計算機網絡原理：
課程學習計划：
獎勵：成功了就給自己買個WATCH
2021/11/12開始 - 2021/12/29
持之以恆，每天用一個小時學習視頻二十分鍾。
13小時41分鍾=821分鍾/20分鍾/天=41天
一個禮拜復習題。
課程介紹
介紹
1.課程介紹了計算機網絡的基本概念，基本原理，典型協議與典型網絡等內容。
2.本課程的先修課程包括計算機組成原理，操作系統概論，高級語言程序設計等；本課程是后續專業課程，如網絡工程等的基礎。
課程知識脈絡圖
第一章 計算機網絡概述
第一節：計算機網絡基本概念1
概念
計算機網絡是利用通信設備與通信鏈路或者通信網絡，互連位置不同，功能自治的計算機系統，並遵循一定的規則實現計算機系統之間信息交換。
概括性的定義：計算機網絡是互連的，自治的計算機的集合
ISP：
一般指互聯網服務提供商（Internet Service Provider）。中國ISP網絡服務商有中國電信，中國移動，中國聯通。
協議的定義：
協議是網絡通信實體之間在數據交換過程中需要遵循的規則或約定，包括三個基本要素：
1 語法；交換信息的格式與結構
2 語義；數據，數據所代表的含義
3 時序。工作的順序，如何回應
計算機網絡的功能
1.硬件資源共享
2.軟件資源共享
3.信息資源共享
計算機網絡的分類
1.按覆蓋范圍：個域網(藍牙互聯)，局域網，城域網，廣域網
2.按拓撲結構：星形，總線型，環形，網狀，樹形，混合拓撲結構等
3.按交換方式：電路交換網絡，報文交換網絡(電報)和**分組交換網絡(當前用的最多的)**
4.按網絡用戶屬性：公用網，私有網
第二節：計算機網絡結構
一、網絡邊緣
二、接入網絡
1.電話撥號
2.非對稱用戶數字線ADSL
3.混合光纖同軸電纜HFC
4.局域網
5.移動接入網絡
三、網絡核心
網絡核心是由通信鏈路互連的分組交換設備構成的網絡作用是實現網絡邊緣中主機之間的數據中繼和轉發。
第三節：數據交換技術 1
包括以下幾種技術：
電路交換，報文交換，分組交換
數據交換：
交換結點和傳輸介質的集合稱為通信子網，既網絡核心
電路交換
在電路交換網絡中，首先需要通過中間交換結點為二台主機之間建立一條專用的通信線路，稱為電路，然后再利用該電路進行通信，通信結束后再拆除。
電路交換的優點是實時性高，時延和時延抖動都較小；缺點是對於突發性數據傳輸，信道利用率低，且傳輸速率單一。
第四節：計算機網絡性能 1
一、速率與帶寬
1.速率是指網絡單位時間內傳送的數據量，也稱為數據傳輸速率或數據速率。速率的基本單位是bit/s(位每秒)或者叫做bps。
2.在計算機網絡中，有時也會用"**帶寬**"這一術語描述速率
3.帶寬原本是指信號具有的**頻帶寬度**，即信號成分的最高頻率與最低頻率之差，單位為Hz(赫茲)
二、時延
大白話講：就是發送到接收需要的時間
1.時延是指數據從網絡中的一個**結點**(主機或交換設備等)到達另一個**結點**所需要的時間。
2.分組的每跳傳輸過程主要產生4類時間延遲：結點處理時延，排隊時延，傳輸時延和傳播時延。
三、時延帶寬積
一段物理鏈路的傳播時延與鏈路帶寬的乘積。
表示一段鏈路可以容納的數據位數，也稱為以位為單位的鏈路長度。
四、丟包率
丟包率常被用於評價和衡量網絡性能的指標，在很大程度上可以反映網絡的擁塞程度。
丟包率=丟失分組總數/發送分組總數
五、吞吐量
單位時間內內源主機通過網絡向目的主機實際送達的數據量。
經常用於度量網絡的實際數據傳送(通過)能力，即網絡實際可以達到的源主機到目的主機的數據傳送速率。
第五節：計算機網絡體系結構 1
1.分層思想：
計算機網絡完成的所有功能可以划分為若干層，每層完成一部分子功能，每層在完成相應功能時在與另一通信實體的相同層按照某種協議進行信息交換。
2.體系結構定義
計算機網絡所划分的層次以及各層次協議的集合稱為計算機網絡體系結構
OSI參考模型
TCP/IP參考模型
應用層，傳輸層，網際層，網絡接口層
第六節：計算機網絡與因特網發展簡史
第二章 網絡應用（應用層）
1.計算機網絡應用體系結構
三種類型
1.客戶/服務器(c/s)結構
最主要的特征是通信只在客戶與服務器之間進行，客戶與客戶之間不進行通信。
2.P2P(Peer to Peer)結構
