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计算机网络和因特网

什么是因特网？

构成

• 主机 (host 或端系统( end system)

  • 通过ISP（Internet Service Provider）接入互联网

• 通信链路 (communication link)

• 分组交换机 (packet switch)： 路由器 (router) 与链路层交换机( link -layer switch)

服务描述

• 从服务于应用程序的基础设施的角度来描述因特网

网络边缘

接入网Access Network(将端系统物理连接到边缘路由器 ）

• 家庭接入

  • 数字用户线DSL（Digital Subscriber Line）

    • 双绞铜线，复用电话线

    • 单根DSL如果有三条单独的线路，上下速率不同，接入不对称

    • DSL调制解调器，DSLAM

  • 因特网接入电缆（cable Internet access)

    • 光纤和同轴电缆一起使用（HFC）

    • 复用电视系统

    • 共享广播媒体

  • 光纤到户FTTH（Fiber To The Home）

  • 卫星接入

  • 拨号接入

• 企业(家庭)接入

  • LAN（局域网）

    • 以太网是最流行的接入技术

    • 无限LAN（WIFI）

• 广域无线接入

  • 3G、4G、5G

  • LTE（ 长期演进）

物理媒体（Physical media）

• 导引型媒体（guided media）

  • 双绞铜线(twisted pair)

  • 同轴电缆(coaxial cable) 电视系统

  • 光纤（fiber optic cable）

• 非导引媒体（unguided media）

  • 陆地无线电信道

    • 短距离：蓝牙

    • 局域网：WIFI

    • 广域网：3G

  • 卫星无线电信道

网络核心

分组交换（packet switching）

• 存储转发传输：在交换机开始将分组传输到输出链路的第一个比特之前，必须接受整个分组；传输可以理解为发射

• 排队延迟和分组丢失

• 转发和路由选择协议

电路交换（circuit switching）

• 连接

  • 预留链路资源，非共享

  • 传输时间与链路数量无关

• 复用

  • 频分复用（FDM）

  • 时分复用（TDM）

分组交换和电路交换的区别

• 分组交换按需预留资源

• 电路交换预先分配资源

• 分组交换不适合实时系统，端到端延迟不可预测

• 为更多的用户提供更好的宽带共享服务

• 分组交换比电路交换更简单，成本更低

网络中的网络

• 十几个第一层ISP

• 区域ISP

• 接入ISP与区域或直接与第一层直接与第一层ISP连接

• 内容提供商(谷歌)建立自己的网络，直接与访问ISP连接，绕过顶层ISP，减少其费用

分组交换网络

时延

• 处理时延（nodal processing delay）

• 排队时延(queuing delay)

• 传输时延(transmission delay)

  • L/R，R(传输速率)

  • 与传播延迟不同的是发射路由器并推向链路的时间

• 传播时延(propagation delay)

