《计算机网络》笔记

第1章 计算机网络基础

1.3 互联网的组成

边缘部分由所有连接在互联网上的主机组成，用户直接使用。用来进行通信（传送数据、音频或视频）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组成。为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。

核心部分的路由器是实现分组交换¹的关键构件,它是一种专用计算机但不是主机。

1.5 计算机网络的类别

按交换方式划分：电路交换、分组交换和报文交换。

按使用者划分：公用网（因特网）与专用网。

按传输介质划分：无线网络与有线网络。

按覆盖范围划分：广域网（MAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个人区域网（PAN）。

按拓扑结构划分：总线型、星型、环型（试图用令牌缓解冲突）、网状型。

1.6 计算机网络的性能

计算机网络的性能指标：

• 速率/数据率/比特率：数据的传送速率，单位比特/秒。注意数据量单位与速率单位的换算关系。

• 带宽：在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。带宽单位是b/s而不是B/s。数据传送速率是主机接口速率、线路带宽、交换机或路由器的接口速率三者取最小值（短板效应）。

  • 带宽在模拟信号系统中与计算机网络中定义不同：指某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。单位是Hz。

• 吞吐量：单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。吞吐量受网络带宽的限制。将同时通过的数据量相加即可。

• 时延：包含发送时延、传播时延、排队时延、处理时延四部分。注意发送时延和传播时延的计算。

>[!TIP] 发送时延和传播时延的计算 > >\text{发送时延} =\frac{\text{分组长度，单位bit}}{\text{发送速率，单位b/s}} > > >\text{传播时延} =\frac{\text{信道长度，单位m}}{\text{信号传播速率，单位m/s}} >

由于存在流水线效应（后续分组无需等待前一个分组完全到达目的地，即可开始传输），如果不考虑排队时延和处理时延，那么： \begin{aligned} \text{总时延} = & \text{所有分组的发送时延} + \\ & 1 \text{个分组的发送时延} \times \text{转发次数（即路由器个数）} + \\ & 1 \text{个分组在链路上的总传播时延} \end{aligned} ![[./computer-network/时延计算.png]]

• 时延带宽积：传播时延和带宽的乘积。链路的时延带宽积也称为以比特为单位的链路长度，即当链路满载时链路内充满的比特数。

• 往返时间（RTT²）：从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。

  • 一般而言，传播时延最大的链路是同步卫星链路（传输距离太远）。

• 利用率：

  • 链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。空闲链路该值为0。

  • 网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。

• 丢包率：在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。包括接口丢包率、节点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率。丢包率可以反映网络的拥塞情况（无拥塞时路径丢包率为0，轻度拥塞1%～4%，严重拥塞5%～15%）。

  • 分组丢失的两种情况：分组在传输过程中出现误码并被节点交换机（例如路由器）或目的主机检测到而丢弃；节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组。

1.7 计算机网络体系结构

![[./computer-network/计算机网络体系结构.png]]

OSI参考模型（7层）：物链网输会示用（物联网叔会使用）。OSI标准失败的原因

一般认为，路由器的最高网络体系结构为网际层。

![[./computer-network/TCPIP四层协议的表示方法举例.png]]

TCP/IP协议族（常称TCP/IP协议栈）表明，向下看IP协议互连不同的网络接口（IP over everything），向上看IP协议可以为各种网络应用提供服务（Everything over IP）。

为了实现各种设备互连，网络接口层实际没有规定多少内容，因此TCP/IP协议族本质上是上三层的内容。

![[./computer-network/沙漏计时器形状的TCPIP协议族示意.png]]

计算机网络体系结构分层的必要性：计算机网络是非常复杂的系统，通过“分层”可将庞大复杂的问题转化为若干较小的局部问题。这即是“高内聚低耦合”（层内部联系紧密，层之间耦合度低）。

![[./computer-network/原理体系结构分层.png]]

计算机网络体系结构分层的思想：发送的报文由上至下是逐层封装（经过几层封装几次），由下至上是逐层解封。以浏览器向Web服务器发送一次请求为例：

![[./computer-network/数据在各层之间的传递过程.png]]

在计算机网络体系结构中：

• 实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。对等实体就是通信双方相同层次中的实体。

• 协议是控制两个对等实体在“水平方向” 进行“逻辑通信”的规则的集合。

  • 协议包含语法（所交换信息的格式）、语义（通信双方所要完成的操作）、同步（通信双方的时序关系）这三要素。

• 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

  • 要实现本层协议还需要使用下面一层所提供的服务。

  • 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则；但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

  • 使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，即下面的协议对上面的实体是透明的。

• 服务访问点（SAP）：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口。它被用于区分不同的服务类型。

  • 帧的“类型”字段、IP数据报的“协议”字段、TCP报文段或UDP用户数据报的“端口号”字段都是SAP。

• 服务原语：上层要使用下层所提供的服务，必须通过与下层交换的一些命令。

• 协议数据单元（PDU）³：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。

• 服务数据单元（SDU）⁴：同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。

![[./computer-network/计算机网络体系结构中的专用术语.png]]

