计算机网络的笔记

admin管理员组

文章数量:1531794

0330

计算机网络

• 附录：
• 第一章 计算机网络体系结构
• • 1.1.1 计算机网络的概念、功能、分类
  • • 概念
    • 计网的功能：
    • 计网的分类：
  • 1.1.6 计算机网络的性能指标
  • • 1.（实际的）速率-Speed
    • 2.（理想的）带宽-Bandwidth
    • 3.吞吐量-Throughput
    • 4.时延-Delay
    • 5.时延带宽积
    • 6.往返时延-RTT
    • 7.利用率
  • 1.2.2 协议、接口、服务
  • • SDU + PCI = PDU
  • 1.2.3 OSI参考模型 和 TCP/IP模型
  • 1.3 本章小结及疑难点
• 第二章 物理层
• • 2.1.1 基本概念
  • • 数据、信号、码元
    • 信源、信道、信宿
    • 通信方式
    • 码元传输速率 和 信息传输速率
    • 波特 和 比特
  • 2.1.2 奈奎斯特定理和香农定理
  • • 奈氏准则（无噪声，理想情况）
    • 香农定理（有噪声，实际情况）
    • 比较 + 总结
  • 2.1.3 编码与调制
  • 2.1.4 电路交换、报文交换、分组交换
  • 2.1.5 数据报与虚电路
  • 2.2 传输介质（传输媒体）
  • • 传输介质和物理层：
  • 2.3 物理层设备
  • • 中继器
    • 集线器（Hub---多端口中继器）
• 第三章 数据链路层
• • 3.1 数链层的功能
  • 3.2 组帧（封装成帧）
  • • 1.字符计数法：
    • 2.字符填充法：
    • 3.零比特填充法：
    • 4.违规编码法：
  • 3.3 差错控制
  • • 循环冗余码CRC
  • 3.4 流量控制
  • • 停止-等待协议（Stop-and-Wait）：
    • 后退N帧协议（GBN）：
    • 选择重传协议（SR）：
    • 信道利用率 和 信道吞吐率
  • 3.5 介质访问控制
  • • 3.5.1 信道划分介质访问控制
    • 3.5.2 随机访问介质访问控制
    • • ALOHA协议
      • CSMA协议
      • CSMA/CD协议
      • 最小帧长问题：
      • • 为什么说如果有冲突，则冲突一定发生在冲突窗口内？而如果在冲突窗口内没有发生冲突，那么该帧就不会再发生冲突？
      • CSMA/CA协议
    • 3.5.3 轮询访问介质访问控制：令牌传递协议
  • 3.6 局域网（LAN）
  • • 3.6.2 以太网（Ethernet）
    • • 网卡：（数链层+物理层）
      • 以太网MAC帧：
    • 3.6.3 无线局域网（WLAN）
  • 3.7 广域网
  • • `PPP协议` 和 `HDLC协议`
  • 3.8 数据链路层设备
  • • 3.8.1 网桥 网段
    • • 透明网桥（选择的不是最佳路由）
      • • 问：假设连接到透明网桥上的一台计算机把一个数据帧发送给网络上一个不存在的设备，网桥会如何处理这个帧？
      • 源路由网桥（选择的是最佳路由）
      • 最佳路由就一定是最少路由吗？
    • 3.8.2 局域网交换机☆
    • • 虚拟局域网（VLAN）
      • 关于冲突域（碰撞域）和广播域☆
      • 共享式局域网 和 交换式局域网
    • 3.8.3 网桥/交换机 和 中继器/集线器 的比较
    • • 交换机和网桥的不同之处：
• 第四章 网络层
• • 4.1 网络层的功能
  • • 异构网络互联：
    • • 中间设备/中继系统/中间系统
    • 路由选择与分组转发：
    • 拥塞控制：
  • 4.2 路由算法
  • • 4.2.2 距离-向量路由算法（RIP协议）
    • 4.2.3 链路状态路由算法（OSPF协议）
    • 4.5.5 边界网关协议（BGP）
    • 三种路由协议的比较
  • 4.3 IPv4 ☆☆☆
  • • 4.3.1 IPv4分组
    • • IP数据报分片
      • 前三层的SDU + PCI = PDU
      • 网络层转发分组的流程（书中P149）
    • 4.3.2 IPv4地址与NAT
    • • 特殊的IP地址：
      • 常用的三类IP地址的适用范围：
      • 网络地址转换（NAT）：
      • • 私有IP地址网段
        • 普通路由器 & NAT路由器
    • 4.3.3 子网划分与子网掩码、CIDR
