网络划分#

• 网络核心：
  • 路由器/交换机
  • 网络的网络
• 网络边缘：
  • 主机：客户机/服务器
  • 位于数据中心的服务器

网络边缘的组成#

主机（端系统）：客户机 + 服务器

网络边缘的作用#

• 让用户在端系统上运行各自的应用程序
• 用户享受到因特网的各种服务

接入网#

将网络边缘的端系统（主机）与网络连接起来的链路。

连接到哪里：将端系统连接到边缘路由器上

边缘路由器：端系统到任何其它远程端系统的路径上的第一台路由器

电路交换网络#

1. 数据交换过程
   1. 建立连接
   2. 交换数据
   3. 释放连接
2. 电路交换中的复用
   1. 时分复用TDM
   2. 频分复用FDM
3. 电路交换网络特性
   1. 数据交换前需建立起一条从发端到收端的物理通路
   2. 在数据交换的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输信道
   3. 交换双方可实时进行数据交换而不会存在任何延迟
4. 问题
   1. 计算机之间的数据交换往往具有突发性和间歇性特征，而对电路交换而言，用户支付的费用是按用户占用线路的时间收费的
   2. 不够灵活。只要在童话双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对紧急和重要通信是很不利的

分组交换网络#

1. 引入动机
   1. 专门用于计算机之间的数据传送
   2. 能够连接不同类型的计算机
   3. 所有的网络节点同等重要，不能有特别重要的节点
   4. 必须有冗余路由
   5. 网络结构尽可能简单，能够可靠传送数据
2. 工作流程
   1. 长数据切分成小段：在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段
   2. 生成分组：每一个数据段前面添加上首部构成分组
   3. 接收数据：接收端收到分组后剥去首部还原成报文
   4. 恢复报文
3. 分组首部的重要性
   1. 每一个分组的首部都包含有地址等控制信息
   2. 节点交换机必须根据首部中的地址信息，选则路由，把分组转发到下一个节点交换机
   3. 没有这些信息，就不知道该往哪里转发分组，也就到不了最终目的地
4. 特征
   1. 被传送的数据分成若干分组分别传送
   2. 数据传输前不必预先确定分组的传输路径
   3. 网络核心中每个交换节点均为共享节点
   4. 数据传输采用存储/转发模式
   5. 各节点具有选则合适路由的能力
   • 网络核心断续（动态）分配传输带宽，使得通信线路的利用率得以大大提高
   • 网络核心常采用网状拓扑结构，降低拥塞活故障时的影响

分组交换VS电路交换#

• 在相同条件下，分组交换能够比电路交换支持更多的用户

• 当用户数较少时，分组交换能够获得比电路交换更好的性能

• 在数据量大时，分组交换的传输时延比电路交换大（分组交换在节点之间传输数据的时候，每个节点都必须要完整收到数据报文才能够把数据报文重新切分而发出去）

  • 分组在各节点存储转发时因要排队，总会造成一定的时延。当网络通信量过大时，这种时延可能会很大
  • 各分组必须携带一定的控制信息（说明信息），从而带来额外开销
  • ==> 整个分组交换网的管理和控制比较复杂

• 若要连续传送大量数据，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用在数据通信之前预先分配传输带宽的电路交换比较合适

• 分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率

数据丢失和产生时延的原因#

• 数据不断从设备推送到网络上，需要花费一定的时间，推送的速度收到网络带宽的影响
• 数据不断从链路的一端传送到链路的另一端，需要花费一定的时间，传送速度收到电子传送速度影响
• 设备接收数据以及决定往哪里转发数据，需要花费一定的时间，处理时间受设备硬件的影响
• 路由器接收到的数据需要排队以便按顺序转发和调节接收与转发速度的不一致，排队需要花费一些时间，排队时间受设备硬件的影响
• 当数据队列已满时，再收到的数据只能丢掉
• 当报文网络中传输，路由形成了环路，无法传送到目标节点时，这个报文也只能丢掉

四种分组时延#

• 总时延：

  • 处理时延
  • 排队时延
  • 传输时延
  • 传播时延

• 排队时延分析：

  • R=链路带宽(bps), L=分组长度(bites), a=平均分组到达速率
  • 流量强度: $\frac{La}{R}$
    • $\frac{La}{R}$ ~ 0: 平均排队时延很小，甚至为0
    • $\frac{La}{R} < 1$: 时延较小，且会随时间推延而变小
    • $\frac{La}{R} = 1$: 时延不会变化，具体数值取决于当时队列长度
    • $\frac{La}{R} > 1$: 平均时延较大，且随时间推延而趋于无穷

• 吞吐量

  • 在发送方与接收方之间传输比特的速率
  • 瓶颈链路：在端到端路径上限制了端到端平均吞吐量的一段链路

网络体系结构模型介绍#

• 因特网5层模型（协议栈）

  • 应用层
    • 支持网络应用
  • 运输层
    • 不同主机上进程间的数据传输
  • 网络层
    • 主机间的数据通信
  • 链路层
    • 数据在网络相邻节点之间传输
  • 物理层
    • 在线路上传输比特流

