Data Communication Computer Network 简明教程

计算机网络基于各种因素进行分类，包括：

从地理位置来看，网络可以归入以下类别之一：

网络的组件可以通过不同的方式相互连接。连通性是指逻辑上、物理上或两者兼而有之的连接。

从管理员的角度来看，网络可以是属于单个自治系统的私有网络，并且无法在其物理或逻辑域外部进行访问。网络可以是所有人都可以访问的公共网络。

计算机系统和外围设备连接起来形成网络。它们提供了许多优点：

个人局域网络(PAN)是最小的网络, 对用户来说非常私密。这可能包括启用蓝牙的设备或启用红外的设备。PAN 的连接范围高达 10 米。PAN 可能包括无线电脑键盘和鼠标, 蓝牙耳机, 无线打印机和电视遥控器。

例如, 小网是启用蓝牙的个人局域网络, 可能最多包含 8 个设备以主从方式连接在一起。

在建筑物内跨越并由单个管理系统操作的计算机网络通常称为局域网(LAN)。通常, LAN 涵盖了组织的办公室、学校、大学。连接到 LAN 中的系统数量可以从至少两个到多达 1600 万个。

LAN 提供了一种在终端用户之间共享资源的有用方法。诸如打印机、文件服务器、扫描仪和互联网之类的资源可以在计算机之间轻松共享。

LAN 由廉价的网络和路由设备组成。它可能包含服务文件存储和本地共享的其他应用程序的本地服务器。它主要在私有 IP 地址上运行, 并且不涉及繁重的路由。LAN 在其自己的本地域内工作, 由中心控制。

LAN 使用以太网或令牌环技术。以太网是最广泛采用的 LAN 技术并使用星形拓扑, 而令牌环很少见。

LAN 可以是以太网, 无线或同时采用这两种形式。

城域网络(MAN)通常像有线电视网络一样扩展到整个城市。它可以是以太网、令牌环、ATM 或光纤分布式数据接口(FDDI)的形式。

Metro Ethernet 是一项由 ISP 提供的服务。此服务使其用户能够扩展其局域网。例如, MAN 可以帮助组织连接城市中所有办事处。

MAN 的骨干是高容量、高速光纤。MAN 在局域网和广域网之间工作。MAN 提供了 LAN 到 WAN 或互联网的上行链路。

顾名思义, 广域网(WAN)覆盖了一个可能跨越多个省甚至一个整个国家的广阔区域。一般来说, 电信网络是广域网。这些网络提供与 MAN 和 LAN 的连接。由于它们配备了超高速骨干网, WAN 使用非常昂贵的网络设备。

WAN 可以使用诸如异步传输模式(ATM)、帧中继和同步光网络(SONET)等先进技术。WAN 可能由多个管理人员管理。

网络的网络称为互联网络或简单地称为互联网。它是这个星球上存在的最大的网络。互联网广泛连接所有 WAN, 并可以连接到 LAN 和家庭网络。互联网使用 TCP/IP 协议套件, 并使用 IP 作为其寻址协议。现如今, 互联网广泛使用 IPv4 实现。由于地址空间短缺, 它正逐渐从 IPv4 迁移到 IPv6。

互联网使用户可以共享和访问全球范围内的海量信息。它使用万维网、FTP、电子邮件服务、音频和视频流等。在巨大的层面上，互联网使用客户端-服务端模型。

互联网采用速度极高的光纤骨干网。为了连接各种洲，将光纤铺设在海中，我们称之为海底通信电缆。

互联网广泛部署在使用 HTML 链接页面的万维网服务上，并可以通过客户端软件（即 Web 浏览器）访问。当用户使用位于世界任何地方某个 Web 服务器上的 Web 浏览器请求页面时，Web 服务器将使用适当的 HTML 页面进行响应。通信延迟非常低。

互联网提供了多重用途，涉足我们生活的各个方面。其中包括：

以太网是一种广泛部署的局域网技术，该技术由鲍勃·梅特卡夫和 D.R. 博格斯于 1970 年发明。它于 1980 年在 IEEE 802.3 中标准化。

以太网共享介质。使用共享介质的网络数据很容易发生冲突。以太网使用载波侦听多路访问/冲突检测 (CSMA/CD) 技术来检测冲突。当在以太网中发生冲突时，所有主机都会回滚，等待一段时间，然后重新传输数据。

以太网连接器是具有 48 位 MAC 地址的网络接口卡。这有助于其他以太网设备识别以太网中的远程设备并与其通信。

传统的以太网使用 10BASE-T 规范。数字 10 表示 10Mbps 的速度，BASE 表示基带，而 T 表示粗以太网。10BASE-T 以太网提供高达 10Mbps 的传输速度，并使用同轴电缆或带有 RJ-45 连接器的 Cat-5 双绞线同轴电缆。以太网采用星形拓扑结构，线段长度最长为 100 米。所有设备都以星形方式连接到集线器/交换机。

为了满足快速发展的软件和硬件技术的需要，以太网扩展为快速以太网。它可以在 UTP、光纤和无线环境下运行。它可以提供高达 100 Mbps 的速度。此标准在 IEEE 803.2 中使用 Cat-5 双绞线电缆命名为 100BASE-T。对于有线介质，它使用 CSMA/CD 技术在以太网主机之间共享，而对于无线以太网局域网，它使用 CSMA/CA（CA 表示冲突避免）技术。