[!Question] 第1章习题 1-10、11、15、17、18、19、30

第2章 物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层接口特性：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体/传输介质/传输媒介：计算机网络设备之间的物理通路。其并不包含在计算机网络体系结构中。

![[./computer-network/传输媒体的分类.png]]

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便。随着技术的发展和集线器的出现，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。

线路绞合的作用：减少相邻导线间的电磁干扰；抵御部分来自外界的电磁干扰。

光纤通信利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信。光在光纤中传输的方式是不断地全反射。由于可见光的频率非常高，因此光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

• 多模光纤有多条光波在其中不断地全反射，只适合于建筑物内的近距离传输。

• 单模光纤中光一直向前传播，适合长距离传输且衰减更小。

• 光纤的优缺点

![[./computer-network/电信领域使用的电磁波的频谱.png]]

对于非导向型传输媒体，电磁波中频率高于10^4Hz的无线电波、微波、红外线、可见光和部分频段的紫外线可以通过调制波的振幅、频率或相位来传输信息。可自由使用的一些无线电频段：ISM⁵频段。

• 无线电波LF和MF波段采用地面波，HF和VHF波段则通过电离层反射。

• 微波传输采用地面微波接力通信或者同步地球卫星。

• 红外通信现大多被淘汰，但在诸如遥控器等家电上仍有使用。点对点短距离传输

2.2 数据通信的基础知识

数据传输方式：包括串行传输和并行传输；同步传输和异步传输；单向通信、双向交替通信和双向同时通信。

![[./computer-network/编码与调制的基本概念.png]]

在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。

[!Example] 数字信号常用的编码方式 ![[./computer-network/数字信号常用的编码方式.png]]

• 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。缺点在于缺乏自同步，需要再给收发双方再添加一条时钟信号线。

• 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。每个码元的中间时刻信号都会回归到零电平，接收方在信号归零后采样即可，故拥有自同步能力。然而归零编码中大部分数据带宽都因传输“归零”而浪费掉了。

• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。也可反过来定义。每个比特对应2个码元。

• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。码元中间时刻的电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。每个比特对应2个码元。

对比曼彻斯特编码与其他编码：曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高，且曼彻斯特编码具有自同步能力（能从信号波形本身中提取信号时钟频率）。

对比曼彻斯特与差分曼彻斯特：在传输大量连续1或连续0的情况下，差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号的变化少。在噪声干扰环境下，检测有无跳变比检测跳变方向更不容易出错，因此差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号更易于检测。在传输介质接线错误导致高低电平翻转的情况下，差分曼彻斯特编码仍然有效。

[!Example] 基本的带通调制方法和混合调制方法 基本的带通调制方法有三种：调幅AM、调频FM、调相PM。分别对应载波的振幅、载波的频率、载波的初始相位随基带数字信号而变化。

![[./computer-network/最基本的三种调制方法.png]]

使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。但如果使用混合调制则能包含多个比特信息。

• 载波的频率和相位是相关的（频率是相位随时间的变化率），所以载波的频率和相位不能进行混合调制。

• 载波的相位和振幅可以混合调制，例如正交振幅调制QAM⁶。

[!Example] 正交振幅调制QAM-16 共有12种相位，每种相位有1或2种振幅可选，总共可调制出16种码元（波形），由2^4=16, \log_2{16}=4可知每种码元可以对应表示4个比特。

每个码元与4个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个相邻码元只有1个比特不同。

造成信号失真的主要因素：

• 码元的传输速率：越高失真越严重。详见码间串扰和后面两公式。

• 信号的传输距离：越远失真越严重。

• 噪声干扰：越大失真越严重。

• 传输媒体的质量：越差失真越严重。

由上述两公式可知：频率带宽W一定时，若提高信息传输速率，必须采用更复杂的调制技术并努力提高信道中的信噪比。

复用⁷就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可通过复用技术在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。

• 复用的信道数量较大时，可以抵消复用技术的额外成本。

[!Example] 常用的信道复用技术 包括频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM、码分复用CDM。

[!Example] 频分复用FDM 所有用户同时占用不同的频带资源并行通信。主要在模拟信号传输中应用。

![[./computer-network/频分复用FDM.png]]

[!Example] 时分复用TDM 所有用户在不同的时间占用同样的频带。主要在数字信号传输中应用。

![[./computer-network/时分复用TDM.png]]

[!Example] 波分复用WDM 在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术。实际上是光的频分复用FDM方法。

目前可以在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。因此这种复用技术也称为密集波分复用DWDM。

![[./computer-network/波分复用WDM.png]]

计算使用波分复用技术的光缆的总数据速率

在一根光缆中放入100根速率为2.5Gb/s的光纤，对每根光纤采用40倍的密集波分复用，则这根光缆的总数据速率为（2.5Gb/s × 40）× 100 = 10000Gb/s = 10Tb/s。