• ISO的7层模型（OSI）

  • 应用层
  • 表示层
    • 数据的含义、描述等统一的表示
  • 会话层
    • 数据交换的同步、定界、建立检查点和恢复的能力
  • 运输层
  • 网络层
  • 链路层
  • 物理层

• 报文封装

  • 应用层：报文
  • 运输层：报文段
  • 网络层：数据报
  • 链路层：帧

因特网中复用和分解#

• 常用的集中复用技术
  • 针对应用进程
    • 套接字
  • 针对电路层
    • 频分复用
    • 时分复用
    • 码分多址

数据差错的检查方法#

• 常用检查报文出错的方法：
  • 奇偶校验
  • 检查和
  • 循环冗余校验码

Web#

• WEB的内容表达
  • web页面由一些对象组成
  • 对象可以是HTML, JPEG, 音频文件, JAVA APPLET
  • HTML文件是web页面的基础，它可以包括各种各样的对象，是一个容器对下个
  • 任何一个对象都可以用URL来定位
• WEB的内容传输
  • 客户端/服务器模式
    • 客户端：浏览器请求、接收、展示web对象
    • 服务器：web服务器发送对象，对请求进行响应
  • http: TCP传输服务
    • 客户端启动TCP连接（创建套接字）到服务器，端口80
    • 服务器接受来自客户端的TCP连接
    • http报文（应用层协议报文）在浏览器(http client)和web服务器(http server)之间进行性交换
    • 关闭TCP连接

HTTP#

• HTTP1.0 非持久性连接

  • 每传输一个文件都需要建立连接-请求文件-收到文件

• HTTP1.1 持久连接

  • 服务器在发送响应后，不再断开TCP连接，而是保持该连接，用于后续对象的传送，直至该连接“休息”了一个较长的时间后，方断开连接
  • 减少了对服务器端连接数的要求，从而减少了对服务器端套架子资源的占用，提高了服务器的负载能力
  • 分类：
    • 非流水线方式：一个对象传输完方能传输下一个
    • 流水线方式：可以一次性发送所有请求，慢慢接收
  • 存在的问题：
    • 存在多个对象时，晓对象会被排在前面的大对象阻塞——队首(HOL)阻塞——用户体验极差
    • 多TCP连接并发可以规避这个问题——回到了HTTP/1.0

• HTTP/2

  • 目标：减少多对象访问时的感知延迟
    • 方案：
      • 方法、状态短码和大多数首部字段与HTTP1.1相同
      • 根据客户指定的对象优先级（不一定是FCFS）确定请求对象的传输顺序
      • 将未请求的对象推送给客户端——服务器推
      • 将对象划分为帧，对帧的传输进行规划以减少HOL阻塞

• HTTP/3

  • TCP+TLS换成UDP+QUIC,准确来说是通过 (HTTP over QUIC)+QUIC+UDP
  • 相比之下，HTTP/2的实现方式是HTTP/2+TLS+TCP

• HTTP报文类型：请求报文&响应报文

• 请求行支持的方法

  • GET: 向服务器请求指定URL对象
  • POST: 用于向服务器提交表单数据，也可以同时请求一个WEB页面
  • HEAD: 返回响应报文，不包含请求的对象
  • PUT: 山川的文件放在实体主题字段中，目标路径由URL字段标明
  • DELETE: 删除URL字段中指定的文件

• 常见的响应状态码和短语

  • 200 OK: 请求成功，被请求的对象在报文中
  • 301 Moved Permanently: 被请求的对象被移动过，新的位置在报文中有说明
  • 400 Bad Request: 服务器不懂请求报文
  • 404 Not Found: 服务器上找不到请求的对象
  • 505 HTTP Version Not Supported: 服务器不支持请求报文使用的HTTP协议版本

• 用户-服务器交互：cookie

  • web站点使用cookie的目的
    • 限制用户的访问
    • 把内容和用户身份关联起来
  • cookie技术的组成部分
    • 在HTTP响应报文中有一个cookie首部行
    • 在HTTP请求报文中也有一个cookie首部行
    • 在用户的端系统中保留了一个cookie文件，由用户浏览器负责管理
    • 在web站点有一个后端数据库

电子邮件系统的构成#

• 用户代理
  • 写作，编辑，阅读邮件报文
• 邮件服务器
  • 邮箱：包含了收到的用户邮件（尚未被阅读）
  • 报文：队列包含了外发的邮件报文
• 简单邮件传输协议: SMTP
  • SMTP协议用在邮件服务器之间发送邮件
  • 客户端：将邮件发送到邮件服务器
  • 服务器：接收和转发邮件

域名系统名字空间和层次结构#

• Internet的域名结构

  • Internet的域名结构采用了层次树状结构的明明方法
  • 域名的结构由若干分量组成，各分量之间用小数点隔开，总长不超过255个字符
  • 各分量分别代表不同级别的域名（不超过63字符）
  • 合法域名中，小数点的个数至少为一个