光纤上的快速以太网在 100BASE-FX 标准下定义，该标准提供高达 100 Mbps 的光纤速度。光纤上的以太网在半双工模式下可以扩展到 100 米，在多模光纤上的全双工模式下可以达到 2000 米。

快速以太网在 1995 年推出后，仅享受了 3 年的高速状态，直到千兆以太网的推出。千兆以太网提供高达 1000 兆位/秒的速度。IEEE802.3ab 使用 Cat-5、Cat-5e 和 Cat-6 电缆对千兆以太网进行了标准化。IEEE802.3ah 定义了光纤上的千兆以太网。

局域网使用以太网，而以太网又使用共享介质。以太网中的共享介质会创建一个单一广播域和一个单一冲突域。将交换机引入以太网已经消除了单一冲突域问题，并且连接到交换机的每个设备都在其单独的冲突域中工作。但即使交换机也不能将网络划分为单独的广播域。

虚拟局域网 (VLAN) 是将单个广播域划分为多个广播域的解决方案。一个 VLAN 中的主机无法与另一个 VLAN 中的主机通信。默认情况下，所有主机都被置于同一 VLAN 中。

在此图中，不同的 VLAN 以不同的颜色代码表示。同一 VLAN 中的主机即使连接到同一交换机上也无法看到或与不同 VLAN 中的其他主机通信。VLAN 是一项第 2 层技术，与以太网密切配合。要路由两个不同 VLAN 之间的包，需要使用第 3 层设备（如路由器）。

点对点网络包含恰好两个主机，例如计算机、交换机或路由器，使用一根电缆背靠背连接的服务器。通常，一个主机的接收端连接到另一个主机的发送端，反之亦然。

如果主机在逻辑上是点对点连接的，那么可能有多个中间设备。但是，最终主机不知道底层网络，并且会将对方视为直接连接。

在总线拓扑的情况下，所有设备共享单条通信线路或电缆。当多个主机同时发送数据时，总线拓扑可能会出现问题。因此，总线拓扑使用 CSMA/CD 技术或识别一个主机为总线主设备来解决该问题。这是网络连接的一种简单形式，其中一台设备的故障不会影响其他设备。但是，共享通信线路的故障会导致所有其他设备停止运行。

共享信道的两端都有线路终端器。数据仅在一个方向发送，并且一旦到达最远端，终端器就会从线路中删除数据。

星形拓扑中的所有主机都使用点对点连接连接到一个称为集线器设备的中央设备。也就是说，主机和集线器之间存在点对点连接。集线器设备可以是以下任一种设备：

与总线拓扑一样，集线器充当单点故障。如果集线器发生故障，则所有主机与其他所有主机的连接都会失败。主机之间的每项通信都仅通过集线器进行。星型拓扑不需要高成本，因为连接一台主机只需要一根电缆，而且配置也很简单。

在环形拓扑中，每台主机连接到另外两台主机，创建了一个环形网络结构。当一台主机尝试与不与其相邻的主机通信或向其发送消息时，数据将通过所有中间主机进行传输。要在现有结构中连接一台主机，管理员可能只需要再使用一根电缆。

任何主机的故障都会导致整个环路的故障。因此，环路中的每个连接都是故障点。有些方法采用了另一个备份环路。

在这种类型的拓扑中，一台主机连接到一个或多个主机。该拓扑具有点对点连接的所有其他主机的点对点连接中的主机，或者也可能具有仅点对点连接到少数主机的点对点连接中的主机。

网状拓扑中的主机还充当其他没有直接点对点链路的主机的中继。网状技术分为两种类型：

它也被称为层次拓扑，这是目前使用最广泛的网络拓扑形式。该拓扑模拟为扩展星形拓扑并继承总线拓扑的特性。

该拓扑将网络划分为多个网络层面/层级。主要在局域网中，网络分为三类网络设备。最下层是接入层，计算机附加在此处。中间层被称为分配层，它充当上层和下层之间的调解器。最高层被称为核心层，是网络的中心点，也是树的根，所有节点从中分叉。

所有邻近主机在其之间进行点对点连接。类似于总线拓扑，如果根节点关闭，那么整个网络都会受到影响，即使它不是单点故障。每个连接都充当故障点，故障会导致网络划分为无法访问的片段。

这种拓扑以线性方式连接所有主机。类似于环形拓扑，除端点主机外，所有主机仅连接到两台主机。这意味着，如果菊花链中的端点主机连接，则表示环形拓扑。

菊花链拓扑中的每个链路都表示单点故障。每个链路故障都会将网络分成两个部分。每个中间主机充当其直接主机的中继。

包含多种拓扑设计的网络结构称为混合拓扑。混合拓扑继承了所有包含拓扑的优点和缺点。

上面的图片表示任意混合拓扑。组合拓扑可能包含星形、环形、总线和菊花链拓扑的属性。大多数广域网都通过双环拓扑连接，而连接到它们的网络大多是星形拓扑网络。互联网是最大的混合拓扑的最佳示例