每個對等端都同時具備C/S應用的客戶與服務器的特征，是一個服務器與客戶的結合體，對等端之間直接通信。
3.混合結構
既有中心服務器的存在，又有對等端(客戶)間的直接通信。
2.網絡應用通信基本原理
一端向另一端發送請求，來獲取相應的服務
3.域名系統(DNS)
一，層次化域名空間
層次樹狀結構的命名方法：1.國家頂級域名nTLD；2.通用頂級域名gTLD;3.基礎結構域名
DNS傳輸層使用的是UTP協議
二、域名服務器
-
域名解析
將域名映射為IP地址的過程。
-
域名服務器
為了實現域名解析，需要建立分布式數據庫，存儲網絡中域名與IP地址的映射關系數據，這些數據庫存儲在
域名服務器上，域名服務器根據用戶的請求提供域名解析服務。 -
域名服務器的分類
根域名服務器
頂級域名服務器
權威域名服務器
本地域名服務器
三、域名解析過程
-
遞歸查詢
代替查詢主機或其他域名服務器，進行進一步的域名查詢，並將最終解析結果
發送給查詢主機或服務器。
-
迭代查詢
只是將下一步要查詢的服務器告知查詢主機或服務器。
4.萬維網應用
萬維網是我們現在使用非常廣泛的一種網絡應用
1.萬維網應用體系結構
萬維網應用體系結構包括三塊：web服務器，瀏覽器，超文本傳輸協議(HTTP)
web服務器：網頁的內容，超文本(html語言編寫，設計的)
瀏覽器：客戶機上的瀏覽器
超文本傳輸協議(HTTP)：瀏覽器如何獲取網頁的內容呢？通過超文本傳輸協議
首先由客戶機向服務器發送一個TCP鏈接(運輸層，保證傳輸的可靠性)連接。
當建立連接之后 接下來，在應用層的基礎上使用http協議
首先由客戶機上的瀏覽器根據你要訪問的網址 來發出http請求的報文，報文里面包含幾部分
其中有一部分我們叫做url，統一資源定位符。實際上就是我們通常所說的網址。
所以這個時候我們網頁的超鏈接就是包括我們所說的url網址，當我們點擊超鏈接的時候，然后發送到
服務器。當然請求如何到服務器呢，我們http報文里面包括服務器的域名
服務器根據這個url來找到對應的網頁資源。那么這個網頁資源使用html語言編寫的。那么這個網頁資源
會作為http報文的響應信息呢再返回給我們瀏覽器
瀏覽器收到這個html編寫的報文以后 ，再進行解釋解讀， 然后以特定的格式顯示在我們的瀏覽器當中
2.HTTP（超文本傳輸協議）
HTTP概念：超文本傳輸協議，定義瀏覽器如何向Web服務器發送請求以及Web服務器如何向瀏覽器進行響應。
版本：HTTP/1.0和Http/1.1
http是無狀態訪問協議
Http連接：非持久連接，持久連接
非持久連接，持久連接
非流水方式持久連接，流水方式持久連接
總結：非/流水方式持久連接和 持久連接，並行連接
HTTP報文:
請求報文----從客戶向服務器發送請求報文。
響應報文----從服務器到客戶的回答。
HTTP請求報文
http典型的請求方法有GET、HEAD、POST、OPTION、PUT等。
1）GET：請求讀取由URL所標識的信息
2）HEAD：請求讀取由URL所標識的信息的首部，無須在響應報文中包含對象
3）POST：給服務器添加信息（例如注釋）
4）OPTION：請求一些選項的信息
5）PUT：在指明的URL下存儲一個文檔
HTTP響應報文
HTTP狀態碼分類：
| 狀態碼 | 作用 | 描述 |
|---|---|---|
| 1xx | 顯示信息 | 通告信息，可能還需要進一步交互 |
| 2xx | 成功 | 成功完成客戶請求的操作，並進行響應 |
| 3xx | 重定向 | 表示資源已移走，需要向新URL發送請求 |
| 4xx | 客戶端錯誤 | 由於客戶端請求錯誤，無法成功響應 |
| 5xx | 服務器端錯誤 | 由於服務器端請求錯誤，無法成功響應 |
3.Cookie
Cookie中文名稱稱為小型文本文件，指某些網站為了辨別用戶身份、進行會話跟蹤而存儲在用戶本地終端上的數據。
彌補了Http協議無狀態性的不足，有利於進行用戶跟蹤並提供針對性的服務，但也也帶來一些安全問題。
cookie工作原理：
5.internet電子郵箱
一、電子郵件系統結構
二、SMTP（簡單郵件傳輸協議）
SMTP是Internet電子郵件中核心應用層協議，實現郵件服務器之間或用戶代理到郵件服務器之間的郵件傳輸。
SMTP使用傳輸層TCP實現可靠數據傳輸，端口號25.