[!Example] 码分复用CDM 码分复用CDM⁸常称为码分多址CDMA⁹。与FDM和TDM不同，CDMA的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。

CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片¹⁰。m的取值通常为64或128。

CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m个比特的码片序列¹¹。将码片序列中的比特0记为-1，而比特1记为+1，可写出码片序列相应的码片向量。

• 由于分配给每个站点的码片序列必须互不相同且相互正交，因此不同站点的码片向量计算内积一定为0。

• 这里计算使用规格化内积，也就是向量内积的1/m。

使用码分多址传输比特

若是某一站点向CDMA系统其他站点发送同一比特：

某站点要发送比特1，就发送它自己的m比特码片序列；要发送比特0，就发送它自己的m比特码片序列的反码（各位取反）。

当接收站打算收 S 站发送的信号时，就用 S 站的码片序列与收到的信号求规格化内积。

• 若求出的是1，那么其他站点发来的就是比特1；

• 若求出的是-1，说明发来的是比特0；

• 若求出的都是0，可能说明没有给当前设备发送数据。

![[./computer-network/CDMA例题.png]]

---

若是基站向不同接收方分别发送不同比特：

基站需要根据接收方的码片序列来确定传输的信号，然后将所有信号叠加。

接收方收到发来的叠加后的信号，就用自己的码片向量与收到的叠加后的码片向量做规格化内积运算。求出的结果便是基站发来的比特了。

![[./computer-network/CDMA发送端.png]] ![[./computer-network/CDMA接收端.png]]

[!Question] 第2章习题 2-7. 9. 11. 16.

第3章 数据链路层

3.1 数据链路层的几个共同问题

链路¹²是指从一个节点到相邻节点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换节点。

数据链路¹³是基于链路的。当在一条链路上传送数据时，除需要链路本身，还需要一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

帧¹⁴是数据链路层对等实体之间在水平方向进行逻辑通信的协议数据单元PDU。

数据链路层的三个基本问题：封装成帧和透明传输、差错检测、可靠传输。

[!Example] 封装成帧¹⁵就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。 ![[./computer-network/封装成帧和透明传输.png]]

网络层的IP数据报传送到数据链路层就成为帧的数据部分。在帧的数据部分的前面和后面分别添加上首部和尾部，构成了一个完整的帧。这样的帧就是数据链路层的数据传送单元。

为了提高数据链路层传输帧的效率，应当使帧的数据载荷的长度尽可能地大于首部和尾部的长度。但每一种数据链路层协议都规定了帧的数据载荷的长度上限，即最大传送单元MTU¹⁶。

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（即确定帧的界限），除此以外还包含控制信息。帧定界可以使用特殊的帧定界符：控制字符SOH¹⁷放在一帧的最前面表示帧的首部开始；控制字符 EOT¹⁸表示帧的结束。

• 并不是每一种数据链路层协议的帧都包含有帧定界标志。例如以太网V2的MAC帧就没有帧定界，但是它会在物理层包装一个前导码。

![[./computer-network/以太网V2的MAC帧在物理层传输.png]]

[!Example] 透明传输指数据链路层对上层交付下来的PDU无任何限制，好像数据链路层不存在一样。 由于上层交给数据链路层的IP数据报中可能含有帧定界符FLAG的序列，为防止接收方因读取这些序列而导致错误地“找到帧的边界”，需要对其进行处理。

面向字节的物理链路使用**字节填充**^[byte stuffing]的方法实现透明传输。

字节填充就是每当在帧的数据部分出现帧定界符序列就在其前面插入一个转义字符“ESC”。如果转义字符也出现在数据当中，那么解决方法仍然是在转义字符的前面插入一个转义字符。

• 接收端的数据链路层会在把数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符。当接收端收到连续两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

![[./computer-network/用字节填充法解决透明传输的问题.png]]

面向比特的物理链路使用**比特填充**的方法实现透明传输。

零比特填充法：在数据部分每出现5个连续比特1就在后面插入一个比特0。这是因为PPP协议将帧首部和帧尾部中的标志字段作为帧定界符，其值为01111110（即十六进制下0x7E），为了防止错误读取就在1连续出现的地方插入一个0。高级数据链路控制协议HDLC也采用零比特填充法。

[!Example] 差错检测：检测数据在传输过程中是否产生了诸如比特差错之类的差错。 实际的通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错（比特差错）。比特差错只是众多差错中的一种。

传输错误的比特数量占所传输比特总数的比率称为**误码率BER**^[Bit Error Rate]。

提高链路的信噪比，可以一定程度上降低误码率。但无法使之降为0。因此需要使用差错检测技术：

• 奇偶校验（很少使用，漏检率过高）

  • 奇校验是在待发送的数据后面添加1个校验位，使得添加该位后的整个数据中比特1的个数为奇数。偶校验是在待发送的数据后面添加1个校验位，使得添加该校验位后的整个数据中比特1的个数为偶数。