  • 物理媒体取决于物理媒体的链接

排队时延和丢包

• a:分组到达队列的平均数量；L分组大小比特；R：传输速率；L*a/R>=1发生丢包

端到端时延

• 有源主机和目的主机N-1台路由器延迟时间N每个节点都有四个延迟，理解源也是一个节点

端到端吞吐量（throughput）

• 瞬时吞吐量（instantaneous）

• 平均吞吐量（average）

协议层次和服务模型

分层系统结构（PDU）Protocol Data Unit

• 应用层

  • 常见协议：HTTP、SMTP

  • 位于应用层的信息分组称为报纸（message）

• 运输层

  • TCP、UDP

  • 报文段（segment）

• 网络层

  • IP

  • 数据报（datagram）

• 链路层

  • 以太网、WiFi

  • 帧（frame）

• 物理层

OSI

• 表示层

  • 解释交换的数据

• 会话层

  • 提供数据的定界和同步功能

封装（encapsulation）

• 运输层报文和运输层首部信息构成运输层报文段

• 网络层增加了网络层的第一个信息，如员工和目的端系统地址：网络层数据报告

• 增加链路层的第一个信息：链路层帧

• 分组有两种类型的字段：第一个字段和有效载荷字段

应用层

应用层协议原理

• 网络应用程序系结构结构网络应用程序系统（application architecture）

  • client/server model

    • 客户之间不直接沟通

    • 固定服务器IP地址

  • p>p2p model

    • 客户间通信

    • 自扩展性（self-scalability）

• 进程通信

  • 客户和服务器进程

    • 发起通信的进程为客户

    • 等待联系的进程为服务器

  • 进程与计算机网络间的接口

    • 套接字（socket） 又称应用程序编程接口；套接字是用网络节点的IP地址和端口号来标识的；可以理解为IP地址与端口号的结合

    • 端口号（port number），表示端系统的不同的应用程序

  • 进程寻址

    • 主机的地址 IP

    • 在目的主机中指定接受进程的标识符 端口号

HTTP协议（HyperText Transfer Protocol）

• 概况

  • 服务器不存储客户的状态信息，无状态协议（stateless protocol）

  • TCP的运输层协议 （可靠数据传输，不用担心数据丢失）

• 非持续连接与持续连接

  • RTT往返时间（Round-Trip Time）

  • 默认使用持续连接

  • 持续连接的HTTP，一个RTT用于创建TCP，另一个RTT用于请求和接受数据

  • 总的响应时间=2*RTT+传输HTML文件的时间

• HTTP报文格式

  • HTTP请求报文

    • 第一行请求行（request line）

      • 方法字段

      • URL字段

      • HTTP版本字段

    • 首部行（多行）

    • 实体体（entity body）

      • get方法：为空

      • post方法：有数据

      • put方法：适用于需要向web服务器上传对象的应用程序使用

      • delete方法：删除web服务器上的对象

  • HTTP响应报文

    • 状态行（status line）

      • 版本eg:HTTP/1.1

      • 状态码eg:200

      • 短语eg:OK

    • 首部行(header line)

    • 实体体（entity body）

• 用户与服务器的交互：cookie

  • ①在 HTTP响应报文中的一个cookie 首部行;

  • ②在HTTP请求报文中的一个cookie首部行;

  • ③在用户端系统中保留有一个cookie文件，并由用户的浏览器进行管理;

  • ④位于Web站点的一个后端数据库。

• web缓存

  • 构造

    • web缓存器（web cache/proxy server）/代理服务器

    • ISP购买与安装

  • 过程

    • 1）浏览器创建一个到 Web 缓存器的TCP连接，并向Web缓存器中的对象发送一个HTTP请求。

    • 1. Web缓存器进行检查，看看本地是否存储了该对象副本。如果有，Web缓存器就向客户浏览器用HTTP响应报文返回该对象。

    • 3）如果Web缓存器中没有该对象，它就打开一个与该对象的初始服务器（即www. someschool. edu）的TCP连接。Web缓存器则在这个缓存器到服务器的TCP连接上发送一个对该对象的HTTP请求。在收到该请求后，初始服务器向该Web缓存器发送具有该对象的HTTP响应。

    • 4）当Web缓存器接收到该对象时，它在本地存储空间存储一份副本，并向客户的浏览器用HTTP 响应报文发送该副本（通过现有的客户浏览器和Web缓存器之间的TCP连接)。

    • 即是服务器，又是客户

  • 内容分发网络（Content Distribution Network）

    • 地理上分散的缓存器实现了流量本地化

  • 优点

    • 减少对客户请求的响应时间

    • 减少一个机构的接入链路到因特网的通信量

• GET方法

  • web缓存缓存数据时缓存了对象最后的修改时间

  • 缓冲器会向web服务器发送get验证是否更改，如果没有更改，服务器返回304Not Modified,并且实体体里为空，没有包含该对象

电子邮件

• 构成

  • 用户代理（user agent）

  • 邮件服务器（mail server）为电子邮件体系的结构的核心

  • 简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol/SMTP）因特网电子邮件的核心

• SMTP

  • 基于TCP

  • 传输邮件前将数据编码为ASCII，传输后要解码还原，而HTTP不用

  • SMTP一般不适用中间邮件服务器发送邮件，如果接收方邮件服务器没有开机，邮件会存留在发送方端

  • 持续连接

• SMTP与HTTP的比较

  • 1、HTTP拉协议( pull protocol ) ,在Web服务器上装载信息，使用HTTP从该服务器拉取这些信息。TCP连接是由想接收文件的机器发。另一方面，SMTP是一个推协议( push protocol)，即发送邮件服务器把文件推向接收邮件服务器。特别是，TCP连接是由要发送该文件的机器发起的。

