计算机网络期末总结

写在前面

作者：夏日

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本文结合天勤考研的高分笔记和王道考研的PPT进行总结

所用到的资料：传送门 密码: rp2t

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概述

知识点

1.计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统

2.计算机网络的组成

• 物理组成上看可分为硬件、软件、协议(可理解为一种规则)。
• 工作方式上看可分为边缘部分(由主机组成)和核心部分(由网络和路由器组成,为边缘部分提供服务)。
• 逻辑功能上看可分为通信子网(数据通信)和资源子网(数据处理)。
  • 通信子网包括物理层、数据链路层和网络层。

3.计算机网络的功能

• 数据通信(最基本和最重要的功能)
  • 包括流量控制、路由选择、传输控制
• 资源共享：可共享硬件(如共享打印机)、软件、数据
• 分布式处理：多个主机各自承担同一任务的不同部分，如Hadoop
• 信息综合处理：将分散的数据集中处理或分级处理
• 负载均衡：将工作任务均衡的分配给网络中各计算机
• 提高可靠性：网络中各计算机可通过网络互为替换机

4.计算机网络的分类

11.OSI5层结构总结

12.OSI参考模型和TCP/IP模型对比

13.计算机网络性能指标

• 带宽：网络设备可支持的最高速度(b/s)

• 时延：数据从一端传到另一端所需要的时间

  • 发送时延(传输时延)：从发送数据第一位到最后一位发送完毕所需时间
    • 发送时延 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)
  • 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所需时间
    • 传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速度(m/s)
  • 排队时延：在输入和输出队列中排队等待处理所需时间
  • 处理时延：主机或路由器收到分组进行处理所需时间
  • 总时延 = 发送时延+传播时延+排队时延+处理时延

• 时延带宽积：又称以比特为单位的链路长度即某段链路现有多少比特(容量)

  • 时延带宽积(bit) = 传播时延(s) x 带宽(bit/s)

  助记：时延带宽积：时延和带宽的乘积

• 往返时延(RTT)：数据发送后来回跑一趟的时间

  • 往返时延 ≈ 2x传播时延

• 信道利用率 = 有数据通过时间 / (有+无)数据通过时间

• 利用率：D₀表示网络空闲下来时的时延，D表示网络当前时延，U表示利用率

  • D₀=D-D*U （空闲时延=当前时延-利用了的时延）

14.两种通信方式

• C/S(客户-服务器)方式：客户是服务请求方，服务器是服务提供方，指的都是进程不是使用者
• P2P(peer-to-peer)方式：任一主机既可以是客户也同时可以是服务器

15.OSI参考模型与TCP/IP参考模型

助记：基数(基带–数字)

4.数据传输方式

• 串行传输：一个信道一个比特一个比特的传输（远距离常用）
• 并行传输：多个比特通过多个信道同时传输（近距离常用）

通信方式

• 同步通信：发送端和接收端的时钟频率相等(单位为帧)（技术复杂，效率高，贵）
• 异步通信：发送端发完一个发送单位即字节后，可过任意时间发下一个（价格低）

同步传输的帧头和帧尾占很少一部分可近似认为传输效率为100%，而异步传输每8bit就要加一个起始位和终止位，传输效率为80%，可见同步效率比异步效率要高(既然贵，肯定高)

通信模式

• 单工(单向)：只有一个方向的通信，需一条信道（如广播）
• 半双工(双向交替)：双方都可以发或接，但不能同时发和接，需两条信道（如对讲机）
• 全双工(双向同时)：双方可同时发和接，需两条信道（如打电话）

5.码元：用一个固定时长的信号波形代表不同的离散数值的基本波形，而1码元可携带多个比特的信息

如二进制有两种码元即0和1，而4进制则有00、01、10、11四种码元

6.速率：即传输速率，有两种描述形式

• 波特率：也称码元速率，表示每秒可传输多少个码元，单位为波特(B)
• 比特率：也称信息传输速率，表示每秒可传输多少个比特，单位为比特每秒(b/s)

关系：若一个码元携带2bit信息，则3B波特率对应比特率为3×2 bit/s

7.带宽：单位时间内所能通过的最高数据率，单位比特每秒(bit/s)（数字信号中）

可理解为大马路有多宽

模拟信号中的带宽表示允许通过的最高频率减最低频率

8.奈氏准则：理想低通(无噪声、带宽受限)条件下，为了避免码间串扰(码元之间失去清晰界限)存在一个极限数据传输率
$$Cmax=2?W?log2N(bit/s)$$

其中W为带宽HZ(模拟信号中)，N为几种码元或每个码元的离散电平的数目(几种状态)

奈氏准则只给出了码元传输速率的限制并没有给出信息传输速率的限制

f_采样≥2f_{信号最高频率}，而f_采样=2*W

9.信号越强，噪声的影响就越小，因此只考虑其中一方是没有意义的，所以求信噪比才有意义
$$信噪比(dB)=10?log10(S/N)(dB)$$

其中S为信号的平均功率，N为噪声的平均功率

10.香农定理：在宽带受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值
$$Cmax=W?log2(1+S/N)(bit/s)$$

