互联网的三层体系架构分别是 互联网三个层级

ch1.计算机网络概述

1.网络

• 分类

• 个域网PAN
• 局域网LAN
• 城域网MAN
• 广域网WAN

• 网络的网络

• 互联网（Internet）：遵循TCP/IP标准，利用路由器将计算机网络互连起来而形成的、覆盖全球的特定的互联网。
• 互连网（internet）（泛指）

2.互联网概述

层级结构

ISP/IX：互联网交换点

Tier-1 ISP：全球最高级别，互不结算；中国电信、中国联通等。

Tier-2 ISP：教育网、中国移动等，往往需要向更高级别ISP交流量费

互联网的构成

网络边缘

端系统：位于互联网边缘与互联网相连的计算机和其他设备，由各类**主机（host）**构成（桌面计算机、移动计算机、服务器、其他智能终端设备）。

主机的功能：

（1）容纳应用程序；

（2）产生信息并向接入网发送数据；

（3）从网络接收数据并提供给应用程序。

网络核心：由互联端系统的分组交换设备（路由器、链路层交换机）和通信链路（光纤、铜缆、无线电、激光链路）构成的网状网络。

3.网络边缘

• 接入网

• 目标是将主机连接到边缘路由器（端系统host去往任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器）上。
• 接入方式有：

• 光纤到户FTTH：有源光纤网络AON、无源光纤网络PON
• 数字用户线DSL（Digital Subscriber Line）：使用电话线连接到数字用户线接入复用器，上下行速率不对称。
• 同轴电缆

• 家庭利用传统有线电视信号线（同轴电缆）接入头端上网
• 多个家庭共享有线电视的头端
• 不对称：高达40 Mbps–1.2 Gbps下行传输速率，30-100 Mbps上行传输速率

• 无线接入：无线接入网通过基站（接入点）将终端系统连接到路由器上。

• 无线局域网（WLAN）
• 广域蜂窝接入网

• 企业和家庭网络

• 有线以太网接入
• 无线WiFi接入

• 物理介质

• 传输单元（位（bit）），是在发射机/接收机之间的物理介质上传播数据的最小单元。
• 物理媒体是指发射机和接收机之间的具体链路介质。分类：

• 引导型介质：信号在固体介质中传播

• 光纤：高速运行（高速点对点传输）、低误码率（对电磁噪声免疫）。
• 双绞线：电话线（1对）、网线（4对）
• 无线电缆

• 非引导型介质：信号自由传播，例如无线电、无线链路类型（广域、蓝牙、地面微波、卫星）。

存储常用字节Byte：K/M/G的层级为2的10进制；

传输常用比特bit：K/M/G的层级为10的3进制。

4.网络核心

将海量的端系统互连起来，分组交换（包交换）：网络将数据分组从一个路由器转发到下一个路由器，通过从源到目标的路径上的链路，逐跳传输抵达目的地。

网络核心的功能：

（1）路由：

• 全局操作：确定数据分组从源到目标所使用的路径
• 需要路由协议和路由算法，产生路由表

（2）转发：

• 本地操作：路由器或交换机将接收到的数据分组转发出去（即移动到该设备的某个输出接口）
• 确定转发出去的接口/链路：根据从“入接口”收到分组头中的目的地址，查找本地路由表，确定“出接口”

路由器转发模型：

5.数据交换方式

电路交换

• 特点

• 电路交换通常采用==面向连接==方式
• 先呼叫建立连接，实现端到端的资源预留
• 预留的资源包括：链路带宽资源、交换机的交换能力
• 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，资源专用，即使空闲也不与其他连接共享
• 由于建立连接并预留资源，因此传输性能好；但如果传输中发生设备故障，则传输被中断
• 传输时延包括发送时延和传播时延

• 电路交换的多路复用

• 频分多路复用FDM
• 时分多路复用TDM

有性能保证（资源独享），该路资源专用，即使空闲也不与其他连接共享，无法应对互联网中广泛存在的“突发”（Burst）流量。

报文交换

存储转发带来报文的传输延迟：

将L位数据报文，以R bps的速率，发送到链路中： 需要L/R秒。

【注】传输（transmission，将数据传输到链路上），传播（propagation，与链路长度有关，如光的传播）

分组交换

• 通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制，实现数据交互的通信方式
• 以分组作为数据传输单元
• 每个分组的首部都含有地址（目的地址和源地址）等控制信息
• 每个分组在互联网中独立地选择传输路径
• 支持灵活的统计多路复用【主机A和B的报文分组按需共享带宽】，共享网络带宽
• 在同样带宽条件下允许更多用户使用
• 与用户的活跃的概率、用户数量有关。
• 时延包括发送时延、传播时延和转发时延。