  • 2、SMTP要求每个报文（包括它们的体)采用7比特ASCII码格式。如果某报文包含了非7比特ASCII字符(如具有重音的法文字符）或二进制数据（如图形文件)，则该报文必须按照7比特ASCII码进行编码。HTTP 数据则不受这种限制。

  • 第三个重要区别是如何处理一个既包含文本又包含图形(也可能是其他媒体类型)的文档。HTTP把每个对象封装到它自己的 HTTP 响应报文中，而SMTP则把所有报文对象放在一个报文之中。

• POP3、IMAP

  • 接收方的用户代理从邮件服务器中取邮件，SMTP是push协议

DNS（Domain Name System）域名系统

• 构成

  • 由分层的DNS服务器是实现的分布式数据库

  • 使得主机能够查询分布式数据库的应用层协议

    • 使用客户-服务器模式运行在通信的端系统之间

    • 在通信的端系统之间通过下面的端到端运输协议来传送DNS报文，即利用运输层协议

    • 尽管提供的是网络层的功能，依旧是应用层的协议

• 浏览器解析IP地址的过程

  • 1)同一台用户主机上运行着DNS应用的客户端。

  • 2）浏览器从上述 URL中抽取出主机名 www. someschool. edu，并将这台主机名传给DNS 应用的客户端。

  • 3)DNS客户向 DNS服务器发送一个包含主机名的请求。

  • 4)DNS客户最终会收到一份回答报文，其中含有对应于该主机名的P地址。

  • 5）一旦浏览器接收到来自DNS 的该IP地址，它能够向位于该IP地址80端口的HTTP服务器进程发起一个 TCP连接。

• 提供的服务

  • 主机名与IP地址的转换

  • 主机别名与规范主机名的映射

  • 邮件服务器别名与规范主机名的映射

  • 负载分配，对于冗余的web服务器令一个IP地址集合于规范主机名对应

• 集中式的DNS的缺点

  • 单点故障（a single point of failure）

  • 通信容量（traffic volume）

  • 远距离的集中式数据库（distant centralized database）

  • 维护（maintenance）

• 分布式、层次式数据库

  • 结构

    • 根DNS服务器

    • 顶级域DNS服务器（Top-Level Domain）TLD

    • 权威DNS服务器

• 本地DNS服务器

  • 局域网内部

  • 代理主机发送的DNS请求，转发给DNS服务器的层次结构中

    • 迭代查询

    • 递归查询

• DNS记录（RR）Resource Record

  • 结构

    • Name

    • Value

    • Type

    • TTL

  • Type

    • A

    • NS

    • CNAME

    • MX

  • 在DNS数据库中插入数据

P2P体系结构

• 与c-s体系结构的对比

  • 有不间断的服务器/无不间断的服务器

  • 服务器的IP地址固定/对等体的IP地址可改变

  • 客户间不可以通信/任意端系统直接通信

  • 服务器响应客户的请求/对等体之间既可以发出请求也可以响应请求

  • /P2P体系结构具有扩展性

    • BitTorrent协议，应用层协议

• overlay

  • 建立在实际物理网络上的逻辑网络

视频流与内容分发网络

运输层

概述与服务

• 提供应用程序间的逻辑通信

• 不同网络层：提供端与端之间的通信

• 运输层协议运行在端系统

• 运输层协议能提供的时延与带宽保证受限于网络层协议

• 即使网络层不能提供机密性，运输层也可以提供

多路复用（multiplexing）与多路分解(demultiplexing)(分用与复用)

• 多路分解/用：在接收端，运输层检查这些字段，标识出接收套接字，进而将报文段定向到该套接字。将运输层报文段中的数据交付到正确的套接字的工作称为多路分解( demultiplexing)。

• 多路复用：在源主机从不同套接字中收集数据块，并为每个数据块封装上首部信息（这将在以后用于分解）从而生成报文段，然后将报文段传递到网络层，所有这些工作称为多路复用(multiplexing)。

