计算机网络

传输层基础传输层的功能网路层是为了主机与主机间在网络中路由互通，传输层则负责进程之间的逻辑端到端通信。例如手机上的QQ与QQ服务器间的通信。 一条通信链路上的任何一个路由器都需要具备网络层的解析功能，但是仅仅通信的两端需要具备传输层的功能。 传输层接受应用层的的数据，并把数据切分成“段（segment）”，然后交给网络层传输。 传输层基础传输层的两种协议传输层有两种协议：UDP和TCP。他们都属于传输层协议，功能一致，只是可靠性、延迟不一样。 维度 TCP UDP 数据导向 面向字节流（Stream oriented） 面向数据报（Datagram oriented） 可靠性与连接性 可靠、面向连接（Reliable, connection-oriented） 不可靠、无连接（Unreliable, connectionless） 协议复杂度 复杂 简单 通信方式 仅单播（Only unicast） 单播、多播（Unicast and multicast） 典型应用 多数互联网应用（ftp、telnet、http、smtp 等） 多媒体应用（如流媒体）； ...

引入网络层的主要功能网络层主要是进行路由和转发。 路由（Routing），是指寻找源到目的主机的一条合适的路。路由通常由路由算法驱动。对于单个路由器来说，这条合适的路就是从哪个端口转发出去。 转发（Forwarding），是指将路由器一个口收到的东西发到另一个口上去。 路由器的工作原理介绍转发表（Forwarding table）路由器的内部会维护一张转发表（Forwarding table），路由表会记录每一个网段应该转发到哪个接口。 转发表依赖于路由表，但它不是路由表。路由表主要用于路由选择过程，决定数据包的传输路径，这是属于控制面的表；而转发表则是为了在转发平面快速转发数据包，它的结构更适合高速查找，以实现数据包的高效转发，这是数据数据面的表。路由表会记录为了达到目标网段，下一跳是哪里。而转发表只记录某一段该转发到哪个接口。 例如下面这个表： 目的地址范围（数字 IP 地址） 链路接口 200.23.24.0 到 200.23.23.255 0 200.23.24.0 到 200.23.24.255 1 200.23.25.0 到 200.23.31. ...

引入网络层简介数据链路层工作在一个广播域内，负责局域网内的传输。而网络层负责穿透多个广播域，联通不同的局域网。 网络层的DPU被称为数据包（Datagram）或者IP 包（IP Packet）。网络层使用的地址是IP地址。 网络层的主要作用是： 转发（Forwarding）：将包从一个路由器的输入口转发到对应的输出口 路由（Routing）：确定数据包去往目的地的路径是怎么样的，由路由算法驱动 网络层跨接这门课的P1与P2，P1负责网络层A部分，这部分主要包括IP子网划分，如何使用IP等等。网络层B专注于路由算法。 网络层的两种服务类型网络层有两种服务模型： 数据报网络（Datagram Network）：提供无连接服务。网络层不需要提前建立 “端到端的连接”，直接转发数据包。 虚电路网络（Virtual-Circuit Network）：提供面向连接服务。需要先建立 “虚电路”，再传输数据，最后拆除电路。 虚电路（Virtual Circuit）电路交换(circuit switching)是指使用专用物理通信路径连接通信终端的交换技术。连接建立开始时，通信系统分配给它的资源 ...

引入-数据链路层数据链路层的主要作用是将一帧数据从一个节点传输到另一个临近的节点，这两个节点将位于同一个广播域中。因此数据链路层还会针对一个广播域提供差错控制、流控等服务。 数据链路层是服务于网络层的。一个数据包从一个网络层传输到另一个网络层，可能跨越多个不同的广播域，这些广播域可能使用不同的链路层协议，这是可行的。 数据链路层在IEEE802标准中可以细分为两个子层： 介质访问控制（Medium Access Control，MAC）：将载荷编码为帧；进行执行地址识别和错误检测； 链路逻辑控制（Link Logic Control，LLC）：为高层协议提供接口；提供流控与差错控制； 流控机制（Flow Control）停等流控（Stop & Wait）停等流控的机制停等流控的步骤是： 发送端发送一帧数据 接收端收到数据后进行处理，等它准备好接受下一次消息时，返回ACK消息 发送端收到ACK消息后，再发送下一帧消息 停等流控的link利用率（Utilization）记$t_{prop}$为传播时延，$t_{frame}$为数据帧传输时延，$t_{ack}$为应答帧传输 ...

电路交换和分组交换 电路交换描述：连接建立开始时，通信系统分配给它的资源（通道、带宽、时隙、码字等等），通信活动的整个过程中，这个连接将始终占用着。电路交换总体可以分为这三步：1. 建立（establish）连接；2. 通话；3.释放连接 电路交换的优点： 无需额外资源开销：业务数据不含有Header，透明传输（Transparent transmission） 通信延迟小 有序传输 控制简单 电路交换的缺点： 资源利用率较低：尽管没有数据传输资源也被占用 鲁棒性差：只要所建立的物理通路中有一点出现故障，就必须拨号重新建立连接 一旦无法建立连接，通信就无法进行。 在要求数据按先后顺序且以恒定速率快速传输的情况下或实时性要求较高时，使用电路交换是较为理想的选择。最典型的应用是传统电信网络。 分组交换描述：分组交换（packet switching）是将数据打包成分组（Packets）进行传输、交换。数据包包含标头(Header)，和负载(Payload)。标头包含分组的基本信息，例如地址信息，管理信息等。分组通过最优路径（取决于 路由算法）路由到目标。分组交换可细分为虚电路和数据 ...

