王道考研2021——计算机网络学习笔记
该博客为大一蒟蒻在寒假期间自学计算机网络的笔记，缓更，也许在3月前更完（学习顺序有变，估计下学期才更得完了…想要配合Node.js）
（仅供学习参考，请勿转载）
计网体系结构
概述
概念
- 计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，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（通过通信链路互联互通）的、自治（无主从关系）的计算机集合。
功能
数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡…
资源共享：同一个计算机网络上的其他计算机可使用某台计算机的计算机资源的行为，可共享硬件、软件、数据
发展
网络把许多计算机连接在一起，而互联网把许多网络连接在一起，因特网是世界上最大的互联网。
- 一阶段：ARPAnet（阿帕网），后产生internet（互联网）->Internet（因特网，最大互联网）
- 二阶段：NSFNET（美国国家科学基金网），形成三级结构（校园网/企业网->地区网->主干网）
- 三阶段：划分出多个ISP，形成多层次ISP结构
本小节思维导图：
组成
C/S和B/S
C/S指Client/Server，客户端和服务端；
B/S指Browser/Server，浏览器和服务端。
C和B仅仅是客户主体不同。
C/S和P2P
C/S中，由于服务器数量有限，用户越多速度越慢；
P2P下，由于每个客户端都可以作服务器，所以用户越多速度越快。
资源子网，负责封装打包；通信子网，负责运输；传输层承上启下。
分类
记忆“广播技术”的方法：局域网由于范围小，广播一下每个人就可以听到，所以局域网使用广播技术。
电路交换：通话的全部时间内，通话的双方完全占据通信资源（占线），不能被他人所使用
报文交换/分组交换：每一次只是占用一段链路
广播式网络通常使用总线型的拓扑结构
网状型、点对点网络对应广域网
标准化工作
标准的分类：
不是所有RFC都是因特网标准：
（现在取消了第三个阶段）
相关组织：
其中最重要的是ISO
性能指标
速率：
注意速率是以Bit计的，而存储容量是以Byte计的
带宽：最高数据率，理想情况，一般达不到
吞吐量：（计算机和交换机往外发送速率最快都是100Mb/s，则可以说这条链路带宽是100Mb/s）带宽是理想情况，速率是现实情况，带宽和速率决定了吞吐量
类比一下，假如一个大胃王最多可以吃下100桶泡面（带宽），今麦郎提供了20桶（速率1），康师傅提供了10桶（速率2），则一共也只能吃30桶（吞吐量）
时延：分为发送时延、传播时延、排队时延、处理时延，总时延需要把它们相加
信号以电磁波为载体传输，由于损耗，传播速率一般为2.0x10^8 m/s
排队时延和处理时延，可以类比机场排队过安检的情境
时延带宽积：
往返时延：接收端对数据先进行处理，然后再发出确认，有时忽略末端处理时间
利用率：
分层结构
概念
82年拉菲的运输过程：先用羊毛包裹起来，再装进木箱…运输…拿掉木箱，拿掉羊毛
正式认识分层结构：
协议在对等实体之间，服务在上下层之间，下层为上层提供服务
PDU：Protocol Data Unit 协议数据单元，在传输系统的每一层都将建立协议数据单元
SDU：Service Data Unit
PCI：Protocol Control Infomation
上一层的PDU作为下一层的SDU，随着一层一层往下推进，添加的信息越来越多
语法：比如01序列怎么分段
语义：规定分出来的每一段是什么意思，实现什么功能
OSI参考模型
口诀：物联网淑慧试用
端系统（主机）需要经过七层，中间系统可能只经历三层或两层（最多三层）
端到端：只管起点和终点（端系统）；点到点：只管下一步走到哪里（中间系统或端系统）
通信过程类似于打包和拆包的过程
表示层、会话层和物理层的协议不考，了解即可
传输层功能口诀：可差留用
- 可靠传输：一个基于确认机制的过程，对于稍大的文件，采用可靠控制，如果只是将一句话传过去，则使用不可靠传输
- 差错控制：传输的报文段失序或丢失，传输层会纠正这些错误
- 流量控制：控制发送方的速度，使发送速度匹配接受速度（协调发送端和接收端的速度问题）其他层的流量控制都同理
- 复用分用：每个进程都会分配一个端口号来标识它，复用分用主要依赖端口号
网络层最重要
分组和数据报的关系：类似于父与子。当数据报过长的时候，就对它进行切割，分成一个个小的分组，再把分组放到链路上传递，这样传输时更加灵活，损失更小
差错控制：制定一些规则，接收方会根据规则检查分组有无错误，如果能纠错就纠错，否则将分组扔掉，从而保证传输层的数据没有错误
差错控制：数据链路层简单丢弃差错的帧，如果要纠错，用可靠传输协议纠正它
在广播式网络中，同时只能有一个主机发送信息，其他主机都处于监听状态，数据链路层可以控制对共享信道的访问，其中，是它的介质访问子层处理这个问题
接口特性：比如确定电缆的插头有多少引脚，每个引脚之间要如何连接
传输模式：
- 单工：只可以单方向发送信息；
- 半双工：介于两者之间。两者都可以作为发送方和接收方，但同一时间只能有一个人发送信息（对讲机）
- 双工：双向同时发送信息（打电话）
比特编码：用什么样的电压表示1，什么样的电压表示0
TCP/IP参考模型
口诀：接济船用
面向连接：建立连接（发送请求），数据传输，释放连接
记忆网络层和传输层连接方式：①矩阵对角线二者都有 ②因为TCP/IP设计之初就很重视IP协议，所以它的网络层使用无连接 ③剩下的就是面向连接
五层参考模型
章末思维导图
点击图片可放大查看
物理层
定理的作用：求信道的极限传输速率
通信基础
接口特性