• 端口号

  • 16比特的数0-65535

  • 周知端口号0-1023

• UDP与TCP复用与分用的区别

  • 复用：一致的都是加上首部信息，UDP加上一个二元组，TCP为四元组

  • 分用：UDP：二元组（目的IP与目的端口号）一致则分配相同的套接字；TCP：四元组一致才分配相同的套接字

UDP

• 无连接

  • 原因：发送方与接受方的运输层实体间没有握手

  • DNS运行在UDP的原因，因为无需建立连接，减少了连接时延

• 服务

  • process-to-process data delivery

  • error checking

• 报文结构

  • 首部只有四个字段，每个字段由两个字节构成，16bit,总长度8字节

    • 源端口号

    • 目的端口号

    • 长度

    • 检验和

      • 多行16位数据求和，并且求反，就是检验和，防止在检验和的位置即可

      • 接受方使用检验和检验数据是否出现差错，接受方，将所有数据与检验和做加分，有0，则存在差错

        • 差错处理：丢弃受损报文段，或者交付应用程序，并报警

可靠数据传输

• rdt（reliable data transfer protocol）:可靠数据传输协议

  • rdt1.0:基于完全可靠的信道

  • rdt2.0

    • 停等协议（stop-and-wait）：接受方等待接收方传输的ACK或者NAK，不能再从应用层接受新数据发送

    • 自动重传请求（ARQ协议）

    • 差错检测：发送方发送到接收方

    • 接收方反馈：反馈ACK或NAK分组，1bit，0/1

    • 重传

    • 没有解决ACK或者NAK分组受损的情况

      • 发送方无法识别ACK/NAK，发送方数据重传，但要解决接收方数据包冗余的问题，引入编号

      • rdt2.1

        • 如果数据错误，或者ACK，NAK模糊，发送包含序号的包，让接受方明白是否是冗余数据

          • 接受方接受冗余信息，或者正确信息发送ACK；接受错误信息，发送对应错误包NAK0/1

      • rdt2.2

        • 直接ACK0与ACK1（无NAK的数据创数）

          • 接受方接受错误信息，当作ACK反信息发出，接受冗余信息，直接说明ACK什么，接受正确信息也是直接说明ACK什么

  • rdt3.0

    • 加入倒计数定时器（countdown timer）

      • 在rdt2.2的基础上，加入计时器，接受方超时没有接受回应便会重发，由于是停等协议，发送方知道要发送什么数据出去

    • 比特交替协议

    • 解决丢包问题

    • 停等协议

      • 性能不够高，发送方的利用率很低(utilization）

流水线可靠数据传输（pipelining）

• 差错恢复的基本方法

  • GBN(Go-Back-N):回退N步(滑动窗口协议)

