第1章 概述

互联网是网络的网络

互联网的结构

• 第一阶段：单个网络ARPANET
• 第二阶段：三级结构互联网
  1. 主干网
  2. 地区网
  3. 校园网
• 第三阶段：全球范围的多层次ISP结构互联网
  • ISP(Internet Service Provider):互联网服务提供者

互联网的组成

• 边缘部分
  • 端系统：连接在互联网上的所有主机
  • 端系统间的通信方式：C/S、P2P
• 核心部分
  • 交换：以某种方式动态分配传输线路的资源

计算机网络的类别

• 作用范围：
  • 广域网WAN
  • 城域网MAN
  • 局域网LAN
  • 个人局域网PAN
• 使用者：
  • 公用网
  • 专用网

计算机网络的性能指标

1. 速率(数据率/比特率)
   • 数据的传送速率
   • 单位：bit/s(即bps)
   • 往往指额定/标称速率
2. 带宽
   • 最高数据率
   • 单位：bit/s
3. 吞吐量
   • 单位时间实际数据量
   • 单位：bit/s
4. 时延
   • 端到端所需时间
   • 单位：s
   1. 发送时延
      • 数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)
      • 越长越大、越快越小
   2. 传播时延
      • 信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)
      • 越远越大
   3. 处理时延
   4. 排队时延
   • 总时延=发送+传播+处理+排队
   • 高速网络链路仅仅是提高了发送速率(bit/s)，不是传播速率(m/s)
5. 时延带宽积
   • 传播时延(s)*带宽(bit/s)
   • 单位bit
6. 往返时间RTT
   • 需要确认时：有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)
7. 利用率
   • 信道/网络利用率
   • D=D₀/(1-U)
     • D₀：网络空闲时时延
     • D：网络当前时延
     • U：当前网络利用率
   • 信道/网络利用率过高会产生非常大的时延

计算机网络体系结构

• OSI/RM(Open Systems Interconnection Reference Model):开放系统互连基本参考模型
• 网络协议三要素：
  1. 语法：数据与控制信息的结构或格式
  2. 语义：发出何种控制信息，完成何种动作及做出何种响应
  3. 同步：事件实现顺序的详细说明
• 分层
  • 好处：独立、灵活性好、易于实现与维护
  • 各层功能：差错控制、流量控制、分段和重装、复用和分用、连接建立和释放
• 体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合
  • 体系结构(抽象)<=>实现(具体)
• OSI七层协议体系结构：
  1. 物理层
  2. 数据链路层
  3. 网络层
  4. 运输层
  5. 会话层
  6. 表示层
  7. 应用层
• TCP/IP四层：
  1. 链路层(网际接口层)
  2. 网际层IP
  3. 运输层(TCP/UDP)
  4. 应用层
• 协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)
  1. 应用层(报文)
  2. 运输层(TCP:报文段/UDP:用户数据报)
  3. 网络层(IP数据报/分组)
  4. 数据链路层(帧)
  5. 物理层(比特)
• 实体(entity):任何发送或接受信息的软硬件进程
• 协议：两个/多个对等实体进行通信的规则的集合
  • 下层协议对上层透明，本层协议需要使用到下层服务
• 服务访问点SAP(Service Access Point):相邻两层实体进行交互的地方
• 服务数据单元SDU(Service Data Unit):层与层间交换数据的单位
• TCP/IP协议族
  • everything over IP(IP层可以支持多种运输层协议)
  • IP over everything(IP协议可以在多种类型的网络上运行)

第2章 物理层

基本概念

• 主要任务：
  • 确定与传输媒体接口有关的一些特性
    • 机械特性
    • 电气特性
    • 功能特性
    • 过程特性
  • 完成传输方式的转换(并行<->串行)