• 顶级域名(TLD Top Level Domain)一般有三类

  • 国家或地区顶级域名nTLD,也记作ccTLD
  • 基础设施域 .arpa(Address and Routing Parameter Area)
    • 专用于Internet基础设施目的
  • 通用顶级域名gTLD

• 跟DNS服务器-权威DNS服务器-本地DNS服务器

• 严格来说，本地DNS服务器并不属于DNS层次结构中的一层

DNS解析的过程#

• DNS解析过程：递归+迭代 VS 纯递归

• 递归+迭代的对服务器的负载压力会比较小。

• 递归+迭代

  • 本地DNS服务器通过根DNS服务器获取需要解析的地址的顶级域名的相关信息
  • 本地DNS服务器根据获取的顶级域名相关信息，去对应的顶级域名服务器获取权威DNS服务器的相关信息
  • 本地DNS服务器根据获取的权威DNS服务器的相关信息，去对应的权威DNS服务器获取需要解析的地址的信息

• 纯递归

  • 本地DNS服务器向根DNS服务器发送希望解析的地址
  • 根DNS服务器直接向对应的顶级域名服务器发送希望解析的地址
  • 顶级域名服务器向权威DNS服务器发送希望解析的地址
  • 权威DNS服务器向顶级域名返回结果，再一路返回回去

• DNS缓存

  • 任何域名服务器一旦得知了某个映射，就将其缓存
  • 在一定的时间间隔后缓存的条目将会过期自动消除
  • TLD DNS服务器通常被缓存在本地DNS服务器中，这样可以减少根DNS的负载

• DNS提供的服务

  • 域名到IP地址的转换
  • 主机/邮件服务器别名
    • 为不好记的规范主机/邮件服务器名提供一个容易记忆的别名
    • e.g. www.hotmail.com -> www.hotmail.aate.nsatc.net
  • 负载均衡
    • 一个域名对应多个IP
    • DNS服务器在多个IP中进行轮转

攻击DNS服务器#

• DDoS攻击
  • 通过ICMP Ping洪泛攻击根DNS服务器——难以成功
    • 根服务器通常配备分组过滤器
    • 大多数本地DNS服务器缓存了TLD DNS服务器的地址
  • 通过DNS请求报文洪泛攻击TLD DNS服务器
    • 难以过滤
• 重定向攻击
  • 中间人攻击：攻击者截获来自主机的请求并返回伪造的回答
  • DNS毒害攻击：攻击者向一台DNS服务器发送伪造的回答，诱使服务器在它的缓存中接收伪造的记录
• 利用DNS服务器对目标主机采用DDoS攻击：反射攻击

rdt1.0#

信道完全可靠，只要发送和接收数据就可以了

rdt2.0#

• 信道可能导致比特出现差错时
  • 分组比特可能受损
  • 所有传输的分组都将按序被接收，不会丢失
• 处理机制
  • 如何判断分组受损——差错检测
  • 如何通知发送方分组是否受损——接收方反馈(ACK&NAK)
  • 在得知分组受损后，发送方的处理手段——出错重传
  • 如何实现重传——使用缓冲区缓存已发送出但未收到反馈的报文——接收方和发送方各以ige报文段大小的缓冲区即可
  • ACK和NAK分组可能也受损——为分组添加编号——rdt2.1

rdt2.2#

• 只使用ACK，没有NAK
• 接收方对最后一个正确收到的分组发送ACK
• 为便于接收方表明正确收到了哪一个分组，ACK中必须指出被确认分组的序号
• 发送方收到重复的ACK按照NAK来处理

rdt3.0#

信道不但可能出错，还可能丢包

rdt3.1#

使用流水线技术提高传输的效率

• 扩大分组序号范围——用k位进行序号编码
• 扩大发送方乃至接收方的缓冲区大小——窗口
• 当流水线技术中丢失一个分组后，如何进行重传
  • GBN协议：其后分组全部重传
  • SR协议：仅重传该分组

滑动窗口大小 发送端窗口+接收端窗口 $<= 2^k$

可靠的TCP数据传输#

• IP协议是不可靠的
• TCP采用了rdt部分阐述的数据可靠传输方法
• 特别之处：
  • TCP编号采用按字节编号，而非按报文段编号
  • TCP仅采用唯一的超时定时器

产生TCP ACK的建议

拥塞控制#

1
if 测得吞吐率“非常接近”无拥塞状态的吞吐率
2
  线性增加cwnd  /* 因为路径上无拥塞 */
3
else if 测得吞吐率“远小于”无拥塞状态的吞吐率
4
  线性减小cwnd /* 因为路径上有拥塞 */

网络层的主要功能#

• 选路
  • 在全局范畴为主机之间的通信进行选路，选路的结果反应为分组交换机上的转发表
• 转发
  • 分组交换机上的网络层根据转发表以及分组首部信息，将分组通过对应链路进行转发
• 状态报告
  • 通过控制消息感知网络通不通、主机是否可到达、路由是否可用等状态
• 连接建立
  • 对于面向连接的完了过曾服务，提供连接建立的功能
• 可能提供的服务
  • 确保交付
  • 具有时延上界的确保交付
  • 有序分组交付
  • 确保最小带宽
  • 确保最大时延抖动

