Chapter 1 计算机网络和因特网

• 因特网(Internet)
• 主机(host)=端系统(end system)
• 通信链路(communication link)：由不同类型的物理媒体组成。
• 分组(packet)
• 分组交换机(packet switch)：连接端系统的中间交换设备，从一条入通信链路接收分组并保存，再从另一条出通信链路转发出去。

最常见两种：
1.路由器(router)，常用于网络核心 。
2.链路层交换机(link-layer switch)，常用于接入网。

• 传输速率(transmission rate)
• 路径(route或path)：一个分组在传输过程中所经过的一系列通信链路和分组交换机
• ISP因特网服务提供商(Internet Service Provider)：端系统通过ISP接入因特网。
• 协议(protocol)：定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及报文发送或接收一条报文或其他事件所采取的动作。
• TCP传输控制协议(Transmission Control Protocol)
• IP网际协议(Internet Protocol)
• 因特网标准(Internet standard)

因特网标准是指由IETF制定的标准文档RFC。
ETF因特网工程任务组(Internet Engineering Task Force)
RFC请求评论(Request For Comment)

• 内联网(intranet)：专用网络，设立防火墙，和公共因特网采用相同的主机、路由器、链路和协议。
• 分布式应用程序(distributed application)：在不同端系统运行，彼此间可以通信。
• 接入网(network access)：将端系统连接到其边缘路由器的物理链路(网络)。是用户连接到网络的基础设施。
• 边缘路由器(edge router)：端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。
• 调制解调器(modem)：用于数字信号和模拟信号的相互转化。

数字to模拟：调制
模拟to数字：解调

• DSL数字用户线(Digital Subscriber Line)

家庭接入时，将家庭端系统通过电话线用调制解调器与ISP(本地电话公司)相连交换数据。
端系统发送：调制解调器将PC输出的数字新号转为模拟信号(电话线是模拟信号)后，在模拟电话线(双绞线)上传输。
ISP方接收：调制解调器将模拟信号转化为数字形式，作为ISP路由器的输入。
使用频分复用技术。
将信号分离为语音和数据。
总是在线(always on)即可以同时电话和上网。

• ADSL不对称数字用户线(Asymmetrical Digital Subscriber Line)

不对称：下行传输速率大于上行传输速率。

• 电缆因特网接入(cable Internet access)：又称为HFC混合光纤同轴(Hybrid Fiber Coax)

利用有线电视的基础设施，使用光缆和同轴电缆相结合的技术。
需要配置电缆调制解调器(cable modem)，将HFC网络划分为下行和上行两个信道。
下行传输速率大于上行传输速率。
共享广播媒体：同时使用下行信道时下载速率下降，同时使用上行信道向头端传输时会出现碰撞。
使用频分复用技术。
将信号分离。
总是在线(always on)即可以同时电话和收看电视。

• LAN局域网(Local Area Network)
• 以太网：基于有线的共享广播网，连接多台PC 机、共享设备，采用以太网协议。
• 公司接入：先将多个端系统连接成LAN(如采用以太网技术，用双绞线和同轴电缆将端系统相连)，再将LAN与边缘路由器连接。
• 共享以太网：端系统共享以太网速率[ex:集线器HUB，同一时刻只能一个设备发送]
• 交换以太网:多个端系统连接到一台交换机，使多个用户同时使用全部带宽通信[ ex：路由器或交换机，属于分组交换（高速背板）。同一时刻可以多个设备同时发送（无须同其他设备竞争使用 ）]
• Wi-Fi无线局域网(wireless LAN)：无线用户通过基站(无线接入点)相互通信，基站与有线的因特网连接，覆盖范围小。[ex：IEE802.11]
• 广域无线接入网：基站由电信提供商管理，覆盖范围数万米，漫游用户利用移动电话接入基站。
• 物理媒体(physical medium)=传输媒体=传输介质=传输媒介：进行数据传输的物理通路，通过传播电磁波或光脉冲来传输比特流。
• 引导型媒体(guided media)：电波沿着固体媒体前行[ex:光缆、双绞铜线、同轴电缆]
• 非引导型媒体(unguided media)：电波在空气或外层空间中传播[ex:无线电、无线局域网、数字卫星频道]
• 双绞铜线

最便宜，最普通，如电话线。
两根绝缘的铜线螺旋形式绞合在一起。减少对邻近双绞线的电气干扰。
可传输模拟信号和数字信号。
速率：10Mbps-10Gbps(取决于线的粗细和传输双方的距离)
1.STP屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair)：贵，抗电磁干扰能力强。
2.UTP屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair)：常用于LAN

• 同轴电缆

由两个同心铜导体组成，内导体传递数据，外导体用作品地线及屏蔽干扰。
同轴电缆可以用作引导式共享媒体。
1.基带同轴电缆：T型，50欧姆，比特流（数字信号）直接向电缆发送，无需调制到不同的频段，是引导式共享媒体(连接许多端系统，所有端系统都能接收其他端系统发送的数据)。
2.宽带同轴电缆：树形，70欧姆，将数字信号调制成特定频段的模拟信号传送，常用于电缆电视系统，宽带住宅接入形式。

• 光纤

细，柔软，引导光脉冲的媒体，一个脉冲一个比特，速率极高，不受电磁干扰。
多个光纤集成在一起组成光缆。
发送方，电光转化，接收方，光电转化。

• 陆地无线电信道

无线电波在自由空间自由传播，穿透墙壁，连接移动用户，长距离。
1.短距离：几米，ex：耳机，键盘等。
2.局域无线电信道：十到几百米，ex：无线LAN。
3.广域无线电信道：几千米到数万米，ex：WAP，蜂窝接入技术。

• 卫星无线电信道：

通过一颗通信卫星连接两个或多个位于地球的微波发射方/接收方（地球站）。
该卫星在一频段上接收信号，使用转发器再生信号，并在另一个频率上发送信号。带宽可达Gb/s。
1.同步卫星 (geostatinary satellite)：永久地停留在地球上方的某个固定点上（地球表面上方36000km的轨道)
2.低纬度卫星=近地轨道卫星(low-altitute satellite)：较靠近地球，不是永久停留在地球上分的一个点，绕地球旋转。

• 报文(message)：长报文划分为较小的数据块——分组。
• 存储转发传输(store-and-forward transmission)：指交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组。
• 输出缓存(output buffer)=输出队列(output queue)：用于存储路由器准备发往某条链路的分组。
• 转发表(forwarding table)：用于将目的地址(或目的地址的一部分)映射为输出链路。
• 路由选择协议(routing protocol)：用于自动设置转发表。
• 端到端连接(end-to-end connection)
• 电路交换(circuit switching)

预留端到端资源:端系统之间通信路径上所需要的资源(缓存，链路带宽)。
通信双方必须建立一个专用的连接，一直维持到通信结束。
保证发送方以恒定速率向接收方传送数据。
多条链路平分带宽。
效率较低：静默期（无数据传输）专用电路空闲，网络资源被浪费；
创建端到端电路及预留端到端带宽的过程复杂。
ex：电话网络

• 分组交换(packet switching)

过程：
1.源端将报文划分为较小的数据块（分组packet）。
2.每个分组通过一系列链路和分组交换机传送，直到目的端
3.目的端恢复原报文。
特点
1.分组以链路的最大传输速率传输。
2.传输过程中采用存储转发传输机制。
3.不需要资源预留。
4.按需使用资源，可能要排队等待:会同时有其它分组发送。
5.利用率高：按需分配链路。
6.带宽共享好，简单，有效，成本更低。
7.不适合实时服务：端到端时延不确定。
8.分组不一定按序到达。
ex：因特网

• 多路复用：在一条传输链路上同时建立多条连接，分别传输数据。
• FDM频分多路复用(frequency-division multiplexing)

链路的频谱由跨越链路创建的连接所共享。
按频率划分若干频段，每个频段专用于一个连接。

• TDM时分多路复用 (time-division multiplexing)

时间划分为固定区间的帧，每帧再划分为固定数量的时隙，每一个时隙专用于一个连接，用于传输数据。

• 第一层ISP(tier-1 ISP)

最顶层，数量少，主干，覆盖国家或国际，速率高。
第一层的ISP之间对等(peer)，不收费。

• 第一层ISP(tier-2 ISP)

常为区域的覆盖
可和多个第一层ISP相连，第一层是第二层的提供商，第二层是第一层的客户。
第二层之间直接相连。

• 处理时延(processing delay)：检查比特差错+决定输出链路，微秒级或更低.
• 排队时延(queuing delay)：分组等待在链路上传输的排队时间，毫秒到微秒量级。
• 传输时延(transmission delay)：将分组的所有比特发射（传）向链路所需要的时间，等于分组长度L/链路传输速率R，毫秒到微秒量级。
• 传播时延(propagation delay)：一个比特从链路的起点到下一节点（路由器）传播所需要的时间，等于链路长度d/链路传播速率s，毫秒级。
• 节点总延迟$d_{nodal}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}(L/R)+d_{prop}$
• 流量强度(reaffic intensity)：比特到达队列的速率与比特从队列中推出的速率之比。