在网络模型的分层架构中，整个网络进程被划分为小任务。然后，将每个小任务分配给一个特定层，该层只致力于处理任务。每层只做特定工作。

在分层通信系统中，一台主机的某个层处理由远程主机所做或准备由远程主机所做的任务，而且处理的任务位于远程主机同一级别的对等层。任务要么由最低层要么由最高层的层启动。如果任务由最高层启动，则向下传递给下一层以便进一步处理。下层做同样的事情，它处理任务并将其传递给下层。如果任务由最低层启动，则采取相反的路径。

每一层都将执行其任务部分所需的所有过程、协议和方法集合在一起。所有层通过封装头和尾来识别其对应的层。

开放系统互连是一种针对所有通信系统制定的开放式标准。OSI 模型由国际标准化组织 (ISO) 建立。此模型具有七层：

互联网使用 TCP/IP 协议套件，也称为 Internet 套件。这定义了包含 4 层架构的 Internet 模型。OSI 模型是通用通信模型，但 Internet 模型是互联网用于其所有通信的方式。互联网与其底层网络架构无关，其模型也是如此。此模型具有以下层：

发送者和接收者都有一个密钥。此密钥用于在发送方端加密数据。在加密数据后，它将被发送到公有域，发送给接收者。因为接收者知道并拥有密钥，所以加密的数据包可以轻松解密。

密钥加密的一个示例是数据加密标准 (DES)。在密钥加密中，网络中每个主机都需要一个单独的密钥，这使得管理变得很困难。

在此加密系统中，每个用户都有自己的密钥，并且不在共享域中。密钥永远不会在公有域中显示。除了密钥之外，每个用户都有自己的公开密钥。公钥始终是公开的，由发送者用于加密数据。当用户收到加密数据时，他们可以通过自己的密钥轻松对其进行解密。

公钥加密的一个示例是 Rivest-Shamir-Adleman (RSA)。

在此方法中，不发送实际数据，而是计算散列值并发送。另一端用户计算自己的散列值，并与刚刚接收的散列值进行比较。如果两个散列值匹配，则接受，否则拒绝。

消息摘要的示例是 MD5 hash。它主要用于身份验证，其中用户密码与保存在服务器上的密码进行交叉核对。

当数据通过物理介质发送时，它需要首先转换为电磁信号。数据本身可以是模拟的，例如人声，也可以是数字的，例如磁盘上的文件。模拟和数字数据都可以用数字或模拟信号表示。

当信号通过介质传播时，它们往往会变弱。这可能有许多原因，如下所示：

称为传输介质的信息在两个计算机系统之间的发送介质。传输介质有两种形式。

信息的传输速度称为信道容量。在数字世界中，我们将其计为数据速率。它取决于许多因素，例如：

多路复用是一种在单个介质上混合和发送多个数据流的技术。此技术需要称为多路复用器 (MUX) 的系统硬件来对数据流进行多路复用并将其发送到介质，以及从介质中获取信息并将其分发到不同目的地的解复用器 (DMUX)。

交换是一种从源头向目的地发送数据/信息但未直接连接的机制。网络具有互连设备，这些设备从直接连接的源获取数据，存储数据，分析数据，然后转发到最接近目的地的下一个互连设备。

交换可以分为：

本部分解释了如何将数字数据转换为数字信号。它可以通过两种方式完成，线路编码和块编码。对于所有通信，都必须使用线路编码，而块编码是可选的。

将数字数据转换为数字信号的过程称为线路编码。数字数据采用二进制格式。它在内部表示（存储）为一系列 1 和 0。

数字信号由离散信号表示，它表示数字数据。有三种可用的线路编码方案：

为了确保接收到的数据帧的准确性，使用了冗余位。例如，在偶校验中，添加一个校验位，以便使帧中 1 的数量变为偶数。通过这种方式，位数会增加。这被称为块编码。

块编码以斜线表示法表示，mB/nB。这意味着，m 位块被 n 位块替换，其中 n > m。块编码涉及三个步骤：

完成块编码后，对它进行线路编码以进行传输。

麦克风会产生模拟语音，摄像机会产生模拟视频，它们被视为模拟数据。为了通过数字信号传输这种模拟数据，我们需要进行模数转换。

模拟数据是波形中的连续数据流，而数字数据是离散的。为了将模拟波转换为数字数据，我们使用脉冲编码调制 (PCM)。

PCM 是将模拟数据转换为数字形式最常用的方法之一。它涉及三个步骤：

传输模式决定了数据如何在两台计算机之间传输。1 和 0 形式的二进制数据可以通过两种不同的模式发送：并行和串行。

当从一台计算机发送数据到另一台计算机通过某些模拟载波时，它首先被转换为模拟信号。模拟信号被改变以反映数字数据。

模拟信号由其幅度、频率和相位来表征。有三种数模转换：

模拟信号被修改以表示模拟数据。这种转换也称为模拟调制。当使用带通时需要模拟调制。模拟到模拟的转换可以通过三种方式完成:

在网络诞生之前，从一台计算机向另一台计算机传输数据的最方便的方法之一就是将其保存在某些存储媒体上，然后在不同站点之间进行物理传输。尽管在当今高速互联网时代，这似乎是一种老套的方法，但是当数据量巨大时，磁性媒体就会发挥作用。

