《数据与计算机通信》-- 读书笔记
第1章 数据通信、数据网络和因特网
- 数据通信要研究的问题是如何以高效可靠的手段来传输信号，它所涉及的主题包括信号传输、传输媒体、信号编码、接口、数据链路控制和复用
- 网络构成主要研究的是用来连接各种通信设备的通信网格的技术及其他体系结构。
通信的任务：
（1）传输系统的利用
它指的是如何充分利用传输设施。有多种技术（称为复用）可在多个用户之间分配传输系统的总传输能力，为了保证系统不会因为过量的传输服务请求而超载，需要引入拥塞控制技术。
（2）通信的设备与传输系统接口
（3）产生信号
任何形式的通信都需要利用电磁信号在传输媒体上传播
（4）发送器与接收器间的同步
接收器必须能够判断信号在什么时候开始到达，又会在什么时候结束，它还必须知道每个信号单元的持续时间
（5）交换的管理
（6）差错检测和纠正，本应属于交换控制，但因比较重要，所以单独列出
（7）流控制，但因比较重要，所以单独列出
为了保证终点设备不会因源点设备发送数据过快，以致无法及时接收和处理这些数据而导制超载
（8）寻址和路由选择
这是两个相关但又截然不同的概念。当两个以上的设备共享传输系统时，源点系统必须给出其想要通信的终点系统的身份。传输系统必须保证该终点系统能够且唯一能够接收数据。但传输系统本身可能是具有不止一条路径的网络，那么还必须进行合理的路径选择。
（9）恢复
在概念上不同于差错纠正，当信息正在交换时，譬如数据库事务正在进行或文件正在传输时，由于系统的某处发生了故障而导致传输中断，那么在这种情况下就需要使用恢复技术。它的任务就是要么从中断处继续开始工作，要么至少把系统涉及的部分恢复到数据交换开始之前的状态。
（10）报文的格式化
双方就数据交换或传输的格式达成一致
（11）安全错施
（12）网络管理
由于数据通信设施是一个十分复杂的系统，它不可能自行创建或运行。可以用网络管理来设置系统，监视系统，并为系统的进 步发展做出合理的规划。
ISP：Internet Service Provider，因特网服务提供者
NAP：Network Access Point，网格接入点，提供面向大众服务的主要交换设施，公司需要申请使用这些NAP设施。
POP：Point of Presence，汇接点，具有一些电信设备的网点
第2章 协议体系结构，TCP、IP和基于因特网的应用程序
OSI：Open Systems Interconnection，开放系统互连模型。七层框架：
（1）物理层
有关物理媒体上的无结构比特流的传输，处理机械的、电气的、功能的和过程化的特性以接入物理媒体
（2）数据链路层
提供跨越物理层链路的可靠信息传递；携带必要的同步、差错控制、流控制等信息发送数据块（帧）
（3）网络层
负责建立、维护和终止连接
（4）运输层
提供端点之间可靠的、透明的数据传递；提供端到端的差错恢复和流控制
（5）会话层
提供应用程序之间通信的控制结构：建立、管理和终止相互协作的应用程序之间的链接
（6）表示层
提供数据表示方式之间差异与应用进程之间的独立
（7）应用层
为用户提供到OSI环境的接入手段，同时提供分布式信息服务
第二部分 数据通信
主要讲述如何在两个直接相连的设备之间传送数据，也就是说，这两个设备由一条传输路径相互连接，而不是通过网络相连。
第3章 数据传输
通信设施的设计者必须考虑四个因素：信号的带宽、用来传输数字信息的数据率、噪声以及其他损伤的强度、可忍受的差错率等级。信号的带宽指的是组成该信号的频率范围的宽度（任何电磁信号都由一些频率成分组成）。
传输过程可能是单工（simplex）、半双工（half-duplex）或全双工（full-duplex）的。在单工传输方式中，信号仅向一个方向传输；在半双工中，两个站点都可以发送信号，但在同一时间保允许一方发送；在全双工中，两个站点可同时发送信号。
数据率与带宽的关系：信号的数据率越高，其有效带宽就越宽。换一个角度，传输系统的带宽越宽，则能够在这个系统上传输的数据率就越高。
传输损伤
最重要的损伤有：
（1）衰减和衰减失真