    • 发送方有固定的窗口大小，必须接受到前面数据的ACK才会有窗口移动

    • 接受方维护下一个期待的数据，不是的期待的数据全部抛弃

  • SR(Selective Repeat):选择重传

    • 发送方和GBN一致

    • 接受方多了窗口缓存，可以缓存到达的在窗口内的数据

    • 接受方与发送方的窗口大小是一致的；并且要小于等于序号空间大小的一半

      • 原因：窗口大小太大，接收方将无法无法区分传入的数据是新的分组还是一次重传

  • rdt,GBN,SR的区别

    • 窗口的大小

面向连接的运输TCP（connection-oriented）

• MSS最大报文段长度受限于MTU最大链路层帧长度

• TCP布置在端系统，是逻辑连接，主机之间的网络元素并没有分配任何缓存与变量

• TCP报文段结构

  • 首部字段

    • 20字节

    • 2bytes源端口号

    • 2bytes目的端口号

    • 4序号

      • 可靠数据传输

    • 4确认号

      • 可靠数据传输

    • 4bit的首部字段

      • 指示了以32bit的字为单位的TCP首部字段

    • 12bit的保留未用，状态位

    • 4接受窗口

    • 4检验和

    • 4紧急数据指针

  • 数据字段

• 估计RTTT，数据重传的时间间隔

  • EstimatedRTT+4*DevRTT

  • RTT不能太小，太小会出现不必要的数据重传

  • RTT不能太大，太大对于数据丢失，发送方反应慢

• 简化的可靠数据传输

  • 定时器只维护最早的仍未被确认的报文段

  • 选择确认

    • 接收方有选择地确认失序报文段，缓存到达的失序号报文段

    • 发送方受到3个冗余ACK报文，快速重传

• 流量控制（flow-control）

  • 接收方维护接受窗口的空闲空间rwnd,发送给发送方

  • 发送方维护要发送的数据小于rwnd

• 拥塞控制（congestion control）

  • 超时

    • 接受到冗余的三个ACK

    • 定时器超时

  • cwnd拥塞窗口

  • 阈值ssthresh

  • 维护cwnd的长度

    • 慢启动（slow-start）指数型增长

      • 慢启动指的是初始值为1的指数型启动

    • 阈值之上为拥塞避免

      • 数据丢失的两种处理方式

        • tachoe:慢启动，首先阈值更新为当前拥塞窗口的一半，其次拥塞窗口的值回落到1

        • Reno:快速恢复，首先阈值更新为当前拥塞窗口的一半，之后直接拥塞窗口加3，快速恢复

  • 加性增、乘性减,锯齿形结构（AIMD）

• TCP连接管理

  • 建立连接

    • 报文段交换

    • 过程

      • 客户发送TCP SYN报文段

      • 服务器发送SYNACK报文段

    • 经典的变量与缓存问题

      • 第二步时，服务器为改TCP连接分配TCP缓存和变量

      • 第三步是，接受SYNACK，客户分配缓存和变量

    • 预防dos命令攻击

      • 使用SYN cookie

      • 不保存在服务器中

      • 使用确认号来确认ACK报文是否和前面的SYN报文对应

  • 断开连接

    • 客户端首先发送FIN

    • 服务器发送FIN

    • 细节的，客户存在定时等待

    • 数据包交换

网络层

组件

• 数据平面

  • 转发（forwarding）

    • 将分组从一个输入链路接口转移到适当输出链路接口的路由器本地动作

    • 很快，通常使用软件处理

• 控制平面

  • 路由选择（routing）

    • 确定分组从源到目的地所采取的端到端路径的网络范围处理

    • 时间更长，用软件处理

  • 通过SDN（Software-Defined Networking）

网络服务

• 数据报网络

  • 无连接，基于IP

• 虚电路网络

  • 有连接，基于VC 虚电路号，而不是目标的IP地址

  • ATM等，很少使用

• 网络核心的路由器采用分组交换的属于数据报子网，采用电路交换的方式属于虚电路子网

• 区别

  • 提供的服务,有连接无连接

  • setup，有呼叫装置，无

  • 转发使用的数据，vc,目的地的地址

分组交换机

• 定义：通用的分组交换设备，根据分组首部字段的值，从输入链路接口到输出链路接口转移分组

• 链路层交换机：基于链路层帧中的字段值做出转发决定

• 路由器：基于网络层数据报中的首部字段做出转发决定

通信

• 运输层

  • 提供不同主机间的进程之间的逻辑通信

• 网络层

  • 提供不同主机间的逻辑通信

路由器的内部

• 输入端口

  • 最长前缀匹配规则

• 交换结构（switching fabric）

  • 内存交换memory

    • 速率<B/2(B为内存大小)

  • 总线交换 bus

    • 受总线速率限制

  • 互联网络交换interconnection network

    • 非阻塞的

• 输出端口

  • 主动队列管理（Active Queue Management）AQM

  • 丢包的策略

    • 红酒策略：丢弃新到达的数据，数据越旧越好

    • 牛奶策略：丢弃之前已经缓存的数据，数据越新越好，实时数据，采用牛奶策略更好

    • 优化:数据没有满的时候就提前放弃，大概80%就可以放弃，可以向发送方提供拥塞信号

• 缓存量

  • B=RTT*C（C为链路容量，RTT为往返时延）

分组调度的策略

IPv4

• 数据报结构（datagram）

  • 总共20个字节

  • 4bit版本号、首部长度（IP协议版本，载荷实际开始的位置）

  • 8bit服务类型

  • 16bit数据报总长度（首部加上数据）

  • 16bit的标识符，3bit的标志，13bit的片偏移量

    • 将数据分段拆分与重组

  • 8bit寿命TTL

  • 8bit上层协议

  • 16bit首部检验和

    • 只对IP首部进行了检核和计算

  • 32bit的源IP地址

  • 32bit的目的IP地址

• 数据报分片

  • 链路层帧能承载的最大数据量Maximumm Transmission Unit (MTU)

