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具体问题包括
成帧、寻址、差错控制、流量控制、介质访问控制等。
网络层(networklayer):
控制子网的运行过程,确定如何将分组从源端路由到目的端。
具体问题包括寻址、路由、网络互联、拥塞控制等。
传输层(transportlayer):
真正的端到端协议,端到端有效性和可靠性的保证。
负责将源端上层的协议数据传送到目的端。
具体问题包括Naming,multiplexing,Disassemblingandreassembling,errorcontrol,flowcontrol.
会话层(sessionlayer):
允许在不同机器上的用户之间建立会话。
具体包括会话控制、令牌管理以及同步。
表示层(presentationlayer):
定义所传递信息的语法和语义。
应用层(applicationlayer):
直接针对用户的需要的协议。
TCP/IP参考模型。
互联网层(internetlayer):
允许主机将分组发送到任何网络上,并且让这些分组独立地到达目标端(可能位于不同的网络上),IP(InternetProtocol)协议。
传输层:
位于互联网层之上,允许源和目标主机的对等体之间进行对话。
两个协议:
可靠的面向连接的TCP(TransportControlProtocol)和不可靠的无连接的UDP(UserDatagramProtocol)。
应用层:
所有的高层协议。
Virtualterminal:
TELNET
Filetransfer:
FTP
Email:
SMTP
Hostnametonetworkaddress:
DNS
BrowsetheWeb:
HTTP
主机至网络层:
没有明确规定。
OSI和TCP/IP的比较?
共同点:
•两者都是以协议栈的概念为基础
•协议栈中的协议相互独立
•各个层的功能大体相似
•传输层以上的各层都是传输服务的用户,并且是面向应用的用户。
不同点:
•服务、接口、协议是OSI的核心概念,但TCP/IP模型并没有清晰的定义它们。
•OSI模型出现在协议发明之前,而TCP/IP模型是先有协议,再有模型。
•OSI模型更便于理解计算机网络,但是却没有实际的协议实现。
•TCP/IP模型仅仅是对已有模型的描述,不适合任何其它的协议栈,但是TCP/IP却被广泛的应用,称为实际的“事实标准”。
•OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信,但是在传输层只支持面向连接的通信;
TCP/IP模型的网络层只支持无连接的通信,但是在传输层却同时支持面
向连接的通信(TCP)和无连接的通信(UDP)。
第二章物理层
物理层的主要任务:
确定与传输媒体接口的一些特性,机械,电气,功能,规程特性。
带宽是传输介质的一种物理特性,取决于介质的材料、厚度和长度。
奈奎斯特定理:
对于一个理想的无噪声带宽为H的低通滤波器,最大数据传输率为
最大数据传输速率=2HlogV(位/秒)
香农定理:
一条带宽为H(Hz)、信噪比为S/N的有噪声信道,最大数据传输率为
最大数据传输速率=Hlog(21+S/N)(位/秒)
引导性传输介质:
磁介质,双绞线,同轴电缆,电力线,光纤
磁介质:
磁带、磁盘
双绞线:
两根绝缘铜线以螺旋状的形式绞在一起的
UTP(UnshieldedTwistedPair,无屏蔽双绞线
3类(category3)双绞线,16MHz5类(category5)双绞线,100MHz
6类(信号速率500MHz)、7类(屏蔽)
同轴电缆:
由硬的铜芯和外面包上一层绝缘材料组成。
绝缘材料外面是一层密织的网状圆柱导体,外层导体再覆盖上一层保护塑料外套。
特点:
很高的带宽,可以达到几个GHz
很好的抗噪性能
仍然广泛的使用于有线电视和城域网中
电力线:
网络覆盖广泛。
新趋势:
室内局域网、电力线安防网络摄像机
光纤的分类:
多模,单模
用于光纤通信的三个波段:
0.85、1.30、1.55um,每个波段有25000~30000带宽
光纤的连接:
在连接器上终止,并插入到光纤接口中