随着传输距离的增长，信号强度会不断减弱。对导向媒体来说，这种强度的减弱通常是呈指数变化的。对于非导向媒体来说， 是距离的复杂函数，并与大气的成分有关。传输工程中会有三方面的考虑：1.接收到的信号必须有足够的强度，这样接收器中的电路才能检测到信号。2.信号电平必须比噪声电平高某个程度，这样接收的数据才没有差错。3.衰减随频率的变化不同。
对于第一和第二个问题可以使用放大器和转发器解决，对于第三个问题，就要采用衰减均衡技术。
（2）时延失真
产生是由于在导向媒体上信号传播速度随频率不同而改变，从而导制了不同频率之间的相移，某个比特的一些频率成分会溢出到其他比特上，因此会产生码间串扰，它是传输信道上最高比特速率受限的一个主要因素。均衡技术也可用于时延失真。
（3）噪声
噪声可以分为4类:
- 热噪声
是由于电子的热运动造成的，均匀分布在通信系统常用的频率范围内，因此它通常称为白噪声。
- 互调噪声
当不同频率的信号共享同一传输媒体时，就会产生。互调噪声带来的影响是产生了额外的信号，它的产生是由于在发送器、接收器存在非线性因素，或者是传输系统受到干扰。
- 串扰
- 冲激噪声
奈式公式：如果信号传输速率是2B，那么频率不大于B的信号就完全能够按此数据率传送。反之亦然，假定带宽为B，那么可以承受的最大信号率就是2B。
之所以有这个限制是由码间干扰的影响，这一结果对于开发数字到模拟的编码机制十分有用，并且从本质上看的确是与采样定理的出相同。
香农公式
C是信道容量，B是信道带宽，S/N是信噪比。该公式假定噪声为白噪声，既没有考虑冲激噪声，也没有考虑衰减和时延失真。即使是在理想的白噪声的环境下，因为编码的原因（如编码长度和复杂性等），目前的技术仍然无法达到香农容量。
第4章 传输媒体
| 频率范围 | 典型衰减率 | 典型时延 | 转发器间距 | |
|---|---|---|---|---|
| 双绞线（有负载） | 0~3.5khz | 0.2db/km在1kHz | 50微秒/km | 2km |
| 双绞线（多对线） | 0~1MHz | 3db/km在1kHz | 5微秒/km | 2km |
| 同轴电缆 | 0~500MHz | 7db/km在10kHz | 4微秒/km | 1~9km |
| 光纤 | 180~370THz | 0.2~0.5db/km | 5微秒/km | 40km |
双绞线
将线对绞合起来是为减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串音干扰。双绞线有两种不同的类型：无屏蔽和屏蔽。所谓屏蔽就是用金属或护皮将双绞线屏蔽起来，以减少干扰。
无线传输
我们感兴趣的频率范围有三个：（1）微波频率，在个频率范围内，高方向性的波束是可实现的，因此微波非常适用于点对点传输。（2）无线电波区，适用于全向应用（3）红外线频谱，在特定地域内完成点对点及多点应用时非常有用。
第5章 信号编码技术
数据率：指的是数据传输的速率，以比特每秒为单位。
调制速率：指信号电平改变的速率，用波特表示。
（1）数字数据，数字信号
对数字数据进行数字编码的最简单的形式是为二进行制1分配一个电平，再为二进行0分配另一个电平。更复杂的编码机制可通过改变信号的频谱并提供同步能力来提高其性能
（2）数字数据，模拟信号
调制解调器可以将数字数据转换为模拟信号，以便在模拟线路上传输。其基本技术有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）以及相移键控（PSK）。以上几中方式都要涉及到对载频的一个或多个属性的改变来表示二进制数据。
（3）模拟数据，数字信号
最简单的技术是脉码调制（PCM），它包括对模拟数据的定期采样及对这些样本的量化处理
（4）模拟数据，模拟信号
模拟数据经过载频后生成的模拟信号位于不同的频带上，以便于某个模拟传输系统的操作。其基本技术是调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）
第6章 数字通信技术
异步传输
这种机制的策略是拒绝传输无中断的长比特流,以此来避免时序上的问题.
