王道 计算机网络

作者：进击攻城狮
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首发时间：2022年9月18日星期日
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一、计算机网络的概念

1.1.1概念、组成、功能和分类

计算机网络的概念

计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统

计算机网络是互连的、自治的计算机集合。

互连-互联互通 通信链路

计算机网络的功能

1.数据通信(连通性)

2.资源共享 硬件 软件 数据

3.分布式处理 多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分 Hadoop平台

4.提高可靠性 替代机

5.负载均衡

计算机网络的组成

1.组成部分 硬件 软件 协议

2.工作方式

边缘部分：用户直接使用 c/s方式 P2P方式

核心部分：为边缘部分服务

3.功能组成

通信子网：实现数据通信

资源子网：实现资源共享/数据处理

计算机网络的分类

1.按分布范围分 广域网 城域网 局域网 个人区域网

2.按使用者分为：公用网(中国电信) 专用网(军队网)

3.按交换技术分 电路交换 报文交换 分组交换

4.按拓扑结构分 总线型 星型 环型 网状型

5.按传输技术分

广播式网络 共享公共通信信道

点对点网络 使用分组存储转发和路由选择机制

1.1.2 标准化工作及相关组织

标准化工作

标准的分类：

法定的标准：由权威结构制定的正式的、合法的标准 OSI

事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准 TCP/IP

RFC------------因特网标准的形式

RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段：

• 因特网标准：这个阶段还不是RFC文档
• 建议标准：从这个阶段开始成为RFC文档
• 草案标准(已消亡)
• 因特网标准

标准化工作的相关组织

国际标准化组织ISO OSI参考模型、HDLC协议

国际电信联盟ITU 制定通信规则

国际电气电子攻城狮协会IEEE IEEE802系列标准、5G

Internet工程任务组IETF 负责因特网相关标准的制定

1.1.3速率相关的性能指标

速率

带宽

• “带宽”原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)
• 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数的能力，通常指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率

吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络的数据量。单位MB/S

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

1.1.4时延、时延带宽积、RTT和利用率

时延

指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，也叫延迟或迟延。单位是S

时延带宽积

时延带宽积=传播时延*带宽

往返时延RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认(接收方收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延

RTT越大，在确定之前，可以发送的数据越多

RTT包括

往返传播时延=传播时延*2

末端处理时间

利用率

信道利用率

网络利用率

1.2.1分层结构、协议、接口、服务

怎么分层？

分层的基本原则

• 每层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
• 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
• 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
• 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
• 整个分层结构应该能促进标准化工作。
  
  

概念总结

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构

计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构

每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能

计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合

第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包括由下层服务提供的功能

仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽

1.2.2OSI参考模型1

计算机网络分层结构

7层OSI参考模型

4层TCP/IP参考模型

OSI参考模型怎么来的

分层结构

1984年提出OSI参考模型

理论成功，市场失败

1.2.3OSI参考模型2

应用层(用户与网络的界面)

典型应用层服务：

文件传输(FTP)

电子邮件(SMTP)

万维网(HTTP)

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

1.2.4TCP/IP参考模型和5层参考模型

先实践(OSI)后理论(TCP/IP)

1.3第一章总结

第二章物理层

2.1.1物理层的基本概念

1.通信基础

2.俩个公式

3.看图说话

4.传输介质

5.物理层设备

物理层基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性—》定义标准

1.机器特性 定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数目和排列情况

2.电气特性 规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制

3.功能特性 指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途

4…规程特性 定义各条物理线路的工作规程和时序关系

2.1.2数据通信基础知识

数据通信相关术语

通信的目的是传送信息

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中存在形式

信源：产生和发送数据的源头

信宿：接收数据的终点

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道。

三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

1.单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道

2.半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要俩条信道

3.全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道

两种数据传输方式

串行传输：

速度慢，费用低，适合远距离

并行传输：

速度快，费用高，适合近距离

常用于计算机内部数据传输

2.1.3码元、波特、速率、带宽

码元

速率、波特、带宽

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示

1）码元传输速率：别名码元速率、波形速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可以称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特。1波特(Baud).表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关

2)信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统

传输的二进制码元个数(即比特数)

关系：若一个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*nbit/s

带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，单位是b/s。

2.1.4奈氏准则和香农定理

失真

失真的一种现象–码间串扰

奈氏准则

奈氏准则：在理想低通条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是HZ

理想低通信道下的极限数据传输速率=2Wlog2V(b/s)

• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。超过上限，就会出现严重的码间串扰问题
• 信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输
• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
• 由于码元的传输速率收奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法

香农定理

信噪比(dB)=10log10(S/N) 数值等价

香农定理：在带受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能达到的传输速率要比它低不少
• 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N码元上限，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

2.1.5编码与调制

基带信号与宽带信号

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

信道上传送的信号：

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输。eg：计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号，比如声波。

宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输。

把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬至较高的频段以便在信道上传输

编码与调制

2.1.6编码与调制2

数字数据编码为数字信号

数字数据

数字信号：数字发送器（编码）
模拟信号：调制器（调制）
模拟数据

数字信号：PCM编码器（编码）
模拟信号：放大器调制器（调制）
数字数据编码为数字信号
1、非归零编码【NRZ】

高1低0。编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。例如全0或全1，是一条水平线

2、曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率中有调制速率的1/2。（一个人时钟周期内，一个比特，两个码元）

3、差分曼彻斯特编码

同1异0。常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

4、归零编码【RZ】

信号电平在一个码元之内都要恢复到零。

5、反向不归零编码【NRZI】

信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

6、4B/5B编码

比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。

只采用16种对应16种不同的4位码,其他的16种作为控制码(帧的开始和结束，线路的状态信息等)或保留。

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，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

调幅+调相（QAM）正交调幅调制！

模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。

最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用，它主要包括三步：抽样、量化、编码

抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样地模拟数据，要使用采样定期进行采样。采样频率 ≥ 2*信号最高频率。
量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
模拟数据调制为模拟信号
为了实现传输的有效性，可能需要较好的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传播的。

2.2物理层传输介质

传输介质及分类

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

传输媒体并不是物理层。 传输媒体在物理层下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是暗号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流

传输介质：

导向性传输介质–>电磁波被导向沿着媒介传播

非导向性传输介质–>自由空间，介质可以是空气、真空、海水

导向性传输介质–>双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰

为了提高抗电磁干扰能力，可加一层由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线，无屏蔽层的双绞线是非屏蔽双绞线

便宜，距离远，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

导向性传输介质–同轴电缆

2.3物理层设备

中继器

中继器的功能：对信号进行再生和还原，对于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，延长网络的长度。

中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网络速率要相同。

中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误或不适于网段的数据。

两端可连相同媒体，也可连不同媒体。

中继器两端的网段一定要是同一个协议。（中继器不会存储转发）

**5-4-3规则：**网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

集线器

集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度，不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备

• 星型拓扑结构
• 集线器不能分割冲突域

2.4第二章总结

第三章数据链路层

3.1数据链路层功能概述

1.链路层的功能

2.链路层的两种信道

3.局域网、广域网

4.链路层的设备

结点：主机、路由器

链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。

数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路

帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报

数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报

数据链路层功能概述

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠的传输到相邻节点的目标机网络层。其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。

功能：-

• 为网络层提供服务。无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务。有连接一定有确认!
• 链路管理，即连接的建立、维持、释放
• 组帧
• 流量控制
• 差错控制

3.2封装成帧和透明传输

封装成帧

封装成帧就是在一段数据前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束

帧同步：接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止

字符计数法

帆首部使用一个计数字段来标明帧内字符数

一步错步步错

字符填充法

3.零比特填充法

4.违规编码法

先高后低为1，先低后高为0

是普通频率的两倍

3.3.1差错控制

差错从何而来

噪声引起

全局性：由于线路本身电气特性所产生的随机噪声，是信道固有的，随机存在的。

解决办法：提高信噪比来减少或避免干扰(对传感器下手)

局部性：外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，是产生差错的主要原因。

解决办法：利用编码及技术调节

链路层为网络层提供服务：无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务。

通信质量好，有线传输链路

通信质量差的无线传输链路

数据链路层的差错控制

差错控制

检错编码：奇偶效验码、循环冗余码CRC

纠错编码：海明码

奇偶效验码：

n-1位信息元

1位校验元

检错编码–CRC循环冗余码

接收端检错过程

把收到的每一个帧都除以同样的除数，然后检查得到的余数R

• 余数位0，判定这个帧没有差错，接受
• 余数位不为0，判定这个帧有差错，丢弃
• FCS的生成以及接收端CRC检验都是由硬件实现，处理很迅速，因此不会延误数据的传输

3.3.2差错控制

纠错编码----海明码

海明码：发现双比特错，纠正单比特错

1.确认校验码位数r

2.确定校验码和数据的位置

3.求出校验码的值

同理可推得

4.检错并纠错

3.4.1流量控制与可靠传输机制

数据链路层的流量控制

较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作

数据链路层的流量控制是点对点的，而传输层的流量控制是端到端的

数据链路层流量控制手段：接收方收不下就不回复确认

传输层流量控制手段：接收端给发送端一个窗口公告

流量控制的方法

停止-等待协议 发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；

后退N帧协议(GBN)发送窗口大小>1,接收窗口大小=1；

选择重传协议(SR)发送窗口大小>1,接收窗口大小>1;

可靠传输、滑动传输、流量控制

可靠传输：发送端发啥，接收端收啥

流量控制：控制发送速率，使接收端有足够的缓冲空间来接收每一个帧

滑动窗口解决：

流量控制(收不下就不给确认·，想发也发不了)