SMTP通過三個階段的應用層交互完成郵件的傳輸，分別是握手階段、郵件傳輸階段和關閉階段。
SMTP的基本交互方式是SMTP客戶端發送命令，命令后面可能攜帶參數，SMTP服務器對命令進行應答。
三、電子郵件格式與MIME
四、郵件讀取協議（POP3 郵局協議）
POP3郵局協議
6.FTP(文件傳送協議)
文件傳送協議：在互聯網的二個主機間實現文件互傳的應用層協議。
7.P2P應用
8.Socket編程基礎
什么是Socket：
所謂套接字(Socket)，就是對網絡中不同主機上的應用進程之間進行雙向通信的端點的抽象。一個套接字就是網絡上進程通信的一端，提供了應用層進程利用網絡協議交換數據的機制。從所處的地位來講，套接字上聯應用進程，下聯網絡協議棧，是應用程序通過網絡協議進行通信的接口，是應用程序與網絡協議棧進行交互的接口 [1] 。
表示方法：套接字Socket=（IP地址：端口號）(210.37.145.1:23)
怎么調用傳輸層提供的網絡服務呢。依賴於SOCKET接口
UDP和TCP:
UDP：無連接服務,不保證可靠性。成本低，效率高，速度快。
TCP：安全，可靠的面向連接的服務。
TCP是面向連接的服務。是指通信雙方在發送數據之前要先建立連接，要進行資源分配 要進行參數的協商/目的是保證在數據傳輸過程當中所有的數據都能安全可靠的到達，不會有數據的損壞丟失這種情況發生。
第三章 傳輸層
傳輸層是為應用層提供傳輸服務的
第一節：傳輸層的基本服務
傳輸層功能
端到端指的就是從這個應用程序到那個應用程序。
傳輸層尋址與端口
無連接服務與面向連接服務
第二節：傳輸層的復用與分解
多路復用和多路分解：是傳輸層的一項基本功能，支持眾多應用進程共用同一個傳輸層協議，並能夠將接收到的數據准確交付給不同的應用進程。
一、無連接的多路復用與多路分解
二、面向連接的多路復用與多路分解
TCP套接字(標識一條TCP連接)：
<源IP地址，源端口號，目的IP地址，目的端口號>
當一個TCP報文端從網絡層到達一台主機時，該主機根據這4個值來將報文段分解到相應的套接字。
第三節：停—等協議與滑動窗口協議
如何來保證通訊的可靠性。
傳輸層把數據交給網絡層由網絡層來進行傳輸。
一、實現可靠傳輸的基本原理
實現可靠數據傳輸的措施：
在規定時間內，如果沒有收到我就認為他丟失了
二、停-等協議
三、滑動窗口協議
滑動窗口協議是如何工作的
第四節：用戶數據報協議(UDP)
第五節：傳輸控制協議(TCP)
本章小結：
本章重難點回顧：
- 可靠數據傳輸原理，停-等協議、滑動窗口協議；
- TCP連接建立和釋放過程；
- TCP可靠數據傳輸機制和擁塞控制方法；
第四章 網絡層
第一節 網絡層服務
網絡層的主要作用是將網絡層數據報從源主機送達目的主機。
主要功能就是轉發和路由選擇。
主要功能包括：
- 轉發：分組從輸入接口轉移到輸出接口；
- 路由選擇：決定分組經過的路由或路徑。
網絡層服務：
第二節 數據報網絡與虛電路網絡
數據報網絡與虛電路網絡都是虛擬交換技術。
一、數據報網絡
數據報網絡：按照目的主機地址進行路由選擇的網絡。
特點：
- 無連接；
- 每個分組作為一個獨立的數據報進行傳送，路徑也可能不同；
- 分組可能出現亂序和丟失。
二、虛電路網絡
虛電路網絡在網絡層提供面向連接的分組交換服務。
特點：
-
建立一條網絡層邏輯連接；
-
