计算机网络

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kami Lv1
  2026-04-14 15:33:14 2026-04-14 15:33:14 创建   2026-04-14 15:33:14 2026-04-14 15:33:14 更新      3.6k 字  12 分钟  

概述

  • ISP：互联网服务提供商
  • OSI参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层
  • P2P：对等通信网络
  • 传输速率：每秒传输多少比特（bit/s，b/s）
  • 带宽 ：某信道传输的最大速度
  • 网络分类（分布范围）：个域网，局域网，城域网，广域网
  • 网络分类（使用者）：公用网，专用网
  • 网络分类（交换方式）：电路交换，报文交换，分组交换
  • 网络分类（拓扑结构）：星型，总线型，环型，树型，网状型
  • 网络分类（传输介质）：双绞线，同轴电缆，光纤，无线
  • 网络分类（用途）：教育，科研，商业，企业，政府

物理层

介质

有线传输

  1. 双绞线（Twisted Pair）
    • RJ45：网线的水晶头
    • RJ11：电话线的水晶头
    • STP：有屏蔽双绞线，用铝箔包裹在外部，用于噪声干扰较多的地方
    • UTP：非屏蔽双绞线，用于家庭办公室
    • 双绞线类别
类别 种类 传输速率 传输频率 适用范围
3 类 UTP 10 Mbps 16 MHz 10 BASE-T 以太网
4 类 UTP 16 Mbps 20 MHz 10 BASE-T 令牌环网
5 类 UTP 100 Mbps 100 MHz 100 BASE-T
超 5 类 UTP 1 Gbps 125 MHz 100/1000 BASE-T
6 类 UTP > 1.5 Gbps 250 MHz 1000/10GBASE-T
7 类 UTP/STP 10 Gbps 600 MHz 10 GBASE-T
  1. 光纤（Fiber）
    • 封套（塑料） -> 包套（玻璃）-> 芯（玻璃）
    • 光纤传输系统：光源，传输介质，检测器
    • 单模光纤：直径小于10um，通信衰减小，容量大，用于长距离传输，价格贵
    • 多模光纤：直径大于50um ………
  2. 同轴电缆（coaxial cable）
    • 比非屏蔽双绞线有更好的屏蔽特性和更大的带宽，已被光纤取代，目前应用于有线电视和城域网
    • 保护塑料外套 -> 编制外层导体 -> 绝缘材料 -> 铜芯

无线传输

  1. 无线电波：较强的穿透能力，实现长距离传输，手机通信，无线局域网，广播
  2. 微波：比无线电波频率更高的电测波，应用卫星通信
  3. 红外线：用于近距离遥控
  4. 激光：点对点的通讯技术，受天气影响

传输标准命名规则

1
1000        BASE    -    T          X

传输速率 调制方式 传输媒介 编码体系

  1. 调制方式
    • BASE：基带信号，一根线缆只传输一个信号
    • BROAD：宽频信号，一根线缆传输多个信号
  2. 编码
    • 归零编码：上凸是1，下凹是0，中间要归零
    • 不归零编码：上是1，下是0
    • 反向不归零编码：碰到1就复制，0反转
    • 曼彻斯特编码：低到高是0
    • 差分曼彻斯特编码：碰到0复制，1反转

通信基础

数字调制

  1. 码元：数字调制过程中承载信息的基本信号单位，相当于一个箱子，放几个二进制位都行
  2. 波特率 B：单位时间传输码元的个数（Baud波特），信号传输速率，关注物理信号变化，底层通信速率
  3. 比特率 C：单位时间内传输的比特个数（bit比特），数据传输速率，关注实际传输数据量，有用信息速率
  4. 波特率比特率的关系：C = B log2N（N是码元的离散状态数，一个码元装一个比特位有两种状态，一个码元装两个比特位有11、10、01、00四个状态）
  5. 调制方法：调幅，调频，调相
  6. QAM：正交振幅调制，频率相同前提下，调幅和调相结合
  7. C = B log2MN（M相位数，N振幅数）

奈奎斯特定理

  1. 无噪声下码元速率极限值 B 与信道带宽 H（信道传输极限频率的差值Hz） 关系：B = 2 H
  2. 无噪声信道传输速率：C = 2H log2N

香农公式

  1. 一条带宽为H，有噪声信道最大传输速率：C = H log2(1 + S/N) (S:信号功率，N噪声功率，S/N：信噪比)

信噪比与分贝

  1. dB = 10 lg (S/N)

电路交换

  • 两站点建立一条直通的独占的物理通道
  • 步骤：建立连接、传送数据、释放连接
  • 优点
    1. 通信延时小
    2. 数据有序传输，安全性好
  • 缺点
    1. 建立时间长
    2. 线路独占，利用率低，灵活性差

报文交换

  • 优点
    1. 线路利用率高，提供多目标服务
    2. 不用建立连接，动态分配线路
    3. 提高线路可靠性和利用率
  • 缺点
    1. 存储转发实时性差
    2. 对报文大小无限制，存储空间大
    3. 发生错误请求重传时，整个报文丢弃