已知用户总数为N，可容纳最大的在线活跃数量为K（设为10），超出K个用户会造成网络堵塞的概率为0.0004，求N：

${\sum\limits_{K = 11}^{N}{C_{K}^{N}0.1^{K}0.9^{N - K}}} < 0.0004$

6.协议与分层结构

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，即网络协议(network protocol)。

协议的三要素

• 语法：规定传输数据的格式（如何讲）
• 语义：规定所要完成的功能（讲什么）
• 时序：规定各种操作的顺序（双方讲话的顺序）

协议分层结构

• 层次栈

为降低网络设计的复杂性，网络使用层次结构的协议栈，每一层都使用其下一层所提供的服务，并为上层提供自己的服务

• 对等实体

不同机器上构成相应层次的实体成为对等实体

• 接口

在每一对相邻层次之间的是接口；接口定义了下层向上层提供哪些服务原语

• 网络体系结构

层和协议的集合为网络体系结构，一个特定的系统所使用的一组协议，即每层的协议，称为协议栈

发送端：层层封装；接收端：层层解封装。

两种不同类型的服务：面向连接【每个“请求”或“响应”后，都在对方产生一个“指示”或“确认”动作】和无连接。

7.参考模型

告诉我们协议的每层应实现什么功能。

OSI参考模型

7层由底至上分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

物理层（Physical Layer）：

定义如何在信道上传输0、1：Bits on the wire

数据链路层 (Data Link Layer)：

• 实现相邻（Neighboring）网络实体间的数据传输
• 物理地址（MAC address）：48位，理论上唯一网络标识，烧录在网卡，不便更改
• 共享信道上的访问控制（MAC）：同一个信道，同时传输信号。如同：同一间教室内，多人同时发言，需要纪律来控制

网络层 (Network Layer)：

将数据包跨越网络从源设备发送到目的设备（host to host）

传输层 (Transport Layer)：

将数据从源端口发送到目的端口（进程到进程）

会话层 (Session Layer)：

利用传输层提供的服务，在应用程序之间建立和维持会话，并能使会话获得同步

表示层（Presentation Layer）：

关注所传递信息的语法和语义，管理数据的表示方法，传输的数据结构

应用层（Application Layer）：

通过应用层协议，提供应用程序便捷的网络服务调用

TCP/IP参考模型

现在的事实标准，包含物理层、网络接口层（数据链路层）、互联网层、传输层、应用层（OSI中的会话层、表示层、应用层）。

遵循端对端原则：与电话网络（终端都在网络进行）不同，采用聪明终端（简单网络），由端系统负责丢失恢复，提高可扩展性。

IP分组交换的特点：

• 可在各种底层物理网络上运行(IP over everything)
• 可支持各类上层应用(Everything over IP)

8.计算机网络度量单位

• 比特率(bit rate)

主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据率

比特率的单位是b/s(比特每秒)，也可以写为bps，(bit per second)，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等

• 带宽

• 网络中某通道传送数据的能力，即单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位是 bit/s，即 “比特每秒”。
• 注意与比特率的区别：带宽是链路上的可用带宽，吞吐量是与实际链路中每秒所能传送的比特数。我们倾向于用“吞吐量”一次
  来表示一个系统的测试性能。

• 包转发率(PPS)

• 全称是Packet Per Second(包/秒)，表示交换机或路由器等网络设备以包为单位的转发速率
• 线速转发：交换机端口在满负载的情况下，对帧进行转发时能够达到该端口线路的最高速度

• 时延(Delay)

• 时延 (delay 或 latency) 是指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，也称为延迟

