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第1章  概述

目录：

        1.1计算机网络在信息时代的作用

        1.2  因特网概述

        1.3  因特网的组成

        1.4  计算机网络在我国的发展

        1.5  计算机网络的分类

        1.6  计算机网络的性能

        1.7  计算机网络的体系结构

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1.1 计算机网络在信息时代中的作用

        网络是指“三网”：即电信网络、有线电视网络和计算机网络。计算机网络向用户提供的最重要的功能 ：

            1、连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

            2、共享——即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

1.2  因特网概述

        网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。 互联网是“网络的网络”(network of networks)。连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。“结点”在网络中的 node 的标准译名是“结点”而不是“节点”。但数据结构的树(tree)中的 node 应当译为“节点”。网络与因特网网络把许多计算机连接在一起。因特网则把许多网络连接在一起。

        因特网发展的三个阶段:

        第一阶段是从单个网络 ARPANET向互联网发展的过程。1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。人们把1983 年作为因特网的诞生时间。internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

        第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

        第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。

        根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。

指定因特网的四个阶段：因特网草案、建议标准、草案标准、因特网标准

  1.3  因特网的组成

    1.3.1  因特网的边缘部分

        从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：

        (1)边缘部分: 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

        (2)核心部分: 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

        处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。“主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”

        两种通信方式

        在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：

            客户服务器方式（C/S 方式）    即Client/Server方式

            对等方式（P2P 方式）    即 Peer-to-Peer方式

        1.  客户服务器方式

        客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

        客户软件的特点：

        被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

        服务器软件的特点：

        一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

        2. 对等连接方式 

        对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

        对等连接方式的特点：

        对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

1.3.2  因特网的核心部分

        网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。“交换“的含义在电路交换的角度看，“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换不予赘述。分组交换的特点：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。

        分组交换的传输单元

        分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。

        分组首部的重要性

        每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。接收端收到分组后剥去首部还原成报文。最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。

        因特网的核心部分总结

        因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。

        路由器

        在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

        路由器处理分组的过程是：

        把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。

        主机和路由器的作用不同

        主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

        分组交换的优点

        高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

        分组交换带来的问题

        分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

        两个对比

        早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。  

1.4  计算机网络在我国的发展

1.5  计算机网络的分类

        不同作用范围的网络：广域网 WAN (Wide Area Network)、局域网 LAN (Local Area Network) 、城域网 MAN (Metropolitan Area Network)个人区域网 PAN (Personal Area Network) 

        从网络的使用者进行分类：公用网 (public network) 、专用网 (private network) 

        用来把用户接入到因特网的网络：接入网AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。

 1.6  计算机网络的性能

        1.速率

        速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等。速率往往是指额定速率或标称速率。

        2.带宽

        “带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

        3.吞吐量

        吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

        4.  时延(delay 或 latency)

        传输时延（发送时延 ）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间

        传播时延  电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

        处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

        排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延。

        5.时延带宽积

        时延带宽积=传播时延*带宽。链路的时延带宽积也称为是以bit为单位的链路长度。

        6. 利用率

        信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。 

        时延与网络利用率的关系

        根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。 若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系： 

1.7  计算机网络的体系结构

        相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 （不容易实现）。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

1.7.2  划分层次的必要性

        计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

        网络协议的组成要素：  

        语法：数据与控制信息的结构或格式 。

        语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

        同步：事件实现顺序的详细说明。

        计算机网络的体系结构

        计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

1.7.3  具有五层协议的体系结构 

        TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层（没有具体内容）。和ISO折中之后，综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构：应用层(application layer) 、运输层(transport layer) 、网络层(network layer) 、数据链路层(data link layer) 、物理层(physical layer) 

1.7.4  实体、协议、服务和服务访问点 

        实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

        协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

        在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。

        协议很复杂

            协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

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第2章  物理层

2.1 物理层的基本概念

        物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 

        机械特性指明接口所用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。

        电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

        功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

        过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2.1数据通信系统的模型

        数据(data)——运送消息的实体。

        信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。

        “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。

        “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。

        码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

2.2.2  有关信号的几个基本概念

        单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

        双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。

        双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

        基带信号和带通信号：

        基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。

        带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

        最基本的二元制调制方法有以下几种：

            调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。

            调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。

            调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

2.2.3  信道的极限容量 

        任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。信道能够通过的频率范围，1924 年，奈奎斯特(Nyquist)的奈氏准则。给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

