计算机网络提纲

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[TOC]

1 概述

1.3 互联网的组成

交换方式

  1. 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
  2. 报文交换：整个报文传送到相邻结点，全部储存下来后查找转发表，转发到下一个结点。
  3. 分组交换：单个分组（整个报文的一部分）传送到相邻结点，储存下来后查找转发表，转发到下一个结点。

1.5 计算机网络的类别

按照网络的作用范围分类

  1. 广域网 (Wide Area Network, WAN)，远程网，长距离，高速链路，较大通信容量。
  2. 城域网 (Metropolitan Area Network, MAN)，多个局域网，一个城市，常用以太网技术。
  3. 局域网 (Local Area Network, LAN)，微型计算机或工作站通过高速通信线路相连。
  4. 个人区域网 (Personal Area Networl, PAN)，个人使用的电子设备。

1.6 计算机网络的性能

性能指标

速率

  • 1Mbps = $10^6$ bits / second
  • 1MB = $2^{20}$ Bytes

带宽

  • 某个信号具有的频带宽度（300Hz <-> 3.4 kHz ==> 3.1kHz），频域
  • 某通道传输数据的能力，时域

吞吐量

  • 单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量

时延

  1. 发送时延（传输时延）（transmission delay）：发送数据帧所需的时间，与发送器（网络适配器）有关。$发送时间 = \frac{数据长度}{发送速率}$
  2. 传播时延（propagation delay）：电磁波传播花费的时间，与线路有关
  3. 处理时延：收到分组后的计算耗时
  4. 排队时延：输入队列、输出队列耗时

时延带宽积

传播时延 * 带宽。表示线路的“容积”

往返时间

（Round-Trip Time, RTT）最后一帧的传播延迟+ack的传播延迟（假设忽略发送时延）

$有效数据率 = \frac{数据长度}{发送时间+\text{RTT}}$

利用率

  • 信道利用率：信道有数据通过的时间的比率
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值

设$D_0$为网络空闲时（利用率0%）的时延，$D$表示当前网络时延，当前利用率$U$，则$D = \frac{D_0}{1-U}$。

1.7 计算机网络体系结构

  • 系统网络体系结构 SNA（System Network Architecture）。IBM开发。
  • 开放系统互连基本参考模型 OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model）ISO制定。

协议

  • 定义：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

  • 三要素：语法，语义，同步

五层协议的体系结构

无论哪一层传送的数据单元，都笼统地用“分组”或“协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）”来表示

应用层

application layer

负责应用进程间交互。 协议定义进程间通信和交互的规则。

如：域名系统DNS；HTTP协议；SMTP协议；

数据单元称为报文（message）。

传输层

transport layer

负责为进程间通信提供通用的数据传输服务。

一个主机，多个进程 => 传输层有复用和分用的功能

主要协议：

  • 传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）：面向连接的、可靠的数据传输服务。数据传输的单位是报文段（segment）
  • 用户数据报协议 UDP（User Datagram protocol）：无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。数据传输的单位是用户数据报

网络层

network layer

也叫网际层、IP层。

负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。 发送数据时，将运输层的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。

在TCP/IP中，网络层使用IP协议，所以分组也叫IP数据报，简称数据报。

网络层要选择合适的路由。

数据链路层

data link layer

将网络层的包组装成帧（framing），在两个相邻结点之间传送帧（frame）。每一帧包括数据和控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。

