本篇笔记主要包括概述、物理层和数据链路层这三章的内容。

概述

  • 三类网络
    电信网络：向用户提供电话、电报、传真等服务；
    有限电视网络：向用户传送各种电视节目；
    计算机网络：使用户可以在计算机之间传数据，由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。
    注：三类网络中起到核心作用是计算机网络，且有相互融合的趋势，即所谓的“三网融合”的概念。

互联网基本概念

Internet的含义

Internet指当前全球最大的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，采用TCP/IP协议族作为通信规则，前身是美国的ARPANET。我们生活中的“上网”，即是指将某个电子设备连接到Internet。而关于Internet的译名，有以下两种：
因特网：这是全国科学技术名词审定委员会推荐的译名，虽然准确，但未被广泛使用；
互联网：使用最广泛的Internet译名，也更能体现出Internet的主要特征（连通性），因此《计算机网络》一书第七版之后都采用了这个译名，本笔记也是采用这种译名。
注1：Internet是计算机网络的代表，但并不等于计算机网络(还有很多其他类型的网络)。
注2：Internet相当于是“网络的网络”，其将全球众多的计算机网络相互连接起来。
注3：小写的internet，指“互连网”，任意将若干计算机网络连接起来，可以通信就行；而大写的Internet是专有名词，特指全球最大的那个“互联网”。

互联网的架构

当前互联网是多层次ISP的架构，ISP(Internet Service Provider)为互联网服务提供商，负责建造通信线路，从互联网管理机构申请IP地址并分配给用户，分为主干ISP、地区ISP和本地ISP（移动、联通、电信即国内三大主干ISP）。示意图如下：
多层次ISP架构示意图
IXP：为了提升网络传输速率，出现了互联网交换点IXP(Internet eXchange Point)，使用数据链路层的网络交换机来实现。其主要作用是允许两个网络直接相连传输数据，而无需再通过ISP转发（如上图两个地区ISP之间的IXP），这样可使得互联网的数据流量分布更合理，减少传输时延。

互联网的组成

虽然互联网的拓扑结构非常复杂，但总体可以分为两大块：
边缘部分：由所有连接在互联网上的主机(host)组成，这部分是用户可以直接接触到的，用来进行数据传输。
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的。
边缘部分主机的通信方式：可分为两大类：客户-服务器方式(C/S方式)和点对点方式（P2P方式）。
C/S方式中，客户端是服务请求方，主动向服务器发起通信，因此必须知道服务端的地址；而服务端是服务提供方，被动地等待各地的客户端的请求，因此服务端无需知道客户端的地址。
P2P方式中，只要两台主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以平等地进行通信，没有客户端和服务端的区分，也可理解为每台主机既是客户端也是服务端。

互联网核心部分的数据交换方式

互联网核心部分主要作用是交换、传输数据，有三种交换方式。
电路交换：电话的连接方式，两台电话要进行通信，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（归还通信资源）”三个阶段，两台电话间会建立一条专用的物理线路，通信时会一直占用，通信线路的利用较低。
报文交换：运用了存储转发的原理，整个数据报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，再转发到下一个结点。
分组交换：同样运用了存储转发(stroe and forward)的原理，将数据报文分成多个小的分组，每个分组在首部加上必要的控制信息，单独地在互联网中进行传输。当路由器收到一个分组后，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去(路由算法得出)，把分组交给下一个路由器，分组就这样一步步地到达目的地。
三种数据交换方式

  • 三种交换方式的比较：
    1、对于电路交换，是整个比特流连续地从原点直达终点，因此需要建立专用传输线路，如果要传送大量连续数据（传送时间远大于连接建立时间），则电路交换的效率较高；
    2、对于报文交换和分组交换，不需要预先分配传输资源，因此非常适合传输计算机网络这种突发性的数据。另外报文传输是直接传输整个报文，因此时延比分组交换大，且如果报文中出了一点错，整个报文都要重传，开销会很大。
    3、分组交换的优点：高效，对通信线路是逐段占用的，可以充分利用通信资源；灵活，每一个分组都可选择最适合的路由线路进行转发；可靠，当链路中某一结点出现故障，路由算法会自动选择合适的线路。
    4、分组交换的缺点：使用存储转发(stroe and forward)的方式，分组在各个路由结点会有排队问题，产生一定的时延；分组必须携带的首部会产生一定的开销。

