课程复习整理

合集 - 计算机网络(1)

1.课程复习整理2023-05-02

收起

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
  • 两种工作方式：
    • 路由器转发分组
    • 路由器之间不断交换路由信息

电路交换	报文交换	分组交换
整个报文直达	整个报文存储转发	单个分组(包)存储转发
建立连接，专用物理通路，始终占用端到端的通信资源，静态分配传输带宽	不建立连接	不建立连接
已建立的连接不受拥塞影响、实时性好	省去分组与重装的步骤	高效、迅速、可靠、灵活
线路利用率低	灵活性差，时延大，现在很少使用	排队造成一定时延，各分组的控制信息造成一定开销

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
   • 发送时间=数据长度/发送速率
   • 需要确认时：有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)
     • *此处的发送时间通过上一个公式算出
7. 利用率
   • 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的
   • 网络利用率：全网信道利用率的加权平均值
   • $D=\frac{D_0}{1-U}$
     • $D_0$：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：各层独立、灵活性好、结构可分、易于实现与维护、促进标准化工作
  • 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. 应用层
  2. 表示层
  3. 会话层
  4. 运输层
  5. 网络层
  6. 数据链路层
  7. 物理层
• TCP/IP四层：
  1. 应用层
  2. 运输层(TCP/UDP)
  3. 网际层IP
  4. 链路层(网际接口层)
• 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
  • 协议水平、服务垂直
• 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，不同运输层协议上又可以有多种应用层协议)
  • 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：通信传送消息
  • 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)
      • 码元：代表不同离散数值的基本波形
• 信道基本概念
  • 信道：向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(2个)
    1. 信道能够通过的频率范围
       • 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$2W(\mathrm{码}\mathrm{元}/\mathrm{秒})$
    2. 信噪比
       • $\mathrm{信}\mathrm{噪}\mathrm{比}(dB)=10{\log }_{10}\frac{S}{N}(dB)$
       • $S$：信号的平均功率
       • $N$：信号的平均噪声
       • 香农公式：
         • $C=W{\log }_2(1+\frac{S}{N})(bit/s)$
         • $C$：信道的极限信息传输速率
           • 信道的带宽↑、信道中的信噪比↑
         • 只要信息传输速率低于$C$，就一定存在某种办法实现无差错的传输
    • 编码让每一个码元携带更多比特的信息量
    • 奈氏准则(激励探索更先进的编码技术)<=>香农公式(在有噪声的实际信道上，无论采用多复杂的编码技术都不可能突破$C$)

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：8~100$\mu m$
    • 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$\mu m$，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(Statistic TDM):异步时分复用
   • 集中器(concentrator)
   • 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
     • 扩频信号
     • 不同站的码片序列要互相正交，使用伪随机码序列
       • $S·T=0$
       • $S·S=1$(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)：$\mathrm{物}\mathrm{理}\mathrm{线}\mathrm{路}+\mathrm{实}\mathrm{现}\mathrm{通}\mathrm{信}\mathrm{协}\mathrm{议}(\mathrm{规}\mathrm{程})\mathrm{的}\mathrm{软}\mathrm{硬}\mathrm{件}$
• 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):帧的数据部分长度上限
    • 帧定界符：出现差错时作用明显
      • 帧开始符SOH(Start Of Header)
        • 0x01
        • 表示首部开始
      • 帧结束符EOT(End of Transmission)
        • 0x04
        • 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
      • 0x1B
    • 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)
         • $2^{n}M/P$($M$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
        • $P(X)=X^3+X^2+1<=>P=1101$
      • 仅用CRC技术只能做到无差错接受，无比特差错的传输，并不是“可靠传输”
        • 传输差错：
          • 比特差错
          • 帧丢失
          • 帧重复
          • 帧失序
        • 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
  • 封装成帧
  • 透明传输
  • 同一条物理链路支持多种网络层协议
  • 在多种类型链路上运行
  • 差错检测(丢弃)
  • 检测连接状态
  • MTU：1500字节
  • 网络层地址协商
  • 数据压缩协商
• 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)
• PPP帧格式：