例如，一家银行必须处理和传输其客户的巨量数据，出于安全原因和为了避免不确定的灾难，它在某些遥远的地方存储数据备份。如果银行需要存储其大量的备份数据，那么通过互联网传输是不可行的。广域网链路可能不支持如此高的速度。即使支持，成本也过高。

在这些情况下，数据备份存储在磁带上或磁碟上，然后在远程位置进行物理转移。

双绞线由两根绝缘的塑料铜线绞合在一起形成一个单一介质。在这两根线中，只有一根承载实际信号，另一根用于接地参考。线之间的扭曲有助于减少噪声（电磁干扰）和串扰。

双绞线电缆有两种类型：

STP 电缆带金属箔覆盖的绞合线对。这使得它对噪音和串扰更不敏感。

UTP 有七类，每类适用于特定的用途。在计算机网络中，最常使用 Cat-5、Cat-5e 和 Cat-6 电缆。UTP 电缆通过 RJ45 连接器连接。

同轴电缆有两根铜线。芯线位于中心，由实心导体制成。芯线被包在绝缘护套中。第二根线缠绕在护套上，反过来也被绝缘护套包覆。这一切都覆盖着塑料护套。

同轴电缆由于其结构，能够承载比双绞线电缆更高的频率信号。环绕结构为其提供了针对噪声和串扰的良好屏蔽。同轴电缆提供高达 450 mbps 的高带宽速率。

同轴电缆有三个类别，即 RG-59（有线电视）、RG-58（细以太网）和 RG-11（粗以太网）。RG 代表无线电政府。

电缆使用 BNC 连接器和 BNC-T 连接。BNC 终端用于在远端端接电线。

电力线通信（PLC）是一种使用电源线传输数据信号的第 1 层（物理层）技术。在 PLC 中，调制数据通过电缆发送。另一端的接收器解调并解释数据。

由于电力线的广泛部署，PLC 可以对所有带电设备进行控制和监控。PLC 采用半双工工作模式。

有两种类型的 PLC：

窄带 PLC 提供较低的数据速率，最高可达数百 kbps，因为它们的工作频率较低（3-5000 kHz）。它们可以延伸数公里。

宽带 PLC 提供较高的数据速率，最高可达数百 Mbps，并以较高的频率工作（1.8 – 250 MHz）。它们的延伸距离不如窄带 PLC。

光纤利用光线的特性工作。当光线以临界角射入时，它会倾向于以 90 度折射。这种特性已应用于光纤中。光纤电缆的纤芯由高品质玻璃或塑料制成。从它的一端发射光，光穿过它并在另一端由光探测器探测光流并将其转换为电气数据。

光纤提供最高的速度模式。它有两种模式，一种是单模光纤，另一种是多模光纤。单模光纤可以传输单束光，而多模光纤可以传输多束光。

光纤还具有单向和双向传输功能。要连接和访问光纤，需要使用特殊类型的连接器。这些可以是用户信道 (SC)、直头 (ST) 或 MT-RJ。

射频更容易产生，并且由于其波长较长，它可以穿透墙壁和类似的结构。电波的波长可以从 1 毫米到 100,000 公里，频率范围从 3 赫兹（极低频）到 300 吉赫兹（极高频）。射频分为六个频段。

较低频率的电波可以穿透墙壁，而较高的射频可以直线传播并反弹。低频波的功率在长距离传播时会急剧下降。高频电波的功率更大。

极低频、低频、中频等较低频率可以在地面上传播长达 1000 公里，跨越地球表面。

高频电波容易被雨水和其他障碍物吸收。它们利用地球大气层的电离层。高频电波如高频和甚高频波段向上传播。到达电离层时，它们会被折射回地球。

100 兆赫以上的电磁波倾向于直线传播，并且可以通过将这些波束射向一个特定的工作站来发送信号。由于微波以直线传播，发送器和接收器都必须严格地对准在视线范围内。

微波的波长范围为 1 毫米 – 1 米，频率范围为 300 MHz 到 300 GHz。

微波天线通过将波聚焦汇聚成一个波束。如图所示，可以对多个天线进行对齐以实现更远的传输距离。微波具有较高的频率，并且不会像障碍物一样穿透墙壁。

微波传输很大程度上取决于天气条件及其使用的频率。

红外波位于可见光谱和微波之间。它的波长为 700-nm 至 1-mm，频率范围为 300-GHz 至 430-THz。

红外波用于电视和遥控器等非常短程通信目的。红外波呈直线传播，因此本质上是定向的。由于频率范围高，红外波无法穿透墙等障碍物。

用于数据传输的最高电磁频谱是光或光学信号。这是通过激光实现的。

由于频率光线的使用，它倾向于严格地沿直线传播。因此，发送器和接收器必须处于视线范围内。由于激光传输是单向的，因此需要在通信的两端安装激光器和光电探测器。激光束通常宽 1 毫米，因此精确对齐两个遥远的接收器以指向激光源是一项精细工作。

激光器用作 Tx（发送器），光电探测器用作 Rx（接收器）。

激光不能穿透障碍物，如墙壁、雨和浓雾。此外，激光束会因风、大气温度或路径中的温度变化而失真。

激光对于数据传输是安全的，因为在不中断通信信道的情况下窃听 1 毫米宽的激光非常困难。

当载波为频率时，使用 FDM。FDM 是一种模拟技术。FDM 将频谱或载波带宽划分为逻辑信道，并为每个信道分配一个用户。每个用户都可以独立使用信道频率，并对其具有独占访问权。所有信道都被划分，从而彼此不重叠。信道由保护带分开。保护带是任何信道都不使用的频率。