计算机网络分类

按网络的作用范围分：
广域网WAN(Wide Area Network)：作用范围为几十到几千公里；
城域网MAN(Metropolitan Area Networl)：城域网的作用范围一般是一个城市；
局域网LAN(Local Area Network)：局域网在地理上局限在较小的范围内(1km左右)；
个人区域网PAN(Personal Area Network)：在个人工作的地方把个人使用的电子设备（如笔记本电脑）用无线技术连接起来，如蓝牙技术。
按网络使用者分：
分为公用网(public network)和专用网(private network)。
用来把用户加入到互联网的网络：
这种网络叫接入网AN(Access Network)，处于从用户到互联网中第一个路由器之间的一种网络。在互联网初期，用户用电话线拨号接入互联网，速率很低，目前使用了接入网技术来连接，速率了有很大的提升。

计算机网络的性能指标

速率：指比特率(bit/s)，并非Byte，而且多指额定速率。
带宽：传统的带宽指的是频带宽度，单位是HZ。而在计算机网络中，带宽指网络的最高发送速率。
吞吐量：单位时间内通过网络的实际数据量，指实际速率。
注：在存储领域，1k=1024；而在通信领域，1k=1000。
往返时间：往返时间RTT(Round-Trip Time)表示双向交互一次所需要的时间。
信道利用率：指信道有多长时间是被利用的（有数据通过），空闲的信道利用率为0。注：信道利用率并非越大越好，利用率增大，时延也会增加。

网络时延

时延是指数据从网络的一端传送到另一端所花费的时间，网络时延由以下几部分组成：
发送时延：主机或路由器发送数据帧所花费的时间，发生在网卡中。$$发送时延=\frac {数据帧长度(bit)} {发送速率(bit/s)}$$
传播时延：电磁波在信道中传播所花费的时间，发生在信道中。$$传播时延=\frac {信道长度(m)} {电磁波在信道中的传播速率(m/s)}$$
信号传播速率与信道有很大关系，如光纤、铜线等等。
处理时延：在交换结点分组转发所需的时间，如分析首部、进行差错检验等，没有具体的计算公式。
排队时延：分组在路由器的缓存队列中排队等待的时间，同样没有具体的计算公式。
因此网络总时延就是以上四种时延之和：$$总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延$$
注：高速网络链路，提高的是发送速率(带宽)，并不能提高传输速率。如我们所说的光纤传输速率高，是指可以用很高的速率向光纤信道发送数据，而光纤信道的传播速率实际上比铜线还要低。
四种时延产生的地方不一样
时延带宽积：时延带宽积=传播时延 X 带宽，如时延带宽积为\(2\times 10^5bit\)，相当于当发送的第一个比特到达终点时，发送端已经发送了20万个比特，而这20万个比特都未还在传输过程中，因此时延带宽积也表示从发送端发出的但尚未到达接收端的比特数。

计算机网络体系结构

无论哪种网络体系结构，都采用了“分层”的思想，目前主要有两种体系：OSI和TCP/IP，OSI非常权威，但因为过于复杂，更多被当作一种理论参考，工程上未广泛应用；运用最广泛的是TCP/IP协议，也是事实上的“国际标准”。OSI协议为7层，TCP/IP协议有4层，谢书中采用的是两者的结合版，即一种5层的网络结构。
三种网络体系结构

