
| 层 | 作用 |
|---|---|
| 应用层 | 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用 |
| *表示层 | 在不同的数据格式之间进行转换操作,以实现不同计算机系统间的信息交换 |
| *会话层 | 利用运输层提供的服务,使应用建立和维持会话,并能使会话获得同步 |
| 运输层 | 负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务 |
| 网络层 | 负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务 |
| 数据链路层 | 在链路上无差错的传送帧,解决分组在一个网络(或一段链路)上传输的问题 |
| 物理层 | 怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上透明地传输数据比特流 |
在各层传输的数据单位:(协议数据单元PDU:对等层次之间传送的数据单位)
五种不同的中间设备:
当中间设备是转发器或网桥时,这仅仅是把一个网络扩大了,而从网络层的角度看,这仍然是一个网络,一般并不称之为互联网络。

奈式准则描述的是无噪声影响下,码元的传输速率,描述的是每秒可以传输多少个码元
奈式准则体现了信道的频谱宽度决定通信速率,体现了信道的频谱宽度对信道的约束
奈式准则的意义:激励工程人员不断探索更加先进的编码技术,使每一个码元携带更多比特的信息量

调制速率就是码元传输速率
单位:波特率Bd(每秒钟传送的码元符号的个数)
bps(bit per second)
数据的传输还受到信号噪声比的影响
体现了信噪比对通信的约束
信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比,常记为 S / N S/N S/N
使用分贝(dB)作为度量单位。即:
信 噪 比 ( d B ) = 10 log 10 S / N ( d B ) 信噪比(dB)=10\log_{10}^{S/N}(dB) 信噪比(dB)=10log10S/N(dB)
香农公式:指出在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
C = W log 2 1 + S / N C=W\log_{2}^{1+S/N} C=Wlog21+S/N(bit/s)
W为信道带宽;S为信道内所传信号的平均功率;N为信道内部的⾼斯噪声功率,
S
/
N
S/N
S/N为信噪比。
⾹农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高。
香农公式指出了信息传输速率的上限。
香农公式的意义在于:只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就⼀定存在某种办法来实现无差错的传输。
告诫工程人员:在有噪声的实际信道上,不论采用多么复杂的编码技术,都不可能突破香农公式给出的信息传输速率的绝对极限。
这两者是不完全一样的,因为比特和码元所代表的意思并不相同。在使用二进制编码时,一个码元对应一个比特,在这种情况下,“比特/秒”和“码元/秒”在数值上是一样的。但一个码元不一定总是对应于一个比特。根据编码的不同,一个码元可以对应于几个比特,但也可以是几个码元对应于一个比特。
(电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播)
(电磁波通常以无线传播)
以太网从之前的总线结构逐渐过渡到星形拓扑结构,在星形的中⼼增加了⼀种可靠性⾮常⾼的设备——集线器(使用双绞线)。
IEEE制定星形以太网 10BASE-T的标准802.3i。“10”代表10Mbit/s数据率,BASE表示连接线上的信号是基带信号,T代表双绞线。
BASE:连接线上的信号是基带信号
T:双绞线
前面的数字:
从表面上看,使用集线器的局域网在物理上是一个星形网,但使⽤集线器的以太网在逻辑上仍是⼀个总线网,各站共享逻辑上的总线,使用的还是CSMA/CD协议(各站中的适配器执行CSMA/CD协议)。
以太⽹交换机不使用共享总线,没有碰撞问题,因此不使⽤CSMA/CD协议,以全双共方式工作,但仍然采用以太网的帧结构。
速率达到或超过
100
M
b
i
t
/
s
100Mbit/s
100Mbit/s的以太⽹称为⾼速以太⽹。

最短帧长还是64字节,512比特!
争用期还是512比特时间,但是数据率扩大了十倍,因而实际争用期是10Mbit/s以太网的十分之一。帧间最小间隔也是十分之一。
记住:10Mbit/s的以太网,100Mbit/s的以太网的争用期都是相对于自身发送速率而言的512比特时间。
在以太网中,到万兆网开始彻底不用CSMA/CD
争用期、最短帧长归纳:
(1)准备发送:适配器从网络层获得⼀个分组,加上以太网的首部和尾部,组成以太网帧,放⼊适配器的缓存中,但在发送之前,必须先检测信道
(2)检测信道:若检测到信道忙,则应不停地检测,⼀直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲,并在96比特时间内信道保持空闲(保证了帧间最小间隔),就发送这个帧。
(3)发送过程中仍不停地检测信道,即网络适配器要边发送边监听。这⾥存在两种可能性:
CSMA/CD和CSMA/CA的主要差别对比如下:
CSMA/CD:带有冲突检测的载波侦听多路访问,可以检测冲突,但无法“避免”
CSMA/CA:带有冲突避免的载波侦听多路访问,发送包的同时不能检测到信道上有无冲突,只能尽量“避免”
CSMA/CA 要配合停止等待协议使用,且拥有对信道的预约机制。
为什么会不一样?
两级的IP地址结构是⽹络号(标记主机所连接到的⽹络)+主机号(标记该主机)