不需要為每條虛電路分配獨享資源（區別於電路交換）；
-
根據虛電路號沿虛電路路徑按序發送分組。
第三節 網絡互連與網絡互連設備
一、異構網絡互連
二、路由器
常用的網絡互連設備有中繼器、集線器、網橋、網絡交換機、路由器和網關
第四節 網絡層擁塞控制
一、網絡擁塞
擁塞：
一種持續過載的網絡狀態，此時用戶對網絡資源（包括鏈路帶寬，存儲空間和處理器處理能力等）的總需求超過了網絡固有的容量。
原因：
- 緩沖區容量有限；
- 傳輸線路的帶寬有限；
- 網絡節點的處理能力有限；
- 網絡中某些部分發生了故障。
二、流量感知路由
流量感知路由：
根據網絡負載動態調整，將網絡流量引導到不同的鏈路上，均衡網絡負載，從而延緩或避免擁塞發生。
解決網絡負載的震盪現象：
- 多路徑路由；
- 緩慢轉移流量至另一鏈路。
三、准入控制
准入控制：
是一種廣泛應用於虛電路網絡的擁塞預防技術。
基本思想：
對新建虛電路進行審核，如果新建立的虛電路會導致網絡變得擁塞，那么網絡拒絕建立該新虛電路。
擁塞狀況的量化：基於平均流量和瞬時流量。
四、流量調節
- 感知擁塞
- 處理擁塞：將擁塞信息通知到其上游節點。
處理方法：
(1) 抑制分組：給擁塞數據報的源主機返回一個抑制分組。
(2) 背壓：讓抑制分組在從擁塞節點到源節點的路徑上的每一跳，都發揮抑制作用。
五、負載脫落
負載脫落：路由器主動丟棄某些數據報。
如何選擇要丟棄的數據報：
- 丟棄新分組：如GBN
- 丟棄老分組：如實時視頻流
第五節 Internet網絡層
一、IPv4協議
IP協議主要分成IPV4協議和IPV6協議
數據報格式
IP數據報分片
二、IPv4編碼
子網划分：
將一個較大的子網划分為多個較小子網的過程。
較大子網具有較短的網絡前綴，較小子網具有稍長的前綴。
超網：
將具有較長前綴的相對較小的子網合並為一個具有稍等前綴的相對較大的子網。
子網掩碼：
用來定義一個子網的網絡前綴長度。
第六節 路由算法與路由協議
第五章 數據鏈路層與局域網
傳輸層：保證對應用層的復用，分用。以及保證應用層的可靠傳輸。
網絡層：主機到主機經過路由轉發，把數據從主機送到主機。
鏈路層：把數據從一個結點可靠的傳輸到另一個結點。
第一節：數據鏈路層服務
鏈路層數據單元：幀
數據鏈路層服務主要功能包括：
組幀
鏈路接入：點對點鏈路、廣播鏈路
可靠交付（可靠傳輸方法多用於高出錯率鏈路）
差錯控制
第二節：差錯控制
一、差錯控制的基本方式：
差錯控制的四種基本方式：
- 檢錯重發
- 前向糾錯
接收端進行差錯糾正。
- 反饋校驗
接收端將收到的數據原封不動發回發送端。
- 檢錯丟棄
二、差錯編碼的基本原理
香農信道編碼定理：
理論上可以通過編碼使得數據傳輸過程不發生錯誤，或者將錯誤概率控制在很小的數值之下
三、差錯編碼的檢錯與糾錯能力
漢明距離：二個等長碼字之間，對應位不同的位數。
編碼集的漢明距離：該編碼集中任意二個碼字之間漢明距離的最小值。
差錯編碼的檢錯或糾錯能力與編碼集的漢明距離有關。
四、典型的差錯編碼
-
奇偶校驗碼
奇校驗：編碼后的碼字中“1”的個數為奇數
偶校驗：編碼后的碼字中“1”的個數為偶數
-
漢明碼：
可以實現單個比特差錯糾正 -
循環冗余碼CRC：
檢錯能力強，編碼效率高，實現簡單
第三節：多路訪問控制協議
鏈路層主要的功能之一就是差錯檢測主要的手段是通過差錯編碼
一、信道划分MAC協議