几种实际使用的网络层服务模型

虚电路服务#

• 虚电路服务
  • 收发双方之间的路径如同电话线路一般
  • 数据传输前，呼叫建立；传输结束后断开连接
  • 每一个分组携带许电路的标识（而不是目的主机的地址）
  • 路径上的每个路由器必须为进行中的连接维持连接状态信息
  • 链路，路由器资源（带宽、缓冲区）可以分配给虚电路
• 虚电路的组成
  • 从源到目的主机的路径
  • VC号，沿着该路径的每段链路的一个号码
  • 沿着该路径的每台路由器中的转发表

数据报服务#

• 数据报服务
  • 在网络层没有连接建立的过程
  • 不维护连接状态信息
  • 同一对主机间的报文可能会走不同的路径

网络层与运输层相应服务的区别#

路由器输入端口#

• 物理层 —> 线路端接口
• 数据链路层 —> 数据链路处理（协议、拆封）
• 分散式交换 —> 网络层处理（排队、查表、转发…）
  • 根据目的地址，输入端口内存中的路由选择表，查找确定输出端口
  • 目标：以“线路速度”完成输入端口的处理
  • 排队：若数据报到达速度超过端口到交换结构的转交速度，后续分组会暂时阻塞
    • 输出端口竞争时候会要排队
    • 线头阻塞：输入队列中排队分组被位于线头的另一个分组阻塞，须等待交换结构发送
    • 输入缓冲区溢出可导致排队时延和丢包

路由器交换结构#

• 内存交换
  • 输入和输出端口间的交换是在路由器的直接控制下完成
  • 分组被拷贝到系统内存中，在CPU的控制下转发至输出端口
  • 转发速度受限于内存带宽（每个分组走两次总线）
• 总线交换
  • 输入报文经共享总线将分组直接转发到输出端口
  • 总线交换速度受限于总线带宽
• 内联网络
  • 客服总线带宽限制
  • Banyan网络：用于计算机体系结构中多处理机互联
  • 固定分组转发：将长度变化的IP分组拆分为固定尺寸的单元，通过交换网络进行转发

输出端口#

• 缓存管理：当交换结构转交给输出端口的速率超过输出链路速率时
• 调度原则：在数据报队列中选则数据报进行传输
• 输出端口排队
  • 当通过交换结构到达的分组速率超过了输出链路的速率时，需要对分组进行缓存
  • 输出端口缓冲区溢出会导致分组的排队和丢失
• 缓存及排队策略
  • 对于有N条TCP链接经过的链路而言
  • $B = \frac{RTT \times R}{\sqrt{N}}$
  • 调度策略
    • 先来先服务FCFS
    • 加权公平排队WFQ

缓存及排队策略#

• 分组排队丢弃策略
  • 被动队列管理
    • 弃尾策略
    • 删除一个或者多个已排队分组
  • 主动队列管理——随机早期检测RED
    • 随时计算平均队列长度$avg_{th}$
    • 最小阈值$min_{th}$, 最大阈值$max_{th}$
    • $avg_{th}$小于$min_{th}$, 允许分组入列
    • $avg_{th}$大于$max_{th}$, 分组被标记或丢弃
    • $avg_{th}$在$min_{th}$和$max_{th}$之间，按照概率标记或丢弃分组

IPv6数据报格式#

• 格式
  • 版本: 4bit
  • 流量类型: 8bit
  • 流标签: 20bit
  • 有效载荷长度: 16bit
  • 下一个首部: 8bit
  • 跳限制: 8bit
  • 源地址: 128bit
  • 目的地址: 128bit
  • 数据
• 无检查和，中间节点无需计算
• 中间节点不再负责分片和重组，由端节点负责
• 首部长度固定，加速中间节点转发速度

IPv4到IPv6的迁移#

• 双栈技术
  • 新加入的设备支持IPv4/IPv6双协议栈
  • 一段链路上，如果源和目标均支持IPv6，则使用IPv6进行通信
  • 如果任一方不支持IPv6，则使用IPv4进行通信
  • 可能会出现信息的丢失
• 隧道技术

子网掩码#

将两级IP(网络号+主机号)的主机号部分，分靠前部分的几位出来作为子网号，变成三级IP(网络号+子网号+主机号)

子网掩码：将网络号和子网号相应的位置全置1，主机号相应位置全置0，即可得到子网掩码

划分子网时的网络地址就成为了 $IP \& 子网掩码 = 网络地址$

子网掩码的作用#

• 对外隐藏子网的存在，对内指示网络号和子网络号的位置

子网寻址#

• 引入子网掩码后，路由器的寻址过程将演变成一个两级寻址过程
  • 检查目的IP地址的网络号
  • 检查目的IP地址的子网号

DHCP协议#

• DHCP协议并不仅仅只能获取IP地址
  • 网关地址
  • DNS地址
  • 子网掩码

ICMP协议报文分类#

• 差错于控制报文协议ICMP
  • 差错报告报文
    • 信息不可到达报告
    • 超时报告
    • 参数出错报告
  • 控制报文
    • 源抑制报文
    • 重定向报文
  • 请求/应答报文
    • 回应请求/应答报文
    • 时间戳请求/应答报文
    • 地址模请求/应答报文

