计算机网络学习笔记（一）---物理层，数据链路层以及网络层

计算机网络学习笔记

基本概念
2. 物理层
3. 数据链路层
4.网络层

计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）

基本概念

ISP： Internet Service Provider 因特网服务提供者，
如国内三大网络运营商：电信，移动，联通

可靠传输的实现机制：停止等待协议，回退N帧协议，选择重传协议
退避算法：如果检测到信道占用，则根据退避算法退避一段时间
TCP基于以字节为单位的滑动窗口来实现可靠传输

三种交换方式

三种交换方式：
电路交换：
分组交换：路由器

发送方：构造分组，发送分组
路由器：缓存分组，转发分组
接收方：接收分组，还原报文

报文交换

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计算机网络的定义和分类

定义：

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。

分类：

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

1.5 计算机网络的性能指标

常用的计算机网络的性能指标有以下8个：

速率
带宽
吞吐量
时延：发送，传播，处理，
时延带宽积
往返时间
利用率
丢包率

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1.6 常见的计算机网络体系结构

1常见的计算机网络体系结构
OSI体系结构：-- 法律上的国际标准

应用层
表示层
会话层
运输层
网络层
数据链路层
物理层

TCP/IP体系结构–事实上的国际标准
应用层
运输层
网际层
网络接口层

路由器一般只有：网际层和网络接口层

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2计算机网络体系结构分层的必要性

物理层

采用怎样的传输媒体
采用怎样的物理接口
使用怎样的信号表示比特0和1

数据链路层

如何标识网络中的各主机（主机编址问题，例如MAC地址）
如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
如何协调各主机征用总线

网络层

如何标识各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址的问题，例如IP地址）
路由器如何转发分组，如何进行路由选择

运输层

如何解决进程之间基于网络的通信问题
出现传输错误时，如何处理

应用层

通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

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3计算机网络体系结构分层思想举例
从浏览器进程：

主机
应用层： http请求报文
运输层： http + tcp tcp报文段区分应用进程和可靠传输
网络层： http+tcp + ip ip数据报使ip数据报可以在网络上传输
数据链路层：为ip数据报添加帧首部尾部，使之能够在网络上传输，让目标主机检查是否有误码
物理层：将帧看作是比特流，为其添加前导码

路由器：
实际上交互的ip数据报，

网络层解析ip数据报的首部，从中提取上目的网络的地址，然后查找自身的路由表，确定转发转发端口
数据链路层：为ip数据报添加帧首部尾部，使之能够在网络上传输，让目标主机检查是否有误码
物理层：将帧看作是比特流，为其添加前导码

web服务器：

物理层：去掉前导码
数据链路层：将帧首部和尾部去掉
网络层：将ip数据报的首部去掉后，将其交付给运输层
运输层：将TCP报文段的首部去掉后，将其交付给应用层，实际交付的时Http请求报文
应用层：对http请求报文进行解析，给主机发回HTTP相应报文，与之前的报文类似

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4计算机网络体系结构中的专用术语

实体，协议，服务
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协议三要素：语法，语义，同步

2. 物理层

2.1 物理层的基本概念

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2.2 物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体：
电力线
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同轴电缆
双绞线
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光纤
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非导引型传输媒体：
无线电波
红外线
微波
可见光
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2.3 传输方式

串行传输：一个比特一个比特进行传输
并行传输：

同步传输：需要双方时钟同步
异步传输：不连续，需要加上起始位和结束位

单工：单向通信
半双工：双向交替通信
全双工：双向同时通信

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2.4 编码和调制

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常用编码：

基本调制方法：

混合调制：

2.5 信道的极限容量

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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地接近香农公式给出的传输速率极限。
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3. 数据链路层

3.1 数据链路层概述

数据链路层在网络体系中所处的地位
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进行传输的
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数据链路层的三个重要问题

分装成帧
给网络层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾的操作，称为封装成帧
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差错检测
根据检错码如帧尾的FCS 和检测算法

可靠传输
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使用广播信道的数据链路层：
根据MAC地址，目的地址和源地址寻址目标主机
也有可能在总线上会产生碰撞
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交换式局域网：

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无线局域网：

3.2 封装成帧

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透明传输是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。

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。
发送方会给中间的相同的帧定界符添加转义字符
面向比特的物理链路使用比特填充的方法实现透明传输。
零比特传输法（每5个连续1后面插入一个比特0）；