  • flag:最后的片（fragment）置0，其他置1

  • offset：数据字节数/8bytes

  • 标识位为原先IP报文的标识位

  • 透明分段与不透明分段

    • 不透明分段

      • 数据报的重组在端系统进行

    • 透明分段

      • 当小片到达时，路由器往大链路的路由器传输时，会分片重组

      • 下游路由器感觉不到分片

      • 目前使用的少

      • 优化成，由透明分段优化成不透明分段（transparent）

• IPv4编址

  • 子网subnet

    • 分开主机和路由器的每个接口产生几个隔离的网络岛，每个网络岛都是一个子网

  • 无类别域间路由选择CIDR

  • 点分时进制

    • 高位：前缀prefix，子网部分

    • 底位：主机部分

      • 内网地址

        • 全0为网段地址

        • 全1为广播地址

  • 子网掩码地址

    • 高位全位1，低位全为0

  • DHCP（dynamic host configuration）动态主机配置协议

    • 客户-服务器协议,应用层协议

    • 使用UDP，封装在UDP中

    • 又被称为即插即用协议，零配置协议（plug-and-play protocol /zeroconf）

    • 提供给定主机相同的IP地址，或分配临时IP地址，允许主机获得子网掩码与第一跳路由器地址与本地DNS服务器地址

    • 提供服务的场景

      • 客户：DHCP服务器发现报文，使用广播地址

      • 服务器：DHCP提供报文，还是广播地址

      • 客户：DHCP请求

      • 服务器：DHCP ACK报文

      • transaction ID：交易ID，客户回应时必须携带，服务器才明白客户想要的是哪个IP数据

      • yiaddr:服务器提供给客户的IP地址

    • 都是以广播的形式发送

NAT网络地址转换

• 端口号替代为主机寻址

• 功能

  • 提供内网与外网间的网络地址转换

• 优点

  • 内网地址对于外网不可见，隔离内网与外网，使内网更独立

  • 节约IP地址数目

• 过程理解

• NAT translation table

ICMP（internet control message protocol ）因特网控制报文协议

• 功能

  • 错误报文

    • traceroute

  • 回声应答（ping 命令）

IPv6

• 报文结构

• 与IPv4的区别

  • 扩大的地址容量，32->128

  • 简化的40个字节，舍弃了可选字段

  • 流标签

  • 舍弃检验和

tunnel隧道

• 提供IPv4与IPv6的通信

路由选择算法

• 集中式/分散式

  • 集中式

    • 链路状态算法（LS算法）

    • Dijkstra算法

      • 基础上，路由器定期更新链接状态分组

  • 分散式

    • 距离向量算法Distance-Vector（DV）

      • routing loop(路由选择环路)

      • 坏消息传播的很慢

• 静态/动态算法

  • 静态

    • 人工配置，洪范

    • 不是由路由器自动更新

  • 动态

    • LS,DV

    • 周期性的更新

自治系统（Autonomous System）

• 自治系统内部的路由选择协议intra

  • OSPF

    • 洪泛链路状态信息与Dijkstra算法

  • RIP

    • 距离矢量算法

    • 它使用“跳数”，即METRIC来衡量到达目标地址的路由距离。RIP协议中规定，一条有效的路由信息的度量（METRIC）不能超过15，这就使得该协议不能应用于很大型的网络，应该说，正是由于设计者考虑到该协议只适合于小型网络，所以才进行了这一限制。对于METRIC为16的目标网络来说，即认为其不可到达。