机械手段结合
熔合
光纤和铜线的比较:
光纤vs铜线的优点光纤具有宽的多的带宽
每公里衰减低不受电源震荡、电磁波干扰,不受空气中腐蚀化学物质侵蚀的影响
对电话公司的吸引力:
细,重量轻,便宜安全性
光纤vs铜线的缺点:
对光纤的处理需要较高的操作技能
过度弯曲容易造成光纤损坏
单工接口成本高
波长λ:
相邻两个波峰(或波谷)间的距离
电磁波的带宽:
一般将功率集中在窄频带上传输。
扩频通信:
跳频扩频直接序列扩频
无线电频率:
(RFradiofrequency)
容易产生,可以长距离传输,易于穿透建筑物,全方向
特性和频率相关:
低频部分,穿透性好,但单位距离衰减大。
频率越高,越倾向于直线传播,穿透性变差,单位距离衰减小。
在VLF/LF/MF波段,无线电波沿地面传输,传输距离远。
在HF/VHF波段,地面波被地球吸收,到达电离层(距地表100~500km)的波可以被电离层折射回来(远距离通信)
微波传输:
在100MHz以上的频段内,电波几乎按直线传播。
微波系统。
微波塔越高,微波能走的距离越远。
塔高100m则中继器间的距离可以为80km。
微波对建筑物的穿透力不好。
多径衰落(multipathfading)
一直到10GHz的频带都被利用,4GHz左右,微波会被雨水吸收
优点:
相对便宜
红外和毫米波:
广泛用于短距离通信
方向性便宜,易于制造不能穿透墙壁
使用无需经过政府许可
光波传输:
单项,两端都需要激光发生器和光检测器
低成本,高带宽
安装简单,无需政府许可
弱点:
激光的强度不能穿透雨和雾,气流也可以影响系统
数字调制与多路复用
传输线路的三个主要问题
衰减(attenuation):
信号在传输过程中的能量损失(DB/km),和频率相关。
延迟畸变(delaydistortion):
信号不同频率的傅立叶分量在线路上的传播速度不同。
噪声(noise):
一些来自于非发射器的多余能量(热噪声、串扰、脉冲噪声等)
基带信号:
将数据直接转换成信号。
基带信号占有传输介质上从零到最大值间的全部带宽。
通带信号:
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)。
信号占据以载波为中心的一段频带。
复用:
多个信号共享传输线路
FDM(FrequencyDivisionMultiplexing,频分复用):
频谱被分为频段,每个用户可以单独拥有某个频段(广播电台)
TDM(TimeDivisionMultiplexing,时分复用):
用户轮流获得整个带宽,每次仅使用一小段时间(大会上的轮流发言)
CDM(CodeDivisionMultiplexing,码分复用):
通过设计码字,用户可以共享频带(同时用不同的语言)
CDMA系统的工作原理:
将每一位时间(bittime)分成m个时间间隔,称为时间片(chip)
每一个站分配一个唯一的m位代码,称为时间片序列(chipsequence)
传送1时,发送该站的时间片序列
传送0时,发送该站的时间片序列的补码
对系统带宽的要求增加了m倍(b→mb)
每个站都有唯一的时间片序列
所有的时间片序列两两正交,即任何两个不同的时间片序列S和T归一化内积S·
T为0,即在S和T的分量中,对应分量相等的数目与不相等的数目一样多
第3章:
数据链路层
数据链路层:
相邻两台机器之间实现可靠,有效地通信。
为网络层提供的服务:
无确认的无连接服务例:
大多数的LAN
有确认的无连接服务例:
无线系统
有确认的有连接服务
面向连接的服务执行的三个阶段
建立连接(初始化变量、计数器以及缓冲区)
传送数据
拆除连接(资源回收)
帧(frame):
一种结构,包括帧头、净荷、帧尾,是数据链路层中数据传输的最小单位。
数据链路层的工作:
数据链路层将位流分解成离散的帧
源端机器计算每一帧的校验和
目的端机器收到帧后重新计算校验和
成帧方法:
字符计数
含字节填充的分界符法
含位填充的分界标志法
物理层编码违例法
如何保证所有的帧最终被提交给目标机器的网络层,并保持正确的顺序?
解决办法,1,接收方对所接收到的帧进行确认2,发送方使用定时器
3,发送方对帧分配序号
如何确保慢速的接收方不被快速的发送方淹没?