分组交换

  • 优点
    1. 储存空间开销小
    2. 传输延迟低
    3. 无效传输低
  • 缺点
    1. 分组乱序，各分组通过不同路径到达目的站点
    2. 通信效率低

信道复用

信道复用是指在同一条物理信道上同时传输多路信号的技术，目的是提高信道利用率，避免为每个通信单独铺设线路

  • 频分复用
    • 将带宽划分为多个频段，每个信号占据不同频段进行传输
    • 例 · 收音机电视机
  • 时分复用
    • 多个信号按时间片轮占用信道，在不同时间间隔传输
    • 例 · 对讲机
  • 码分复用
    • 是一种利用不同的码序列来区分用户的复用技术。所有用户在同一时间、使用同一频率传输数据，通过独特的码序列来区分
    • 码片：1bit 被分为64或128码片，
    • 任意两个节点的码片序列是正交的，即归一化内积为0
    • 若ABC三个码片同时传输，最终传输的码片是A + B + C，单独看A传输的比特值 A · (A + B + C)，求归一化内积
  • 波分复用
    • 是在光纤通信中利用不同波长的光信号在同一根光纤中同时传输的技术。可以理解为频分复用在光纤中的应用

数据链路层

核心任务：在物理层提供的比特流基础上，提供可靠的数据传输

  • 发送数据：封装网络层的数据报
  • 接收数据：解析物理层的比特流

帧（Frame）

  • 帧头：地址信息（源地址，目的地址），帧类型，控制信息
  • 数据：来自网络层的数据报文（通常是IP数据报）
  • 帧尾：通常包含校验和用于检测数据传输错误
帧头 数据报（00111010100011101） 帧尾

封装成帧

  1. 字节计数法 (开头记录携带这几个字节)
    • 优点：简单易实现，占用的额外开销少
    • 缺点：如果计数字段的数据被传输错误，会导致数据同步错误
3 2
  1. 字符填充法（用特殊字符，如SOH代表帧起始，EOT代表结束，并在数据部分避免特殊字符冲突）
    • 如果数据报中有SOH，EOT，用\转义字符
    • 优点：解决了字节计数法的同步问题，适用于字符流
    • 缺点：增加了额外的转义字符，占用带宽
SOH 数据报（00111010100011101） EOT
  1. 比特填充法（01111110固定作为开头和结尾，数据报中只要发现连续的5个1就在后面填充一个0）
    • 优点：适用于任何比特流，不限于字符编码（比字符填充通用）
    • 缺点：增加传输开销
01111110 数据报（00111010100011101） 01111110
  1. 物理层编码法（数据报封装成帧后，直接在物理层用信号的变化表示开头和结尾）
    • 优点：不增加额外开销
    • 缺点：依赖物理层编码格式，不适用所有链路层协议

错误检测

数据传输的过程中，由于各种因素（干扰，噪声，天气）导致比特错误（比特翻转），数据链路层提供错误检测机制，保证数据传输的可靠性，使接收端能检测出错误并采取措施（请求重传等）

奇偶校验（Parity Check）

奇校验或偶校验是双方事先约定的，判断依据都是数据中1个数的奇偶性
1的个数 + 最后一位校验位 = 奇偶的判断
如果奇校验有偶数个1，增加校验位1，如果奇校验有奇数个1，增加校验位0

  • 优点：实现简单，开销小
  • 缺点：检测能力弱，偶数个比特错误无法检测

检验和（Checksum）

常用的错误检测方法，广泛用于TCP/IP协议，操作方法：

  • 发送方将数据分成若干段（通常16位一组）
  • 将这些数据段进行二进制求和
  • 若求和过程中产生进位，将进位部分回卷相加（循环进位）
  • 最后将求和结果取反，作为校验和附加在数据后发送
  • 接收方验证后如果结果全是1证明无误
  • 优点：能检测更多的错误，简单高效
  • 缺点：不能检测所有错误（例如数据中部分比特位置翻转后总和仍相同）

循环冗余校验（CRC）

  • 将数据视为一个二进制多项式
  • 使用特定的生成多项式进行模2除法
  • 得到的余数作为CRC校验码附加在数据后面
  • 接收方重新计算并比对，判断数据是否出错
检测方法 附加开销 实现难度 错误检测能力 常用协议
奇偶校验 1b 简单 弱 串行通信
校验和 16b 简单 中等 TCP/UDP
CRC校验 16b或32b 中等 非常强 Ethernet， Wi-Fi，HDLC

流量控制与可靠传输

同样是流量控制与可靠传输，传输层关系端到端（两个主机之间），数据链路层关心点到点（两个相邻节点）

停止-等待协议

发送方发送Frame，接收方返回ACK确认

如果发送或返回数据丢失，会进行超时重传，

怎么确认是超时重传而不是新一帧：

  • 每次发送的帧和返回的ACK都有编号
  • 返回的ACK带上一个期待值，下次发送的帧需要携带此期待值
1
2
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发送方(A)                                    接收方(B)
   │                                            │
   │       ─────── 发送第1帧 ────────────────>   |
   │                                            │
   │                                   (接收并校验)
   │                                            │
   │   <─────── 发送确认(ACK) ──────────────     │
   │                                            │
   │  (收到确认，发下一帧)                         │
   │                                            │
   │     ── 发送第2帧 ───────────────────────>   │
   │                                            │
   │                                   (接收并校验)
   │                                            │
   │        <─────── 发送确认(ACK) ────────────  | 
   │                                            │
   │  (循环...)                                  │
   │                                            │