A:

B:

C:




主机号全零:本主机所连接到的网络的地址
主机号全一:该网络上的所有主机,常用作广播
网络号全零:本网络
网络号全一:保留用作本地环回测试
注意,A类地址开头为0,网络号八位全0分配不出去,是本网络,网络号一个0后面跟7个1也分配不出去,是本地环回测试地址。
AS:自治系统
自治系统AS是在单一技术管理下的许多网络、IP地址以及路由器,而这些路由器使用一种自治系统内部的路由选择协议和共同的度量。每一个AS对其他的AS表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略。
互联网有两大类路由选择协议:
(1)内部网关协议IGP,包括了RIP和OSPF协议(⾃治系统AS内部)
(2)外部网关协议EGP,包括了BGP(⼀个⾃治系统AS1到另⼀个⾃治系统AS2)
AS之间的路由选择称为域间路由选择,AS内部的路由选择称为域内路由选择
每个自治系统都有一个或多个路由器(边界路由器),除运行本系统的内部路由选择协议外,还要运行自治系统间的路由选择协议。
| RIP | OSPF | |
|---|---|---|
| 最主要特点 | 简单 | 灵活 |
| 名称 | 路由信息协议 | 开放最短路径优先协议 |
| 内涵 | 距离向量协议 | 链路状态协议 |
| 发送信息对象 | 仅仅向自己相邻的几个路由器发送信息 | 通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息(洪泛法) |
| 发送的信息 | 到所有网络的距离和下一跳地址 | 本路由器相邻的所有路由器的链路状态 |
| 结果 | 每一个路由器知道到所有网络的距离以及下一跳路由器,但不知道全网的拓扑结构 | 每个路由器都知道全网共有多少个路由器,以及哪些路由器是相连的,其代价是多少,每个路由器使用链路状态数据库中的数据,来构造出自己的路由表 |
| 特点 | 只能找出到某个网络的一条路径 | 如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径,那么可以将通信量分配给这几条路径。这叫作多路径间的负载均衡 |
| 路由的距离由固定的“跳数”来衡量 | OSPF允许管理员给每条路由指派不同的代价。OSPF对于不同类型的业务可计算出不同的路由 | |
| 更新时间 | 按固定的时间间隔交换路由信息 | 在网络运行的过程中,只要有一个路由器的链路发生变化,该路由器就要使用链路状态更新分组,用洪泛法向全网更新链路状态。 |
| 每隔一段时间,如30s,要刷新一次数据库中的链路状态 |


OSPF的重要优点就是更新过程收敛得快。OSPF使⽤层次结构的区域划分,区域与区域之间通过区域边界路由器相连,使得每一个区域内部交换路由信息的通信量大大减小。
主干区域的标识符为0.0.0.0
边界网关协议BGP只是寻找⼀条能够到达目的网络前缀且⽐较好的路由(不能兜圈子),而并非要计算出⼀条最佳路由。
采用路径向量路由选择协议
下面这两个连接都是TCP连接,半永久性连接(双方交换完了信息后仍然保持着连接状态)
eBGP、iBGP是同一个协议,eBGP是在不同AS的两个对等端的BGP连接,iBGP是同一AS的两个对等端之间的BGP连接,遵循同样的BGP协议。
由此可见,协议BGP并非仅仅运行在AS之间,而且也要运行在AS的内部。
协议BGP规定,在一个AS内部所有的iBGP必须是全连通的,即使两个路由器之间没有物理连接,但它们之间仍然有iBGP连接。
三种不同自治系统AS:
BGP的路由选择:
(按先后顺序执行选择)
BGP报文是作为TCP报文的数据部分进行传送的。
| RIP | OSPF | BGP |
|---|---|---|
| 用户数据报UDP的数据部分 | IP数据报的数据部分 | TCP报文的数据部分 |

