软考复习笔记04：计算机网络

数据通信基础

信道特性

根据奈奎斯特采样定理，理想状态下，码元传输速率最大为 $N = 2W$ ，单位是波特(Baud)，即每秒传输的码元数量，其中 $W$ 是理想信道的带宽，单位是赫兹。若一个码元携带 $n$ 比特信息，则对应的比特速率（信息传输速率）为 $N \times n$ bps。

根据香农信息理论，信道的极限传输速率为:

C = W \log_2 (1 + \frac S N) \text{ bps} \tag{1}

其中 $W$ 为信道带宽， $S$ 为信道内信号的平均功率， $N$ 为信道内部高斯噪声功率。

常见的调制技术有ASK、FSK、PSK、DPSK、QPSK；其中前三者具有两种码元，每个码元携带1 bit信息；后两者具有四种码元，每个码元携带2 bit信息。

数据调制与编码

模拟信道 + 模拟数据：AM/FM/PM；
数字信道 + 模拟数据：PCM（采样，量化，编码）；
模拟通道 + 数字数据：键控调制，xSK;
数字信道 + 数字数据：单极性编码、极化编码、双极性编码；

除了上述数据编码外，还有编码方式，称为差错控制编码(Error Control Encode, ECC)。ECC编码是通过某种变换提高信息码元的相关性，进而起到检错、纠错的作用。

网络架构

网络根据其覆盖范围的不同，分为局域网LAN，广域网WAN和城域网MAN。在网络互连方面，通用的模型是OSI/RM七层模型：

物理层：定义了通信设备的机械、电气、功能和规程特征；
数据链路层：提供封装成帧、流量控制、差错控制和传输管理功能，主要协议簇是IEEE 802系列，常用的有802.11 WLAN和802.15（无线个人网，代表技术蓝牙）；
网络层：用于发送端向接收端传送分组，负责确保信息到达预定的目标；主要解决通信双方不相邻以及异构网络连接的问题；
传输层：负责保证数据包无差错、按顺序、无丢失和无冗余的传输；
会话层：管理远程用户或者进程间的通信；
表示层：负责通信协议的转换、数据的翻译、加密和压缩，以及字符的转换工作；
应用层：是应用软件的层级，包括应用接口和用户接口。

然而在实际上常用的是TCP/IP协议簇，它可以被简单的分为四层：

TCP/IP协议	OSI/RM七层模型	常用协议
应用层	应用层、表示层	FTP/TFTP/HTTP/SMTP/DHCP/NFS/Telnet/DNS/SNMP
传输层	会话层、传输层	TCP/UDP
网际层	网络层	IP/ARP/ICMP/IGMP
网络接口层	数据链路层、物理层	IEEE802

TCP/IP协议传输层中的所有服务都携带端口号，可以为以区分每个数据包的协议类型。端口号和IP地址的组合称为套接字（Socket）。

网络地址和掩码

接入网络的每个设备都必须具有一个唯一地址，称为IP地址。现行IP协议分为IPv4、IPv6两个版本。

IPv4协议规定IP地址长度为四个字节，每个字节为一段，段之间使用.隔开（点分十进制）；IPv4地址由网络号和主机号构成：

类型	特征	网络号	主机号	主机容量
A	前一位为0	7 bit	24 bit	$2^{24} - 2$
B	前两位为10	14 bit	16 bit	$2^{16} - 2$
C	前三位为110	21 bit	8 bit	$2^8 - 2$
D	前四位为1110	-	-	-
E	前五位为11110	-	-	-

A/B/C类IP地址中，主机号全为1的地址称为广播地址，主机号全为0的IP地址是本网段的地址，这两个地址作为保留地址，不分配给具体的主机。此外，D类地址用于组播，E类地址保留而不使用，均不区分网络号和主机号。其余的特殊地址：