    • • 子网划分 和 子网掩码
      • 无分类编址（CIDR）
    • 4.3.4 ARP协议、DHCP协议、ICMP协议
    • • IP地址 与 硬件地址
      • ARP协议
      • 动态主机配置协议（DHCP）
      • 网际控制报文协议（ICMP）
  • 4.4 IPv6
  • 4.6 IP组播
  • • IP组播地址
    • IGMP协议 与 组播路由算法
  • 4.7 移动IP
  • • 移动IP 和 动态IP 的区别
  • 4.8 网络层设备
  • • 4.8.1 路由器的组成和功能
  • 4.9 本章小结及疑难点
• 第五章 传输层
• • 5.1 传输层提供的服务
  • • 5.1.1 传输层的功能（传输层和网络层的功能大比较☆☆☆）
    • 5.1.2 传输层的寻址和端口
    • • 1.端口
      • 2.端口号
      • 3.套接字
    • 5.1.3 无连接服务与面向连接服务 --- UDP 和 TCP
    • • IP数据报 和 UDP数据报
      • TCP 和 网络层虚电路
  • 5.2 UDP协议
  • • 5.2.1 UDP数据报
    • • UDP的原理
      • UDP首部格式
      • UDP基于端口的分用
    • 5.2.2 UDP校验
  • 5.3 TCP协议
  • • 5.3.1 TCP协议的特点
    • 5.3.2 TCP报文段
    • 5.3.3 TCP连接管理☆☆☆
    • • 1.TCP连接的建立（三次握手）---TCP全双工连接
      • • SYN洪泛攻击
      • TCP连接的释放（四次挥手）
    • 5.3.4 TCP可靠传输
    • 5.3.5 TCP流量控制---滑动窗口机制
    • • 传输层的流量控制 和 数链层的流量控制
    • 5.3.6 TCP拥塞控制
    • • 拥塞控制与流量控制的区别
      • 拥塞控制算法
  • 5.4 本章小结及疑难点
  • • 1.MSS设置的太大或太小会有什么影响？☆☆☆
    • • MSS&MTU 和 分段&分片 和 UDP&TCP&IP ☆☆☆☆☆
    • 2.为何不采用“三次握手”释放连接，且发送最后一次握手报文后要等待`2 * MSL`的时间呢？
    • 3.如何判定此确认报文段是对原来的报文段的确认，还是对重传的报文段的确认？
    • 4.TCP使用的是GBN还是选择重传SR？
    • 5.为什么超时事件发生时cwnd被置1，而收到3个冗余ACK时cwnd减半？
    • 6.为什么不采用“两次握手”建立连接呢？
    • 7.是否TCP和UDP都需要计算往返时间RTT？
    • 8.为什么TCP在建立连接时不能每次都选择相同的、固定的初始序号？
    • 9.假定在一个互联网中，所有链路的传输都不出现差错，所有结点也都不会发生故障。试问在这种情况下，TCP的“可靠传输”功能是否就是多余的？
• 第六章 应用层
• • 6.1 网络应用模型
  • • 客户/服务器（C/S）模型
    • P2P模型
  • 6.2 域名系统（DNS）---把IP比喻成人的电话号码，域名就是人的名字
  • • 域名（层次域名空间）
    • 域名服务器
    • 域名解析过程
    • • 递归查询
      • 递归与迭代相结合的查询
      • 举个例子：
      • 高速缓存
  • 6.3 文件传输协议（FTP）
  • • 6.3.1 FTP的工作原理
    • 6.3.2 控制连接与数据连接
    • • 1.控制连接（始终保持）
      • 2.数据连接（保持一个）
  • 6.4 电子邮件
  • • 6.4.1 电子邮件系统的组成结构
    • 6.4.2 简单介绍电子邮件的收发过程：
    • 6.4.3 SMTP协议和POP3协议
    • • SMTP协议
      • POP3协议
      • • IMAP
      • 基于万维网的电子邮件
  • 6.5 万维网（WWW）
  • • 6.5.1 WWW的概念与组成结构
    • 6.5.2 超文本传输协议（HTTP）
  • 6.6 本章小结及疑难点
  • • 1.如何理解客户进程端口号与服务器进程端口号？
• 补充：
• • 网络安全
  • • 1. 网络通信中可能面临的威胁
    • 2. 对称加密技术
    • 3. 非对称加密技术
    • 4. 数字信封技术
    • 5. 数字签名技术
    • 6. 防火墙Firewalls
  • HTTPS
  • 1M的宽带有时还不足100K？------谈谈带宽的两种含义