控制信息指出了数据在哪、校验或纠错信息。如果发现差错，可以丢弃这一帧。

物理层

physical layer

数据单位是比特。负责关注电压和电缆的引脚。

电缆、无线信道等物理媒体不是物理层关注的。如何解释0和1的意义也不是物理层负责的。

同层次之间可以屏蔽下层的工作，看作把协议数据单元直接传送给“对等层（peer layers）”。

每一层在协议的控制下为上一层提供服务。要实现本层协议，需要依赖下一层提供的服务。

每一层协议只能看见下一层的服务。 下面的协议对上面的实体是透明的。

OSI把层与层之间交换的数据的单位称为*服务数据单元SDU（Service Data Unit）

计算机网络的协议必须把所有不利的条件都事先估计到，而不能假定一切都是正常的和理想的。

习题

  1. OSI的三个核心概念是服务、接口、协议。
  2. 原数据1000字节，七层体系结构，每层20字节的头。则头占用了$140/1140 = 12%$的带宽。
  3. 最早实现分组交换（packet switched）的网络是ARPAnet。
  4. 网络层控制了子网的操作、决定分组的路由。
  5. 应用层有一系列用户常用的协议。
  6. 表示层（presentation）关心数据的语法和语义。
  7. 数据链路层将原始传输设备转换为一个已检错的线路。
  8. 能将信息发往部分机器的广播形式叫多播（multicasting）。
  9. 协议是实体如何进行交流的约定。
  10. 各种协议的实现细节不属于网络体系结构的内容。
  11. 一个计算机网络可以看作一些自主计算机系统的连接。
  12. 发送速率是10Mbps，考虑同轴线缆的传播速度是光速的$\frac{2}{3}$，则1bit的长度是20米。
  13. OSI的失败在于技术、耗时、实现、政策。
  14. 数据包在向上层传递时，头部将会被删除。
  15. 卫星组网，回应请求的延迟按4倍的距离算。
  16. 储存转发传输（Store-and-forward transmission）意味着路由器要储存整个包的内容。
  17. 数据转换和压缩是由表示层完成的。
  18. 接口定义了低层向高层提供的原始操作和服务。

2 物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层的主要任务是确定与传输媒体接口相关的一些特性，即：

  1. 机械特性
  2. 电气特性
  3. 功能特性
  4. 过程特性

2.2 数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

三大部分：

  1. 源系统（发送端、发送方）
  2. 传输系统（传输网络）
  3. 目的系统（接收端、接收方）

源系统、目的系统可细分为：

  1. 源点（source）
  2. 发送器（数字比特流->模拟信号）
  3. 接收器（模拟信号->数字比特流）
  4. 终点（destination）

有关信道的几个概念

从通信的双方信息交互来看，三种基本方式：

  1. 单向通信（单工通信）
  2. 双向交替通信（半双工通信）
  3. 双向同时通信（全双工通信）

“单工”有时也表示双向交替通信。

来自信源的信号称为基带信号（基本频带信号）。信道不能传输低频分量或直流分量，故需要对基带信号进行调制（modulation）。

调制的分类：

  1. 基带调制（编码）：对波形变换，变换后仍是基带信号，仍是数字信号。
  2. 带通调制：使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。载波调制后的信号成为带通信号（仅在一段频率范围内能通过信号）。

常用的编码方式

数字信号常用的编码方式

  1. 不归零制：电平代表01
  2. 归零制：脉冲代表01；位开始边界总是中间电平。
  3. 曼彻斯特编码：位周期中心跳变代表01.
  4. 差分曼彻斯特编码：位中心总是跳变；位开始边界跳变为0，不跳变为1。

自同步：从信号波形本身提取信号时钟频率。

基本的带通调制方法

基本的带通调制方法

  1. 调幅（AM）：振幅随数字信号变化。
    2.调频（FM）：频率随数字信号变化。
  2. 调相（PM）：初相位随数字信号变化。

为了更高的信息传输速率，必须采用多元制的振幅相位混合调制方法。例如正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

信道的极限容量

限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：

  1. 信道能通过的频率范围
  2. 信噪比

信道能通过的频率范围

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。

奈氏准则：算出理想条件下、避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。超过此上限，接收端对码元的识别成为不可能。

信道的频带越宽，能通过的信号高频分量越多，就可用更高速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为$S/N$。

$$
\text{信噪比(dB)} = 10 \log_{10}(S/N) \text{(dB)}
$$

香农公式

信道的极限信息传输速率$C$：

$$
C = W \log_2(1 + S/N) \text{(bit/s)}
$$

$W$是信道的带宽(Hz)，S是信道内所传信号的平均功率，N是信道内高斯噪声功率。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

要提高信息的传输速率，还可用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体（传输介质，传输媒介）是发送器和接收器之间的物理通路。可分为两大类：引导型（guided），非引导型。

