【阅读笔记】计算机网络 第五版 阅读笔记(持续更新)
计算机网络 第五版阅读笔记
第一章 概述
1.因特网的组成
边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成
2.计算机之间的通信方式
客户服务器端方式（C/S模式）：客户端是服务请求方，服务器端是服务提供方
对等方式（P2P模式）：平等,对等连接通信，每一个主机既是客户又是服务器。
3.电路交换，分组交换和报文交换
3.1 电路交换：建立连接(占用通信资源)->通话(一直占用)－>释放连接(释放通信资源)。
优点：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。
缺点：由于绝大部分时间线路是空闲的，因此线路的传输效率很低.
3.2 分组交换：利用首部控制信息将整个报文进行分组，形成若干个包。采用存储转发技术，路由器收到分组－>缓存分组－>检查首部－>查路由表确定转发地址－>转发分组。
优点：高效，灵活，迅速，可靠。
缺点：存储转发需要排队带来时延，且首部控制信息造成一定的开销，而且还需要专门的管理和控制机制。
3.3 报文交换：也是基于存储转发。整个报文先转发到相邻结点，全部存储下来再转发到下一个结点。
优点：通信线路利用率高，
缺点：时延太长。
4.计算机网络的类别：
按作用范围分：广域网(WAN)，城域网(MAN)，局域网(LAN)，个人区域网(PAN)
按使用者分：公用网(public network)，专用网(private network)
5.计算机网络的性能：
5.1 速率：信道上传送数据的速率。单位:b/s（bps）,还有kb/s,Mb/s,Gb/s等，指的是额定速率或标称速率
5.2 带宽：原指某个信号具有的频带宽度，在计算机网络中指单位时间内信道中的最高数据率。单位：b/s
5.3 吞吐量：单位时间内通过某个网络(或信道，借口)的数据量。绝对上限值等于带宽。一般来说,100Mb/s的以太网，其典型的吞吐量可能只有70Mb/s
5.4 时延：数据从一端传送到另一端的所需的时间。
(1)发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也叫传输时延。
(2)传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
(3)处理时延：收到分组后需要花费一定的时间来处理
(4)排队时延：分组进入路由器后，需要排队等候发送。
5.5 时延带宽积：以比特为单位的链路长度
5.6 往返时间(RTT)：发送方发送开始，到收到对方接收到消息的确认，所需的时间
5.7 利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的。
6.计算机网络的非性能特征：费用，质量，标准化，可靠性，可扩展性和可升级性，易于维护和管理
7.计算机网络体系结构：
OSI七层体系：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层
TCP/IP四层体系：连接层，网际层(ip)，传输层(tcp/udp)，应用层(万维网http，电子邮件SMTP，文件发送FTP等)
五层协议体系：物理层，数据链路层，网络层，运输层，应用层
8.网络协议三要素：语法，语义，同步
9.实体，协议，服务，服务访问点，协议栈
(1)实体：任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。
(2)协议：控制两个对等实体（或多个）进行通信的规则的集合，协议时水平的，同层间
(3)服务：下层向上层通过层间借口提供服务，服务是垂直的
(4)服务访问点SAP：同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方。比较抽象，可以当成一个缓存池，可以放数据也可以取数据
(5)协议栈：网络中各层协议的总和
第二章：物理层
1.物理层特性：
(1)机械：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等
(2)电气：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
(3)功能：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
(4)过程：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
2.传输媒体：导向传输媒体和非导向传输媒体
(1)导向传输媒体：双绞线，同轴电缆，光缆
(2)非导向传输媒体：无线电波通信，短波通信(电离层的反射)
3.通信系统：分为源系统，传输系统，目的系统
(1)源系统：包括源点和发送器，前者负责产生要传输的数据，后者负责对比特流数据进行编码后发送到传输线路上(调制器)。
(2)传输系统：简单的传输线或者复杂的传输网络
(3)目的系统：包括接收器和终点。前者负责接收传输来的数据并转换成能够被目的设备处理的信号，后者负责从接收器获取数据并把信息输出。
4.通信方式：
(1)单向通信：单工通信，只能从一方发送另一方接受，没有反方向的交互
(2)双向交替通信：半双工通信，双方都可以发送消息，但是不能同时发送