  • 如果有奇数个比特发生误码，则所包含比特1的数量的奇偶性会改变，可以检测出误码。有偶数个比特发生误码就无法检测，即发生漏检。

• 根据帧尾中的帧检验序列FCS检测帧中是否有误码。而FCS是由漏检率极低的循环冗余校验CRC¹⁹生成的。

**循环冗余校验CRC**

收发双方约定好一个生成多项式G(X)，发送方基于待发送的数据和生成多项式G(X)，计算出差错检测码（冗余码），将冗余码添加到待发送数据的后面一起传输。

接收方收到数据和冗余码后，通过生成多项式G(X)来计算收到的数据和冗余码是否产生了误码。

![[./computer-network/循环冗余校验.png]]

[!Example] 可靠传输 检测出误码后如何处理取决于数据链路层向其上层提供的服务类型，包括：

• 不可靠传输服务：仅仅丢弃有误码的帧，其他什么也不做。

• 可靠传输服务：通过某种机制实现发送方发送什么，接收方最终就能收到什么。

有线链路的误码率较低。一般不要求数据链路层向其上层提供可靠传输服务。但无线链路误码率比较高，因此要求数据链路层必须向其上层提供可靠传输服务。

传输差错包括误码（比特差错）、分组重复、分组失序、分组丢失。后三者出现在数据链路层的上层。

3.2 点对点协议PPP

点对点协议PPP是因特网工程任务组IETF²⁰于1992年制定的。

![[./computer-network/PPP的帧格式.png]]

PPP的帧检验序列FCS的计算范围是A、C、P及数据载荷。

使用PPP的数据链路层，向上提供的是不可靠数据传输服务。即接收方每收到一个PPP帧就进行CRC检验。若CRC检验未通过就丢弃这个帧。

3.3 共享式以太网

以太网（Ethernet）目前已经从传统的共享式以太网发展到交换式以太网。

• 1980年：以太网标准V1（DIX Ethernet V1）。

• 1982年：以太网标准V2（DIX Ethernet V2），第一个局域网产品的标准并被大量使用。

• 1983年：IEEE 802.3 以太网标准，对DIX Ethernet V2的帧格式做了很小的改动但未被广泛使用。

要将计算机连接到以太网，需要使用相应的网络适配器²¹，简称“网卡”。计算机内部的网卡与CPU之间的通信一般通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行。网卡与外部以太网（局域网）之间的通信一般通过传输媒体（同轴电缆、双绞线电缆、光纤）以串行方式进行。

点对点信道中，数据链路层不需要使用地址；当多个主机连接在同一个广播信道上，要想实现两个主机之间的通信，则每个主机都必须有一个唯一的标识，即一个数据链路层地址。在每个主机发送的帧的首部中，都携带有发送主机（源主机）和接收主机（目的主机）的数据链路层地址。由于这类地址是用于媒体接入控制²²的，因此被称为MAC地址。

每块网卡都有一个全球唯一的MAC地址。MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识。

IEEE 802局域网的MAC地址：

![[./computer-network/IEEE 802局域网的MAC地址格式.png]]

IEEE 802局域网的MAC地址发送顺序：从第1字节发送至第6字节，字节内的比特发送顺序是从b0到b7。

共享总线以太网具有天然的广播特性，即使总线上某个站点给另一个站点发送单播帧，表示帧的信号也会沿着总线传播到总线上的其他各站点。当某个站点在总线上发送帧时，总线资源会被该站点独占。此时如果总线上的其他站点也要在总线上发送帧，就会产生信号碰撞。

• 共享总线以太网的一个重要问题：如何协调总线上的各站点争用总线。

为解决各站点争用总线的问题，共享总线以太网使用了一种专用协议CSMA/CD，即载波监听多址接入/碰撞检测²³。

3.4 扩展的以太网

[!Example] 以太网的命名 ![[./computer-network/以太网的命名.png]]

共享式总线以太网之后，以太网发展出使用集线器²⁸来替代总线的方案。站点连接到集线器的传输媒体也转而使用更便宜、更灵活的双绞线电缆。

• 使用集线器的以太网虽然物理拓扑是星型的，但在逻辑上仍然是一个总线网。总线上的各站点共享总线资源，使用的还是CSMA/CD协议。

• 集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。

![[./computer-network/用多个集线器连成更大的以太网.png]]

在物理层扩展以太网通常使用集线器，但是物理层扩展的共享式以太网仍然是一个碰撞域，不能连接太多的站点，否则可能会出现大量的碰撞，导致平均吞吐量太低。因此转向在数据链路层扩展以太网。

网桥²⁹工作在数据链路层，可以识别帧的结构，根据帧首部中的目的MAC地址和网桥自身的帧转发表来转发或丢弃所收到的帧。

• 透明网桥³⁰通过自学习算法建立转发表。“透明”指以太网中的各站点并不知道自己所发送的帧将会经过哪些网桥的转发最终到达目的站点（以太网中的各网桥对于各站点是看不见的）。

