计算机网络(谢希仁第五版)读书笔记

1 第一章 概述

1.1 因特网的核心部分是路由器（路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组）

电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。

　　　　　建立连接（占用通信资源）->通话（一直占用通信资源）->释放连接（归还通信资源）

                 特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

分组交换：采用存储转发技术。单个分组（报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

　　把要发送的整块数据称为一个报文，在发送报文之前，先把较长的报文划分成一些必要的等长数据段。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成首部后，就构成了一个分组。分组又称为包，而分组的首部也可以称为“包头”

　　　　  优点：高效、灵活、迅速、可靠

报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

1.2计算机网络的性能指标

速率（bps）、带宽、吞吐量、时延（发送时延、传播时延、处理时延、排队时延）、时延带宽积、往返时间RTT（表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间）、利用率（信道或网络利用率过高会产生非常大的时延）

1.3计算机网络体系结构

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。

网络协议主要由以下三要素组成：

　　语法：即数据与控制信息的结构或格式；

　　语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；

　　同步：即事件实现顺序的详细说明；

开发系统互连基本参考模型OSI/RM 和 TCP/IP协议：

 1.4 TCP/IP的体系结构

everything over IP:TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务。

IP  over everything:TCP/IP协议允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行。

2 第二章 物理层

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

　　（1）机械特性（2）电气特性（3）功能特性（4）过程特性

2.1 数据通信的基础知识

　　信道一般都是用来表示向　　某一方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道。

　　来自信源的信号常称为基带信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。

　　调制可以分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。另一类则需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号，而使用载波的调制称为带通调制。（最基本的带通调制方法有：调幅AM、调频FM、调相PM）

 　　从概念上说，限制码元在信道上传输速率的因素有以下两个：

　　　　（1）信道能够通过的频率范围：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接受端对码元的判决（识别）成为不可能。

　　　　（2）信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比。

香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

2.2物理层下面的传输媒体

　　传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是根据数据传输系统中发送器和接收器之前的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。

导向传输媒体（电磁波被导向沿着固体媒体传播）：双绞线、同轴电缆、光缆

非导向传输媒体（指自由空间，也称为无线传输）：

2.3信道复用技术

频分复用（FDM）：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。频分复用最简单。

时分复用（TDM）：所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用更有利于数字信号的传输。

统计时分复用（STDM）：是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。

波分复用（WDM）:

码分复用（CDM）:

3 第三章 数据链路层

　　数据链路层属于计算机网络的低层。数据链路层使用的信道主要由以下两种类型：

（1）点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。

（2）广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

　　点对点信道的数据链路层的协议数据单元----帧

数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接受到的帧中的数据取出并上交给网络层。在因特网中，网络层协议数据单元就是IP数据报（或者数据报、分组或包）

3.1三个基本问题

（1）封装成帧

　　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。

　　SOH 十六进制编码01（二进制00000001）

　　EOT十六进制编码04（二进制000000100）

（2）透明传输

　　为了解决透明传输问题，就必须设法使数据中可能出现的控制字符“SOH”和“EOT”在接受端不被解释为控制字符。具体的方法是：发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”和“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”（其十六进制编码是1B）。而在接受端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符。这种方法称为字节填充或字符填充。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。因此，当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

（3）差错检验

　　现实的通信链路都不会是理想的。这就是说，比特在传输过程中可能会产生差错：1可能会变成0，而0也可能会变成1.这就叫做比特差错。

　　目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。

总之，我们应当明确，“无比特差错”与“无传输差错”（帧丢失、帧重复、帧失序）并不是同样的概念。在数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。

3.2点对点协议PPP

　　因特网用户通常都要连接到某个ISP才能接入到因特网。PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。

PPP协议应满足的需求：简单、封装成帧、透明性、多种网络层协议、多种类型链路、差错检测、检测连接状态、最大传送单元、网络层地址协商、数据压缩协商

PPP协议不需要的功能：纠错、流量控制、序号、多点线路、半双工或单工链路

3.3使用广播信道的数据链路层

　　局域网使用的就是广播信道。

局域网可按网络拓扑进行分类：星型网、环型网（典型的）、总线网、树形网

 

　　现在的以太网成为局域网的代名词。

共享信道要着重考虑的一个问题就是如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源。这在技术上有两种方法：

　　（1）静态划分信道

　　（2）动态媒体接入控制又称为多点接入，其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。分为随机接入和受控接入

以太网网使用一种特殊的协议CSMA/CD，它是载波监听多点接入/碰撞检测的缩写。

　　“多点接入”就是说明这是总线型网络，血多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。

　　“载波监听”就是“发送前先监听”，即每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他站在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，要等待信道变为空闲时再发送。

　　“碰撞检测”就是“边发送边监听”，即适配器变发送数据变检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。每一个站在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，适配器就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

电磁波在1km电缆的传播时延约为5us。

以太网把争用期定为51.2us。

凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

　　CSMA/CD协议的要点如下：

（1）适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中，准备发送。

（2）若适配器检测到信道空闲（即在96比特时间内没有检测到信道上有信号），就发送这个帧。若检测到信道忙，则继续检测并等待信道转为空闲，然后发送这个帧。

（3）在发送过程中继续检测信道，如果一直未检测到碰撞，就顺利把这个帧发送完毕。若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送人为干扰信号。

（4）在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待r倍512比特时间后，返回到步骤（2）。

3.4使用广播信道的以太网

 　　当路由器通过适配器连接到局域网时，适配器上的硬件地址就用来标志路由器的某个接口。路由器如果同时连接到两个网络上，那么它就需要两个适配器和两个硬件地址。

　　我们知道适配器有过滤功能。但适配器从网络上每收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的目的地址。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。这样做就不会浪费主机的处理机和内存资源。这里“发往本站的帧”包括以下三种帧：

　　　　（1）单播帧，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。

　　　　（2）广播帧，即发送给本局域网上所有站点的帧（全1地址）。

　　　　（3）多播帧，即发送给本局域网上一部分站点的帧。

　　MAC帧的格式：

3.5扩展的以太网

　　在许多情况下，我么希望把以太网的覆盖范围扩展。这种扩展的以太网在网络层看来仍然是一个网络。

（1）在物理层扩展以太网（集线器）

　　在过去广泛只用粗缆或细缆以太网时，常使用工作在物理层的转发器来扩展以太网的地理覆盖范围。现在扩展主机和集线器之前的距离的一种简单方法就是使用光纤和一对光纤调制解调器。

（2）在数据链路层扩展以太网（网桥）

　　网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃（即过滤）。

　　从技术上讲，网桥的接口数很少，一般只有2~4个，而以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，和工作在物理层的转发器和集线器有很大的差别。此外，以太网交换机的每个接口都直接与一个单个主机或另一个集线器相连（注意，普通网桥的接口往往是连接到以太网的一个网段），并且一般都工作在全双工方式。

　　利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN。对虚拟局域网VLAN是这样定义的：

虚拟局域网VLAN是由一些局域网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个LVAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种弄新型局域网。

4 第四章 网络层