计网
第一章 概述
1. 互联网发展的三个阶段
- 第一阶段:从单个网络ARPANET向互联网发展的进程。ARPANET最初只是一个单个的分组交换网,所有在其上的主机都要直接或间接与就近的节点相连。1983年TCP/IP成为ARPANET标准协议,所有使用TCP/IP协议的计算机都可以使用互联网通信。
- 第二阶段:构成三级结构的互联网。他是一个三级网络,分为主干网,地区网和校园(企业)网
- 第三阶段:逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。出现互联网提供者,只要交纳费用,即可从该ISP获得IP使用权,通过该ISP接入互联网。ISP也分为主干ISP、地区ISP和本地ISP
IXP:互联网交换点,主要作用是允许两个网络可以直接相连并交换分组,而不用通过第三个网络来转发分组
2. 互联网的组成
- 边缘部分:由所有连接在互联网上的主机(端系统)组成,这部分是用户直接使用的,用于通信和资源共享
- 核心部分:由大量网络和连接这些网络的路由器构成,这部分为边缘部分提供服务。
端系统间的通信方式
- 客户-服务器方式(C/S)
- 对等方式(P2P):两端即是客户端又是服务端
分组交换
- 采用存储转发技术
- 将较长的报文划分为较短的数据段,并在前加上必要的首部,构成一个分组
- 分组交换是以分组为数据传输单元
- 优点
- 高效:采用动态分配
- 灵活:每个分组独立的选择最合适的转发路由
- 迅速:可以不建立连接就可以发送
- 可靠
3. 不同类别的计算机网络
作用范围分类
- 广域网WAN:几十到几千公里
- 城域网MAN:5~50公里
- 局域网LAN:1公里左右
- 个人区域网PAN:10米左右
使用者分类
- 专用网
- 公用网
4. 时延
发送 / 传输时延:发送数据帧的第一个比特,到该帧最后一个比特发送完毕
数据帧长度 / 发送速率
传播时延:在信道中传播的时间
信道长度 / 信号在信道上的传播速率
处理时延
排队时延
5. 往返时间 RTT
从发送方发送数据开始,到发送方接收到接收方的确认所经历的时间
题目
分组交换较于报文交换的优点
报文交换也是采用存储转发技术,但是不对报文进行分割,而是把整个报文在网络节点中存储下来,这样灵活性不如分组交换,传输延迟大。
协议与服务的区别
- 协议:是水平的,控制两个对等实体进行通信的规则的集合
- 服务:是垂直的,是由下层向上层通过层间接口提供的,上层使用服务原语来获得下层提供的服务
- 区别:协议是保证向上提供服务;本层的用户只能看见服务,而看不见下面的协议,协议对于上层用户是透明的;
网络协议的三要素及其含义
- 语法:数据与控制信息的结构或格式
- 语义:需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种相应
- 同步:事件实现顺序的详细说明
第二章 物理层
1. 物理层基本概念
如何在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流,而不指具体的传输媒体。尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段
主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性
机械特性,接口所用的接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
电气特性,接口电缆的各条线上出现的电压的范围
功能特性,某条线上出现的某一电平电压的意义
过程特性,不同功能的可能时间的出现顺序
2. 有关信道的基本概念
码元
在使用时间域的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形
- 单工通信:只有一个方向可以通信,而不能反方向交互
- 半双工通信:双方可以发消息,但是不能同时发送
- 全双工通信:双方可以同时发送和接收消息
速率:
- 码元传输速率 / 波特率:单位时间内数字系统所传输的码元个数,单位波特,码元可以是多进制的,也可以是二进制的
- 信息传输速率 / 比特率:单位时间数字通信系统传输的二进制码元个数,单位是比特
3. 常用编码方式
不归零制:正电平代表1,负电平代表0
归零制:正脉冲代表1,负脉冲代表0
曼彻斯特编码:中心向上跳代表0,向下为1 局域网发送数据都是用曼彻斯特编码
缺点:所占频带宽度比原始基带信号增加了一倍,因为数据传输间有一次跳变。
比如传比特1,宽度为t,曼彻斯特编码在前1/2t传1,后1/2t传0,这就使得原本的一个比特,变为2个
差分曼彻斯特码:中心始终跳变,位开始边界跳变为0,不跳为1
4. 信道的极限容量
1. 奈奎斯特定理
不考虑噪声下最大数据传输速率理论上限
2. 信噪比
信号平均功率和噪声的平均功率之比,分贝作为单位