设，R= 链路速率 (bps)、L= 分组长度 (比特)、a= 平均分组到达速率（每秒分组，pkt/s） ，
则流量强度=La/R。
1.当La/R>1，此时队列无限增加，排队时延趋于无穷大。
2.当La/R~0，排队时延几乎为0。
3.当La/R趋近于1，逐渐形成队列，排队时延变大。

• 丢包=分组丢失(packet loss)
• 端到端时延：从源到目的地的时延，$d_{end-to-end}=N(d_{proc}+d_{trans}+d_{prop})$,假设共经过N-1个路由器，忽略排队时延。
• 吞吐量(throughput):在发送端和接收端之间传送比特的速率。

瞬时吞吐量：在某一特定时刻传送文件的速率。
平均吞吐量：在一段时间内传送文件的速率。
是瓶颈链路(bottleneck link)的传输速率。min{Ri}。

• 网络的拓扑结构：网络的物理连接方式

1.总线
优点：结构简单、连网方便、易于扩充、成本低。用于局域网。
缺点：传输距离有限，实时性较差。
2.树型
优点：易于扩展。
缺点：对“根”的依赖性大。
3.星型
优点：结构简单、连网方便、成本低。用于局域网。
缺点：可靠性差。
4. 环形
优点：结构简单、路径选择方便。用于局域网。
缺点：可靠性差、管理复杂。
5.网状/分布式
优点：可靠性高。用于广域网。
缺点：网络控制和软件比较复杂。

• LAN局域网(Local Area Network)：几米~10km
• MAN城域网(Metropolitan Area Network)：10~100km，一个MAN连接多个LAN
• WAN广域网(Wide Area Network):几百~几千公里。
• ISO国际标准化组织(International Standard Organization )。
• OSI开放系统互连模型(Open System Interconnection Reference Model)是国际标准化组织（ISO）在1981年提出的网络分层结构，是从一个很高的层次上对网络系统进行的描述。
• 7层ISO OSI参考模型

• 分层(layer)

特点：
1.每层功能独立。
2.每两个相邻层之间有一逻辑接口(SAP服务访问点(service Access Point))，可交换信息。
3.上一层建立在下一层基础上：上一层可调用下一层的服务，下一层为上一层提供服务

• 五层因特网协议栈(protocol stack)

应用层：提供各种网络应用。传输应用报文。FTP、 SMTP、 HTTP
运输层：为两个主机的应用程序之间提供报文传输服务。传输报文段。TCP、 UDP
网络层：主机和主机之间传输网络层分组（数据报）。IP协议、 选路协议
链路层： 在相邻节点之间传输数据（帧 ）。PPP、以太网
物理层：在节点之间传输比特流。传输媒体
路由器实现最下面三层。
链路层交换机实现最下面两层。
主机实现全部五层。

• DNS域名系统(Domain Name System)：它作为将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。
• IP网际互连协议(Internet Protocol):是TCP/IP体系中的网络层协议。

Chapter 2 应用层

• 应用程序体系结构(application architecture)：由研发者设计，规定如何在各种端系统上组织应用程序。
• CS客户机/服务器体系结构(client-server architecture)

1.服务器：
总是打开
为多个客户机请求提供服务
永久的IP地址
可扩展为服务器场（主机群集）
2.客户机：
总是打开或间歇打开
向服务器发出请求
具有动态的IP地址
彼此之间不直接通信

• P2P体系结构(peer-to-peer architecture)

无（最少）打开的服务器
任意端系统（对等方）可以直接通信
对等方间歇地连接，IP地址不固定
可扩展度高、难以管理

• 客户机/服务器与P2P的混合
• 客户机程序(client program)：服务请求方。发出请求，并从服务器程序接受服务。
• 服务器程序(server program)：服务提供方。接收客户机请求，并提供服务。
• 套接字(socket):同一台主机内应用层与运输层之间的接口，也叫应用程序和网络之间的应用程序接口API ,是在网络上建立网络应用程序的可编程接口。

在应用层控制套接字，运输层几乎不控制套接字。

• 进程寻址

IP地址：确定主机
端口号(port number):确定主机中的进程，ex:【Web服务进程(HTTP协议)：80】【邮件服务进程(SMTP协议)：25】

• API应用编程接口(Application Programming Interface)
• 应用程序的服务类型

1.可靠性：
容忍丢失的应用(loss-tolerant application)：ex:多媒体应用。
不能容忍丢失的应用：ex:电子邮件，文件传输，金融事务。
2.吞吐量：
带宽敏感的应用：需要特定带宽才能正常工作，ex：因特网电话，多媒体等。
弹性应用：ex：电子邮件，文件传输，web传输。
3.定时
交互式实时应用：ex：因特网电话，视频会议，多方游戏。
非实时应用。
4.安全性
加密，数据完整性。

• TCP

1.面向连接的服务：
在应用层数据报文开始流动之前，TCP让客服和服务器之间交换传输层控制信息，在两个进程的套接字之间建立TCP连接。
2.连接时全双工，同时收发。
3.可靠的数据传输服务
无差错，按序，无丢失和冗余。
4.拥塞控制：网络拥塞时遏制发送方速率。
5.流量控制：发送方发送速率不能超过接收方能力
6.不保证最小传输速率和时延
7.不适合实时应用。
——
序号：报文段中第1个数据字节在字节流中的位置编号。
确认号：期望从对方收到下一个字节的序号，累计应答。
)

• UDP

1.无连接：无握手，每个UDP段独立处理。
2.不可靠：尽力而为，可能丢包，可能对应用程序交付失序。
3.无拥塞控制机制
4.无时延保证
5.简单，首部开销小
6.适合实时应用

• 用户代理(user agent):用户与网络应用程序之间的接口。

ex：
1.web应用的用户代理：浏览器软件。
2.电子邮件应用的用户代理：邮件阅读器。

• 应用层协议

定义运行在不同端系统上的应用程序进程间传递报文的格式和方式
1.交换的报文类型：如请求报文和响应报文；
2.各种报文类型的语法：报文中的各个字段及描述；
3.字段的语义：字段包含信息的含义；
4.规则：进程何时、如何发送报文及对报文进行响应。
ex：web的应用层协议HTTP。

• HTTP超文本传输协议(HyperText Transfer Protocol)，定义了浏览器和web服务器之间传输的报文格式和序列。

• Web页面(Web page)=Web文档：由对象构成。

• 对象(object)：诸如一个HTML基本文件(base HTML file)、一个图片、一个视频、一个java小程序，通过url寻址。

• HTML超文本标记语言(Hyper Text Markup Language):它包括一系列标签．通过这些标签可以将网络上的文档格式统一，使分散的Internet资源连接为一个逻辑整体。

• URL统一资源定位符(Uniform Resource Locator):标识万维网WWW上的各种文档，全网范围唯一，服务器主机名+对象的路径名。

• 无状态协议(stateless protocol)：服务器不保存关于客户的任何信息。【ex:HTTP】

• RTT往返时间(Round-Trip Time)：一个小分组从客户机到服务器，再回到客户机所花时间。包括传播时延、排队时延以及处理时延，不包括传输延迟。

• 非持续连接(non-persistent connection)

一个TCP连接只传输一个Web对象。
HTTP/1.0使用
总响应时间：2RTT(一个建立TCP，一个用于请求和传输)+文件传输时间。

• 持续连接(persistent connection)

一个TCP连接只传输多个Web对象(相同客户机与服务器之间的后续请求和响应报文通过相同的连接进行传送,一定时间不使用该连接，服务器就关闭该连接)。
HTTP/1.1使用
1.非流水线方式（串行）：客户机只能在前一个响应接收到之后才能发出新的请求(一个对象一个RTT)。
2.流水线方式（并行） ：节省RTT时延，可能所有引用对象只花费一个。

• HTTP请求报文

HTTP请求报文通用格式

ex：

GET：请求一个对象。实体主体为空。
POST：将实体信息交给服务器，用于提交表单
HEAD：请求只返回对象响应报文首部。
PUT：向服务器URL指定的路径上载实体中的文件。
DELETE：删除服务器URL指定的文件。

• HTTP响应报文

HTTP响应报文通用格式

ex：

• HTTP响应状态码

200 OK
请求成功，请求的对象在这个报文后面
301 Moved Permanently
请求的对象已转移，新的URL在响应报文的Location:首部行中指定
400 Bad Request
请求报文不为服务器理解
404 Not Found
请求的文档没有在该服务器上发现
505 HTTP Version Not Supported
服务器不支持请求报文使用的HTTP版本