使用權：信道划分MAC協議
二、隨機訪問MAC協議
隨機訪問，就是爭着訪問
三、受控接入MAC協議
第四節：局域網
一、數據鏈路層尋址與ARP地址解析協議
- MAC地址
MAC地址也叫物理硬件地址
每個接口對應一個MAC,且全球唯一
長度48位
- 地址解析協議
地址解析協議也叫ARP
根據本網內目的主機或默認網關的IP地址獲取其MAC地址；
ARP以什么樣的方式獲取硬件地址?查詢/響應的方式。廣播
二、以太網
-
IEEE802.3標准
-
采用CSMA/CD訪問控制方法
-
以太網技術
-
10Base-5, 10Base-T
- 快速以太網100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX
- 千兆以太網
- 萬兆以太網
-
三、交換機
- 轉發與過濾
可以依據接收到的鏈路層幀的目的MAC地址，選擇性地轉發到相應的端口。
- 自學習
交換機通過自學習構建交換表
- 優點
消除沖突，提高性能
支持異質鏈路
易於網絡管理
四、虛擬局域網
- 一種基於交換機(支持VLAN功能)的邏輯分割廣播域的局域網應用形式。
- 不受物理位置的限制，以軟件的方式划分和管理局域網中的工作組。
- 能夠抑制廣播風暴。
- 划分方法：
基於交換機端口
基於MAC地址
基於上層協議類型或地址
第五節：點對點鏈路協議
一、PPP點對點協議
點對點協議——PPP：
能夠處理差錯檢測、支持多種上層協議、允許連接時協商IP地址、允許身份認證。
典型應用：撥號上網
功能：
- 成幀
- 鏈路控制協議LCP
- 網絡控制協議NCP
二、HDLC高級數據鏈路控制協議
高級數據鏈路控制--HDLC協議：
可應用於點對點鏈路和點對多點鏈路。
幀定界：
幀的定界符是01111110
HDLC協議的位填充：
-
發送端：只要發現數據字段5個連續的1，就立即插入一個0，保證數據字段不會出現連續的6個1；
-
接收端：發現數據流中5個連續的1，就刪除其后的0，還原成原來的信息。
本章小結
本章主要介紹了數據鏈路層服務，差錯編碼，多路訪問控制協議，局域網，點對點鏈路協議等內容。
重難點
1.典型的差錯編碼，如CRC等
2.CSMA/CD協議
3.ARP、以太網、交換機、VLAN等局域網工作原理
第六章 物理層
物理層：把所有的比特數據轉換成物理信號在線路進行傳輸，主要涉及的是通信的知識
第一節 數據通信基礎
通俗的講
把信息轉換為消息，消息加個符號就是數據，將數據轉換為信號，信道傳輸的是信號。
通信就是把信息從這傳輸到哪 然后精確的還原或者近視的還原信息。
第二節 物理介質
非導引型傳輸介質：就是我們通常所說的無線
地波傳播：廣播
天波傳播：大氣的電離層
視線傳播：高頻信號只能直線傳播（靠衛星，基站）
第三節 信道與信道容量
公式中的 C 是信道容量(最大平均數據傳輸率(bps 單位bit/s))，B是帶寬 單位Hz。M：信號編碼級數
S:信號功率 N:噪聲功率 信道比：s/n
第四節 基帶傳輸
直接傳輸基帶信號，基帶信號就是指原始信號
第五節 頻帶傳輸
第六節 物理層接口規程
第七章 無線與移動網絡
第一節 無線網絡
二、無線鏈路與無線網絡特性
第二節 移動網絡
第三節 無線網絡局域網IEEE 802.11
WIfi
第四節 蜂窩網絡
第五節 移動IP網絡
第六節 其他典型無線網絡簡介