  • 网桥收到帧后进行登记（即自学习），登记的内容为帧的源MAC地址和进入网桥的接口号。

  • 网桥根据帧的目的MAC地址和网桥的转发表对帧进行转发，包含三种情况：明确转发、盲目转发和丢弃。

  • 收到有误码的帧则直接丢弃。

  • 收到无误码的广播帧时，直接从其他接口转发该广播帧。

由于可靠性需求，可能需要在以太网中引入冗余链路，但这又可能导致出现环路，广播帧在环路中永久兜圈会浪费网络资源并阻断正常通信。

• 透明网桥使用生成树协议STP³¹，实现了增加冗余链路的同时又避免环路问题。

3.5 交换式以太网

以太网交换机³²本质上就是一个多接口的网桥。仅使用交换机（而不使用集线器）的以太网就是交换式以太网。

• 交换式以太网中的所有站点都属于同一个广播域。

![[./computer-network/共享式以太网与交换式以太网的对比.png]]

巨大的广播域会带来一系列问题，包括广播风暴。这会浪费网络资源和各主机的CPU资源。因此需要对广播域进行分割。由于路由器成本高昂，一般选用虚拟局域网VLAN³³技术。

对于以太网V2的MAC帧来说，接收方可能收到的无效MAC帧包括：MAC帧的长度不是整数个字节；通过MAC帧的FCS字段的值检测出帧有误码；MAC帧的长度不在64~1518字节之间。

• 接收方收到无效的MAC帧时，就简单将其丢弃，以太网的数据链路层没有重传机制。

100BASE-T以太网与10Mb/s标准以太网（传统以太网）一样，仍然使用IEEE 802.3的帧格式和CSMA/CD协议。以太网最小帧长保持不变，仍为64字节。

[!Question] 第3章习题 7、8、9、10、16、18、20、21、22、27、30、31、32、33

第4章 网络层和路由控制

4.1 网络层的几个重要概念

网络层的主要任务就是将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机，可以将该任务划分为分组转发和路由选择两种重要的功能。

网络层向其上层提供的两种服务：

• 面向连接的虚电路服务（未被使用）

  • 核心思想是“可靠通信应由网络自身来保证”。

  • 必须首先建立网络层连接，即虚电路³⁴，以保证通信双方所需的一切网络资源。通信双方沿着已建立的虚电路发送分组。通信结束后需要释放之前所建立的虚电路。

  • 虚电路表示这是一条逻辑上的连接，分组沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而不是真正建立了一条物理连接。而电路交换的电话通信是建立了一条真正的连接。

• 无连接的数据报服务（现行服务）

  • 核心思想是“可靠通信应由用户主机来保证”。

  • 不需要建立网络层连接。每个分组可走不同的路径。每个分组的首部都必须携带目的主机的完整地址。通信结束后，没有需要释放的连接。

  • 相比虚电路服务，这种通信方式所传送的分组可能误码、丢失、重复和失序。但是由于网络本身无需端对端可靠传输，这样就能简化路由器架构，降低成本，还能灵活适应多种应用。

![[./computer-network/虚电路服务与数据报服务.png]]

网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力（说明是不可靠的）交付的数据报服务。这种设计将相对简单的尽最大努力的分组交付功能置于因特网核心，而将复杂的网络处理功能置于因特网的边缘（即用户主机和其内部的运输层）。

网际协议IP³⁵是TCP/IP体系结构网际层中的核心协议，与IP协议配套使用的还有三个协议：

• 地址解析协议ARP³⁶，IP要经常使用ARP，与之配套的逆地址解析协议RARP³⁷已被淘汰。

• 网际控制报文协议ICMP³⁸，该协议需要使用IP协议。

• 网际组管理协议IGMP³⁹，该协议需要使用IP协议。

4.2 网际协议IP

要将众多的异构型网络都互连起来并且能够互相通信，则会面临许多需要解决的问题。但当网络层都使用相同的IP协议时，从网络层角度看好像是一个统一的网络（IP网）。IP网上的主机进行通信就好像在单个网络上通信一样，它们看不见互连的各网络的具体异构细节。这样就实现了异构网络互连。

网络层使用的中间设备叫做路由器⁴⁰。

IP地址就是给互联网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内唯一的 32 位标识符。IPv4地址的编址方法经历了三个历史阶段：分类编址、划分子网、无分类编址。

• 分类编址将IP分为两级结构：网络号、主机号；

• 划分子网又在分类基础上划分出子网号并使用子网掩码；

• 无分类编址抛弃前者，而是划分为网络前缀和主机号的两级结构，并使用地址掩码。

IPv4地址由32比特构成，为方便阅读、记录以及输入等，采用点分十进制表示方法：每8位分成一组（共四组），每组转换为十进制数，再在各组间加点以分隔。

>各类地址的数量占全部IP地址的比分别为：A类\frac{2^{32-1}}{2^{32}} =\frac{1}{2}，B类\frac{2^{32-2}}{2^{32}} =\frac{1}{4}，C类\frac{2^{32-3}}{2^{32}} =\frac{1}{8}，D类和E类\frac{2^{32-4}}{2^{32}} =\frac{1}{16}。