可靠传输(发送方自动重传)

3.4.2停止等待协议

停止-等待协议究竟是哪一层的？

停止-等待协议

除了比特出差错，底层信道还会出现丢包问题

丢包：物理线路故障，设备故障，病毒攻击，路由信息错误

研究停等协议等待前提？

虽然现在常用全双工通信方式，但为了讨论问题方便，仅考虑一方发送数据，一方接收数据。

因为是在讨论可靠传输的原理，所以并不考虑是在哪一个层次上传送的

停等协议–无差错情况

停等协议–有差错情况

1.数据帧丢失或检测到帧出错

2.确认帧丢失或ACK丢失

3.ACK迟到

信道利用率

发送方在一个发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率

信道利用率=(L/c)/T

信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率

停止等待协议弊端

停等协议发送方每发送一个帧就处于等待状态，等到接收方回复一个确认帧，发送方才会发送新的帧。因此大部分时间都是在等待，真正发送数据的时间很少，极大地浪费了资源。

为了解决这个问题，可以采用流水线技术，一次发送多个帧，但同时在其他方面需要改进：

必须增加序号范围；
发送方需要缓存多个分组，为帧丢失重传备用。
针对这种解决方案，就推出了GBN和SR。

3.4.3选择重传协议

GBN协议的弊端

解决办法：设置单个确认，同时加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧

选择重传协议中的滑动窗口

选择重传协议中的滑动窗口

SR发送方必须响应的三件事

1.上层的调用

从上层收到数据后，SR发送方检查下一个可用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧；否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层之后再传输。

2.收到了一个ACK

如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界，则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了，并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧

SR接收方要做的事

滑动窗口长度

SR协议重点总结

• 对数据帧逐一确认，收一个确认一个
• 只重传出错帧
• 接收方有缓存

3.4.4后端N帧协议(GBN)

停等协议的弊端

后退N帧协议(GBN)

选择重传协议(SR)

后退N帧协议中的滑动窗口

发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号

GBN发送方必须响应的三件事

1、上层的调用

上层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满，如果未满，则产生一个帧并将其发送；如果窗口已满，发送方只需将数据返回给上层，暗示上层窗口已满。上层等一会再发送。

2、收到了一个ACK

GBN协议中，对n号帧的确认采用累积确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。

3、超时事件

如果出现超时，发送方重传所有已发送但未被确认的帧。

接收方要做的事

如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧中的数据部分交付给上层。

其余情况都丢弃帧，并为最近按序接收的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息：expectedseqnum（下一个按序接收的帧序号）。

滑动窗口长度

若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸Wt应满足：

因为发送窗口尺寸过大，就会使得接收方无法区分新帧和旧帧。

GBN协议重点总结

累积确认（偶尔捎带确认)
接收方只按顺序接收帧,不按序无情丢弃
确认序列号最大的、按序到达的帧
发送窗口最大为2^n - 1，接收窗口大小为 1
GBN协议性能分析

因连续发送数据帧而提高了信道利用率
在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，是传送效率降低。

3.5.1信道划分介质访问控制

传输数据使用的两种链路

点对点链路：两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。

应用：PPP协议，常用于广域网

广播式链路：所有主机共享通信介质

应用：早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网

典型拓扑结构：总线型、星型、环型、网状型

介质访问控制

介质访问控制的内容就是，采取一定的控制，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

静态划分信道–信道划分介质访问控制：

• 频分多路复用FDM
• 时分多路复用TDM
• 波分多路复用WDF
• 码分多路复用CDF

动态分配信道

轮询访问介质访问控制：令牌传递协议

随机

访问介质访问控制

• ALOHA协议
• CSMA协议
• CSMA/CD协议
• CSMA/CA协议

信道划分介质访问控制(MAC Multiple Access Control )协议：

基于多路复用技术划分资源。
网络负载重：共享信道效率高，且公平
网络负载轻：共享信道效率低
随机访问MAC协议：唯一会产生冲突

用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽。
网络负载重：产生冲突开销
网络负载轻：共享信道效率高，单个结点可利用信道全部带宽
轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议：

既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽。
信道划分介质访问控制
将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域合理地分配给网络上的设备。

信道划分的实质就是通过分时、分频、分码等方法把原来的一条广播信道，逻辑上分为几条用于两个结点之间通信的互不干扰的子信道，实际上就是把广播信道转变为点对点信道。

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，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。

采用多路复用技术可以把多个输入通道的信息整合到一个复用通道中，在接收端把收到的信息分离出来并传送到对应的输出通道。

静态划分信道四方法

频分多路复用FDM

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同带宽（频率带宽）资源。

时分多路复用TDM

将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。

TDM帧是在物理层传送的比特流所划分的帧，标志一个周期。

波分多路复用WDM

利用光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长（频率）不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

