 + 该链路所需的传播时延（传播一个比特所需的时间）

链路上的传播时延是固定的，由电磁波的传播速率以及链路的长度决定。 数据发送是连续的，总时延可理解为数据流末端发送至接收端的时间加上从发送数据流首端到发送数据流末端的时间，显然前者即为链路上的传播时延，而后者即整个数据流的发送时延

假设分组等长、各链路长度相同、带宽也相同，忽略路由器的处理时延 若n个分组，m段链路，总时延为：n个分组的发送时延 + 单个分组的发送时延 × (m-1) + 一段链路的传播时延 × m

第一个分组比第二个分组早一个发送时延发送，因此将比第二个分组早一个发送时延抵达路由，此时路由紧接着发送第一个分组消耗一个发送时延后，此时第二个分组恰好抵达路由，由于第一个分组已被发送便可接着发送第二个分组，因此前后两个分组之间并不存在路由处排队的现象 于是我们计算总时延时只需专注观察最后一个分组，即结果为最后一个分组从发送到抵达接收端的时间加上开始时前面多个分组所消耗的发送时延，前者便为（单个分组的发送时延 + 一段链路的传播时延）× m，后者即为 n-1个分组的发送时延

电路交换的时延：电路建立时间 + 发送时延 + 传播时延

分组长度：分组数据部分长度 + 分组首部长度 分组数量：报文长度 / 分组数据部分长度 发送时延：分组长度 / 带宽

报文交换中的转发路由，只有接收完全部报文数据后才可转发发送

• 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
• 物理层数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么

• 串行和并行传输

  • 远距离传输（如计算机网络）通常采用串行传输
  • 计算机内部通常采用并行传输

• 同步和异步传输

• 单向（单工）/双向交替（半双工）/双向同时（全双工）通信

• 常用编码

  • 不归零编码
    • 需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步（由于存在同步问题，计算机网络传输不采用该类编码）
  • 归零编码
    • 每个码元传输结束后信号都要“归零”，所以接收方只需要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号
    • 实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号
    • 但是，归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了（编码效率低）
  • 曼彻斯特编码
    • 码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据
  • 差分曼彻斯特编码
    • 跳变仅表示时钟
    • 码元开始处电平是否发生变化表示数据
    • 比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

• 常用调制

  • 基本调制方法

    • 使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息

  • 混合调制（举例——正交振幅调制QAM）

    • QAM - 16
      • 12 种相位
      • 每种相位有1或2种振幅可选
      • 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特
      • 码元与4个比特的对应关系采用格雷码（任意两个相邻码元只有一个比特不同）

• 失真

  • 失真因素
    • 码元传输速率
    • 信号传输速率
    • 噪声干扰
    • 传输媒体质量

• 奈奎斯特准则

  只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制地提高信息的传输速率？

  答案是否定的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比

• 香农公式

  • 在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比
  • 自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能接近香农公式给出的传输速率极限

• 链路（Link）就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换结点
• 数据链路（Data Link）是指把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路
• 数据链路层以帧为单位传输和处理数据
• 数据链路层的三个重要问题：
  • 封装成帧
  • 差错检测
    • 发送方发送前基于待发送的数据和检错算法计算出检错码，并将其封装在帧尾
  • 可靠传输
    • 接收端收到有误码的帧后不会接收而是将其丢弃
    • 尽管误码是不能完全避免的，但若能实现发送方发送什么，接收方就能收到什么，便称为可靠传输
• 使用广播信道的数据链路层
  • 目的地址
    • 通过在帧头中编址，便可指定发送的目的地址
  • 碰撞问题
    • 当多台主机同时向总线上发送数据便会产生碰撞
    • 以太网采用CSMA/CD协议解决碰撞问题
• 交换式局域网、无线局域网

• 封装成帧是指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧

  • 帧头和帧尾中包含有重要的控制信息

  • 帧头和帧尾的作用之一就是帧定界

    • PPP帧中帧头尾均有1字节的标志位用于界定帧

    • 以太网版本2的MAC帧在交付给物理层时会在帧前附加8字节前导码

      • 前7个字节为前同步码，作用使接收方的时钟同步
      • 最后1字节为帧开始界定符，表明后面紧跟着的便是MAC帧
      • 此外，以太网V2还规定了帧间间隔时间为96比特发送时间（因此不需要帧结束界定符）

• 透明传输

  • 指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制，就好像数据链路层不存在一样

  1. 当上层数据中包含帧标志符时，会造成接收方的误判

2. 可以在数据中与标识符相同的字段前加上转义字符，接收方遇到转义字符便知道其后跟着的数据而非真正的标识符，并且接收方需将该转义字符剔除掉

3. 但如果数据中还含有和转义字符相同的字段，这时便又会引起接收方的误判（将本为数据的转义字符剔除），此时将数据中的转义字符前再加上一个转义字符，这样一来接收方每次遇到转义字符时便知道其后紧跟的是数据并剔除该一个转义字符即可

• 面向字节的物理链路使用字节填充（或称字符填充）的方法实现透明传输

• 面向比特的物理链路使用比特填充的方法实现透明传输

  • 零比特填充法
    • 帧标志位为01111110（连续6个1）
    • 对于数据部分出现的同标志位的字段，在每连续5个1后添加1个0（无论其是否构成和帧标志相同，都一律按该规则添0），保证了数据部分不再与标志位相同，接收方接收时将每连续的5个1后的一个0进行剔除

• 传输效率

  • 为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分的长度尽可能大些
  • 考虑到差错控制等多种因素，每种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限，即最大传送单元MTU（Maximum Transfer Unit）

• 实际的通信链路都不是理想的，比特在传输的过程中可能会产生差错：1可能变为0，而0也可能变为1，这称为比特差错
• 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER（Bit Error Rate）
• 使用差错检测码来检测数据在传输过程中是否产生了比特差错，是数据链路层所要解决的重要问题之一

• FCS（Frame Check Sequence）：帧校验序列

• 奇偶校验

  • 在待发送的数据后面添加1位奇偶校验位，使整个数据（包括所添加的校验位在内）中**“1”的个数**为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）
  • 如果有奇数个位发生误码，则奇偶性发生变化