TDM 主要应用于数字信号，但也可以应用于模拟信号。在 TDM 中，共享信道通过时隙分配给其用户。每个用户只能在提供的时隙内传输数据。数字信号被划分为帧，相当于时隙，即可以在给定的时隙内传输的最佳大小的帧。

TDM 以同步模式工作。两端（即多路复用器和解复用器）都及时同步，并且都同时切换到下一个信道。

当信道 A 在一端传输其帧时，解复用器在另一端为信道 A 提供介质。一旦信道 A 的时隙到期，这端就会切换到信道 B。在另一端，解复用器以同步方式工作，并为信道 B 提供介质。来自不同信道的信号交错地传输路径。

光有不同的波长（颜色）。在光纤模式中，通过使用不同的波长将多个光载波信号多路复用到光纤中。这是一种模拟多路复用技术，在概念上与 FDM 相同，但使用光作为信号。

此外，可以在每个波长上整合时分多路复用，以容纳更多的数据信号。

可以通过使用码分多路复用通过单一频率传输多个数据信号。FDM 将频率分成较小的信道，但 CDM 允许其用户全带宽，并且使用唯一码始终传输信号。CDM 使用正交码来扩展信号。

每个站点都会分配一个称为码片的唯一码。信号在整个带宽内使用这些码片独立传输。接收器预先知道它必须接收的码片码信号。

当两个节点通过专用通信路径彼此通信时，这称为电路交换，需要一条预先指定的数据传输路线，不允许其他数据传输。在电路交换中，为了传输数据，必须建立电路，以便进行数据传输。

电路可以是永久的或临时的。使用电路交换的应用程序可能必须经历三个阶段：

电路交换是为语音应用程序设计的。电话是最适合的电路交换示例。在用户拨打电话之前，必须在网络上建立呼叫者和被叫者之间的虚拟路径。

这种技术介于电路交换和分组交换之间。在报文交换中，整个报文被视为一个数据单元，并完整交换/传输。

使用报文交换工作的交换机首先接收整个报文，并将其缓冲，直到有可用于将其传输到下一个跳跃的资源。如果下一个跳跃没有足够的资源来容纳大尺寸报文，则存储报文，然后交换机等待。

这种技术被认为是对电路交换的替代。与电路交换中的为两个实体完全阻塞路径不同，报文交换被分组交换所取代。报文交换具有以下缺点：

消息交换的不足之处催生了一种分组交换的思想。整个消息被分解成更小的块，称为分组。交换信息被添加到每个分组的头部并独立传输。

中间网络设备更容易存储小尺寸分组，而且它们在载波路径或交换机的内部存储器中也不会占用太多的资源。

分组交换提高了线路效率，因为可以将来自多个应用程序的分组多路复用到载波上。互联网使用分组交换技术。分组交换使用户能够根据优先级区分数据流。分组根据其优先级进行存储和转发，以提供服务质量。

数据链路层代表上层执行许多任务。这些任务有：

可能出现三种类型的错误：

错误控制机制可能涉及两种可能的方式：

通过奇偶校验和循环冗余校验 (CRC) 检测接收帧中的错误。在这两种情况下，都会发送一些额外的位以及实际数据，以确认在另一端接收到的位与发送的位相同。如果接收端端的反向检查失败，则认为这些位已损坏。

在数字世界中，错误校正可以通过两种方式完成：

第一种方法 - 向后错误校正 - 简单且只能在重新传输不昂贵的情况下高效使用。例如，光纤。但在无线传输的情况下，重新传输可能代价太高。在后一种情况下，使用了前向错误校正。

为了纠正数据帧中的错误，接收器必须确切地知道该帧中的哪个位已损坏。为了找到出错的位，冗余位用作奇偶校验位来进行错误检测。例如，我们采用 ASCII 词（7 位数据），那么我们需要 8 种信息：前 7 位用于告诉我们哪个位出错，再加 1 位表示没有错误。

对于 m 位数据，使用 r 位冗余位。r 位可以提供 2r 种信息组合。在 m+r 位信息代码中，r 位本身可能会损坏。因此，所用 r 位数必须传达有关 m+r 位位置加上无错误信息，即 m+r+1 的信息。

当一个数据帧（第 2 层数据）通过一个介质从一个主机发送到另一个主机时，要求发送方和接收方以相同速度工作。也就是说，发送方以接收方能够处理和接收数据的速度发送数据。如果发送方或接收方的速度（硬件/软件）不同怎么办？如果发送方发送得太快，接收方可能会超载（淹没），数据可能会丢失。

可以部署两种类型的机制来控制流：

这种流控制机制强制发送方在传输数据帧后停止并等待收到已发送数据帧的确认。

当传输数据帧时，数据帧在传输过程中可能会丢失，或者接收到时损坏。在这两种情况下，接收方都不会收到正确的数据帧，并且发送方对任何丢失的情况一无所知。在这种情况下，发送方和接收方都配备了一些协议，帮助他们检测传输错误，例如数据帧丢失。因此，发送方会重新传输数据帧，或者接收方可能会请求重新发送上一个数据帧。

