计算机网络 - 谢希仁

第一章 概述

第一节 计算机网络在信息时代的作用

信息时代的计算机网络

  1. 21世纪的特征：数字化，网络化，信息化。是一个以网络为核心的信息时代。

  2. 三大网络：电信网络，有线电视网络，计算机网络。

  3. 互联网的两个基本特点

    连通性：用户可以交换信息，同时具有虚拟的特点，无法准确知道对方

    共享：信息共享，软件共享，硬件共享

  4. 互联网（Internet）和互连网（internet）：

    • 互连网：指在局部范围互连起来的计算机网络
    • 互联网：指当今世界上最大的计算机网络Internet，采用TCP/IP 作为通信协议，前身是美国的ARPANET
    • 是不同的网络，任意把几个计算机网络互连起来(不管采用什么协议)，并能够相互通信，这样构成的是-一个互连网(internet)，而不是互联网(Internet)。

第二节 互联网概述

网络的网络

  1. 网络和互联网

    网络：把许多的计算机（称为主机，主机也可以是智能手机等智能机器）连接起来，主要连接设备：集线器，交换机，网桥。

    互联网：把许多的网络连接起来，”网络的网络“，主要连接设备：路由器。

    注意：网络互连并不是计算机仅仅简单地在物理上连接起来，这样并不能使计算机之间相互交换信息。必须在计算机上安装许多使计算机能够交换信息的软件才行。

互联网发展的三个阶段

  1. 第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展

    • 1969年：美国国防部创建的ARPANET是第一个分组交换网(并不是-个互连的网络)：主机就近与结点交换机直接相连

    • 20世纪70年代中期：开始研究多种网络互连的技术(互联网的雏形)

    • 1983年：TCP/IP协议成为ARPANET 上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互连网相互通信，人们把1983年作为互联网的诞生时间。

    • 1990年：ARPANET完成实验任务，正式关闭。

  2. 第二阶段：建成了三级结构的互联网

    • 1985年起：美国国家科学基金会NSF (National Science Foundation)围绕六个大型计算机中心建设计算机网络(国家科学基金网NSFNET)。NSFNET是一个三级计算机网络，分为：主干网、地区网和校园网(企业网)，NSFNET覆盖了全美主要的大学和研究所，并且成为互联网中的主要组成部分。

    • 1991 年：NSF和美国其他政府机构决定扩大互联网的使用范围，世界上的许多公司接入到互联网，使网络上的通信量急剧增大，互联网的容量已满足不了需要，美国决定将互联网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入互联网的单位收费

  3. 第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网

    • 1993年NSFNET逐步被商用的互联网主干网替代，出现了互联网服务提供者ISP (Internet Service Provider)，也称互联网服务提供商，如中国电信。

    • ISP从互联网管理机构申请到IP地址，并拥有或租用通信线路和路由器等连网设备，任何机构和个人只要向ISP交费就可得到所需的IP地址使用权，并通过该ISP接入到互联网。

    • IP地址管理机构只把一批IP地址批发给ISP，而不将单个IP地址零售给单个用户因此，现在的互联网是全世界无数大大小小的ISP所共同拥有 (称为网络的网络的原因)。

    • 上网即指通过某个ISP获得IP地址并通过该ISP接入到互联网

  4. 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 也分成不同的层次：主干ISP、地区ISP和本地ISP。本地ISP与地区ISP及主干ISP只要通过路由器实现了互连，就可以完成互联网中所有的分组转发任务。

    • 主干ISP：由专门公司创建和维持，服务面积最大(一般都能够覆盖国家范围)， 拥有高速主干网

      地区ISP：较小的ISP， 通过一个或多个主干ISP连接起来，数据率低一些

      本地ISP：为端用户提供直接的服务，可以与地区ISP (大多数)或主干ISP连接，可以是仅提供互联网服务的公司，拥有网络并向雇员提供服务的企业，或者是运行自己的网络的非营利机构(如大学或院)

    • IXP的主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要通过第三个网络来转发分组典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，ISP连接到网络交换机的相关端口上，IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机，它们用局域网互连起来。

      目的：快速转发分组，减少延迟时间，提供网络资源利用率，降低分组转发费用，合理分布流量

互联网的标准化工作（了解）

  1. 互联网标准化机构

    • **互联网协会ISOC (Internet Society)：**成立于1992年，负责对互联网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。

    • **互联网体系结构委员会IAB( Internet Architecture Board)：**ISOC的下级技术组织，负责管理互联网有关协议的开发。

    • **IAB下设两个工程部：**互联网工程部IETF (Internet Engineeringask Force)，互联网研究部IRTF (Internet Research Task Force)。

    • 互联网工程部IETF

      是由许多工作组WG (Working Group )组成的论坛(forum)，具体工作由互联网工程指导小组IESG (intemet EngineeringSteering Group)管理。
      工作组划分为若干个领域(area)，每个领域集中研究某一特定的短期和中期的工程问题，主要是针对协议的开发和标准化。

    • 互联网研究部IRTF
      是由一些研究组RG (Research Group)组成的论坛，具体工作由互联网研究指导小组IRSG (Intemet Reseach Steering Group)管理。
      任务：进行理论方面研究和探索一些需要长期考虑的问题。

  2. 所有的互联网标准都以**RFC（Request For Command，请求评论）**的方式在互联网上发表。

  3. 成为互联网正式标准要经过三个阶段

    • **互联网草案(Internet Draft)：**有效期只有六个月，在这个阶段还不是RFC文档。
    • **建议标准(Proposed Standard)：**从这个阶段开始就成为RFC文档。
    • **互联网标准(Internet Standard)：**达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号STD xx，一个标准可以和多个RFC文档关联。

第三节 互联网的组成

  1. 互联网的组成

    • 边缘部分
      由所有连接在互联网上的主机组成。
      由用户直接使用，用来进行通信(传送数据、音频或视频)和资源共享。
    • 核心部分
      由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务(提供连通性和交换)。

互联网的边缘部分

  1. 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位(如学校、企.业、政府机关等)，当然也可以是某个ISP，(即ISP不仅仅是向端系统提供服务，它也可以拥有一些端系统)。边缘部分利用核心部分所提供的服务，使众多主机之间能够互相通信并交换或共享信息。

  2. 计算机之间的通信：“运行在主机A上的某个进程和运行在主机B上的另-个进程进行通信”。

  3. 客户/服务器方式（C/S模式）

    • 连接特点

      1. 客户(client)和服务器(server)都是指通信中涉及的两个应用进程。
      2. 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。
      3. 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
      4. 客户服务器建立关系之后，通信是双向的，两者都可以发送和接收数据。

    • 客户程序的特点

      1. 被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务)，客户程序必须知道服务器程序的地址。

      2. 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统

    • 服务器程序的特点

      1. 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。

      2. 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，所以服务器程序不需要知道客户程序的地址。

      3. 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

  4. 对等连接方式（P2P方式）

    • 连接特点

      1. 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（任何一方可以分饰两角）

      2. 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。

      3. 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档，因此，对等连接方式也称为P2P文件共享。

      4. 每一个主机既是客户又同时是服务器。可以支持上百万个对等用户同时工作。

    • 主机C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。

互联网的核心部分

  1. 网络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)，网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)（一种专用计算机，但不是主机)，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

  2. 电路交换

    • 要使得所有的电话机都两两相连需要耗费大量的资源（N(N-1)/2对），使用交换机可以使得两台电话彼此都能通信。

    • 电路交换必定是面向连接的，即通信过程中始终占用端到端的通信资源，

    • 电路交换分为三个阶段:

      1. 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用。

      2. 通信：主叫和被叫双方就能互相通电话

      3. 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路(释放刚才占用的所有通信资源）

    • 电路交换传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低：

      这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，因此线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。例如，当用户阅读终端屏幕上的信息或用键盘输入和编辑一份文件时，或计算机正在进行处理而结果尚未返回时，宝贵的通信线路资源并未被利用而是白白被浪费了。

  3. 分组交换

    • 分组交换主要特点

      1. 分组交换采用存储转发技术

      2. （1）通常把要发送的整块数据称为一个报文(message)。在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段。

        （2）在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个分组(packet)。分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。分组是在互联网中传送的数据单元。

        （3）正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。

        （4）最后接收端收到分组之后去掉首部还原成最初的报文（假设传输未出现差错)。

    • 分组首部的重要性

      1. 每一个分组的首部都含有地址(诸如目的地址和源地址)等控制信息

      2. 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机

      3. 每个分组在互联网中独立地选择传输路径

      4. 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地

    • 分组交换示意图

    • 分组交换的优点以及存在的问题

      优点：

      1. 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
      2. 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。
      3. 迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
      4. 可靠：保证可靠性的网络协议，分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性

      存在的问题：

      1. 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。

      2. 无法保证通信时端到端所需的带宽。

      3. 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。

      4. 整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制。

  4. 路由器

    • 路由器处理分组的过程是:

      1. 把收到的分组先放入缓存(暂时存储分组，而非整个报文)

      2. 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发

      3. 把分组送到适当的端口转发出去

  5. 三种交换方式

    • 三种方式的特点

      1. 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送
      2. 报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后再查找转发表，转发到下一个结点
      3. 分组交换：单个分组传送到相邻结点，存储下来后再查找转发表，转发到下一个结点

    • 三种方式的比较

      1. 若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
      2. 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
      3. 由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

第四节 计算机网络在中国的发展

  1. 到目前为止，我国陆续建造了基于互联网技术的并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络，其中规模最大的就是下面这五个:
    中国电信互联网CHINANET ( 也就是原来的中国公用计算机互联网)
    中国联通互联网UNINET
    中国移动互联网CMNET
    中国教育和科研计算机网CERNET
    中国科学技术网CSTNET

  2. 中国教育和科研计算机网CERNET (China Educationand Research NETwork)始建于1994年，是我国第一一个IPv4互联网主干网。
    2004年2月，我国的第一个下一代互联网CNGI(China’s Next Generation Internet)的主干网CERNET2
    试验网正式开通，并提供服务。
    中国互联网络信息中心CNNIC (Network Information Center of China)每年两次公布我国互联网的展情况。

第五节 计算机网络的类别

计算机网络的定义

  1. 计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(例如，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

  2. 计算机通信网

    并非为了通信而设计的计算机网络，计算机网络当然应具有通信的功能，但这种通信功能并不是计算机网络最主要的功能，有时我们也能见到“计算机通信网络”与“计算机网络”两个概念，其含义相同。

计算机网络的分类

  1. 按照网络的作用范围进行分类

    • 广域网WAN (Wide Area Network)：
      也称为远程网(Long Haul Network)，一般作用范围通常为几十到几千公里，是互联网的核心部分
      任务：通过长距离(如跨越不同的国家)传送主机所发送的数据。