码分多路复用CDM

码分多址（CDMA）[Code Division Multiple Access] 是码分复用的一种方式。

1个比特分为多个码片/芯片（chip），每个站点被指定一个唯一的 m 位的芯片序列。

发送1时站点发送芯片序列，发送0时发送芯片序列反码（通常把0写成1）。

如何不打架：多个站点同时发送数据的时候，要求各个站点的芯片序列相互正交。

如何合并：各路数据在信道中被线性相加。

如何分离：合并的数据和源站规格化内积。

3.5.2ALOHA协议

ALOHA协议

纯ALOHA协议

时隙ALOHA协议

纯ALOHA协议

思想：想发就发，随机重发

时隙ALOHA协议

思想：把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送

关于ALOHA要知道的事

纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低

纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发

3.5.3CSMA协议

CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA

cs:载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大( 互相叠加)。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值时， 就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突。

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

协议思想：发送帧之前，监听信道。

监听结果

信道空闲：发送完整帧
1-坚持CSMA
非坚持CSMA
p-坚持CSMA
信道忙：推迟发送

1-坚持CSMA

坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。

思想：如果一个主机要发送信息，那么它先监听信道。

空闲则直接传输，不必等待。
忙则一直监听，直到空闲马上传输。
如果有冲突，则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程。
优点：只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。

缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

非坚持CSMA

非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。

思想：如果一个主机要发送信息，那么它先监听信道。

空闲则直接传输，不必等待。
忙则等待一个随机的时间之后再监听
优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

缺点：可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率低。

p-坚持CSMA

p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理。

p-坚持CSMA思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

空闲则以p概率直接传输，不必等待；概率1-p等待到下一个时间槽再传输。
忙则一直监听，直到空闲以p概率发送。
优点：既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间。

缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费。

三种CSMA协议对比

3.5.4CSMA-CD协议

先听再说，边听边说

CSMA/CD协议

载波监听/多路访问/碰撞检测 CSMA/CD（carrier sense multiple access with collision detection）

CS：载波监听，每个站在发送数据之前以及发送数据时要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 总线型网络。

CD：碰撞检测（冲突检测）：“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上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。半双工网络。

先听后发为什么还有冲突？

因为电磁波在总线上总是以有限速率传播的！

传播时延对载波监听的影响？

最迟多久才能直到自己发送的数据没和别人碰撞 ？

最多时两倍的总线端到端的传播时延 2τ（争用期/冲突窗口/碰撞窗口）

只要经过 2τ 时间还没有检测到碰撞，就能肯定这次发送不会发生碰撞。

如何确定碰撞后的重传时机 ？

截断二进制指数规避算法

1、确定基本退避（推迟）时间为争用期2τ。

2、定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k=min[重传次数，10]。当重传次数不超过10时，k等于重传次数；当重传次数大于10时，k就不再增大而一直等于10。

3、从离散的整数集合[0, 1, （2^k） - 1]中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间是r倍的基本退避时间，即2r τ。

4、当重传达16次仍不能成功，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧并向高层报告出错。

例子

若连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站参与争用信道。使用此算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大，因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定

最小帧长问题

如果发送了一个很小的帧发生了碰撞，但是由于帧太短，帧发送完毕之后才能检测到发生了碰撞，已经没有办法停止发送。因此定义了最小帧长，希望在检测到碰撞的时候，帧还没发送结束。

帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延。

最小帧长=总线传播时延 x 数据传输速率 x 2

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

3.5.5CSMA-CA协议

载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA

为什么要有CSMA-CA？

无线局域网

无法做到360°全面检测碰撞

隐蔽站

当A和C都检测不到信号，认为信道空闲时，同时向终端B发送数据帧，就会导致冲突

CSMA-CA协议工作原理

发送数据前，先检测信道是否空闲

空闲则发出RTS，RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息：信道忙则等待

接收端收到RTS后，将响应CTS

发送端收到CTS后，开始发送数据帧

接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧

发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止

CSMA-CD和CSMA-CA

相同点：

• CSMA/CD与CSMA-CA用于总线式以太网，而CSMA-CA用于无线局域网
• 载波检测方式不同：因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化，而CSMA/CA采用能量检测、载波检测和能量载波混合检测信道空闲的发式
• CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突，二者冲突后都会进行有上限的重传

