【挑战学习一百天冲刺实习面试】第二十六天：学习计网和图解HTTP

图解HTTP的笔记现在是纸质版，等后面整理成电子版再上传吧

第一章：计算机网络和因特网

1. 概念、功能、组成

计算机网络：计算机网络是互联（互联互通、通信链路）、自治（无主从关系）的计算机集合。它是一个将分散的、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。

计算机网络具有的功能：

• 数据通信（连通性）
• 资源共享（硬件、软件、数据）
• 分布式处理（多台计算机各自承当同一工作任务的不同部分–Hadoop）
• 提高可靠性（某台主机宕机了，会有一台替代机替代它的功能）
• 负载均衡

组成部分：硬件、软件、协议

工作方式：

• 边缘部分（用户直接使用，通过C/S方式或者P2P方式）
• 核心部分：为边缘部分服务

功能组成：数据通信、资源共享

• 通信子网：实现数据通信
• 资源子网：实现资源共享/数据处理

2. 计算机网络的分类

按分布范围分：

• 广域网WAN（交换技术）
• 城域网MAN
• 局域网WAN（广播技术，一个教室、楼宇）
• 个人区域网PAN（智能眼镜）

按使用者分：

• 公用网
• 专用网

交换技术分：

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

按拓扑结构分：

• 总线型
• 星型
• 唤醒
• 网状型（常用）

按传输及技术分：

• 广播式
• 点对点

3. 标准化工作及相关组织

标准化对计算机网络至关重要，要实现不同厂商的硬件软件之间相互连通，就必须遵从统一的标准

标准的分类：

• 法定标准：由权威机构制定的正式的、合法的标准（OSI）
• 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准（TCP/IP）

标准化工作的相关组织：

• 国际标准化组织ISO：OSI参考模型、HDLC协议
• 国际电信联盟ITU：制定通信规则
• 国际电气电子工程师协会IEEE：学术机构、IEEE802列标准、5G
• Internet工程任务组IETF：负责因特网相关标准的制定RFC XXXX

4. 速率及相关的性能指标

• 速率即数据率或称数据传输率或比特率，连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率

• 带宽：原本指某个信号具有的频带宽度,即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)，计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。单位是“比特每秒”、b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s，表示网络设备所支持的最高速度

• 吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，单位b/s、kb/s、Mb/s等。

• 时延：指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，也叫延迟或迟延，单位是s。

  • 发送时延（发送端）：从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间
  • 传播时延（链路）：取决于电磁波传播速度和链路长度
  • 排队时延（路由器）：等待输入输出链路可用
  • 处理时延（路由器）：检错、找出口

• 时延带宽积：时延带宽积=传播时延*带宽，又称为以比特为单位的链路长度

• 往返时延RTT：从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延，可以使用Ping命令，RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多，末端处理时间要么给出要么不计

• 利用率：信道多长时间是被有效利用的

利用率与时延的联系：利用率越高时延越大，就像高速公路上，排满了车行动起来很慢

5. 分层结构、协议、接口、服务

• 实体：第n层中的活动元素称为n层实体，同一层的实体叫对等实体
• 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议【水平】
  • 语法：规定传输数据的格式
  • 语义：规定所要完成的功能
  • 同步：规定各种操作的顺序
• 接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口
• 服务：下层为相邻上层提供的功能调用【垂直】

概念总结：

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构
• 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能
• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
• 第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能
• 仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽
• 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

6. OSI参考模型（7层）

目的：支持异构网络系统（不同系统、短剑）的互联互通。国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型，理论成功，但市场失败

IOS/OSI参考模型解释通信过程：

应用层：所有能和用户交互产生流量的程序，FTP、SMTP、HTTP等协议

表示层：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义），JPEG、ASCII等协议

• 可以进行数据格式变换
• 对数据进行加密和解密
• 数据的压缩和恢复

会话层：向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据，这是会话，也是建立同步（SYN），ADSP、ASP等协议

• 可以建立管理终止会话
• 使用校验点可使会话在通信时消失从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步

