笔记基于谢希仁老师的计算机网络笔记（第七版）
第1-2章
1章 概述
2章 物理层
1、21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，是一个以网络为核心的信息时代
2、三类网络：电信网络，有线电视网络，计算机网络。
3、Internet：是人类自印刷术发明以来在存储和交换信息领域的最大变革；是由数量极大的各种计算机网络互连起来的。
译名：因特网，互联网（局部范围互连起来的计算机网络称为互连网，而不能称之为互联网）
4、互联网两个重要基本特点：连通性，共享（资源共享）
5、互联网+：互联网 + 各个传统行业
计算机网络（简称网络）：由若干结点和连接这些结点的链路组成
结点：可以是计算机，集线器，交换机，路由器等
简单网络：多台计算机通过集线器连接在一起
互连网：网络之间通过路由器互连，构成的覆盖范围更大的计算机网络；也可称为“网络的网络“
主机：与网络相连的计算机
总结：网络把许多计算机连接在一起，而互连网把许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机称为主机。
1、网络的演进是逐渐的，并非在某个日期发生了突变
2、阶段
第一阶段：由单个网络ARPANET（单个的分组交换网）向互连网发展的过程。1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，1983年成为互联网的元年。
区别internet（互连网）和Internet（互联网）：internet泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络，通信协议不一定采用TCP/IP协议；Internet特指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定连网，通信协议为TCP/IP协议，前身为ARPANET。
第二阶段：三级结构的互联网。
美国国家科学基金网NSFNET，分为主干网，地区网，校园网（企业网）
互联网扩大使用范围，网络通信量剧增
美国政府将互联网主干网交给私人公司经营
第三阶段：逐渐形成多层次ISP结构的互联网。
NSFNET逐渐被若干商用互联网主干网替代
互联网服务提供者ISP：多数情况下ISP就是一个进行商业活动的公司，常译为互联网服务提供商；如中国移动，中国联通都为ISP；ISP向互联网管理机构（”批发“IP地址）申请IP地址，再将IP分配给付费用户；
互联网不再由单个组织所拥有，而是全世界无数大大小小的ISP共同拥有，这也是互联网被称为”网络的网络“的原因
3、ISP
ISP层次：主干ISP，地区ISP，本地ISP
主干ISP（专门公司提供）服务面积最大（国家），拥有高速主干网
地区ISP之间通过主干ISP连接起来，数据率低一些
本地ISP（如大学，互联网公司）向用户提供服务，可以连接到本地ISP，也可以连接到主干ISP
4、互联网交换点IXP：主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组，以更快地转发分组，更加有效的利用网络资源。
典型的IXP有一个或多个网络交换机组成，许多ISP来年街道这些网络交换机的相关端口上
IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机
1、标准化组织：互联网协会ISOC，下辖的互联网体系结构委员会IAB，IAB下辖的互联网工程部IETF和互联网研究部IRTF。
2、制定互联网正式标准三个阶段：互联网草案，建议标准，互联网标准
两大部分：边缘部分，核心部分
1、边缘部分：有所有连接在互联网上的主机组成，用户直接使用
1）主机：又称端系统，可以是个人电脑，智能手机，大型计算机，ISP
2）端系统之间的通信方式：客户-服务器方式（C/S方式），对等当时（P2P方式）
客户-服务器方式：客户是服务请求方（客户端），服务器是服务提供方（服务器端）
对等方式：本质仍为客户-服务器方式，但是一方作为客户的同时也可以是服务器
2、核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务
1）路由器：在网络核心部分起特殊作用，是一种专用的计算机（不称作主机）。是是实现分组交换的关键构件，其任务是转发接收到的分组，
2）电路交换（用来打电话）
交换：是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
电路交换：经过建立连接（占用通信资源） -> 通话（一直占用通信资源） -> 释放连接（归还通信资源）三个步骤的交换方式成为电路交换。
电路交换特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源
用于传输计算机数据？：不适用于传送计算机数据，线路传输效率很低
3）分组交换
分组交换采用存储转发技术
报文：要发送的整块数据
分组：在发送报文之前，将较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段，在每个数据段钱买你加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组。分组又称为包，首部称为包头。