      连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。

    • 城域网MAN (Metropolitan Area Network)：
      作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个的城市，作用距离约为5~ 50 km

      城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连，从技术上看，目前很多城域网采用的是以太网技术。

      局域网主要使用以太网技术，因此常将城域网并入局域网的范围进行讨论。

    • 局域网LAN (Local Area Network)：
      一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连(速率通常在10 Mb/s以上)，但地理上则局限在较小的范围(如1 km左右)

      局域网使用的技术：以太网技术。

      现在局域网已非常广泛地使用，一个学校或企业大都拥有许多个互连的局域网(常称为校园网或企业网)。

    • 个人区域网PAN (Personal Area Network)：
      在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备(如便携式电脑等)用无线技术连接起来的网络。也称为无线个人区域网WPAN(Wireless PAN)，其范围大约在10m左右

    • 若中央处理机之间的距离非常近(如仅1 m的数量级或甚至更小些)，则一般就称之为多处理机系统而不称它为计算机网络

  2. 按网络的使用者进行分类

    • 公用网(public network):
      指电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络，“公用”：指所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用网络，因此也可称为公众网。

    • 专用网(private network):
      某个部门门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络不向本单位以外的人提供服务，如：军队、铁路、电力等系统均有本系统的专用网。

    • 公用网和专用网都可以传送多种业务，如传送的是计算机数据，则分别是公用计算机网络和专用计算机网络。

  3. 接入网AN (Access Network)

    • 又称为本地接入网或居民接入网，是一种特殊的计算机网络，是从某个端系统到另一个端系统的路径中，由这个端系统到第一个路由器(也称为边缘路由器)之间的物理链路组成。

    • 接入网用于将用户接入互联网，其本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。

    • 从覆盖的范围看，很多接入网还是属于局域网。

    • 从作用上看，由ISP提供的接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用(桥接区)。初期的电话拨号接入互联网由于速率很低，并没有接入网这个名词，由于出现了多种宽带接入技术，宽带接入网才成为互联网的一个热门课题。

第六节 计算机网络的性能

计算机网络的性能特征

  1. 速率（b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s）

    • 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，它是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率。

    • 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率

    • 有时使用不严格的记法：比如10M以太网，省略了b/s，实际意思是10Mb/s的以太网

    • 以位为单位，就是10的次方，以字节为单位，就是2的次方，这里指的是位

  2. 带宽（赫或千赫、兆赫、吉赫等）

    • 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度
      信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成份所占据的频率范围，如传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz ( 300Hz ~ 3.4kHz，话音主要成分的频率范围)

      在过去很长的一段时间，通信的主干线路传送的是模拟信号，因此，表示通信线路允许通过的模拟信号的频带范围称为线路的带宽(或通频带)

    • 计算机网络中的带宽（比特每秒( b/s，kb/s )）
      带宽表示网络的通信线路传送数据的能力
      网络带宽表示在单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”
      注意:数字信道的数据率的单位并不采用频率的单位

    • 在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的，也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高.

    • 数字信号流随时间的变化：在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

  3. 吞吐量（比特每秒( b/s )）（每秒传送的字节数(字节每秒)或帧数(帧每秒)来表示

    • 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。

    • 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

    • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制，额定速率是网络的绝对上限值。

  4. 时延(delay或latency)

    延迟或迟延，是指数据(一个报文或分组，甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间
    时延组成：发送时延，传播时延，处理时延，排队时延。

    总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延。

    发送时延（传输时延）

    • 发送时延指主机或路由器发送数据帧所需要的时间。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。

    • 发送时延(s) = 数据帧长度(b) / 信道带宽( b/s)

    传播时延

    • 传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
    • 传播时延(s) = 信道长度( m ) / 电磁波在信道上的传播速率( m/s )
      信号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

    • 处理时延主要是主机或路由器在收到分组时进行一些必要的处理所花费的时间，如分析首部、从分组中提取数据、进行差错检验或查找适当的路由等。

    排队时延

    • 分组在经过网络传输时，要经过许多路由器，分组在进入路由器后首先在输入队列中排队等待处理，在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发

    • 排队时延是分组在路由器的输入缓存队列中排队等待处理和输出缓存队列中排队等待转发所经历的时间。

    • 排队时延的**长短往往取决于网络中当时的通信量，**当网络的通信量很大时，还会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。

    在高速链路(或高带宽链路)上，比特应当跑得更快些?

    • 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率，提高数据的发送速率只是减少了数据的发送时延，提高链路带宽减小了数据的发送时延

    传播时延图

    时延带宽积

    • 时延带宽积表示在发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已发送的比特数

    • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

    • 只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用

  5. 往返时间RTT

    • 互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的，因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间，往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认(接收方收到数据后便立即发送确认)， 总共经历的时间在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延和转发数据时的发送时延，发送的数据块越大，往返时间越长。

    • 当使用卫星通信时，往返时间RTT相对较长，是很重要的一个性能指标

  6. 利用率

    信道利用率
    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，信道利用率并非越高越好，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迅速增加

    网络利用率
    网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值

    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（U是网络的利用率(0~1 )）,

    D = D0 / (1 - U)

计算机网络的主要非性能特征

  • 费用：网络性能与价格密切相关，一般地，网络速率越高，价格也越高。
  • 质量：网络质量取决于网络中所有构件的质量，以及构件怎样构成网络，网络质量影响到如可靠性、管理的简易性、及网络的一些性能等多方面，但网络质量与网络性能不是一回事，性能好不表示质量高，高质量的网络往往价格也高。
  • 标准化：网络硬件和软件的设计可以采用通用的国际标准，也可以采用特定的专用网络标准，最好采用国际标准设计，这样可以既得到更好的互操作性，更易于升级、换代和维修，也更容易得到技术上的支持。
  • 可靠性：可靠性与网络的质量和性能都有密切关系，速率更高的网络的可靠性不一定会更差，但速率更高的网络要可靠地运行，则往往更加困难，同时所需的费用也会较高。
  • 可扩展性和可升级性：构造网络时就应考虑网络的扩展和升级，需要网络的性能越高，扩展费用往往也越高，难度也会相应增加。
  • 易于管理和维护：没有良好的管理和维护，就很难达到和保持所设计的性能。

第七节 计算机网络的体系结构

计算机网络体系结构的形成

  • 1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)，SNA 是按照分层的方法制定的，现在用IBM大型机构建的专用网络仍使用SNA。
  • 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究这个问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)， 简称为OSI。
  • 1983年形成了开放系统互连基本参考模型的正式文件，即著名的ISO7498国际标准，也就是所谓的七层协议的体系结构。
  • 20世纪90年代初期，虽然整套的OSI国际标准都已经制定出来了，但由于互联网已抢先在全世界覆盖了相当大的范围，而与此同时却几乎找不到有什么厂家生产出符合OSI标准的商用产品，但是OSI的市场化是失败的。

协议与划分层次

  1. 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。

  2. 得到最广泛应用的不是法律上的国际际准OSI，而是非国际标准TCP/IP，TCP/IP常被称为事实上的国际标准。从这种意义上来说，能够占领市场的就是标准，在过去制定标准的组织中往往以专家、学者为主。但现在许多公司都纷纷挤进各种各样的标准化组织，使得技术标准具有浓厚的商业气息。一个新标准的出现，有时不一定反映出其技术水平是最先进的，而是往往有着一定的市场背景。

  3. ARPANET的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的。

  4. 分层的好处和缺点

    好处：

    • 各层之间是独立的：上层不需要知道下层如何实现，仅需知道通过层间接口所能提供的服务，每层只实现一种相对独立的功能，将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题，使整个问题的复杂程度下降。
    • 灵活性好：任何一层的变化只要层间接口不变，就不会影响其他层，可以修改、删除、甚至增加某层提供的服务。
    • 结构上可分割开：各层均可采用最合适的技术来实现。
    • 易于实现和维护：因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。
    • 能促进标准化工作：因为每层的功能及其所提供的服务都已有精确的说明。

    缺点：

    • 降低效率：有些功能会再不同的层次中重复出现，因而产生了额外的开销。

  5. OSI体系结构与TCP/IP体系结构

    • OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概念清楚，体系结构理论较完整。
    • TCP/IP体系结构得到了广泛的应用，但它原先并没有一个明确的体系结构。
    • TCP/IP是一个四层的体系结构，包含应用层、运输层、网际层和网络接口层。但实质上的TCP/IP只有上面的三层，其网络接口层与一般的通信链路的功能基本相同。
    • 四层TCP/IP结构中的网际层强调了该层是为了解决不同的网络的互连问题
      计算机网络原理综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种五层协议的体系结构

  6. 层次划分举例

具有五层协议的体系结构

  1. 应用层(Application Layer)：体系结构中的最高层

    • 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，直接为用户的应用进程服务
    • 交互的数据单元：报文(message)
    • 不同的网络应用需要不同的应用层协议，互联网中的应用层协议包括HTTP、SMTP、FTP等。

  2. 运输层(Transport Layer)

    • 任务：负责向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务

    • 通用：是指不针对某个特定网络应用

    • 多种应用可以使用同一个传输层服务

      复用功能：多个应用层进程可同时使用运输层的服务

      分用功能：把收到的信息分别交付给应用层的相应进程

    • 使用两种协议:
      传输控制协议TCP：提供面向连接的，可靠的数据传输服务，数据传输单位：报文段(segment)
      用户数据报协议UDP：提供无连接的，最大努力的数据传输(不保证可靠性)，数据传输单位：用户数据报

  3. 网络层(Network Layer):

    • 任务：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，包括将报文段或用户数据报封装成分组或者数据报(packet)，选择合适的路由。

    • 主要协议：网际协议IP (无连接)及路由选择协议

    • 数据传输单位：IP数据报(简称数据报)

    • 互联网的网络层也称为网际层或IP层，注意**：无论在哪一层传送的数据单元，习惯上都可笼统地用“分组”来表示。**

  4. 数据链路层(Data link Layer)

    • 两个主机之间的数据传输总是逐段传送，在两个相邻的结点之间(主机和路由器间或两个路由器间)是直接传送数据的(点对点)
    • 链路层在主机和路由器以及交换机上都存在
    • 任务：将网络层交下来的IP数据报组装成帧(Frame)，在两个相邻结点间的链路上“透明"地传送帧，数据传输单位：帧。
    • 帧组成：每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息，地址信息，差错控制等)
      控制信息：使接收端能够知道一个帧的比特开始和比特结束位置，以便于接收端在收到一帧后可从中提取出数据部分，上交给网络层。使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。有差错的帧被简单地丢弃，以免继续传送下去浪费网络资源。为使协议简单，数据链路层只检错不纠错

  5. 物理层(physical layer) :