结合之前复试时写的笔记和王道考研的书一块整理出来的。

附录：

第一章 计算机网络体系结构

1.1.1 计算机网络的概念、功能、分类

概念

计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

计网的功能：

• 数据通信，这是计网最基本、最重要的功能；
• 资源共享
• 分布式处理
• 提高可靠性
• 负载均衡

计网的分类：

1.按分部范围分

• 广域网（WAN）
• 城域网（MAN）
• 局域网（LAN）
• 个人区域网（PAN）

2.按传输技术分

• 广播式网络
• 点对点网络

3.按拓扑结构分

• 总线形网络
• 星形网络
• 环形网络
• 网状型网络

4.按使用者分

• 公用网
• 专用网

5.按交换技术分

• 电路交换网络
• 报文交换网络
• 分组交换网络

6.按传输介质分类

• 有线网
• 无线网

1.1.6 计算机网络的性能指标

1.（实际的）速率-Speed

也叫数据率、数据传输率、比特率，单位是b/s（比特/秒），也可以写成bit/s，或者bps。

要区分下面的两个概念：

速率	存储容量
1Kb/s = 1000b/s	1KB = 1024B 1Byte = 8 bit 1字节=8位
1Mb/s = 1000Kb/s	1MB = 1024KB
1Gb/s = 1000Mb/s	1GB = 1024MB
	1TB = 1024GB

2.（理想的）带宽-Bandwidth

带宽是指理想状态下所能达到的最高的数据传输率，即最高速率，是个物理极限值。

3.吞吐量-Throughput

单位时间内通过某个网络（信道、接口）的数据量。

4.时延-Delay

数据（一个报文或者分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，也叫延迟或迟延，单位是秒（s）。

时延由4部分构成：

• 发送时延：也叫传输时延，数据长度/信道带宽（发送速率/传输速率），也就是把数据推送到信道上所需的时间；
• 传播时延：取决于电磁波传播速度（2 * 10的八次方 m/s）和链路长度，信道长度/电磁波在信道上的传播速率；
• 排队时延：等待输出/输出链路可用 —发生在路由器
• 处理时延：检错、找出口 —发生在路由器

要区分开传输时延和传播时延：
传输时延是发送时延，把要发送的数据推送信道上所需的时间；传播时延是走完信道所需的时间。

5.时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延(s) * 带宽(b/s)，单位是比特(bit)，所以时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，即“某段链路现在有多少比特”。

6.往返时延-RTT

RTT（Round-Trip Time），发送方从发送数据开始，到发送方收到接收方的确认所经历的时延，RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据就越多。

7.利用率

信道利用率：有数据通过的时间/（有+无）数据通过时间，即某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的；（下面的3.4流量控制有讲到具体计算方法）
网络利用率：信道利用率的加权平均值。

利用率越高，时延越大，可以类比堵车的例子。

1.2.2 协议、接口、服务

1.实体：具体的某一层，同一层的实体叫对等实体；
2.协议：为对等实体进行数据交换而建立的规则、标准或约定，称为网络协议。（水平的）
协议三要素：

• 语法：规定传输数据的格式；
• 语义：规定所要完成的功能；
• 同步：规定各种操作的顺序。

3.接口：上层使用下层服务的入口，仅仅在相邻层间有接口。（垂直的）
4.服务：下层为相邻上层提供的功能调用。（垂直的）

上层通过接口使用相邻下层提供的服务，例如：第4层为第3层提供服务，第4层可以使用下层及下面所有层服务的总和，但第4层无法直接获取第2层提供的服务，第2层提供的服务是通过二三层间的接口传递上来的。

SDU + PCI = PDU

SDU服务数据单元：含金量高的数据；
PCI协议控制信息：控制信息；
PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单元。
SDU + PCI = PDU，例如第3层的PDU作为第4层的SDU，再加上第4层的PCI，得到第4层的PDU，然后第4层的PDU又作为第5层的SDU，加上第5层的PCI，得到第5层的PDU，然后…