• Cookie：允许Web站点跟踪、识别用户；服务器可以限制用户访问，或把内容与用户身份关联。

cookie跟踪用户状态

• Web缓存器(Web cache)=代理服务器(proxy server):代表起始服务器来满足HTTP请求的网络实体，在磁盘存储空间中保存最近请求过的对象的副本。
• 条件GET方法(conditional GET):使缓存器能够证实其保存的对象是否为最新（缓存器向原始服务器发送if-modified-since:data）。
• FTP文件传输协议(File Transfer Protocol)：用于让用户通过一个FTP用户代理向远程FTP服务器上传或者下载文件的协议。

过程：
1.建立TCP连接：用户提供远程主机的主机名或者IP地址。在FTP客户机进程与FTP服务器进程之间建立。
2.身份认证：输入用户名和口令。向FTP服务器传送。
3.服务器验证成功：进行文件传送（双向）
————————————————————————————
特点：
1.使用了两个并行的TCP连接：
①控制连接：用于在两主机间传输控制信息。如用户名、口令；上载或下载文件命令等。FTP会话开始前并由客户端发起在21号端口上建立控制连接，是持久连接(用户会话期间一直保持)。
②数据连接：用于准确传输文件(上载或下载)，在20端口，每个数据连接只传输一个文件，是非持久连接(每次文件传输都需要建立新的数据连接)。

2.FTP的控制信息是带外传送(out-of-band)：使用分离的控制连接。(HTTP的控制信息是带内传输(in-band)：请求和响应都是在传输文件的TCP连接中发送。)
3.FTP协议是有状态的：FTP服务器对每个活动用户会话的状态进行追踪，并保留；限制同时会话的总数。(HTTP协议是无状态的：不对用户状态进行追踪。)

• 因特网电子邮件系统的构成

1.用户代理(user agent)：即邮件阅读器，用于用户阅读、回复、发送、保存和撰写报文。ex:OutLook，Foxmail。
2.邮件服务器(mail server)：邮箱(mailbox)维护自己发送给自己的报文。报文队列(message queue)：维护用户要发出的邮件报文。
3.SMTP简单邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol)：TCP，25号服务器端口号，应用层协议，控制从发送方的邮件服务器向接收方的邮件服务器发送邮件。

• SMTP简单邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol)与HTTP超文本传输协议(HyperText Transfer Protocol)的异同

都是一台主机向另一台主机传送文件。
都是持久连接(每个连接可以处理多个请求-响应事务)
————
1.HTTP是从Web服务器向Web客户机传送文件(对象)，
SMTP是从一个邮件服务器向另一个邮件服务器传送文件(电子邮件报文)。
2.HTTP是拉协议：用户使用HTTP从服务器拉取信息，其TCP连接是由想获取文件的机器发起，
SMTP是推协议：发送邮件服务器把文件推向接收邮件服务器，其TCP连接是由要发送文件的机器发起。
3. SMTP使用7位ASCII码格式（其他格式需要用MIME进行编码和解码），HTTP数据没有该限制。
4.对含有文本和图形 (或其他媒体类型)的文档：HTTP把每个对象封装在它各自的HTTP响应报文中发送。电子邮件则把所有报文对象放在一个报文中。

• 邮件报文格式

首部：To，From，Subject
主体：ASCII

• MIME多用途因特网邮件扩展类型(Multipurpose Internet Mail Extensions)

1.用于非ASCII数据传输，定义了传送非ASCII文件（如声音、图片）的编码规则，将非ASCII文件作为“附件”发送。
2.将非ASCII数据编码后传输，接收方再解码还原。附加MIME邮件首部说明采用何种编码。
3.MIME只是SMTP的一个扩展，不能替代SMTP。
ex：

• MIME首部

1.Content-Transfer-Encoding：告诉接收用户代理，该报文主体采用了ASCII码及相应编码类型，并以此还原成非ASCII码。
常用编码：
①base64编码：将二进制文件转换为ASCII码格式。
②可打印内容转换编码：将一个8位ASCII报文转换为7位ASCII码格式。
2.Content-Type：告诉接收用户代理报文类型及应采取的动作。
如jpeg：要对jpeg文件解压缩。

• 邮件访问协议

1.红圈处即为3种邮件访问协议(Post office Protocol-Version 3，Internet Mail Access Protocol，HTTP)。
2.取邮件是一种拉操作(邮件访问协议)，SMTP协议是一个推协议。

• POP3邮局协议版本3(Post office Protocol-Version 3)：极为简单的邮件访问协议。

1.TCP连接
2.端口110
3.pop3会话过程：
特许阶段：用户代理发送用户名和口令获得下载邮件的特许。（身份认证）
事务处理阶段：用户代理取回报文，可对邮件进行某些操作，如下载并保留、下载并删除等。
更新阶段：邮件服务器删除带有删除标记的报文，结束POP会话。
4.ex:

• IMAP因特网邮件访问协议(Internet Mail Access Protocol)

1.功能强。
2.TCP连接。
3.用户在自己的PC机上就可以操纵邮件服务器的邮箱，就像在本地操纵一样，是一个联机协议。如建立文件夹、查询、移动邮件等。
4.未发出删除命令前，一直保存在邮件服务器
5.实现起来复杂。

• 基于Web的电子邮件

发件人使用HTTP将电子邮件从浏览器发送到邮件服务器。
收件人使用HTTP将电子邮件从邮件服务器拉取到浏览器。
邮件服务器之间使用SMTP传输电子邮件。

• DNS域名系统(Domain Name System)：进行主机名(由不定长的字母和数组组成，便于记忆)到IP地址(4个字节，点分十进制)的转化。

1.DNS是一个由分层的DNS服务器(DNS server)实现的分布式数据库和允许主机查询分布式数据库的应用层协议。
2.采用客户机服务器方式。
3.服务器通常运行在BIND(Berkelety Internet Name Domain)软件的UNIX机器。
4.DNS协议运行在UDP上，使用53号端口。
5.DNS直接由其他的应用层协议 (包括HTTP、SMTP 和FTP)使用，以将用户提供的主机名解析为IP地址。

• DNS提供的服务

1.主机名到IP地址的转换
2.主机别名和规范名转换
3.邮件服务器别名和规范名转换：
4.负载分配

• P2P应用

1.P2P文件分发：从单个源向大量对等方分发文件
ex：BTTorrent
2.P2P文件共享
内容组织及搜索定位方式：（1）集中式目录（索引）（2）查询洪泛（3）层次覆盖
3.P2P因特网电话
混合模式，边缘节点（普通节点SC）和超级节点SN之间采用集中式结构，超级节点之间采用分布式的结构

Chapter 3 运输层

• 运输层协议：为运行在不同主机上的应用进程提供逻辑通信(logic communication)功能（主机好像直接相连）。即端到端传输。进程之间使用逻辑通信功能彼此发送报文，无需考虑具体物理链路。

网络层提供主机间的逻辑通信。
运输层提供进程间的逻辑通信。

• 报文段(segment)：将应用程序的报文转化成运输层的分组，这个分组即是报文段。
• 多路复用（发送主机）：从不同套接字收集数据块，并为每个数据块封装上首部信息，生成报文段，传递到网络层。
• 多路分解（接收主机）：将报文段中的数据交付到正确的套接字。即接收方运输层从报文段的多个字段中，识别出套接字，并将报文段定向到该套接字。
• 报文段格式

端口号：主机上的每个套接字分配的端口号[0,65535]，0~1023为周知端口号[ex:HTTP80端口，FTP21端口]
报文段端口号定位到套接字—报文段数据通过套接字进入所连接的进程。

• UDP套接字组成(标识)：

二元组（目的IP地址，目的端口号）
具有不同源套接字，但具有相同目的套接字的UDP报文段，接收端可通过相同套接字定向到相同的目的进程（多对一）。

• TCP套接字组成(标识)

四元组 (源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号)
两个具有不同源套接字的TCP报文段，将被定向到两个不同的套接字(一对一)。

• UDP检查和

ex：

• 可靠数据传输的服务模型和服务实现

1.可靠传输：传输的数据不出错，不丢失，并按照发送顺序送达。
2.注意圈出的双向箭头，原因：要反向传输控制信息(ACK)。

• FSM有限状态机(Finite State Machine)

• rdt1.0经可靠信道上的可靠数据传输(reliable data transfer protocol 1.0)

假设：1.底层信道完全可靠：数据传送不出错不丢失；2.收发双方速率匹配：接收方接收数据的速率和发送方发送数据一样快。

• ARQ自动重传请求(Automatic Repeat reQuest)