• 需要自治系统的两个原因

  • 规模

    • 路由选择信息的通信、计算与存储的开销过大

  • 管理自治

    • ISP系统需要运行自己所选择的路由算法

• 自治系统间的路由选择协议（inter-autonomous system routing protocol）

  • BGP

    • 距离矢量算法

    • BGP连接

    • 外部BGP（eBGP）

    • 内部BGP（iBGP）

• 路由器

  • 网关路由器

    • 默认网关

  • 内部路由器

链路层

概述

• 通信

  • 相邻节点之间

• 通信路径间连接相邻节点的通信信道称为链路（link）

• 服务

  • 成帧（framing）

  • 链路接入（link access）

  • 可靠数据交付(reliable delivery)

    • 在差错产生的链路纠正错误

  • 差错检测和纠正（error detection and correction）

    • 硬件实现

差错检测技术

• 循环冗余检测编码（Cyclic Redundancy Check）

• 减法操作，先落数据，再在横线上写0或者1

多路访问协议（multiple access protocol）

• 碰撞（collide）：接受节点同时接受多个帧，传输的帧在接收方处发生纠缠

• 信道划分协议（Channel Partitioning/Multiplexing）

  • 时分复用TDM

  • 频分复用（FDM）

  • 码分多址（CDMA）

• 随机访问(Random Access)

  • ALOHA

  • CSMA

  • CSMA/CD(CSMA with Collision Detection)

    • 发之前会听，发的时候也会听

    • 二进制指数后退算法（binary exponential backoff）

    • 冲突后，重传的等待时间为k*512byte

    • 转化到具体时间K*512/信道速率

    • K=1，v=100Mbps,T=5.12ms

• 轮流协议（taking-turns protocol）

  • 令牌传递协议，令牌按次序传递

交换局域网

• 链路层寻址

  • MAC地址(LAN地址、物理地址)

    • 与网络接口卡匹配，（Network Interface Card）,在生产时分配/网卡

      • 具有可移植性

    • 48bit

    • IPv4地址32bit

    • 扁平结构

      • IP地址是分层结构

    • 无论适配器到哪里都不会发生变化

  • ARP（地址解析协议）Address Resolution Protocol

    • IP地址向MAC地址映射，数据链路层协议

    • ARP 表

      • nodes create their ARP tables without intervention from net administrator

    • 只为同一个子网上的主机和路由器接口解析IP地址

    • 即插即用

    • 部署在主机或者路由器上，即有MAC接口的机器上,即要将IP地址转换为MAC地址

  • 发送数据报到子网之外

    • MAC地址转换

    • 数据从A->F

• 以太网

  • 帧结构

    • 前同步码

      • 前7个字节：10101010

      • 最后一个字节：10101011

    • 目的地址

      • 6个字节

    • 源地址

      • 6个字节

    • 类型

      • 2字节，传递给哪个网络层协议

    • 数据字段

      • 46~1500字节

      • 少于46需要位填充

    • 4字节CRC循环冗余检测

  • 服务

    • 无连接服务

    • 不可靠服务

  • 技术

    • 被CSMA/CD标准化

• PPP

  • 数据字段

    • 不够字节填充

• 链路层交换机

  • 功能

    • 过滤

      • 判断帧达到应该是转发还是丢弃

    • 转发

      • 如果转发表中没有，向所有接口广播

      • 有的话，向转发到该接口，也是广播的方式

      • 来自源头接口，直接丢弃

  • 即插即用设备（plug-and-play device）

    • 不需要人工干预

    • 透明的，路由器与主机感觉不到其存在

    • 自学的，产生交换表

    • 交换表通过自学习的过程构造

  • 与路由器比较

    • both are store-and-forward

      • routers: network-layer devices

      • switches: link-layer devices

    • both have forwarding tables

      • routers: compute tables using routing algorithms, IP addresses

      • switches: learn forwarding table using flooding, learning, MAC addresses

  • 虚拟局域网

    • 困难

      • 缺乏流量隔离

      • 交换机的无效使用，许多端口浪费

      • 管理用户麻烦

    • 解决办法

      • 配置VLAN软件，只允许相同VLAN的主机广播通信

      • VLAN之间的通信，引入路由器

    • overlay

  • 常见的设备

    • 网络层router

    • 链路层设备switch、bridge

    • 物理层hub、repeater