ICMP报文格式#

前4个字节统一都是类型(1字节)代码(1字节)检验和(2字节)

ICMP报文封装在IP组中

ICMP消息：一个类型字段和一个编码字段

ICMP协议的应用#

• ping：使用ICMP回送和应答消息来确定一台主机是否可达
• tracert：确定到目的地主机的确切路由器

链路状态选路算法#

1
Initialization:
2
N' = {u}
3
for all nodes in v
4
  if v adjacent to u
5
    then D(v) = c(u, v)
6
  else D(v) = inf
7

8
Loop
9
  find w not in N' such that D(w) is a minimum
10
    add w to N'
11
    update D(v) for all v adjacent to w and not in N'
12
      D(v) = min( D(v), D(w) + c(w, v) )
13
until all nodes in N'

距离向量选路算法#

距离向量的计算 $d_x(y) = min_v \{c(x, v) + d_v(y) \}$ x到y的最短距离，等于在所有与x相邻的点的距离，分别加上这些相邻点到y点的距离 （就是一个递归）

• RIP路由表更新算法
  • 路由器X得到相邻路由器Y的路由表，从而得知：Y到网络Z的最短距离为N
  • 如果路由器X没有到网络Z的路由条目，则添加一条经由路由器Y到网络Z距离N+1的路由条目
  • 如果路由器X已有到网络Z的路由条目，其距离为M，如果$M > N+1$，则更新该条目为经由路由器Y到网络Z并且距离为N+1，否则不更新
• 链路状态改变时的特点
  • 好消息传得快
  • 坏消息传得慢
    • 无穷计数
    • 路由环路
• RIP协议重要参数
  • 链路费用：相邻两点链路费用为1“跳”，最大费用限制为15
  • 通告周期：选路更新通告周期为30秒
  • 邻居离线：邻居离线判定周期为180秒
  • 协议端口：基于UDP，端口为520

LS VS DV#

层次路由——转发选路算法#

• 转发表是由AS内部选路算法和AS间选路算法共同决定的
  • AS内部选路算法为内部目的地址设置转发表信息
  • AS内部选路算法和AS间选路算法共同为外部目的地址设置转发表信息
• 自治系统间路由器的任务
  • 当从源到目标有多条选路可走时，转发表必须能够确定路径
  • 热土豆选路：选则具有最小最低费用的网关
• 层次路由——层次OSPF
  • 为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域
  • 每一个区域都有一个32bit的区域标识符
  • 区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不要超过200个
  • 划分区域
    • 划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量
    • 在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其它区域的网络拓扑的情况
    • OSPF使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫做主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为0.0.0.0.主干区域的作用是用来连同其它在下层的区域。

因特网上的AS间路由——BGP4#

• 因特网的规模太大，使得自治系统之间路由选则非常困难
  • 对于自治系统之间的路由选则，要寻找最佳路由是很不现实的
  • 自治系统之间的路由选则必须考虑技术无关的一些策略
• BGP为每个AS提供一种手段，以处理
  • 从相邻AS获取子网可达性信息
  • 向该AS内部的所有路由器传播这些可达性信息
  • 基于该可达性信息和AS策略，决定到达子网的“好”路由
    • 边界网关协议BGP只能是力求寻找一条能够 到达目的网络切比较好的路由（不能兜圈子），而非寻找一条最佳路由
• BPG-4与BGP发言人
  • 每一个AS要选则一个路由器作为该AS的“BGP发言人”
  • 两个BGP发言人通过一个共享网络连接在一起的
• BPG路由通告
  • 当一个路由器得知一个新前缀，它为该前缀在其转发表中创建一个表项
  • BPG消息中会包含“路由”
    • “路由”包括前缀和属性：AS-PATH, NETX-HOP
• BPG路由选则
  • 当有两条或者更多条最佳域间路由
  • 采用热土豆思想选则距离NEXT-HOP最近的路由
    • 采用IGP确定哪个边界路由器是最近的
  • 获取NEXT-HOP属性
  • 获取最短路径
  • 确定端口，加入转发表

链路层提供的服务#

• 成帧、链路访问
  • 将数据加上头部和尾部，封装成数据帧
  • 共享介质的信道访问
  • 帧头部用MAC地址标识源和目的（不同于IP地址）
• 可靠传递
  • 很少用于误码率低的电路（光纤、双绞线链路）
  • 用于误码率高的链路（无线链路）
• 流量控制
  • 在相邻的收发节点间限制流量
• 差错检测
  • 信号衰减和电磁干扰噪声导致出错
  • 接收方检测到错误存在：给发送方发送信号要求重传或丢弃该数据帧
• 差错纠正
  • 接收方检测和纠正帧中错误，不用重传
• 半双工和全双工
  • 半双工时，链路两端的节点都能传输分组，但不能同时传输