三种协议功能处理存在比特差错的情况：
1.差错检测：使接收方检测出是否出现比特差错。
2.接收方反馈：使发送方知道发送的分组是否被正确接收。
3.重传：接收方收到有差错的分组时，通知发送方重传该分组。

• 停等（stop-and-wait）协议：发送方发完一个分组后停止，等待对方回答。
• rdt2.0比特差错信道上的可靠数据传输(reliable data transfer protocol 2.0)

假设：信道不完全可靠，有可能产生比特错，但不丢包，所有分组按发送顺序被接收。
缺陷：若返回的ACK或NAK分组受损，发送方无法知道接收方是否正确接收了上一块数据。

• rdt2.1比特差错信道上的可靠数据传输(reliable data transfer protocol 2.1)

rdt2.0的改进。
冗余分组(duplicate packets)：同一个分组收到两次。

• rdt2.2比特差错信道上的可靠数据传输(reliable data transfer protocol 2.2)

1.对rdt2.1的进一步改进。
2.接收方收到受损的分组时，丢弃，不发送NAK，改为发送一个对前一个正确接收分组的ACK。
3.发送方接收到对同一个分组的两个ACK（接收冗余ACK）后，可知道接收方没有正确接收到跟在被确认两次的分组后面的分组。
4.rdt2.2实现无NAK的可靠数据传输；

• rdt3.0具有比特差错的丢包信道上的可靠的数据传输(reliable data transfer protocol 3.0)

1.假设：会出现比特差错，会丢包。
2.超时重发：由发送方负责检测丢包和恢复，即 发送方发送一个数据分组后，设置一个倒计数计时器，等待一定时间，如果该段时间内没有收到ACK，则重传分组。
3.时间选择：通常为“从发送方发出分组到收到接收方应答所需的平均时间（RTT+接收方处理时延）”。
4.产生冗余分组：一个分组在网络中经历了一个特别大的时延，使发送方超时重传（该数据分组或ACK并未丢失），可通过序号解决（rdt2.2已解决）
5.也称为比特交替协议(alter-nating-bit protocol)

• GBN协议(Go-Back-N protocol)=滑动窗口协议(sliding-window protocol)

基本思想：

• 发送方：连续发送多个数据分组，停止等待
  收到确认ACK，继续发送后面分组；
  超时，未收到应答，从出错分组开始重发
• 接收方：按序号接收数据分组
  正确：接收处理，发确认ACK；
  出错：将出错分组及后面分组均丢弃，不发任何应答。

ex:

序号约定(范围[$0,2^k-1$])，但发送窗口N的最大尺寸是 $2^k-1$!!!

• SR选择性重传协议(Selective Repeat protocol)

发送方：
1.从上层收到数据：
当从上层接收到数据后，发送方检查下一个可用于该分组的序号。
若序号在发送方窗口内，则将数据打包并发送,
否则：与GBN一样，将数据缓存，或将其返回给上层，以后再传。
2.超时：
每个分组有自己的定时器，超时后只能发送一个分组。
3.收到ACK： 将被确认的分组标记为已接收(若该分组序号在窗口内)。
如果该分组的序号等于发送基序号send_base，则窗口基序号向前移动到具最小序号的未确认分组处。
窗口移动后，仍有序号落在窗口内的未发送分组，继续发送。
——————————————————
接收方：
1.收到的分组落在[rcv_base，rcv_base+N-1]内，接收并回发一个ACK。
该分组以前没收到过：被缓存；
该分组的序号等于接收基序号：则该分组及已缓存的序号连续的分组交付（起始于基序号）给上层。接收窗口按交付的分组数量向前移动。
2.收到的分组落在[rcv_base-N，rcv_base-1]内，产生一个ack，即使该分组时接收方以前已经确认过的分组(ack丢失)。

• 拥塞及控制方法

拥塞：太多的源发送太多太快的数据，使网络来不及处理。
表现：1.丢包 （路由器缓冲区溢出）2.长时延 （路由器缓冲区中排队）
方法：
1.端到端拥塞控制:端系统必须通过对网络行为的观察 (如分组丢失与时延)来推断网络中是否存在拥塞。
2.网络辅助的拥塞控制:网络层构件 (即路由器)向发送方提供关于网络拥塞状态的明确反馈信息。\

• ATM ABR拥塞控制（是网络辅助的拥塞控制）

ATM异步传输模式： (Asynchronous Transfer Mode)：
ATM建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。
采用虚电路VC。从源到目的路径上的每台交换机维持虚电路VC状态，可以跟踪各个发送方的行为，并采取源特定拥塞控制动作。
————————————
ABR可用比特率（available bit-rate）：是一种弹性数据传输服务。
网络轻载时，ABR服务会充分利用空闲的可用带宽；
网络拥塞时，ABR服务会将其传输速率抑制为预先确定的最小传输速率。
————————————
RM信元(资源管理信元)：
当一个RM信元到达目的地时，将被“掉转方向”回送给发送方 (可能做修改)；
交换机也可以自己产生一个RM信元，并将该RM信元直接发送给源。

————————————
CI(拥塞指示)和NI(无增长)比特：
在RM信元中，可由拥塞网络的交换机设置。
轻微拥塞时将NI比特置为1；
严重拥塞时把CI比特置为1。
————————————
ER（显式速率）：
每一个RM信元包含一个两字节的ER 字段。
字段值设置为从源至目的地的路径上的所有交换机中的最小可支持速率。
拥塞的交换机可以降低经过的RM信元中ER字段的值。
————————————
EFCI（显式转发拥塞指示）比特：
每一个数据信元都包含 1 bit的EFCI 。
网络拥塞时，交换机把EFCI比特设置为“1”告知目的主机网络已经拥塞。
目的地检查所有收到的数据信元中的EFCI比特：
♦ 当RM信元到达时，如果多数近来收到的数据信元的EFCI比特都被置为1，就将RM信元的拥塞指示比特(CI比特)置为1，并将该RM信元回发。
♦ 发送方通过RM信元中的CI比特，得到网络交换机拥塞的通知。

• TCP 拥塞控制（端到端控制）

设置拥塞窗口CongWin：对发送方向网络的发送流量速率进行限制。发送方中未被确认的数据量小于拥塞窗口。通过调节CongWin值，调整发送速率。

Chapter 4 网络层

• 转发(forwarding)：当一个分组到达某个路由器的输入链路时，该路由器必须将其移动到合适的输出链路。与路由器的内部结构有关。

集中式转发:
直接将分组转发给中央选路处理器，查找转发表并将分组转发到适当的输出端口。
分散式转发:
选路处理器计算转发表，给每个输入端口存放一份拷贝，能随选路更新。
在每个输入端口本地做出交换决策，无须激活中央选路处理器。
可避免在路由器中某个单点产生转发处理瓶颈。

• 选路(routing)：确定分组从发送方流向接收方时所经过的路由或路径。通过选路算法计算路径。
• 网络层服务模型

ATM异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode)

• VC虚电路(Virtual-Circuit)：在网络层提供连接服务的计算机网络。

组成：
1.源和目的地之间的一条逻辑连接路径：一系列链路和路由器。
2.VC号：该路径上每段链路的号码，每条链路上的VC号可能不同。
3.转发表(VC路径上每台路由器中都有该表。根据转发表进行转发)项。
特点：
1.呼叫建立及每次呼叫的状态要在网络中的路由器上维持。
2.比面向数据报的网络要复杂。
3.网络功能复杂，端系统设备简单。

• 信令报文(signaling message):端系统向网络发送的指示虚电路的启动与终止的报文、以及路由器之间传递的用于建立虚电路的报文。
• 信令协议(signaling protocol):用来交换信令报文的协议。
• 数据报网络(datagram network)

特点：
1.网络层无呼叫建立，路由器没有端到端连接的状态，无网络级“连接”的概念。
2.分组使用目的主机地址转发，相同源和目的地的分组可能采用不同的路径。
3.网络层服务模型简单。
4.端系统功能复杂：高层实现许多功能，如按序传送、可靠数据传输、拥塞控制与DNS名字解析等
5.转发表：每台路由器有一张，目的地址与链路接口的映射表。

• 路由器

体系结构：
1.输入端口：
将输入物理链路端接到路由器的物理层；
实现路由器的数据链路层功能；
实现查找与转发功能，以便分组通过路由器交换结构转发到适当的输出端口；
将控制性分组从输入端口转发到选路处理器。
2.交换结构：
将路由器的输入端口连接到它的输出端口。完全包含在路由器中。
3.输出端口：
存储经过交换结构转发给它的分组，并将分组发送到输出链路。
完成与输入端口顺序相反的数据链路层和物理层功能。
4.选路处理器：
执行选路协议、维护选路信息和转发表以及执行路由器中的网络管理功能。

