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计算机网络常考知识点总结,网络七层协议之物

发布时间:2019-06-30 11:26编辑:电脑系统浏览(90)

    前一节讨论了一个理想化模型——两服务器通讯。 现在,我们把问题进一步拓展一下:多台机器如何实现两两通讯?

    我们以一个非常简单的例子开始:

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    网络层讨论的问题是分组怎样从一个网络通过路由器转发到另一个网络;

    计算机网络常考知识点总结

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    新葡亰496net 1两服务器通讯问题

    我们以一个非常简单的例子开始:

    数据链路层研究的是同一个局域网中,分组怎样从一个主机传送到另一个主机(不经过路由器)。

    1 电路交换与分组交换的区别是什么?优劣对比?

    答:先介绍基本概念:

    • 电路交换
      • 概念:必须经过建立连接(占用通信资源)--->通话(一直占用通信资源)--->释放连接三个步骤的交换方式称为电路交换。
      • 优点:
        • 通信质量有保证。
      • 缺点:
        • 线路传输效率比较低。
      • 特点:
        • 在通话的全部时间内,通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
    • 分组交换(也称包交换)
      • 报文:我们把要发送的整块数据称为一个报文。
      • 分组又称包。分组的首部也可以称为“包头”。
      • 概念:通信双方以分组为单位、使用存储--转发机制实现数据交互的通信方式,被称为分组交换。
      • 优点:
        • 高效
        • 灵活
        • 迅速
        • 可靠
      • 缺点:
        • 分组在路由器存储转发需要时延。
        • 携带首部控制信息造成一定开销。

    多服务器通讯问题

    注解

    为了简化接下来的讨论,我们站在物理层的基础上,所有数据发送省略控制比特 10100101

    下面,以三台服务器为例:

    新葡亰496net 2

    图中,有 3计算机网络常考知识点总结,网络七层协议之物理层。 台服务器,名字分别是: antbee 以及 cicada 。 为了通讯,我们设想三者均连接至一根共用导线,每台服务器都可以改变导线电平,也可以检测导线电平。 进一步假设,在硬件层面,多机器冲突仲裁机制已经实现并且可用。 这样,是否解决了多服务器通讯问题?

    如上图,有两台服务器,分别是 Server 1Server 2 。 我们先做一个假设:计算机网络现在还没有被发明出来, 作为计算机科学家的你,想在这两台服务器间传递数据,怎么办?

    两服务器通讯问题

    新葡亰496net 3

    如上图,有两台服务器,分别是 Server 1 和 Server 2 。 我们先做一个假设:计算机网络现在还没有被发明出来, 作为计算机科学家的你,想在这两台服务器间传递数据,怎么办?

    这时,你可能会想到,用一根电缆把两台服务器连接起来:

    新葡亰496net 4

    物理课大家都学过,电线可以分为 低电平 和 高电平 。 电平可以高低变化,这样不就可以传递信息了么: Server 1 控制电缆电平的高低, Server 2 检测电平的高低,这样就实现了 Server 1 往 Server 2 发送数据啦!

    更进一步,可以将高低电平抽象成数学语言:我们用低电平表示 0 ,高电平表示 1 ,这样就得到一个理想化的信道:

    新葡亰496net 5

    通过信道,双方可以传递一些 01 比特流。 例子中,我们传输的比特流是 1111010101... (从右往左看)。 比特流可以编码任意信息: 比如,我们用 1111 表示告诉对方本地开机了,用 0000 告诉对方本地准备关机了。

    到目前为止,我们是不是万事具备了呢? 一个比特流信道成为现实?——理论上是这样子的。 但是,现实世界往往要比理想化的模型复杂一些。

    零、数据链路

    链路:从一个结点到相邻结点的一段物理线路(有线或无线),中间没有任何其他的交换结点。 链路只是一条路径的组成部分。

    数据链路:是物理链路 实现通信协议的硬件和软件。 使用网络适配器来实现这些协议。(包含物理层和数据链路层)