解决办法:
基于反馈的流控制(feedback-basedflowcontrol)
基于速率的流控制(rate-basedflowcontrol)
无限制单工协议:
假设:
数据只是单向传输
传输方和接收方的网络层一直处于就绪状态
忽略处理时间
缓存空间无限大
通信信道永远不会损坏或丢失帧
单工的停-等协议:
通信信道无措数据流量单向
如何避免快的发送方淹没慢的接收方?
发送方减速
接收方向发送方反馈信息
有噪声信道的单工协议:
前提:
一个可能会出现错误的通信信道
定时器:
发送方经过一段时间后仍然收不到帧的确认后,将再次重发该帧
帧序号:
接收方区分重复帧
ARQ(AutomaticRepeatreQuest,自动重复请求协议)
停-等协议的信道利用率:
Tf:
数据发送时延
Td:
在线路上的传播时延
停-等协议对信道利用率的影响:
在时延大的信道(如卫星通信)中,停-等协议的效率是很低的。
考虑两个地面站通过卫星通信,典型的传输时间约为270ms。
假设一个帧的发送时间为20ms,则从发送站开始发送算起,经20ms+270ms=290ms,数据帧才能到达目的站。
假设不考虑目的站的处理时间,且认为确认帧非常短,其发送时间可忽略不计,则又需270ms确认帧才能被发送站收到。
因此信道的利用率为:
20ms/(290ms+270ms)=1/28,非常低。
这是由于每发一个帧之前都必须等待前一个帧的确认帧所造成的。
为了提高传输效率,可以设想让发送站连续不断地发送数据帧,当发完第28个帧数据后,恰好第1帧的确认帧到达,根据确认可紧接着发第29帧或重发第1帧。
以后,每过20ms(发一个帧)就有一个确认帧到达,这样信道的利用率就大大地提高了。
允许发送站连续发送多个帧而不需等待确认的做法称作管道化(pipelining),属于一种窗口(windows)机制。
滑动窗口协议
捎带确认(piggybacking):
将确认帧延迟以便可以等到下一个外发数据帧的技术
滑动窗口协议(slidingwindowprotocol)
发送方可以在收到ACK之前发送多个帧
接收方具有一定的缓冲能力
每一个帧都被编号(保证帧顺序接收)
如果帧中的序号位为n,则帧编号的范围是从0到2n-1,2n-1后从0重新开始
ACKincludesnumberofnextframeexpected
发送窗口(sendingwindow)
发送方维护一组序列号,对应允许发送的帧
落在发送窗口中的帧表示已经发送但尚未得到确认的帧,或者可以被发送的帧
接收窗口(receivingwindow)
接收方维护一组序列号,对应允许接收的帧
1位滑动窗口协议:
发送窗口为1的滑动窗口协议。
由于发送方在送出一帧以后,在发送下一帧之前要等待前一帧的确认,是一种停-等
协议。
使用回退n帧技术的协议:
发送方在发完一帧数据后,不是停下来等待对方
的应答,而是可以继续再发送若干个帧。
发送窗口大于1;
接收窗口为1,因此只能按序接收。
处理错误方法:
回退n帧;
使用选择性重传的协议:
接收端接收所有序号落在接收窗口内的帧,对于丢失或错误的帧,利用NAK指示发送端出错,发送端仅仅发送丢失或错误的帧
接收端需要设置缓冲区缓冲非顺序到达的帧,以便顺序提交给网络层
发送窗口的大小限制:
如果序号位为n,发送窗口大小≤2n/2=2n-1
高级数据链路控制HDLC
控制域:
序列号、确认等
数据域:
任何信息,可以任意长
校验和域:
循环冗余码
帧分界:
01111110
三种类型的帧:
信息帧管理帧无序号帧
PPP——点到点协议(PointtoPointProtocol)提供了三类功能:
一种成帧方法,分割帧,支持错误控制
一个链路控制协议LCP(LinkControlProtocol,链路控制协议),用于启动线路、
测试线路、协商参数
一种协议网络层选项的方法,该方法和使用的网络层独立,NCP(NetworkControl
Protocol,网络控制协议)
PPP帧结构:
Flag(01111110)
地址和控制域:
通常为常数,但是可以协商
协议域:
指明净荷中是哪一种分组(LCP/NCP/IP等)
净荷:
变长,默认长度1500字节
第四章:
介质访问控制子层:
共享信道时需要
网络的分类:
点到点连接的网络使用广播信道的网络
广播信道由多个用户共享,由此产生冲突,关键的问题是解决信道的争用,即MAC(MediaAccessControl)。
数据链路层拆为两个子层:
逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层
介质访问控制MAC(MediumAccessControl)子层。
逻辑链路控制LLC:
主要负责向网络层提供可靠,有效的点到点数据链路,与传输媒体无关。
通过逻辑连接,差错控制,流量控制等办法
当不需要可靠性时,LLC可以是很薄的一层,甚至省略。
介质访问控制MAC:
当存在多方要竞争使用信道的时候,决定谁可以使用信道。
底层信道对LLC子层是透明的
MAC的设计目标:
冲突发生后再解决提前避免冲突公平接入寻址
信道分配:
静态动态
静态的信道分配方案:
FDM频分复用
TDM时分复用
将信道均分为若干个子信道,每个子信道为一个用户所独占。
FDM系统的性能分析:
N个子信道时,每个子信道的带宽为Cbps,帧到达率为每秒λ帧
平均帧长为1/μbit
子信道平均服务率为每秒μC帧
若到达率和服务速率均服从泊松分布,数据帧的平均时延TFDM
若合并这N个子信道为一个信道为N个用户同时提供服务,对应的平均时延
动态信道分配:
随机访问受控访问
随机访问:
各节点根据自已的意愿发送数据,可能会产生冲突。
分布式,节点间协作化解冲突。
ALOHACSMACSMA/CDCSMA/CA
受控访问:
通过某种控制机制使得任何时刻只有一个接点接入信道,需要一个仲裁机制,可以是集中式的,也可以是分布式的。
纯ALOHA:
想说就说:
每当用户有数据要发送,立刻发送
发送方通过广播的反馈特性侦听信道,可以知道是否发生了冲突;
若发生冲突,则发送方等待一段随机的时间,再次发送该帧,直到发送成功为止
ALOHA性能分析:
网络负载G:
在一个帧时内等待发送的平均帧数(成功发送的+未成功发送的)又叫offeredload
吞吐量S:
在一个帧时内成功传送的平均帧数
S=0信道上无成功数据帧传送
S=1意味着数据帧一个接一个的传送,帧间无空隙又叫carriedload
显然,G≥S,当G=S,说明数据帧在信道上无冲突
时隙ALOHA(SlottedALOHA):
将时间分成离散间隔(slot),所有用户遵守统一的时隙边界,用户只能在时隙开始时发送数据
时隙ALOHA的性能:
危险周期减少一半,系统吞吐率S=Ge-G
G=1时,Smax=1/e≈0.368,是纯ALOHA的两倍
每帧平均重传次数随着G的增大而呈指数增长
ALOHA的信道利用率很低,根本原因在于想说就说,导致了频繁的冲突。
载波检测(载波侦听)(carriersense):
可以检测到信道上当前是否有数据在传输
载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA)--先听再说
1坚持CSMA0坚持CSMAp坚持CSMA
1-坚持CSMA:
工作原理:
发送站一直侦听信道,一旦发现信道空闲马上发送数据;
发生冲突后,等待一段随机的时间后再次检测和发送。
优点:
减少了信道空闲
缺点:
增大的冲突发生的概率
非坚持CSMA:
发送站侦听信道,发现信道空闲,则开始传送数据;
如果信道不空闲,则等待一段随机的时间后再次侦听信道
减少了冲突概率
增加了信道空闲时间,增大了数据发送延迟
p-坚持CSMA(时隙信道):
如果信道忙,则发送站持续侦听信道;
如果信道空闲,以概率p发送数据,以概率1-p将数据的发送延迟到下一时隙并重复这一过程。
当发生冲突时,等待一段随机时间后再重新开始
非坚持CSMA可以大大减少碰撞机会,提高系统吞吐量,但是因为退避会造成时延特性变差。