• 查表

方法：查找最长匹配的表项，若无相应表项找出默认选路表项。
影响速度的因素：路由器速度、链路速率、查找算法等。
目标：输入端口的处理速度要超过线路速度。 即完成一次查找的时间应少于从输入端口接收一个分组所需的时间。
线性查找：按顺序找。对庞大的转发表不合适。
二分查找：将转发表表项存放在一个树形数据结构中。 树的每一层对应目的地址的一个比特，查找某个地址时，从树的根节点开始，依次查地址的每一位。
特别：将最近被访问的表项保存在高速缓存(cache)中

• 交换结构

1.经内存交换
输入端口与输出端口之间的交换由CPU(选路处理器)控制完成；
2.经总线交换
输入端口通过一条共享总线将分组直接传送到输出端口，不需要选路处理器的干预。
3.经交换矩阵交换
到达输入端口的分组沿水平总线穿行，直至与所希望的输出端口的垂直总线交叉点：若该垂直总线空闲，则分组被传送到输出端口
否则，该分组被阻塞，在输入端口排队。

• 分组阻塞 (blocked)： 来自其他输入端口的分组当前正在使用交换结构。被阻塞的分组必须在输入端口处排队，等待以后调度通过交换结构。
• 分组丢失 (packet loss)：当队列逐步增长，路由器缓存空间满，在输入端口或输出端口出现分组丢失。
• 分组调度算法

先来先服务FCFS
加权公平排队WFQ：在具有排队分组的不同端到端连接之间公平地共享输出链路。

• 分组丢弃方法

1.弃尾
2.活动队列管理AQM算法：在缓存填满前丢弃分组 或 首部加标记，向发送方提供拥塞信号。 如，随机早期检测RED算法

• 随机早期检测RED算法

设最小阈值minth和最大阈值maxth
平均队列长度小于最小阈值minth，到达分组被纳入队列；
队列满或平均队列长度大于最大阈值maxth ，到达分组被标记或丢弃；
平均队列长度在[minth，maxth]之间，到达分组以某种概率被标记或丢弃。

• 线头HOL (head-of-the-line)阻塞：输入队列中后面的分组被位于线头的一个分组阻塞(即使输出端口空闲的)，等待交换结构发送。
• IP网际互连协议(Internet Protocol)

不可靠：分组可能丢失、重复、延迟或不按序交付等，但服务不检测这些情况，也不提醒发送方和接收方。
尽力而为：并不随意地丢弃分组；只有当资源用完或底层网络出现故障时才可能出现不可靠性。
无连接：每个分组都是独立对待的。分组序列可能经过不同的传输路径或者有的丢失有的到达。

• IPv4数据报(网络层分组)格式

• MTU最大传送单元(Maximum Transmission Unit)：一个链路层帧能够承载的最大数据量。
• IP编址

IPv4长度为32位，IPv6扩展到128位。
主机有唯一IP地址，路由器有多个IP地址。
网络号：指明主机所在物理网络的编号。
主机号：主机在物理网络中的编号。

• 默认路由器 ：与主机直接相连的一台路由器，又叫第一跳路由器。
• 源路由器：源主机的默认路由器。
• 目的路由器：目的主机默认路由器。
• 最低费用路径 ：该路径上链路费用之和最小。
• 最短路径：所有链路的费用都相同的情况。即在源和目的地之间经过链路最少的路径。
• 全局选路算法：用完整的、全局性的网络信息来计算最低费用路径，即以所有节点之间的连通性及所有链路的费用已知为条件。[ex:链路状态算法LS]。
• 分散式选路算法:以迭代的、分布式的方式计算最低费用路径[ex:距离向量算法DV]。
• 静态选路算法： 路由确定后基本不再变化。当人工干预调整时，可能有一些变化。
• 动态选路算法： 当网络的流量负载或拓扑发生变化时，改变路径。
• 负载敏感算法： 链路费用会动态地变化，反映出底层链路的当前拥塞水平。
• 负载迟钝算法： 某条链路的费用一般不马上反映其当前的(或最近的)拥塞级别。
• 链路状态算法LS和距离向量算法DV比较

1.基本原理
DV算法：每个节点只与邻居互相交流，得到邻居的新费用，并告知邻居自己的当前最低费用
LS算法：每个节点与所有其他节点广播交流，只告知与其直接相连链路的费用。
2.报文复杂性：
LS算法：知道网络每条链路的费用，需发送O(nE)个报文；当一条链路的费用变化时，必须通知所有节点
DV算法：迭代时，在两个直接邻居之间交换报文。收敛时间受许多因素影响；当链路费用改变时，只有该链路相连的节点的最低费用路径发生改变时，才传播已改变的链路费用。
3.收敛速度：
LS算法：需要O(nE)个报文和O(n2)的搜寻。
DV算法：收敛较慢。可能会遇到选路回环，或计数到无穷的问题。
4.健壮性：
当一台路由器发生故障、操作错误或受到破坏时，会发生什么情况?
LS算法：路由器向其连接的一条链路广播不正确费用。路由计算基本独立（仅计算自己的转发表），有一定健壮性。
DV算法：一个节点可向任意或所有目的节点发布其不正确的最低费用路径。 一个节点的计算值会传递给它的邻居，并间接地传递给邻居的邻居。
一个不正确的计算值会扩散到整个网络。

• 层次选路：按区域或自治系统的形式组织路由器。将一个大的系统划分成若干小系统（自治系统），自治系统之间再互连。
• AS自治系统：按区域划分的系统。每个AS由一组在相同管理者控制下的路由器组成。

优点：
1.减少规模大的网络选路计算的复杂性：
AS内部路由器运行相同的自治系统内部选路协议，仅需要知道本AS内的路由器与网关路由器。
各AS之间，运行相同的AS间选路协议。
2.管理职权灵活：
一个组织可自行选择AS内部选路协议，每对相连的AS运行相同AS间选路协议，交换信息。
————————————————————————
AS内部选路协议：
RIP选路信息协议：基于距离向量的路由协议
OSPF开放最短路径优先：采用Dijkstra最短费用路径算法，是一种链路状态协议。
AS间选路协议：
BGP边界网关协议：基于距离向量的路由协议。相邻BGP路由器相互交换路径信息。

• 网关路由器： 互连各AS，负责转发目的地在本AS之外的分组，将本AS内的分组转发到另一个AS的路由器。
• 通信方式

Chapter 5 链路层和局域网

• 广播链路：许多主机被连接到相同的通信信道（共享信道）

主要解决问题需要媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)协议来协调传输和避免“碰撞”（冲突）。
常用于局域网LAN、无线LAN、卫星网和光纤电缆混合(HFC)接入网。

• 点对点链路：直接链接两个节点的链路，每一端有一个节点。

如两台路由器之间的通信链路，或住宅的拨号调制解调器与ISP路由器之间的通信链路。
访问控制简单。
主要解决问题：如成帧、可靠数据传输、差错检测和流量控制等。

• 节点(node)：主机、路由器、交换机和wifi接入点。
• 链路(link)：连接相邻节点的通信信道。
• 链路层功能：将分组通过一个链路，从一个节点传输到邻近的下一个节点。
• 链路层协议：用来在单段链路上传输分组。

定义了在链路两端的节点之间交互的分组格式，以及发送和接收分组时节点采取的动作。
交换的数据单元称为帧 (frame)，封装了一个网络层的数据报。
所采取的动作：包括差错检测、重传、流量控制和随机访问。
典型协议：以太网、802.11无线LAN、令牌环和PPP，以及ATM。

• 链路层提供的服务

成帧(framing)：把网络层数据报封装成链路层帧，再传送到链路上。
链路访问：由媒体访问控制MAC协议定义帧在链路上传输的规则。
可靠交付：保证网络层的数据报无差错地通过链路层。方法：与运输层类似，可通过确认和重传获得。
流量控制：防止发送节点的发送速率过高，避免接收节点来不及处理。
差错检测：检测是否存在一个或多个差错。
差错纠正。

• 全双工传输：链路两端的节点可以同时传输分组。
• 半双工传输：链路两端的节点不能同时传输和接收，只能交替。
• 网卡=NIC网络接口卡(Network Interface Card)=网络适配器(Network Adapter)

作用：计算机通过网卡与传输介质连接组成网络，完成物理层和数据链路层的大部分功能。
主要功能：
（1）数据的封装与解封：如以太网帧。
（2）链路管理：如CSMA/CD协议的实现。
（3）编码与译码：如曼彻斯特编码与译码。(物理层)

适配器发送帧：网络层数据报向下传给适配器，由适配器负责在链路上传输数据报。
适配器接收帧，并判断是否有差错：
如出错：直接丢弃该帧，不上传。
如正确：通过“中断”向上传递网络层数据报。