错误控制机制的要求：

数据链路层可以使用以下三种类型的技术，通过自动重复请求 (ARQ) 来控制错误：

在网络层工作的设备主要专注于路由。路由可能包括旨在实现单个目标的各种任务。这些任务可以是：

第 3 层凭借其标准功能可提供各种特性，如：

互联网协议是广受尊重和部署的网络层协议，它有助于在互联网上实现端到端设备通信。它有两种类型。IPv4 已统治世界数十年，但现在地址空间即将耗尽。IPv6 被创建出来以取代 IPv4，并有望缓解 IPv4 的局限性。

互联网和内联网上大多数流量（称为单播数据或单播流量）都使用指定目的地发送。通过互联网路由单播数据称为单播路由。这是最简单的路由形式，因为目的地已知。因此，路由器只需查找路由表并将数据包转发到下一跳即可。

默认情况下，广播数据包不会在任何网络上的路由器路由和转发。路由器创建广播域。但是，可以在某些特殊情况下对其进行配置以转发广播。广播消息会发送给网络中的所有设备。

广播路由可以通过两种方式（算法）进行：

多播路由是广播路由的一种特殊情况，具有重要的差异和挑战。在广播路由中，数据包会发送到所有节点，即使它们不需要。但在多播路由中，数据只会发送到希望接收数据包的节点。

路由器必须知道希望接收多播数据包（或流）的节点，然后才能进行转发。多播路由使用生成树协议来避免循环。

多播路由还使用反向路径转发技术来检测和丢弃重复项和循环。

Anycast 数据包转发是一种机制，其中多个主机可以具有相同的逻辑地址。当收到发往此逻辑地址的数据包时，它会发送到在路由拓扑中最近的主机。

Anycast 路由是借助 DNS 服务器完成的。每当收到 Anycast 数据包时，会询问 DNS 将其发送到何处。DNS 提供的是其上配置的最近的 IP 地址。

有两种类型的路由协议可用于路由单播数据包：

单播路由协议使用图形，而多播路由协议使用树，即生成树来避免循环。最佳树称为最短路径生成树。

跨协议组播现在普遍使用。它有两种方式：

路由算法如下：

如果两个在地理上分离的网络想要相互通信，它们可以在它们之间部署一条专线，或者它们必须通过中间网络传输数据。

隧道是一种机制，两个或更多相同的网络通过传递中间网络复杂性相互通信。隧道配置在两端。

当数据从隧道的其中一端输入时，它被标记。然后将此标记数据在中间或中转网络内路由到隧道的另一端。当数据退出隧道时，其标记将被移除并传递到网络的另一部分。

两端似乎直接连接，并且标记使数据在中转网络中传输而不会进行任何修改。

大多数以太网段的最大传输单元 (MTU) 固定为 1500 字节。数据包的长度可以根据应用程序而多或少。中转路径中的设备还具有硬件和软件功能，这些功能指示该设备可以处理多少数据以及可以处理多大的数据包。

如果数据包大小小于或等于中转网络可以处理的数据包大小，则该数据包以中立的方式进行处理。如果数据包较大，则将其分解为较小的片段，然后转发。这称为数据包分段。每个片段包含相同的目标和源地址，并且很容易通过中转路径路由。在接收端将其再次组装。

如果带有 DF（请勿分段）比特设置设为 1 的数据包到达因其长度而无法处理该数据包的路由器，则丢弃该数据包。

当路由器收到 MF（更多片段）比特设为 1 的数据包时，路由器知道这是一个分段数据包，原始数据包的部分正在传送中。

如果数据包分段太小，则会增加开销。如果数据包分段太大，则中间路由器可能无法处理它，并且可能会被丢弃。

在通信时，主机需要属于同一广播域或网络的目的地计算机的第 2 层（MAC）地址。MAC 地址物理刻录在计算机的网络接口卡 (NIC) 中，并且永远不会更改。

另一方面，公有域的 IP 地址很少更改。如果在出现某些故障的情况下更换了网卡，MAC 地址也会更改。这样，为了进行第 2 层通信，需要对两者进行映射。

为了得知广播域中远程主机的 MAC 地址，希望启动通信的计算机发送一个 ARP 广播消息，询问“谁拥有这个 IP 地址？”由于是广播，网络段（广播域）上的所有主机都会接收并处理此数据包。ARP 数据包包含目标主机的 IP 地址，发送主机希望与此主机通信。当一台主机收到发往自己的 ARP 数据包时，它会用自己的 MAC 地址回复。

一旦主机获取了目标 MAC 地址，它就可以使用第 2 层链路协议与远程主机通信。此 MAC 到 IP 的映射将保存到发送和接收主机的 ARP 缓存中。下次如果需要通信，它们可以直接引用各自的 ARP 缓存。

反向 ARP 是一种机制，其中主机知道远程主机的 MAC 地址，但需要知道 IP 地址才能进行通信。

ICMP 是一种网络诊断和错误报告协议。ICMP 属于 IP 协议套件，并使用 IP 作为载波协议。在构造 ICMP 数据包后，它会封装在 IP 数据包中。因为 IP 本身就是一种尽力而为的不可靠协议，所以 ICMP 也是如此。