127.xxx.xxx.xxx，即环回地址；
0.0.0.0: 保留地址，用于默认路由；
255.225.255.255：全网广播地址。

子网掩码是一个组织中相连的网络设备的逻辑分组，由32 bit组成，使用点分十进制表示。例如：172.68.160.12/22，表示使用22位网络地址，主机号占用10位；此IP地址是一个B类地址，它的默认掩码是255.255.0.0，在此情况下，它的子网掩码是255.255.252.0。

IPv6是IPv4的后继版本，特点如下：

IP地址长度为128 bit；
遵循聚类分配原则，减小了路由表的大小；
增强的组播支持和对流的支持，为服务质量QoS提供了网络平台；
改进扩展了DHCP协议，增加了对自动配置的支持；
更高的安全性。

虚拟局域网(Virtual LAN, VLAN)

VLAN是由一些主机、交换机和路由器构成的逻辑局域网，这些设备不受地理位置的局限。VLAN的功能：

容易管理VLAN的访问能力；
可以对广播信息进行有效控制；
提升网络安全性；
使用Trunk协议提升网络安全性

可以通过以下方式划分VLAN：

按交换机端口划分：常用方法，但是无法将一个物理分段或者端口纳入不同的VLAN中；
按MAC地址划分：由管理者指定VLAN中客户端的MAC地址，由于MAC地址固化在网卡中，因此可以看作基于用户的VLAN，同一个用户可以被添加到多个VLAN中，但是需要进行手工配置；
按第三层协议划分：决定VLAN成员时，主要考虑协议类型或者网络层地址；最大的缺点是性能问题，因为要检查报文中的网络地址；优点：
- 对基于服务/应用的VLAN策略友好，
- 用户可以自由移动设备，
- 消除交换设备之间传递用户信息的开销，
IP组播VLAN：将一个IP组播组作为VLAN处理；具有很高的灵活性，容易扩展到WAN上；
基于策略的VLAN：允许网络管理员使用任何策略创建满足需求的VLAN；
基于用户定义、非用户授权划分：要求用户提供凭据以连接到VLAN；

设备

常见的信道复用方式主要是FDM/TDM/CDM。

常用的传输介质主要有：

双绞线：屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP，也可按照带宽等性能划分为5类线，超5类线和6类线；
同轴电缆：由套置单根内导体的空心圆柱导体构成，一般用于曼彻斯特编码，传输视频信号，带宽大，抗干扰性能强；
光纤：带宽更大，不受电磁干扰和噪声干扰的形象

网络中的主要设备：

集线器：物理层，收集多个端口的广播帧并转发；
重发器：物理层，放大或增强信号，又称为中继器/转发器；
网卡：数据链路层，负责主机向媒体收发数据；
网桥：数据链路层，连接同类网络；
交换机：相当于多端口网桥；
路由器：网络层，根据地址寻找到目的地的路径；
网关：网络层以上的中继系统，进行不同协议之间的转换；
调制解调器：工作在WAN上，负责末端系统和通信系统中的信号的转换；

接入技术

网络应用

网络存储技术

DAS：直接附加存储，将存储设备通过SCSI电缆连接到服务器，适用于
- 服务器在地理位置上很分散，
- 存储系统必须直连到服务器，
- 包括许多数据库应用和应用服务器在内的应用，需要直连存储器的
NAS：网络附加存储，类似一个专用文件服务器，通过TCP/IP协议，主要支持NFS/CIFS协议；
SAN：存储区域网络，通过高速交换机将磁盘阵列与服务器连接的子网，采用块级别存储，支持FC-SAN、IP-SAN和IB-SAN等；

WLAN

WLAN具有如下特性：

可移动性，
高传输速率，
强抗干扰性，
保密性，
兼容性，
快速安装

实现WLAN的基本技术手段是微博扩展频谱通信，简称SSC，它的基本工作方式分为直接序列扩频DSSS、跳变频率FH、跳变时间TH以及线性调频CM。WLAN的几个重要国际标准分别是IEEE 802.11、HiperLAN(欧洲电信标准协会ETSI)、IEEE 802.15（蓝牙）以及 IEEE 802.16（WiMax，无线MAN空中接口规范）。