其中W为带宽(Hz)，S/N需要由信噪比推出

通过公式我们可知道

• 信道中宽带或信噪比越大，信息的极限传输速率越高
• 对于一定的带宽和信噪比，信息的传输速率上限就确定了
• 只要信息的传输速率低于极限传输速率，就一定能找到某种方法实现无差错的传输
• 实际信道的传输速率要比极限速率低不少

11.奈氏准则指出了码元传输的速率是受限的(内忧)，而香农定理给出了信息传输速率的极限(外患)

• 非归零编码(NRZ)：低电平为0，高电平为1，但无法判断码元的开始和结束，双方难以同步
• 翻转不归零编码(NRZI)：电平遇0翻转，遇1不变
• 曼彻斯特编码：每个码元内前高后低为1，前低后高为0，所占频带宽度是原始基带宽度的两倍(以太网用这个)
• 差分曼彻斯特编码：前半个部分的电平与上一个码元的后半部分电平相同时为1，抗干扰强

后两个都是用每个码元的中间跳变作为收发双发的同步信号

14.数字数据调制为模拟信号

• 电路交换：双方需建立一条被双方独占的物理通路
  • 优点：通信时延小、实时性强、有序传输、适用范围广、控制简单、避免冲突
  • 缺点：建立连接时间长、通信利用率低、缺乏统一标准、灵活性差
  • 适用于传输数据量大且传送时间远大于呼叫时间
• 报文交换：无需建立专有线路，传输单位为报文，采用存储转发方式
  • 优点：无需建立连接、动态分配线路、提高可靠性、提高线路利用率、提供多目标服务
  • 缺点：存储转发会产生时延、只适用数字信号、报文大小没限制需节点有较大存储缓存空间
• 分组交换：仍采用存储转发但一个长报文分割成若干分组即限制所传输单位长度
  • 优点：加速传输、简化存储管理、减少出错概率和重发数据量
  • 缺点：仍存在存储转发时延、若采用数据报服务要进行编号排序若采用虚电路需有呼叫连接等过程
  • 适用于端到端的通路由很多段的链路组成

从信道利用率看，报文和分组交换优于电路交换，分组交换时延小，尤其适用于突发式的数据通信

18.分组交换可采用的两种方式

22.宽带和带宽的关系：如100M的宽带(名词)指这条宽带的带宽(量词指传输速率)为100Mbps,传输速率为12.5MB/s

习题

1.在无噪声的情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是多少/p>

答：题目中说无噪声所以用奈氏准则求解

4个相位,每个相位具有4种振幅所以有16种状态即N=16

C_max=2*3k*log₂16=24kb/s（注意公式中带宽的单位为HZ）

也可以理解为带宽为3kHZ，则采样频率为6kHZ即每秒采样6k次，16种状态，则每个码元携带4bit信息，C_max=每秒采样次数*每码元携带信息

2.电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz,信噪比为30dB,则该系统的最大数据传输率为（C）
A. 3kbit/s B. 6kbit/s C. 30kbit/s D. 64kbit/s

答：电话系统的信道是有噪声的信道，所以用香农定理求解

香农公式用到了S/N，而我们已知了信噪比，先求S/N

10log₁₀(S/N)=30，所以S/N=1000

C_max = 3000*log₂(1+S/N) = 3000*log₂(1+1000) ≈ 30kbit/s

注意S/N并不是信噪比，一般题目都是给信噪比我们要先求S/N

3.调制解调技术主要使用在（A）通信方式中。
A.模拟信道传输数字数据 B.模拟信道传输模拟数据
C.数字信道传输数字数据 D.数字信道传输模拟数据

答：调制就是将基带数字信号的频谱变换为适合在模拟信道中传输的频谱(比如数字数据调制为模拟信号)，解调正好与之相反(还原成数字数据)。

所以，调制解调技术用于模拟信道传输数字数据通信方式，而模拟信道传输模拟数据不需要调制解调技术

4.一个传输数字信号的模拟信道的信号功率是0.62W,噪声功率是0.02W,频率范围为3.5~3.9MHz,该信道的最高数据传输速率是（B）
A. 1Mbit/s B. 2Mbit/s C. 4Mbit/s D. 8Mbit/s

答：S/N=0.62/0.02=31，带宽W=3.9MHZ-3.5MHZ=0.4MHZ

W*log2(1+S/N)=0.4MHZ*log2(1+31)=2Mbit/s

注意信噪比、S/N和带宽的含义

5.为了使模拟信号传输得更远,可以采用的设备是（B）
A.中继器 B.放大器 C.交换机 D.路由器

答：要想传的远就要进行放大，而放大信号是物理设备应执行的功能，所以交换机(数据链路层)和路由器(网络层)都可以排除。

中继器和放大器都可以放大信号，但中继器放大的是数字信号而放大器才能放大模拟信号。

6.因特网上的数据交换方式是（C）
A.电路交换 B.报文交换 C.分组交换 D.光交换

答：电路交换主要用于电话网，报文交换用于早期电报网，因特网使用的是分组交换。

助记：打电话按分钟(双方独享线路)计费，手机上网按流量(分组-用多少付多少)计费

7.