分组交换优点：高效，灵活，迅速，可靠
细节：
路由器（转发分组，进行分组交换）暂时存储的是一个个短分组，并存储在路由器的内存中，能够保证较高的交换速率
分组在传输时一段一段地占用通信资源，省去了建立连接和释放连接地开销，传输效率更高
分组在各路由器转发时需要排队，会造成时延
分组携带的控制信息造成了一定的开销
3、电路交换，报文交换，分组交换比较
电路交换：整个报文地比特流连续的从源点直达终点；
报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点；
分组交换：单个分组（报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
若要传送大量的数据，且传送时间远大于连接建立时间，电路交换效率较高；
分组交换比报文交换时延小，具有更好的灵活性。
我国规模最大的共用计算机网络
中国电信互联网CHINANET，中国移动互联网CMNET，中国联通互联网UNINET，中国教育和科研计算机网CERNET，中国科学技术网CSTNET。
1、定义：无精确定义
较好的的定义：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。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同而类型的数据，并能支广泛的和日益增长的应用。
2、按照网络的作用范围分类：
广域网WAN：作用范围几十到几千公里。也称远程网，是互联网的核心部分。连接广域网各结点交换机的一般都是高速链路
城域网MAN：作用范围一般为一个城市。用于实现局域网互连。很多城域网采用以太网技术，也可以并入局域网范围讨论
局域网LAN：作用范围1Km左右。如校园网，多个互连的局域网组成
个人区域网PAN：作用范围10m左右。也称为无线个人区域网WPAN。
注意：若中央处理机之间的距离非常近，一般称之为多处理机系统而不称为计算机网络
3、按照网络使用者分类：
公用网（公众网），专用网（不向本单位以外的人提供服务）
4、接入网AN
又称本地接入网或居民接入网。不属于互联网的核心部分和边缘部分，只是起到用户能够与互联网连接的”桥梁“作用。
1、性能指标
速率：数据的传送速率，也称为数据率或者比特率。单位bit/s。仅仅是一个共性的概念，带宽、吞吐量则是具有特定场景的速率。
带宽：通信中，带宽的单位为赫兹，表示某个信号具有的频带宽度（频域称谓），但在计算机网络中，网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的”最高数据率“（时域称谓），单位bit/s。是网络中某通道传送数据能力的度量。
吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络的实际的数据量。单位bit/s。
时延：指数据从网络（或链路）的一段传送到另一端所需要的时间，也可称延迟或迟延。
发送时延：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也称传输时延（不是传播时延）
传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
区别发送时延和传播时延：发送时延发生在机器内部，传播时延发生在下传输信道媒体上。
处理时延：主机或路由器接收到分组时处理分组花费的时间
排队时间：分组在路由器中等待处理花费的时间。取决于网络通信量
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
注意：高速网络链路提高的是数据的发送速率，只能降低数据的发送时延
时延带宽积：表示链路中可以容纳多少个比特，又称为以比特位单位的链路长度。单位bit
往返时间RTT：双向交互一次所需的时间。比如A向B发送信息，发送第一条数据后，B向A反馈，A只有收到来自B的反馈才会发送下一条数据。假定发送第一条数据花费8秒，A收到B的反馈花费RTT=2秒，那么A发送第一条数据的有效时间为10s。
在互联网中，RTT还包括各中间节点的处理时延、排队时延、转发数据时的发送时延；卫星通信时RTT相对较长
利用率：信道利用率，网络利用率
信道利用率：指出某信道有百分之几的时间是被利用的。
网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值
U为利用率，D为网络当前时延，D0为网络空闲时时延
注意：信道或网络利用率并非越高越好，越高，时延也就迅速增加
主干网的利用率超过百分之五十的时候就要准备扩容
2、非性能指标
费用：一般来说，速率越高，价格越高
质量：网络质量取决于网络中所有构件的质量
标准化：网络的硬件和软件设计
可靠性：可靠性影响网络的质量和性能
可拓展性和可升级性：性能越高，拓展费用越高
易于管理和维护
1、网络协议：为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，简称协议
网络协议明确规定了交换数据的数据格式和有关的同步（广义同步，含有时序意思）问题
2、网络协议要素：
语法：即数据与控制信息的结构或格式
语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
同步：即事件顺序的详细说明
3、计算机网络体系分层好处