  • 五层协议结构
    应用层：应用层协议定义的是进程间的交互规则，因为主机间通信的本质是主机上进程的通信（进程即为正在运行的程序）。具体的应用层协议有DNS、HTTP等。应用层数据单位：报文(message)。
    运输层：运输层负责为主机进程间的通信提供通用的数据传输服务，目前主要有两种协议：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，TCP提供面向连接、可靠的数据传输服务，UDP提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务。运输层数据单位：TCP为报文段(segment)，UDP为用户数据报。
    网络层：网络层负责分组交换网的数据传输服务，使用IP协议。与运输层的不同在于：运输层针对互联网的边缘部分，网络层针对互联网的核心部分，路由器在转发时最高就涉及到网络层，不涉及运输层和应用层。网络层数据单位：IP数据报（就是之前所说的分组）。
    数据链路层：数据链路层负责分组交换网中相邻结点的数据传输，与网络层的不同在于：网络层是源结点到目的结点(中间可能有多个结点)，而数据链路层是相邻结点。数据链路层数据单位：帧(framing)。
    物理层：负责物理硬件层面的数据传输，物理层数据单位：比特(bit)。
    注：数据从上层到下层需要加首部，加上相关控制信息。另外，从网络层->链路层还要加尾部（做差错校验的工作）。
    数据在各层的变化

物理层

  • 物理层的主要任务
    物理层研究的是如何在各种传输媒体上传输比特流，如各个物理接口的尺寸、接口电缆上电压的范围、各种编码方式等，而不是具体的传输媒体（这属于通信领域的范畴）。

  • 物理层传输媒介
    导引型(有线)：双绞线、同轴电缆、光纤
    非导引型(无线)：自由空间

信道

  • 信道的基本概念
    信道指向某一个方向传送信息的媒体，是单向的，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
    单工通信（单向通信）：只能有一个方向通信，如收音机。
    半双工通信（双向交替通信）：通信双方都可以发送信息，但不能同时发送，如对讲机。
    全双工通信（双向同时通信）：通信双方可以同时发送/接收信息。
    注：单工通信只需一条信道，半双工和全双工通信需要两条信道。

调制

为什么要进行调制：来自信源的信号不适合进行长距离传输。
基带调制：数字信号->另一种数字信号（没有变为模拟信号），也称为编码。具体有如下几种：
不归零编码：正电平代表1，负电平代表0。
归零编码：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：位周期中心向上跳变代表0，位周期中心向下跳变代表1。
差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1。
带通调制：数字信号->模拟信号（加到载波上）。具体有如下几种：
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号变化。
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号变化。

信道的极限传输速率

如何提高数据在信道上的传输速率是一个被广泛关注的问题，大致可从以下几个方面来考虑：
信道能通过的频率范围：由奈氏准则可知，在任何信道中，码元传输的速率都是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，因此可通过拓宽频带，来提高码元传输速率的上限。奈氏准则公式：$$极限波特率(baud/s)=2W\times log_2n$$
\(W\)为频带宽度，\(n\)为一个码元可表示几种值，\(log_2n\)即为一个码元携带的信息量。注意区分码元和比特的区别，1码元可以由多个bit位表示。
信噪比：$$信噪比(dB)=10\times log_{10}(S/N)$$
\(S\)为信号的平均功率，\(N\)为噪声的平均功率。
香农公式：信道的极限信息传输速率C为：$$C=W\times log_2(1+S/N)$$
C为比特率bit/s，W为信道的带宽(Hz)。由公式可知，信道带宽越大，信噪比越高，信息的极限传输速率就越高。
比特率和波特率换算：$$比特率(bit/s)=波特率(baud/s)\times 码元信息量$$ $$码元信息量=log_2n$$
\(n\)为一个码元可表示几种值。奈氏准则的具体表示？奈氏准则和香农公式的换算？

信道复用技术

频分复用(FDM)：在同一时间占用不同的频带资源。
时分复用(TDM)：在不同时间占用相同的频带资源，类似时间片轮转。
统计时分复用(STDM)：与TDM的不同在于，其并非固定顺序分配时间，而是按需动态分配。
波分复用(WDM)：光的频分复用，用一根光纤同时传输多个光载波信号。
码分多址(CDMA)：具体介绍如下。

码分多址(CDMA)