• 传输时延(transmission delay)：数据从结点进入到传输媒体所需要的时间，传输时延又称为发送时延
• 传播时延(propagation delay)：电磁波在信道中需要传播一定距离而花费的时间
• 处理时延(processing delay)：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间
• 排队时延(queueing delay)：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延
• 时延带宽积：时延带宽积 = 传播时延*带宽，即按比特计数的链路长度
• 例：传播时延为20ms，带宽为10Mb/s，则：时延带宽积= 20/1000 × 10×106 = 2 × 105 bit。

• 时延抖动：
• 变化的时延称为抖动（Jitter）
• 时延抖动起源于网络中的队列或缓冲，抖动难以精确预测
• 延迟丢包：在多媒体应用中，由于数据包延迟到达，在接收端需要丢弃失去使用价值的包

ch2.物理层

1.物理层的功能

• 位置：物理层是网络体系结构中的最低层
• 功能：如何在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流

• 数据链路层将数据比特流传送给物理层，物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码，然后将信号通过传输媒体传输到下一个节点的物理层

• 作用：尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，为数据链路层提供一个统一的数据传输服务

2.物理层接口特性

• 数据终端设备(DTE)

• 一种具有一定的数据处理和转发能力的设备
• 可以是数据的源点或终点

• 数据电路终结设备(DCE)

• 在DTE和传输线路之间提供信号、变换和编码的功能
• 负责建立、保持和释放数据链路

• 物理层协议是DTE和DCE间的约定，规定了两者之间的接口特性。

3.数据通信

时域观和频域观

时域观

• 从时间函数的角度来看，电磁信号分为模拟信号和数字信号
• 模拟信号的信号强度随着时间平滑变化，或者说信号中没有突变或不连续的地方。
• 数字信号的信号强度在一段时间内保持一个恒定值，然后又变成另外一个恒定值

频域观

• 当一个信号的所有频率成分是某一个频率的整数倍时，该频率被称为基本频率
• 信号的周期等于基本频率的周期

傅里叶分析

$\mathrm{g}(\mathrm{t})=\mathrm{c}+\sum_{n=1}^{\infty} a_{n} \sin (2 \pi n f t)+\sum_{n=1}^{\infty} b_{n} \cos (2 \pi n f t)$

• 任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t) 可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和
• an, bn为n次谐波项的正弦和余弦振幅值

各个参数值：

• 通过等式两边从0到T积分，有：$\mathrm{c}=\frac{2}{T} \int_{0}^{T} g(t) d t$
• 用$\sin (2 \pi k f t)$)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得$a_{n}$：$\mathrm{a}_{\mathrm{n}}=\frac{2}{T} \int_{0}^{T} g(t) \sin (2 \pi n f t) d t$
• 用$\cos (2 \pi k f t)$乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得$b_{n}$：$\mathrm{b}_{\mathrm{n}}=\frac{2}{T} \int_{0}^{T} g(t) \cos (2 \pi n f t) d t$

4.有限带宽信号

概述

• 许多信号的带宽是无限的，然而信号的主要能量集中在相对窄的频带内，这个频带被称为有效带宽，或带宽（bandwidth）
• 信号的信息承载能力与带宽有直接关系，带宽越宽，信息承载能力越强
• 信号在信道上传输时的特性

• 对不同傅立叶分量的衰减不同，引起输出失真
• 信道有截止频率fc, 0 ~ fc的振幅衰减较弱， fc以上的振幅衰减厉害，这主要由信道的物理特性决定， 0 ~ fc是信道的有限带宽
• 通过信道的谐波次数越多，信号越逼真

• 波特率（baud）和比特率（bit）的关系

• 波特率：每秒钟信号变化的次数，也称调制速率
• 比特率：每秒钟传送的二进制位数
• 波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系

• 例：每个信号值可表示3位，则比特率是波特率的3倍；每个信号值可表示1位，则比特率和波特率相同

• 能通过信道的最高次谐波数目为：N = fc / f1（fc为截止频率，f1为一次谐波频率）

• 对于比特率为Ｂbps的信道，发送8位所需的时间为 8/B秒，若8位为一个周期Ｔ，则一次谐波的频率是：f1 = B/8 Hz
• 音频线路的截止频率为3000Hz ，则能通过信道的最高次谐波数目N = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/B

最大数据传输率公式

• 无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式——奈魁斯特定理

• 最大数据传输率 = $2 H \log _{2} \mathrm{V} \text { (bps) }$
• 任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则每秒采样2H次就能完整地重现该信号，信号电平分为V级