数据通信基础知识

• 数据通信系统
  1. 源系统
     • 源点
     • 发送器
  2. 传输系统
  3. 目的系统
     • 接收器
     • 终点
  • 消息：通信传送~
  • 数据：运送消息的实体
  • 信号：数据的电气/电磁表现
    • 模拟信号(连续)
    • 数字信号(离散)
• 信道基本概念
  • 信道：想某一方向传送消息的媒体
  • 交互方式
    • 单向通信(单工)
    • 双向交替通信(半双工)
    • 双向同时通信(全双工)
  • 基带信号：来自信源的信号
  • 调制：
    • 基带调制(编码)：仅变换波形，仍是基带信号，一种数字信号转换为另一种
      • 常用编码方式：
        • 不归零制(正电平1，负电平0)
        • 归零制(正脉冲1，负脉冲0)
        • 曼彻斯特编码(位周期中心向下跳变1，向上0)
        • 差分曼彻斯特编码(中心始终跳变，位开始边界无跳变1，有跳变0)
    • 带通调制(载波)：把基带信号频率范围搬到较高频段，并转为模拟信号，称作带通信号
      • 基本带通调制方法：
        • 调幅AM(Amplitude Modulation):如无载波0，有载波1
        • 调频FM(Frequency Modulation):如频率f1为0，频率f2为1
        • 调相PM(Phase Modulation):如相位0度为0，180度为1
• 信道极限容量
  • 噪声：干扰信号传输的能量场
  • 失真：码元传输速率↑、信号传输距离↑、噪声干扰↑、传输媒体质量↓
  • 限制码元在信道上传输速率的因素
    1. 信道能投通过的频率范围
       • 码间串扰
       • 奈氏准则：带宽为W(Hz)的低通信道，不考虑噪声影响，码元传输最高速率为2W(码元/秒)
    2. 信噪比
       • 信噪比=10 log₁₀(S/N)
       • 单位：dB
       • S：信号的平均功率
       • N：信号的平均噪声
       • 香农公式：
         • C=W log₂(1+S/N) (bit/s)
         • C：信道的极限信息传输速率
           • 信道的带宽↑、信道中的信噪比↑
    • 编码让每一个码元携带更多比特的信息量

物理层下的传输媒体

• 导引型：电磁波沿固体媒体传播
  • 双绞线
    • 两根互相绝缘的铜导线绞合，减少对相邻导线的电磁干扰
    • 分类：无屏蔽双绞线UTP、屏蔽双绞线STP
  • 同轴电缆
  • 光缆
    • 组成：纤芯、包层
    • 纤芯直径：8~100μm
    • 原理：高折射率向低折射率(折射角>入射角)、入射角足够大时的全反射
    • 多模光纤：多条不同角度的入射光线在一条光纤中传输，只适合近距离传输
    • 单模光纤：纤芯直径只有几μm，不会产生多次反射，成本高
• 非导引型：自由空间中传播

信道复用技术

1. 频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing):同时占用不同带宽资源
2. 时分复用TDM(Time Division Multiplexing):不同时间占用同样的频带宽度

• 划分时间为等长的时分复用帧(TDM帧)，每一个用户在每一个TDM帧中占用固定时隙(Time Slot)
• TDM信号也称为等时(isochronous)信号

3. 统计时分复用STDM(Static TDM):异步时分复用

• 每个STDM时隙数小于连接在集中器中的用户数

4. 波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing):光的频分复用
5. 码分复用CDM(Code Division Multiplexing)
   • 码分多址CMDA(Code Division Multiple Access)
     • 码片(chip):每一比特时间划分为m个短间隔
     • 每个站有唯一m位码片序列(chip sequence)，原样发送/发送其二进制反码来表示1/0
     • 不同站的码片序列要互相正交
       • S·T=0
       • S·S=1(与其反码的规格化内积为-1)
     • 接收S站：S·(S_X+T_X)=S·S_X=+1/-1

数字传输系统

• 脉码调制PCM(时分复用)
  • 缺点：速率标准不统一、不是同步传输
• 同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)
  • 第1级同步传送信号速率STS-1：51.840Mbit/s
  • 对光信号称为第1级光载波OC-1
• 同步数字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)
  • 第1级同步传递模块STM-1：155.520Mbit/s

