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第一章 概述

1. 互联网发展的三个阶段

  1. 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。
  2. 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
  3. 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

  1. 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
  2. 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

  1. 客户-服务器方式（C/S）
  2. 对等方式（P2P）：两端即是客户端又是服务端

分组交换

  1. 采用存储转发技术
  2. 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
  3. 分组交换是以分组为数据传输单元
  4. 优点
    1. 高效：采用动态分配
    2. 灵活：每个分组独立的选择最合适的转发路由
    3. 迅速：可以不建立连接就可以发送
    4. 可靠
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3. 不同类别的计算机网络

作用范围分类

  1. 广域网WAN：几十到几千公里
  2. 城域网MAN：5~50公里
  3. 局域网LAN：1公里左右
  4. 个人区域网PAN：10米左右

使用者分类

  1. 专用网
  2. 公用网

4. 时延

  1. 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

  2. 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

  3. 处理时延

  4. 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

  1. 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。

  2. 协议与服务的区别

    1. 协议：是水平的，控制两个对等实体进行通信的规则的集合
    2. 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
    3. 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；

  3. 网络协议的三要素及其含义

    1. 语法：数据与控制信息的结构或格式
    2. 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
    3. 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

  1. 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

  2. 电气特性，接口电缆的各条线上出现的电压的范围

  3. 功能特性，某条线上出现的某一电平电压的意义

  4. 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

  1. 单工通信：只有一个方向可以通信，而不能反方向交互
  2. 半双工通信：双方可以发消息，但是不能同时发送
  3. 全双工通信：双方可以同时发送和接收消息

速率：

  1. 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
  2. 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

  1. 不归零制：正电平代表1，负电平代表0

  2. 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

  3. 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

  4. 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

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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

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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

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香农公式：考虑高斯噪声干扰的信道极限无差错传输速率

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提高传输速率：

  1. 提高信噪比
  2. 提高信道带宽
  3. 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

  1. 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

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  2. 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。

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    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

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  3. 统计时分复用：统计时分复用帧时动态分配

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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

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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：

  1. 不同的码片相互正交，即内积为0
  2. 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

  1. 点对点信道：一对一的点对点通信
  2. 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

  1. 封装成帧：IP数据报的前后添加首尾部，用于帧定界
  2. 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
  3. 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

  1. 逻辑链路控制层 / LLC
  2. 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

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5. 以太网采用广播方式发送

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​ 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

  1. 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
  2. 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)

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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

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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

  1. 准备发送：发送前检测信道
  2. 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
  3. 检查碰撞
    1. 成功：争用期没有检测到碰撞
    2. 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

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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

第四章 网络层