1.2.3 OSI参考模型 和 TCP/IP模型

OSI参考模型（7层）：物联网淑慧适用

1. 物理层：
2. 数据链路层：
3. 网络层：
4. 传输层：
5. 会话层：
6. 表示层：
7. 应用层：

前三层被称为通信子网；后三层被称为资源子网；传输层承上启下。

TCP/IP模型（4层）：

1. 网络接口层；
2. 网际层；
3. 传输层；
4. 应用层 ；

1.3 本章小结及疑难点

信道速率提高，指的是传输速率（不是传播）提高了，即的单位时间内推送到链路上的比特数增多了。

第二章 物理层

2.1.1 基本概念

数据、信号、码元

数据：传送信息的实体；
信号：模拟信号（也叫宽带信号）、数字信号（也叫基带信号）；
码元：固定时长的信号波形，一个码元可以携带多个比特的信息

• 二进制码元：码元的离散状态有2种，0和1，那么一个码元就携带一个比特的信息；
• 四进制码元：码元的离散状态有4种，11 01 10 11，那么一个码元就携带2个比特的信息；
• K进制码元：码元的离散状态有k种，

信源、信道、信宿

信源、信道、信宿：

• 信源：发送信号的一方
• 信宿：接收信号的一方
• 信道：
  按传输信号形式可分为模拟信道、数字信道；（模拟信道里是带宽信号，数字信道里是基带信号）
  按传输介质可分为虚线信道和无线信道。

通信方式

通信方式：

• 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，例如无线电广播、电视广播；需要一条信道
• 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但同一时间只能有一方发另一方收；需要两条信道
• 双工通信：通信的双方可以同时发送或接收信息；需要两条信道

码元传输速率 和 信息传输速率

码元传输速率：单位时间内传输的码元个数，单位是波特（Baud），1波特表示每秒传输一个码元，即1Baud = 1码元/s；
信息传输速率：单位时间内传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s），也叫比特率，数据传输速率；

波特 和 比特

注意区分波特和比特：
1波特表示每秒传输一个码元，但一个码元可以携带多个比特的信息，所以对于一个携带n比特信息量的码元，M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n比特/s。

2.1.2 奈奎斯特定理和香农定理

奈氏准则（无噪声，理想情况）

奈氏准则：在理想信道（带宽受限且没有噪声）中，极限码元传输速率为 2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz，极限数据传输速率为2*W*(log以2为底V的对数)，V是V进制码元，即码元的离散状态种类。
奈氏准则限制了码元传输速率，但没有限制数据传输速率，所以要提高数据的传输速率，就要设法让每个码元携带更多个比特的信息量，即增大V的值，这就是多元制的调制方法。

香农定理（有噪声，实际情况）

奈氏准则限制了码元传输速率，但没有限制数据传输速率，但数据传输速率也不能无线增大，即一个码元对应的二进制位数（携带的比特数）是有限的，这就是
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，极限数据传输率有上限值，上限值为 W * (log以2为底<1 + S/N>的对数)，W是信道带宽，S/N是信噪比。

如果信噪比有单位，那么单位是分贝(DB)；
如果信噪比没单位，就是个比值，那就是S/N的值，即S/N是没单位的信噪比；
没单位的信噪比 和 以DB为单位的信噪比 之间的转换关系是：
信噪比(DB) = 10 * log（以10为底S/N的对数）
例如，S/N = 10，信噪比是10DB；S/N = 1000，信噪比是30DB。
一般是已知信噪比（dB）和带宽，求最大数据传输率：信噪比(dB)--> S/N --> W * (log以2为底<1 + S/N>的对数) 即为最大的数据传输率；
也有的题目是已知信噪比为127:1，那么就不需要做上述从DB到S/N的转换了，S/N直接就是127，带入公式 W * (log以2为底<1 + S/N>的对数) 即为最大的数据传输率。

问：为什么要用两种形式来表示信噪比？
答：首先二者在数值上是等价的，区别就是一个没单位，一个单位是dB。
采用分贝表示的原因是：很多时候信号要比噪声强得多，比如信号比噪声强10亿倍，如果用数值表示的话，1后面又9个0，容易写错；如果用分贝表示的话，直接写90dB即可，表示起来要简单的多，而且也不容易出错。分贝对于表示特别大或者特别小的数值极为有利，这种表示方式在电子通信领域用途很广。