宽带接入技术

• 非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)
  • 数字技术改造现有模拟电话线，把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用
  • 下行(从ISP到用户)带宽远大于上行带宽
  • 离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)
    • 即多载波/多子信道
    • 频分复用(40kHz~1.1MHz)
• 光纤同轴混合网(HFC网)
  • 把原有线电视网同轴电缆主干部分替换为光纤
  • 使用光纤模拟技术
• FFTx(光纤到……)
  • 光纤到户FFTH(Fiber To The Home)

第3章 数据链路层

概念

• 信道类型：
  • 点对点
  • 广播
• 链路(物理链路)：一个节点到相邻节点的一段物理线路(有/无线)
• 数据链路(逻辑链路)：物理线路+实现通信协议(规程)的软硬件
• PDU:帧
• 三个基本问题：
  • 封装成帧(Framing)
    • 首部和尾部：用于帧定界
    • 最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit):帧的数据部分上限
    • 帧定界符：出现差错时作用明显
      • 帧开始符SOH(Start Of Header):表示首部开始
      • 帧结束符EOT(End of Transmission):表示帧结束
  • 透明传输(Transparent Transmission)
    • 无论怎样比特组合的数据，都原样无差错地通过
    • 转义字符ESC
    • 字节/字符填充：在数据中的SOH/EOT/ESC前插入ESC
  • 差错检测(Error Detection)
    • 比特差错：1->0/0->1
    • 误码率BER(Bit Error Rate):
      • 传输错误的比特/总比特
      • 信噪比↑
    • 循环冗余检验CRC(Cyclic Redundancy Check)
      1. 数据分组：每组k比特，记其一为M
      2. 在M后添加n位冗余码发送，共k+n位数据
         • 二进制模2运算 (加法不进位，异或)
         • 2ⁿM/P (M后添加n个0，再除以约定的n+1位除数P)
         • 得出n位余数R作为冗余码
      3. 帧检验序列FCS(Frame Check Sequence):指添加的冗余码
      4. 收到数据后CRC检验：收到的每一个帧都除以P(模2运算)
         • 无差错：余数R=0
         • 有差错：余数R≠0，无法判断位置，丢弃
      • 生成多项式
        • P(X)=X³+X²+1 <=> P=1101
      • 仅用CRC技术只能做到无差错接受，并不是“可靠传输”
        • 需要编号、确认和重传机制
        • 现采用区别对待：
          • 通信质量好的有线传输链路不使用确认和重传机制
          • 无线传输链路使用确认和重传机制

点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)

• 特点：
  • 简单：无纠错、无序号、无流量控制
  • 差错检测(丢弃)
  • MTU：1500字节
• 组成：
  • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
  • 一个链路控制协议LCP(Link Control Protocol):建立、配置和测试数据链路连接
  • 一套网络控制协议NCP(Network Control Protocol)
• 帧格式：
  1. 首部(4字段):
     • 标志字段F=0x7E，表示帧的开始/结束
       • 连续两帧间只需要一个F
       • 地址字段A=0xFF，无意义
       • 控制字段C=0x03，无意义
       • 协议字段(2字节)
         • 0x0021：信息字段为IP数据报
         • 0xC021：信息字段为LCP数据
         • 0x8021：信息字段为网络层控制数据
  2. 信息字段
     • 长度可变，不超过MTU(1500字节)
  3. 尾部(2字段)
     • FCS(2字节):用于CRC帧检验
     • 标志字段F=0x7E
  • 字节填充(异步传输):
    • 转义符=0x7D(作用于信息字段)
      • 0x7E=>(0x7D,0x5E)
      • 0x7D=>(0x7D,0x5D)
      • ASCII码控制符(<0x20)如0x03=>(0x7D,0x23)
    • 链路上信息字节数可能超过MTU，但可在接收端恢复
  • 零比特填充(同步传输):
    • 信息字段中出现5个连续1，立刻填入1个0
    • 原理：F=0x7E=01111110
• 工作状态：
  • 链路静止：PPP链路的起始和终止状态
    • 设备间无链路
  • 链路建立(->LCP配置协商失败->链路静止)
    • 物理链路
  • 鉴别(鉴别失败->链路终止->链路静止)
    • LCP链路
  • 网络层协议
    • 已鉴别的LCP链路
  • 链路打开(->链路终止->链路静止)
    • 已鉴别的LCP链路和NCP链路