各个用户使用经过挑选的不同码型，相互之间不会造成干扰，因此用户可在同一时间使用同样的频带进行通信。具体原理如下：
码片：在CDMA中，每个用户被分配一个m位的码片序列(由+1和-1组成)，用户若要发送比特1，则直接发送这个m位码片序列；若要发送0，则发送该码片序列的反码。如码片序列为(-1-1-1+1+1-1+1+1)，则1对应的就是(-1-1-1+1+1-1+1+1)，0对应的就是(+1+1+1-1-1+1-1-1)，这个m位序列才是最终的发送结果。
码片正交：码片的一个重要特点是，各个用户所分配的码片是正交的，如S代表某用户的码片，T代表其他用户的码片，两个码片正交，则有：
$$S\cdot T = \frac {1} {m} \sum_{i=1}^m S_iT_i=0$$
即两码片按位相乘最后结果为0。
信号处理：不同用户码片合到一起发出去，若想从中分离出用户X的信号，则首先拿到X的码片，和收到的信号做内积运算(按位乘法)，结果为1：比特为1，结果为-1：比特为0，结果为0：其他用户的信号。按照这个方法即可把其他用户的信号剔除掉。

宽带接入技术

用户要连接到互联网，必须先连接到ISP，以便获得上网所需的IP地址，因此即出现了宽带接入技术。我国之前多采用电话线+调制解调器(Modern，猫)的方式拨号上网，因速度有限而被逐渐淘汰，目前主流宽带接入方式的有三种。
ADSL技术：ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)，非对称数字用户线路，可直接利用原有的电话线路，无需从新布线，用户使用专门的Modern即可上网，且为电信专线，网速较稳定。
光纤同轴混合网(HFC网)：基于有线电视网开发的宽带接入网，在传送电视节目的同时提供宽带服务。将原先有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，一直延申到相应光纤结点后，光信号转换为电信号，再通过同轴电缆将信号传送到用户家庭。要使现有的模拟计算机能够接收数字电视信号，需要使用一个称为机顶盒(set-top box)的设备，同时机顶盒大多内嵌了一个叫电缆调制解调器的设备，通过此设备用户即可接入宽带。
FTTx技术：最理想的宽带接入方式是光纤到户FTTH(Fiber To The Home)，将光纤一直铺设到用户家庭，只有在光纤进入家门后，才把光信号转换为电信号，这样做就可使用户获得最高的上网速率。但限于价格和用户需求等问题，光纤到户目前还未被广泛使用，但其衍生出了很多宽带光纤接入方式，称为FTTx，即Fiber To The…，x代表不同的光纤接入地点，即光电转换的地方。目前大中城市较普及的是光纤接入到楼（FTTB）或小区（FTTZ），再通过网线接入用户家，从而为整幢楼或小区提供共享带宽。

数据链路层

  • 数据链路层两种信道类型
    点对点信道：点对点通信方式（一对一），最常用的协议是PPP协议，多用于住宅主机的拨号上网。
    广播信道：广播通信方式（一对多），因为主机数较多，必须用专用的共享信道协议(CSMA/CD)来协调主机间的数据发送，多用于局域网。

  • 链路和数据链路
    链路：无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
    数据链路：物理链路+通信协议，即硬件+软件。

数据链路层的三个基本问题

  1. 封装成帧(framing)
  2. 透明传输
  3. 差错检测

封装成帧

概念：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧。首部和尾部的作用是进行帧定界，即确定帧的开始和结束。
具体实现：用控制字符完成帧定界，将控制字符SOH(Start Of Header)放在帧的首部表示帧的开始，将控制字符EOT(End Of Transmission)表示帧的结束。
帧首部和帧尾部

透明传输

“封装成帧”的问题：如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，帧就会错误地开始或结束。因此要对帧的数据部分出现的控制字符进行处理。
处理方法：字符填充(也称字节填充)，在帧数据部分的SOH/EOT前插入一个转义字符，这样接收时就不会把其当作控制字符来处理（防止帧提前结束掉），最后在数据送向网络层时删去转义字符即可。
注：如果转义字符也出现在数据当中，就在转义字符前也加一个转义字符。

差错检测

问题背景：数据传输中可能会产生比特差错：1变成0或0变成1，因此要采用差错检测措施。
循环冗余码CRC：重点！具体算法见《计算机网络》P74
注1：使用循环冗余码只能做到无比特差错，但还做不到可靠传输（CRC只能做到接受的帧都没有错误）。
注2：可靠传输包括两部分：无比特差错 & 无传输差错。传输差错指帧丢失、帧重复和帧失序，要做到无传输差错，则必须要有确认和重传机制（由上层协议完成）。

