计算机网络
一.交换方式
电路交换
优点:低延迟 控制检点
缺点:需要预先建立链接 线路占用使用率低
报文交换
分组交换
优点:无需建立链接 线路利用率高
缺点:高时延 需要额外信息(开销大)
二.性能指标
速率
带宽
吞吐量:非理想最大速率
时延
发送时延
理想下:分组大小/发送速率
传播时延
理想下:距离/传播速率
电磁波传播速率C
自由空间下:3*10^8
导线中:2.8*10^8
光纤中:2*10^8
处理时延
何种时延起主导具体分析
时延不同于延迟,下载大型文件所需时间也算入时延中
RTT往返时间:Round-Trail Time
利用率
利用率上升时候时延也增加
三.体系结构
组成
教学以五层原理模型举例,还有7层ISO模型和4层TCP/IP协议
应用层
例如:HTTP FTP等协议
PDU: 报文(Message)
目标:通过应用进程交互实现特定网络应用
交换信息表示问题,转换信息格式
进程之间会话问题
运输层
例如:TCP UDP
PDU: Dategram(TCP) Segment(UDP)
目标:解决进程之间基于网络的通讯问题
提供端到端服务
网络层/网际层
例如:IP
PDU: packet IP数据包或分组
目标:解决packet在多个网络传输问题
路由器最高层
数据链路层
例如:MAC地址
PDU: frame 帧
目标:解决分组在一个/一段网络上传输的问题
交换机最高层
物理层
例如:WAN ETH PPP(点对点)
PDU: bit stream比特流
集线器最高层
术语
对等实体:接受双方同一层次结构称为对等实体
协议:控制对等实体通讯的规则集合
语法:交换信息的格式
语义:收到数据后采取的方法和步骤
同步
协议数据单元(PDU):Protocol Date Unit 通讯双方对等实体的数据包
服务
在协议控制下本层能够向上一层提供的服务,并使用下一层提供的服务
实体看得见仅看得见靠近一层的服务,隔层服务透明
服务访问点:不同层数据接口
服务数据单元(SDU):Service Date Unit 不同层提供的数据包
四.物理层
传输媒体分类
导引型
双绞线
绞合作用:减少相邻和外来电磁干扰
光纤
常见工作波段:0.85/1.30/1.55 um
优点:高容量 损耗小 抗电磁干扰 无串音 体积小重量轻
缺点:光电接口较贵
多模光纤:多个入射角脉冲光,产生色散现象
单模光纤:直径小于光的波长,波导效应
同轴电缆
名字原来:各层共圆心
电力线
非导引型
微波(2-40g)
无线电
红外
可见光
协议任务
考虑如何在链接计算机的传输媒体传输数据比特流
使得数据链路层无需考虑传输媒体
机械特性:接口形状 尺寸 引脚排列 固定装置
电气特性:电压范围
功能特性:电压表示何种意义
过程特性:事件的出现顺序
传输方式
串行并行
同步异步
同步方式:外同步 内同步(时钟信号一起编入)
异步:加入起始位终止位 字节间不同步 字节内同步
单工 半双工 全双工
编码调制
总体:
信息->数据(信息的实体)->信号(数据的电磁表现)->基带信号(信源发出的原始信号)->信道(模拟/数字)
基源数字信号
>数字信号
编码:曼切斯特编码 4B/5B 8B/10B
>模拟信号
调制:WIFI CCK/DSSS/OFDM
基源模拟信号
>数字
编码:对音频PCM
>模拟
FDM(频分复用)
常见编码
不归零编码(NRZ)
归零编码:将时钟信后编码与数据之内 称自同步 但编码效应低(RZ)
曼切斯特编码:码元中间跳变表示比特
差分曼切斯特编码:码元中间跳变仅表示时钟
QAM16:码元采用格雷码:任意两个相邻码元仅一个比特不同
常见调制
AM(Amplitude Modulation)
FM(Frequency Modulation)
PM(Phase Modulation)
混合调制QAM(A+P)
基本波形称码元
信道极限容量
码元传输速率
传输距离 噪声 媒介
奈氏准则
理想低通信道速率 2W Baud
理想带通信道速率 W Baud
Baud=码元/秒 W=信道带宽(Hz)
香农公式
$$c = W * \log_2{(1+\frac{S}{N})}$$
c为信道极限速率 W为信道带宽(Hz) S为信道平均功率 N为信道内高斯噪声功率
S/N:信噪比 $$\frac{S}{N}=10*\log_{10}{\frac{S}{N}}$$ 单位为dB
五.数据链路层