    • 任务：透明地传送比特流，考虑0和1的电压值表示，及接收方对比特流的识别，确定连接电缆的播头及其引脚的根数和连接方法。
    • 数据传输单位：比特( bit )
      注意，传递信息所用的物理媒体如双绞线等不属于物理层的范畴，而是在物理层之下(有人将物理媒体称为第0层)

  6. 三种体系结构

  7. 传送数据示意图

实体，协议，服务和服务访问点

  1. 示意图

    实体(entity)

    实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，许多情况下，实体就是一一个特定的软件模块。

    协议
    协议是控制两个对等实体(或多个实体)进行通信的规则的集合，协议的语法规则定义了所交换的信息的格式，协议的语义规则定义了发送者或接收者所要完成的操作，协议的同步规则定义了收发双方的时序关系，即在一定条件应当发生什么事。

    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，还需要使用下面一层所提供的服务。

    服务

    服务是下层向上层通过层间接口提供的。

    服务访问点SAP(Service Access Point)
    同一个系统中相邻两层的实体进行交互(即信息交换)的地方，称为服务访问点SAP，服务访问点SAP是一个抽象概念，它实际上是一个逻辑接口，但它和通常所说的两个设备之间的硬件接口(并行或串行接口)是不一样的。

    服务数据单元SDU(Service Data Unit):
    层间交换的数据单位(即交换的信息)称为服务数据单元SDU。注意：对等层间传输的数据单位称为协议数据单元PDU，服务提供者的，上一层的实体又称为服务用户

TCP/IP的体系结构

  1. **TCP/IP 是四层体系结构，**慢慢的发生演变，某些应用程序可以直接使用IP层，甚至使用网络接口层。

  2. 客户进程和服务器进程使用TCP/IP协议栈进行通信

    主机A和主机B都各有自己的协议栈。主机A中的应用进程(即客户进程)的位置在最高的应用层。这个客户进程向主机B应用层的服务器进程发出请求，请求建立连接。然后，主机B中的服务器进程接受A的客户进程发来的请求。所有这些通信，实际上都需要使用下面各层所提供的服务。但若仅仅考虑客户进程和服务器进程的交互，则可把它们之间的交互看成是如图中的水平虚线所示的那样。

    主机C的应用层中同时有两个服务器进程在通信。服务器1在和主机A中的客户1通信，而服务器2在和主机B中的客户2通信。有的服务器进程可以同时向几百个或更多的客户进程提供服务。

第二章 物理层

第一节 物理层的基本概念

  1. 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体，物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。
  2. 物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的特性
    • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排固定和锁定装置等
    • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围
    • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压含义
    • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
  3. 两种数据传输方式
    • 并行传输：计算机内部常用的方式，高速、短距离
    • 串行传输：数据在通信线路上的常用传输方法，即逐个比特按照时间顺序传输，经济、长距离
    • 因此物理层还要完成计算机内部与通信线路上的传输方式的转换

第二节 数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

  1. 数据通信的模型

    源系统（发送端，发送方）

    源点(源站、信源)：源点设备产生要传输的数据(如键盘输入的汉字由PC机产生输出的汉字数字比特流)
    发送器：将源点生成的数字比特流进行编码，以便在传输系统中进行传输，如调制器。

    传输系统

    在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

    目的系统

    接收器：从传输系统接收信号，并转换为能被目的设备处理的信息，如解调器
    终点(目的站、信宿)：从接收器获取数字比特流，然后处理信息，如显示汉字

  2. 信号(signal)：信号是数据的电气的或电磁的表现

    • 模拟信号（analogous signal，也称连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。

    • 数字信号（digital signal,也称离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。

  3. 码元(code)：在使用时间域(简称时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形；使用二进制编码时只有0和1两种码元。

有关信道德几个基本概念

  1. 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

  2. 通信分类(按通信双方信息交换的方式分类)
    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，只需一条信道
    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(也不能同时接收)
    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，传输效率最高，需要两条信道(每个方向各一条)

  3. 信道上传送的信号分类

    • 基带信号(基本频带信号)
      来自信源的信号称为基带信号，即：将数字信号直接用不同的电压来表示，然后送到线路上去传输，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

  4. 调制分类

    • 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，这种调制称为基带调制
      基带调制后的信号仍然是基带信号，基带调制仅把数字信号转换为另一种形式的数字信息，因此，基带调制也称为编码(coding)。

    • 带通调制
      使用载波(carrier)的调制称为带通调制，即：把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道
      中传输，经过载波调制后的信号称为带通信号(仅在一段频率范围内能够通过信道)，带通信号是模拟信号。

  5. 常用的编码方式

    • 不归零制：正电平代表1，负电平代表0

    • 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

    • 曼彻斯特(Manchester)编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1

    • 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终有跳变，位开始边界有跳变代表0（一开始是0），位开始边界没有跳变代表1

    • 从信号波形看，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高
      从自同步能力看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟(称为没有自同步能力)，而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力

  6. 最基本的二元制带通调制方法

    • 调幅( AM )：载波的振幅随基带数字信号而变化，如0或1分别对应无载波波形和有载波波形
    • 调频( FM )：载波的频率随基带数字信号而变化，如0或1分别对应与频率f1和频率f2
    • 调相( PM )：载波的初始相位随基带数字信号而变化，如0或1分别对应于相位0°或180°

  7. 正交振幅调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
    为了达到更高的信息传辅速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择，由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码

    不是码元越多越好，一个码元可表示的比特数越多，在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。

信道的极限容量

  1. 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，在传输信号时会产生各种失真，码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。失真不严重时才可以识别。

  2. 限制码元在信道上的传输速率的因素

    • 信道能够通过的频率范围

      具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，信号中的许多高频分量往往不能通过信道
      码间串扰：指信号通过信道时，在接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限

      1924年奈奎斯特( Nyquist )推导出理想低通信道下的最高码元传输速率的公式(称为奈氏准则)：理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W (Baud)，“W”是理想低通信道的带宽，单位为赫( Hz )，“Baud”是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。

      奈氏准则指出了：

      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

      噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，且噪声是随机产生的，它的瞬间值有时会很大，因此，噪声会使码元的判决产生错误，但噪声对信号的影响是相对的，如果信号强，那么噪声的影响就相对较小，因此，信噪比就很重要。

      信噪比的定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，信噪比(dB)= 10 log 1o(S/N)(dB)

      1948年，信息论创始人香农( Shannon )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C (香农定理)：C= W log2(1+S/N)(bit/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。

      更重要的是，香农公式指出了信息传输速率的上限，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(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(存在其它因素损伤信号)。

第三节 物理层下面的传输媒体

  1. 传输媒体(传输介质、传输媒介)：就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

  2. 传输媒体分类

    • 导引型传输媒体(导向传输媒体)：电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播
    • 非导引型传输媒体(非导向传输媒体)：就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输

引导型传输媒体

  1. 双绞线：最常用的传输媒体

    • 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法**绞合( twist )（减少对相邻导线的电磁干扰）**起来就构成了双绞线

    • 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里

    • 延长双绞线传输距离的方法
      模拟传输：使用放大器将衰减了的信号放大到合适的数值
      数字传输：使用中继器将失真了的数字信号进行整形

    • 双绞线的分类

      无屏蔽双绞线UTP (Unshielded Twisted Pair)

      屏蔽双绞线STP (Shielded Twisted Pair)：带金属屏蔽层，提高抗电磁干扰的能力

    • 对传送数据来说，现在最常用的UTP是5类线(Category5或CAT5)

    • 常用的绞合线的类别，带宽和典型应用。

  2. 同轴电缆

    • 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成
    • 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据
    • 在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体，但随着技术的进步，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。
      目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区，同轴电缆的带宽取决于电缆的质量，目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz

  3. 光缆

    • 光纤即光导纤维(Fiber), 是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质，通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信
      有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0，一根光缆中包含有多条光纤。

    • 光纤系统主要由三部分组成：光发送器、光纤媒体和光接收器。

    • 中心一般是玻璃纤芯，光芯外包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套，又叫包层，最外层是一层薄的塑料外壳(外套)，空塑料外壳可以吸收光线、防止串音、保护玻璃封套。

    • 光纤的工作原理

      原理：只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射，因此，可以存在许多条按不同角度入射的光线在一条光纤中传输

      现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，**即做到光在纤芯中传输数公里而基本上没有什么衰耗,**这一点是光纤通信得到飞速发展的最关键因素

    • 光纤的通信参数

      纤芯直径: 8至100um ( 1μm= 10-6m )
      可见光频率：约10- 8 MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
      光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于0.85μm、1 .30μm和1.55μm，后两种衰减都较小，同时0.85μm波段的衰减较大，但在此波段的其他特性均较好，三个波段都具有25000 ~ 300000 GHz的带宽，因此光纤的通信容量非常大。

    • 光纤的分类：根据纤芯中光束的多少分类

      • 多模光纤：纤芯直径较粗，光在光纤中可能有许多种沿不同途径同时传播的模式，传播距离短，数据传输率较小，价格便宜。用发光二极管作为光源
      • 单模光纤：纤芯直径减小到光波波长，光在光纤中的传播没有反射，而沿直线传播，用激光做光源，传输距离非常远，数据传输率很高，价格昂贵

    • 光纤通信的优缺点

      优点：

      • 传输信号的频带宽，通信容量大

      • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

      • 抗雷电和电磁干扰性能好

      • 无串音干扰，保密性好，也不容易被窃听或截取数据

      • 体积小，重量轻:

      缺点：将两根光纤精确地连接需要专用设备

非导引性传输媒体

  1. 利用无线电波能在自由空间中较快地传播的特点实现的通信，将这种自由空间称为“非导引型传输媒体",无线传输使用的频段很广，但紫外线和更高的波段目前还不能用于通信
    主要包括：短波，微波

  2. 短波通信：高频通信，主要是靠电离层反射
    电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差，因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输。

  3. 微波通信

    • 无线电微波通信在数据通信中占有重要的地位，微波的频率范围为3000 MHz ~ 300 GHz (波长1m~
      10m)，但主要是使用2~40GHz的主频范围。

    • 微波在空间主要是直线传播，由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。

    • 传统的微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信，卫星通信

    • 地面微波接力通信

      由于地球表面是个曲面，微波的直线传输距离一般只能达到50km左右，若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km**，为实现远距离通信，必须在一条微波信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为接力**。

      微波波段频率很高，频段范围也很宽，因此通信信道的容量很大，工业干扰和天电干扰的主要频谱成份比微波频率低得多，对微波通信的危害比短波和米波(即甚高频)通信小得多，因而微波传输质量较高，与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。

      缺点：相邻站之间必须直视(称为视距LOS, Line Of Sight)，不能有障碍物，微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响，与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差，对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

  4. 卫星通信

    • 常用的卫星通信方式是在地球站之间利用位于36000km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。