答：从图中可以看出有十六种状态，需要用log₂16=4bit来表示这16种状态，2400Baud即每秒传2400码元，一个码元有4bit，则比特率为2400*4=9600bit/s

9.10Base-T指的是（B）

B.10Mbit/s，使用数字信号，使用双绞线

答：10表示每秒传10Mbit，Base(基础—>基带)表示基带传输即数字信号，T(Twisted-pair)表示用的是双绞线

10.下列关于单模光纤的描述中,正确的是（D）
A.单模光纤的成本比多模光纤的成本低
B.单模光纤传输距离比多模光纤短
C.光在单模光纤中通过内部反射来传播
D.单模光纤的直径一般比多模光纤小

答：单模在荒郊野外用传的远(贵)，多模在学校用传的近(便宜)

多模才用到内部反射，单模可理解为一条直线，而多模需要在通道内来回反射的传播所以多模直径更大

11.主机甲通过1个路由器(存储转发方式)与主机乙互联，两段链路的数据传输速率均为10Mbps，主机甲分别采用报文交换和分组大小为10kb的分组交换向主机乙发送1个大小为8Mb(1M=10⁶)的报文。若忽略链路传播延迟、分组头开销和分组拆装时间，则两种交换方式完成该报文传输所需的总时间分别为 (D)

A．800ms、1600ms B．801ms、1600ms

C．1600ms、800ms D．1600ms、801ms

答：①当采用报文交换时，只需考虑两次发送时延，一次在主机甲，一次时在路由器，而每次的发送时延都为8Mbit/10Mbit/s=800ms，所以共需1600ms

②当采用分组交换时，每个分组为10kbit，发送时延为10kbit/10Mbit/s=1ms,共800个分组。

主机甲发送完所有分组需要800ms,发的最后一个还需经历一个路由器的存储转发所以再加上1ms，即最终结果为800ms+1ms=801ms

800ms时，主机甲发完全部数据，由于忽略传播延迟，甲发的最后一个分组立马到达路由器，然后需要1ms的存储转发，又立马到达主机乙，此时为801ms。

这种题都是一个套路，发完后最后一个发的到达了目的地，它前面的肯定也都到了，所以只需算一个分组的

12.下列因素中，不会影响信道数据传输速率的是 （D）

A.信噪比 B.频率宽带 C.调制速率 D.信号传播速度

答：由香农定理得知信噪比和频率宽带都会对数据传输速率产生影响。

信道的传输速率其实就是发送速率，所以调制速度也会影响数据传输速率。

信号传播速度是在信道传播的速度，和发送率无关。

发送时延也称为传输时延，而传输速率也指的是发送速率，不是在信道上传输的速率！

实际上带宽等也都是和发送速率有关，传播速率一般都是固定的(如在光纤上传播)，我们研究的基本都是发送速率。

13.通信系统的一般模型中,以下哪些部分是可有可无的（BD）

A.信息源 B.发送器 C.信道

D.接收器 E.受信者

答：信道肯定要有要不然没法传输信息

那么要么选信息源和受信者或者选发送器和接收器

而我们要明白的是信息源才是真正发消息的那个，你把它去了只留下个发送器没人产生消息了还有什么用

所以发送器和接收器是可有可无的部分，他们仅仅只是起到个中间人的作用

数据链路层

知识点

1.名词解释

• 链路：网络中两个结点之间的物理通路
• 数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，即链路加上控制数据传输协议的硬件和软件
• 帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报

2.数据链路层的主要功能

• 链路管理：用于面向连接的服务即连接的建立、维持、释放
• 封装成帧
• 差错检测
• 透明传输

3.封装成帧：在一段数据前后加上首部(SOH即start of header)和尾部(EOT)，就成了一个帧。

只有既加头又加尾接收方收到后才能知道哪是开头哪是结尾（MAC帧特殊他不用加尾）

每一条链路协议都规定了所能传输帧的数据部分长度上限–最大传送单元MTU(maximum transfer unit)

以太网的MTU(最大数据部分)=1500，如携带的IP数据报最长为1500

4.透明传输：不管数据是什么比特组合都应能在链路上传送，若有部分数据和控制信息冲突就要采取适当措施

• 字符填充法：传送非ASCII码的文本时数据部分可能含有帧定界符SOH和EOT在数据部分的他们前面加上ESC(相当于转义’’)

5.全世界使用最多的数据链路层协议就是点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)，分为三部分

• 一个将IP数据报封装到串行链路的方法(成帧方法)
• 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP
• 一套网络控制协议NCP

各字段的意义为

数据链路层仅仅使用CRC做到无差错接收(认为收到的都没出错)并没有向网络层提供可靠传输

来源：夏日 の blog

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