分类编址方法不够灵活且容易造成大量地址浪费，因此用划分子网编址方法对其进行改进。

划分子网增加了灵活性，但却减少了能够连接在网络上的主机总数。

默认子网掩码是指在未划分子网的情况下使用的子网掩码。

• A类、B类、C类对应的默认子网掩码即为网络号全1、主机号全0。

将给定的IPv4地址块（或分类网络）划分成若干个更小的地址块（或子网），并将这些地址块（或子网）分配给互联网中的不同网络，进而可以给各网络中的主机和路由器的接口分配IPv4地址。这分为两种手段：

• 定长子网掩码⁴²：所划分出的每一个子网都使用同一个子网掩码。由于每个子网所分配的IP地址数量相同，容易造成地址资源的浪费。

• 变长子网掩码⁴³：所划分出的每一个子网可以使用不同的子网掩码。因而每个子网所分配的IP地址数量可以不同。

数据报传送过程中IPv4地址与MAC地址的变化情况：

• 传送过程中，数据报的源IP地址和目的IP地址保持不变；

• 源MAC地址和目的MAC地址逐链路（或逐网络）改变。

查表转发的结果可以指明IP数据报的下一跳路由器的IP地址，但无法指明该IP地址所对应的MAC地址。因此数据链路层封装该IP数据报成为帧时，帧首部中的目的MAC地址字段就无法填写，该问题需要使用网际层中的地址解析协议ARP来解决。

![[./computer-network/地址解析协议ARP-1.png]] ![[./computer-network/地址解析协议ARP-2.png]]

路由器不转发广播IP数据报，即路由器隔离广播域。

![[./computer-network/IPv4数据报的首部格式.png]] ![[./computer-network/标识、标志、片偏移.png]] ![[./computer-network/首部检验和.png]]

![[./computer-network/因特网采用分层次的路由选择协议.png]]

![[./computer-network/路由信息协议.png]] RIP仅和相邻路由器交换信息。交换的是路由器自己的路由表。

RIP的距离向量算法：先修改再更新，更新时先看自己有没有相同的目的网络，再看下一跳，再看距离。

• 修改：将接收到的路由表的所有RIP距离+1，下一跳均改为发送路由表的路由器。
• 没有相同目的网络的直接添加。
• 相同目的网络，下一跳不同时，若RIP距离相等不更新，若RIP距离比原有距离小则更新，大则不更新。

RIP缺点：“坏消息传播得慢”。

开放最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）协议使用了Dijkstra提出的最短路径算法。

![[./computer-network/RIP与OSPF.png]]

为了更有效地转发IP数据报以及提高IP数据报交付成功的机会，TCP/IP体系结构的网际层使用了网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）。主机或路由器使用ICMP来发送差错报告报文和询问报文。

![[./computer-network/ICMP报文类型.png]]

![[./computer-network/虚拟专用网.png]]

![[./computer-network/IPv6数据报的基本首部.png]]

在IPv6地址的冒号十六进制记法的基础上，再使用“左侧零”省略和“连续零”压缩，可使IPv6地址的表示更加简洁。

• 两个冒号间的十六进制数中最前面的一串0可以省略不写。

• 一连串连续的0可以用一对冒号取代。在一个IPv6地址中只能使用一次“连续零”压缩。

• CIDR的斜线表示法在IPv6中仍然可用。

IPv6也需要使用网际控制报文协议ICMP来向发送IPv6数据报的源主机反馈一些差错信息，相应的ICMP版本为ICMPv6。

ICMPv6比ICMPv4要复杂得多，它合并了原来的地址解析协议ARP和网际组管理协议IGMP的功能。

[!Question] 第4章习题：11 12 14 15 17 18 19 20 22-33 37 43-51 57 58

第5章

![[./computer-network/进程间基于网络的通信.png]]

![[./computer-network/运输层端口号.png]]

![[./computer-network/UDP与TCP.png]]

停止等待协议

停止-等待协议属于自动请求重传（Automatic Repeat reQuest，ARQ）协议。即重传的请求是发送方自动进行的，而不是接收方请求发送方重传某个误码的数据分组。

发送方可在每发送完一个数据分组时就启动一个超时计时器（Timeout Timer）。

若到了超时计时器所设置的超时重传时间（Retransmission Time-Out，RTO），但发送方仍未收到接收方的ACK或NAK，就重传之前已发送过的数据分组。

为了让接收方能够判断所收到的数据分组是否是重复的，需要给数据分组编号。由于停止-等待协议的特性，只需1个比特编序号即可，即序号0和序号1。

为了让发送方能够判断所收到的确认分组是否是重复的，需要给确认分组编号，所用比特数量与数据分组所用比特数量一样。

![[./computer-network/停止-等待协议.png]]