概述
链路:一个节点到另一个结点一段物理线路,且无其他的交换节点
数据链路:加装通信协议的硬件和软件到链路上
帧:数据链路层以帧为单位
三大问题
帧的封装
差错检验
可靠传输
互联协议
多机器的确定
共享式局域网
以太网:CSMA/CD 载波监听多点接入碰撞检测(总线中碰撞)
802.11 CSMA/CA 载波监听多点接入碰撞避免
交换式局域网
帧封装
确定比特流中所需要的比特段
MAC:前导码(物理层实现) 前同步码(7Byte)—帧开始定界符(1Byte)
PPP:标志位
避免上层数据包包含标志位(帧定界符)
发出方检测数据链路包并添加转义字符:面向字节传输的字节填充实现透明传输
添加转义比特
帧数据部分最大上限MTU(Maximum Transfer Unit)
差错控制
误码率BER(Bit Error Rate)
使用差错检测码
以太网:FCS 4Byte
PPP: FCS 2Byte
常见检错
奇偶校验:使得1的个数为奇数或者偶数
循环冗余校验CRC
约定好G(x)多项式
计算冗余码,并添加到数据尾部
帧格式
PPP:标志(1Byte)—
以太网(MAC):目的地址
可靠传输
传输差错
比特差错
分组丢失(上层处理)
分组失序(同上)
分组重复(同上)
有限链路而言:由于误码率较低,为减少开销可靠传输由上层提供(以太网)
无线链路:误码率较高,链路层必须提供可靠传输(802.11)
可靠传输实现方法(不只用于数据链路)
停止等待SW(Stop and Wait)(分属ARQ Automatically Repeat Quest)
超时重传:设定超时计时器,接受不到ACK/NCK就重传 基于ARTT(Average Round Trail Time)
分组编号:根据数据分组序号来判断是否重复,ACK/NCK同样需要编号防止接收方识别错误
信道利用率
$$ U=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A} $$
U 信道利用率 TDDate发送时间 TA ACK发送时间
若RTT大于TD时候,信道利用率很低
回退N帧GBN(Go Back N)
发送窗口(W):来限制发送未确认分组的大小
T
W为1时恰好为SW
T
取决于序号比特占用
整体确认:ACK n之前所有分组均以接受
选择重传SR
接受窗口W不为1时候情况
R
且不为累计确认
六.数据链路协议
PPP协议(Point To Point Protocol)
PPP over Ethernet 为用户提供以太网接口
方法规则
帧封装方法()格式
首部
标志定界符(Flag)—1Byte 0x7E
地址(Address)—1Byte 预留
控制(Control)—1Byte 0x03 预留
协议(Protocol)—2Byte
0x0021 IP数据包
0xC021 LCP分组
0x8021 NCP分组
尾部
FCS(Frame Check SUM)—2Byte CRC校验值
定界符(Flag)—1Byte
透明传输的解决
字节填充法
7E(Flag)–>7D,5E
7D(转义字符)—>7D,5D
出现ASCLL控制字符(<0x20)—>加入7D,源字符+0x20
比特填充法
发送:发现5个连续比特1加入一个比特0
接收:发现连续5个1删除之后一个0
差错检验
CRC − CCITT = X16 + X12 + X5 + 1
RFC1662附有C语言实现:查表法
向上不提供可靠传输
链路控制协议LCP:用于建立和配置数据链路链接
网络控制协议NCP:支持不同网络层协议
IP
IPX
APPLE TALK
媒体接入控制(Medium Access Control)
概念:共享信道需要考虑协调多个发送接受站点对一个共享传输媒体的占用
分静态划分(一般用于物理层),动态划分
静态划分信道
传输媒体容量大于单一信道传输,可进行复用(复用多址暂不区分)
频分复用(FDM)
时分(TDM)
码分(CDM)
更经常用于多址(CDMA)(Code Division Multiple Access)
一个比特时间划分为m个码片(m典型64 128)称码片序列
码片挑选原则
不重复
码片序列n维正交,即规格化内积为0
$$ ST=\frac{1}{m}*\sum\limits_{i=1}^{m}S_iT_i=0 $$
码片跟自己规格化内积为1,跟自己反码为-1