• 随机噪声信道的最大数据传输率公式——香农定理

• 随机噪声出现的大小用信噪比（信号功率S与噪声功率N之比）来衡量，换算成分贝则可以用对数形式表示，即$10 \log _{10} \mathrm{S} / \mathrm{N}$，100的信噪比为20分贝。
• 带宽为 H 赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为$\mathrm{Hlog}_{2}(1+\mathrm{S} / \mathrm{N})(\mathrm{bps})$
• 与信号电平级数、采样速度无关
• 此式仅是上限，难以达到

信息量

• 根据香农理论，一条消息包含信息的多少称为信息量，信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关。
• 一条消息所荷载的信息量等于它所表示的事件发生的概率p的倒数的对数，即$I=\log _{a} \frac{1}{p}=-\log _{a} p$，其中a表示进制：当a=2时，I的单位为比特（通常单位）；当a=自然数e时，I的单位为奈特。

5.传输方式

• 根据传送信号的不同：

• 以模拟信号来传送消息的通信方式称为模拟通信，而传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统
• 以数字信号来传送消息的通信方式称为数字通信，而传输数字信号的通信方式称为数字通信系统
• 模拟信号和数字信号在传输过程中可以相互变换，即A/D和D/A。

• 按照传输数据的时空顺序的不同：

• 串行传输： 指数据在一个信道上按位依次传输的方式，如计算机与外设，其特点是：

• 所需线路数少，投资省，线路利用率高
• 在发送和接收端需要分别进行并/串和串/并转换
• 收发之间必须实施同步。适用于远距离数据传输

• 并行传输 ：指数据在多个信道上同时传输的方式，其特点是：

• 在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换
• 需要n条信道的传输设施，故其成本较高，适用于要求传输速率高的短距离数据传输

• 根据通信线路不同的连接方式：

• 点对点传输

• 点到多点传输（广播）

• 按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系：

• 单工：两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号（F.M广播、旧式有线电视）
• 半双工：两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不可同时进行，又称“双向交替”模式（对讲机）
• 全双工：两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号（打电话）

• 按照收发两端实现同步的方法，可分为：

• 异步传输
• 同步传输（建立位同步、帧同步）
• 异步传输的发送器的接收器的时钟是不同步的（有偏移，无漂移），而同步传输两者的时钟是同步的

• 按照传输系统在传输数据信号过程中是否搬其频谱，可分为：

• 基带传输

• 未对载波调制的待传信号称为基带信号，它所占的频带称为基带
• 基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”
• 限制：因基带信号所带的频率成分很宽（会引起导线发热），所以对传输线有一定的要求

• 频带传输

• 利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制
• 为了适应信道的频率特性

6.数据编码技术

• 研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）。
• 常见编码方式：

• 不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）

• 用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”
• 缺点：

• 难以分辨一位的结束和另一位的开始
• 发送方和接收方必须有时钟同步
• 若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加

• 曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码

• 每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”
• 优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步

• 差分曼彻斯特码（Differential Manchester）

• 每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据
• 优点：时钟、数据分离，便于提取

• 逢“1”变化的NRZ码

• 在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变

• 逢“0”变化的NRZ码

• 在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变

7.频带传输

• 数字数据的模拟传输，也称频带传输。其含义是在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。
• 用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号：

• 调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化

• 幅移键控法（调幅） Amplitude-shift keying (ASK)
• 频移键控法（调频）Frequency-shift keying (FSK)
• 相移键控法（调相）Phase-shift keying (PSK)

• 解调（Demodulation）：调制的反变换
• 调制解调器MODEM（modulation-dem·odulation)