用户可以通过对等网、无线Hub、一点多址等方式接入WLAN。

物联网

网络应用

万维网WWW
E-mail
DNS
IIS
FTP
Others

网络管理

代理服务器

代理的主要作用在于：

提高访问速度
起到防火墙的作用
通过代理服务器访问不能直接访问的网站
提高安全性
共享IP地址

优点	缺点
易于配置	速度比路由慢
可以生成各项纪录	对用户不透明
灵活、完全控制进出流量	通常对客户、过程之一或两者做限制
透明的加密机制	不能保证免受所有协议弱点的限制
便于同其他安全手段集成	不能改进底层协议的安全性

网络管理工具

网络维护时经常需要监视和分析网络数据流，常用软件：Ethereal、NetXray和Sniffer。

操作系统提供了几个常用的网络管理工具：

ping命令：基于ICMP协议，发送测试数据包到指定地址，若正常则返回成功响应，并且可以从时间戳中获取链路状态；
tracert：检查到达目标的IP地址的路径并记录结果；
netstat：用于显示IP、TCP、UDP以及ICMP协议相关的统计数据；
IPConfig：显示当前的TCP/IP配置，用于校验配置的正确性。

综合布线系统

综合布线系统PDS是一种集成化通用传输系统，是利用双绞线或者光缆传输信息，可以接入电话、计算机、会议电视和监视电视等设备的结构化信息传输系统。

支持高速率信息传输
星型拓扑
积木式、模块化

它可以划分为几个子系统：

工作区子系统：由终端设备连接到信息插座之间的设备构成，包括信息插座、插座盒、链接跳线和适配器；
水平区子系统：由工作区用的信息插座、楼层配线设备、楼层配线设备到信息插座的电缆和跳线等构成；
管理间子系统：

网络规划与设计

网络建设前的需求分析工作。

三层模型

通常将直接面向用户连接或者访问网络的部分称为接入层；接入层与核心层之间的部分称为分布层或者汇聚层；网络的主干部分称为核心层。

接入层的目的是允许终端用户接入网络，因此接入层交换机具有低成本和高端口密度的特点；
汇聚成交换机是多台接入层交换机的汇聚点，必须能够处理来自接入层所有的通信量，并提供到核心层的上行链路；因此它具有更高的性能、更少的接口和更高的交换速率；作为接入层和核心层的分界面，需要完成网络访问策略控制、数据包处理、过滤、寻址以及其他数据处理工作；
核心层主要目的是通过高速转发通信，提供优化、可靠的骨干传输结构，因此需要更高的可靠性、性能及吞吐量，只需完成数据交换的特殊任务。

规划工作

网络设计主要分为逻辑网络设计与物理网络设计。

逻辑网络设计阶段：描述用户需求的网络行为以及性能、详细说明数据是如何在网络上传输的，不涉及网络元素的具体位置。主要考虑以下重点：功能要求、性能要求、运行环境的要求和可扩展性与可维护性的要求。

输入：用户需求
输出：逻辑网络设计文档：
- 逻辑网络设计图
- IP地址方案
- 安全方案
- 具体的软硬件、广域网连接设备和基本服务
- 雇佣、培训新网络员工的说明
- 对软硬件、服务、网络雇佣员工和培训的费用预算

物理网络设计阶段的任务是如何实现确定的逻辑网络结构。这一阶段设计者需要确定具体的软件、硬件、连接设备、服务以及布线。

输入：逻辑网络设计文档
输出：物理网络设计文档：
- 物理网络图和布线方案
- 设备和部件的详细列表清单
- 软硬件和安装费用的估计
- 安装日程表
- 安装后的测试计划
  = 用户培训计划