    • 最大特点：通信距离远，且通信费用与通信距离无关，频带宽，容量大，所受到的干扰较小，通信比较稳定，具有较大的传播时延

    • 一个地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250300ms之间，一般可取270ms，注意：卫**星信道的传播时延较大并不等于用卫星信道传送数据的时延较大。传送数据的总时延除传播时延外**，还有发送时廷和处理时延这两部分，**从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性较差**，卫星本身和发射卫星的火箭以及**卫星地球站造价高**，受电源和元器件的限制，卫星的寿命一般在10 15年。

  5. 扩频无线电

    • 扩频无线电是民用(不需要许可证)无线通信技术

    • 原理：使用与被传输数据无关的码进行传输信号的频谱扩展，使得传输带宽远大于被传输数据所需的最小带宽

    • 采用900MHz或2.4GHz的无线电频段作为传输信道

    • 通过先进的直序扩展频谱或跳频方式发射信号，属于宽带调制发射
      直接序列DS(Direct Sequency)扩频: 直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息

      跳频扩频FH(Frequency Hopping Spread Spectrum)：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。即，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变

    • 具有传输速率高、发射功率小、抗干扰能力强以及保密性好等特点

  6. 无线局域网使用的ISM频段
    使用某一段无线电频谱进行通信通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证，但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如: ISM(Industrial,Scientific ,and Medical,工业、科学和医药)，各国的ISM标准有可能略有差别，使用2.4GHz和5.8GHz频段

  7. 红外线

    • 工作频率: 1011~ 1014 Hz
    • 方向性很强，不易受电磁波干扰
    • 在视野范围内的两个互相对准的红外线收发器之间通过将电信号调制成非相干红外线而形成通信链路，可以准确的进行数据通信
    • 由于红外线的穿透能力较差，易受障碍物的阻隔，一般作为近距离传输介质

  8. 激光

    • 工作频率: 1014~ 1015 Hz
    • 方向性很强，不易受电磁波干扰
    • 外界气候条件对激光通信的影响较大，如在空气污染、雨雾天气以及能见度较差的情况下可能导致通信的中断。
    • 激光通信系统有视野范围内的两个互相对准的激光调制解调器组成，激光调制解调器通过对相干激光的调制和解调，从而实现激光通信。

第四节 信道复用技术

  1. 复用(multiplexing)：它允许多个用户使用一个共享信道进行通信，降低成本提高利用率。最基本的复用是频分复用FDM和时分复用TDM

  2. 复用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer )成对使用，在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。
    复用器:把用户的数据复用到共享信道中传送出去
    分用器:把信道传送过来的数据进行分用，分别送到相应的用户

频分复用，时分复用和统计时分复用

  1. 频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)，将整个带宽分为多份，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，注意：这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率，用户增加的时候总的带宽会增加。

  2. 时分复用TDM (Time Division Multiplexing)

    • 时分复用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(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。

    • 时分复用可能会造成线路资源的浪费，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。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，其他用户不能使用这个时隙。

  3. 统计时分复用（STDM）

    • 统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。

    • 有数据发送的用户随时将数据发送到集中器输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，将缓存中的输入数据放入STDM帧中，对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。

      特点:
      STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此统计时分复用可以提高线路的利用率

    • 统计时分复用中，在输出线路上的某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。因此统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用又称为同步时分复用。

    • 在统计时分复用中，集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。

    • 用户识别：由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销，图中输出线路上每个时隙前的白色小时隙就是地址信息。

    • 统计时分复用的集中器也叫做智能复用器
      **提供对整个报文的存储转发能力(**大多数复用器一次只能存储一个字符或一个比特)，通过排队方式使各用户更合理地共享信道，许多集中器还具有路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。

    • 强调：TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中所划分的帧，这种“帧”和数据链路的“帧”是完全不同的概念。

波分复用WDM

  1. 波分复用就是光的频分复用，在一根光纤中同时传输多个频率很接近的光载波信号，**习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。**密集波分复用DWDM (Dense WDM)：在-根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。

  2. 合波器(光复用器)：波分复用的复用器
    分波器(光分用器)：波分复用的分用器

    掺铒光纤放大器EDF A(Erbium Doped Fiber Amplifier)：一种光放大器，不需要进行光电转换而直接对光信号放大，并且在1550nm波长附近有35nm频带范围提供较均匀的、最高可达40~ 50 dB的增益，两个掺铒光纤放大器之间的光缆线路长度可达120 km。

    再生中继器：一种光放大器，先进行光电转换后的放大，再转换为光信号(每35 km可以使用一个，使传输距离超过600km，可用128个之多)

    合波器与分波器之间的无光电转换的距离可达600km(只需放入4个掺镇光纤放大器)。

码分复用CDM

  1. 常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)：在码分复用中，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信
    码分复用的基本原理：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会·造成干扰。
    码分复用的优点：抗干扰能力强，频谱类似于白噪声，不易被敌人发现，通信容量大(是GSM的4~5倍)，平均发射功率低

  2. 工作原理：

    码片(chip)：每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片，通常m的值是64或128，下面的原理性说明中，每个比特的码片数设为8
    码片序列(chip sequence) ：使用CDMA的每一个站被指派一个惟一的m bit码片序列，如发送比特1，则发送自己的mbit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：设指派给S站的8bit码片序列是00011011
    S发送比特1时，发送的码片序列为00011011
    S发送比特0时，发送的码片序列为11100100
    S站的码片序列: (-1-1-1 +1 +1-1 +1 +1)

    X站提取S站发送给它的信息：

    • X站需要知道S站的码片序列

    • X站收到的信息是所有系统中各站发送的信息之和，包括发送给X站和发送给其它站的

    • X站用S站的码片序列与X站收到信息做规格化内积计算，则所有其它各站的信息都被过滤，只剩下S

    • 站发送的信号。

    原理图：

  3. 码片序列实现了扩频

    • 假定S站要发送信息的数据率为b bit/s，由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bits，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍，这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。

    • 扩频通信通常有两大类:
      直接序列扩频DSSS (Direct Sequence SpreadSpectrum)：如上面讲的使用码片序列就是这一类
      **跳频扩频FHSS (Frequency Hopping SpreadSpectrum)：**利用整个带宽(频谱)将其分割为更小的子通道。发送方和接收方在每个通道上工作一段时间，然后转移到另一个通道

  4. CDMA的主要特点
    不同站的码片序列必须互不相同(惟一)
    不同站的码片序列间必须互相正交(orthogonal)
    在实用的系统中是使用伪随机码序列

  5. 码片序列的正交关系

    • 一个码片序列可以看成是一个m维向量，令向量S表示S站的码片向量，再令T表示其他任一站的码片向量。
    • 两个不同站的码片序列正交：**各向量S和T的规格化内积是0，**即满足

    S⋅T≡1m∑n=1mSiTiS\cdot T \equiv \frac{1}{m} \sum_{n=1}^{m}{S_i T_i} S⋅T≡m1​n=1∑m​Si​Ti​

    • 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，反码为-1。

    S⋅S=1m∑i=1mSiSi=1m∑i=1mSi2=1m∑i=1m(±1)2=1S \cdot S = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}S_iS_i = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}S_i^2 = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}(\pm1)^2 = 1 S⋅S=m1​i=1∑m​Si​Si​=m1​i=1∑m​Si2​=m1​i=1∑m​(±1)2=1

    • 向量S和其它各站码片序列反码的向量的规格化内积也是0

    • 正交的举例：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)，向量S和T的规格化内积是0，它们是正交的

  6. CDMA是第三代通信技术

第五节 数字传输系统

  1. 在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式，与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势目前，长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。

  2. 脉码调制PCM体制(Pulse Code Modulation)

    • 脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话

    • 由于历史的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准：**北美的24路PCM(简称为T1)，速率: 1.544 Mb/**s；欧洲的30路PCM(简称为E1)，速率: 2 .048 Mb/s，我国采用欧洲E1标准。

    • 当需要有更高的数据率时，可再次采用复用的方法

  3. 旧的数字传输系统存在的主要缺点

    • 速率标准不统一：如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的基于光纤高速数据传输就很难实现
    • 不是同步传输：在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式，当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题

  4. 同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)

    • SONET是美国在1988年推出的数字传输标准，整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟(通常采用昂贵的铯原子钟，其精度优于 (正负1 * 10^-11)
    • SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，对电信信号称为第1级同步传送信号STS-1 (SynchronousTransport Signal),其传输速率是51.84 Mbit/s，对光信号则称为第1级光载波0C-1 (OC表示OpticalCarrier)
    • 现已定义了从51.84 Mbit/s (即OC-1)一直到9953.280 Mbits/s(即OC-192/STS-192)的标准。

  5. 同步数字系列SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

    • ITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH
    • 一般可认为SDH与SONET是同义词，主要不同点是：SDH的基本速率为155.52 Mbit/s，称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。
    • SDH / SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1 550nm的激光源，在物理层定义了帧结构，SDH的帧结构以STM-1为基础，更高等级用N个STM-1复用组成STM-N，SDH/ SONET标准使北美、日本和欧洲的数字传输体制，在STM-1等级上获得了统一(国际标准)
    • SONET/SDH标准的意义：使不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一；第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准；已成为公认的新-代理想的传输网体制；SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制

第六节 宽带接入技术

  1. 宽带接入技术

    • 用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP
    • 在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP的，电话用户线接入到互联网的速率最高只能达到56 kbit/s
    • 美国联邦通信委员会FCC (Federal CommunicationsCommission)认为只要双向速率之和超过200 kbit/s 就是宽带
    • 从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：有线宽带接入，无线宽带接入

ADSL 技术

  1. DSL是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写，非对称数字用户线ADSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1 MHz。ADSL技术把0 ~ 4 kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

  2. DSL的分类：

  3. ADSL的传输距离

    • ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径(用户线越细，信号传输时的衰减就越大)

    • ADSL所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关

    • 例：0.5mm线径的用户线，传输速率为1.5~ 2.0Mb/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6. 1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公里，如果把用户线的线径减小到0.4mm,那么在6.1 Mb/s
      的传输速率下就只能传送2.7公里

    • ADSL的ITU标准是G.992.1( G.dmt)，它采用了GMT技术。

  4. ADSL的特点

    • 上行和下行带宽做成不对称的，上行：从用户到ISP，下行：从ISP到用户
    • ADSL在用户线(铜线)的两端各安装一个ADSL调制解调器
    • 我国采用的方案是离散多音调DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术，多音调是多载波或多子信道的意思

  5. DMT技术

    • DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz ~ 1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道

    • 每个子信道占据4kHz带宽(实际是4.3125kHz)，并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制
      相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据

    • DMT技术的频谱分布

  6. ADSL的数据率

  • 由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同)，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率
  • 当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量，ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL
  • 通常下行数据率在32kb/s~ 6. 4Mb/s之间，而上行数据在32kb/s ~ 640kb/s之间