比较 + 总结

奈氏准则支出，码元传输的速率是受限的；但奈氏准则并未限制信息传输速率，要提高信息传输速率，就要使每个码元能够携带更多比特的信息量，即公式中的V；

香农定理给出了信息传输速率的极限，要提高信息的传输速率，要么提高传输线路的带宽，要么提高所传信号的信噪比，即公式中的W和S/N。

注意：两个定理中带宽W的单位都是Hz。

2.1.3 编码与调制

数据不论是数字的还是模拟的，传输时都要转换成信号。

调制：把数据变换为模拟信号的过程；
编码：把数据变换为数字信号的过程。

1. 数字数据 编码为 数字信号：
   常用的编码方式有：
   （1）归零编码（RZ）：码元之内高低电平全部归零
   （2）非归零编码（NRZ）：高电平为1，低电平为0
   （3）反向非归零编码（NRZI）：电平翻转为0，不翻转为1
   （4）曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：前低后高为1，前高后低为0（或者反过来也行）
   （5）差分曼彻斯特编码：同1异0

2. 数字数据 调制为 模拟信号：
   数字数据调制技术 在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，两个过程分别称为调制和解调，基本的调制方法有：
   幅移键控（ASK）：通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0；
   频移键控（FSK）：通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0；
   向移键控（PSK）：通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0；

3. 模拟数据 编码为 数字信号：
   这个编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），主要步骤有：采样、量化、编码。
   采样：将模拟信号转换成数字信号时，采样频率必须大于等于最大频率的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息，采样定理又称奈奎斯特定理；
   量化：把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数字值并取整数；
   编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

4. 模拟数据 转换为 模拟信号：调制
   电话机和本地局交换机就是采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。

2.1.4 电路交换、报文交换、分组交换

1.电路交换
进行数据传输前，两个节点之间必须先建立一条专用的物理通信路径，这一路径在数据传输期间一直被占，直到通信结束后才被释放。—类似于两个人打电话，就算不讲话，只要没挂断，这条通信路径就一直被占用。
电路交换技术的三个阶段：连接建立、数据传输、连接释放。
电路交换技术特点：

• 优点：没有冲突、实时性强；
• 缺点：线路使用效率低

2.报文交换
报文携带目标地址、源地址等信息。
传输方式：报文交换在交换节点采用的是存储转发的传输方式
报文交换技术的特点：

• 优点：无需建立连接、动态分析路径、线路利用率高；
• 缺点：由于报文交换对报文的的大小没有限制，所以就要求网络节点需要有较大的缓存空间。

3.分组交换
传输方式：也采用的是存储转发的传输方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题：
分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据化划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（源地址、目的地址、编号信息等），构成分组（Packet）。网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点接收到分组后，暂存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择下一个结点，直到到达目的节点。

分组交换的特点：

• 优点：无建立时延；线路利用率高；降低了对网络结点的缓存空间的要求（相对于报文交换）；
• 缺点：需要传输额外的信息量（每个小数据块都要加上源地址、目的地址、编号信息等信息，从而构成分组，这使得传送的信息量增大了5%-10%，一定程度上降低了通信效率）；可能会出现乱序、丢失、重复的问题（（使用虚电路服务可以解决乱序问题））。

2.1.5 数据报与虚电路

数据报与虚电路是分组交换的两种方式。

数据报就是分组交换的普通方式：把大的数据化划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息（源地址、目的地址、编号信息等），构成分组（Packet）。网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点接收到分组后，暂存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择下一个结点，直到到达目的节点。

特点：不需要建立连接；对故障的适应能力强；分组有可能乱序、丢失、重复。

虚电路方式是把数据包方式与电路交换方式结合起来：在分组发送之前，在发送方与接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，连接一旦建立，就固定了虚电路所对应的物理路径。与电路交换类似，整个过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路释放。

特点：虚电路的建立和拆除需要时间开销，对于长时间、频繁的数据交换效率较高；分组不会乱序；对故障的适应能力差，这是虚电路致命的弱点。

比较：

	数据报	虚电路
连接的建立	不需要	必须有
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立地进行路由选择和转发	属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	不保证有序到达	保证有序到达
对网络故障的适应性	出故障的节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输	所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作

2.2 传输介质（传输媒体）

传输介质（传输媒体）：发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输介质和物理层：

注意：传输介质不是物理层，一般把传输介质称为第0层，因为传输介质传的是信号，但不知道信号是什么意思；而物理层规定了电气特性，能够识别传送的比特流。

传输介质分为 导向性~ 和 非导向性~，
导向性~ ：双绞线、同轴电缆、光纤；
非导向性~ ：无线电波、微波、红外线、激光。

2.3 物理层设备

中继器

中继器：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离。
5-4-3规则：网段为5，中继器为4，其中只能有3个网段可以连电脑。

