计算机网络小结（谢希仁 著）

概述

1. 互联网两个重要基本特征：连通性、共享

2. 互联网发展的三个阶段：

   • 第一阶段：从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。这个阶段只是一个单个的分组交换网。所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的节点交换机相连。
   • 第二阶段：三级结构的互联网。三级计算机网络分为主干网，地区网和校园网。希望实现连接到互联网的所有用户都可以相互通信。
   • 第三阶段：全球范围的多层次ISP结构的互联网。NSFNET逐渐被商用的互联网主干网替代，政府机构不在负责互联网的运营，取而代之的时互联网提供者ISP（互联网服务提供商）。

3. 互联网的组成

   • 边缘部分

     • 客户/服务器
     • p2p：类似于客户/服务器模式，不过p2p中每一个主机既是客户端，也是服务器。

   • 核心部分

     • 电路交换：在进行通信前必须建立一个连接，可以理解为面向连接的服务方式。
     • 分组交换：将要发送的一整个数据块划分为若干个小块，同时加上首部，形成一个个分组。

4. 计算机网络中的性能指标：

   • 速率：在信道中实际的传输速率

   • 带宽：在信道中最大的传输速率

   • 吞吐量：在规定时间内传输的数据量

   • 时延-

     • 发送时延：信号源发送数据的速度，用数据长度除以数据率。
     • 传输时延：数据在信道中的传输速度，用信道长度除以介质的传播速率。

   • 时延带宽积：可以理解为在持续传输数据、最大传输速率保留在信道中的数据量，传播时延*带宽。

   • 往返时间：A向B发送数据后，B要返回一个响应，收到这个响应所需要的时间，传播时延*2。

   • 利用率：信道的利用率。信道的利用率越高，网络的响应时延越长。其中D表示实际时延，$D_0$表示空闲信道的时延，U表示信道的利用率。
     $$D=\frac{D_0}{1-U}$$

5. 网络协议的三要素

   • 语法：规定数据和控制信息的结构与格式。
   • 语义：解释每个控制信息每个部分的意义。
   • 同步：对事件实现的先后顺序的详细说明。

6. 五层协议的体系结构

   • 应用层
   • 运输层：TCP和UDP
   • 网络层：数据层面和协议层面
   • 数据链路层：点对点和广播信道
   • 物理层：

7. 体系结构是指各层及其协议的集合。

物理层

1. 信号可分为：

   • 连续信号
   • 离散信号：使用码元进行表示

2. 信道可以分为：

   • 单向信道：只能发送消息。
   • 半双工信道：既能发送消息，又能接收消息。
   • 全双工信道：同上，不过可以同时进行，可以理解为建立了两个信道。

3. 调制可以分为：

   • 编码（变换之后仍然时基带信号）：常见的是曼切斯特编码，编码之后码元是归零编码的两倍。
   • 带通调制：将低频信号转换为高频信号，方便在信道中进行传输。

4. 信道的极限容量：

   • 奈氏准则：带宽为 $W$ HZ的低通信道，码元传输速率最大为2W。

   • 信噪比：信号的功率和噪音的功率之比，信噪比越大越好。
     $$\frac{S}{N}$$

   • 香农公式的极限传输速率：极限传输速率收到带宽和信噪比的影响。
     $$C=W\ast {\log }_2(1+\frac{S}{N})$$

5. 传输媒体：

   • 引导型传输媒体：
     • 双绞线
     • 同轴电缆
     • 光缆
   • 非引导型传输媒体：

6. 信道复用技术：

   • 频分复用：将各路信号在相同的时间占用不同的带宽。

   • 时分复用：将各路信号在不同的时间占用相同的带宽。

   • 波分复用：在单一光纤中同时传输多种不同波长的光信号

   • 码分复用：当码分共享信道被多个地址占用时，每个地址的码分序列都不相同，并且正交。码分序列中0表示为-1，1表示为1.
     $$\begin{gathered} 不同的码分序列：S\ast T=0 \\ 相同的码分序列：S\ast S=1 \\ 码分序列及其反码：S\ast \overline{S}=-1 \end{gathered}$$

数据链路层

1. 数据链路层的信道：

   • 点对点信道
   • 广播信道

2. 数据链路：一条物理链路 + 一些通信协议

3. 帧：数据链路层的协议数据单元。

4. 数据链路层的三个问题：

   • 封装成帧：将网络层传下来的数据加上特定的首部和尾部，形成帧。
   • 透明传输：在传输的过程中使用转义字符对定界符进行转换。
   • 差错检测：使用循环冗余码来对数据部分进行检测。先确定除数（n），在数据部分后面加上n-1个0，然后除以除数，将余数（n-1）加在数据部分后面一起进行传输。

5. PPP协议：用于计算机和ISP通信时所使用的数据链路层协议。

   • 差错检测方法：

     • 字节填充：将7E改为7D 5E，将7D改为7D 5D。
     • 比特填充：在连续出现5次的1后面加上0。这是因为7E的比特数表示为01111110。

   • 帧的格式：将IP数据报作为数据部分，加上8字节的首部和尾部。信息部分的长度不超过1500字节，所以一个ppp帧的长度不超过1508个字节。

F（7E）	A	C	协议	IP数据报	FCS	F（7E）

6. CSMA/CD协议：用于广播信道。所有主机不管想要发送数据之前还是发送数据之中，每个站都要不断地检测信道。

   • 最短帧长：512bit/64字节。长度小于64字节的帧直接丢弃。

   • 阶段二进制避让：在 $2^n$ 个数字中随机选取一个数字重新发送数据。

   • 最短争用期：51.2us

   • 信道利用率：我们使用传播时延 $\tau$ 和发送时延 $T_0$ 的比值（a）来表示信道利用率（S）。值得注意的是a和S应该是成反比的关系。
     $$\begin{gathered} a=\frac{\tau }{T_0} \\ {S}_{max}=\frac{T_0}{T_0+\tau }=\frac{1}{1+a} \\ 因此a越小，代表信道的利用率越高，因为我们希望把时间放在发送数据上面 \end{gathered}$$