  1. ADSL接入网

光纤同轴混合网（HFC网）

  1. 光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

    • HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网，HFC除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
    • 现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输，HFC网对CATV网进行了改造
    • HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能

  2. HFC网的主干线路采用光纤

    • HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术
    • 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM (比用数字光纤更经济)
    • 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点ODN (Optical Distribution Node)，在光纤结点光信号被转换为电信号，在光纤结点以下就是同轴电缆

  3. 每个家庭要安装一个用户接口盒(机顶盒)

    • 用户接口盒UIB (User Interface Box)要提供三种连接：使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机，使用双绞线连接到用户的电话机，使用电缆调制解调器连接到用户的计算机

    • 电缆调制解调器(cable modem)

      电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器
      最大的特点：传输速率高
      下行速率一般为3~ 10Mb/s，最高可达30Mb/s。
      上行速率一般为0.2 ~ 2Mb/s，最高可达10Mb/s。
      比在普通电话线上使用的调制解调器更复杂，并且不是成对使用，而是只安装在用户端
      必须解决共享信道(同轴电缆段)可能出现的冲突，冲突原因：共享信道为用户群共享

FTTx技术

  1. FTTx是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式

    FTTx表示Fiber To The…(光纤到…)， 例如:

    • 光纤到户FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直 铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。
    • 光纤到大楼FTTB (Fiber To The Building): 光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
    • 光纤到路边FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

第三章 数据链路层

  1. 数据链路层使用的信道：数据链路层使用的两类主要信道

    • 点对点信道：信道使用一对一的点对点通信方式
    • 广播信道：信道使用一对多的广播通信方式，过程比较复杂，广播信道中连接多个主机，必须使用专用的共享信道协议来协调多主机的数据发送

  2. 数据链路的模型

第一节 使用点对点信道的数据链路层

数据链路和帧

  1. 链路和数据链路
    链路(ink)：链路(也称物理链路)是指从一个结点到相邻结点的无源物理线路(有线或无线)，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(也称逻辑链路)，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

  2. 点对点信道的数据链路层的通信的主要步骤：封装成帧进行传递。

  3. 数据链路层像个数字管道

    • 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧

    • 数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。甚至还可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对方

    • 早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)，因此在数据链路层，规程和协议是同义语

三个基本问题

  1. 封装成帧

    • 封装成帧就是在一段数据的前后分别添加数据链路层的首部和尾部，然后就构成了一个帧。

    • 帧的首部和尾部的主要作用：进行帧定界(确定帧的界限)，帧的必要控制信息
      各种数据链路层协议都对帧首部和帧尾部的格式有明确的规定

    • 帧长：帧长等于帧的数据部分长度加上帧首部和帧尾部的长度。

    • 最大传输单元MTU (Maximum Transmission Unit)：数据部分上限
      为了提高帧的传输效率，应使帧的数据部分长度尽可能大于帧的首部和尾部之和的长度，但每一种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限

  2. 用控制字符进行帧界定

    • 当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符，控制字符SOH (StartOfHeader)放在一帧的最前面，表示帧的首部开始，称为帧首定界符(0x01)，控制字符EOT (End Of Transmission)表示帧的结束，称为帧尾定界符(0x04)，SOH和EOT成对出现，可用它们来确定帧传输是否出错

  3. 透明传输：

    • 透明传输：不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路传送，当所传数据中的比特组合恰巧出现了与某一个控制信息完全一样时，必须有可靠的措施，使收方不会将这种比特组合的数据误认为是某种控制信息。只要能做到这点，数据链路层的传输就被称为是透明的，透明表示某一个实际存在的事物看起来却是好像不存在一样。

    • 解决透明传输问题
      原理：必须设法使数据中可能出现的控制字符在接收端不被解释为控制字符。

      字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)，发送端的数据链路层在数据中出现控制字符SOH或EOT的前面插入一个转义字符ESC( 0x1B )，接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
      如果转义字符也出现在数据当中，那么发送端应在转义字符前面再插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

      发送端的数据链路层插入ESC，接收端的数据链路层删除ESC

  4. 差错检测

    • 现实的通信链路都不是理想的，在传输过程中可能会产生比特差错
    • 比特差错：1可能会变成0， 0也可能变成 1，误码率BER (Bit Error Rate) ：指在一段时间内，传输错误的比特数占所传比特总数的比率
    • 误码率与信噪比有很大的关系：提高信噪比可以减少误码率，但实际的通信链路不是理想的，不可能将误码率减少到0。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施
      目前在数据链路层广泛使用的是循环冗余检验CRC的检错技术

  5. 循环冗余检验CRC的原理

    • 在发送端，先把数据划分为组，假定每组k个比特，假设待传送的一组数据M= 101001 (现在k=6)，在数据M的后面添加供差错检测用的n位冗余码构成一帧一起发送出去，共发送(k+n)位。

    • 冗余码的计算：假设原始数据M，每组k位，冗余码n位，用二进制的模2运算进行2^n乘M的运算（相当于在M后面添加n个0，得到(k+n)位的数）。用得到的(k+n) 位数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n位，将余数R作为冗余码拼接在数据M后面发送出去（这里的运算是不同为1，相同为0）。

    • 帧检验序列FCS (Frame Check Sequence)
      在数据后面添加的冗余码称为帧检验序列FCS，循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同，CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码，FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。

    • 接收端对收到的每一帧进行CRC检验
      若余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)
      若余数R≠0，则判定该帧有差错，就丢弃。

    • 产生式

    • CRC检测方法说明
      CRC检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错，只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

    • 应当注意
      仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)，“无差错接受”是指: “凡是接受的帧(即不包括丢弃的帧)，我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”，也就是说:“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”(有差错的帧就丢弃而不接受)，要做到“可靠传输”(即发送什么就收到什么)就必须再加上确认和重传机制。

  6. 可靠传输问题

    • 应当明确：“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。在数据链路层使用CRC检验能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输
    • OSI要求数据链路层必须是可靠传输，实现方法：FCS+帧编号+确认和重传机制，由于现在的通信线路的质量比以前大大提高，由通信链路质量引起差错的概率已大大降低，因此，互联网广泛使用的数据链路层协议都不使用确认和重传机制，即不要求数据链路层向网络层提供“可靠传输”的服务
    • 本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。

第二节 点对点协议PPP

PPP协议的特点

  1. 对于点对点的链路，目前使用得最广泛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互联网时，用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议就是PPP协议。1992年指定，1994年正式成为标准。

  2. PPP协议应满足的需求

    • 首要的需求：简单

      IETF把互联网体系结构中最复杂的部分放在TCP协议中，IP协议相对比较简单且提供不可靠数据报服务，因此，数据链路层没有必要提供比IP协议更多的功能，即对数据链路层的帧不需要纠错，不需要序号，也不需要流量控制。另外，设计简单的协议在实现时也不容易出错，提高了不同厂家对协议的实现的互操作性，总之，正确的帧收下，错误的帧丢弃，其他什么也不做。

    • 封装成帧：PPP帧使用特殊的帧定界符

    • 透明性：PPP帧必须保证数据传输的透明性，如果碰巧出现与帧定界符相同的比特组合，必须要有有效的措施解决问题

    • 支持多种网络层协议：必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议(如IP和IPX等)的运行，当点对点所连接的是局域网或路由器时，必须同时支持在链路所连接的局域网或路由器上运行的各种网络层协议。

    • 多种类型链路：必须能够在多种类型的链路上运行。如串行/并行，同步/异步，高速/低速，电光，交换的/非交换的等点对点链路。注：PPPoE (PPP over Ethernet)是宽带上网的主机，使用的链路层协议，它把PPP帧再封装到以太网帧中。

    • 差错检测：必须能够对接收到的帧进行检测， 并立即丢弃有差错的帧。有差错的帧继续向前发送会浪费资源。

    • 检测连接状态：必须支持自动检测链路是否处于正常工作状态的机制，尤其在出现故障后隔了一段时间又重新恢复工作时更需要此功能

    • 最大传送单元：必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。

    • 网络层地址协商：必须提供机制使通信的两个网络层的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址，协商的算法应尽可能简单，并且能够在所有的情况下得出协商结果。

    • 数据压缩协商：必须提供一种方法来协商使用的数据压缩算法，但不要求将数据压缩算法标准化

  3. PPP协议不需要的功能

    • 纠错：TCP/IP协议族中，运输层的TCP协议负责可靠传输，数据链路层的PPP只负责检错，即PPP协议是不可靠的传输协议。
    • 流量控制，TCP/IP协议族中，端到端的流量控制由TCP负责
    • 序号：PPP是不可靠协议，不需使用帧序号
    • 多点线路：不支持多点线路(即不支持一个主站与多个从站通信)，只支持点对点的链路通信
    • 半双工或单工链路：只支持全双工链路。

  4. PPP协议的组成

    • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法：PPP既支持无奇偶校验的8比特数据的异步链路，也支持面向比特的同步链路，IP 数据报是PPP帧中的信息部分，该信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制。
    • 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP (Link Control Protocol)
    • 一套网络控制协议NCP (Network Control Protocol)：其中的每一个协议支持不同的网络层协议

PPP协议的帧格式

  1. PPP是面向字节的，所有PPP帧的长度都是整数字节。PPP的帧格式由三部分组成：首部，信息部分：可变长度，尾部。

    • 首部组成：标志字段F，地址字段A（点对点协议不起作用，为0xFF），控制字段C（0x03)，协议字段。

      地址字段和控制字段没有携带PPP帧信息。

    • 尾部组成：帧校验序列FCS ，标志字段F。

    • 首部和尾部的标志字段：标志帧的开始和结束，它们的值相同，规定为0x7E，连续的两个帧之间只需要一个标志字段，如果连续出现两个标志字段，则表示这是一个空帧，应当丢弃。

    • 首部的协议字段：标志封装在信息部分的内容所使用的协议。

    • 信息部分：长度可变，不超过1500字节。

  2. PPP协议的选明传输问题

    • 当PPP用于同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充(和HDLC的做法一样)
    • 当PPP用于异步传输时，使用特殊的字符(字节)填充法

  3. 字节(字符)填充法

    • 当PPP帧的信息字段中出现帧定界符比特组合(0x7E)时，PPP协议将转义符定义为0x7D，并使用字节填充

    • 字节填充法：发送端

      将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D, 0x5E)，即(0x7D 原编码-0x20)，将信息字段中出现的每一个0x7D字节转变成为2字节序列(0x7D, 0x5D)，即(0x7D 原编码-0x20)，将信息字段中出现的每一个ASCII码控制字符(ASCII码小于0x20)，则将该字节转变成为2字节的字节序列(0x7D，原编码+0x20)。

    • 字节填充法的特点：由于在发送端进行了字节填充，因此在链路上传输的信息字节数就超过了原来的信息字节数(扩大了传输的字节数)，但在接收端在收到数据后再进行与发送端相反的变换，就可以正确地恢复出原来的信息。