![[./computer-network/停止-等待协议的信道利用率.png]] 在往返时间RTT相对较大的情况下，为了提高信道利用率，收发双方不适合采用停止-等待协议，而可以选择使用回退N帧（GBN）协议或选择重传（SR）协议。

回退N帧协议

![[./computer-network/回退N帧协议.png]]

回退N帧协议采用流水线传输方式，并且利用发送窗口来限制发送方连续发送数据分组的数量，这属于连续ARQ协议。

![[./computer-network/回退N帧协议-1.png]] ![[./computer-network/回退N帧协议-2.png]]

回退N帧协议的接收方采用累积确认方式。

• 接收方不必对收到的每一个数据分组都发送一个确认分组，而是可以在收到几个序号连续的数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认分组。

![[./computer-network/回退N帧协议-0.png]]

![[./computer-network/对比停止-等待协议、回退N帧协议和选择重传协议.png]]

与回退N帧协议不同，选择重传协议不采用累积确认，接收方需要对每一个正确接收的数据分组进行逐一确认。 发送方仅重传未收到确认而超时的数据帧。

![[./computer-network/选择重传协议.png]]

TCP报文段

![[./computer-network/TCP报文段首部.png]]

![[./computer-network/TCP可靠传输的实现-1.png]] ![[./computer-network/TCP可靠传输的实现-2.png]]

接收方只能对按序收到的数据中的最高序号给出确认。

发送窗口内的序号已经用完了，发送方在未收到接收方发来确认的情况下，不能再发送新的数据。

序号落在发送窗口内的已发送数据，如果迟迟收不到接收方的确认，则会产生超时重传。

TCP接收方只能对按序收到的数据中的最高序号给出确认。当发送方超时重传时，接收方之前已收到的未按序到达的数据也会被重传。

TCP为应用程序提供了流量控制（Flow Control）机制，以解决因发送方发送数据太快而导致接收方来不及接收，造成接收方的接收缓存溢出的问题。

流量控制的基本方法：接收方根据自己的接收能力（接收缓存的可用空间大小）控制发送方的发送速率。

![[./computer-network/TCP流量控制-1.png]] ![[./computer-network/TCP流量控制-2.png]]

TCP发送方的发送窗口值 = min{TCP发送方的拥塞窗口值，TCP接收方的接收窗口值}

TCP运输连接有以下三个阶段：

• 通过“三报文握手”来建立TCP连接。 ![[./computer-network/“三报文握手”建立TCP连接.png]] 采用“三报文握手”而不是“两报文握手”来建立TCP连接，是为了防止已失效的TCP连接请求报文段突然又传送到了TCP服务器进程，因而导致错误。

• 基于已建立的TCP连接进行可靠的数据传输。

• 在数据传输结束后，还要通过“四报文挥手”来释放TCP连接。 ![[./computer-network/“四报文挥手”释放TCP连接.png]] 处于时间等待（TIME-WAIT）状态后会启动一个时间等待计时器，要经过2MSL时长，可以确保TCP服务器进程能够收到最后一个TCP确认报文段而进入关闭（CLOSED）状态。

TCP客户进程在发送完最后一个TCP确认报文段后，再经过2MSL时长，就可以使本次连接持续时间内所产生的的所有报文段都从网络中消失。这样就可以使下一个新的TCP连接中不会出现旧连接中的报文段。

TCP采用保活计时器： ![[./computer-network/TCP保活计时器.png]]

TCP的拥塞控制

![[./computer-network/流量控制与拥塞控制的区别.png]]

![[./computer-network/TCP的四种拥塞控制方法.png]]

第6章

应用层是计算机网络体系结构的最顶层，是设计和建立计算机网络的最终目的，也是计算机网络中发展最快的部分。

因特网采用层次树状结构的域名结构。域名的结构由若干个分量组成，各分量之间用“点”隔开，分别代表不同级别的域名。各级域名由其上一级的域名管理机构管理，而最高的顶级域名则由因特网名称与数字地址分配机构ICANN进行管理。 ![[./computer-network/域名结构.png]]

域名和IP地址的映射关系必须保存在域名服务器中，供所有其他应用查询。显然不能将所有信息都储存在一台域名服务器中。DNS使用分布在各地的域名服务器来实现域名到IP地址的转换。

• 根域名服务器是最高层次的域名服务器。每个根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名及其IP地址。根域名服务器通常并不直接对域名进行解析，而是返回该域名所属顶级域名的顶级域名服务器的IP地址。
• 顶级域名服务器负责管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名。
• 权限域名服务器负责管理某个区的域名。每一个主机的域名都必须在某个权限域名服务器处注册登记。
• 本地域名服务器起着代理的作用，会将该报文转发到上述的域名服务器的等级结构中。本地域名服务器不属于上述的域名服务器的等级结构。当一个主机发出DNS请求报文时，这个报文就首先被送往该主机的本地域名服务器。 ![[./computer-network/因特网的域名解析过程.png]]