集线器（Hub—多端口中继器）

如果一台集线器连接的机器数目较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很低。例如，一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机，当这8台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽为10/8 = 1.25Mb/s。

集线器不能分割冲突域，所有的集线器端口都属于同一个冲突域。

第三章 数据链路层

3.1 数链层的功能

1.为网络层提供服务

• 无确认的无连接服务
• 有确认的无连接服务
• 有确认的面向连接服务（有连接就一定要有确认，不存在无确认的）

2.帧定界 帧同步 透明传输
数链层将网络层的分组封装成帧，以帧的格式进行传送。给一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了帧，首部和尾部的主要作用就是确定帧的界限，即帧定界。
帧同步就是接收方应该要能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。
透明传输：不管传的数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。

3.链路管理
4.流量控制
5.差错控制：位错和帧错，，分别采用循环冗余校验（CRC）方式和自动重传请求（ARQ，Automatic Repeat reQuest）方式来解决。

3.2 组帧（封装成帧）

发送方依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧，这个过程称为组帧。
组帧时既要加首部，又要加尾部。因为网络中信息是以帧为最终小单位进行传输的，所以接收端要正确的接收帧，必须要清楚该帧在一串比特流中从哪里开始到哪里结束（因为接收端收到的是一段比特流，没有首部和尾部是不能正确区分帧的）。

组帧（封装成帧/帧定界）的方式：

1.字符计数法：

在帧头部用一个计数字段来表明帧内字符数。致命缺点是：一处错，后面全错。

2.字符填充法：

使用特殊的字符来表示一帧的开始（SOH）和结束（EOT），如果在要传输的数据中也有SOH和EOT，那就给它们前面添加一个特殊的字符ESC，如果传输的内容中也有ESC，那就在ESC前面也加个ESC，最后再接收方把所有的ESC删掉，后面几跟着的就是真正要传输的内容。

3.零比特填充法：

发送时头文填充01111110，要传输的内容中遇到5个连续的1就在其后插入一个0，接收时去掉头尾的01111110，然后遇到连续的5个1就把后面的1个0删除。（5个1后面加1个0）

4.违规编码法：

物理层进行比特编码时，通常采用违规编码法。例如，曼彻斯特编码方法将比特1编码为“左高右低”，将比特0编码为“左低右高”，而“左高右高”和“左低右低”对于曼彻斯特编码方法来说就是为违规的，所以就用这些违规编码序列来表示帧的起始和终止。

综上，目前较常用的组帧方法是比特填充法和违规编码法。

3.3 差错控制

差错控制包括

• 检错编码：只能检查出是否有错，奇偶校验码、循环冗余码CRC；
• 纠错编码：除了检查错误还能纠错，海明码。

循环冗余码CRC

在要发送的数据后面添加帧校验序列FCS，也叫冗余码。
计算冗余码：

3.4 流量控制

本节将介绍的三种协议都属于自动重传请求（ARQ，Automatic Repeat reQuest），是通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧。这三种协议分别是：停止-等待协议（Stop-and-Wait）ARQ、后退N帧协议（GBN）ARQ、选择重传协议（SR）ARQ，后两种协议是请求重发技术与滑动窗口技术的结合。

流量控制的基本方法是由接收方控制发送方发送数据的速率，常见的方式有两种：停止-等待协议 和 滑动窗口协议。

流量控制的方法	发送窗口大小	接收窗口大小
停止-等待协议	=1	=1
滑动窗口协议之后退N帧协议（GBN）	1 ≤ WT ≤ 2的n次方-1	=1
滑动窗口协议之选择重传协议（SR）	1 ≤ WT ≤ 2的(n-1)次方	1 ≤ WT ≤ 2的(n-1)次方

请注意：这里的窗口大小在传输过程中是固定不变的，和传输层的滑动窗口协议还不太一样。（5.3.5 传输层的流量控制 和 数链层的流量控制也有提及）

停止-等待协议（Stop-and-Wait）：

发送一帧（0号帧），等待接收方的应答信号（ACK0），之后才发送下一帧。
特点：传输效率很低；如果没收到ACK信号，就会一直等，如果某一帧数据在传输过程中丢失，那发送方也一直等。

此协议的确认帧不需要序号，因为是一发一收。

后退N帧协议（GBN）：

发送方：

• 可发送最多2的n次方-1个帧，然后等待接收接收方发来的ACKn确认帧；
• 这里采用累积确认的方式，表明接收方已正确收到n号帧和它之前的全部帧；
• 如果等了一个时钟的时长未收到N号确认帧，那么就判定该帧出错或者丢失，就重新发送N号帧极其后面所有帧，即批量重传。
  总结：发送方要干的事就是批量发送；等待确认帧（累积确认）；超时批量重传。