各层之间独立，灵活性好，结构上可分割开，易于实现和维护，能促进标准化工作
4、计算机体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。
5、OSI体系结构 7层——理论成果，为得到广泛应用
由上往下：应用层，表示层，会话层，运输层，网络层，数据链路层，物理层
6、TCP/IP体系结构 4层——得到广泛应用
由上往下：应用层，运输层（TCP/UDP），网际层（IP），网络接口层
7、五层协议的体系结构 5层——学习用
由上往下：应用层，运输层，网络层，数据链路层，物理层
8、五层协议
应用层：任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，定义了应用进程间通信和交互的规则。
不同网络应用需要不同的应用层协议，如域名系统协议DNS，支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTO协议。
运输层：负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务。具有复用和分用功能。复用是多个应用层进程可同时使用下面运输层服务；分用是把运输层收到的信息分别交付给上面应用层的进程。
两个协议：传输控制协议TCP，用户数据报协议UDP
TCP：数据传输单位为报文段
UDP：数据传输单位为用户数据报
网络层：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层将运输层产生的报文段或用户数据封装为分组或，包，也可以称为IP数据报。还要负责选择合适的路由，使分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。
互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和多种路由选择协议
数据链路层：简称链路层。负责将网络层交下来的IP数据报（分组或包）组成帧，帧包括数据和必要的控制信息。
在两个相邻结点间的链路上传送对象是帧；
帧中控制信息可以检错和纠错。
物理层：物理层上传输的数据单位是比特。
物理层需要考虑用多大的电压表示“0”和“1”，确定连接电缆插头针脚数量等问题
9、简要描述主机1应用进程A1向主机2应用进程A2传送数据流程
应用进程A1将数据交给本主机应用层 -> 本主机应用层为数据首部添加控制信息H5并交给本主机运输层 -> 本主机运输层为数据首部添加控制信息H4并交给本主机网络层 -> 本主机网络层为数据首部添加控制信息H3并交给本主机数据链路层 -> 本主机数据链路层为数据添加控制信息H2和T2，H2在本层数据单元首部，T2在尾部 -> 本主机数据链路层将数据交给本主机物理层 -> 本主机物理层传输数据比特流（从数据单元首部开始传送）
->
数据比特流到达路由器 -> 从路由器1层（物理层）依次上升到3层（网络层），上升过程中各层解包控制信息 -> 网络层根据首部中的目的地址查找路由器转发表，找到转发分组的接口 -> 从路由器3层（网络层）一次下降到1（物理层），下降过程中各层添加控制信息 -> 路由器物理层发送数据比特流
->
数据比特流到达主机2 -> 从主机2的1层（物理层）依次上升到5层（应用层），上升过程中各层解包控制信息 -> 将应用进行A1的数据交给A2。
10、一些概念
实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
协议：是控制两个对等实体进行通信的规则的集合
协议与服务：上层只能看到下层的服务，而不能看到下层的协议。协议保证了能够向上一层提供服务。
服务访问点：在同一系统中相邻两层实体进行交互的地方。
服务原语：上层使用下层服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令成为服务原语
服务数据单元SDU：层与层之间交换的数据单位
协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据单位
1、TCP/IP协议的强大之处：TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务，允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行。
2、TCP/IP协议变种：应用程序可以直接使用网络层，网络接口层，而不必通过运输层。
1、物理层任务：考虑怎么才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，凭借屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。
2、物理层特性
机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
3、物理层协议多的原因：物理连接方式很多，如点对点，多点连接，广播连接等
传输媒体种类多，如架空明线，双绞线，无线信道等
1、一个数据系统可以划分为三大部分：源系统（发送端，发送方），传输系统（传输网络），目的系统（接收端，接受方）
源系统：包括源点和发送器
源点：信源，产生要传输的数据
发送器：编码源点生成的数字比特流，发送到传输系统。典型的发送器为调制器