  4. 零比特填充法

    • PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输(一连串的比特连续传送)，这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

    • 零比特填充的方法：在发送端，只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0，接收端对帧中的比特流进行扫描中每当发现5个连续的1时，就把这5个连续发1后的一个0删除

    • 零比特的填充和删除

  5. PPP协议不提供使用序号和确认的可靠传输
    PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

    • 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理。

    • 在互联网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。

    • 帧检验序列FCS字段可保证无差错接受

PPP协议的工作状态

  1. 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从PC到ISP的物理连接

      PC向路由器发送一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧)，以便建立LCP连接，LCP分组及其响应选择了将要使用的一些PPP参数

      NCP给新接入的PC分配一个临时的IP地址，使PC成为互联网上的一一个主机(网络层配置)

      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

      LCP释放数据链路层连接

      最后释放物理层的连接

    • 可见，PPP协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容

第三节 使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

  1. 局域网

    • 广播信道可以进行一对多的通信

    • 局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有，地理范围和站点数目均有限

    • 局域网的主要优点：

      **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、可用性和生存性

  2. 局域网的拓扑结构

    • 星形网：使用集线器( hub )和双绞线，心星形以太网以及多级星形结构的以太网获得非常广泛应用

    • 总线网：各站直接连在总线上，总线两端的匹配电阻用于吸收电磁波的能量，避免产生有害的电磁波反射，各总线网可使用两种协议：CSMA/CD，令牌传递(物理上是总线网而逻辑上是令牌环形网)。总线网现在己演进为星形网，令牌传递总线网已退出市场

    • 环形网：最典型的是令牌环形网(token ring)，简称令牌环。

    • 树形网：它是总线网的变型，都属于使用广播信道的网络，但主要用于频分复用的宽带局域网

  3. 以太网与局域网

    • 以太网占据了局域网的绝对市场，现在以太网几乎成为了局域网的同义词
    • 局域网可使用多种媒介：低速的局域网使用双绞线(短距离可达1 Gb/s )，高速的局域网需要使用光纤
    • 注意：局域网工作的层次跨越数据链路层和物理层。

  4. 局域网中的媒体共享技术

    • 静态划分信道：频分复用，时分复用，波分复用，码分复用
      特点：用户只要得到了信道就不会和别的用户发生冲突，但这种划分信道的方法代价较高，不适合局域网使用。

    • 动态媒体接入控制(多点接入)
      特点：信道并非在用户通信时固定分配给用户
      随机接入：用户可随机地发送信息，但多个用户共享媒体时不可避免要产生碰撞(冲突)，使得用户的发送失败，因此，必须有解决碰撞的网络协议。

      受控接入：用户不能随机地发送信息而必须服从统一的控制，典型的有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询(又称为轮询，plling)。

  5. 以太网的两个标准：DIX Ethernet V2标准，IEEE802.3标准（第一个IEEE的以太网标准），严格说来，“以太网”应当是指符合DIX EthernetV2标准的局域网。

  6. 数据链路层的两个子层

    • 逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层
    • 媒体接入控制MAC (Medium Access Control)子层
    • 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的。

  7. 局域网对LLC子层是透明的（一般不考虑LLC子层）

  8. 适配器

    • 计算机与外界局域网的连接使用通信适配器(adapter)，又称为网络接口卡NIC(简称网卡，Network Interface Card)。

    • 适配器的重要功能：进行串行/并行转换，对数据进行缓存（计算机的操作系统需要安装设备驱动程序），实现以太网协议

    • 适配器包括了数据链路层和物理层二层的功能，适配器有自己的CPU和内存(可与计算机CPU并行工
      作)

    • 计算器通过适配器与局域网进行通信

      硬件地址在适配器的ROM中，而软件地址即IP地址在计算机的存储器中，适配器丢弃收到的错误帧，而将正确的帧通过中断通知计算机并交付协议栈的网络层，计算机把IP数据报交给适配器封装成帧并发送到局域网

  9. 总线以太网：总线上的所有计算机都能收到信息，即广播通信方式

    • 为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台计算机的适配器拥有一个与其他计算机的适配器都不同的地址，在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的适配器地址，仅当数据帧中的目的地址与适配器ROM中的硬件地址一致时，该适配器才能接收这个数据帧。适配器对不是发送给自己的数据帧，则一律丢弃

  10. 以太网采取的两种方式

    • 采用较为灵活的无连接的工作方式
      适配器对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认，不必先建立连接就可以直接发送数据，理由：以太网工作简单，局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率很小。当目的站收到有差错的数据帧时(如，CRC查出有差错)，就丢弃此帧，其他什么也不做，对有差错而丢失的帧是否需要重传由高层决定。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

    • 以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码

      曼彻斯特编码的编码方法：把每一个码元再分成两个相等的间隔，码元0前低后高，码元1前高后低。

      目的：保证每一个码元的正中间出现一次电压的转换，让接受端能够提取到同步信号（二进制基带信号的缺点:出现连续的1或0时接收端无法从中提取同步位信）

      曼彻斯特编码的缺点：频带宽度是原始基带信号频带宽度的一倍

CSMA/CD 协议

  1. 以太网的总线中在同一时间只能允许一 台计算机发送信息，否则各计算机之间就会互相干扰
    解决方法：以太网采用了一种特殊的协议，即载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access with Collision Detection)。

  2. CSMA/CD 协议

    • 多点接入：指在总线型网络中，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
    • CSMA/CD协议的实质：“载波监听”和"碰撞检测”，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。

  3. 碰撞检测(冲突检测)

    • “碰撞检测”即边发送边监听，就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)，当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，所谓“碰撞”就是发生了冲突。
    • 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来，每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

  4. 信号传播时延对载波监听的影响：

    • A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B，B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。
    • 在局域网的分析中，常将总线上的单程端到端传播时延记为τ，发送数据的站希望尽早知道是否发生了碰撞，A发送数据后，最迟要经过最多两倍的总线端到端的传播时延(2τ )，或总线的端到端往返传播时延。
    • 由于局域网上任意两个站之间的传播时延有长有短，因此局域网按最坏情况设计，即取总线两端的两个站之间的传播时延(这两个站之间的距离最大)为端到端传播时延

  5. CSMA/CD重要特性

    • 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)
    • 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性，称为发送的不确定性。这一小段时间是不确定的，它取决于另一个发送数据的站到本站的距离，如果发生了碰撞，发送数据的站就必须推迟一段时间重新发送。因此，以太网不能保证一定在某一时间之内能够将自己的数据帧成功地发送出去(因为还不知道会不会产生碰撞)。
    • 发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率
      如果希望在以太网上发生碰撞的机会很小，必须使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率

  6. 争用期

    • 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2t(两倍的端到端往返时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延2τ称为争用期，或称为碰撞窗口，经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
    • 10 Mbitls以太网取51.2us为争用期的长度，对于10 Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64
      字节，这意味着：以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
    • 最短有效帧长：如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内，由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节，以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

  7. 帧间最小间隔：以太网还规定了帧间最小间隔为9.6μs，相当于96比特，目的是使刚收到的数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好下一帧的接收准备

  8. 如何解决碰撞

    • 需要发送数据的站监听到总线忙时就等待，而发现总线空闲时就发送，但这种发送也可能产生碰撞。当检测到发生碰撞时就停止发送，然后再等待一段时间后重新发送，由于多个发送站同时发送时等待时间选择不当，可能造成一直不能发送成功，因此必须解决等待多长时间的问题。

    • 二进制指数类型退避算法(truncated binary exponential type)

      • 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据，目的：减少再次发生碰撞的概率。
      • 确定基本退避时间：一般取为争用期2τ，定义重传次数k和重传时间，k小于等于10，k = Min[重传次数，10]，从整数集合[0… (2^k-1)]中随机地取出一个数，记为r。重传所需的时延就是r倍的基本退避时间，即2rt，当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。
      • 二进制指数类型退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大(也称为动态退避)，有利于整个系统的稳定

    • 强化碰撞：当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；继续发送若干比特( 32148 )的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

    • 人为干扰信号：

      所有站只要检测到冲突就立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号，图中只画出了A站发送的干扰的信号，但所有检测到碰撞的站都要发送干扰信号，从发送数据到发生碰撞后整个信道被占用的时间=Tb+Tj+τ。

  9. CSMA/CD协议的要点

    • 准备发送：适配器从网络层获得的分组加上以太网的首部和尾部形成以太网帧，放入适配器缓存准备发送。
    • 检测信道：在发送之前必须先检测信道，若信道忙，则应不停地检测，直到信道转为空闲，若信道空闲，并在96比特时间内信道保持空闲(保证帧间最小间隔)，则发送帧1。
    • 检查碰撞：在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听，这里只有两种可能性:
      发送成功：在争用器内未检测到碰撞，发送完毕
      发送失败：在争用期内检测到碰撞，停止发送数据，再发送干扰信号
    • 发生碰撞后，适配器执行二进制指数类型退避算法，返回到第(2)步。

使用集线器的星型拓扑（双绞线，集线器(星型中心)

  1. 使用集线器的双绞线以太网

    使用无屏蔽双绞线的星形拓扑：每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收，双绞线的两端分别用RJ45插头连接主机和集线器
    集线器使用了大规模集成电路芯片，大大提高了硬件设备的可靠性。

    星型以太网：10BASE-T（局域网发展的里程碑）

  2. 集线器

    • (1)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
      (2)使用集线器的以太网物理上是星形网，但在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线，因此在同一时刻最多只允许一个站发送数据
      (3)集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地对信号进行整形和转发比特，不进行碰撞检测
      (4)集线器使用了专门芯片，进行自适应串音回波抵消，不致使发送的较强信号对同一端口接收的较弱信号产生干扰(近端串音)。

    • 堆式集线器：由4~8个集线器堆叠起来使用，一般有少量的容错能力和网络管理功能。

    • 具有三个接口的集线器

以太网的利用率

  1. 多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞，发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了，因此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到100%

  2. 以太网的信道被占用的情况：

    • (1)假设τ是以太网单程端到端传播时延，则争用期长度为2t，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。(2)设帧长为L(bit)， 数据发送速率为C(b/s)，则帧的发送时间为T= L/C(s)。
    • 一个站在发送帧时出现了碰撞，经过一个争用期2t 后，可能又出现了碰撞。这样经过若干个争用期后，一个站发送成功了。**假定发送帧需要的时间是T。**注意到，成功发送一个帧需要占用信道的时间是To+τ，比这个帧的发送时间要多出一个单程端到端时延τ，这是因为当一个站发送完最后一个比特时，这个比特还要在以太网上传播。
      在最极端的情况下，发送站在传输媒体的一端，而比特在媒体上传输到另一端所需的时间是τ。
    • 发送帧的信道平均占用时间：一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间τ使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。