接收方：按序接收，不按序的帧都丢弃，发送ACK确认帧，接收方无需缓存任何失序帧，只需维护一个信息：expected seq num。

后退N帧协议的特点：

• 相比于停止-等待协议提高了信道利用率；
• 但由于是批量重传，所以传送效率不是特别高。

选择重传协议（SR）：

选择重传协议对后退N帧协议进行了改进，不再是批量重传，而是选择重传，先把收到的正确的帧缓存下来（缓存失序帧），等它前面的帧收到了再从缓存器中取出来。

信道利用率 和 信道吞吐率

（笔记本的3.4.2后面 书中是在3.4.4后面）
信道利用率，也叫信道效率，是对发送方而言的，是指发送方在一个发送周期内，有效发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率。
一个发送周期：发送方从开始发送数据到收到第一个确认帧为止，假设用T表示，再假设在整个T内发送内共发送了L比特的数据，发送方的数据传输率为C，那么发送方用于发送有效数据的时间为L/C，则信道的利用率为U = (L/C) / T。

信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率。

3.5 介质访问控制

介质访问控制：采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。

介质访问控制分为以下两种方式：

• 静态划分信道（3.5.1）：频分多路复用；时分多路复用；波分多路复用；码分多路复用。
• 动态分配信道：轮询访问介质访问控制（3.5.3）；随机访问介质访问控制（3.5.2）。

3.5.1 信道划分介质访问控制

多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，即1条物理链路，划分为N个信道，这样就可以同时传多路信号，共享信道资源，提供信道利用率。

• 频分多路复用（FDM）：频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽资源，并在通信过程中自始至终都占用这个频带；
• 时分多路复用（TDM）：时分复用的所有用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道；
  改进：统计时分多路复用（STDM，也叫异步时分多路复用），它采用STDM帧，STDM帧并不固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，一个STDM帧满了就发出。
• 波分多路复用（WDM）：光的频分多路复用，不同用户使用不同波长的光信号，在同一信道中互不干扰。
• 码分多路复用（CDM）：码分多址（CDMA），和后面的CSMA区分开。

3.5.2 随机访问介质访问控制

在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率。为了解决随即介入发生的碰撞，每个用户需要按照一定的规则反复地重传它的帧，直到该帧无碰撞地通过。这些规则就是随机访问介质访问控制协议，常用的协议有ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议和CSMA/CA协议等，又称为争用型协议。

ALOHA协议

纯ALOHA协议：不监听信道，不按时间槽发送，随机时长后重发；
时隙ALOHA协议：不在随机发送，而是按照固定时间发送。

CSMA协议

CSMA，Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问；
CS：载波监听，每个站发送数据前，检测一下总线上是否有其他计算机在发数据；
MA：多点接入，多个计算机接在一根总线上。

监听结果：

• 信道空闲：多久之后发送数据；
• 信道忙：多久之后重发？
  1-坚持CSMA
  非坚持CSMA
  p-坚持CSMA

综合比较	1-坚持CSMA	非坚持CSMA	p-坚持CSMA
信道空闲	马上发	马上发	p概率马上发； 1-p概率到下一个时间槽再发
信道忙	继续监听	随机时间后再监听	随机时间后再监听
举例：买奶茶	很想喝，排到我我就买，没到我就排队	不急喝，到我我就买，没到就一会再来	任性，到我了我看心情要不要买（概率P），没到我就一会再来

CSMA/CD协议

CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access / collision detection，载波监听多点接入/碰撞检测
CS：载波监听，每个站发送数据前，检测一下总线上是否有其他计算机在发数据；
MA：多点接入，多个计算机接在一根总线上；
CD：碰撞检测（冲突检测），“边发送，边监听”，确保只有一方在发，避免冲突。

问：为什么已经是先听后发，还是无法避免冲突？
答：因为电磁波的传播速度有限。

传播时延对载波监听的影响：
假设单程端到端的传播时延是τ，总线端到端往返传播时延为2 * τ，即站A在发送帧后，最多需要经过2 * τ就能知道所发送的帧是否发生碰撞，因此2 * τ被称为争用期（或者冲突窗口、碰撞窗口）。