3.3 差错检测

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奇偶校验

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循环冗余校验CDC
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3.4 可靠传输

3.4.1 可靠传输的基本概念

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3.4.1 可靠传输的实现机制-停止等待协议SW

这三种可靠传输实现机制的基本原理并不仅限于数据链路层，可以应用到计算机网络体系结构的各层协议中。在这里插入图片描述

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3.4.2 可靠传输的实现机制-回退N帧协议GBN

GoBackN

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3.4.1 可靠传输的实现机制-选择重传协议SR

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3.5 点对点协议PPP

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3.6 媒体接入控制MAC

3.6.1 媒体接入控制的基本概念

共享信道要着重考虑的一个问题就是如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用，即媒体接入控制MAC（Medium Access Control)。

随着技术的发展，交换技术的成熟和成本的降低，具有更高性能的使用点对点链路和链路层交换机的交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网，但由于无线信道的广播天性，无线局域网仍然使用的是共享媒体技术。

3.6.2媒体接入控制——静态划分信道

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3.6.3 媒体接入控制——CSMA/CD协议-总线局域网

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3.6.4 媒体接入控制——CSMA/CA协议-无线局域网

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源站为什么在检测到信道空闲后还要再等待一段时间DIFS？
就是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。若有，就要让高优先级帧先发送。

目的站为什么正确接收数据帧后还要等待一段时间SIFS才能发送ACK帧？
SIFS是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。在议段时间内，一个站点应当能够丛发送方式切换到接收方式

信道由忙转为空闲且经过DIFS时间后，还要退避一段随机时间才能使用信道？
防止多个站点同时发送数据而产生碰撞。
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习题

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3.7 Mac地址，IP地址以及ARP协议

MAC地址是以太网的MAC子层所使用的地址；
IP地址是TCP/IP体系结构网际层所使用的地址；
ARP协议属于TCP/IP体系结构的网际层，其作用是已知设备所分配到的IP地址，使用ARP协议可以通过该IP地址获取到设备的MAC地址；
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3.7.1 MAC地址

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MAC地址有时也被称为物理地址。请注意：这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层！

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3.7.2 IP地址

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3.7.3 ARP协议-地址解析协议

ARP协议：通过已知的IP地址，获取MAC地址

ARP请求报文，广播出去，获取目标IP的MAC地址，然后记录下ARP高速缓存表中

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响应

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3.7.4 小结

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3.8集线器与交换机的区别

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3.9以太网交换机自学习和转发帧的流程

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3.10以太网交换机的生成树协议STP

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3.11 VLAN

3.11.1 概述

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3.11.2 VLAN的实现机制

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4.网络层

4.1 概述

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4.2 网络层提供的两种服务

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4.3.1 IPv4地址概述

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4.3.2分类编址的IPv4地址

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4.3.3 划分子网的Ipv4地址

为什么会出现划分子网的需求？
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如果未在图中标记子网号部分，那么我们和计算机又如何知道分类地址中主机号有多少比特被用作子网号了呢？
使用32比特的子网掩码

4.3.4 无分类编址的IPv4地址

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4.3.5 IPv4地址的应用规划

给定一个IPv4地址块如何将其划分成几个更小的地址块，并将这些地址块分配给互联网中的不同网络，进而可以给各网络中的主机和路由器接口分配IPv4地址

定长的子网掩码FLSM
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变长的子网掩码VLSM

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4.4 IP数据报的转发过程

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用户为了让本网络中的主机能和其他网络中的主机进行通信，就必须给其指定本网络中的一个路由器，由该路由器帮忙进行转发，所指定的路由器也被称为默认网关

目的网络是目的网段的网络地址
目的网络，是主机地址和子网掩码的与（且）运算

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4.5静态路由配置及其可能产生的路由环路问题

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小结
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4.6 路由选择协议

4.6.1路由选择协议概述

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外部网关协议：EGP
内部网关协议IGP

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4.6.2路由信息协议RIP的基本工作原理

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4.6.3开放最短路径优先OSPF的基本工作原理

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4.6.4边界网关协议BGP的基本工作原理

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4.7 IPv4数据报的首部格式

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生存时间TTL字段的作用——防止IP数据报在网络中永久兜圈

4.8 网际控制报文ICMP

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4.9虚拟专用网VPN与网络地址转换NAT

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