同步传输
比特块以稳定的比特流的形式传输,没有起始和停止位.为了防止发送器和接收器之间的时间偏移,它们时钟必须以某种形式同步.
第7章 数据链路控制
由于存在传输差错的可能性，并且数据接收方可能需要调整数据到达的速率，因此完全靠同步和接口技术本身还是不够的。有必要在各通信设备中再增加一个控制层，由它提供如流量控制、差错检测及差错控制这样的功能。流量控制使接收方能够调整来自发送方数据流，以防止接收方的缓存溢出。在数据链路控制协议中，差错控制是通过对损伤帧的重传来实现，这些帧或者是未被确认，或者是因为对方要求重传。
滑动窗口流量控制
让我们来考察一下两个全双工链路连接的站点A和B之间是如何工作的。站点B为w个帧分配了缓存，因此，B能够接受W个帧，且允许A在不等待任何确认帧的情况下发送w个帧。为了始终掌握哪些帧已经被确认，每个帧都通过一个序号来标识。B通过发送一个帧来肯定某个帧已经被接收，在这个确认帧中包含有下一个希望接收到的帧序号。同量这个确认帧还隐含地表明了B已经准备就绪接收以指明序号为首的W个帧。这种机制也可用于一次确认多个帧。例如，B接收了帧2，3，4，但在帧4到达之前它不发出确认帧。当帧4到达后，B通过返回一个带有序号5的确认帧来一次性肯定2，3，4的到达。A维护了一张允许发送的序号列表，而B维护的是它准备接收的序号的列表。这两张列表都可以被 认为是一个帧窗口。因此这种操作称为滑动窗口流量控制。
自动重传请求
（1）停止等待
（2）返回N
（3）选择拒绝
接收方必须维护一个足够大的缓存，以便保存SREJ后收到的帧，直至那个差错的帧被重传，而且它还必须具有能够按照正确顺序重新插入这些帧的逻辑。发送方也需要具有能够发送失序帧的更为复杂的逻辑。
第8章 复用
复用使从个传输源能够共享某一较高的传输容量。复用的两种常见形式是频分复用（FDM）和时分复用（TDM）。
- 频分复用。可用于模拟信号，通过 为每个信号分配不同的频带，就可以在同一个媒体上同时运输数个信号。要将各信号搬移到要求的频带上就需要使用调制设备，而要将调制信号结合起来就需要使用复用设备
- 同步时分复用。可用于数字信呈或携带数字数据的模拟信号，在这种复用形式下，来自各种数据源的数据以不断重复的帧形式运载。每个帧由一组时隙组成，各数据源在每个帧中分配一个或多个时隙。其效果是对来自各数据源的数据比特进行交错传输
- 统计时分复用。并不事先为特定的数据源分配时隙，而将用户数缓存起来，并利用空间的时隙，尽可能快的传输出去。
第9章 扩频
扩频是无线通信的一种重要编码形式。使用扩频技术不但能够提高接收效果，而且可以加大人为干扰和侦听的难度。扩频的基本思想是对信号进行调制，使传输信号的带宽显著增加。
- 跳频扩频是扩频的一种形式，在这种情况下，信号用看似随机的无线电频率序列进行广播，信号以固定时间间隔从一个频率跳到另一个频率
- 直接序列扩频在这种情况下，通过扩频码将原信号的每个比特对应到传输信号中的多个比特
- 码分多址利用扩频的传输本质，使从个用户可以做到彼此之间很少干扰地独立使用相同的带宽
第三部分 广域网
第10章 电路交换和分组交换
- 电路交换技术用于公用电话网络，并且是建立在租用线路上的专用网络的基础，它使用预设的电路交换机。电路交换的开发是为了处理话音通信量，但也可用于处理数字数据，虽然后一种应用通常效率比较低
- 使用电话交换技术，在两个通信的站点这之间建立一条专用的通路。在该连接期间，网络内的交换和传输资源完全为该电路的使用而保留。连接是透明的：一旦连接建立，对与之相连的设备来说，好像存在一条直接连接