一个站要么发送其码片(1)或者反码(0)
动态接入控制
受控
集中控制:轮询
分散控制:环形传输,令牌拥有者发送
典型协议
IEEE 802.5 802.4 FDDI(均)
随机接入:随机发送,解决避免冲突和冲突后恢复
载波监听/多址接入/碰撞检测(CSMA/CD)(Carrier Sense Multiple Access)(Collision Detection)
帧间间隔:IFS空闲96比特再发送
一旦检测到碰撞,立即停止,并发送人为干扰信号唤醒其他站点
载波监听多址接入/碰撞避让(CSMA/CA)(Collision Avoidance)
无线信道强度动态范围大,接受和发送强度可能相差数万倍,若要实现CD,对硬件难度很大
(隐蔽站问题)碰撞检测意义不大
(A—(B)—C)
a,c互不可见,无法判断信道是否被占用
典型:802.11
且再数据链路层加入确认机制(停止-等待SW协议)
分布式协调功能DCF(Disturbed Coordinate Function) 没有中心控制站点下CSMA/CA正确信道发送权,802.11默认
点集中控制(Point Coordinate Function) 一般为AP实现,应用较少
IFS
高优先级IFS较短 低优先级IFS较长
S(Short)IFS:28μs ACK CTS MAC分片 回答AP探寻 PCF中AP发出的
D(Disturbed)IFS:128μs DCF中数据和管理
退避算法
检测到之前信道处于忙状态
每一次重传一个数据帧
每一此成功发送一个帧(避免一个站点长期占用)
执行退避算法:启动退避计数器—>未到0时刻检测到信道忙,冻结退避计时器—>空闲后等待DIFS再启动
信道预约(假设退避算法对信道预约透明)
一种特殊帧RTS(Request To Send)包含地址和所需持续时间
目的站收到后广播CTS(Clear To Send)
其他站推迟接入
由于RTS不易碰撞,且碰撞重传开销小,因此此算法广泛应用
802.11三种情况:使用RTS/CTS 不使用 对长数据帧选择使用
虚拟载波监听(VCSMA):数据帧也可携带持续时间,称虚拟载波监听
MAC地址
ARP协议:通过IP地址获取所需转发的MAC地址(属于网络层但离不开MAC地址)
MAC(Media Access Control):唯一标识主机(网络接口唯一标识)接收和发送
扩展唯一标识符格式(EUI-48)
组织唯一标识符OUI(Organize Unique Identification)(3Bytes):向IEEE申请
网络接口标识符(3Byte)自行分配
48Bit=12Hex xx-xx-xx-xx-xx-xx(Windows下) 分为6组 Mac/Linux/Android中分隔符为:
第一字节(b0—b7) b0->0:单播 1:组播 //b1->0:全球管理 1:本地管理
b1/b0单播地址(0)组播地址(1)全球管理(0)网络设备固化标准网络设备多播地址本地管理(1)网络管理员分配覆盖网络接口的管理员分配属于那些多播组
IP地址
网络编号(标识不同网络)
主机编号(标识不同网络中不同主机)
ARP协议(地址解析协议)
已知IP地址,不知对应其MAC地址->发送ARP请求报文(广播形式FF-FF-FF…)
跨网络不能查询ARP地址,仅针对同网络
集线器/交换机
集线器(HUB)
逻辑上还是总线网 实验CSMA/CD协议
简单容错和管理功能
工作在物理层(在物理层拓展)
一个物理层拓展称一个碰撞域(所有信号传输到其他主机)
半双工
交换机(SWITCH)
全双工:收发帧可以并行
工作于数据啊链路层
转发方式:存储转发 直通交换(基于硬件交叉矩阵)
交换流程
登记:收到新设备的帧,记录MAC和接口对应关系
满目转发:若记录表中无MAC地址对应接口,则向所有接口转发该帧
自动删除:每条记录具有有效时间
交换机生成数协议STP(Spanning Tree Protocol)
冗余链路
优点:抗干扰
负面效应:带来网络环路
广播风暴
大量消耗网络/主机资源
帧交换表震荡
采用STP
不管物理结构,其拓扑结构不出现环路,且为树形结构
生成数算法STA
VLAN虚拟局域网
构成一个巨大广播域
广播风暴
ARP 地址解析协议
RIP 路由信息配置协议
DHCP 动态主机配置协议
分割广播域
通过路由器
通过VLAN