传输层：负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信，传输单位是报文段或用户数据报，从这到上面四层是端到端通信的形式，下面三层是点到点通信，会经过传输系统。TCP、UDP等协议

• 可靠传输、不可靠传输
• 差错控制
• 流量控制
• 复用分用：复用指多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用指运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程

网络层：主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，网络层传输单位是数据报，IP、IPX、CMP、GMP、ARP、RARP、OSPF等协议

• 路由选择
• 流量控制：限制发送速度
• 差错控制
• 拥塞控制：若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。

数据链路层：主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧，数据链路层/链路层的传输单位是帧。SDLC、HDLC、PPP、STP等协议

• 成帧：定义帧的开始和结束
• 差错控制：帧错+位错
• 流量控制
• 访问（接入）控制：控制对信道的访问

物理层：主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输，物理层传输单位是比特，透明传输指不管所传数据是什么样的比特组合都应当能够在链路上传送，Rj45、802.3等协议

• 定义接口特性：引脚怎样连接，多少个
• 定义传输模式：单工、半双工、双工
• 定义传输速率
• 比特同步
• 比特编码

7. TCP/IP参考模型（4层）

TCP/IP是先实践再理论，ISO/OSI模型是先理论再实践

OSI参考模型与TCP/IP参考模型的相同点：

• 都分层
• 基于独立的协议栈的概念
• 可以实现异构网络互联（全世界的厂商联系起来）

OSI参考模型与TCP/IP参考模型的不同点：

• OSI定义三点：服务、协议、接口
• OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
• TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次
• 关于网络层和传输层的连接形式不同

8. 适用学习的通用参考模型（5层）

5层参考模型综合了OSI和TCP/IP的优点

5层参考模型的数据封装和解封装：

9. 本章思维导图

第二章：物理层

1. 基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体（第零层），物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准

• 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
• 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
• 规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2. 数据通信基本知识

2.1 一个数据通信例子

• 电话线入网只能传输模拟信号，而计算机发出的是数字信号，这就需要调制解调器（猫）转换信号
• 另一种入网方式是宽带入网，没有了猫，插上就能入网了

2.2 相关术语

• 通信的目的是传送消息
• 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
• 信号：数据的电气、电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式
  • 数字信号：代表消息的参数取值是离散的（分段常函数）
  • 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的（正弦）
• 信源：产生和发送数据的源头
• 信宿：接受数据的终点
• 信道：信号的传输媒介，有方向性的，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
  • 依据传输信号划分：模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）
  • 依据传输介质划分：无线信道、有线信道

2.3 码元、速率、波特、带宽

• 码元（Symbol）：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表离散数值的基本波形，是数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，该时长称为码元宽度。当有M（大于2）种离散状态时，称为M进制码元，1码元可以携带多个比特的信息量

四进制码元，码元离散状态有四种，即四种高低不同的信号波形，每个码元带两个比特数据（01、00、11、10）

• 速率：是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量，分为码元传输速率和信息传输速率

  • 码元传输速率（1秒传输多少码元）：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，表示1秒内可以在信道内传输码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特(Baud)
  • 信息传输速率（1秒传输多少比特）：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（因为二进制一个码元等于一个比特，即比特数），单位是比特/秒（bit/s），就是我们平常说的网速
  • 两者关系：信息传输速率（网速）= 码元传输速率 x 码元所带信息量（多少比特）。 码元所带信息量（比特数）=log2（码元进制数）

• 波特（Baud）：用来指一秒可以传输多少个码元，1Baud=1码元/秒，这里的码元可以是多进制的也可以是二进制的，码元速率和进制数无关

• 带宽（Band Width）：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能，单位是b/s。

1 字节(b)=8 比特(bit)

2.4 三种通讯方式

名称	英文	定义	需要信道条数
单工通信	Simplex	只能一个发一个收，每一方的收发功能是写死的	一条
半双工通信	half-duplex	双方都可以发或者收，但任何一方都不能同时收发	两条
全双工通信	duplex	是现在常用的方式，双方都可以同时收发数据	两条