(3)双向同时通信：全双工通信，双方可以同时发送和接受消息
5.调制：分为基带调制和带通调制，基带调制仅仅对基带信号的波形进行变换，带通调制利用载波进行调制。
Q：为什么要调制？
A：信源的基带信号包含太多低频成分，甚至有直流成分，而信道并不能传输这种低频或直流分量，故需要调制。
带通调制有以下三种方式：
(1)调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化,例如：高幅值表示为1，低幅值表示为0
(2)调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化，例如，高频信号表示为1，低频信号表示为0
(3)调相(PM)：载波的初始相位随基带信号而变化，例如：发生相位变化表示为1，否则表示为0
6.信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，S/N，单位dB分贝。
香农公式：
习题2-08 假定要用3kHZ带宽的电话信道传送64KB/S的数据(无差错传输)，试问这个信道应该具有多高的信噪比，(分别用比值和分贝来表示？这个问题说明了什么？)
答案：由香农公式算出S/N = 3767910.675 ，再由信噪比公式算出S/N = 65.7dB。说明这是个信噪比很高的信道。
7.信道复用技术
(1) 频分复用(FDM)：每个用户都分配有自己的频带，通信过程中至始至终都占用这个频带。频分复用的用户在同样的时间占用不同的频带宽度。
(2) 时分复用(TDM)：将提供给整个信道传输信息的时间划分为若干个时分复用帧(TDM),每一个用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙进行数据传输。时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度。
tip:时分复用时固定分配时隙，往往会降低线路利用率(3) 统计时分复用(STDM)：时分复用的改进。利用集中器对各个用户的数据进行缓存和按需动态分配时隙，然后发送出去。此种方法可以明显提高线路的利用率。
(4) 波分复用(WDM)：相当于光的频分复用，按波长来分配给用户
(5) 密集波分复用(DWDM)：光载波的间隔小，分配密集
(6) 码分复用(CDM)：共享信道，靠不同的编码来区分各路原始信号
码片：每一个比特时间划分为m个短的间隔。如：8bit码片序列10010010，则1表示为10010010,0表示为01101101,码片序列按照惯例改为(+1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 -1)
(7) 码分多址(CDMA)：给每一个站分配的码片序列既要各不相同又要互相正交
每个站选取自己的码片序列，A站选取(+1 -1 -1 +1)，B站选取(-1 -1 +1 +1)，必须要严格正交。
习题2-16 共有4个站进行码分多址CDMA通信。4个站的码片序列为：
A：（-1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1） B：（-1 –1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）
C：（-1 +1 –1 +1 +1 +1 -1 -1） D：（-1 +1 –1 –1 -1 –1 +1 -1）
现收到这样的码片序列：（-1 +1 –3 +1 -1 –3 +1 +1）。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1还是0？
答案：S*A = (1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1，A发送1；
S*B = (1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1，B发送0
S*C = (1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0，C没有发送数据；
S*D = (1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1，D发送1
8.数字传输系统：
(1) 脉波调制PCM：模拟信号经过采样，量化，编码转换成数字信号，每个PCM信号用时分复用TDM装成帧再一帧一桢地发送。缺点：速率标准不统一，不是同步传输
(2)同步光纤网SONET和同步数字系列SDH：解决PCM的缺点
9.宽带接入方式：xDSL(ADSL,HDSL,VDSL)，光纤同轴混合网HFC，FTTx技术(光纤到户FFTH)Fiber to the home！
第三章：数据链路层
1.数据链路层使用的信道：点对点信道和广播信道
2.数据链路和帧:
(1)链路(物理链路)：一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何转换结点。
(2)数据链路(逻辑链路)：由物理链路加上必要的通信协议构成。通常采用网络适配器来实现。
(3)帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元。
3.数据链路层的三大基本功能