链路层的实现#

• 在每一台设备上（主机、交换机、路由器）
• 链路层在“适配器”（网卡NIC）或者芯片上实现
• 直接于主机的系统总线相连
• 是硬件、软件和固件的结合体

适配器通信#

• 发送方
  • 在一个帧内封装数据报
  • 增加差错检测位，可靠交付，流量检测等
• 接收方
  • 查找错误，可靠交付，流量控制等
  • 取出数据报，交给网络层
• 适配器是半自治单元
  • 帧的接收和发送、检错、丢弃均是自主进行
  • 向上提交数据时，需要节点干预
  • 最终受控于节点

因特网检查和#

• 发送方
  • 将数据段的内容作为16bit的整数序列
  • 校验和：累加求和，计算和的1的补码
  • 发送方将得到的校验和值放入PDU校验和字段
• 接收方
  • 计算收到的数据段的校验和
  • 检查计算出的校验和于校验和字段中的值是否相同
    • NO——检测到错误
    • YES——没有错误
• 特别注意
  • 仅用于TCP, UDP和IPv4

循环冗余校验码#

• d比特的数据D
• 选则r+1比特模式（生成多项式），表示为G
• 目标：选则r个CRC比特，R，以便
  • <D, R>恰好额能够被G整除（模2计算）
  • 接收方一致G，用G去除<D, R>，若余数非0，则检测到错误
  • 能检测到所有少于r+1比特的错误
• 在实践中被广泛应用（以太网、802.11 WiFi, ATM）

两种链路#

• 点到点链路
  • PPP/以太网交换机和主机之间的点到点链路
• 广播链路（共享线路或介质）
  • 传统以太网/802.11 无线LAN
  • 特点
    • 单个共享广播信道
    • 两个或多个节点同时传输：相互干扰
  • 碰撞：一个节点同时收到两个或多个信号

多址访问协议#

• 分布式算法巨野顶节点如何共享信道，如节点何时可以传输数据
• 特别注意：有共享信道的通信（协商）需使用信道本身
  • 没有额外的信道来进行协调
• 理想的多址访问协议需要满足
  • 假定：信道为速率为R b/s的广播信道
  • 当只有一个节点有数据发送时，该节点的吞吐量为R
  • 当M个节点有数据发送时，每个节点吞吐量为R/M
  • 全分散控制
    • 没有特定节点用于调整传输
    • 没有始终同步
  • 简单
• 分类
  • 信道划分协议
    • 将信道划分成小的“片”（时隙、频率、编码）
    • 将“片”分配给节点使用
  • 随机访问协议
    • 信道没有被分隔，允许碰撞
    • 碰撞恢复
  • 轮流协议
    • 节点轮流传送，但数据量大的节点轮流更长实践

MAC地址#

• 组成
  • 48bit
  • 前24bit由IEEE分配管理——OUI号
  • 后24bit由厂商自行分配
• 作用
  • 在数据链路层标识每块网络适配器，使得能够在广播信道上寻址目标节点
  • MAC地址烧入网络适配器的ROM中，不可更改
• 与IP地址的比较
  • MAC地址是平面地址，类似身份证号
  • IP地址是层次地址，类似邮政编码
  • 在不同的网络间迁移时，MAC地址不会改变
  • IP地址需要改变以适应新的网络配置

地址解析协议(ARP)#

• 目标
  • 根据目标的IP地址获取其MAC地址
• ARP高速缓存
  • 局域网节点的IP/MAC地址映射
  • <IP; MAC; TTL>
  • TTL (Time To Live): 超过TTL的地址映射会被删除（一般20分钟）

