計算機網絡 學習筆記

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第一章 概述

計算機網絡的七個性能指標

• 速率：主機傳送數據位數的速率 1Gb/s = 1000 Mb/s = 1000000kb/s = 1000000000b/s
• 帶寬：數字通道所能傳送的最高數據率
• 吞吐量：單位時間通過某個網絡的數據量
• 時延：發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延
• 時延帶寬積：傳播時延×帶寬
• 往返時間：從發送方發送數據開始，到發送方收到接收方確認
• 利用率：信道利用率 （有數據通過時間/（有+無）數據通過時間),網絡利用率（信道利用率加權平均）

OSI參考模型

• 應用層：所有能產生流量的程序（比如QQ，記事本不行）
• 表示層：在傳輸之前是否對數據進行加密或者壓縮處理 二進制 ASCLL
• 會話層：查木馬 （當一個主機訪問另一個主機，需要建立會話，我們就可以查看這些會話的是什麼程序，已經從哪裏來）
• 傳輸層：可靠傳輸 流量控制 不可靠傳輸 （當你的電腦訪問一個網站，網站給你發來一段數據，若你的電腦沒接受到，網站就會重新發一次，傳輸層做的就是這樣的事）
• 網絡層：負責選擇最佳路徑，規劃IP地址，選擇路由器
• 數據鏈路層：將網絡層交下來的IP組裝成幀，包括幀的開始和結束， 識別數據的開頭和結尾
• 物理層：接口標準，電器標準，如何在數據鏈路層更快的傳輸

第二章 物理層

物理層解決的是如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。

主要任務：確定傳輸媒體的接口的一些特性，例如機械特性（接口大小，形狀），電氣特性（電壓範圍-5V到+5V），功能特性，過程特性。

第三章 數據鏈路層

數據鏈路層使用的信道主要有兩種類型：

• 點對點信道：使用一對一的通信方式
• 廣播信道：使用一對多的廣播通信方式，過程比較複雜

鏈路是一條點到點的物理線段（網線），中間沒有任何其他的交換結點。

數據鏈路除了物理線路外，還有通信協議來控制數據的傳輸，若把實現這些協議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成數據鏈路。

數據鏈路層解決三個問題：封裝成幀，透明傳輸，差錯控制

封裝成幀

如下圖，數據鏈路層傳送的是幀，即網絡層傳下來的IP數據報，數據鏈路層給它加上一個幀頭和幀尾，還有一個校驗值，然後在B結點，數據鏈路層識別幀頭和幀尾，將IP數據層往上傳給網絡層。

透明傳輸

如果按照上面的方法，那可能會發現 在數據部分，如果出現了幀尾，後面的數據就會被捨棄。

對於這個問題，是這樣解決的，在數據裏面每個幀頭，幀尾，在其前面都填充上一個轉義字符“ESC"（其十六進制是1B），這樣當網卡讀到ESC的時候，就會認爲是數據部分，從而避免上面的問題。

差錯檢測

傳輸過程可能會產生比特差錯，1變成0，0變成1，一段時間內，傳輸錯誤的比特佔傳輸比特總數的比率成爲誤碼率（BER）。而數據鏈路層就能檢測出這些錯誤，然後將他丟掉，然後由傳輸層的可靠傳輸再發送一次數據。

兩種情況下的數據鏈路層

• 使用點對點信道的數據鏈路層（廣域網）
  比如家裏的電腦，用ADSL撥號上網，通過網線連接到電信的設備上，這就叫點對點，他們遵守PPP協議，這個協議是數據鏈路層的協議，用戶使用撥號電話接入因特網的時候，一般都是使用PPP協議。
  說下PPP協議的幀格式，它的幀格式是這樣的，和上面的差不多。
  那如果信息部分出現了7E怎麼辦，我們可以用字節填充的方法，若出現0x7E，將0x7E轉爲兩字節序列（0x7D，0x5E），若出現0x7D，可以轉爲（0x7D，0x5D）；
  還有另外一個辦法，是零比特填充方法，因爲7E轉成二進制是01111110，所以零比特填充方法就是在發送端，只要發現有5個連續1，就立即填入1個0，接收端對幀中的比特流進行掃描，當發現5個連續1後，就會5個連續1後的一個0刪除，然後剩下的就是發送端發的信息部分了。
  
• 使用廣播信道的數據鏈路層（局域網）
  在局域網下，我們需要使用廣播信道的數據鏈路層， 一般使用的是隨機接入（被以太網所使用）,有總線性接入的網和集線器接入的網。
  那麼它使用的協議是什麼，是CSMA/CD協議，也就是多點接入，載波監聽。
  • 多點接入：表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。
  • 載波監聽：指每一個站在發送之前都要先檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據。如果有則暫時不要發送數據，以免發生碰撞。
  • 碰撞檢測：下面圖片介紹怎麼檢測到碰撞，還有檢查到之後怎麼進行處理
    

接下來介紹一下集線器，它在邏輯上仍是一個總線網。各工作站使用的還是CSMD/CD協議。

以太局域網

以太網是說符合DIX Ethernet V2標準的局域網。

MAC層

爲了使數據鏈路層 更好的適應多種局域網標準，局域網的數據鏈路層被分爲兩個子層。LLC（邏輯鏈路控制）子層和MAC（媒體接入控制）子層。但LLC基本被忽略，所有隻有MAC層。

適配器從網絡上每收到一個MAC幀就首先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址。

如果是發往本站的幀則收下，然後再進行其他的處理，否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。

發往本站的幀包括以下三種幀

• 單播幀（一對一）：目標地址就是它的地址
• 廣播幀（一對全體）：目標地址是全F（16進制），或者是全1（2進制）
• 多播幀（一對多）：目標地址是多播幀

MAC地址

在局域網中，硬件地址稱爲物理地址，或MAC地址。

MAC地址有48位二進制（6個字節）組成的，全球唯一，前三個字節由IEEE註冊管理機構向廠家分配。後三個字節由廠家自行指派。

MAC地址實際就是適配器（網卡）地址。顯示的是16進制的數字，比如00-01-6C-06-A6-29。

MAC幀格式

最常用的MAC幀是以太網V2的格式，如下圖。

目的地址佔6個字節，源地址6個字節，協議佔2個字節，說明了網絡層遵守什麼協議，FCS是校驗值。

MAC的幀最短是64字節，現在已經有了18個字節，所以數據的字節最少是46到1500.當數據字段長度小於46字節時，應在數據後面加入整數字節的填充字段，保證以太網的MAC幀長不小於64字節。

在MAC幀之前還有8個字節，前7個字節是前同步碼，後1個字節是幀開始定界符。

擴展局域網

對於幾個局域網，我們可以通過網線將他們的集線器連接起來，這樣可以形成一個大的局域網。

• 優點：擴大了局域網覆蓋的地理範圍。
• 缺點：碰撞域增大了，但總的吞吐量並未提高。

我們用網橋來解決這個問題，網橋具有過濾幀的功能，當它收到一個幀時，並不是向所有接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的MAC地址，然後再確定將該幀轉發到哪一個接口。

網橋有多少個接口，我們就可以接多少個局域網，當網橋的口越來越多，我們就直接接計算機，候來網橋演變成了交換機。交換機的前身就是網橋，保存了網橋的優點，通訊之間不碰撞，並且交換機的口能夠存儲數據幀，端口帶寬獨享。