3.5.6轮询访问介质访问控制

介质访问控制

信道划分介质访问控制协议：

基于多路复用技术划分资源

网络负载重：共享信道效率高，且公平

网络负载轻：共享信道效率低

随机访问MAC协议：

用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽

网络负载重：产生冲突开销

网络负载轻：共享信道效率高，单个结点可利用信道全部带宽

轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议：

既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽

轮询协议

主结点轮流邀请，从属结点发送数据

令牌传递协议

3.6.1局域网基本概念和体系结构

局域网

局域网：简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。

特点1：覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联

特点2：使用专门铺设的传输介质进行联网，数据传输速率高

特点3：通信延迟时间短，误码率低，可靠性高

特点4：各站为平等关系，共享传输信道

特点5：多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法

局域网拓扑结构

局域网介质访问控制方法

1.CSMA/CD常用于总线型局域网，也用于树型网络

2.令牌总线 常用于总线型局域网，也用于树型网络

它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排序形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力

3.令牌环 用于环形局域网，如令牌环网

局域网的分类

• 以太网
• 令牌环网
• FDDI网
• ATM网
• 无线局域网

IEEE802标准

IEEE802系列标准是IEEE802LAN/MAN标准委员会制定的局域网、域域网技术标准

MAC子层和LLC子层

IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层

3.6.2以太网

以太网概述

以太网指的是由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，以太网络使用CSMA/CD

以太网在局域网各种技术中占统治性地位：

• 造价低廉
• 是应用最广泛的局域网技术
• 比令牌环网、ATM网便宜，简单
• 满足网络速率要求：10Mb/s~10Gb/s

以太网两个标准

DIX Ethernet V2:第一个局域网产品规约

IEEE802

以太网通供无连接、不可靠的服务

无连接：发送方和接收方之间无"握手过程"

不可靠

以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输

10BASE-T以太网

10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线，物理上星型拓扑，逻辑上总线型

3.6.3无线局域网

IEEE802.11

IEEE802.11是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准

802.11的帧头格式

有固定基础设施无线局域网

无固定基础设施无线局域网的自组织网络

3.7PPP协议和HDLC协议

广域网

广域网（WAN，Wide Area Network），通常跨越很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网（Internet）是世界上范围最大的广域网。

• 节点交换机：一个网络内的
• 路由器：几个网络之间的

广域网VS局域网

• 广域网覆盖物理层、链路层一直到网络层，而局域网只覆盖物理层和链路层。

• 局域网通常采用多点接入技术，而广域网采用点对点连接。

• 广域网强调资源共享，而局域网强调数据传输。

• 广域网的传输速率比局域网高，但是传播延迟更长。

PPP协议

点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）是使用串行线路通信的面向字节的协议，该协议应用在直接连接两个结点的链路上。

设计的目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案。是目前使用最广泛的数据链路层协议。

只支持全双工链路。

PPP协议应满足的要求

• 简单：对于链路层的帧，无需纠错，只保证无差错接收（通过硬件进行CRC校验），无需序号（不可靠传输），无需流量控制。
• 封装成帧：帧定界符
• 透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。
• 多种网络层协议：封装的IP数据报可以采用多种协议。
• 多种类型链路：串行/并行，同步/异步，电/光…
• 差错检测：错就丢弃。
• 检测连接状态：链路是否正常工作。最大传送单元数据部分最大长度MTU。
• 网络层地址协商：知道通信双方的网络层地址。
• 数据压缩协商

PPP协议无需满足的要求

• 纠错

• 流量控制

• 序号

• 不支持多点线路

1. PPP提供差错检测但不提供纠错功能，只保证无差错接收（通过硬件进行CRC校验）。它是不可靠的传输协议，因此也不使用序号和确认机制。

2. 它仅支持点对点的链路通信，不支持多点线路

3. PPP的两端可以运行不同的网络层协议，但仍然可以使用同一个PPP进行通信。

4. PPP是面向字节的，当信息字段出现和标志字段一致的比特组合时，PPP有两种不同的处理方法：若用在异步线路（默认），则采用字节填充法；若用在同步线路，则采用比特填充法。

   PPP协议的三个组成部分

1、链路控制协议（LCP）：一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路。（身份验证）

2、网络控制协议（NCP）：PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

3、一个将IP数据报封装到串行链路的方法（同步串行/异步串行）：IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传送单元（MTU）的限制。

PPP协议状态图

PPP协议的帧格式

HDLC协议
高级数据链路控制（HDLC，High-Level Data Link Control），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织（ISO）根据IBM公司的SDLC（Synchronous Data Link Control）协议扩展开发而成的。

特点：

数据报文可透明传输，通过零比特填充法实现。
PPP还可以实现字节填充，HDLC只能实现零比特填充。
所有帧采用CRC检测，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重复，传输可靠性高。
HDLC的站

主站的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧、并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复链路控制。
复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。
三种数据操作方式：

正常响应方式
异步平衡方式
异步响应方式
HDLC的帧格式

信息帧第一位为 0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认 。
监督帧 10，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能。
无编号帧 11，用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。
总结：无奸细

PPP协议 VS HDLC协议

HDLC、PPP只支持全双工链路。
都可以实现透明传输。
都可以实现差错检测，但不纠正差错。

3.8链路层设备

物理层以太网

链路层扩展以太网

网桥和交换机

网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将此帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃

网桥优点：-

• 过滤通信量，增大吞吐量
• 扩大了物理范围
• 提高了可靠性

网段：一般指一个计算机网络使用同一物理层设备(传输介质，中继器，集线器等)能够直接通讯的那一部分

网桥分类–透明网桥

透明网桥：透明指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备–自学习

网桥分类–源路由网桥

源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息放在帧的首部中。

方法：源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧

多接口网桥—以太网交换机

以太网交换机的两种交换

直通式交换机

查完目的地址就立刻转发

延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换

存储转发式交换机

将帧放入高速缓存，并检查是否正确，正确则转发，错误则丢弃，延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换

冲突域和广播域

冲突域VS广播域

冲突域：在同一个冲突域中的每一个结点都能收到所有被发送的帧。简单的说就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围。

广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单的说如果站点发出一个广播信号，所有能接收到这个信号的设备的范围称为一个广播域。

3.9第三章总结

第四章网络层

4.1.1网络层功能概述

网络层

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

网络层传输单位是数据报

功能一：路由选择与分组转发

功能二：异构网络互联

功能三：拥塞控制

若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态，因此要采取一定措施，缓解这种拥塞

开环控制 静

闭环控制 动

4.1.2电路交换、报文交换与分组交换

网络的掌中宝

为什么要数据交换

数据交换方式

电路交换

报文交换

分组交换：数据报方式，虚电路方式

电路交换

报文交换

报文：源应用发送的信息整体

优点：

• 无需建立连接
• 存储转发，动态分配线路
• 线路可靠性较高
• 线路利用率较高
• 多目标服务

缺点：

• 有存储转发时延
• 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间

分组交换

分组：把大的数据块分割成小的数据块

优点：

1. 无需建立连接
2. 存储转发，动态分配线路
3. 线路可靠性较高
4. 线路利用率较高
5. 相对于报文交换，存储管理更容易

缺点：

• 有存储转发时延
• 需要传输额外的信息量
• 乱序到目的主机时，要对分组排序重组

报文交换对比分组交换

三种数据交换方式比较总结

4.1.3数据报与虚电路

数据报方式、虚电路方式

数据报方式为网络层提供无连接服务

虚电路方式为网络层提供连接服务

无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同

连接服务：首先为分组的传输确定传输路径，然后沿该路径传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接

几种传输单元名词辨析

数据报

无连接

无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同

每个分组携带源和目的地址

路由器根据分组的目的地址转发分组：基于路由协议/算法构建转发表：检索转发表；每个分组独立选路

虚电路

虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点

虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。

通信过程：

建立连接–》数据传输–》释放连接

每个分组携带虚号电路，而非目的地址

源主机发送呼叫请求，分组收到呼叫应答分组后，才算建立连接

4.3.1IP数据报格式

TCP/IP协议栈

IP数据报格式

4.3.2数据报分片

最大传送单元MTU

链路层数据帧可封装数据的上限

以太网的MTU是1500字节

IP数据报分片例题

需要分片为长度不超过1420B的数据报片

4.3.3IPv4地址

IP地址

IP编址的历史阶段

分类的IP地址

子网的划分

构成超网(无分类编址方法)

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口

IP地址::={<网络号>,<主机号>}

互联网中的IP地址

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

分类的IP地址

4.3.4网络地址转换NAT

私有IP地址

路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发

网络地址转换NAT

网络地址转换NAT：在专用网连接到因特网的路由器上安转NAT软件，安转了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址

4.3.5子网划分与子网掩码

子网划分

两级IP地址： 网络号 主机号

三级IP地址： 网络号 子网号 主机号

子网掩码习题

使用子网时分组的转发

4.3.6无分类编址CIDR

无分类编址CIDR

无分类域间路由选择CLDR：

1.消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念

2.融合子网地址与子网掩码，方便子网划分

CLDR把网络前缀都相同的连续IP地址组成一个CLDR地址块

128.14.35.7/20

构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合

方法：将网络前缀缩短

最长前缀匹配

4.3.7ARP协议

发送数据的过程

ART协议

由于在实际网络的链路上出传输数据帧时，最终使用MAC的映射

4.3.8DHCP协议

静态配置

动态配置

动态主机配置协议DHCP是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互，基于UDP。DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称和IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租

• 主机广播DHCP发现报文
• DHCP服务器广播DHCP提供报文
• 主机广播DHCP请求报文
• DHCP服务器广播DHCP确认报文

4.3.9ICMP协议

TCP/IP协议栈

网际控制报文协议ICMP

ICMP协议支持主机或路由器:

差错报告-------->发送特定ICMP报文

网络探询

ICMP差错报告报文(5种)

网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol），可以报告错误信息或者异常情况，ICMP报文封装在IP数据报当中。

ICMP协议的应用：

• Ping应用：网络故障的排查；
• Traceroute应用：可以探测IP数据报在网络中走过的路径。

4.4IPv6

为什么有IPv6?