        信噪比，香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

        信道的极限信息传输速率 C 可表达为

        C = W log2(1+S/N)  b/s 

            W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；  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。  

    香农公式表明 

        信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。  

    attention：

        对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 导向传输媒体（不重要）

        双绞线：屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)、无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 

        同轴电缆：50 欧同轴电缆、75 欧同轴电缆

        光缆 

2.3.2 非导向传输媒体（不重要）

        无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信。卫星通信  

2.4  信道复用技术

2.4.1  频分复用、时分复用和统计时分复用 

        复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

        频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) ：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

        频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

        时分复用TDM(Time Division Multiplexing) ：时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM  帧的长度）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

        使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 

2.4.3   码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)  

        常用的名词是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)  

        CDMA 的重要特点 

        每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。码片序列的正交关系 ，令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：

        举例：

        令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入式就可看出这两个码片序列是正交的。 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。

        一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。 

        CDMA 的工作原理 

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第3章 数据链路层

        数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

        （1）点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。

        （2）广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送与接收。

3.1 使用点对点信道的数据链路层

3.1.1  数据链路和帧  

        链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。   数据链路层传送的是帧

3.1.2  三个基本问题 

        (1) 封装成帧  (2) 透明传输  (3) 差错控制 

3.2  点对点协议 PPP

3.2.1 PPP 协议的特点 

        现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议。PPP 协议的组成 PPP 协议有三个组成部分 ：一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。   

3.2.2   PPP 协议的帧格式

        标志字段F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示）。地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段C 通常置为 0x03。PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。     

 3.2.3   PPP 协议的工作状态 

        当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

3.3  使用广播信道的数据链路层

3.3.1  局域网的数据链路层 

        局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

        局域网按网络拓扑结构进行分类：星型网：由于集线器和双绞线的使用，星型以太网得到广泛使用。环形网：典型代表：令牌环形网。总线网：两端匹配电阻吸收电磁波信号的能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。CSMA/CD协议树形网：主要用于频分复用的宽带局域网。

3.3.2   CSMA/CD 协议 

        最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 

        为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 ：

        一、采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。  

        二、以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码

        为什么使用曼彻斯特编码？二进制基带数字信号通常是高低电压交替出现的信号。问题，当出现一长串的0或1时，接收端就无法从收到的比特流中提取位同步（比特同步）信号。

        曼彻斯特编码：把每一个码元再分成两个相等的间隔，1是上升沿，0是下降沿。

        总线上一台计算机发送数据，总线的传输资源就被占用，在同一时间只能允许一台计算机发送信息，以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议CSMA/CD 载波监听多点接入/碰撞检测。

        CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。

         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）。

3.4  使用广播信道的以太网

3.4.1  使用集线器的星形拓扑

        传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。以太网在局域网中的统治地位，10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。

        集线器的一些特点：集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。

3.4.2  以太网的信道利用率 

3.4.3   以太网的 MAC 层

        1.  MAC 层的硬件地址 

        在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC 地址。802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。IEEE 的注册管理机构RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。一个地址块可以生成2的24次方个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧（一对一）、广播(broadcast)帧（一对全体）、多播(multicast)帧（一对多）

        常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：DIX Ethernet V2 标准、IEEE 的 802.3 标准

3.5  扩展的局域网

3.5.1  在物理层扩展局域网

            扩展主机和集线器之间的距离，主机使用光纤和一对光纤调制解调器（进行电信号和光信号的转换）连接到集线器 ，用集线器扩展局域网

        优点：使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。

        缺点：碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。   

3.5.2  在数据链路层扩展局域网 

        在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口

        使用网桥带来的好处 ：过滤通信量。 网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。  

        使用网桥带来的缺点 ：存储转发增加了时延。在MAC 子层并没有流量控制功能。（网络符合很重的时候，网桥中的缓存的存储空间可能不够而溢出，以致产生帧丢失现象）具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

        网桥和集线器（或转发器）不同 ：集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。

        目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表 ：若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。网桥在转发表中登记以下三个信息 ：在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。 