  字段	标志F (帧定界符)	地址A	控制C	协议	数据(IP数据报)	FCS	标志F
  字节数	1	1	1	2	<=1500	2	1
  规定值	0x7E	0xFF	0x03	0x0021(IP) 0xC021(LCP) 0x8021(NCP)			0x7E

  • 字段含义
    1. 首部(4字段，5字节):
       • 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原长，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(6种)：
  • 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(物理层连接)
  • 鉴别(鉴别失败->链路终止->链路静止)
    • LCP链路(数据链路层连接)
  • 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
  • 链路终止

使用广播信道的数据链路层

• 共享信道技术：
  • 静态划分信道
    • FDM、TDM等
    • 无冲突但代价高，不适合局域网使用
  • 动态媒体接入控制(即多点接入)
    • 随机接入
      • 可随机发送信息
      • 解决碰撞
    • 受控接入
      • 不可随机发送信息，要服从控制
      • 典型代表：探询(轮询)
• 以太网的两个标准：
  • DIX Ethernet V2
  • IEEE 802.3
• 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
• 网络适配器(adapter)
  • 又称为网络接口卡NIC(Network Interface Card)/网卡
  • 功能：
    • 串行(到局域网)/并行(计算机内)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$2\tau$
        • $\tau =51.2\mu s=512\mathrm{比}\mathrm{特}\mathrm{时}\mathrm{间}$，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$[0,1,\dots ,(2^k-1)]$中随机取一个数$r$
        • 重传推后$r$倍争用期$=r·2\tau$
        • $k=Min[\mathrm{重}\mathrm{传}\mathrm{次}\mathrm{数},10]$
          • 从1开始
      • 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)
      • 用途：抛弃受损帧
        • 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)
      • 32/48比特
      • 总线被占用：$T_B+T_J+\tau$
    • 帧间最小间隔：$9.6\mu s=96\mathrm{比}\mathrm{特}\mathrm{时}\mathrm{间}$
      • 在此间隔内不停检测信道，始终保持空闲才能发送
• 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$T_0=\frac{\mathrm{帧}\mathrm{长}L(bit)}{\mathrm{发}\mathrm{送}\mathrm{速}\mathrm{率}C(\mathrm{如}10Mbit/s)}$
  • 成功发送一个帧需要占用信道$T_0+\tau$
  • 定义参数$a=\frac{\tau }{T_0}$
    • $a\to 0$ => 一发生碰撞就能检测出来，信道利用率高
    • $a\uparrow$ => 争用期占比↑，信道利用率↓
  • 结论：当数据率$C$一定时，以太网的连线长度受到限制(否则$\tau$太大)，帧长不能太短(否则$T_0$太小)
  • 极限信道利用率$S_{max}=\frac{T_0}{T_0+\tau }=\frac{1}{1+a}$
    • 理想情况下，假定不发生碰撞
    • 指出了只有当$a$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

      字段	OUI	EI
      字节数	3	3

      • 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SFD	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，如0x0800是IP数据报
      • 数据：
        • $46\mathrm{字}\mathrm{节}=64(\mathrm{最}\mathrm{短}\mathrm{有}\mathrm{效}\mathrm{帧}\mathrm{长})-18(\mathrm{首}\mathrm{部}+\mathrm{尾}\mathrm{部})$
        • $1500\mathrm{字}\mathrm{节}=MTU$
      • 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64~1518字节间
      • 用收到的帧检验序列FCS查出有差错(不包括物理层的8字节)
      • 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
      • 交换表：
        • MAC地址
        • 接口(端口)
        • 进入网桥的时间：一定时间后自动删除，只保留网络拓扑的最新信息
      • 自学习
        • 收到发送帧，查找交换表
          • 无源地址 => 写入
          • 无目的地址 => 广播 => 过滤
          • 有目的地址 => 转发到特定端口，无需广播
        • 通过写入源地址端口，增加表项，渐渐不必广播
      • 生成树协议STP(Spanning Tree Protocol)
        • 避免广播帧在环路内兜圈子
        • 任一主机到其他所有主机的路径都是无环路的树状结构
  • 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)
      • 总线型以太网使用CSMA/CD协议，半双工
    • 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