IPv6数据报格式

IPv6和IPv4

IPv6地址表示形式

IPv6基本地址类型

4.5.1RIP协议与距离向量算法

路由选择协议分类回顾

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单

RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录

RIP协议和谁交换？多久交换一次？交换什么？

距离向量算法

距离向量算法练习

4.5.2OSPF协议与链路状态算法

路由选择协议分类回顾

OSPF协议

开放最短路径优先OSPF协议："开放"标明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的：最短路径优先是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF

OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议

所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图

链路状态路由算法

1.每个路由器发现它的Hello问候分组，并了解邻居节点的网络地址

2.设置到它的每个邻居的成本度量metric

3.构造DD数据库描述分组，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息

OSPF的区域

为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。

每一个区域都有一个32位的区域标识符

区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过200个。

OSPF分组

OSPF其他特点

每隔30min，要刷新一次数据库的链路状态

由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多

OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快

4.5.3BGP协议

BGP（Border Gateway Protocol）边际网关协议【应用层】：是运行在AS之间的一种协议,寻找一条好路由：首次交换全部信息，以后只交换变化的部分,BGP封装进TCP报文段.

路由选择协议分类回顾

BGP协议

BGP协议交换信息的过程

BGP所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络1所要经过的一系列AS。当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达个AS的较好路由

BGP协议交换信息的过程

BGP协议交换信息的过程

BGP协议报文格式

BGP-4的四种报文

• OPEN报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方
• UPDATE报文：通告新路径或撤销原路径
• KEEPALIVE报文：在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性；也作为OPEN的确认
• NOTIFICATION报文：报告先前报文的差错，也被用于关闭连接
  

4.6组播

IP数据报的三种传输方式

4.7移动IP

移动IP相关术语

移动IP技术是移动结点以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变

移动结点具有永久IP地址的移动设备

归属代理 一个移动结点拥有的就"居所"称为归属网络，在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体叫做归属代理

外部代理 在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理

永久地址 移动站点在归属网络中的原始地址

转交地址 移动站点在外部网络使用的临时地址

移动IP通信过程

4.8网络层设备

路由器

4.9第四章总结

第五章 传输层

5.1传输层概述

传输层

传输层的功能：

1.传输层提供进程和进程之间的逻辑通信

2.复用和分用

3.传输层对收到的报文进行差错检测

4.传输层的两种协议

传输层的两个协议

传输层有两个好兄弟

大哥TCP和二弟UDP

大哥靠谱，二弟UDP

大哥靠谱，二弟不靠谱

传输层的寻址与端口

复用:应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传输到网络层

分用:传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程

传输层的寻址与端口

5.2UDP协议

用户数据报协议UDP概述

UDP只在IP数据报服务之上增加了很少功能，即复用分用和差错检测功能

UDP的主要特点:

• UDP是无连接的，减少开销和发送数据之前的时延

• UDP使用最大努力交付，即不保证可靠交付

• UDP是面向报文的，适合一次性传输少量数据的网络应用

• UDP无拥塞控制，适合很多实时应用

UDP首部格式

UDP校验

5.3.1TCP协议特点和TCP报文段格式

TCP协议的特点

1.TCP是面向连接的传输层协议

2.每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的

3.TCP提供可靠交付的服务，无差错，不丢失，不重复，按序到达。可靠有序，不丢不重

4.TCP提供全双工通信

5.TCP面向字节流

TCP报文段首部格式

5.3.2TCP连接管理

TCP连接管理

SYN洪泛攻击

TCP的连接释放

5.3.3TCP可靠传输

基于连续ARQ协议，在某些情况下，重传的效率并不高，会重复传输部分已经成功接收的字节。

5.3.4TCP协议的流量控制

流量控制：让发送方发送速率不要太快，TCP协议使用滑动窗口实现流量控制。

5.3.5 TCP协议的拥塞控制

拥塞控制与流量控制的区别：流量控制考虑点对点的通信量的控制，而拥塞控制考虑整个网络，是全局性的考虑。拥塞控制的方法：慢启动算法+拥塞避免算法。

慢开始和拥塞避免：

【慢开始】拥塞窗口从1指数增长；
到达阈值时进入【拥塞避免】，变成+1增长；
【超时】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2）；
再从【慢开始】，拥塞窗口从1指数增长。

快重传和快恢复：

发送方连续收到3个冗余ACK，执行【快重传】，不必等计时器超时；
执行【快恢复】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2），并从此新的ssthresh点进入【拥塞避免】。