专用地址:只能用作本地地址而不能用作全球地址。
在互联网中的所有路由器,对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。
采用这样的专用IP地址的互联网络称为专用互联网或本地互联网,或更简单些,就叫作专用网。
专用IP地址也叫做可重用地址。
一个机构想构建自己的VPN就必须为它的每一个场所购买专门的硬件和软件,并进行配置,使每一个场所的VPN系统都知道其他场所的地址。
在专用网内部的一些主机本来已经分配到了本地IP地址(即仅在本专用网内使用的专用地址),但现在又想和互联网上的主机通信(并不需要加密),那么应该采取什么措施呢?
最简单的就是设法再申请一些全球IP地址。但是这是不容易做到的没目前使用的最多的是采用网络地址转换。
需要在专用网连接到互联网的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器,它至少有⼀个有效的外部全球IP地址。
当专用网内的主机与互联网上的主机进行通信时,通过NAT路由器作IP数据报的源地址、目的地址的转变。
普通路由器在转发IP数据报时,对于源IP地址和目的IP地址都是不改变的。但NAT路由器在转发IP数据报时,一定要更换其IP地址(转换源IP地址或者目的IP地址)
当NAT路由器具有n个全球IP地址时,专用网内最多可以同时有n台主机接入到互联网。这样就可以使专用网内较多数量的主机,轮流使用NAT路由器有限数量的全球IP地址。
通过NAT路由器的通信必须由专用网内的主机发起。
专用网内的主机不能直接充当服务器用。
为了更有效地利⽤NAT路由器上的全球IP地址,常⽤的NAT转换表把运输层的端口号也利⽤上。这样拥有多个本地地址的主机就能共用⼀个NAT路由器上的全球IP地址了。
普通路由器在转发分组时是工作在网络层的,但NAPT路由器还要查看和转换运输层的端口号。
MPLS利用面向连接技术,使每个分组携带一个叫做标签的小整数。当分组到达交换机(即标签交换路由器)时,交换机读取分组的标签,并用标签值来检索分组转发表。这样就比查找路由表来转发分组快得多。
与传统IP路由方式相比,它在数据转发时,只在网络边缘分析IP报文头,而不用在每一跳都分析IP报文头,节约了处理时间。
华为解释:
90年代中期,IP技术凭借技术简单和成本低廉实现快速发展,Internet数据海量增长。但由于硬件技术存在限制,基于最长匹配算法的IP技术必须使用软件查找路由,转发性能低下,因此IP技术的转发性能成为当时限制网络发展的瓶颈。
为了适应网络的发展,ATM(Asynchronous Transfer Mode)技术应运而生。ATM采用定长标签(即信元),并且只需要维护比路由表规模小得多的标签表,能够提供比IP路由方式高得多的转发性能。然而,ATM协议相对复杂,且ATM网络部署成本高,这使ATM技术很难普及。
如何结合IP与ATM的优点成为热门话题。多协议标签交换技术MPLS(Multiprotocol Label Switching)就是在这种背景下产生的。
传统的IP网络中,当网络很大时,查找含有大量项目的转发表需要花费很多的时间,在出现突发性的通信量时,往往还会使缓存溢出,这就会引起分组丢失、传输时延增大和服务质量下降。
优势:对打上标签的IP数据报用硬件进行转发,加快了IP数据报转发的过程
当一个IP数据报进入到MPLS域时,MPLS入口节点就给它打上标签
当IP数据报离开MPLS域时,MPLS出口节点就把MPLS的标签去除
| 标签交换 | IP交换 |
|---|---|
| 面向连接 | 不面向连接,独立路由 |

如果有相同的,那选的时候,就没法唯一的选出一个了





分用、复用(端口号)+差错控制(检验和不光检验首部,还检验数据字段)
TCP连接共有三个阶段:
采⽤C-S(Client-Server)模式,主动发起连接建⽴的进程称为Client,被动等待连接建⽴的进程称为Server
三次握手过程:

TCP通信双方同时发起⼀个连接,不会建立两个连接。
TCP 连接释放过程是四报文握手。
四次挥手过程:

Client在发送完最后⼀个ACK报⽂后必须等待2MSL时间,为了保证A发送的最后⼀个ACK报⽂段能够到达B。

理想的传输条件应具备的两个特点:
停止等待协议(连续ARQ协议)、滑动窗口协议


----HUB 所有端口都在同一个广播域,冲突域内。
----Swith所有端口都在同一个广播域内,而每一个端口就是一个冲突域。
----Router的每个端口属于不同的广播域、冲突域。