香农公式:考虑高斯噪声干扰的信道极限无差错传输速率
提高传输速率:
- 提高信噪比
- 提高信道带宽
- 让一个码元携带更多信息
5. 信道复用技术
1. 频分复用、时分复用、统计时分复用
频分复用:每个用户在同样的时间占用不同的频率带宽资源
时分复用:将时间划分为一段等长的时分复用帧,每个用户所占用的时隙时周期性出现的,即在不同的时间占用同样的频带宽度。
缺点:又续计算机数据的突发性,用户对分配到的子信道的利用率普遍不高
统计时分复用:统计时分复用帧时动态分配
2. 波分复用
光的频分复用,即使用一根光纤来同时传输多个光载波信号
3. 码分复用 / 码分多址 CDMA
将每个比特时间划分成m个短的间隔,称为码片,每个用户被指派为一个唯一的m bit的码片序列
若发送比特1,则发送m bit 的码片序列
若发送比特0,则发送该码片序列的反码
特点:
- 不同的码片相互正交,即内积为0
- 码片和自己规格化内积为1
题目 2-16 好好看
第三章 数据链路层
1. 数据链路层使用的信道
- 点对点信道:一对一的点对点通信
- 广播信道:一对多的广播通信
2. 数据链路层传送的是帧
3. 数据链路层的三个基本问题
- 封装成帧:IP数据报的前后添加首尾部,用于帧定界
- 透明传输:字符填充解决“错误的帧界定符问题”,SOH or EOT前插入ESC转义字符,若已经有一个ECS,则再插入一个ESC
- 差错控制:循环冗余检验 CRC。注意:CRC差错检测只能做到无差错接受,无法做到可靠传输。
无差错接受
凡是接受的帧,我们都能以非常接近1的概率认为这些帧在传输过程中没有差错
可靠传输
发送端发送什么,接收端就收到什么,要在无差错接受基础上加确认和重传机制
4. 数据链路层的两个子层
为使数据链路层更好实应多种局域网标准,将数据链路层拆分为两个子层
- 逻辑链路控制层 / LLC
- 媒体接入控制层 / MAC:存放与传输媒体有关的内容,针对多个结点争用传输媒体而制定的控制协议,如CSMA/CD (载波监听多点接入 / 碰撞检测)
不管使用何种协议的局域网,对LLC子层来说都是透明的
5. 以太网采用广播方式发送
总线上每个计算机都能检测到B发送的信号,但只有D会接受,ACE则会丢弃,从而在具有广博特性的总线上实现了一对一通信
6. 以太网的两个措施
- 使用无连接的工作方式:可以不建立连接就发数据,对发送的数据不进行编号也不要求确认。差错纠正交给高层决定
- 使用曼彻斯特编码。
7. CDMA/CD 载波监听多点接入 / 碰撞检测
- 载波监听:发送数据前要检测总线上是否有其他计算机在发送数据
- 多点接入:许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上
- 碰撞检测:边发送数据边检测信道上的电压,发生碰撞后立即停止发送,并间隔一段时间再发送
传播时延对载波监听的影响
单程端到端传播时延记为τ(tao)
CSMA / CD重要特性
- 使用CSMA / CD协议的以太网仅能进行半双工通信
- 每个站在发送数据数据后的一小段时间里存在碰撞的可能
- 发送的不确定性使得整个以太网的平均通信量远小于最高数据率
争用期 / 碰撞窗口
以太网的端到端往返时延2τ,在这段时间里还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞
争用期长度
10Mbit/s以太网取51.2μs为争用期长度,对于10Mbit/s的以太网,争用期可以发送512bit,即64字节
最短有效帧长
即如果发生冲突,一定在前64个字节之内,凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧
二进制指数类型退避算法
发生碰撞后,要退避一个随机时间才能发送数据
- 基本退避时间取争用期2τ
- 从整数集合[0,1,2,…,(2的k次方 - 1)]去一个数记为r,退避时间为r * 2τ
- k = min{重传次数,10}
- 当重传次数 = 16仍不成功,则丢弃此帧并向上层汇报
强化碰撞
发生碰撞停止发送数据后,再连续发送若干比特的人为干扰信号,让所有用户都知道现在已经发生了碰撞
帧间最小间隔
一个站在检测到总线空闲时,还要等9.6μs才能发送数据,相当于96bit发送时间。目的是为了让刚刚收到数据帧的站对接收缓存进行清理,并为接收下一帧最好准备
CSMA / CD要点
- 准备发送:发送前检测信道
- 检测信道:若信道忙,则不停检测;若闲,且在96比特时间内保持空闲,则发送帧
- 检查碰撞
- 成功:争用期没有检测到碰撞
- 失败:争用期有碰撞,停止发送,适配器进行指数退避算法,等待r的512比特时间后返回步骤2,准备重传,若16次仍未成功,则停止且向上级汇报
8. 信道利用率
成功发送一个帧所占用的时间是发送时延(T0) + τ
要提高信道利用率,则必须要减小 α = τ / T0 的值
信道利用率 = T0 / 总时延