MAC层

为了制订一个通用的协议模型，IEEE802委员会将数据链路层又拆分成了两个子层：
介质访问控制子层(MAC)：MAC层，负责与传输介质相关的部分，将相关操作封装好共LLC透明调用。
逻辑链路控制子层(LLC)：LLC层，负责逻辑控制，与传输介质无关，不管采用何种协议对LLC层都是透明的。

MAC层地址

在局域网中，每个网络适配器（网卡）都会有一个唯一的硬件地址，称为MAC地址。
MAC地址位数是48位，高24位为IEEE向网卡厂商分配，低24位为厂商自行指派。
在局域网外部传输，使用IP地址查找主机；进入局域网后，即是查找MAC地址。
IP地址和MAC地址关系

MAC帧格式

MAC帧格式
MAC帧数据部分长度范围：46-1500。
整个MAC帧长度范围：64-1518，首部和尾部总共18字节。
最大传送单元MTU：指MAC帧中数据部分的最大长度，为1500。

以太网

  • 局域网和以太网的区别
    以太网是一种局域网，而局域网却不一定是以太网，只是由于目前大多数的局域网是以太网，所以一般说局域网，大家都默认为以太网。
    所谓以太网，是一种总线型局域网，局域网的拓扑结构有很多实现方式，还有有星型、环形等，但目前应用最广泛的局域网标准还是以太网。

  • 以太网的通信特点

    1. 和其他种类局域网中的传播方式相同，采用广播的方式。
    2. 无连接的工作方式，也没有确认和重传机制，因为局域网的通信质量较好，发生错误的几率较小。
    3. 收到有差错的数据帧就丢弃，但不做纠错，纠错工作交给上层协议。因此以太网提供的服务是不可靠的交付。
    4. 发送的数据使用的是曼彻斯特编码，位周期中心向上跳变代表0，位周期中心向下跳变代表1

CSMA/CD

定义：载波监听多点接入/碰撞检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ，是以太网上的一种通信协议。
多点接入：一根总线上解入多个计算机。
载波监听：指发送数据之前要先检测总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。
碰撞检测：检测信道上数据是否发生了碰撞。若发生碰撞，信号就会产生严重的失真，因此一旦检测出碰撞，计算机就会立即停止发送数据，等待一段随机时间后再重新发送。
而且也因为信号会发生碰撞，所以以太网只能进行半双工通信，而不能全双工。

CSMA/CD中的碰撞检测

因为电磁波在信道上传播的速率是有限的，因此当监听到总线是空闲的时，总线可能并非真正的空闲（对方的信号正在信道上传输，还没传过来），因此不仅是在发数据前要检测碰撞，在发送数据的期间也要进行检测。
碰撞检测的过程
由图可知，先发送数据的计算机，在发送后至多经过\(2\tau\)时间（两倍的端到端往返时延），就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
所以\(2\tau\)就称为争用期，只有经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定此次发送不会发生碰撞。
以太网取\(51.2\mu s\)为争用期长度，对于10Mbit/s以太网，在争用期内可发送 512 bit，即64字节。因此若发生冲突，一定是在发送的前64字节之内。
所以以太网规定最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

二进制指数退避算法

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。
基本的退避时间为\(2\tau\)，之后从集合\([0, 1, … , (2^k-1)]\)中随机取一个数，记为r，重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。
参数\(k\)的计算：\(k=Min[重传次数, 10]\)。
当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向上层报告。

  • 强化碰撞
    检测到碰撞后，立即停止发送数据，之后继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

扩展以太网

集线器：用集线器将多个碰撞域组合成一个碰撞域。
网桥：用网桥将各网段隔离为单独的碰撞域，网桥工作在数据链路层，其根据MAC地址对收到的帧进行转发。
以太网交换机：相当于多接口网桥。

  • 连接不同网络的中间设备
    物理层：集线器Hub，会扩大碰撞域，而且没法抑制广播风暴。
    数据链路层：交换机。
    网络层：路由器，由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的文献将网络层使用的路由器称为网关。
    交换机和路由器的不同：交换机连接的是主机，路由器连接的是网络。

Post Date： 2018-05-28

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