前⼗⼆字节分别为目的地址和源地址(开头是目的,然后是源),然后是两个字节的类型字段(⽤来标记上⼀层使⽤的是什么协议),第四个字段是数据字段,其长度范围在46字节到1500字节之间(46是为了保证整个MAC帧的最小长度为64字节),最后⼀个字段是4字节的帧检验序列FCS(使⽤CRC检验,不检验前同步码和帧开始定界符)。
在传输媒体上实际传送的要⽐MAC帧还多8个字节。这是因为当⼀个站在刚开始接收MAC帧时,由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步,因此MAC帧的最前⾯的若干位就⽆法接收,结果使整个MAC成为⽆⽤的帧。所以为了快速实现位同步,从MAC子层向下传到物理层时还需要在帧的前⾯插⼊8字节(由硬件生成),它由两个字段构成:第⼀个字段是7个字节的前同步码,作⽤是使接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整其时钟频率,使它和发送端的时钟同步(“实现位同步”)。第⼆个字段是帧开始定界符10101011。
注意:在使⽤SONET/SDH进⾏同步传输时不需要⽤前同步码,因为在同步传输时收发双⽅的位同步总是⼀直保持着的。
什么情况下MAC帧是无效帧?
MAC地址的发送顺序:

⼀个IP数据报由首部和数据两部分组成。⾸部的前⼀部分是固定20字节长度,是所有IP数据报必须具有的。⾸部的后⼀部分是⼀些可选字段,其长度可变。

固定部分各字段含义:

⾸部有8个字节,由4个字段组成,每个字段都是2字节,从前往后分别是源端口、目的端口、长度、检验和。
伪首部(12字节):源IP地址(4字节)、⽬的IP地址(4字节)、0(1字节)、17(1字节)、UDP长度(2字节)
计算检验和时,临时把12字节的“伪⾸部”和UDP⽤户数据报连接在⼀起。伪首部仅仅是为了计算检验和。(实际不存在)
IP数据报的检验和只检验IP数据报的首部,但UDP的检验和是把首部和数据部分一起都检验。
计算校验和过程:
接收端检验过程:
把收到的UDP数据报连同伪首部(以及可能的填充全0字节)一起,按二进制反码求这些16位字的和。当无差错时其结果应该为全1。
TCP传送的数据单元是报文段,TCP报文首部的前20个字节是固定的,后⾯有4n字节是根据需要而增加的选项(n为整数)。所以TCP首部最小长度为20字节。
⾸部固定部分各字段的意义:



总结:
逆向:
局域⽹的⼀端A需要单程传播时延的2倍的时间,才能检测到与另⼀端B的发送产⽣了冲突。将这边的端到端往返时延称为争用期,或碰撞窗口。经过争⽤期这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发⽣碰撞。
具体的争用期时间是 51.2 μ s 51.2\mu s 51.2μs,对于 10 M b i t / s 10Mbit/s 10Mbit/s以太网,在争用期内可发送512比特,即64字节。也可以说争用期是512比特时间。
因此在使⽤CSMA/CD协议时⼀个站不可能同时进⾏发送和接收,所以使⽤CSMA/CD的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。

由于存在⼀种可能:即发送端的帧非常短,在
2
τ
2\tau
2τ争⽤期内就已经把帧全部发送出去(并且在这期间没有检测到冲突),那么就不会收到帧发⽣碰撞的情况,也就不会进行重传了,这显然不是我们所希望的。
解决这⼀问题的办法:考虑到对于
10
M
b
i
t
/
s
10 Mbit/s
10Mbit/s的以太⽹,在
2
τ
2\tau
2τ也就是
51.2
μ
s
51.2\mu s
51.2μs时间内能够发送
512
b
i
t
512bit
512bit,即
64
64
64字节,因此规定最短帧长不得小于64字节,如果发送的数据非常少,则需要加⼊⼀些填充字节补齐⾄64字节。(凡收到长度小于64字节的帧都是由于冲突⽽异常中止的⽆效帧,应当立即丢弃)。
9.6
μ
s
9.6\mu s
9.6μs,相当于96bit时间
使刚刚收到数据帧的站接收缓存来得及清理,做好接收下一帧的准备。