解释:将局域网划分物理位置无关的逻辑组,逻辑组具有共同需求
不同逻辑组之间广播不互通(MAC协议)
前提:支持IEEE 802.1Q 端口类型支持
IEEE 802.1Q
扩张以太网协议 插入4ByteVLAN 表示帧
最后12Bit 为VLAN标识符
交换机处理:不是用于主机
端口配置类型
Access
连接用户计算机
转发规则
仅接受无标签(VLAN)的帧
根据PVID打标签VID
同样PVID的去标签转发
Trunk
交换机之间或者交换机和路由器
可以属于多个VLAN(PVID)
转发规则
VID等于PVID时候去标签再转发
未打标签的打标签根据PVID
VID不等于PVID直接转发,不去标签
Hybrid
是否在VLAN表中,不在表中直接转发,在表中去标签(多VLAN)
默认VLAN ID
Cisco :Native VLAN 本征VLAN
HUAWEI :Port VLAN 端口VLAN ID (PVID)
六.网络层
概述
主要任务:实现网络互联,实现数据包在网络见传输
任务
提供可靠或不可靠服务?(TCP/IP不可靠 ATM可靠)
寻址问题
路由选择问题
路由表的生成
路由选择协议
人工配置
服务提供类型
面向连接的虚电路服务
可靠通信由网络保障
无连接的数据报服务
可靠通讯由用户主机保障
分组可走不同路径
可能 误码 丢失 重复 差错
将复杂网络处理功能置于边缘,报文交换置之于核心,网络造假低廉
IPv4
描述:IPv4即每一个上网接口取得的32Bits唯一标识符
点分十进制:32进制/8位一组=4组
分类编址
A类
8—24 最高位为0
网络号-0000000:保留不使用
网络号-0000001,主机号-全0:最小分配网络地址1.0.0.0
网络号-01111111:本地软件回环测试,不使用对应127.0.0.1-127.255.255.254
B类
10—26 最高位10
可指派网络号:128.0—191.255
C类
24—8 最高位110
可指派网络号:192.0.0—223.255.255
D类
32位全网络号 最高位1110
E类:
最高位1111 的保留
仅A B C三类可分配主机或路由器
主机号全0为网络地址 全1为广播地址 均不可分配
划分子网
通过子网掩码动态划分网络号,主机号
默认子网掩码仍然根据ABCDE类型,按字节分配
给出子网掩码
子网数量
各个子网的IP地址
各个子网网络 广播 网络保留地址
各个子网可分配的最大最小地址
无分类编制
无分类域间路由选择(Classless Inter-Domain Routing)(CIDR)
取消ABC网络
斜线记法 标志网络 Bits 的数量
超网:找 共同前缀和/n 发给 路由
IP数据包发送和转发
忽略MAC自学习 ARP过程
直接交付
网络号相同,直接转发
间接交付
若网络号不同则,转发到路由器(默认网关)
检测IP数据报
错误—丢弃,告知源主机
广播—不转发(隔离广播域)
对比路由表
匹配路由条目—转发
不匹配路由条目—丢弃,告知源主机
静态路由配置
路由表类型
直连:目的目标为接口所在网络
静态:人工配置转发下一步转发IP地址
默认:目的网络 0.0.0.0 子网掩码 0.0.0.0特殊静态路由
—当计算网络号时候为与子网掩码逻辑与0.0.0.0结果记0.0.0.0
特定主机: 目的网络 直接为主机IP (/32网络号)
多条匹配使用前缀最长的
可能错误
错误配置
转发到其他端口,其他端口正确又转发回来,路由环路
TTL-生存时间
聚合不存在网络
未有聚合地址循环转发
已有路由故障
黑洞路由
聚合不存在的路由而外设置丢弃选项
路由选择协议
简介:由路由器通过路由选择协议自动获取路由信息
因特网路由选择特点
自适应
分布式
分层次
简介:将因特网分为许多较小的自治系统(Autonomous System),不同层次使用不同路由选择协议
特点:各个自治系统使用何种协议无关其他自治系统
内部网关(路由器)协议(IGP)
RIP 路由信息协议
基于距离向量
最早使用于Internet
IGRP 内部网关路由协议 EIGRP 增强~
基于距离向量
前思科私有
EIGRP 混合(向量 链路)
思科私有
OSPF 开放式最短路径优先
记录链路
广泛运用各种网络
IS-IS 中间系统到中间系统
基于链路
ISP骨干网最常用
外部网关(路由器)协议(EGP)
BGP 边界网关协议
基本结构
路由选择部分
分组转发部分