引导型沿着固体媒体传播；非引导型指向自由空间，无线传输。

引导型传输媒体

  1. 双绞线（twisted pairs）：最常用，便宜，性能不错。距离太长时需要放大器（模拟传输）或中继器（数字传输），加粗导线。屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair）；无屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）。
  2. 同轴电缆（coaxial cable）
  3. 光缆（fiber cable）

非引导型传输媒体

短波（高频）通信：靠电离层的反射；多径效应，质量较差，低速传输。

微波通信：

  1. 地面微波接力通信
  2. 卫星通信

信道复用技术

  1. 频分复用（FDM, Frequency Division Multiplexing）：用户始终占用不同频带
  2. 时分复用（TDM）：更有利于数字信号的传输。利用率不高，若用户太多则时隙太短。
  3. 统计时分复用（STDM, Statistic）：保存用户信息头，有额外花销。
  4. 波分复用（WDM, Wavelength Division Multiplexing）：光的频分复用。光载波频率很高，因此常用波长。
  5. 密集波分复用（DWDN, Dense）：一根光纤上复用几十或更多路。
  6. 码分复用（CDM, Code），码分多址CDMA（Code Division Multple Access）：频谱类似于白噪声，不易被发现；抗干扰能力强。

2.5 数字传输系统

2.6 宽带接入技术

ADSL技术

非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对线有的模拟电话用户线进行改造，使其承载宽带数字业务。

ADSL传输距离取决于数据率和用户线的线径。实际最高数据传输速率还与用户线上的信噪比密切相关。

离散多音调 DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术：频分复用（24kHz - 1.1MHz）划分为许多子信道。相当于许多的调制解调器并行地传送数据。

ADSL自适应地调整可用频率以避开干扰，可见不能保证固定的数据率

习题

  1. ICMP属于网络层
  2. SDLC, PPP, HDLC属于数据链路层
  3. 红外线在光纤中衰减。现有波段是0.85，1.30，1.55（微米，e-6）
  4. 电路交换不使用储存转发传输技术。
  5. 10base5，一种以太网标准，该标准用于使用粗同轴电缆（Thick coaxialcable）、速度为10Mbps的基带局域网络，基于曼彻斯特编码。在总线型网络中，最远传输距离为500米。
  6. 波特率（baud rate）为1000的信道，若其电平级数为16（2^4），则数据率（data rate）可达4Kbps。
  7. 影响数据传输率的因素有信噪比、频率带宽、调制效率（Modulation rate）。不受传播速率影响。
  8. 频分复用时，最左右两侧可不设置保护频段。
  9. 电话系统结构
  10. 光纤具有较好的抗干扰性
  11. 二元信号，3KHz信道，信噪比S/N 31，最大传输数据率为6Kbps。（当做无噪声信道计算）
  12. E1载波，2.048Mbps速率的PCM载波，同步时分复用，30个话音信道（64K）和两个控制信道（16K）。 开始和中间各有8位分别做同步和信令；30路8位数据；组成一帧，256位，每一帧125us时间（每秒8000帧）。 开销占比2/32 = 6.25%， 有效数据率1.92Mbps。
  13. T1载波，24个信道（每个8bit），外加1bit帧同步数据，共193bit每帧。每个8bit中有1bit是控制数据。对一路语音通道，数据比特率是7b/125us=56kb/s。总的比特率193b/125us=1.544Mb/s。开销占比(1*24+1)/193 = 13%。
  14. 信道最大传输速率
  15. 物理层关心在一个通信信道上传输纯比特。

3 数据链路层

主要信道类型：

  1. 点对点信道
  2. 广播信道

点对点信道的数据链路层

数据链路和帧

数据链路 = 物理链路 + 通信协议

常用网络适配器实现这些硬件和软件，适配器也含有物理层的功能。

网络层交下来的数据构成帧——数据链路层的协议数据单元。 帧上交到网络层组成IP数据包（数据包、分组、包）。

点对点信道在数据链路层通信时的主要步骤：

  1. 网络层（IP数据报）->数据链路层
  2. 数据链路层添加首部尾部，成帧
  3. 帧发送到另一结点
  4. 接受者的数据链路层检错（有错则丢弃帧），提取IP数据报->网络层