    数据链路层的三个基本问题:封装成帧、透明传输和差错检测。

    2 电路交换、报文交换和分组交换

    • 电路交换:整个报文的比特流连续地从原点直达终点,好像在一个管道中传送。
    • 报文交换:整个报文先传送到相邻结点,全部存储下来后查找转发表,转发到下一个结点。
    • 分组交换:单个分组(只是报文的一部分)传送到相邻结点,存储下来后查找转发表,转发到下一个结点。

    寻址

    假设, antbee 发送(粗体)一个数据 11110000 。 由于导线是共享的,所有机器都可以检测到电平信号。 换句话讲, beecicada 都会收到这个数据 11110000 ,而 cicada 本不应该接收这个数据! 另一方面, bee 收到数据后,也不知道数据到底是谁发送给它的。

    新葡亰496net 6

    因此,我们需要引入一些比特,用来标识数据的来源以及目的地。 我们的例子只有3台服务器,两个比特就足以唯一确定一台机器:

    机器 比特
    ant 00
    bee 01
    cicada 10

    那么,发送数据时,额外加上两个比特用于表示来源机器,另外两个比特表示目标机器,问题不就解决了吗?

    新葡亰496net 7

    bee 收到数据后,检查前两个比特(红色),值为 00 ,便知道是 ant 发出来的; 检查紧接着的两个比特(绿色),值为 01 ,与自己匹配上,便愉快地收下了。 相反, cicada 收到数据后,发现 01 和自己 10 匹配不上,便丢弃这个数据。

    新引入比特所起的作用,在计算机网络中称为 寻址 。 这两个比特也就称为 地址 ,其中,红色为源地址,绿色为目的地址。 通过引入寻址,我们完美地解决了数据从哪来,到哪去的问题。

    原文地址: (coding-fan)

    发送控制

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    首先,如上图,信道是无穷无尽的。 因为,信道状态要么为 0 ,要么为 1 ,没有一种表示空闲的特殊状态。

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    举个例子,如上图, Server 1 向 Server 2 发送比特序列 101101001101 (从右往左读)。 最后一个比特是 1 ,对应的电平是高电平。 发送完毕后,由于没有没有其他地方改变电缆的电平,所以还是维持高电平状态。 也就是说,信道看起来还是按照既定节拍,源源不断地发送 1 (灰色部分), Server 2 怎么检测结尾在哪里?

    我们可以定义一些特殊的比特序列,用于定义开头结尾: 101010 表示开头, 010101 表示结尾。

    新葡亰496net 10

    这时, Server 1 先发送 101010 (红色),告诉 Server 2 我要开始发数据了; 然后, Server 1 开始发送数据 1101011 (黑色部分); 最后, Server 1 发送 010101 (绿色),告诉 Server 2 数据发送完毕。 注意到,平时信道为 1 (灰色),也就是代表空闲状态。

    一、使用点对点信道的数据链路层

    对于点对点链路,点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)是使用最广泛的数据链路层协议。因特网用户通常都要连接到某个ISP才能接入因特网。PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。

    3 计算机网络的定义

    • 概念:是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备,通过通信线路连接起来,在网络操作系统,网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下,实现资源共享和 信息传递的计算机系统。

    复用/分用

    信道只有一个,但是通讯需求是无穷无尽的——传输研究数值、文件打印、即时通讯,不一而足。 如何解决这个矛盾呢?套路还是一样的——引入新的比特。

    假设,总的通讯需求就上面这3个,那么,2个额外的比特便解决了问题。

    类型 比特
    研究数据 00
    文件打印 01
    即时通讯 10

    这时,假设 antbee 上报研究数据并打印一个文件:

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    这样,通过新引入的紫色比特,我们实现了在同个信道上进行不同的通讯! bee 接收到数据后,根据紫色比特,决定数据如何处理。

    接下来,从理论的视角来审视这个场景:

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    信道只有一个,需要承载不同的通讯需求。 在发送端,通过加入紫色比特,将不同的数据通过一个共用信道发送出去,这个过程叫做 复用 ( Multiplexing ); 在接收端,从共用信道上接收数据,然后检查紫色比特决定数据如何处理,这个过程叫做 分用 ( Demultiplexing )。 在接下来的章节,我们将看到 复用 - 分用 这个概念贯彻计算机网络的始终。

    新葡亰496net 13

    到目前为止,我们引入了 3 种不同的比特,分别是 源地址目的地址 以及 数据类型 。 对于这些比特的位数以及含义的约定,便成为 网络协议

    这时,你可能会想到,用一根电缆把两台服务器连接起来:

    冲突仲裁

    如果两台服务器同时往信道里发送数据,会发生什么事情呢?

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    肯定冲突了嘛!一台发 0 ,一台发 1 ,那你说信道到底是 0 还是 1 ? 那么,冲突要怎么解决呢?

    解决方式也简单,只需在硬件层面实现一种机制:在检测到两台服务器同时发送数据时,及时喊停,并协商到底由哪一方先发。

    二、使用广播信道的数据链路层

    局域网使用的是就是广播信道。

    局域网的特点:网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限。

    共享信道的一个问题是:如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源?有两种方法:

    1)静态划分信道(频分多用、时分复用、波分复用和码分复用)——代价太高,不适合局域网

    2)动态媒体接入控制,又称为多点接入:包括随机接入(必须解决碰撞问题)和受控接入

    使用较多的是随机接入的以太网。

    数据链路层——MAC层(Medium Access Control)

    计算机是怎样连接到局域网?

    计算机与外界局域网的连接是通过适配器(网络接口卡NIC——Network Interface Card)。适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的,而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。计算机的硬件地址就在适配器的ROM中,计算机的软件地址——IP地址在计算机的存储器中。

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    以太网通信

    以太网早期是将许多计算机连接到一根总线上。总线特点是:当一台计算机发送数据时,总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这就是广播通信方式。为了在总线上实现一对一通信,可以使每一台计算机的适配器拥有一个与其他适配器都不同的地址。仅当数据帧中的目的地址与适配器ROM中存放的硬件地址一致时,该适配器才能接收这个数据帧。适配器对不是发送给自己的数据帧就丢弃。

    以太网通信的两个特点

    1)无连接。不进行编号,不要求对法发回确认。尽最大努力的交付,即不可靠交付。

    2)以太网发送的数据使用曼彻斯特编码的信号。(曼彻斯特编码的特点是把每一个编码分成两个相等的间隔,然后用上升沿和下降沿分别0和1)

    总线在同一时间只能允许一台计算机发送数据,怎么协调——CSMA/CD:Carrier Sense Multiple Access with  Collision Detection

    载波监听——检测信道:不管在发送前,还是在发送中,每个站都必须不停地检测信道。发送前检测信道,是为了获得发送权;在发送中检测信道,是为了及时发现有没有其他站的发送和本站的发送 碰撞。

    碰撞检测——适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况,以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。

    以太网MAC帧格式的首部没有一个帧长度字段,那么MAC子层有怎样知道从接收到的以太网帧中提取出多少字节的数据交付上一层协议呢?

    曼彻斯特编码,发送时一直有电压变化,但不发送时,电压不在变化。可以很方便找到结束为止。

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    扩展以太网的两种方式

    1)在物理层扩展以太网——集线器

    2)在数据链路层扩展以太网——网桥、交换机(隔离碰撞域)

    第一、网桥对接收到的帧要先存储和查找转发表,然后再转发,且在转发之前,必须先执行CSMA/CD算法

    第二、MAC子层并没有流量控制功能。负荷很重时,会产生帧丢失现象

    第三、网桥只适合用户数不多、通信量不大的以太网,否则会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞,也即广播风暴

    网桥的自学习和转发帧的一般步骤

    1)网桥收到帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有,就在转发表中增加一个项目(源地址、进入的接口和时间)。如有,则把原有的项目进行更新。