使用广播信道的数据链路层

• 数据链路层的两个子层(IEEE 802.2)：
  • 逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层
    • 现已无用
  • 媒体接入控制MAC(Medium Access Control)子层
• 适配器(adapter)
  • 又称为网络接口卡NIC(Network Interface Card)/网卡
  • 功能：
    • 串行(计算机内)/并行(到局域网)传输的转换
    • 缓存数据
    • 实现以太网协议
• CSMA/CD协议
  • 以太网为了通信简便采取的两种措施：
    1. 无连接、无编号与确认
       • 尽最大努力的交付，不可靠的交付
    2. 使用曼彻斯特编码
  • 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
    • 概念：
      • 多点接入：总线型网络
      • 载波监听：发送数据前/中不停检测信道
      • 碰撞(冲突)检测：
        • 边发送数据边检测信道上的信号电压大小
        • 发现总线出现碰撞后，适配器要立刻停止发送，然后等待一段随机时间后再次发送
    • 冲突检测
      • 电磁波在1km电缆的传播时延约为5μs
      • 总线上单程端到端的传播时延记为τ
      • 发出数据帧的站在发送后至多2τ内就能知道是否遭到碰撞，即以太网端到端往返时延，称为争用期/碰撞窗口
      • 使用CSMA/CD协议时不能同时发送与接收，只能进行半双工通信
      • 以太网发送的不确定性：不能保证在检测到信道空闲后的某一时间内，一定能够把自己的数据帧成功发出去=>以太网的平均通信量远小于其最高数据率
    • 截断二进制指数退避(truncated binary exponential backoff)
      • 基本退避时间：争用期2τ
        • τ=51.2μs=512比特时间，可使10Mbit/s以太网发送512比特，即64字节
        • 以太网发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续数据就不会发生冲突
      • 从离散整数集合[0,1,…,(2^k-1)]中随机取一个数r
        • 重传推后r倍的争用期
        • k=Min[重传次数,10]
      • 重传超过16次仍不能成功时丢弃该帧，并报告高层
    • 最短有效帧长：64字节(512比特)
      • 长度<64字节 => 由于冲突而异常终止的无效帧 => 丢弃
    • 强化碰撞：发生碰撞时，停止发送数据，并发送32/48比特的人为干扰信号(jamming signal)
    • 帧间最小间隔：9.6μs=96比特时间
• 集线器星型拓扑
  • 使用CSMA/CD协议
  • 逻辑上仍是总线网
  • 集线器工作在物理层，每个端口仅简单转发比特，不进行碰撞检测
• 以太网的信道利用率
  • 假定发送帧需要T₀=帧长L(bit)/发送速率C(即10Mbit/s)
  • 成功发送一个帧需要占用信道T₀+τ
  • 定义参数α=τ/T₀
    • α->0 => 一发生碰撞就能检测出来，信道利用率高
    • α↑ => 争用期占比↑，信道利用率↓
  • 结论：当数据率一定时，以太网的连线长度受到限制(否则τ太大)，帧长不能太短(否则T₀太小)
  • 极限信道利用率S_max=T₀/(T₀+τ)=1/(1+α)
    • 理想情况下，假定不发生碰撞
    • 指出了只有当α远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率
• 以太网的MAC层
  • 硬件地址(物理/MAC地址)
    • 是一种标识符，固化在适配器的ROM中
    • 6字节=48位
      • 前3字节：组织唯一标识符OUI，IEEE的注册管理机构RA(Registration Authority)分配
      • 后3字节：扩展标识符EI，厂家自行指派
      • I/G位：第1字节的最低有效位
        • 0：单个站地址
        • 1：组地址(用于多播)
      • G/L位：第1字节的最低第二位
        • 0：全球管理
        • 1：本地管理
      • 适配器过滤功能：每收到一个MAC帧就检测其目标地址，不是发往本站(下例)就丢弃
        • 单播(unicast)帧：收到帧的MAC地址与本站相同
        • 广播(broadcast)帧：发给本局域网上所有站点
          • 全1地址：ff:ff:ff
        • 多播(multicast)帧：发给本局域网上部分站点
        • 混杂方式：无论目标地址接收所有帧
  • MAC帧格式(以太网V2)