以太网#

• 类型
  • 总线式以太网
  • 交换式以太网
• 帧结构
  • 数据字段：（46字节，1500字节）
  • 前同步码
    • 总共8字节，前7字节的格式为10101010，最后一个字节格式为10101011
    • 用于同步发送方与接收方始终
  • 地址：6字节
    • 若适配器收到以太网帧，目的地址为自己的MAC地址或广播地址（如ARP包），就将帧中的数据传递给网络层
    • 否则，适配器丢弃该帧
  • 类型：上层协议类型（大多为IP协议，也支持其它协议）
  • CRC：由接收方检查，若检测到错误，就将该帧丢弃
• 提供的服务
  • 无连接服务：在送适配器和接收适配器之间不需要握手
  • 不可靠服务：接收适配器不发送确认帧或否认帧给发送方
    • 交给网络层的数据报可能存在间隙
    • 若应用使用TCP，间隙会被填充
    • 否则，应用就会看见间隙
• 以太网使用的CSMA/CD
  • 特点
    • 没有时隙
    • 当适配器侦听到其它适配器在传输，它不传输帧，即载波侦听
    • 正在传输的适配器若检测到其它适配器也在传输，则它中止自己的传输，即碰撞检测
    • 在重新传输之前，适配器要等待一段随机时间，即随机回退
  • 算法
    • 适配器收到来种子网络层的数据报，创建帧
    • 若适配器检测到信道空闲，则开始传输帧；若检测到信道忙，就开始等待，直到信道空闲再开始传输该帧
    • 若适配器传输了整个帧而没有检测到其它适配器的传输，则该适配器完成该帧的传输
    • 若适配器在传输时检测到其它适配器也在传输，则停止传输，发送拥塞信号
    • 中止传输后，适配器进入指数回退阶段，在经历第m次碰撞后，适配器随机总$\{0, 1, 2, ..., 2^m-1\}$中选则K值。适配器在等待K*512比特时间后，返回第2步
  • 几个定义
    • 拥塞信号：用来确保所有传输者都能够检测到碰撞而传输的信号；长度为48bit
    • 比特时间：传输1比特所需时间。在10Mbps的以太网中，当K=1023时，等待时间大约为50ms
    • 指数回退算法
      • 目的：适配器重传时试图估计正确的负载
        • 重载：随机等待的时间可能会更长
      • 第一次碰撞：从{0, 1}中选则K；延迟是K*512比特传输时间
      • 第二次碰撞后：从{0, 1, 2, 3}中选则K
      • 第十次碰撞后：从{0, 1, …, 1023}中选则K
  • 重要特性
    • 使用CSMA/CD协议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）
    • 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性
    • 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率
  • 争用期长度
    • 以太网取51.2 us为争用期的长度
    • 对于10Mb/s以太网，在征用期间内可发送512bit，即64字节
    • 以太网在发送数据时，若前64字节没有发生碰撞，则后续的数据就不会发生碰撞
  • 最短有效帧长
    • 如果发生碰撞，就一定是在发送的前64字节之内
    • 由于一检测到碰撞就立即终止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节
    • 以太网规定了最短有效帧长度为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

信号编码#

• 曼彻斯特编码
  • 低电平到高电平为0，高电平到低电平为1
• 差分曼切斯特编码
  • 第一个信号：
    • 中间电平从高到低，表示1
    • 中间电平从低到高，表示0
  • 后续信号
    • 每个区间内的头和下一个区间的头是相同电平，表示1
    • 每个区间内的头和下一个区间的头是相反电平，表示0

集线器（或转发器）互联#

• 主干集线器将LAN网段互联起来
• 扩展了节点间的最大距离
• 原先独立的网段碰撞域变成了一个大的碰撞域
• 不能将10BaseT和100BaseT以太网互联

以太网交换机互联#

• 一种存储-转发设备，在MAC层实现LAN互联
• 工作原理
  • 不断监听各接口是否有信号
  • 收到无差错的帧则缓存，反之将差错帧丢弃
  • 若所受帧的目的MAC地址属另一网段，则通过站表决定向何接口转发
  • 交换机不转发同一网段内通信的帧
  • 交换机不修改所转发的帧的源地址
• 优势
  • 过滤通信量
  • 扩大了局域网的物理范围
  • 提高了可靠性
  • 可互连不同物理层、不同MAC子层何不同速率的局域网
• 缺点
  • 由于要接收和转发，增加了时延
  • MAC子层没有流量控制功能，网络负荷重时，交换机缓存空间可能发生溢出，产生帧丢失现象
  • 出现广播风暴。交换机只适合用户少于几百个和通信量不太大的局域网，否则有时会因传播过多广播信息而产生网络拥塞
• 和集线器的区别
  • 集线器指示将网络的覆盖距离简单延长，而且距离有限，具体实现在物理层；交换机不仅具有将LAN的覆盖距离延长的作用，而且理论上可做到无线延长，具体实现在MAC层
  • 集线器仅具有简单的信号整形和放大的功能；交换机则属于一种智能互联设备，它主要提供信号的存储/转发、数据过滤、路由选则等能力
  • 集线器仅是一种硬设备，而交换机既包括硬件又包括软件
• 交换机的透明性
  • 局域网上的每个站并不知道所发送的帧将经过哪几个交换机，即交换机对各站来说是看不见的
• 交换机选路原理
  1. 从接口x收到帧，有差错则丢弃，否则在站表中查找目的站MAC地址
  2. 找到有，则取出相应的接口d，转3，否则转5
  3. 如果所给MAC地址的接口d=x，则丢弃此帧（不需要转发），否则从接口d转发此帧；
  4. 转6
  5. 向除x以外的所有接口转发此帧（可保证找到目的站）
  6. 如源站不在站表中，则将源站MAC地址写入站表，等级该帧进入交换机的接口号和时间，设置计时器，然后转8，否则转7
  7. 更新计时器（由于网络拓扑经常变化，因此超时记录要删除，以反应最新状态）
  8. 等待新的数据帧，转1
• 交换机存在的问题——兜圈子
• 解决方案——支撑树算法
  • 互连在一起的交换机彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集，在这个自己里整个连同的完了过中不存在回路。一旦支撑树确定了交换机，就会将某些接口断开，以确保从原来的拓扑得出一个支撑树
  • 支撑树算法选则一个交换机作为树的根，然后以最短路径为一句，找到树上的每一个节点
  • 为了让支撑树能反应网络拓扑的变化，每隔几秒钟每个交换机要广播其标识号，和它所直到的其它交换机
  • 缺点：互联局域网数目非常大时，支撑树算法可能花费很多时间
• 以太网交换机VS路由器
  • 两者都是存储转发设备
    • 路由器：网络层设备（检查网络层头部）
    • 交换机：链路层设备
  • 路由器维护路由表，实现路由算法
  • 交换机维护交换表，实现MAC地址过滤、学习算法