信道利用率 = 数据帧发送时间/发送周期时间
停止-等待协议的信道利用率低，信道大部分时间在空转，所以可以连续发送帧，连续收到ACK，这时需要用到滑动窗口进行流量控制

滑动窗口

发送窗口：允许发送未确认的数据帧序号范围（发送窗口会根据电脑性能分配窗口长度，若最左边的帧收到ACK，窗口向右移动一帧，以此循环）

接收窗口：接收方当前愿意接受/缓存的数据帧序号范围（和发送窗口相似，GBN只有一帧大小的窗口，SR与发送窗口相等）

窗口滑动：左边界右移，释放额度

接收窗口协议：

  • 后退N帧协议（GBN）：接收方只按顺序接受，一旦丢失一帧，后面全丢弃直接不接收，发送方需要把后面的全部重传，发送方有一个计时器，记录最早发送出去但还没有ACK的数据帧，如果有的ACK丢失，检测有没有比这个序号更大的ACK成功，如果有，就当他也传输成功（只不过是ACK丢失，数据是正确传输的）
  • 选择重传协议（SR）：接收方允许乱序接受并缓存，只重传丢的那几帧（对于每一帧都有一个计时器，超时的会单独重传）

介质访问控制子层（MAC）

属于数据链路层的一个子层，负责在共享介质上协调多个节点的传输，确保各节点按照一定规则访问信道

网络链路

点对点链路：单个发送方和单个接收方
广播链路：多个发送方和接收方都连接到一条共享的广播信道上

信道分配

1
2
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9
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11
12
13
14
					  |--频分复用（FDM）
					  |
					  |--时分复用（TDM）
					  |
		|---静态信道分配|--波分复用（WDM）
		|             |
        |             |--码分复用（CDM）
信道分配-|
		|                        |--ALOHA协议
		|            |--随机访问--|--CSMA协议
		|--动态信道分配|           |--CSMA/CD协议
		             |           |--CSMA/CA协议
		             |
                     |--轮询访问 -- 令牌传递协议

ALOHA 协议

发送机制：

  • 节点一旦有数据就发送，无需监听信道状态
  • 不关心其他节点是否发送，盲发

冲突处理：

  • 节点会随即等待一段时间再次尝试发送

理论最大信道利用率：

  • 18.4%

CSMA 协议

协议类型 描述
CSMA（1-persistent） 信道被占用就持续监听，空闲立刻发
CSMA（Non-persistent） 被占用就随机等待一段时间后重试
CSMA（p-persistent） 空闲后以概率p发送（根据网络负载动态调整p）

CSMA/CD 协议

有线传输的网络协议

节点在发送前和发送中持续监听，一旦冲突立刻停止并等待随机时间再试一次
是以太网经典共享介质环境下的核心协议

传播延迟：两点传输时长

争用期：发送点多久才能知道发生冲突，为两倍传播延迟

最小帧长目的：数据帧发送的最短时间>=争用期，如果数据帧过小，那碰撞发生期间监听就停止了，无法检测冲突
最小帧长 = 争用期 * 传输速率

退避时间：= 争用期 * 随机数k（0~2n-1, n是重传次数，n最大为10，重传次数最多为16）

ALOHA 协议 CSMA 协议 CSMA/CD 协议 CSMA/CA 协议
简介 想发就发 没人发再发 边听边发 避免冲突
监听信道 ❌ ✅ ✅ ✅
检测冲突 ❌ ❌ ✅ 避免冲突
信道利用率 18% 高于ALOHA 40-60% 中等
应用 无线早期实验 局域网 有线以太网 Wi-Fi
  • 标题: 计算机网络
  • 作者: kami
  • 创建于 : 2026-04-14 15:33:14
  • 更新于 : 2026-04-14 15:33:14
  • 链接: https://kamisheng.xyz/2026/04/14/计算机网络/
  • 版权声明: 本文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 进行许可。
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  1. 概述
  2. 物理层
    1. 介质
      1. 有线传输
      2. 无线传输
      3. 传输标准命名规则
    2. 通信基础
      1. 数字调制
      2. 奈奎斯特定理
      3. 香农公式
      4. 信噪比与分贝
      5. 电路交换
      6. 报文交换
      7. 分组交换
      8. 信道复用
  3. 数据链路层
    1. 帧（Frame）
      1. 封装成帧
    2. 错误检测
      1. 奇偶校验（Parity Check）
      2. 检验和（Checksum）
      3. 循环冗余校验（CRC）
    3. 流量控制与可靠传输
      1. 停止-等待协议
      2. 滑动窗口
    4. 介质访问控制子层（MAC）
      1. 网络链路
      2. 信道分配