• 网卡类型

按总线类型分：
（1）ISA接口网卡：Industry Standard Architecture
工业标准体系结构。速度低、安装麻烦。很少用
（2）PCI接口网卡：Peripheral Component Interconnect
外设部件互连标准。应用最广泛。性价比高、安装简单。用于台式机。
（3）USB接口网卡：Universal Serial Bus
通用串行总线。新技术，主要用于没有内置网卡的笔记本用户，通过主板上的USB引接。
（4）PCMCIA接口网卡：个人电脑内存卡国际协会Personal Computer Memory Card International Association
用于笔记本电脑。
————————————————
按传输速度：
（1）10M网卡
（2）10/100M自适应网卡
（3）10/100/1 000M自适应网卡
————————————————
按是否需要网线
（1）有线网卡
（2）无线网卡

• EDC差错检测和纠正比特(Error-Detection and -Correction)
• 一比特奇偶校验

特点：
1.可以查出任意奇数个错误，但不能发现偶数个错误。
2.若比特差错概率很小，差错独立发生，一比特奇偶校验可满足要求。
3.若差错集中一起“突发”（突发差错），一帧中未检测到的差错的概率达到50%。

• 二维奇偶校验=垂直水平奇偶校验

特点：
1.可以检测并纠正单个比特差错（数据或校验位中）。
2.能够检测（不能纠正）任意两个比特的差错。

• FEC前向差错纠正(forward error correction):接收方检测和纠正差错的能力被称为前向差错纠正FEC。

可与ARQ(自动重传请求)技术一起应用，接收方立即纠正差错，减少发送方重发的次数。
降低分组传输的往返传播时延。
适用于实时网络应用。

• 检查和方法

TCP和UDP协议： 对所有字段(包括首部和数据字段)都计算因特网检查和。
有些协议： 对首部计算一个检查和，对整个分组计算另一个检查和。
特点：
1.分组开销小：检查和位数比较少；
2.差错检测能力弱：适用于运输层（差错检测用软件实现，检查和方法简单、快速）。链路层的差错检测由适配器中专用的硬件实现，采用更强的CRC方法。

• CRC循环冗余检测 (cyclic redundancy check)=多项式编码

生成多项式G的选择：
有8、12、16和32 比特生成多项式G。
8 比特的CRC用于保护ATM信元首部；
32 比特的标准CRC-32用于链路级协议：
GCRC-32 = 100000100110000010001110110110111
CRC特点：
能检测小于r+1 位的突发差错、任何奇数个差错。

• 多路访问协议

目的：协调多个节点在共享广播信道上的传输。即避免多个节点同时使用信道，发生冲突（碰撞），产生互相干扰。
冲突（collide）：两个以上的节点同时传输帧，使接收方收不到正确的帧（所有冲突的帧都受损丢失）。
多路访问协议可用于许多不同的网络环境，如有线和无线局域网、卫星网等。

• 多路访问协议类型

1.信道划分协议
把信道划分为小“片” (时隙)，给节点分配专用的小“片” 。
2.随机访问协议
不划分信道，允许冲突。
3.轮流协议
通过轮流访问信道避免冲突。

• 信道划分协议

1.时分多路复用（TDM）
原理：
将时间划分为时间帧，每个时间帧再划分为N个时隙（长度保证发送一个分组），分别分配给N个节点。
特点：
避免冲突、公平：每个节点专用速率R/N b/s。
节点速率有限：R/N b/s；
效率不高：节点必须等待它的传输时隙。
——————————————————————
2.频分多路复用（FDM）
原理：
将总信道带宽R b/s划分为N个较小信道（频段，带宽为R/N），分别分配给N个节点。
特点：
与TDM类似
避免冲突、公平：N个节点公平划分带宽；
节点带宽有限、效率不高：节点带宽为R/N。
—————————————————————
3.码分多址（CDMA）
原理：
给每个节点分配一个不同的代码（CDMA代码，码片序列）；
每个节点用惟一的代码对要发送的数据进行编码
不同节点可以同时发送，并正确到达接收方（不会互相干扰）。

• 随机访问协议

基本思想：
发送节点以信道全部速率（R b/s）发送；
发生冲突时，冲突的每个节点分别等待一个随机时间，再重发，直到帧(分组)发送成功。
典型随机访问协议：
1.ALOHA协议
2.载波监听多路访问CSMA协议
3.带冲突检测载波监听多路访问CSMA/CD

• ALOHA：夏威夷大学研制的一个无线电广播通信网（20世纪70年代初）。

1.采用星型拓扑结构，地理上分散的用户通过无线电使用中心主机。
2.中心主机通过下行信道向二级主机广播分组。
3.二级主机通过上行信道向中心主机发送分组（可能会冲突，无线电信道是一个公用信道）。

• 时隙ALOHA

原理：
1.所有的帧长L 比特；
2.时间被划分为若干等长的时隙（长度为一帧的传输时间L/R s）；
3.节点只在时隙的开始点传输帧；
4.所有节点同步传输，知道时隙什么时候开始；
5.如果一个时隙有多个节点同时传送，所有节点都能检测到冲突。
6.节点检测到冲突后，以概率p在后续的每一个时隙重传该帧，直到成功。
特点：
1.当只有一个活动节点（有帧要发送） 时，以全速R连续传输。
2.分散的：每个节点检测冲突并独立决定何时重传；
3.发送控制简单；
4.有多个活动节点时效率低。
效率：
假设：有N个节点，每个节点都有一帧（新帧或重传帧）要发送，试图在每个时隙以概率p传输。
N个节点中，任意节点成功传送的概率：$N\ast p\ast (1-p{)}^{N-1}$。
取极限后，最大效率为：1/e = 0.37。
即当许多节点都有很多帧要传输时，最多只有37%的时隙在成功传输， 信道有效的传输速率是0.37R b/s。
类似分析得出：37%的时隙空，26%的时隙有冲突。

• 纯ALOHA

原理：
节点有帧要发，就立即传输。
如果与其他帧产生冲突，在该冲突帧传完之后：
 以概率p立即重传该帧；
 或等待一个帧的传输时间，再以概率p传输该帧， 或者以概率1-p等待另一个帧的时间。
效率：
N个节点中，任意节点成功传送的概率：$N\ast p\ast (1-p{)}^{2(N-1)}$。
取极限为 1/(2e) = 0.18，只有时隙ALOHA协议的一半。

• CSMA载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access)

载波侦听=LBT先听后讲(listen before talk)
原理：
传送前侦听
信道闲：传送整个帧
信道忙：延迟传送
特点：
发前监听，可减少冲突。
由于传播时延的存在，仍有可能出现冲突，并造成信道浪费。
节点没有进行冲突检测，既使发生了冲突，节点仍继续传输帧。
传播时延越长，节点不能侦听到另一个节点已经开始传输的可能性越大。

• CSMA/CD带冲突检测的CSMA(CSMA with Collision Detection)

增加“载波侦听”和“冲突检测”两个规则。“边说边听”LWT（listen while talk）。
原理：
传送前侦听，信道忙：延迟传送，信道闲：传送整个帧。
发送同时进行冲突检测：一旦检测到冲突就立即停止传输， 尽快重发。
目的：
缩短无效传送时间，提高信道的利用率

• 轮流协议(taking-turns protocol)

1.轮询协议(polling protocol)
原理：
指定一个主节点，以循环的方式轮询每个节点。并告诉节点能够传输的最大帧数。
主节点轮询1~n号节点。
主节点通过观察信道上是否有信号来判断节点何时完成了帧的发送，再询问下一节点。
特点：
消除冲突和空时隙，效率高。
有轮询时延：活动节点不能立即传输帧，等待被轮询。
如果主节点失效，整个信道都不能用。

——————————————————
2.令牌传递协议(token-passing protocol)
原理：
没有主节点。
设置一个令牌T(token，小的专用帧)。
令牌以固定顺序(1~n)循环传递，给节点传输机会。
节点收到令牌：
 有帧要发送，传输，传完后将令牌转发到下一节点，
 否则，直接将令牌转发到下一节点。
特点：
有帧要发送，传输，传完后将令牌转发到下一节点,令牌传递是分散的，效率高。
一个节点的失效会使整个信道崩溃。
一个节点忘记释放令牌，必须恢复令牌到环中。

• LAN局域网

含义：
是一个地理范围小的计算机网络。计算机网络的一个分支。
特点：
1.地理范围小：几公里。如一栋楼，一所大学。
2.使用多路访问协议：如CSMA/CD。
3.数据传输速率R高：10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10 G b/s
4.单位拥有。
拓扑结构：