任何有关网络的反馈都将发回源主机。如果网络中发生某些错误，将通过 ICMP 报告。ICMP 包含数十个诊断和错误报告消息。

ICMP-echo 和 ICMP-echo-reply 是最常用的 ICMP 消息，用于检查端到端主机的可达性。当主机收到 ICMP-echo 请求时，它会向回发送 ICMP-echo-reply。如果中转网络中出现任何问题，ICMP 都会报告该问题。

IPv4 是用作 TCP/IP 主机寻址机制的 32 位寻址方案。IP 寻址使 TCP/IP 网络上的每个主机都可以唯一标识。

IPv4 提供了分层寻址方案，可以将其网络划分为子网络，每个子网络都有明确定义的主机数量。IP 地址分为许多类别：

IPv4 还拥有明确定义的地址空间，可作为私有地址（无法在互联网上路由）和公共地址（由 ISP 提供并可以在互联网上路由）使用。

虽然 IP 不是可靠的，但它提供了“尽力而为的交付”机制。

IPv4 地址枯竭催生了下一代互联网协议版本 6。IPv6 使用 128 位宽地址对节点进行寻址，为未来在整个地球或更远的地方使用提供了充足的地址空间。

IPv6 引入了 Anycast 地址指定，但去掉了广播概念。IPv6 使设备能够自动获取 IPv6 地址并在子网内通信。这种自动配置消除了对动态主机配置协议 (DHCP) 服务器的依赖。这样一来，即使该子网上的 DHCP 服务器宕机，主机也能相互通信。

IPv6 提供了 IPv6 移动性这一新特性。具备移动 IPv6 的机器可以在无需更改其 IP 地址的情况下漫游。

IPv6 仍处于过渡阶段，预计在未来几年将完全取代 IPv4。目前，只有少数网络在运行 IPv6。有一些过渡机制可用于使启用了 IPv6 的网络在 IPv4 上轻松地相互通信和漫游。这些机制包括：

一个主机上的进程通过 TSAP（也称为端口号）识别远程网络上的对等主机。TSAP 定义非常明确，尝试与对等主机通信的进程会预先知道这一点。

例如，当 DHCP 客户端想要与远程 DHCP 服务器通信时，它总是请求端口号 67。当 DNS 客户端想要与远程 DNS 服务器通信时，它总是请求端口号 53（UDP）。

两个主要的传输层协议是：

TCP 报头的长度最少为 20 字节，最长为 60 字节。

NS - 随机数和位由显式拥塞通知信令进程使用。 CWR - 当主机收到带有 ECE 比特位的报文时，它会设置拥塞窗口减小，以确认已收到 ECE。 ECE - 它具有两个含义：如果 SYN 比特位清除为 0，那么 ECE 表示 IP 数据包设置了其 CE（拥塞体验）比特位。如果 SYN 比特位设置为 1，则 ECE 表示该设备具有 ECT 功能。 URG - 它表明紧急指针字段具有重要数据，应予以处理。 ACK - 它表明确认字段具有重要意义。如果 ACK 被清除为 0，它表示数据包不包含任何确认。 PSH - 设置时，它是向接收站发出请求，要求将其（只要一到达）推送（push）到接收应用程序，而不要对其进行缓冲。 RST - 重置标志具有以下特点：它用于拒绝传入连接。它用于拒绝报文分段。它用于重启连接。 SYN - 此标志用于在主机之间建立连接。 FIN - 此标志用于释放连接，此后不再交换数据。由于具有 SYN 和 FIN 标志的数据包具有序号，因此将按正确顺序对其进行处理。

两个远程主机之间的 TCP 通信是通过端口号（TSAP）完成的。端口号的范围是 0 到 65535，分为：

TCP 通信以服务器/客户端模式工作。客户端发起连接，服务器要么接受要么拒绝连接。使用三向握手来进行连接管理。

TCP 使用窗口大小的概念来满足带宽管理的需求。窗口大小告知远程端的发送方，此端接收方可以接收的数据字节段数。TCP 使用窗口大小 1 通过慢启动阶段，并在每次成功通信后以指数方式增加窗口大小。

例如，客户端使用窗口大小 2，并发送 2 个字节的数据。当收到此段的确认时，窗口大小会加倍为 4，而下一次发送的段长度将为 4 个数据字节。当收到 4 字节数据段的确认后，客户端将窗口大小设置为 8，依此类推。

如果错失确认（即数据在传输网络中丢失或收到 NACK），则窗口大小将减半，并重新启动慢启动阶段。

TCP 使用端口号来了解它需要将数据段移交到哪个应用程序进程。除此之外，它还使用序列号来与远程主机同步。所有数据段都带有序列号进行发送和接收。发送方通过获得 ACK 时，了解接收方收到的上一个数据段是什么。接收方通过查阅最近收到的数据包的序列号而了解发送方发送的上一个数据段。

如果最近收到的数据段的序列号与接收方预期的序列号不匹配，则该段将被丢弃，并发送回 NACK。如果两个段带有相同的序列号到达，则将比较 TCP 时间戳值以做出决策。

将两个或多个数据流合并到一个会话中的技术称为多路复用。当 TCP 客户端与服务器初始化连接时，它始终会指代一个明确的端口号，该端口号表示该应用程序进程。客户端本身使用从专用端口号池中随机生成的端口号。