  3. 参数α\alphaα与利用率

    • 要提高以太网的信道利用率，就必须减小τ与T之比，以太网参数α\alphaα是以太网单程端到端时延τ与帧的发送时间T0之比。
      a->0表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高
      a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次 碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。
    • 对以太网参数α\alphaα的要求是：当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则τ的数值会太大，以太网的帧长不能太短，否则To的值会太小，使a值太大。

  4. 信道利用率最大值Smax

    • 在理想化情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞(这显然已经不是CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法)，即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据，发送一帧占用线路的时间是Tσ+τ， 而帧本身的发送时间是T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率
      Smax=T0T0+τ=11+αS_{max} = \frac{T_0}{T_0+\tau} = \frac{1}{1+\alpha} Smax​=T0​+τT0​​=1+α1​
      公式意义：只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。据统计，当以太网的利用率达到30%时就已经处于重载的情况，很多的网络容量被网上的碰撞消耗掉了。

以太网的MAC

  1. MAC层的硬件地址

    • 局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址，是固化在适配器的ROM中的48位全球地址802标准所说的局域网的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。
    • 请注意：如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”，更准确些说，这种48位“地址”应当是某个接口的标识符。

  2. 48位的MAC地址

    • IEEE 802标准规定MAC地址字段可采用6字节(48位)或2字节(16位)这两种中的一种，IEEE的注册管理机构RA(Registration Authority) 负责向厂家分配地址字段6个字节中的前三个字节(即高位24
      位)，其正式名称是组织唯一 标识符OUI(OrganizationallyUnique Identifier)， 通常称为公司标识符，地址字段6个字节中的后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展唯-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224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，生产适配器时，6字节的MAC地址已被固化在适配器的ROM，因此，MAC地址也叫作硬件地址(hardware address)或物理地址，“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48

    • 16进制和2进制记法

      • IEEE规定地址字段的第一字节的最低位为I/G位(Individual 1 Group)
        当IG位=0时，地址字段表示一个单站地址，I/G位=1时，表示组地址，用来进行多播(以前曾译为组播)。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的23位，当IG位分别为0和1时，一个地址块可分别生成224个单个站地址和224个组地址，所有48位都为1时，为广播地址。只能作为目的地址使用

      • IEEE把地址字段第一字节的最低第2 位规定为G/L位(Global/Local)
        当G/L位=0时，是全球管理(保证在全球没有相同的地址)，厂商向IEEE购买的OUI都属于全球管理。当G/L位=1时，是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址

  3. 适配器检查MAC地址
    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(过滤功能)

  4. 发往本站的帧，包括三种:

    • 单播(unicast)帧(一对一)：帧中的MAC地址与本站的MAC地址相同
    • 广播(broadcast)帧(一对全体):：发给本局域网中的所有站(全1的MAC地址)
    • 多播(multicast)帧(-对多)：发给本局域网中的部分站(第1字节的I/G位为1)
    • 所有的适配器必须至少能识别前两种帧，即单播(地址)帧和广播(地址)帧，只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。

  5. 以混杂方式工作的适配器(窃听)：**以混杂方式(promiscuous mode)工作的以太网适配器，只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来，而不管这些帧发送何站。**网络维护和管理人员常用混杂方式监视和分析网络流量。如嗅探器Sniffer软件。

  6. MAC帧的格式：常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIX Etheret V2标准，IEEE的802.3标准。

  7. 以太网V2的帧格式

    • 目的地址，源地址字段6字节，类型字段2字节，数据字段46-1500字节
    • 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议，0x0800: 网络层使用IP数据报，0x8137: 网络层使用Novell IPX。
    • 数据字段的正式名称是MAC客户数据字段，数据字段的最小长度(46字节) = 最小长度64字节- 18字节的部和尾部。
    • 数据字段长度小于46字节的处理
      (1)在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节
      (2) MAC子层将收到的数据字段和填充字段一起交给网络层，因此，网络层必须能够识别数据字段和填充字段(网络层有"总长度”字段)
    • 在帧的前面插入(硬件生成)的8字节中，第一个字段共7个字节称为前同步码( 1和0交替码)，目的是使接收端适配器调整时钟频率以便与发送端时钟同步为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节(由硬件生成后交给物理层)。
    • 插入的8字节中的第二个字段是1个字节的帧开始定界符(10101011)，前面的101010共6位仍然是位同步信号，后面的11共2位表示“MAC帧的信息马上就要来了，请适配器注意接收”，即表示后面的信息就是MAC帧。
    • 注意：MAC帧的FCS字段的校验范围不包括前同步码和帧开始定界符

  8. 如何区分每一帧

    • 连续帧：受帧间最小间隔限制，不允许出现连续帧
    • 不连续帧：(曼彻斯特编码在数据链路层的使用)，由于曼彻斯特编码在每个码元中间有一次电压转换(跳变)，当帧发送完毕后，通信线路上就不再有电压的跳变，这样，接收方就很容易地找到以太网帧的结束位置，而往前走4个字节( FCS )就能找到数据部分结束的位置。因此，不需要帧结束符。

  9. 无效的MAC帧：

    • 帧的长度不是整数个字节
    • 用收到的帧检验序列FCS查出有差错
    • 数据字段的长度不在46 ~ 1500字节之间，有效的MAC帧长度为64~1518字节之间
    • 无效帧的处理：对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧

  10. IEEE802.3 MAC帧格式

    • IEEE802.3的MAC帧与DIX Ethemet V2的MAC帧的区别
      IEEE802.3规定的MAC帧的第三个字段是“长度/类型”，值的含义为:
      大于0x0600 (=153610)：表示类型，此时与V2的MAC帧格式相同
      小于0x0600：表示数据字段的长度(实际最大为1500 )，实际长度与长度字段不一致即为无效帧
    • 当“长度/类型”字段值小于0x0600时，数据字段必须装入上面的LLC子层的LLC帧(已失去原来的意义)。

  11. 帧间最小间隔：帧间最小间隔为9.6μs，相当于96bit的发送时间，一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6us才能再次发送数据，帧间最小间隔的作用：为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

第四节 扩展的以太网

在物理层扩展以太网

  1. 使用光纤扩展：主机使用光纤(通常是一对光纤)和一对光纤调制解调器连接到集线器，很容易使主机和几公里以外的集线器相连接

  2. 使用集线器扩展：使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网，例如，一个学院的三个系各有一个10BASE-T以太网。可通过一个主干集线器把各系的以太网连接起来，成为一个更大的以太网。

  3. 用集线器扩展以太网

    • 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以太网技术(如数据率
      不同)，那么就不能用集线器将它们互连起来。注意：集线器虽然是有多个接口(端口)的转发器，但不能进行帧缓冲。

在数据链路层扩展以太网

  1. 早期使用网桥，现在使用以太网交换机

    • 网桥扩展以太网：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和过滤，**网桥的过滤帧功能：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或者把帧丢弃(即过滤)。
    • 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，通常都有十几个或更多的接口，每个接口都直接与一个单台主机或另-个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式，以太网交换机具有并行性。能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
    • 以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存，以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表(又称为地址表)是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。
    • 用户独享带宽，增加了总容量，从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动**，以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户**

  2. 以太网交换机的交换方式

    • 直通(cut-through)方式：接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度
      缺点：不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站
    • 存储发送方式：把整个数据帧先缓存后再进行处理
    • 在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时

  3. 以太网交换机的自学习功能：以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表，假设以太网交换机有四个接口，各连接一台计算机， 其MAC地址分别为A、B、C和D.

    • 开始时，以太网交换机里面的交换表是空的。（有效时间，过期就解除：可能更换主机或者适配器）。
    • A先向B发送一帧，从接口1进入到交换机,交换机收到帧后，先查找交换表，没有查到应从哪个接口转发这个帧，交换机把这个帧的源地址A和接口1写入交换表中，并向除接口1以外的所有的接口广播这个帧。
    • C和D将丢弃这个帧，因为目的地址不对，只B才收下这个目的地址正确的帧，这也称为过滤，从新写入交换表的项目(A, 1)可以看出，以后不管从哪一个接口收到帧，只要其目的地址是A，就应当把收到的帧从接口1转发出去。
    • B通过接口3向A发送一帧，交换机查找交换表，发现交换表中的MAC地址有A，表明要发送给A的帧(即目的地址为A的帧)应从接口1转发。于是就把这个帧传送到接口1转发给A，显然，现在已经没有必要再广播收到的帧。
    • 交换表这时新增加的项目(B,3)，表明今后如有发送给B的帧，就应当从接口3转发出去，经过一段时间后，只要主机C和D也向其他主机发送帧，以太网交换机中的交换表就会把转发到C或D应当经过的接口号(2或4)写入到交换表中

  4. 用冗余链路增加可靠性

    • 为增加网络可靠性，在使用以太网交换机组网时，往往会增加一些冗余链路。

    • 假定开始时，交换机#1和#2的交换表都是空的，主机A通过接口交换机#1向主机B发送一帧

    • 带来的问题

    • 交换机使用了生成树协议：IEEE 802.1D标准制定了一个生成树协议STP(Spanning Tree Protocol)不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象

  5. 从总线以太网到星形以太网

    • 早期，以太网采用无源的总线结构，总线以太网使用CSMAICD协议，以半双工方式工作。现在，采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑，以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用CSMACD协议，而是以全双工方式工作，但仍然采用以太网的帧结构。

虚拟局域网

  1. 虚拟局域网

    • 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN，虛拟局域网VLAN (Virtual LAN)是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组：这些网段具有某些共同的需求，每一个VLAN帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。

    • 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网，由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源

    • 处于同一个虚拟局域网内的站可收到本虚拟局域网内的其他站的广播信息，如：当B1向VL AN2工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息。

      但不处于同一个虚拟局域网内的站，即使它们连接到同一合交换上，也不会收彼此的信息，如：B1发送数据时，工作站A1、A2和C1都不会收到B1发出的广播信息。

  2. 虚拟局域网的帧格式

    • IEEE 802.3ac标准定义了虚拟局域网的帧格式，它是以太网帧格式的扩展，虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

    • 插入VL AN标记得出的帧称为802.1Q帧或带标记的以太网帧，以太网MAC帧的最大帧长从原来的1518 (1500+18)字节变为1522字节(1500+18+4)。

      VLAN标志的前两个字节固定为0x8100， 称为IEEE802.1Q标记类型，当数据链路层检测到MAC帧的源地址后面的两个字节的值为0x8100时，就知道现在插入了4字节的VLAN标志

      标记控制信息：前3位是用户优先级字段，接着的1位是规范格式指示符CFI(Canonical Format Indicator)：跟地址有关。最后的12位是VLAN标识符VID，它唯一地标志该帧属于哪一个VLAN。