- 分组交换是为了在数据通信量突发时提供比电路交换更高效率的设施而设计的。站点以称为分组的小数据块形式传输数据，每个分组都由一部分用户数据及控制信息组，这些控制信息是网络正常工作所必须的
- 分组交换网络与从不同的一个关键要素是其内部操作是数据报或虚电路。使用内部虚电路进，在两个端点之间定义一条路由，而该虚电路的所有分组都沿着这条相同的路由前进。使用内部数据报时，各分组独立对待，终点相同的分组可能沿不同的路由前进
- X.25是端系统与分组交换网络之间接口的标准协议
- 帧中继是分交换的一种形式，与X.25相比，它提供了流程化接口，性能有很大提高
第11章 异步传递方式
- ATM是流程化的分组传递接口。ATM利用的是固定大小的分组，称为信元。固定的大和固定格式的应用使其能够在高速网络上高效的传输
- 传输ATM信无必须用到某种形式的传输结构。其中一种选择是使用连续的信无流，这时在接口处没有采用复用帧结构。同步是以信元本身为基础的。第二种选择是将信元置于同步时分复用的封装中。在这种情况下，接口处的比特流具有基于同步数字系列SDH的外部帧
- ATM提供了实时的和非实时的服务。基于ATM的网络可以支持范围很主的通信量，包括T-1这样的使用恒定比特率（CBR）服务的同步TDM流；使用实时可变比特率（rt-VBR）服务的压缩话音和视频；使用非实时VBR（nrt-VBR）的具有特定服务质量要求的通信量；使用可用比特北（ABR）、不指明比特率（UBR）以及保证帧速率（GFR）服务的基于IP的通信量
第12章 交换网络中的路由选择
路由选择策略
（1）固定式路由选择
为网络中的每一对源点和目的结点选择一条永久的路由。
（2）洪泛
这种技术不需要任何网络信息，其工作过程：一个分组由源点发送到与其相邻的每一个结点上。在各个结点上，收到的分组再次被传输到除分组到害时所经过的链路外的所有输出链路。为了防止分组无穷无尽的重传，一种办法是让每个结点都记住它已经重传过的那些分组的标识。当该分组的副本再次到达时，将被丢弃。另一个方法是为每个分组设置一个跳数计数字段，
（3）随机路由选择
为了重传收到的分组，结点只选择一条输出链路，这条链路是众除了分组到达所经过的那条链路之外的其他链路中随机选中的。
（4）自适应路由选择
路由的选择随着网络条伯的变化而改变。
最小代价算法
（1）Dijstra算法
(2)Bellman-Ford算法
比较：
在Bell-Ford算法中每个结点只需要与其相邻的结点交换信息，而Dijstra算法中，每一个结点需要与所有的结点交换信息
第13章 数据网中的拥塞控制
技术
（1）反压
这种技术的效果类似于流过管道的流体产生的反压现象。
（2）阻流分组
由拥塞的结点产生的控制分组，并且被传回源点结点以限制通信流量。阻流分组的一个例子就是ICMP的“源点抑制”分组。
（3）隐式拥塞信令
网络在发生拥塞时，可能会出现两种情况：一，从源点到终点的个别分组的传输时延加大，以至时显地比固定传播时延长得多（2）分组被丢弃。如果源点能检测到传输时延的增加以及分组的丢弃，那么这就有间接的证据说明网络发生了拥塞。如果所有源点都能检测到拥塞，并据此而减缓流量，那么网络拥塞就可以消除。
（4）显式拥塞信令
网络会向网络中正形成的拥塞端系统发出警告，而端系统则应采取措施降低对网络的供给负荷。
第四部分 局域网
csma/cd
（1）如果媒体空闲，传输；否则，转到步骤2.