3.1 封装成帧：在一端数据的首部和尾部分别加上帧开始符(SOH 01)和帧结束符(EOT 04)。另外：数据长度应当小于数据链路层协议规定的最大传输单元(MTU)。
3.2 透明传输：SOH和EOT都是二进制码，若帧中数据中出现了和SOH和EOT一样的二进制码，则会出现帧定界错误。为了解决这样的问题，可以在数据中出现控制字符SOH和EOT的前面加上转义字符ESC来避免上述错误(称为”字符填充法”)。
3.3 差错检测：
(1)误码率(BER)：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率
(2)循环冗余检验(CRC)：在数据后面添加供差错检测用的n位冗余码，在接收端通过冗余码来进行差错检测。
(3)帧检验序列(FCS)：添加在数据后面的冗余码。Tips:FCS可以用CRC获取，也可以不用CRC获得。
(4)CRC差错检测技术只能保证每一帧的无差错接收(比特差错)，但并不能解决帧丢失，帧重复以及帧失序等问题。
4.点对点协议PPP
4.1 帧格式：标志|地址|控制|协议|数据|校验|标志
(1) 标志：首部的标志符表示一个帧的开始，尾部的标志结束。规定为0x7E。
(2) 地址：因为是点对点，地址没有用，所以设为广播地址，0xFF
(3) 控制：规定为0x03，为保留字段，无意义
(4) 协议：2B，定义数据字段中携带的数据类型
(5) 数据：长度可变，最大不超过1500B(MTU)
(6) 校验：FCS，用于CRC校验
4.2 透明传输
(1)字节填充：异步传输时转义字符为0x7D。填充方法：0x7E转变成(0x7D,0x5E),0x7D转变成(0x7D,0x5D)，ASCII码的控制字符，即小于0x20的字符，如0x03变成(0x7D,0x23)。
(2)零比特填充：同步传输时采用此填充方法，因为F标志位0x7E(01111110)，数据段出现5个1就填充一个零，防止被误认为时F标志位。
4.3 PPP协议
(1) 链路控制协议簇(LCP)：建立，配置，测试PPP数据链路连接；
(2) 网络控制协议族（NCPS）：协商在该链路上所传输的数据包的格式与类型，建立，配置不同网络层协议；
(3) PPP扩展协议族：提供对PPP功能的进一步支持。
5.局域网的拓扑：星形网，环形网，总线网，树形网
6.CSMA/CD协议(半双工通信)：载波监听多点接入/碰撞检测(Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection)
6.1 传统以太网的连接和数据编码方式：采用无连接的方式(即不必先建立连接就可以直接发送数据)，采用曼彻斯特(Manchester)编码，即高电平->低电平代表0，低电平到高电平代表1；
6.2 CSDA/CD协议要点
(1)多点接入：总线型网络
(2)载波监听：发送前先监听，如果其他站在发送数据则暂时不发送
(3)碰撞检测：边发送边监听，发送数据的同时检测总线信号电压来判断其他站是否在发送数据。档一个站检测到总线上的信号电压超过一定的阈值(超过阈值传输的信号会发生明显的失真)时，既表示总线上至少有两个站在发送数据，碰撞产生，适配器立刻停止发送。
6.3 截断二进制指数退避：碰撞不是立刻进行第二次发送，而是推迟一个随机的时间，为了减小再次重传时发送冲突的概率。基本步骤如下：
(1) 确定基本退避时间2τ，以太网把争用期(2τ)定为51.2μs,10M以太网一个争用期可以发送512bit，64字节
(2) 确定重传次数，k=Min(重传次数，10)，从离散集合[1,2,….,2^k-1]中选取一个数，记为r，则发生冲突后的基本退避时间为r倍的争用期
(3)当重传次数达16次仍然不能成功，则丢弃该帧，并向高层报告。
6.4 以太网规定最短有效帧长为64字节，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。还规定了帧间最小间隔为9.6μs，为了使刚刚收到数据帧的站的接受缓存来得及清理。
7.使用广播信道的以太网
7.1 集线器工作在物理层，只进行简单的转发比特，不尽兴碰撞检测
7.2 以太网的信道利用率：a = τ/T0,单程端到端时延τ与帧的发送时间T0之比。a越小，代表检测到碰撞的时间就越短，信道利用率越高。极限信道利用率Smax=T0/(T0+τ)=1/(1+a)；只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。
7.3 MAC层：
(1)MAC地址：硬件地址或者物理地址，固化在网卡里面的物理地址。
(2)MAC帧格式：目的地址|源地址|类型|数据|FCS
目的地址，源地址：分别为6个字节的MAC地址，
类型：2个字节，用来标志上一层用了什么协议
数据字段：46-1500字节(最短有效帧长64减去首部和尾部的16个字节，得出46字节)
FCS字段：进行CRC校验
在MAC向下传输到物理层的时候还需要在帧头部插入前同步码和帧开始定界符
前同步码：7字节，用于使接收端的适配器在接受MAC帧时能迅速调整到其时钟频率
帧开始定界符：1字节，顾名思义！
Tips:此处不需要帧结束定界符时因为采用了曼彻斯特编码，当电压不在变化的时候就代表结束了
8.以太网的扩展
(1)在物理层扩展：使用多级结构的集线器
(2)在数据链路层扩展：使用网桥,透明网桥，源路由网桥，多接口网桥(交换机)
9.高速以太网(100Mb/s以上)