        网桥的自学习和转发帧的步骤归纳 ：

        网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）进行转发。如有，则按转发表中给出的接口进行转发。若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。

        透明网桥使用了生成树算法 ：这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。 

3.6   高速以太网

3.6.1  100BASE-T 以太网

    速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。

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第4章 网络层

4.1  网络层提供的两种服务

        网络层提供的两种服务：虚电路服务、数据报服务

        网络才呢过向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务，不提供服务质量的承诺。

4.2  网际协议IP

        IP协议是TCP/IP体系中两个主要协议之一。与IP协议配套的还有：ARP、RARP、ICMP、IGMP

        网络各层中的中间设备：（1）物理层：转发器    （2）数据链路层：网桥、桥接器    （3）网络层：路由器    （4）网络层以上：网关。当中间设备是转发器或者网桥时，仅仅是把一个网络扩大了，而不是连接不同的网络。

        分类的IP地址：

        IP地址是32位，

        ARP:将IP地址转换成物理地址

        RARP：将物理地址转换为IP地址。

4.3  划分子网和构造超网

        无分类编制CIDR:构造超网

4.4  网际控制报文协议ICMP

        ICMP保温种类：差错报告报文（3：终点不可达，4：源点抑制，11：时间超时，12：参数问题，5：改变路由）、询问报文（8或0：回送请求或者回答，13或14：时间戳请求或回答）

4.5  因特网的路由选择协议

        内部网关协议IGP：RIP、OSPF

        外部网关协议EGP:BGP

4.6  IP多播

4.7  虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

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第5章 运输层

5.1  运输层协议概述

        UDP:用户数据报协议，不需要建立连接，面向报文，不可靠，尽最大努力交付，没有拥塞控制、支持一对一、一对多、多对多交互通信，UDP首部开销小。

        TCP:传输控制协议，需要建立连接，可靠面向字节流，全双工，每条tcp只能用两个端点

5.6  TCP可靠传输的实现

        滑动窗口

5.7  TCP的流量控制

    所谓的流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接受。利用滑动窗口机制可以很方便的在TCP连接上实现对发送方的流量控制。TCP的窗口单位是字节，不是报文段，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。

  如图所示，说明了利用可变窗口大小进行流量控制。设主机A向主机B发送数据。双方确定的窗口值是400.再设每一个报文段为100字节长，序号的初始值为seq=1,图中的箭头上面大写ACK，表示首部中的却认为为ACK，小写ack表示确认字段的值。

     接收方的主机B进行了三次流量控制。第一次把窗口设置为rwind=300，第二次减小到rwind=100最后减到rwind=0，即不允许发送方再发送过数据了。这种使发送方暂停发送的状态将持续到主机B重新发出一个新的窗口值为止。

假如，B向A发送了零窗口的报文段后不久，B的接收缓存又有了一些存储空间。于是B向A发送了rwind=400的报文段，然而这个报文段在传送中丢失 了。A一直等待收到B发送的非零窗口的通知，而B也一直等待A发送的数据。这样就死锁了。为了解决这种死锁状态，TCP为每个连接设有一个持续计时器。只 要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器，若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段（仅携带1字节的数据），而对方就在确认这个探测报文段时给出了现在的窗口值。

TCP报文段发送时机的选择

  TCP报文段发送时机主要有以下几种选择途径。

     1）TCP维持一个变量，它等于最大报文段长度MSS，只要缓存中存放的数据达到MSS字节就组装成一个TCP报文段发送出去。

     2）由发送方的应用程序指明要求发送报文段，即TCP支持的推送操作

     3）是发送方的一个计时器期限到了，这时就把当前已有的缓存数据装入报文段发送出去。

5.8  TCP的拥塞控制

        拥塞控制的四种算法，即慢开始（Slow-start)、拥塞避免（Congestion Avoidance)、快重传（Fast Restrangsmit)和快回复（Fast Recovery）。我们假定：

     1）数据是单方向传送，而另外一个方向只传送确认

     2）接收方总是有足够大的缓存空间，因为发送窗口的大小由网络的拥塞程度来决定。

 慢开始和拥塞避免

快重传和快恢复

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第6章 应用层

DNS

FTP

TELNET

WWW

电子邮件

DHCP

SNMP