本节对应中文书第五章 引入在IP层中，已经完成了大规模的网络路由，此时网络中的两台主机已经可以通信。但是实际上，通信的是你电脑上的应用进程，例如QQ，微信，腾讯会议等等。在另一端也是一样，例如腾讯的服务器上的QQ服务端进程。运输层提供的就是应用进程间的通信。 运输层的两个主要协议TCPTCP协议的头部如下图所示 套接字：IP地址+端口号被称为TCP层中的套接字（Socket）。 请注意，socket 这个名词有时容易使人把一些概念弄混淆，因为随着互联网的不断发展以及网络技术的进步，同一个名词 socket却可表示多种不同的意思。例如: 允许应用程序访问连网协议的应用编程接口API(Application Programming Interface)，即运输层和应用层之间的一种接口，称为socket API, 并简称为 socket。 在socket API 中使用的一个函数名也叫做 socket。 调用 socket 函数的端点称为 socket，如“创建一个数据报 socket” 调用socket函数时，其返回值称为 socket 描述符，可简称为 socket。 在操作系统内 ...

本节对应中文书第四章 为什么网络物理上的传输是用的MAC地址，而还需要IP地址？ 因为MAC理论作用于局域网内，局域网上理论上是通过广播的形式在寻找通信的对象。而IP地址是可以进行路由的，只有第一次时，需要广播寻找它在哪，后续的通信便可以记住。这样才能实现局域网“来去自由”。 而且，有一些设备的硬件地址格式不一样，为了使得异构网络能够统一地联通，需要使用IP地址。 IP地址IP地址会给互联网上的每一个主机，路由器的每一个接口，都分配一个IP地址。 IP地址的分类 IP地址被划分为了ABCDE五类，其中ABC三类为单播地址（一对一通信），是最常用的。在ABC三类中，前8 16 24位是网络号。网络号的前三位是类别号，用于区别其是哪一类。D类地址一般用于多播（一对多通信）。 在最初的时候，网络号的目的就是区分各个局域网。但是后面IP地址不够用了，因此产生了虚拟网（后面会讲，这里只需要知道网络号现在不完全是用来区分局域网的）。同一局域网上的主机或者路由IP地址中，网络号号段必须一样。 主机号由局域网内自己分配。 子网掩码(subnet masking)由于两级IP地址不够灵活，在主机号的 ...

这一章节要求：能明确地对分组交换和电路交换的特征，技术等进行明确地表述。很重要！ 引入讲故事部分 最开始的时候，电话终端是需要配电源的，在需要发起一次通信时，摇动电话上的手柄，通过电磁感应产生一个信号发送给接线员。接线员知道你要和那里接通和后，人工将两根金属线连通。这便是最初的人工交换机。后面出现了机电交换机，通过机械取代人工工作。后续电路开关成熟，产生了程控交换，至此，交换技术和计算机搭上界了。 在计算机的世界中，表示数字0-9至少需要4bit，那么就可以表示0-F（HEX）。因此键盘上后续加入了* 和 #，分别占A和B（HEX），0-9对应0-9（HEX）。后面几位保留。 在ch1-基本交换技术中，已经对交换进行了初步的介绍，现在的交换主要电路交换和分组交换；而这里面的细分方式又分为面向连接和和面向无连接。 如果带宽资源充分，分组交换的带宽资源使用率更好。但是分组交换无法确保通信持续的质量。 在通信网络中，我们需的要通信的设备称为“station”，将交换设备称为“node”。 通信网络是由一个一个node连接构成，node可以互相交换数据，也可以将数据发送给station。 ...

引入本章节以局域网的视角，将物理层、数据链路层、网络层三层进行链接。前面课程虽没有涉及物理层内容，但其他课程（例如通信原理）已经打下了基础。 几种路由方式寻找路由，有几种不同的方式： 集中式：有一个节点对网络所有节点和拓补状态都非常了解，中心路由找出的路径是最优的。但是集中控制代价极高，而且有同步周期问题（需要不断从整个网络收集信息，需要收集耗费的时间尽可能短） 分布式：交换由每个节点完成，路由更复杂，但是鲁棒性更高 对于面向连接和面向无连接，决定路由的时机也不一样。 面向连接需要在通信之前就确定路由，并固定线路。 而面向无连接只有到达特定的节点后，下一条路的路由才会出现。 现有的4种路由模式 Fixed：在该模式下，某一进来的包固定得被转发至一个固定的出口 Flooding Random Adaptive Routine：这是目前分组交换网络中大量采样的路由方式。这种路由属于需要各节点的信息，根据当前的信息进行自适应路由，但在集群规模的扩大时，收集信息会导致网络时延增加、部署成本提高，无法满足算力需求和部署要求。 物理层的视角切入局域网（基于以太网）ALOHA纯AL ...

本节对应参考书CH7 引入在一次链路中的数据交换中，需要涉及以下任务： 帧同步（在这门课中不重要） 流控 错误控制 寻址 控制和发送数据 链路管理 流控（flow control）流控的作用是确保发送端发送的信息不会在因接收端处理速度不足而被忽略，也就是防止缓冲区溢出。 流控可以出现在通信协议中的任意一层，只要对等层采用流控协议即可（差错控制也是一样）。这一节只介绍了两种常见的流控手段，并没有带入特定协议，后续课程会带入协议深入介绍。 停等流控(stop & wait)工作流程： 发信端发送信息 接收端接受 接收端就绪接收后发送ACK信息 发送端传输下一帧 这是最简单，但非常有效的流控形式。可靠性较好，但是效率较低。 通常情况下，发送端会将一个大数据块分解成更小的块进行传输，因为： 接收端buffer大小有限 越长的数据出现错误的概率越高，若出现不可纠正错误则需要重传整个数据。分解成小块后可以独立重传小数据块，数据量小。 在共享的传输介质中，通常不允许单一通信长时间占用传输介质，因为这样会造成其他终端间的通信产生较大延迟。 滑窗流控(Sliding Window ...