目的系统：包括接收器和终点
接收器：接收传输系统信号，转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器为解调器
终点：信宿，接收从接收器获取的数字比特流
2、常用术语：
消息：如话音、文字、图像等都是消息
数据：是运送消息的实体
信号：数据的电气或电磁的表现
3、信号：模拟信号，数字信号
模拟信号：连续信号，代表消息的取值是连续的
数字信号：离散信号，代表消息的取值是离散的
1、三种基本通信方式
单向通信：也称单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
双向交替通讯：也称半双工通讯，即通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送
双向同时通讯：也称全双工通讯，即通信的双方可以同时发送和接收信息
2、基本概念
基带信号：来自信源的信号。如计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号
基带调制：仅仅对基带信号进的波形进行变换，变换后的信号仍然是基带信号。也成为编码
带通信号：经过载波调制后的信号
带通调制：使用载波，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转化为模拟信号
3、常用编码方式
不归零制，归零制，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码
4、基本的带通调制方法
调幅，调频，调相
复杂的调制方法：正交振幅调制
1、奈氏准则：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决成为不可能
2、信噪比：就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，单位分贝dB。
3、香农公式：信道的极限信息传输速率C为
W为信道带宽，单位为Hz，S为信道内所传信号平均功率，N为信道内部高斯噪声功率
香浓公式表明信道的带宽或者信噪比越大，信道的极限传输速率就越高
传输媒体分为两大类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体
导引型传输媒体：电磁波沿着固体媒体传播
非导引型传输媒体：电磁波的传输常为无线传输
双绞线，同轴电缆，光缆，架空明线
短波通信：靠电离层反射，低速传输
无线电微波通信：微波平频率范围为300MHz300GHz，但主要使用240GHz。包含地面微波接力通信和卫星通信
特点：通信信道容量大，传输质量高，投资少；隐蔽性和保密性较差，中继站维护和使用成本较高；
卫星通信：
特点：通信距离远，较大的传播时延
1、频分复用FDM：频分复用的用户在同样的时间段占用不同的带宽资源
2、时分复用TDM：时分复用的用户在不同的时间占用同样的频带宽度。又称同步时分复用
3、统计时分复用STDM：STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。又称异步时分复用，相较于时分复用，能够明显地提高信道的利用率。
4、复用器和分用器
复用器合并多个传输信息使用一个共享信道，分用器把合起来的传输信息分别送到相应的终点
5.集中器
统计时分复用通过集中器（智能复用器）将数据集中起来
1、波分复用WDM：就是光的频分复用
2、密集波分复用DWDM：在一根光纤上复用的光载波信号路数更多
3、掺铒光纤放大器EDFA：一种光放大器，，可放大光信号
4、光复用器和光分用器：又称合波器合分波器
1、码分复用CDM或者码分多址CDMA：每一个用户可以使用同样的频带进行通信。
说明：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此个用户之间不会造成干扰
CDMA中，每一个比特时间被划分为m个短的间隔，称为码片，假设为8
使用CDMA的每一个站分配唯一一个8bit的码片序列，一个站如果要发送1，则发送码片序列，否则发送码片序列的反码。
假定S站发送数据率为b bit/s，由于使用8bit的码片序列，实际数据率为8b bit/s，带宽也提高到原来的8倍
不同站的码片序列不但不同，而且互相正交，即站S的码片向量S和站T的码片向量T做乘积，结果为0
如S(-1-1-1+1+1-1+1+1),T(-1-1+1-1+1+1+1-1)
当X站要接受来自S站信号时，T站也对X站发送信号，此时X站接受的是两个站信号的叠加，即把S站和T站的码片序列加起来。此时要分辨出S的码片，只需要使用S站的码片乘以叠加后的码片除以8，若结果为1，则可以知道S站发送的为1，若结果为-1，则为0。而不用考虑T发送了什么，因为被过滤掉了。
1、早期数字传输缺点：速率标准不统一，不是同步传输
2、数字传输体制的世界性标准：SDH/SONET
1、ADSL：非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务
非对称来源于下行带宽远大于上行带宽
2、光纤同轴混合网HFC：是在目前覆盖面很广的有线电视网基础上开发的一种居民宽带接入网
3、FTTx技术：光纤到？;FTTH：光纤到户home;FTTC:光纤到路边curb