1坚持CSMA无退避措施,在业务量很小时,报文的发送机会多,响应速度快,当业务量增加时,碰撞的机会增多,使得吞吐量和迟延特性急剧变差。
P坚持CSMA是两者的折中,选择合适的p值可以获得较为满意的系统性能。
坚持对信道的检测,以利于及时知道信道的忙闲情况,避免浪费。
即便发现信道空闲,也不一定非要坚持发送,若某个结点能主动退避一下的话,可以减少冲突的可能性。
带冲突检测(CollisionDetection)的CSMA
边说边听:
正在发送数据的站点一旦检测到冲突,立刻停止发送。
半双工系统
CSMA/CD工作流程:
先听再说边说边听冲突停止延时再试
CSMA/CD由三种状态组成:
竞争传输空闲
竞争周期为2T,T是信道上间隔最远的两台机器的传播时延
无冲突的协议:
位图协议(比特映射协议)
令牌传递
二进制倒计数协议
位图协议:
各站需严格同步
各站需监听信道以了解发送时机
扩展性不好
假设帧长为d比特:
低负载情况下:
信道利用率为d/(N+d)
高负载情况下:
信道利用率为d/(d+1)
二进制倒计数法:
地址采用二进制编码,开销减少。
设d为数据帧长,N为站点数,则信道利用率为d/(d+log2N)
如果帧格式选择恰当,帧中第一字段为发送方地址,则效率为100%。
特点:
各站需严格同步公平性差
经典以太网的两个标准:
IEEE802.3DIXV2
经典以太网MAC子层协议:
帧格式
使用类型或长度字段取决于使用以太网帧还是IEEE802.3帧
IEEE802.3协议中,使用LLC子层判断帧的类型
最大帧长:
1500字节(因为早期RAM价格因素)
最小帧长:
64字节
限制最小帧长的原因?
通过限制最小帧长度,对于电缆上帧数据部分小于64字节的,可以视为无效数据
避免短帧还没到达电缆远端的发送方,该帧的传输已结束这种情况出现
二进制指数退避的CSMA/CD
经典以太网使用CSMA/CD协议接入媒质。
以太网提供的服务是不可靠的交付,即“尽最大努力交付”
采用无连接的工作方式,不必建立连接就可以直接发送数据
对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认(假设信道质量很好,出错的概率很小),出错的帧直接丢弃,差错的纠正由高层决定。
实现非常简单,网络的健壮性好
二进制指数退避算法:
算法实现:
发生冲突后,时间被分成时隙,每个时隙为2t(51.2us)
第一次冲突,每个站随机等待0或者1个时隙再重试
第i次冲突后,在0~2i-1之间选取一个随机数,然后等待这么多个时隙后再次重试
到第10次冲突后,随机数的区间固定在0~1023
到第16次冲突后,控制器放弃重发的努力,向计算机报告失败
以太网的性能分析:
假设
重负载,恒定负载(总有k个站要传送数据)
每个时隙中每个站发送帧的概率不变,为p
在某个时隙中,某个站获取信道的概率A为A=kp(1-p)k-1
当p=1/k时,A最大,k→∞时,A→1/e
某一站需要j次才能发送一帧的概率为A(1-A)j-1
每一次竞争的平均时隙数为
每个时隙的平均长度为2τ,所以平均竞争间隔w为2τ/A
对于最优的p,竞争时隙的平均数最多为e,w最多为2τe≈5.4τ
假设帧的传输时间为P,则信道利用率为
其中F为帧长,B为网络带宽,L为电缆长度,c是信号传播的速度
结论:
短的竞争周期,长帧,使得信道利用率提高
电缆越长,竞争周期越长
帧越短,传送帧所需要的时间越短
带宽越大,传送帧所需要的时间越短
经典以太网不适用于长距离,高带宽,短帧的网络
802.11的体系结构:
两种配置方式:
有AP无AP(adhoc)
802.11物理层:
每一种传输技术都有可能将MAC帧从一个站通过无线方式发送给另一个站
使用短程无线传输信号,工作在2.4GHz或5GHz频段
802.11所使用
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