    2)转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。如没有,则通过所有其他接口(进入接口除外)进行转发。如有,则按转发表中给出的接口进行转发。 注意,若转发表中给很出的接口就是该帧进入网桥的接口,则丢弃。

    4 相关概念

    • 带宽:用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。
    • 吞吐量:单位时间内通过某个网络的数据量。
    • 时延(也叫延迟或迟延):指数据从网络的一端传送到另一个端所需的时间。
    • 发送时延:主机或路由器发送数据帧所需要的时间。
    • 网络协议(简称协议):为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
    • 体系结构:计算机网络的各层以及协议的集合称为网络的体系结构
    • 网关:网络层使用的路由器

    总结

    本节,我们解决了多台共用信道服务器间的通信问题,这相当于网络分层结构中的 数据链路层 。 数据链路层的主要作用包括:

    • 寻址
    • 复用/分用

    新葡亰496net 17通过电缆实现通讯

    总结

    本节讨论了一个最简单的模型,解决两台服务器之间的通讯问题。 通过电缆,在两台机器间建立了一个理想的比特流传输信道。 这其实就是网络分层结构中最底层——物理层的作用:

    • 传输比特流
    • 依赖物理(电气)特性

    这一层对开发人员来说,基本上是透明的,我们只需将其理解成一个比特流传输信道即可。 至于细节问题,高低电平啦,信号啦,各种物理特性啦,通通留给电子工程师去关心好啦!

    5 网络各分层的功能

    • 差错控制:使的和网络对等端的相应层次的通信更加可靠
    • 流量控制:是的发送端发送速率不要太快,要使接收端来得及接收。
    • 分段和重装:发送端将要发送的数据块划分为更小的单位,在接收端将其复原。
    • 复用和分用:发送端几个高层会话复用一条低层的连接,在接收端再进行分用。
    • 连接建立和释放:交换数据前先建立一条逻辑连接。数据传送结束后释放连接。

    进度

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    物理课大家都学过,电线可以分为 低电平高电平 。 电平可以高低变化,这样不就可以传递信息了么: Server 1 控制电缆电平的高低, Server 2 检测电平的高低,这样就实现了 Server 1Server 2 发送数据啦!

    进度

    新葡亰496net 19

    6 体系结构

    • OSI的七层协议体系结构
    7、应用层
    6、表示层
    5、会话层
    4、传输层
    3、网络层
    2、数据链路层
    1、物理层

    从上而下提供端到端的服务。
    巧记:应示、会传、网数理

    • TCP/IP的体系结构
    应用层(各种应用层协议如TELNET/FTP/SMTP等)
    传输层(TCP或UDP)
    网际层IP
    网络接口层
    • 五层协议的体系结构
    5、应用层(HTTP/FTP/SMTP)
    4、运输层(TCP/UDP)
    3、网络层(ICMP/IGMP/IP/RARP/ARP)
    2、数据链路层
    1、物理层

    巧记:应运而生网络、数据 物理。

    下一步

    下一节,我们开始学习一个真实的数据链路层协议—— 以太网协议 。 届时,我们将看到 以太网协议 与本节虚构的协议别无二致。

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    更进一步,可以将高低电平抽象成数学语言:我们用低电平表示 0 ,高电平表示 1 ,这样就得到一个理想化的信道:

    下一步

    下一节,我们将通过 多服务器通讯问题 进入 数据链路层 的学习。

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    7 各层次简介

    • 应用层
      应用层直接为用户的应用进程提供服务。这里的进程就是正在运行的程序。应用层的协议很多:HTTP、SMTP、FTP等等。
    • 运输层
      运输层的任务就是负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程,因此运输层有复用和分用的功能。
      复用:就是多个应用层进程可以同时使用下面运输层的服务。
      分用:运输层把收到的信息又分别交付给上面应用层中相应的进程。
      运输层有以下两种协议:
      • 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)
        面向连接的,数据传输的单位是报文段,能够提供可靠的交付。
      • 用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)
        无连接的,数据传输单位是用户数据报,不保证可靠的交付,只能提供“最大努力的交付”。
    • 网络层
      网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时,网络层把运输层产生的报文段或者用户数据包封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中,由于网络层使用IP协议,因此分组也叫做IP数据报,简称数据报。
      网络的另一个任务就是选择合适的路由,使源主机运输层所传下来的分组,能够通过网络中的路由器找到目的主机。
    • 数据链路层
      简称链路层,两个相邻结点之间传送数据都是直接传送的。这就需要使用专门的链路层协议 。
      在相邻结点传输时,数据链路层把网络层交下来的IP数据报组装成帧。用帧进行传输。
    • 物理层
      在物理层上所传数据的单位是比特。
      物理层的任务就是透明地传送比特流。

    新葡亰496net 24理想化信道

    8 数据链路层

    • 使用的信道类型有:
      • 点对点信道
      • 广播信道
    • 三个基本问题:
      • 封装成帧:在一端数据的前后分别添加首部和尾部,构成了一个帧。
      • 透明传输:
      • 差错检测:检测方法:CRC(循环冗余校验码)

    通过信道,双方可以传递一些 01 比特流。 例子中,我们传输的比特流是 1111010101... 。 比特流可以编码任意信息: 比如,我们用 1111 表示告诉对方本地开机了,用 0000 告诉对方本地准备关机了。

    9 MAC地址的概念以及作用

    • 概念:MAC是硬件地址,用于定义网络设备的位置。也叫物理地址。它就像我们身份证上的身份证号码,具有全球唯一性。
    • 一个主机会有一个MAC地址,而每个网络地址会有一个专属于它的IP地址。
    • 作用
      专注于数据链路层,将一个数据帧从一个节点传送到相同链路的另一个结点。

    到目前为止,我们是不是万事具备了呢? 一个比特流信道成为现实?——理论上是这样子的。 但是,现实世界往往要比理想化的模型复杂一些。

    10 MAC地址和IP地址的区别

    • 对于网络上的某一设备,IP地址是基于网络 拓扑设计出的,可以改动。而MAC地址则是生产厂商烧录好的,不能改动。
    • 长度不同。IP是32位,MAC地址是48位。
    • 分配依据不同。IP是基于网络拓扑、MAC是基于制造商
    • 寻址协议层不同。IP应用于网络层,MAC应用于数据链路层。

      #### 11 MAC帧格式

      新葡亰496net 25
      其中类型表示的是上一层使用的是什么协议,以便把收到的Mac帧交给上一层的这个协议。

    新葡亰496net 26信道无穷无尽

    12 网际协议IP

    • 地址解析协议ARP(Address resolution protocol)
    • 逆地址解析协议RARP(Reverse Address Resolutaion Protocol)
    • 网际控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)
    • 网际管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)

    首先,如上图,信道是无穷无尽的。 因为,信道状态要么为 0 ,要么为 1 ,没有一种表示空闲的特殊状态。

    13 IP

    • IP地址的定义:网络号 主机号
    • IP数据报的格式
      新葡亰496net 27

    新葡亰496net 28结尾在哪?

    14 ARP协议的用途、算法,在哪一层会使用arp?

    • 用途:把IP地址解析为物理地址。
    • 新葡亰496net,在网络层会用到ARP

    举个例子,如上图, Server 1Server 2 发送比特序列 101101001101 。 最后一个比特是 1 ,对应的电平是高电平。 发送完毕后,由于没有没有其他地方改变电缆的电平,所以还是维持高电平状态。 也就是说,信道看起来还是按照既定节拍,源源不断地发送 1Server 2 怎么检测结尾在哪里?

    15 如何实现透明传输?