那么发生碰撞后需要多久再重传？
CSMA/CD采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题：发生碰撞后，经过2 * τ * r之后再进行重传，其中

• 2 * τ为争用期，
• r为离散整数集合[0,1,...,2的k次方-1]中的一个随机数，
• 其中k为重传次数，（当k≤10时，k就等于k；当k＞10，k就等于10），
• 当k=16时还没有成功发送，就说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出。

最小帧长问题：

帧的传输时延 至少要 两倍于 信号在总线中的传播时延，即≥ 2 * τ；
帧的传输时延 = 帧长 / 数据传输速率 ；

故最小帧长 = 总线传播时延 * 2 * 数据传输速率 = 2 * τ * 数据传输速率

以太网规定最短帧长为64B，故凡是长度小于64B的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。

为什么说如果有冲突，则冲突一定发生在冲突窗口内？而如果在冲突窗口内没有发生冲突，那么该帧就不会再发生冲突？

（P135 第10题）
答：因为以太网采用的介质访问控制方法是CSMA/CD，即结点发送数据时，先侦听信道有没有载波，如果有，表示信道忙，就继续侦听，知道检测到空闲为止；一个数据帧在从结点A向最远的结点传输过程中，如果有其他结点也正在发送数据，那么此时就会发生冲突，冲突后的信号需要经过冲突窗口（2 * τ）时间后传回结点A，结点A会检测到冲突，所以说如果有冲突，就一定发生在冲突窗口内。如果在冲突窗口内没发生冲突，之后如果其他结点想发送数据，会监听到信道忙，就会先不发送，继续监听，从而不会发生冲突。

CSMA/CA协议

CA：collision avoidance 碰撞避免

1. 预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久的数据；
2. 接收端收到数据是由CRC僬侥数据是否正确，正确则返回ACK确认帧；
3. 发送方收到ACK帧之后就继续发，没收到就重传，直至规定的重传次数（16次）为止。

3.5.3 轮询访问介质访问控制：令牌传递协议

令牌传递协议：确保同一时刻只有一个结点独占信道，每个结点都可以在一定的时间内获得发送数据的权利，即可拥有一定的令牌持有时间，但不是无限制的持有。

因为只有一个令牌，所以不会发生冲突，只是会有维护令牌的开销。

3.6 局域网（LAN）

LAN，Local Area Network，是指在一个较小的地理范围内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络。

决定局域网的因素：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式。

网络拓扑：

• 星形拓扑
• 总线形拓扑
• 环形拓扑

传输介质：

• 有线局域网：双绞线、同轴电缆、光纤
• 无线局域网：电磁波

介质访问控制方法：

• CSMA/CD：用于总线形局域网
• 令牌总线：用于总线形局域网，轮流持有令牌
• 令牌环：用于环形局域网，令牌环网
• CSMA/CA：用于无线局域网

以太网：逻辑拓扑是总线形； 物理拓扑是星形，采用IEEE802.3标准；
无线局域网（WLAN）：采用IEEE802.11标准；
令牌环网：物理拓扑是星形；逻辑拓扑是环形，采用IEEE802.5标准。

数链层被分为逻辑链路子层和介质访问控制子层：

• 逻辑链路子层（LLC）：为网络层服务
• 介质访问控制子层（MAC）：紧挨物理层

3.6.2 以太网（Ethernet）

以太网，也叫IEEE802.3局域网；
以太网提供无连接、不可靠的服务，即以太网尽最大努力交付数据；

拓扑结构：逻辑上总线形；物理上星形；
介质访问控制方法：CSMA/CD；
传输介质：粗同轴电缆、系统之电缆、双绞线、光纤。

网卡：（数链层+物理层）

每块网卡在出厂时都有一个唯一的代码，称为介质访问控制地址（MAC地址），这个地址用于控制主机和网络上的数据通信。
MAC地址用6个十六进制数表示，共6*2*4 = 48位。

数链层设备（网桥、交换机等）都是用各个网卡的MAC地址；
网卡控制着主机对介质的访问，因此网卡也工作在物理层。

以太网MAC帧：

以太网的最短帧长为64B，其中目的地址、源地址各占6B，类型占2字节，最后的校验码（FCS）占4B，所以MAC帧中的数据长度最少是64-6-6-2-4=46B，这个数据是来自网络层的IP数据报，规定这个数据的范围是46B~1500B，所以最长帧长是1500+6+6+2+4=1518B。
（书中的P108有MAC帧格式的图）

本文标签： 计算机网络笔记