5.4传输层总结

第六章 应用层

6.1网络应用模型

应用层概述

应用层对应程序的通信提供服务

应用层协议定义：

应用进程交换的报文类型，请求还是响应？

各种报文类型的语法，如报文中的各个字段及其详细描述

字段的语义，即包含在字段中的信息的含义

进程何时、如何发送报文，以及对报文进行响应的规则

应用层的功能：

文件传输

电子邮件

虚拟终端

查询服务和远程作业登录

应用层的重要协议：

FTP

SWTP,POP3

HTTP

DNS

网络应用模型

客户/服务器模型(Client/Server)

P2P模型(Peer-to-peer)

客户/服务器模型

服务器：提供计算服务的设备

• 永久提供服务
• ‘永久性提供访问地址/域名

客户机：请求计算服务的主机

• 与服务器通信，使用服务器提供的服务
• 间接性接入网络
• 可能使用动态IP地址
• 不与其他客户机总结通信

P2P模型

不存在永远在线的服务器

每个主机既可以提供服务，也可以请求服务

任意端系统/节点之间可以直接通讯

节点间歇性接入网络

节点可能改变IP地址

可扩展性好

网络健壮性强

6.2DNS系统

DNS系统

IP地址太长了，记不住，域名替代IP地址，通过记住域名访问网址

www.baidu.com

域名---->IP地址

域名通过DNS服务器解析IP地址

域名

www.cskaoyan.com

顶级域名：cn,us,uk(中国，美国，英国)

通用顶级域名: com公司和组织，net提供信息的网络机构，org开源网站

gov政府，int国际，aero用于军队，museum博物馆，travel旅游

基础结构域名/反向域名 arpa ip地址到域名映射

域名服务器

根域名服务器(老大，知道所有顶级域名服务器)

顶级域名服务器

权限域名服务器

本地域名服务器：当一个主机发出DNS查询请求时，这个查询请求报文就发给本地域名服务器

域名解析过程

递归查询

迭代查询

域名解析过程

高速缓存：加快查询速度，解析完后就缓存，以后就找本地域名服务器，定期更新(本地和主机都有高速缓存，先主机后本地)

6.3文件传输协议FTP

文件传输协议FTP

提供不同种类主机系统之间的文件传输能力

简单文件传送协议TFTP

FTP服务器和用户端

FTP是基于客户/服务器(C/S)的协议

用户通过一个客户机程序连接至在远程计算机上运行的服务器程序

依照FTP协议提供服务，进行文件传送的计算机就是FTP服务器

连接FTP服务器，遵循FTP协议与服务器传送文件的电脑就是FTP客户端

FTP客户端软件

FTP工作原理

登录ftp地址 用户名和密码

匿名登录

FTP使用TCP实现可靠传输

FTP传输模式

文本模式：ASCII模式，以文本序列传输数据

二进制模式：Binary模式，以二进制序列传输数据

6.4电子邮件

电子邮件系统概述

电子邮件系统概述–电子邮件的信息格式

电子邮件：信封 [email protected]，

内容：首部 主体

电子邮件系统概述–组成结构

简单邮件传送协议SMTP

SMTP规定了在两个相互通信的SMTP进程之间应如何交换信息

负责发送邮件的SMTP进程就是SMTP客户，负责接收邮件的进程就是SMTP服务器

SMTP规定了14条命令和21种应答信息(三位数字代码+简单文字说明)

1.连接建立

发送方—>发送方邮件服务器—>接收方邮件服务器

2.邮件发送

3.邮件释放

邮件发完，SMTP客户发送QUIT命令，SMTP服务器返回“221”，表示同意释放TCP连接

MIME

SMTP的缺点：

• SMTP不能传送可执行文件或者其他二进制对象
• SMTP仅限于7位ASCII码，不能传送其他非英语国家的文字
• SMTP服务器会拒绝超过一定长度的邮件

MIME协议

邮局协议POP3

POP3工作方式：

下载并保留

下载并删除

网际报文存取协议IMAP

IMAP协议比POP协议复杂。当用户Pc上的IMAP客户程序打开IMAP服务器的邮箱时，用户可以看到邮箱的首部，若用户需要打开某个邮箱，该邮箱才上传到用户的计算机上。

IMAP可以让用户在不同的地方使用不同的计算机随机上网阅读处理邮件，还允许只读取邮件中的某一个部分

基于万维网的电子邮件

6.5万维网和HTTP协议

万维网概述

万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所/资料空间，是无数个网络站点和网页的集合。

超文本传输协议HTTP

HTTP协议定义了浏览器，怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及服务器怎样把文档传送给浏览器

HTTP协议的特点

HTTP是无状态的

实际工作中，一些万维网站点常常希望能够识别用户

Cookie是存储在用户主机中的文本文件，记录一段时间内某用户的访问记录。

提供个性化用户

HTTP采用TCP作为运输层协议，但HTTP协议本身是无连接的

HTTP协议的连接方式

超文本传输协议HTTP–报文结构

6.6第六章总结