在域名服务器中广泛地使用了高速缓存。高速缓存用来存放最近查询过的域名以及从何处获得域名映射信息的记录。

动态主机配置协议DHCP可为计算机自动配置网络参数，使得计算机“即插即联网”（Plug-and-Play Networking）。

文件传送协议（File Transfer Protocol，FTP）是因特网上使用得最广泛的文件传送协议。

![[./computer-network/文件传送协议FTP的基本工作原理.png]]

万维网（World Wide Web，WWW）并非某种特殊的计算机网络。它是一个大规模的、联机式的信息储藏所，是运行在因特网上的一个分布式应用。利用网页之间的超链接将不同网站的网页链接成一张逻辑上的信息网。

浏览器最重要的部分是渲染引擎，也就是浏览器内核。负责对网页内容进行解析和显示。

万维网使用统一资源定位符URL来指明因特网上任何种类“资源”的位置。<协议>://<主机>:<端口>/<路径>

超文本传输协议HTTP(HyperText Transfer Protocol)定义了浏览器（即万维网客户进程）怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及万维网服务器怎样把万维网文档传送给浏览器。

电子邮件系统的三个主要组成构件：用户代理，邮件服务器，以及电子邮件所需的协议。

• 协议包括邮件发送协议（例如SMTP）和邮件读取协议（例如POP3，IMAP）。

简单邮件传送协议（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP）只能传送ASCII码文本数据，不能传送可执行文件或其他的二进制对象。

![[./computer-network/电子邮件系统.png]]

![[./computer-network/常用的邮件读取协议.png]]

[!Question] 第5章习题：12 13 14 22 23 24 30 31 49

第6章

![[./computer-network/网络安全威胁.png]]

![[./computer-network/对称密钥密码体制与公钥密码体制.png]]

![[./computer-network/报文摘要和报文鉴别码.png]]

最有名的报文摘要算法（或称密码散列函数或散列算法）有MD5（Message Digest，MD-5）和安全散列算法1（Secure Hash Algorithm，SHA-1）。

在计算机网络中传送的报文可以使用数字签名（Digital Signature）来证明其真实来源。采用公钥密码算法比采用对称密钥密码算法更容易实现数字签名。

对整个报文进行数字签名是一件非常耗时的事情，更有效的方法是仅对报文摘要进行数字签名。

《网络是怎样连接的》笔记

第1章 浏览器生成消息——探索浏览器内部

浏览器的第一步工作就是对 URL 进行解析。URL可以是以http:、ftp:、file:、mailto:等开头。浏览器会使用HTTP协议来访问Web服务器。

• URL：Uniform Resource Locator，统一资源定位符。

• HTTP：Hypertext Transfer Protocol，超文本传送协议。

• FTP：File Transfer Protocol，文件传送协议。

URL开头表示访问数据源的机制，也就是协议。//后面的字符串表示服务器的名称。服务器后面是数据源（文件）的路径名。例如http://www.lab.glasscom.com/dir1/file1.html中，www.lab.glasscom.com为服务器名，/dir1/file1.html代表访问的文件路径，这部分可以省略为/dir1/、/甚至是完全省略。省略时会访问服务器指定的默认文件。

1. packet switching ↩

2. Round-Trip Time ↩

3. Protocol Data Unit ↩

4. Service Data Unit ↩

5. Industrial, Scientific, and Medical ↩

6. Quadrature Amplitude Modulation ↩

7. Multiplexing ↩

8. Code Division Multiplexing ↩

9. Code Division Multiple Access ↩

10. Chip ↩

11. Chip Sequence ↩

12. Link ↩

13. Data Link ↩

14. Frame ↩

15. framing ↩

16. Maximum Transfer Unit ↩

17. Start Of Header ↩

18. End Of Transmission ↩

19. Cyclic Redundancy Check ↩

20. Internet Engineering Task Force ↩

21. Adapter ↩

22. Medium Access Control, MAC ↩

23. Carrier Sense Multiple Access Collision Detection ↩

24. Jamming Signal ↩

25. Contention Period ↩

26. Collision Window ↩

27. Truncated Binary Exponential Backoff ↩

28. Hub ↩

29. bridge ↩

30. Transparent Bridge ↩

31. Spanning Tree Protocol ↩

32. Switch ↩

33. Virtual Local Area Network ↩

34. Virtual Circuit, VC ↩

35. Internet Protocol ↩

36. Address Resolution Protocol ↩

37. Reverse Address Resolution Protocol ↩

38. Internet Control Message Protocol ↩

39. Internet Group Management Protocol ↩

40. router ↩

41. Classless Inter-Domain Routing ↩

42. Fixed Length Subnet Mask ↩

43. Variable Length Subnet Mask ↩