主要区分电气特性和功能特性：电气特性的描述中一般带有电压的数据，而功能特性的描述中不带数据
数据通信模型
数字信号：计算机网卡所发出的数据在电信号上的表现
在广域网中有很多模拟信道，它们能传模拟信号，但不能传数字信号，调制解调器可将数字信号转化为模拟信号
同理，还存在数据信道，只能使数据信号通过
数据通信相关术语
无线信道：看不见，摸不着，非导向型。比如微波通信，卫星通信…
有线信道：网线、光纤、同轴电缆…
三种通信方式
串行传输和并行传输
吃面包的例子：把一个面包切成很多片（假如1个字节看作面包，那么8位就是8片面包）
- 串行是找一个人吃面包
- 并行是找八个人一起吃面包
同步传输和异步传输
起始位和终止位一般默认为0和1，接收端在接受起始位的过程，给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间
还是吃面包的例子：n可以是1，也可以大于1，对应串行传输或并行传输
- 同步传输是，一个人一直在做面包，其余n个人一直吃面包
- 异步传输是，一个人做一会面包就停一下，其余n个人也是吃一会面包就停一下
在键盘上打字，计算机并不知道我们什么时候按键，它对这个操作的处理过程就是异步传输
码元与数据传输速率表示法
二进制码元个数可以看作比特数，因为一个二进制码元携带1b信息
4进制码元可以携带2b信息，16进制码元可以携带4b信息…
This is easy！
带宽之重现
编码与调制
（中间的机器有印象即可）
基带信号与宽带信号
计算机直接发出来的信号是0101，即为数字信号，而人类说话发出的声波，会模拟成一个上下起伏的波形，即为模拟信号
基带信号和宽带信号，是信道上传送的信号的两种形式，基带传输对应数字信道，宽带传输对应模拟信道
数字数据编码为数字信号
不推荐的编码方式：
- 非归零编码：如果全为1或0（或者连续发送0或1），接收端就不知道一共发送了多少个1或0，需要额外的信道传输时钟信号来计算每一个时钟周期是多少
- 归零编码：整个传输过程中处于低电平的时间很长，信道的使用率低
- 反向不归零编码：如果全为1（连续发送1），缺点同非归零编码
优秀的编码方式：
- 曼彻斯特编码：分别用前低后高，前高后低来表示0和1（也可以反过来），特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，该跳变既作时钟信号又作数据信号（自同步）。
码元传输速率既可以是一秒钟传输的码元个数，也可以是一秒钟传输的脉冲个数，或者信号变化的次数，曼彻斯特编码一秒信号变化两次，但比特只传了一位，即一个时钟周期内传了2个码元，但只有1个比特。
每一个码元都被调成两个电平，数据传输速率只有调制速率的1/2
- 差分曼彻斯特编码：（同1异0）
常用于局域网传输，规则是：若码元为1，则 前半个码元的电平 与 上一个码元后半个码元的电平 相同，若为0，则相反。
特点是，每个码元的中间出现电平跳变，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
这种编码方式只需了解，记住“80%”即可
数字数据调制为模拟信号（调幅/频/相）
分为调幅，调频和调相（相位）
模拟数据编码为数字信号（PCM脉码调制，数字音频）
抽样、量化和编码
模拟数据调制为模拟信号（提高人声频率）
得到人声（模拟信号）后，先提高其的频率，以降低传输过程种的损耗，最后再还原得到模拟信号
奈氏准则和香农定律
码间串扰
200HZ传不过去是因为频率太低会衰减，4000HZ是因为振动频率太快，接收端在接收的时候区分不出来它波形之间的差异
信号和码元一一对应，信号频率高，信号变化的速度快，码元变化的速度也快，所以码元传输的速率对应信号的频率
码间串扰：码元传输速度过快，导致码元之间界限不清淅，接收端分不清0和1
奈氏准则
低通：低于最高频率的可以通过，即带宽受限
奈氏准则只是限制码元传输速率有上限，香农定理限制比特率有上限
注意公式中的2
香农定理
信噪比用的是S/N的比值，如果给的是分贝要换算过去
二者比较
如果题目既给了信噪比，又给了V（一个码元对应多少比特），就要分别计算两个公式，取较小值
数据交换方式
电路交换
电路交换适合 远距离 实时性要求高 大量数据传输
建立时间长的原因：主机A发送呼叫请求，一直转发这个请求到B，B还要发回对请求的应答
难以平滑通信量：当大量数据涌入的时候，交换设备不能存储它们，无法应付数据量的激增，可能导致数据丢失等问题
报文交换
分组交换
把报文切成分组
注意适用于 计算机突发式数据通信
三者比较
分组交换——数据报方式
“丢弃部分分组”不要紧，因为某些机制，这些丢弃的分组还会重新发送，所以只是“早到”和“晚到”的问题
分组交换——虚电路方式
虚电路方式中，每个分组不需要含目的地址，因为路线已经确定好了
思维导图
物理层传输介质
概述与分类
信道只是逻辑通路
导向性传输介质
内导体：铜线，可以单股也可以多股绞合
以上两者传递电脉冲，光纤传递光脉冲
光纤的特点：
- 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
- 抗雷电和电磁干扰性能好
- 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
- 体积小，重量轻
注意单模光纤和多模光纤的区别
非导向性传输介质
微波与红外线/激光区别：前者不需要转信号格式
注意卫星通信的优缺点
物理层设备
中继器
中继器再生数字信号，模拟信号用放大器
5-4-3：
- 5个网段（如图最下所示）
- 4个物理层设备（包括中继器和集线器）
- 只有3个网段可连计算机
集线器
集线器是多端口中继器
章末思维导图
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