2.5 两种数据传输方式

传输方式	特点
串行传输	速度慢，省钱，适合远距离
并行传输	速度快，耗钱，适合近距离

计算机与设备之间连接可以用并行传输：

2.6信号失真

信号失真分为两种情况，一种是失真后可以识别，一种是不可以识别，有一种失真现象是码间串扰，码元传输速度太快了，接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

影响失真程度的因素：

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

2.10 基带信号和宽带/带通信号（Base band，pass band）

• 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
• 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤岀来基带信号）

计算机网络中用的基带信号是数字信号

3. 奈式准则与香农公式

3.1 奈式准则（Nyquist，奈奎斯特定理）

奈氏准则：在理想低通(无噪声，带宽（码元传输速率）受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，V指的是有几种码元/码元的离散电平数目，W是信道带宽，单位是Hz

• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
• 信道的频带（最大通过频率-最小通过频率）越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
• 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

3.2 香农公式（Shannon）

香农定理:在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。W为信道的带宽（以Hz为单位），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

信噪比的是评判噪声影响程度的参数，计算方法如下：

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越髙
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息传输速率的上限就确定了
• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率,就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
• 香农定理得出的为极限信息传输速率,实际信道能达到的传输速率要比它低不少
• 从香农定理可以看岀,若信道带宽w或信噪比S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

3.3奈氏准则与香农定理的对比

	奈氏准则	香农定理
一句话	内忧：带宽受限无噪声条件下,为了避免码间串扰，码元传输速率的上限2W Baud	外患：带宽受限有噪声条件下的信息传输速率
极限数据传输速率	$Wlo{g}_{2}N$	$Wlo{g}_2(1+S/N)$
提高数据率	提高带宽/采用更好的编码技术	提高带宽/信噪比

4. 编码与调制

4.1 编码

数字数据通过数字发送器转化为数字信号

模拟数据通过PCM编码器转化为 数字信号

4.2 常见的编码形式

4.2.1 非归零编码

高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同
步，这就需要再多出来一个信道传输时钟信号

4.2.2 曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1，码元0则正好相反。也可以采用相反的规定该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步）又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。

4.2.3 差分曼彻斯特编码

同1异0，常用于局域网传输，作用的都是下一个码元。其规则是若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

4.3 调制（计算题）

模拟数据通过放大器调制器转化为模拟信号

数字数据通过调制器转化为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。常用的调制方法：调频(AM)、调频(FM)、调相(PM)、调幅加调相

5. 物理层传输介质/传输媒体

传输介质分为导向性传输介质和非导向性传输介质，导向性传输介质电磁波沿着固体媒介（铜线or光纤），非导向传播非导向性传输介质自由空间，如空气，水等等

5.1 常见的导向性/导引传输介质

5.1.1 双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成，根据有无屏蔽层分为屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）

生活中的网线：

双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号，对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

5.1.2 同轴电缆（Coaxial Cable）

同轴电缆由导体铜质芯緣层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类:基带同轴电缆（局域网中得到广泛应用）和宽带同轴电缆（有线电视系统）

在生活中的应用：

由于外导体屏蔽层的用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

5.1.3 光纤（Optical fiber）

光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信，适合远距离传输，有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤主要由纤芯(实心的)和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

根据入射角不同，又分为单模光纤和多模光纤，将输入脉流处理到输出脉流：

	定义	光源	特点	外观
单模光纤	一种在横向模式直接传输光信号的光纤	定向性很好的激光二极管	衰耗小，适合远距离传输	[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cPElz1OG-1631955324563)(C:\Users\forev\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20210917024119627.png)]
多模光纤	有多种传输光信号模式的光纤	发光二极管	易失真，适合近距离传输

光纤的特点：

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
• 抗雷电和电磁干扰性能好。
• 无串音干扰,保密性好，也不易被窃听或截取数据。
• 体积小，重量轻。

5.2 常见的非导向性/导引传输介质

包括无线电波，微波，红外线和激光等

6. 物理层设备

6.1 中继器（RP repeater）

诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误
中继器的功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度

6.2 集线器（Hub）

集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

集线器是个大的冲突域，同时只能有两个设备进行通讯，只会传输信号，没有智能。

7. 本章思维导图