（2）如果媒体忙，持续监听，直至发现信道空闲，然后立刻传输
（3）如果在传输过程中检测到冲突，传输一个简单的干扰信号以保证所有站点都知道发生了冲突并停止传输
（4）发完干扰后，随机等待一段时间，称之为退避，然后尝试再次传输。
二进制指数退避：
在前10次重传过程中，每次重传的随机是时延平均值会加倍，然后再做6次尝试，此时的平均时延保持不变。在16次不成功的尝试后，站点放弃传输并报告有差错发生。
第五部分 网际协议和运输协议
IPV4
上图是ipv4的首部：
（1）版本：其值为4
（2）首部长度：以32比特字为单位的首部长度，最小值为5.
（3）服务类型：前6位称为DS（Differentiated Services，区分服务）字段，后两位称为ECN（Explicit Congestion Notification，显示通知字段）
（4）长度：数据报的长度，包括首部和数据，以32比特为单位
（5）标识：一个序号，它与源地址、目的地址以及用户协议结合起来使用，以便唯一地标识一个数据报。
（6）标志
（7）偏移量：指出这个数据报片在源数据报中的位置，以64比特为测量单位
（8）TTL：生存时间
（9）协议：指出目的系统中接收数据字段的上层协议。TCP=6，UDP=17，ICMP=1等
（10）检验和：仅仅对首部的差错检验
IP地址
IP地址通常用点分十进制表示法书写，就是用一个十进制来表32比特地址中的每个八位组。主机号全部为1的地址称为广播地址。
（1）A类网络地址
第一个八位组为0和127的网络地址被保留，因此只有126个可能的A类网络，127用于lookback，0表示是本地宿主机。
其中10.*.*.*是A类网络中的用于私用网络的网络地址。
（2）B类网络地址
共有2^14=16384个B类网络地址（128~191）。
其中172.16.*.*~172.131.255.255是B类网络中用于私用网络的网络地址。
（3）C类网络地址
2^21=2097152个C类网络地址（192~223）。
192.168.0.0~192.168.*.*是C类网格中用于私用网络的网络地址。
子网
互联网地址的“主机”部分被划分为子网号和主机号两部分，这样从互联网的其他成员来看，这个区域上只有一个网络，本地路由器在选择路由时，把IP地址的“网络”部分和子网号组成新的网络号。
ICMP
（1）终点不可达，超时；源站抑制
（2）参数问题
（3）重定向
（4）回送和回送回答
（5）时间戳
（6）时间戳问答
（7）地址掩码请求
（8）地址掩码回答
ARP（Address Resolution Protocol）
工作过程：
（1）局域网中的每个系统都要维护一张已知的IP与子网地址影射关系的表
（2）当某个IP地址需要被映射成一个子网地址，而在该系统的表中又找不到其映射关系时，系统使用ARP直接从局域网协议的顶层广播此请求。被广播的消息中含有需要寻找相应子网地址的IP地址。
（3）该子网上的其他主机监听ARP消息，并且在与其地址匹配的情况时做出回答。在回答中包括 发出回答的主机的IP地址及其子网地址。
（4）原始的请求中包括了发出请求的主机的IP地址及其子网地址。任何感兴趣的主机都可以将此信息复制到它自己的本地表中，以避免将来再用ARP消息来获取它
（5）ARP消息也可用于简单地广播某个主机的IP地址和子网地址，因为子网中的其他主机可能需要它。
IPV6
已经定义的扩展首部:
（1）逐跳选项首部：定义了要求逐跳处理的特殊选项
（2）路由选择首部：提供了类似于IPv4源选择的扩展路由选择
（3）分片首部：包含了分片和重装的信息
（4）鉴别首部：提供了分组的完整性及其鉴别
（5）封装安全有效载荷首部：提供了保密手段
（6）目的地选项首部：包含了由目的结点检查的可选信息
第20章 运输协议
有两种基本类型的运输服务：面向连接的和无连接的，后一种也称为数据报服务。
3次握手连接，4次握手断开。
（1）确认号：包含了TCP实体希望接收的下一个数据八位组的序号。
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