      字段	802.1Q标签类型	标签控制信息
      字节数	2	2
      值	0x8100	前4位：无用 后12位：VID

      • 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1端口后，被打上VLAN标签，方便在TRUNK里传输；转发出交换机2端口前去掉标签

高速以太网

• 以太网优点：
  • 可扩展(10Mbit/s到10Gbit/s)
  • 灵活(多种媒体、全/半双工、共享/交换)
  • 易于安装
  • 稳定性好
• 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

第4章 网络层

概念

• 网络层提供的两种服务
  • 虚电路服务
    • 面向连接的通信方式，让网络负责可靠交付
    • 虚电路VC(Virtual Circuit)
      • 在分组交换网络上的两个端点间的链路
      • 只是一条逻辑上的连接
  • 数据报服务
    • 简单灵活、无连接、尽最大努力交付，网络层不提供服务质量的承诺
    • 数据报(datagram):即分组
• 网络层的两个层面
  • 数据层面
    • 独立根据本路由器的转发表转发分组数据
  • 控制层面
    • 传送路由信息，依靠许多路由器协同创建路由表，由此导出转发表

网际协议IP(Internet Protocol)

• 与协议IP配套使用的三个协议：
  1. 地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)
  2. 网际控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)
  3. 网际组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)
• 虚拟互连网络
  • 连接网络的中间设备：
    • 物理层：转发器(repeater)
    • 数据链路层：网桥(bridge)/交换机(switch)
    • 网络层：路由器(router)
    • 网络层以上：网关(gateway)
  • 网络互连：指用路由器进行网络互连和路由选择
  • 虚拟互连网络：使用协议IP使性能各异(异构)的物理网络看起来好像一个统一的网络
    • 可称为IP网
  • 直接/间接交付：是否在本网络上
  • 跳(hop):分组在传输途中的每一次转发
• IP地址
  • IP地址及其表示方法
    • 由互联网名字和数字分配结构ICANN(Internet Coporation for Assigned Names and Numbers)进行分配
    • 点分十进制记法(dotted decimal notation):
      • 32位IP地址每8位转为十进制数字，中间加点
    • IP地址::=
  • 分类的IP地址

    网络类别	每个网络中的最大网络数	第一个可用的网络号	最后一个可用的网络号	主机数
    A	27-2	1	126	224-2
    B	214	128.0	191.255	216-2
    C	221	192.0.0	223.255.255	28-2

  • 无分类编址CIDR
    • 构造超网
      • 网络前缀长度<24的CIDR地址块都包含了多个C类地址
    • 路由聚合
      • 路由器转发表中利用较大的CIDR地址块代替许多较小的地址块
  • IP地址特点(4点)：
    • 分等级的地址结构
      • 管理机构只分配网络前缀
      • 路由器只根据目标主机连接的网络前缀(即地址块)转发分组
    • IP地址标志一台主机(/路由器)和一条链路的接口
      • 多归属主机
    • 一个网络：具有相同网络前缀的主机的集合
      • 转发器/交换机连起来的若干个局域网仍为一个网络
      • 不同前缀必须使用路由器互连
    • 所有网络前缀的网络平等
  • 以太网交换机是链路层设备，只有MAC地址
• IP地址与MAC地址
  • 区别
  • 为什么要使用？
• 地址解析协议ARP
  • ARP高速缓存(cache)
    • 生存时间
  • 发送IP数据报过程：
    • ARP cache中有 => 写入MAC帧，发
    • ARP cache中无
      • 广播请求
      • 单播响应
      • 两端都写入
• IP数据报格式
  • 固定首部(20字节)
    • 版本(4)
    • 首部长度(4)
      • 32位字长为单位，最大60字节
    • 区分服务(8)
    • 总长度(16)
      • 最大长度2¹⁶-1=65535字节
    • 标识(16)
    • 标志(3)
      • DF(中间1)
      • MF(末尾1)
    • 片偏移(13)
    • 生存时间TTL(8)
    • 协议(8)
    • 首部检验和(16)
    • 源地址(32)
    • 目的地址(32)
  • 可变首部
    • 4字节整数倍，不够以0补齐