典型应用：
用户主机先组成LAN，LAN通过路由器接入因特网
)
局域网协议标准：
IEEE 802.3：CSMA/CD以太网。
IEEE 802.4：令牌总线网。
IEEE 802.5：令牌环形网。
IEEE 802.11：无线局域网。
IEEE 802.12：新型高速局域网(100Mb/s)。
典型的局域网技术：
随机访问技术：以太网LAN（802.3 LAN）。
令牌传递技术：令牌环（token ring，IEEE802.5）和 FDDI（光纤式分布数据接口）。

• MAC地址=LAN地址=物理地址=硬件地址：用于找到需要通信的计算机。是一个全局地址，世界范围唯一。是节点“网卡”本身所带的、永久的地址（生产时固化在其RM里）。

• 地址的转化

通信时，需要进行地址转换：主机名 → IP地址 → MAC地址
DNS域名系统：将主机名解析到IP地址，DNS为在因特网中任何地方的主机解析主机名。
ARP地址解析协议：将IP地址解析到MAC地址，ARP只为在同一个LAN上的节点解析IP地址。

• 以太网(Ethernet)

常用介质:
<传输速率> <信号类型> <介质类型/网段最大长度(×100m)>
Base基带信号
Broad宽带信号
10Base2：细同轴电缆，速率10Mb/s，最大网段185m
10Base5：粗同轴电缆，速率10Mb/s，最大网段500m
10BaseT：双绞线电缆，速率10Mb/s，最大网段100m
常用拓扑结构：
1.总线

2.星型

以太网的帧结构：
以太网向网络层提供的服务：
1.无连接服务：通信时，发送方适配器不需要先和接收方适配器“握手”。
2.不可靠的服务： 接收到的帧可能包含比特差错。发送适配器不会重发出错帧，传递到接收方网络层的数据报流可能有间隙。需要高层做相应处理。
以太网的多路访问协议：
CSMA/CD，标准：IEEE802.3
机制：
未使用时隙：适配器可以在任何时刻开始传输；
使用载波侦听：当适配器侦听到有其他的适配器在传输，就不会传输帧；
使用冲突检测：当检测到其他适配器也在传输帧，就中止传输；
重传：冲突后，等待一个随机时间（小于传输一帧的时间），再重传。
工作流程：
（1）封装成帧：
发送适配器从父节点获得一个网络层数据报，封装成以太网帧，放到缓冲区中；
（2）适配器侦听信道：
空闲：即在96比特时间内，没有信号从信道进入，开始传输该帧；
忙：等待，直至侦听不到信号 （加上96 比特时间），开始传输该帧。
（3）无冲突成功传输：
整个帧传输期间未检测到其他适配器的信号，该帧传输成功。
（4）有冲突停止传输：
传输时检测到其他适配器的信号，就停止传输帧，并传输一个48 比特的拥塞信号。
（5）等待随机时间再侦听：
传输拥塞信号后，适配器进入指数回退阶段，等待一段时间，并返回到第2步。

指数后退算法：
第n次冲突后退让时间：K × 512 比特时间 ($K=rand[0,2^{min(10,n)}-1]$)
以太网效率(Ethernet efficiency)：
定义：当许多活动节点有大量的帧要发送时，帧在信道中无冲突传输的时间所占份额。
公式：
$$1/(1+5t_{prop}/t_{trans})$$
其中：
$t_{prop}$：信号在任意两个适配器之间传播所需的最大时间。
$t_{trans}$：传输一个最大长度的以太网帧的时间。

• 基带传输：适配器直接给广播信道发送基带数字信号。
• 宽带传输：将信号调制到特定频带传输。
• 数字信号编码

1.不归零编码
原理：
直接用原始数据基带数字信号传输。
特点：
出现一连串“1”或“0”时，接收方无法确定一位的开始和结束。即收发不能同步。一般不直接用。
————————————
2.曼切斯特编码
原理：
每位信号的中间都有一个跳变，两个作用：
①根据跳变方向判断数据“1”或“0”如，“1”（高跳到低）；“0”（低跳到高），②接收方根据跳变来同步接收。
————————————
3.差分曼切斯特编码
原理：
每位信号的中间都有一个跳变，只做时钟，不表示数据。
根据每位开始处是否有跳变，来判断数据“1”或“0”。如：1–无跳变；0 --有跳变。
特点：
较好的抗干扰性能，复杂。

• 集线器

1.物理层设备：转发作用。对比特操作而不是帧。 从一个端口收到一个比特，向所有其他接口（节点）转发出去。
2.不缓存帧：实际上是一个转发器。多端口中继器。
3.不实现CSMA/CD协议：由每个适配器完成（侦听信道、检测冲突）
4.提供网络管理功能：检测站点故障，收集信息并报告给所连的主机。
5.网络中同一时刻只能有一个站点发送数据：多个同时发送数据，会出现信号碰撞，造成发送失败。
6.物理上是星型，逻辑上是总线型。
7.多级设计互联的网络仍为一个LAN：其中每个集线器和连接的主机为一个LAN网段。
8.互联网络中所有的网段属于同一个冲突域：如果两个或多个节点同时传输，会冲突，并进入指数后退状态。

• 吉比特以太网

1.1000Mb/s，标准IEEE802.3z；
2.标准以太网帧格式，与10BaseT和100BaseT技术兼容
3.允许点对点链路和共享的广播信道：
点对点链路使用交换机，广播信道使用集线器，
 广播信道：使用CSMA/CD，节点之间最大距离有限，
 点对点信道：两个方向上都以l000Mb/s全双工操作，
4.采用星形拓扑，其中心是一个集线器或交换机。
5.可作为主干互联多个以太网LAN。
6.使用光纤或5类UTP电缆。

• 交换机

1.数据链路层的设备：对以太网帧进行操作。
2.根据目的MAC 地址转发帧。
3.全双工工作方式。
4.具有自学习功能：交换机表可以自动地、动态地和自主地建立（不需网络管理员或配置协议的干预）。
5.即插即用 (plug-and-play)：不需人工配置。
6.不同LAN网段的主机可以互相通信，每个LAN网段是一个独立的冲突域。

• 交换机转发和过滤

过滤(filtering)：交换机判断一个帧是应该转发到某个接口还是丢弃。
转发(forward)：交换机决定一个帧应该被导向哪个接口，并移送到该接口。
交换机表：
结构：节点的MAC地址、到达该节点的交换机接口、节点表项产生的时间。

• 交换机与集线器比较

1.转发：
集线器：转发帧时，将帧的比特向所有接口转发，可能会冲突。
交换机：只转发到相应的目的地接口，采用全双工方式工作，不会冲突。
2.互联：
交换机：互联不同技术的以太网段、无地理范围限制。
集线器：不具备该特性

• 逆向扩散式路径学习法：通过帧中的源地址来建立交换机表。

（1）交换机表初始为“空”。
（2）收到一个目的地址不在表中的帧：将该帧转发到所有其他接口（除接收的接口），在表中存储发送节点信息(该帧的源MAC地址、该帧进入的接口、当前时间)。
（3）如果每个节点都发送了一帧，那么每个节点都将被记录在该表中。
（4）收到一个目的地址在表中的帧：交换机将该帧转发到合适的接口。
（5）表自动更新：一段时间(老化时间aging time)后，没有收到以表中的某个地址作为源地址的帧，将表中的该地址删除。

• 专用接入：主机和交换机通过两对双绞线直接连接。

• 全双工模式

含义：交换机在同一接口上可以同时发送和接收帧（上行和下行线）。
特点：
1.多对主机同时通信不冲突：不需要载波侦听和冲突检测，不需要MAC协议。
2.总吞吐量为多对之和。

• 交换方式

1.存储转发方式(store-and-forward)：先接收整个帧，保存到缓冲区，再转发。
2.直通交换 (cut-though switching)：帧在转发之前不需要完全“存储”。
边接收边转发：只要接收到帧头中的目的地址，就立即查表转发，不需保存整个帧。（不存储，直接转发）

• 交换机和路由器的比较

路由器：用网络层地址转发，是第三层的分组交换机,路由器维护选路表，实现选路算法。
1.网络寻址是层次的。
2.若网络中存在冗余路径，分组不会在路由器中循环。
3.无生成树限制，使用路由器构建因特网可以采用大量丰富的拓扑结构。
3.可以使用源和目的之间的最佳路径。
4.为第二层的广播风暴提供防火墙保护。
5.非即插即用：路由器及主机都需配置IP地址。
5.每个分组的处理时间比交换机长。
———————————————————
交换机：用MAC地址转发，是第二层的分组交换机, 交换机维护交换机表， 实现过滤、学习算法。
1.即插即用：不需网络管理员干预；
2.较高的分组过滤和转发率：
3.拓扑结构限制为一棵生成树。
4.可能产生“广播风暴”：某台主机失控，并传输无穷的以太网广播帧流，交换机将转发所有这些帧，导致整个以太网的崩溃。