    字段	前同步码	帧开始定界符	目的地址	源地址	类型	数据(IP数据报)	FCS
    字节数	7	1	6	6	2	46~1500	4
    所在层	物理层	物理层	MAC层	MAC层	MAC层	MAC层(IP层)	MAC层

    • 补充说明：
      • 类型：标志上一层使用的协议
      • 数据：
        • 46字节=64(最短有效帧长)-18(首部+尾部)
        • 1500字节=MTU
      • 前同步码：适配器接收时调整时钟频率与发送端时钟同步
      • 帧开始定界符：作用同前同步码
    • 无效MAC帧：丢弃
      • 帧长度不是整数字节，或不在64~1500字节间
      • 用帧检验序列FCS查出有差错
      • 数据字段长度不在46~1500字节间

扩展的以太网

• 物理层扩展
  • 光纤连接主机和集线器
  • 多个集线器可以形成更大范围的多级星形结构以太网
    • 好处：
      • 跨原来的独立碰撞域通信
      • 扩大了局域网覆盖的物理范围
    • 缺点：
      • 碰撞域增大了，但总吞吐量并未提高
      • 使用不同数据率的碰撞域无法使用集线器互连
• 数据链路层扩展
  • 网桥(bridge)
    • 好处：
      • 过滤通信量
      • 扩大了物理范围
      • 提高了可靠性
      • 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网
    • 按存储转发方式工作
      • 转发表：
        • MAC地址
        • 接口(端口)
        • 进入网桥的时间(只保留网络拓扑的最新信息)
      • 自学习：收到后自主添加转发表中没有的项目
      • 生成树协议STP(Spanning Tree Protocol):整个连通的网络中不存在回路，是个无环路的树状结构
  • 交换式集线器(switching hub)
    • 又称以太网交换机或第二层交换机
    • 工作在数据链路层
    • 淘汰了网桥，实质上是一个多端口的网桥
    • 全双工(不使用CSMA/CD协议)
    • 交换方式：
      • 直通(cut-through)
        • 只检查数据包包头(14字节)
        • 不需要存储
        • 延迟小、交换速度快
        • 不能进行差错检测，不能进行线路速率匹配
      • 存储转发(store-and-forward)
        • 进行差错检测
        • 可进行线路速率匹配
        • 数据处理延时大
• 虚拟局域网
  • VLAN标签(tag)
    • 扩展以太网帧格式，在源地址字段后添加4字节VLAN标签字段
      • 前2字节：802.1Q标签类型，总为0x8100
      • 后2字节：
        • 前4位：无用
        • 后12位：VLAN标识符VID，唯一标志802.1Q帧属于哪个VLAN
          • 12位VID可识别2¹²=4096个不同VLAN
      • 以太网最大帧长：1518字节->1522字节
  • 汇聚链路(trunk link)
    • 又称干线链路，是连接两个交换机端口之间的链路
    • 数据帧在进入交换机端口后，被打上VLAN标签，方便在TRUNK里传输；转发出端口后标签被去掉

高速以太网

• 概念
  • 高速以太网：速率达到/超过100Mbit/s
• 100BASE-T以太网
  • 又称快速以太网
  • 在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网
  • 使用IEEE802.3的CSMA/CD协议(全双工方式下不用)
  • 争用期：5.12μs=512比特时间
  • 帧间最小间隔：0.96μs=96比特时间
• 吉比特以太网(802.3z)
  • 1Gbit/s下全双工/半双工
  • 使用802.3帧格式
  • 半双工用CSMA/CD，全双工不用
  • 与10BASE-T/100BASE-T技术向后兼容
• 10吉比特以太网
  • 与10M/100M/1G以太网帧格式完全相同，保留了802.3的最小/最大帧长
  • 只工作在全双工方式，不存在争用问题，不使用CSMA/CD