体系结构

计算机网络：通过通信信道互联起来的集合体

计算机网络关注的基本问题：连通性，可靠性，经济型，扩展性，适应性

现今的互联网采用基于分组交换的分层架构

特征：分组交换，无连接，统计时分复用，扁平拓扑和路由，异质异构

分层架构的优点：模块化，独立性，复用性，标准化

分层架构的缺点：性能优化困难

物理层

处理直连节点间的比特传输

编码

基本是另一门学科了，归零不归零、曼彻斯特差分曼彻斯特等等

复用

多路信号共用一条物理线路的技术，常用的有时分、频分、波分等等

交换

在多节点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，希望动态设定通信双方的线路，有：

• 电路交换：需要建立和拆除线路，但数据传送延迟较短。如电话网、ISDN。
• 报文交换：信息以报文为单位进行存储转发，中间节点缓冲大、延迟较长。
• 分组交换：报文分为分组，独立路由；网络节点不预先分配资源；实现统计复用。
  • 数据报：每个分组均带有网络地址，独立路由。如 IP 网。
  • 虚电路：同一分组流的分组通过预先建立的路径传输，确保分组顺序，不同分组流可能会交错在一起。如ATM网络。

相关设备

中继器

通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离

集线器

将多条以太网双绞线或光纤集合连接在同一段物理介质下

数据链路层

为管理多点访问信道，分为 LLC 和 MAC 两个子层。MAC 层提供尽力而为的服务；LLC 提供确认机制和流量控制，隐藏了不同 MAC 层的差异，为网络层提供统一的接口。

LLC 逻辑链路控制子层

组帧

将比特流分成离散的帧，方法有

• 字符计数法：在帧头表示整个帧的字符个数。若计数出错，错误扩散。
• 首尾字符定界法：局限于 8 位字符传送。
• 位填充首尾标记定界法：特殊位串标记。
• 物理层编码违例：仅适用于物理层编码有冗余的情况。

差错控制

• 情况：帧出错，帧丢失

• 特点：随机，连续突发

• 基本策略：纠错码，检错码

差错恢复 ARQ

• 无约束单工协议：发送方不停地发，接收方不停地收
• 单工停等协议：接收方每收到一个帧，给发送方一个响应
• 有噪声信道的单工协议：若信息帧损坏或丢失，则重传
• 滑动窗口协议：为提高信道利用率，给信息帧编号，进行连续地发送
  • 一比特滑动窗口协议：发送接收窗口大小均为 1
  • 回退N滑动窗口协议：接收窗口为 1，从出错帧起丢弃之后的帧
  • 选择重传滑动窗口协议：只重传出错帧

相关协议

HDLC 是使用最广泛的数据链路层协议

此外还有 SDLC、ADCCP、LAP 等等

MAC 介质访问控制子层

介质共享的主要方式分两种：

• 静态信道分配：TDM，FDM 等
• 动态访问控制

动态访问控制

• 随机访问
  • ALOHA：直接发送，若冲突则等待随机时间重发
  • slotted ALOHA：信道时间分成离散的时间槽
  • CSMA：载波监听多路访问协议，发送前监听信道有无载波
    • 1 坚持：信道空闲则一定发送，信道忙则持续监听信道，产生冲突则等待随机时间
    • 非坚持：信道空闲则一定发送，信道忙则等待随机时间，产生冲突则等待随机时间
    • p 坚持：信道空闲以概率p发送，信道忙则监听信道，产生冲突则等待随机时间
    • CSMA-CD：带冲突检测的载波监听多路访问协议，检测到冲突则立即终止发送并发出瞬间干扰信号。发送时间>2倍最大滞后时间以保证检测正确性。
• 预约
  • 无冲突协议
    • 基本位图协议：竞争周期有 N 个时隙，发送者有帧发送则在对应时隙内发送比特 1，之后按序发送数据
    • 二进制下数法：站地址用二进制位串表示，发送地址时做或操作，高位站优先发送
  • 有限竞争协议：结合竞争方法和无冲突方法，如适应树搜索协议
• 轮询 细分为中心控制式（USB），中继式，环形等。802.4 协议为采用令牌总线技术的局域网，802.5 协议为采用令牌环技术的局域网

相关协议

IEEE 802.3：采用 1-坚持型 CSMA-CD 技术+二进制指数回退

相关设备

网桥

用于扩展局域网段和隔离冲突域

源地址学习，目标地址转发，未知地址洪泛

交换机

传输线路之间不再共享相同的介质和信道资源

网络层

间接连接的节点间数据传输

寻址

IP 地址采用两级地址结构：网络地址+主机地址

结构化地址有 ABC 三类。由于 IP 地址紧张，基于分类的 IP 地址空间过于浪费，故而采用无类别域间路由 CIDR：网络地址聚合，路由表压缩

路由

• 距离向量法：基于 Bellman-Ford 算法，如 RIP 协议，路由环路问题（水平分割，毒性反转，触发更新）
• 链路状态法：基于 Dijkstra 算法，如 OSPF 协议
• 路径向量法：边界网关协议 BGP

相关协议

• IP 协议：不解释
• ICMP：控制消息协议（封装在 IP 包里，如 ping、traceroute、tracert）
• ARP 地址解析协议（IP->MAC）
• RARP 反向地址解析协议（MAC->IP）
• BOOTP：使用 UDP，手工配置映射表
• DHCP：动态主机配置协议，每个 LAN 要有 DHCP 中继代理
• ATM 虚电路网络。优点：压缩中间节点维护状态信息规模，对服务质量提供支持
• IPV6：加速中转路由器处理，简化基本报头结构，取消检验和和分段重组，提供功能扩展，指针链式扩展报头
• MPLS 多协议标签交换

相关设备

路由器

传输层

多路复用与解复用：引入端口。如 HTTP 80 端口，FTP 21 端口。

提供端到端的通信并提供一定的服务质量

相关协议

TCP

由于两军问题的存在，建立连接采用三次握手、释放连接采用三次握手+定时器

TCP 不支持组播、广播

流量和拥塞控制：可变滑动窗口，按可变发送窗口 Awnd 和拥塞窗口 Cwnd 的较小值发送，Cwnd 加性增乘性减以实现公平和效率的平衡

• 慢启动：拥塞窗口初始值为连接允许的最大段长，得到确认则拥塞窗口加倍
• 拥塞避免：大于阈值则拥塞窗口线性增长，超时则阈值设置为拥塞窗口大小的一半，窗口重新设置为最大段长，执行慢启动
• 快速重传：区分轻微拥塞（连续相同 Ack）和严重拥塞（超时）。收到三个相同 Ack 则重传该分组而不等待超时计数器
• 快速恢复：快速重传后，不使用慢启动算法，拥塞窗口减半，门限设为拥塞窗口，使用拥塞避免算法
• Tahoe 协议采用了慢启动+拥塞避免，Reno 协议加入了快速重传+快速恢复

UDP

无连接，延迟小

可能丢失、乱序

常用于流媒体、RIP、DNS

应用层

提供面向终端用户的功能

DNS

电子邮件

• SMTP 简单邮件传输协议
• POP3 邮件取回本地
• IMAP 邮件保持在邮箱中

WWW

FTP

P2P

基于小世界模型、六度分离原理，进行去中心化的资源利用和自组织管理

• 第一代：中心化 P2P（Napster），纯粹 P2P（Gnutella 0.4，Freenet）
• 第二代：混合 P2P（Gnutella 0.6，JXTA），动态中心
• 第三代：结构化，基于DHT，无中心（Chord，CAN）