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3c1496ef64
175
notes/计算机网络.md
175
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@ -9,15 +9,17 @@
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* [二、物理层](#二物理层)
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* [通信方式](#通信方式)
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* [带通调制](#带通调制)
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* [信道复用技术](#信道复用技术)
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* [三、数据链路层](#三数据链路层)
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* [基本问题](#基本问题)
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* [信道分类](#信道分类)
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* [三个基本问题](#三个基本问题)
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* [局域网](#局域网)
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* [PPP 协议](#ppp-协议)
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* [信道复用技术](#信道复用技术)
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* [CSMA/CD 协议*](#csmacd-协议)
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* [MAC 层*](#mac-层)
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* [扩展局域网*](#扩展局域网)
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* [PPP 协议](#ppp-协议)
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* [MAC 地址](#mac-地址)
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* [局域网](#局域网)
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* [以太网*](#以太网)
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* [交换机*](#交换机)
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* [虚拟局域网](#虚拟局域网)
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* [四、网络层*](#四网络层)
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* [概述](#概述)
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* [IP 数据报格式](#ip-数据报格式)
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@ -84,23 +86,15 @@
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## 电路交换与分组交换
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<div align="center"> <img src="../pics//b0c97118-8f30-4619-9c22-a141f627db39.png" width=""/> </div><br>
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### 1. 电路交换
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电路交换用于电话通信系统，两个用户要通信之前需要建立一条专用的物理链路，并且在整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路，因此电路交换对线路的利用率很低，往往不到 10%。
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### 2. 报文交换
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### 2. 分组交换
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报文交换用于邮局通信系统，邮局接收到一份报文之后，先存储下来，然后把相同目的地的报文一起转发到下一个目的地，这个过程就是存储转发过程。
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每个分组都有首部和尾部，包含了源地址和目的地址等控制信息，在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响，因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组，也就是说分组交换不需要占用传输线路。
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### 3. 分组交换
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分组交换也使用了存储转发，但是转发的是分组而不是报文。把整块数据称为一个报文，由于一个报文可能很长，需要先进行切分，来满足分组能处理的大小。在每个切分的数据前面加上首部之后就成为了分组，首部包含了目的地址和源地址等控制信息。
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分组交换允许在一条传输线路上传送多个主机的分组，也就是说两个用户之间的通信不需要占用端到端的线路资源。
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相比于报文交换，由于分组比报文更小，因此分组交换的存储转发速度更加快速。
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考虑在一个邮局通信系统中，邮局收到一份邮件之后，先存储下来，然后把相同目的地的邮件一起转发到下一个目的地，这个过程就是存储转发过程，分组交换也使用了存储转发过程。
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## 时延
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@ -194,33 +188,73 @@ TCP/IP 协议族是一种沙漏形状，中间小两边大，IP 协议在其中
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<div align="center"> <img src="../pics//f0a31c04-6e26-408c-8395-88f4e2ae928b.jpg"/> </div><br>
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# 三、数据链路层
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## 基本问题
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### 1. 封装成帧
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将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。
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<div align="center"> <img src="../pics//ea5f3efe-d5e6-499b-b278-9e898af61257.jpg" width="500"/> </div><br>
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### 2. 透明传输
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透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。
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帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符，如果出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符，在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。
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<div align="center"> <img src="../pics//c5022dd3-be22-4250-b9f6-38ae984a04d7.jpg" width="600"/> </div><br>
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### 3. 差错检测
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目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。
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## 信道分类
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### 1. 广播信道
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一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。
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所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。
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主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。
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### 2. 点对点信道
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一对一通信。
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因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。
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## 信道复用技术
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### 1. 频分复用、时分复用
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### 1. 频分复用
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频分复用的所有用户在相同的时间占用不同的频率带宽资源。
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频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。
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<div align="center"> <img src="../pics//c4c14368-519c-4a0e-8331-0a553715e3e7.jpg"/> </div><br>
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时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频率带宽资源。
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### 2. 时分复用
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时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。
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<div align="center"> <img src="../pics//fa2273c3-1b5f-48ce-8e8b-441a4116c1c4.jpg"/> </div><br>
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使用这两种方式进行通信，在通信的过程中用户会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。
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使用频分复用和时分复用进行通信，在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。
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### 2. 统计时分复用
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### 3. 统计时分复用
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是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。
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<div align="center"> <img src="../pics//5999e5de-7c16-4b52-b3aa-6dc7b58c7894.png" width="700"/> </div><br>
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### 3. 波分复用
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### 4. 波分复用
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光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。
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<div align="center"> <img src="../pics//21041ec2-babb-483f-bf47-8b8148eec162.png" width="700"/> </div><br>
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### 4. 码分复用
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### 5. 码分复用
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为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 <img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\vec{S}"/> 和 <img src="https://latex.codecogs.com/gif.latex?\vec{T}"/> 有
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@ -242,44 +276,23 @@ TCP/IP 协议族是一种沙漏形状，中间小两边大，IP 协议在其中
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<div align="center"> <img src="../pics//92ad9bae-7d02-43ba-8115-a9d6f530ca28.png" width="600"/> </div><br>
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# 三、数据链路层
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## CSMA/CD 协议*
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## 信道分类
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CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。
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- 点对点信道：一对一通信方式
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- 广播信道：一对多通信方式
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- **多点接入** ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
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- **载波监听** ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