• PPP点对点协议(Point-to-Point Protocol)

1.点对点链路：一个发送方、一个接收方、一段链路，无媒体访问控制。
2.点对点链路采用的协议： 点对点协议PPP和高级数据链路控制协议HDLC。
3.PPP协议适用的点对点链路：串行的拨号电话线、SONET/SDH链路（光纤同步数字网）、X .25连接（公共分组交换网）或者ISDN电路（综合业务数字网）。
——————————————
PPP设计要求：
1.分组成帧： 发送方将网络层分组封装成帧，以便接收方正确接收。
2.透明性：不对网络层分组中的数据做任何限制。
3.多种网络层协议：支持多种网络层协议(如IP和DECnet)。通过“协议类型”字段或类似机制指明。
4.差错检测：接收方必须能够检测到接收帧中的比特差错。
5.连接的活性：能够检测到链路级的故障，并向网络层报告。
6.多种链路类型：能在各种类型的链路上工作。
串行：一次传输一个比特。
并行：并行传输若干比特。
同步：时钟信号与数据比特一起传输。
其他：异步的、高速的、低速的、电的或光的链路等
7.网络层地址协商：为相互通信的网络层提供一个机制来获知或者配置各自的网络层地址。
8.简单：最重要。
9.无差错纠正：PPP能够检测比特差错，但不纠正。
10.无流量控制：不需PPP发送方降低传输速度，由较高层协议负责降低递交给PPP发送的分组的速率。
11.无顺序交付：不要求按发送方发送的顺序将帧交付给接收方。
IP协议可以任何顺序端到端分组交付。
其他网络层协议需要按序端到端分组交付。
12.不支持多点链路。
————————————————
PPP组成：
1.成帧：在PPP帧中封装数据、识别帧的开始和结束、检测帧中差错。
2.链路控制协议：初始化、维护和拆除PPP链路。
3.网络控制协议：一个协议族，分别对应一个上层网络协议。
————————————————
PPP数据成帧：

标志字段：特殊字节“01111110”标志开始和结束。
地址字段：一个字节“11111111”。
控制字段：一个字节“00000011”。
协议：告诉接收方收到帧的“信息字段”的内容属于上层哪类协议，并传递给该协议。如
0021H：IP协议(信息字段是IP数据报)；
C021H：PPP链路控制协议；
8021H：IP控制协议(IPCP)。
信息：上层要发送的分组 (数据)。默认最大长度1500 字节。
校验和：用于检测传输的帧中的比特差错。2或4 字节循环冗余码。
————————————————
PPP链路控制协议： 用来完成PPP链路的初始化、维护、差错报告和关闭。
1.PPP通信过程：
建立连接：建立物理连接➡建立链路连接➡建立网络连接
数据传输：
释放连接：释放网络连接➡释放链路连接➡释放物理连接

• ATM异步传输方式：

基本定义：是一种能够传输实时音频、视频，以及文本、电子邮件、图像文件的网络技术。主要用于电话和IP网络。
特性：
1.多种服务模型： 恒定比特率CBR 、可用比特率ABR 、可变比特率 VBR等。
2.采用虚电路分组交换：虚通道
3.固定长度分组（短信元）：53 字节。有利于宽带高速交换。
体系结构：

• 多协议标签交换(MPLS)

初始目标：通过使用固定长度的“标签”(代替IP地址)进行转发，以加速IP转发。
借用虚电路(VC)方法的思想，用“标签”标识虚电路，但IP数据报仍保持IP地址!
分组结构：在链路层首部和IP首部之间增加MPLS首部。

MPLS使能路由器(标签交换路由器)：
1.只根据 “标签”值向出接口转发分组(不检查IP地址)
2.MPLS转发表不同于IP转发表
3.需要信令协议来建立转发
4.与IP路由器合作
5.MPLS强化的帧只能在两个使能路由器之间传递。

Chapter 6 无线网和移动网

• 无线网络组成元素：

1.无线主机：
运行应用程序。
便携机、 PDA、 IP电话。
可以固定或移动。
2.基站
与有线网络连接。
负责与之相联的多个无线主机的传输（向主机发送数据或从主机接收数据）。
链路层中继：多个无线主机通过基站连接、通信，并与更大网络相连。
如蜂窝塔、802.11接入点。
3.无线链路
连接无线用户到基站。
也用作主干链路。
多个接入协议协调链路接入。
各种数据速率，传输距离。

4.网络基础设施
无线主机与之通信的更大网络。

• 无线网络通信模式：

基础设施模式：有基站，移动用户通过基站连接到有线网络。
自组织模式：无基站，节点自己组织成为一个网络，节点自己提供选路等服务，ex:ad hoc。

• 无线网络分类

1.单跳，基于基础设施
2.单跳，无基础设施
3.多跳，基于基础设施
4.多跳，无基础设施

• 无线链路特征：

1.衰减的信号强度：当无线电信号传播通过物质时，信号削弱(路径损失)。距离越远，信号越弱。
2.来自其他源的干扰: 同频段发送信号互相干扰
3.多路径传播: 无线电信号反射离开物体，以不同的路径时间到达目的地。
4.碰撞检测：发送方可能检测不到发生的冲突。

• CDMA码分多址

• Wi-Fi：802.11无线LAN

Wi-Fi（Wireless Fidelity）：无线保真。
Wireless LAN：无线局域网。
IEEE 802.11 标准:
（1）802.11b
2.4～ 2.485 GHz
高达11 Mbps
（2）802.11a
5.1～5.8 GHz
高达 54 Mbps
（3）802.11g
2.4～ 2.485 GHz
高达54 Mbps

• CSMA/CA (冲突避免(Collision Avoidance)载波侦听多路访问)

1.通过信道预约，避免数据帧完全碰撞。
2.发送前侦听信道： 忙：后退等待， 空：先对信道进行预约，预约成功发送。避免冲突。
3.无碰撞检测：隐藏终端、信号衰退等影响。
信道预约原理：
1.RTS (Request to Send)：“请求发送”控制帧。
2.CTS (Clear to Send）：“同意发送”控制帧。
3.发送节点发送数据前，先发送RTS给接收节点。
4.接收节点收到RTS后，同意接收，就广播回发CTS。
5.发送节点收到CTS后，开始发送数据。
6.其他同时收到CTS的节点延迟其发送信息。
7.如果发送节点未收到CTS，重发RTS。

• 802.15: 个人域网络WPAN

IEEE802.11： 用于不超过100m的通信
大功率、中等范围、高速率的“接入”技术。
IEEE802.15： 无线个人域网络WPAN
低功率、小范围、低速率的“电缆替代”技术
距离小于10 m 互
联笔记本、串行设备、PDA等
自组织: 无基础设施
采用蓝牙规范

• 蓝牙（bluetooth）

1.互联一些小电子器件：手提电话、PDA、笔记本/台式机、数字照相机、传真机、打印机、键盘、鼠标和游戏杆、家庭报警系统、时钟以及咖啡机等。
2.使用射频无线通信：不需要直接可见，可以支持点对点通信和多点通信。
3.工作在2.4GHz的无线频带，数据率高达721kbps
4.工作范围10～100m，取决于蓝牙小器具的功率等级。

• 蓝牙皮可网（piconet）

1.最多8个活动设备
2.指定一个主设备
3.主设备：在每个奇数时隙发送。
4.从设备：发送由主设备控制，只能向主设备发送。

• 蜂窝网络

蜂窝标准：
1G系统（第一代）：模拟FDMA。
2G系统（第二代）：用于语音通信。
将模拟信号转换为数字信号发送。
过渡标准IS-136 TDMA: FDMA/TDMA结合 (北美)。
GSM (移动通信全球系统): FDMA/TDMA结合。广泛部署
IS-95 CDMA: 码分多址。
2.5 G系统： 用于语音和数据信道。
2G 到3G的过渡：2G扩展。
通用分组无线电服务 (GPRS)：从 GSM演化而来，数据在多个信道发送(如果可能的话)。
支持全球演化的增强数据速率(EDGE)：也从GSM演化而来, 使用增强调制 ，数据率高达 384K。
CDMA-2000 (阶段1)：数据率高达 144K，从 IS-95演化而来。
3G系统：高速率的语音/数据通信。
行车144kbps，室外384kbps，室内2Mbps
标准：
通用移动电信服务 (UMTS)：GSM的演化，但使用 CDMA，CDMA-2000。
4G系统：理想的无线接入。
无处不在的无线Internet接入
更高的接入速率
接入技术的自动、透明的切换
保持正在进行的TCP连接
IP 上支持语音和视频