IP层转发分组的过程

• 基于终点的转发
  • 从转发表得出下一跳路由器的IP地址
    • 目的地址与路由表项的网络前缀AND运算=>前缀匹配
  • 交给链路层网络接口软件
  • IP地址->ARP->MAC地址
  • MAC地址填入MAC帧首部
  • 转发到下一跳路由器的链路层
  • 取出MAC帧数据部分交给网络层
• 最长前缀匹配
  • 最长的排在第一行
  • 主机路由：转发表最前
  • 默认路由：最后处理
  • 分组转发算法过程：
    1. 提取目的IP地址D
    2. 查找是否有目的地址为D的特定主机路由，有则转发
    3. 转发表各行子网掩码与D按位与，前缀匹配则转发
    4. 无行前缀匹配，则若有默认路由按其转发(或直接交付)，若无报告转发分组出错

网际报文控制协议ICMP

• ICMP报文格式

  字节数	1	1	2	4	长度取决于类型
  字段	类型	代码	检验和	与ICMP类型有关	数据字段

  • 首部(前8字节)
    • 前4字节为统一格式
    • 后4字节取决于ICMP类型
  • 数据字段(长度取决于ICMP类型)
• 报文种类
  • ICMP差错报告报文

    类型	终点不可达	时间超过	参数问题	改变路由
    值	3	11	12	5
    场景	不能交付	TTL=0	字段值不正确	更好的路由

    • 格式
      • 作为IP数据报的数据部分

        字节数	8	20(+n)	8
        字段	ICMP首部	IP数据报首部	IP数据报数据字段前8字节 得到运输层端口号(TCP/UDP)与序号(TCP)

    • 不发送差错报文的情况：
      • 对差错报文
      • 对分片的后续数据报
      • 对具有多播地址的数据报
      • 对具有特殊地址(如127.0.0.0)的数据报
  • ICMP询问报文

    类型	回送请求/回答	时间戳请求/回答
    值	8/0	13/14
    场景	测试目的站是否可达及其他状态	计算当前网络时延

  • 应用
    • PING
      • 回送请求/回答
      • 不经过运输层TCP/UDP
    • traceroute
      • 发送一连串TTL从1递增的IP数据报，封装无法交付的UDP用户数据报
        • 未到目的主机，TTL=0 => 时间超过
        • 最后一个到达目的主机 => 终点不可达
      • 对每个TTL值发送三次同样的数据报