   • MAC帧：MAC地址存放在ROM中，全球唯一。在IP数据报加上18个字节的首部和尾部。在物理层传送时还需要就加上8字节的前同步码和帧定界符。

     • MAC帧判断为无效帧的情况：
       1. 帧的长度不是整数字节
       2. FCS有问题
       3. MAC帧的数据长度不位于[64,1518]之间。
     • MAC帧的格式

     目的地址	源地址	类型	IP数据报	FCS

7. 在物理层扩展以太网：使用集线器将多个集线器连接，不过这样会使得最大吞吐量减小；并且不同带宽的集线器不能连在一起。

8. 在数据链路层扩展以太网

   • 使用以太网交换机进行扩展
     • 以太网交换机的自学习功能：现在交换机的转发表中寻找目的地址端口，若没有则进行广播，若有则直接指定端口发送消息。
   • 使用网桥进行扩展：
     • 网桥类似于交换机，不过无论如何都会直接发送到网桥中，然后网桥再根据是否有目的地址的端口决定是否转发。

网络层

1. 网络层要设计得尽量简单，向其上层值提供简单灵活的无连接的，尽最大努力交付的数据报服务。

2. 网络层的两种服务：

   • 虚电路服务：连接的服务方式。所传送的分组不出错、丢失、重复和失序（不按序列到达终点），也保证分组传送的时限，缺点是路由器复杂，网络成本高。
   • 数据报服务：无连接的服务方式。无网络资源障碍，尽力而为。

3. 网络层的两个层面：

   • 数据层面：传送数据。
   • 控制层面：传送路由信息。

4. 中间设备：

   • 集线器，转发器（物理层）
   • 交换机、网桥、桥接器（数据链路层）
   • 路由器（网络层）
   • 网关（网络层以上）

5. 电脑中有一个转发表：用于存放同一局域网上其他主机的信息

6. 分类的IP地址：

   • A类地址：1-127
   • B类地址：128-191
   • C类地址：192-223
   • D类地址：224-239
   • E类地址：240-255

7. 无分类编码方式：使用"斜线记法"，也可以使用掩码方式确定网络号。得到一个网络号之后我们可以进一步使用掩码来进行子网的划分。

8. 一个路由器至少连接到两个网络，至少有两个不同的IP地址。

9. ARP协议：将IP地址转换为MAC地址。

10. 每台主机都有ARP高速缓存：若ARP中有记录，直接发送，没有则广播发送ARP请求分组（为了得到目的地址的MAC地址）

11. IP数据报：首部固定20字节，首部后面是可选字段。首部最长为60字节。

    • 总长度：
    • 标识：
      • MF：“还有分片”，若为1表示后面还有分片。
      • DF：“不能分片”，若为0表示分片。
    • 片偏移：以8字节为单位，计算在原始数据的偏移量。
    • 协议：
      • ip（4）
      • TCP（6）
      • UDP（17）
      • 首部检验和：检验首部是否正确。

12. IP层转发分组的方式：找到网络号进行转发分组

    • 最长前缀匹配：
    • 二叉线索查找转发表：根据转发表中已有的IP地址，得到每一个IP地址的唯一前缀，根据唯一前缀来构造二叉树。当查找某一个IP地址时，IP地址位于叶子节点则查找成功，否则不在转发表中。

13. ICMP报文：当IP数据报出错时，会发送ICMP报文。ICMP报文作为IP数据报的数据部分进行发送。

    • ICMP差错报文：

    首部	ICMP的前八字节	出错的IP数据报首部	出错的IP数据报数据字段前八字节

    • ICMP询问报文：

14. IPv6使用冒号进行零压缩，使用16进制表示。

15. IPv4—>IPv6：

    • 双协议栈：部分主机同时装上两个协议栈。
    • 隧道技术：将IPv6数据报作为IPv4数据报的数据部分进行传送，其中协议字段设置为41。

16. 路由选择协议：

    • 自治系统内部：
      • RIP协议：
        1. 将收到的RIP数据下一跳改为X，同时距离+1。
        2. 查看路由表，若没有，则直接加入到路由表中；若有，原始路由表中的下一跳为X，则直接修改，否则判断距离在进行选择。
      • OSPF协议：向所有路由器发送相邻的路由器链路状态。使用层次结构搭建区域划分：
        1. 主干部分
        2. 区域边界
        3. 自治系统边界
    • 自治系统间：
      • BGP协议：BGP路由 = “前缀，AS-PATH，NEXT-HOP”

17. 硬件多播：使用硬件进行广播。源地址为MAC地址前25位，后23位为IP地址的后23位。

18. VPN：在一个专用网络号中，可以有私网IP地址。也就是说在不同的网络号中，私网IP地址是可以相同的。

19. NAT：将私网IP地址转换为公网IP地址，向外界进行通信。