三个基本问题

  1. 封装成帧
  2. 透明传输
  3. 差错检测

封装成帧：

链路层协议规定了最大传输单元（MTU, Maximum Transfer Unit），表示帧能容纳的最大数据（不计首部和尾部）。

如果数据是ASCII编码的文本文件，帧头标记是SOH(Start Of Header, 0x01)，帧尾标记是EOT(End Of Transmission，0x04) 。

透明传输：

若文本无需处理（不会出现SOH和EOT），则传输是透明传输。

若文本无法透明传输，可以用字节填充（byte stuffing）或字符填充（character stuffing）。在特殊字符前插入转义字符“ESC（0x1B）”。例如文本含"0x1B"，就传输 "0x1B 0x1B"。

数据链路层还原IP数据报时需要去除转义信息。

差错检测：

误码率（BER, Bit Error Rate）指单位时间内错误比特的比率。

循环冗余检验（CRC, Cyclic Redundancy）

假设传送数据$M$，事先约定除数$P\text（n+1位二进制）$，做异或取模$R\text{(n位二进制)} = 2^nM \mod P$。

$R$作为帧检验序列（FCS, Frame Check Sequence），也放在数据末尾。

接收端直接做异或取模，若无差错，余数为0。

用多项式表示，除数$P=1100=X^3 + X^2 + 1$。

现在可以近似认为“凡是接收端数据链路层接收的帧均无差错”。但尚未考虑帧丢失、重复、失序等问题，即非可靠传输。

OSI要求可靠传输，因此有CRC，帧编号、确认和重传机制。但现在的数据链路层不使用确认和重传，而将差错交给上层协议（如运输层TCP）来处理。

点对点协议PPP

PPP协议是用户和ISP通信时使用的数据链路层协议。

PPP协议的特点

  1. 简单。将繁杂任务丢给TCP/IP。不纠错，无序号，无流量控制。仅做CRC检验。
  2. 封装成帧。使用帧定界符。
  3. 透明性。规避文本出现的帧定界符。
  4. 支持多种网络层协议，在同一物理链路上。
  5. 支持多种链路。
  6. 差错检测。立即丢弃错误帧。
  7. 检测连接状态。及时发现链路故障或恢复。
  8. 最大传送单元MTU的标准默认值。
  9. 网络层地址协商。使通信的两个网络层知道或配置彼此的网络层地址。
  10. 数据压缩协商。

PPP不需要的功能：

  1. 纠错
  2. 流量控制
  3. 序号（PPP不是可靠传输协议）
  4. 多点线路
  5. 半双工或单工链路（PPP仅支持全双工链路）

PPP协议的组成：

  1. IP数据包封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路（无奇偶校验的8比特数据），也支持面向比特的同步链路。
  2. 链路控制协议LCP（Link Control Protocol）。建立、配置和测试数据链路连接。
  3. 网络控制协议NCP（Network Control Protocol）。用来支持不同的网络层协议。

PPP协议的帧格式

PPP协议的帧格式

当“协议”为0x0021就是IP数据包，
为0xC021就是LCP数据，
为0x8021就是网络层的控制数据。

字节填充：

异步：

  1. 0x7E -> (0x7D, 0x5E)
  2. 0x7D -> (0x7D, 0x5D)
  3. ASCII控制字符（小于0x20） -> (0x7D 0x??)

零比特填充： 用于SONET/SDH链路，同步传输
信息字段中5个连续的1后插入一个0。有效避开了0x7E。

PPP协议的工作状态

PPP协议的状态图

习题

  1. selective repeat protocol 最大接受窗口为$2^M-1$
  2. Go-Back-N 最大接收窗口是$2^{M-1}$（默认接收窗口大小 = 发送窗口大小）
  3. CRC异或取模。别忘了先左移n位
  4. 纠错需要距离为2d+1比特的编码
  5. 检测需要距离为d+1比特的编码
  6. 数据链路层的功能：为网络层提供明确的服务接口；调节数据流，以帮助慢速接收者不被淹没。
  7. 处理传输错误
  8. PPP提供了NCP，LCP和帧的封装方法
  9. ？？？PPP提供了协商网络层选项的方法（而不是SLIP, BOOTP, HDLC）
  10. PPP, HDLC, SDLC(同步) 属于数据链路层。ICMP属于网络层。
  11. PPP帧包括flags，address，control，protocol，payload，checksum。