缩写/英文对照表

缩写	英文	中文	位置
ISP	Internet Service Provider	互联网服务提供者	P6
IXP	Internet eXchange Point	互联网交换点	P6
RFC	Request For Comments	请求评论	P8
--	switching	交换	P13
--	message	报文	P14
--	packet	分组/包	P14
--	overhead	开销	P16
LAN	Local Area Network	局域网	P20
RTT	Round-Trip Time	往返时间	P25
OSI/RM	Open Systems Interconnection Reference Model	开放系统互连基本参考模型	P28
--	architecture	体系结构	P30
--	application layer	应用层	P31
--	transport layer	传输层	P32
TCP	Transmission Control Protocol	传输控制协议	P32
UDP	User Datagram Protocol	用户数据报协议	P32
--	network layer	网络层	P32
--	data link layer	数据链路层	P32
--	physical layer	物理层	P33
--	protocol suite	协议族	P33
--	frame	帧	P32
PDU	Protocol Data Unit	协议数据单元	P33
SAP	Service Access Point	服务访问点	P34
SDU	Service Data Unit	服务数据单元	P34
--	channel	信道	P44
--	modulation	调制	P44
--	carrier	载波	P44
FDM	Frequency Division Muliplexing	频分复用	P56
--	isochronous	等时	P56
--	time slot	时隙	P56
--	demultiplexer	分用器	P57
CDMA	Code Division Multiple Access	码分多址	P60
--	spread spectrum	扩频	P60
--	silently discard	默默丢弃	PDF57
MTU	Maximum Transfer Unit	最大传送单元	P74
--	framing	封装成帧	P74
SOH	Start Of Header	帧开始符	P74
EOT	End Of Transmission	帧结束符	P74
--	transparent transmission	透明传输	P75
--	byte/character stuffing	字节/字符填充	P75
--	error detection	差错检测	P76
BER	Bit Error Rate	误码率	P76
CRC	Cyclic Redundancy Check	循环冗余检验	P76
FCS	Frame Check Sequence	帧检验序列	P76
LCP	Link Control Protocol	链路控制协议	P80
NCP	Network Control Protocol	网络控制协议	P80
--	multiple access	多点接入	P85
--	polling	探询	P85
LLC	Logical Link Control	逻辑链路控制	P85
MAC	Media Access Control	媒体接入控制	P85
--	adapter	适配器	P86
CSMA/CD	Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection	载波监听多点接入/碰撞检测	P88
--	truncated binary exponential backoff	截断二进制指数退避	P90
--	jamming signal	人为干扰信号	P91
--	preamble	前同步码	PDF67
SFD	Start-of-Frame Delimiter	帧开始定界符	PDF67
--	hub	集线器	P92
--	identification system	标识系统	P95
RA	Registration Authority	注册管理机构	P96
OUI	Organizationally Unique Indentifier	组织唯一标识符	P96
--	extended identifier	扩展的标识符	P96
--	collision domain	碰撞域	P100
STP	Spanning Tree Protocol	生成树协议	P103
--	Runt	<64字节的无效帧	PDF69
--	Jabber	>1518字节的无效帧	PDF69
VC	Virtual Circuit	虚电路	P115
--	plane	层面	P117
ARP	Address Resolution Protocol	地址解析协议	P119
ICMP	Internet Control Message Protocol	网际控制报文协议	P119
IGMP	Internet Group Management Protocol	网际组管理协议	P119
IP	Internet Protocol	网际协议	P120
ICANN	Internet Coporation for Assigned Names and Numbers	互联网名字和数字分配机构	P122
--	dotted decimal notation	点分十进制记法	P122
CIDR	Classless Inter-Domain Routing	无分类域间路由选择	P125
--	slash notation	斜线记法	P125
--	address mask	子网掩码	P127
--	routing aggregation	路由聚合	P128
--	multihomed host	多归属主机	P129
--	Time To Live	生存时间	P138
--	host route	主机路由	P143
--	default route	默认路由	P143
PING	Packet InterNet Groper	分组网间探测	P148
--	autonomous system	自治系统	P158
IGP	Interior Gateway Protocol	内部网关协议	P158
EGP	External Gateway Protocol	外部网关协议	P158
--	interdomain routing	域间路由选择	P158
--	intradomain routing	域内路由选择	P158
BGP	Boarder Gateway Protocol	边界网关协议	P159
RIP	Routing Infomation Protocol	基于距离向量的路由选择协议	P159
OSPF	Open Shortest Path First	开放最短路径优先	P164
--	link state protocol	链路状态协议	P164
--	flooding	洪泛法	P164
--	metric	度量	P164
--	fully adjacent	完全邻接的	P167
--	designated router	指定的路由器	P168
--	switching fabric	交换结构	P176
VPN	Virtual Private Network	虚拟专用网	P186
NAT	Network Address Translation	网络地址转换	P188
NAPT	Network Address and Port Translation	网络地址与端口号转换	P188
ARQ	Automatic Repeat reQuest	自动重传请求	P223
MSS	Maximum Segment Size	最大报文段长度	P228
RTO	Retransmission Time-Out	超时重传时间	P234
--	global synchronization	全局同步	P246
AQM	Active Queue Management	主动队列管理	P246
RED	Random Early Detection	随机早期检测	P246