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||||
- **碰撞检测** ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每一个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。
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## 三个基本问题
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记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 **争用期** 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
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### 1. 封装成帧
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当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 **截断二进制指数退避算法** 来确定，从离散的整数集合 {0, 1, .., (2<sup>k</sup>-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。
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将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。
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<div align="center"> <img src="../pics//ea5f3efe-d5e6-499b-b278-9e898af61257.jpg" width="500"/> </div><br>
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### 2. 透明传输
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透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。
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帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符，如果出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符，在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。
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<div align="center"> <img src="../pics//c5022dd3-be22-4250-b9f6-38ae984a04d7.jpg" width="600"/> </div><br>
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### 3. 差错检测
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目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。
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## 局域网
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局域网是典型的一种广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
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可以按照网络拓扑对局域网进行分类：
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<div align="center"> <img src="../pics//a6026bb4-3daf-439f-b1ec-a5a24e19d2fb.jpg" width="600"/> </div><br>
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<div align="center"> <img src="../pics//5aa82b89-f266-44da-887d-18f31f01d8ef.png" width="600"/> </div><br>
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## PPP 协议
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用于点对点信道中。互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。
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互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。
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<div align="center"> <img src="../pics//ddcf2327-8d84-425d-8535-121a94bcb88d.jpg" width="600"/> </div><br>
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@ -292,65 +305,51 @@ TCP/IP 协议族是一种沙漏形状，中间小两边大，IP 协议在其中
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<div align="center"> <img src="../pics//69f16984-a66f-4288-82e4-79b4aa43e835.jpg" width="500"/> </div><br>
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## CSMA/CD 协议*
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## MAC 地址
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用于广播信道中。在广播信道上，同一时间只能允许一台计算机发送数据。
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MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。一台主机拥有多少个适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。
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CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。
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## 局域网
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- **多点接入** ：说明这是总线型网络，许多计算机以多点的方式连接到总线上。
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- **载波监听** ：每个站都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
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- **碰撞检测** ：在发送中，如果监听到信道已有其它站正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每一个站在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。
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局域网是典型的一种广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
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记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 **争用期** 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
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主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着现有的有线局域网市场。
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当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 **截断二进制指数退避算法** 来确定，从离散的整数集合 {0, 1, .., (2<sup>k</sup>-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。
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可以按照网络拓扑对局域网进行分类：
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<div align="center"> <img src="../pics//5aa82b89-f266-44da-887d-18f31f01d8ef.png" width="600"/> </div><br>
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<div align="center"> <img src="../pics//a6026bb4-3daf-439f-b1ec-a5a24e19d2fb.jpg" width="600"/> </div><br>
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## MAC 层*
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## 以太网*
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MAC 地址是 6 字节（48 位）的地址，用于唯一标识网络适配器（网卡），一台主机拥有多少个适配器就有多少个 MAC 地址，例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。
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以太网是一种星型拓扑结构局域网。
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<div align="center"> <img src="../pics//50d38e84-238f-4081-8876-14ef6d7938b5.jpg" width="600"/> </div><br>
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早期使用集线器进行连接，它是一种物理层设备，作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离。之后再将这个比特向其它所有接口。特别是，如果集线器同时收到同时从两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。
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在 MAC 帧中：
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目前以太网使用交换机替代了集线器，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。
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以太网帧：
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- **类型** ：标记上层使用的协议；
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- **数据** ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
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- **FCS** ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；
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- **前同步码** ：只是为了计算 FCS 临时加入的，计算结束之后会丢弃。
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## 扩展局域网*
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<div align="center"> <img src="../pics//50d38e84-238f-4081-8876-14ef6d7938b5.jpg" width="600"/> </div><br>
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### 1. 在物理层进行扩展
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使用集线器进行扩展。
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集线器的主要功能是对接收到的信号进行放大，以扩大网络的传输距离。
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集线器不能根据 MAC 地址进行转发，而是以广播的方式发送数据帧。
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集线器是一种共享式的传输设备，意味着同一时刻只能传输一组数据帧。
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<div align="center"> <img src="../pics//823cdab7-3779-4e3a-a951-dc2d154e0ee6.jpg" width="800"/> </div><br>
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### 2. 在链路层进行扩展
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最开始使用的是网桥，它收到一个帧时，根据帧的 MAC 地址，查找网桥中的地址表，确定帧转发的接口。
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网桥不是共享式设备，因此性能比集线器这种共享式设备更高。
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交换机的问世很快就淘汰了网桥，它实质上是一个多接口网桥，而网桥是两接口。交换机的每个接口都能直接与一个主机或者另一个交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
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## 交换机*
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交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容。交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧。主机 B 收下之后，查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 3 的映射。
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<div align="center"> <img src="../pics//c9cfcd20-c901-435f-9a07-3e46830c359f.jpg" width="800"/> </div><br>
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### 3. 虚拟局域网
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它是一种即插即用急用的设备，不需要网络管理员干预。
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## 虚拟局域网
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虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息，例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。
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使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊端口被设置为干线端口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式——802.1Q，用于跨 VLAN 干线的帧，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。
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<div align="center"> <img src="../pics//a74b70ac-323a-4b31-b4d5-90569b8a944b.png" width="500"/> </div><br>
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# 四、网络层*
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