    • 概念:不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去,这样的传输就是透明传输。也就是说用户不受协议中任何限制,可随机的传输任意比特编码的信息。
      *实现方法:
      • 转义字符填充法
      • 零比特填充法
      • 采用特殊的信号与编码法
      • 确定长度法

    我们可以定义一些特殊的比特序列,用于定义开头结尾: 101010 表示开头, 010101 表示结尾。

    16 路由表的内容是什么?

    • 目的网路地址
    • 距离
    • 下一跳路由器地址

    新葡亰496net 29.引入控制比特

    17 UDP的首部格式

    新葡亰496net 30

    这时, Server 1 先发送 101010 ,告诉 Server 2 我要开始发数据了; 然后, Server 1 开始发送数据 1101011 ; 最后, Server 1 发送 010101 ,告诉 Server 2 数据发送完毕。 注意到,平时信道为 1 ,也就是代表空闲状态。

    18 TCP首部格式

    新葡亰496net 31

    如果两台服务器同时往信道里发送数据,会发生什么事情呢?

    19 三次握手 四次断开

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    新葡亰496net 33

    • 建立连接时,客户端向服务器端发送一个SYN包,进入SYN_SEND状态,在该状态下,客户端等待服务器的确认包。
    • 服务器端收到客户端的SYN包后,首先向客户端确认自己已收到的客户端的SYN包,同时也要发送自己的SYN包,即要向发送方发送ACK包 SYN包,然后进入SYN—RECEIVE状态。
    • 客户端收到服务器端的ACK包 SYN包,向服务器端发送ACK包确认。然后完成三次握手,建立连接。 其中:
      • SYN:在连接建立时用来同步序号。
        • SYN=1而ACK=0表示这是一个请求报文段。对方若同意建立连接,则应在响应报文段中使SYN=1和ACK=1。因此SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接收的报文。
      • ACK:TCP数据包首部中的确认标志,对已接收的TCP报文进行确认。0时确认号无效。TCP规定:在建立连接以后所有传送的报文段都必须把ACK置1。

    新葡亰496net 34发送冲突:两台服务器同时发送数据

    20 FTP和TFTP的区别:

    • FTP 是完整、面向会话、常规用途文件传输协议;而 TFTP 用作 bones bare - 特殊目的文件传输协议。
    • 因为 TFTP 不支持验证, 所以Windows NT FTP服务器不支持 TFTP
    • 可以以交互方式使用 FTP; TFTP 允许文件只能单向的传送。
    • FTP 提供用户身份验证; TFTP 却不。
    • FTP 依赖于 TCP 是面向连接并提供可靠的控件; TFTP 依赖 UDP,需要减少开销, 几乎不提供控件。
    • FTP 使用周知 TCP 端口号: 数据和连接对话框的 21 20; TFTP 使用它的文件传输活动 UDP 端口号 69。
    • FTP使用的是TCP21端口,而TFTP使用的是UDP69端口; 一般防火墙都会封TCP端口而不会封UDP的,所以TFTP有时比FTP好用,不过TFTP传输的文件一般较小,你要传大文件就要用FTP了

    肯定冲突了嘛!一台发 0 ,一台发 1 ,那你说信道到底是 0 还是 1 ? 那么,冲突要怎么解决呢?

    21 TCP和UDP的对比

    新葡亰496net 35

    解决方式也简单,只需在硬件层面实现一种机制:在检测到两台服务器同时发送数据时,及时喊停,并协商到底由哪一方先发。

    本节讨论了一个最简单的模型,解决两台服务器之间的通讯问题。 通过电缆,在两台机器间建立了一个理想的比特流传输信道。 这其实就是网络分层结构中最底层——物理层的作用:

    • 传输比特流
    • 依赖物理特性

    这一层对开发人员来说,基本上是透明的,我们只需将其理解成一个比特流传输信道即可。 至于细节问题,高低电平啦,信号啦,各种物理特性啦,通通留给电子工程师去关心好啦!

    新葡亰496net 36新技能Get✔️

    下一节,我们将通过 多服务器通讯问题 进入 数据链路层 的学习。

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