通过使用 TCP 多路复用，一个客户端可以在单个会话中与多个不同的应用程序进程通信。例如，客户端请求一个网页，该网页包含不同类型的数据（HTTP、SMTP、FTP 等），TCP 会话超时被增加，会话将被保持开放更长时间，从而可以避免三路握手开销。

这使用户系统能够通过单个虚拟连接接收多个连接。如果超时时间太长，这些虚拟连接并不适用于服务器。

当系统中输入大量的数据而系统无法处理时，就会发生拥塞。TCP 通过窗口机制来控制拥塞。TCP 设置窗口大小，告诉另一端发送多少数据段。TCP 可使用三种算法来控制拥塞：

TCP 使用不同类型的计时器来控制和管理各种任务：

TCP 是一个非常可靠的协议。它为每个段中发送的字节提供序列号。它提供反馈机制，即当主机收到一个数据包时，它有义务对具有下一期望序列号（如果不是最后一个段）的数据包发送 ACK。

当一个 TCP 服务器在通信途中崩溃并重新开始其进程时，它会向其所有主机发送 TPDU 广播。然后，主机可以发送从未确认且带有的最后一个数据段继续接收。

可能会出现一个问题，为什么我们需要一个不可靠的协议来传输数据？我们在确认数据包与实际数据一起共享大量带宽的情况下部署 UDP。例如，在视频流的情况下，数千个数据包会转发给其用户。对所有数据包进行确认会很麻烦，并且可能会造成大量的带宽浪费。底层 IP 协议的最佳传输机制确保尽力传输其数据包，但即使视频流中丢失了一些数据包，影响也不大并且可以轻松忽略。有时，视频和语音流量中丢包会悄无声息。

UDP 报头与它的功能一样简单。

UDP 报头包含四个主要参数：

以下是使用 UDP 传输数据的几个应用程序：

客户机-服务器模型中的两个进程可以通过多种方式进行交互：

域名系统 (DNS) 在客户端服务器模型上工作。它使用 UDP 协议进行传输层通信。DNS 使用基于层次域的命名方案。DNS 服务器配置有完全限定域名 (FQDN) 和映射到其各自互联网协议地址的电子邮件地址。

DNS 服务器要求提供 FQDN，并通过映射的 IP 地址做出响应。DNS 使用 UDP 端口 53。

简单邮件传输协议 (SMTP) 用于在用户之间传输电子邮件。此任务是通过用户正在使用的电子邮件客户端软件（用户代理）来完成的。用户代理帮助用户键入和格式化电子邮件，并在互联网可用之前存储电子邮件。当提交电子邮件发送时，发送过程由邮件传输代理来处理，该代理通常内置在电子邮件客户端软件中。

邮件传输代理使用 SMTP 将电子邮件转发到另一个邮件传输代理（服务器端）。最终用户使用 SMTP 仅发送电子邮件，而服务器通常使用 SMTP 来发送和接收电子邮件。SMTP 使用 TCP 端口号 25 和 587。

客户端软件使用互联网邮件访问协议 (IMAP) 或 POP 协议来接收电子邮件。

文件传输协议 (FTP) 最广泛用于通过网络进行文件传输。FTP 使用 TCP/IP 进行通信，并使用 TCP 端口 21。FTP 在客户端/服务器模型上工作，其中客户端从服务器请求文件，而服务器将请求的资源发送回客户端。

FTP 使用带外控制，即 FTP 使用 TCP 端口 20 来交换控制信息，而实际数据则通过 TCP 端口 21 发送。

客户端向服务器请求文件。当服务器接收到文件请求时，它为客户端打开一个 TCP 连接并传输文件。传输完成后，服务器关闭连接。对于第二个文件，客户端再次请求，服务器重新打开一个新的 TCP 连接。

邮局协议版本 3 (POP 3) 是用户代理（客户端电子邮件软件）用于从邮件服务器检索邮件的简单邮件检索协议。

当客户端需要从服务器检索邮件时，它在 TCP 端口 110 上与服务器打开一个连接。然后，用户可以访问其邮件并将其下载到本地计算机。POP3 以两种模式工作。最常见的模式为删除模式，即下载电子邮件到本地计算机后从远程服务器删除电子邮件。第二种模式为保留模式，不会从邮件服务器删除电子邮件，并向用户提供以后在邮件服务器上访问邮件的选项。

超文本传输协议 (HTTP) 是万维网的基础。超文本是组织良好的文档系统，使用超链接来链接文本文档中的页面。HTTP 在客户端服务器模型上工作。当用户想要访问互联网上的任何 HTTP 页面时，用户端的客户端计算机在端口 80 上启动到服务器的 TCP 连接。当服务器接受客户端请求时，客户端被授权访问网页。

为了访问网页，客户端通常使用 Web 浏览器，Web 浏览器负责启动、维护和关闭 TCP 连接。HTTP 是一种无状态协议，这意味着服务器不会保留有关客户端早期请求的任何信息。

HTTP 版本

这些服务是名称与其值的映射，名称的值可能是变量值或固定值。此软件系统有助于存储信息、组织信息并提供用于访问信息的不同方法。

文件服务包括通过网络共享和传输文件。

这些内容只不过是为用户提供基于网络的服务，例如网络服务、数据库管理和资源共享。