虚拟局域网VLAN#

• 概念：虚拟局域网VLAN是指以软件方式来实现逻辑工作组划分与管理的一种网络工作组组建技术
• 特征
  • 局域网交换机是组件虚拟局域网的核心设备
  • 组成逻辑工作组的各节点不受物理未知的限制，换言之，同一逻辑工作组的成员不一定要连在同一个物理网段上
  • 当一个节点从一个逻辑工作组转移到另一个逻辑工作组的时候，只需要通过软件设定，而不需要改变它在网络中的物理位置
• 基于端口的虚拟局域网
  • 交换机端口被分成多组（由交换机管理软件完成），单个物理交换机可以被划分为多个虚拟交换机
• 虚拟交换机的构建方式
  • 基于交换机接口号
  • 基于MAC地址
  • 基于IP地址
• 功能：
  • 端口隔离：不同组的端口的帧仅仅能发送到本组内的其它端口（如果是基于交换机接口号划分的话）
  • 动态的成员管理：端口可以在VLAN之间动态分配
  • VLANS之间的转发：通过路由完成转发（就像使用单独的交换机一样）
• 干线端口
  • 转发在多个物理交换机上的VLAN帧
    • 交换机之间在VLAN中转发的帧不是普通的802.1帧，必须要包含VLAN ID信息
    • 在802.lq协议中，干线端口转发的帧需要添加和删除额外的报头字段

无线网络的元素#

• 无线主机
• 基站
  • 典型的作用是用于连接无线网络
  • 负责向其覆盖范围内的主机发送和接收分组，在无线网络和无线主机之间起链路层中继的作用。如：蜂窝塔、802.11接入点
• 无线链路
  • 典型的作用是用于连接无线主机和基站
  • 也可以用于骨干链路
  • 与链路访问相匹配的多址访问协议
  • 多种数据传输速率和传输距离

基础设施模式#

• 无线局域网可以分为两大类：有固定基础设施和自组网络(ad hoc网络)
• 基础设施模式是指预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站
• 移动主机通过基站接入有线网络
• 切换：移动主机的移动可能会改变与之相关联的基站

第六代WiFi：802.11ax#

• 单流速率提升至1.2Gbps，8x8模式下提供高达9.6Gbps的传输速率
• 支持较窄的子载波间隔以及增加的符号持续时间，更有利于确保信号的健壮性，令wifi覆盖至更远范围
• 引入曾在4G LITE上使用的正交频分多址(OFDMA)技术，加之同时支持2.4GHz和5GHz频段，能创造出更多可用的数据通道，解决无线网络拥堵问题
• 通过在多AP多用户并发场景中引入很多LTE领域的组网特性，让信号的抗干扰性大幅提升

802.11协议簇#

• 都使用CSMA/CA协议实现多路访问
• 都可以用于固定基础设施模式和自组网络模式

802.11体系结构#

• 无线终端通过基站(AP)进行通信
• 一个基站的服务范围
  • 基本服务集(BSS)
• 基本服务集BSS包括
  • 无线终端
  • 基站AP
  • Ad hoc模式下只有终端
• 802.11b的信道划分
  • 2.4GHz-2.485GHz，共85MHz
  • 划分为11个部分重叠的信道集
  • 两个信道仅当中间相隔4个即以上的信道时，无重叠
  • 1、6、11三个信道不重叠，可同时工作

802.11的MAC协议#

• CSMA/CA
• 802.11不采用冲突检测的原因：
  • 检测碰撞的能力要求站点具有同时发送和接收的能力
  • 802.11适配器，接收信号的强度可能远远小于发送信号的强度，从而被淹没，无法检测到
  • 如果一定要实现，则硬件代价会非常大
  • 另外，即使站点具备同时发送和监听的能力，也会由于隐蔽终端和衰减的问题，无法检测到所有的碰撞
• 802.11采取碰撞避免而非碰撞检测

802.15——无线个人区域网#

• 半径小于10米
• 取代电缆（鼠标，键盘，耳机）
• 自组网：无固定基础设施
• 802.15：从蓝牙技术规范演变而来
  • 2.4-2.5GHz ISM频段
  • 最大数据速率3Mbps
• 主/从式：
  • 主设备轮询从设备
  • 批准从设备的传输请求

详细实现#