8.传输介质

传输介质是指发送器与接收器之间的物理通路，可分两大类，分别是导引型传输介质和非导引型传输介质。

导引型传输介质

指电磁波被导向沿着某一媒体传播，包括双绞线、同轴电缆（局域网发展初期）、电力线（电力载波是电力系统特有的通信方式）和光纤等。

• 光线在光纤中的折射

• 由于纤芯折射率大于包层的折射率，使得折射角大于入射角
• 当入射角足够大时，就会引起全反射，光线重新折回纤芯，从而不断向前传播，实现信号传输

• 单模光纤的带宽极宽，适用于大容量远距离通信。

非导引型传输介质

指电磁波在大气层、外层空间或海洋中进行的无线传播，包括短波传输、地面微波、卫星微波、光波传输等。

• 短波（频率在2MHz以下）

• 可沿地球表面以地波形式传播（数百千米）
• 主要以天波的形式靠大气层中的电离层反射传播（达数千～上万千米）
• 多径传播：短波电波通过若干条路径或者不同的传播模式由发信点到达收信点的长度不同，而引起由发信点到达收信点的时间不同的现象
• 多径时散 ：指不同路径的时延差，其对数据通信的影响主要体现在码间干扰。引起的因素主要有：

• 为了保证传输质量，往往采用限制数据传输速率的措施。

• 地面微波：

• 传输的三大最基本工作特点

• 多路复用
• 射频工作
• 中继接力（远距离通信）

• 2.4G速度慢，穿透力强；5G速度快，穿透力弱。

• 广播通信

• 按照光源特性的不同，分为激光通信和非激光通信
• 按照传输媒体的不同，分为大气激光通信和光纤通信
• 按照传输波段的不同，光波通信分为可见光通信、红外线（光）通信和紫外线（光）通信

• 红外线通信

• 对非透明物体的透过性较差，导致传输距离受限制
• 红外线通信的发送端采用脉位调制（PPM）方式，驱动红外发射管以光脉冲（扇形）的形式发送出去

• 可见光通信

• 优点：

• 可见光方向性好，可用来高精度室内定位，保密性强
• 速度高，最高传输速率达Gbps级
• 抗干扰，抗复杂电磁干扰
• 多功能合一，具备照明、通信、传感、显示等功能一体化

• 导引/非导引介质（电磁波）频谱：

9.多路复用技术

信道资源是有限的，实际网络中，多对用户往往需要利用相同的信道资源传输信息。但不同的信号同时在同一信道中传输会产生严重的相互干扰，导致传输失败。

复用 (multiplexing) 技术的目的是：允许用户使用一个共享信道进行通信，避免相互干扰，降低成本，提高利用率。复用技术的原理可以参考如下示意图：

复用技术大致有以下几类：

• 频分复用（Frequency-division multiplexing, FDM），是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上，再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术。

• 时分复用(Time Division Multiplexing, TDM)

• 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）的。

• 时分复用可能会造成线路资源的浪费：当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态。

• 统计时分复用（statistical time division multiplexing，STDM），是指动态地按需分配共用信道的时隙，只将需要传送数据的终端接入共用信道，以提高信道利用率的多路复用技术。
• 波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。
• 码分复用（码分多址，Code Division Multiple Access，CDMA）是指利用码序列相关性实现的多址通信 , 可以让不同用户在同样的时间使用同样的频率进行通信，其基本思想是靠不同的地址码来区分的地址。

• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
• 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。发送序列 00011011，代表发出的是1；发送序列 11100100，代表发出的是0。
• 由于码片序列的正交性：

• 对任何两个不同的码片序列，它们的规格化内积有$\mathbf{S} \bullet \mathbf{T} \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} T_{i}=0$
• 任何码片序列与自身的规格化内积一定是1，即$\mathbf{S} \bullet \mathbf{S}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} S_{i}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i}^{2}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}(\pm 1)^{2}=1$
• 任何码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1，即$\mathbf{S} \cdot \overline{\mathbf{S}}=-1$

• 为了恢复出某个特定站的比特流，接收方必须预先知道这个站的码片序列。接受发收到的是各个码片序列之和，只要计算收到的码片序列与该站的码片序列的规格化内积，就可以会恢复出该站的比特流。比如：

• 当两个站A和C同时传输比特1，B同时传输比特0，接收方看到的是和值$\mathbf{S} =A+\overline{B}+C$，然后计算$\mathbf{S}\bullet C=(A+\overline{B}+C)\bullet C=A\bullet C+\overline{B}\bullet C+C\bullet C =0+0+1=1$，由此能知道C传输的是比特1。
• 如果$\mathbf{S}$与某个码片序列的内积为-1，则代表发送的是0。
• 如果$\mathbf{S}$与某个码片序列的内积为0，说明其未发数据。