第五节 高速以太网

100BASE-T 以太网

  1. 100BASE-T以太网

    • 速率达到或超过100Mbit/s 的以太网称为高速以太网
    • 100BASE-T在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议这种100BASE-T以太网又称为快速以太网(FastEthernet)
    • 1995年IEEE已把100BASE-T的快速以太网定为正式标准，其代号为IEEE 802.3u。
    • 使用以太网交换机时，可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用CSMA/CD协议。半双工方式工作时仍使用CSMA/CD协议(集线器)，MAC帧格式仍然是802.3标准规定的(仍称为以太网的原因)保持最短帧长不变( 64字节)，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m，帧间时间间隔从原来的9.6μs改为现在的0.96μs，标准: IEEE 802.3u，不包括对同轴电缆的支持，从细缆以太网升级到快速以太网的用户必须重新布线。

吉比特以太网

  1. 吉比特以太网

    • IEEE 802.3z吉比特以太网的特点：允许在1Gbit/s下以全双工和半双工两种方式工作，使用802.3协议规定的帧格式，使用的协议：半双工方式下：CSMACD。全双工方式下：不使用CSMA/CD，与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容
    • 吉比特以太网可用作现有网络的主干网，也可在高带宽(高速率)的应用场合中
    • 吉比特以太网工作在半双工方式时，必须进行碰撞检测
    • 为保持64字节最小帧长度，以及100m的网段的最大长度，吉比特以太网增加了两个功能：载波延伸(carrier extension)，分组突发(packet bursting)。
    • 全双工则不使用

  2. 载波延伸 (保持兼容性)

    最短帧长仍为64字节，同时将争用时间增大为512字节

    凡发送的MAC帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面， 使MAC帧的发送长度增大到512字节，接收端在收到以太网的MAC帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。

  3. 分组突发
    当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可一个接一个地发送， 只需留有必要的帧间最小间隔即可，这样就形成可一串分组的突发，直到达到1500字节或，稍多一些为止。

  4. 吉比特以太网配置

10吉比特以太网和更快的以太网

  1. 10吉比特以太网( 10GE )并非把吉比特以太网的速率简单地提高到10倍
    主要特点：与10Mbit/s、100Mbit/s 和1Gbit/s以太网的帧格式完全相同，保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级，不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体，只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMACD协议.
  2. 更快的以太网
    • 以太网的技术发展得很快，在10GE之后又制订了40GE/100GE (即40吉比特以太网和100吉比特以太网)的标准IEEE 802.3ba-2010和802.3bm-2015
    • 40GE/100GE，只工作在全双工的传输方式(不使用CSMA/CD协议)，并仍保持了以太网的帧格式以及802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。
    • 100GE在使用单模光纤传输时，仍然可以达到40km的传输距离，但这需要波分复用(使用4个波长复用一根光纤，每一个波长的有效传输速率是25 Gbits/s )。

使用以太网进行宽带接入

  1. 以太网宽带接入具有以下特点：可提供双向的宽带通信，可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级，可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换，这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本，但是不支持用户身份鉴别。
  2. PPPoE：把PPP帧再封装到以太网上运输。

第四章 网络层

第一节 网络层提供的两种服务

  1. 网络层应该向运输层提供怎样的服务(“面向连接”还是“无连接”)

    • 计算机网络应模仿电信网络，使用面向连接的通信方式，通信之前先建立虚电路（逻辑上的连接） VC(Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。

    • 网络层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，网络在发送分组时不需要先建立连接，每一个分组(即 IP 数据报)独立发送，与其前后的分组 无关(不进行编号) ，网络层不提供服务质量的承诺。

    • 虚电路服务与数据报服务的对比

第二节 网际协议IP

虚拟互连网络

  1. 网际协议 IP(Internet Protocol) 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一，与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

    地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)

    网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)

    网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)

  2. 当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为网络互连，这仅仅是把一个网络扩大了，而仍然是一个网络，网络互连都是指用路由器进行网络互连和路由选择。

  3. 互连网络与虚拟互连网络

    互连网络：指用网络连接设备将网络(同构或异构)互相连接起来，没有指定层及协议

    虚拟互连网络(逻辑互连网络)：在网络层用 IP 协议互连的计算机网络。逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用 IP 协议可以使这些性能各异的网络在网络层上 看起来好像是一个统一的网络。好处：当IP网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。

  4. 分组在互联网中的发送

    网络层屏蔽了网络的异构性，这里强调的是：互联网可以 由多种异构网络互连组成。

分类的IP地址

  1. 分类的IP地址（两级IP地址）

    • 将IP地址划分为若干个固定类 ，每一类地址都由两个固定长度的字段组成：网络号 net-id 字段 （标志主机(或路由器)所连接到的网络）， 主机号 host-id 字段（标志主机(或路由器) ），主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是 唯一的。

    • 各类 IP 地址的网络号字段和主机号字段

      A 类、B 类和 C 类地址都是单播地址，它们前面的 1 ~ 3 位称为类别位。

      第一个字节：A类地址：1～126，B类地址：128～191，C类地址：192～223，D类地址：224～239，E类地址：240～255

    • IPv4 ( 32 位地址)已逐步被 IPv6 代替( 128 位地址) ，IPv4 实际是由单位申请的地址块 （只分配网络号，主机号地址由用户自行分配(要保证不重复) ）。

  2. 点分十进制

  3. 常用的三种类别的 IP 地址

    • A 类地址的网络号个数要减去2个：(1) 网络号全为 0 表示本网络，(2) 网络号 127 用于回环测试，称为回环地址(不分配) （回环地址用于本主机进程间通信，目的地址为回环地址的 IP 数据报永远不会出现在任何网 络上，因此它根本就不是一个网络地址）

    • B类地址的网络号个数要减去 1 个，网络号 128.0 不分配 ，C 类地址的网络号个数要减去 1 个 ，网络号 192.0.0 不分配。

    • 各类 IP 地址的主机号个数都要减去 2 个：全为 0 的主机号（表示该 IP 地址是“本主机”所连接的单个网络地址），全为 1 的主机号（表示“所有的”主机(广播地址)）

  4. 一般不使用的IP的地址

    私有地址只用于单位局域网内部编址，目标地址为私有地址的 IP 数据报不会被路由器转发到互联网上

  5. IP 地址的一些重要特点

    • IP地址是一种分等级的地址结构 ，分两个等级的好处： (1) IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号， 而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配， 这样就方便了 IP 地址的管理 ，(2) 路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组(而不考虑目的主机号)，这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。
    • 实际上IP地址是标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口：当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同 时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的，这种主机称为多归属主机(multihomed host)，由于一个路由器至少应当连接到两个网络(这样它才能 将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络)，因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。
    • 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id (互联网的观点是计算机网络是具有相同网络号的主机的集合)
    • 所有分配到网络号 net-id 的网络，不管是范围很小的 局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的

  6. IP实例

    在同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址中的网络号必须是一样的。用网桥互连网段后仍然是一个局域网，只能有一个网络号。两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明IP地址，指明 IP 地址：连线所构成的是一种只包含一段线路的特殊“网络”(因它有 IP 地址) ，现在常不指明IP 地址(称为无编号网络或无名网络)。

IP地址与硬件地址

  1. IP 地址与硬件地址

    • 从层次的角度看：硬件地址(或物理地址或 MAC 地址)是数据链路层和物理层使用的地址，IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址(或软件地址) ，称 IP 地址是逻辑地址是因为 IP 地址是用软件实现的

    • 数据链路层和物理层看不到 IP 地址，而网络层及以上各层中没有硬件地址，当然也看不到物理地址。

    • 在数据报的转发过程中，IP 分组中的 IP 地址是不变的， 而对应的 MAC 帧中的硬件地址则是不断变化的

  2. 从协议栈的层次上看数据的流动

    • 路由器至少有两个硬件地址，分别对应于不同的 IP 地址，数据报经过路由器转发时，其 IP 地址不变，数据报经过路由器转发时，MAC 帧中的硬件地址则不同。

    • 在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报，两个路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中 ，路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择。

    • 在具体的物理网络的链路层，只能看见 MAC 帧而 看不见 IP 数据报，IP 数据报被封装在 MAC 帧中，不同的局域网的 MAC 帧可能不同，且 MAC 帧中的源地址和目的地址要发生变化。

    • 网桥和路由器在数据链路层转发帧的不同，使用网桥转发帧不改变目标硬件地址，路由器在数据链路层转发帧改变目标硬件地址。

地址解析协议 ARP

  1. 从网络层使用的 IP 地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。

    • 不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址，每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里 面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。
    • 当主机 A 欲向本局域网上的另一个主机 B 发送 IP 数据报 时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无目标主机 B 的 IP 地址，有：可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址，没有：APR进程在本局域网上广播发送一个 ARP 请求分组。收到 ARP 响应分组后，将得到的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 高速缓存。
    • ARP 请求分组：包含发送方硬件地址 / 发送方 IP 地址 / 目标方硬件地 址(未知时填 0) / 目标方IP低址。本地广播 ARP 请求：路由器不转发 ARP 请求。
    • ARP响应分组： 包含发送方硬件地址 / 发送方 IP 地址 / 目标方硬件地址 / 目标方 IP 地址。ARP 分组封装在物理网络的帧中传输。

  2. 构造 IP 地址与硬件地址的映射关系表

    • ARP 进程在本局域网上广播发送一个 ARP 请求分组，内容包括：发送 ARP 请求分组的 IP 地址和硬件地址，被请求硬件地址对应的 IP 地址

    • 本局域网上的所有主机上运行 ARP 进程(发送者除外)都收到此 ARP 请求分组

    • 每个 ARP 请求分组的接收者查询请求分组中的目的IP，不是自己的 IP：丢弃 ARP 请求分组。

    • 每个 ARP 请求分组的接收者查询请求分组中的目的 IP是自己的IP：发送 ARP 响应分组，内容包括：自己的 IP 及其硬件地址，请求 ARP 分组的发送者的 IP 地址及硬件地址，同时将 ARP 请求分组中的源 IP 地址和源硬件地址写入自己的映射表中(为减少通信量，方便反向的数据传输)

    • 请求 ARP 分组发送者将返回的 IP 地址及硬件地址写入自己的映射表中

  3. ARP 高速缓存的作用

    存放最近获得的IP地址到MAC地址的绑定，以减少ARP 广播的数量。为了减少网络上的通信量，主机A在发送其 ARP 请求 分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP请求分组当主机B收到A的ARP请求分组时**，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中。这 对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了。**

  4. 应当注意的问题

    • 主机和路由器都要运行 ARP 协议
    • 请求 ARP 分组是广播发送的，而 ARP 响应分组则是单播的
    • ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题，如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器 的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。
    • 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的，只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。
    • 高速缓存中的每一个映射地址项目都有一个生存时间， 凡超过生存时间的项目就从高速缓存中删，设置生存期间的目的：防止更改IP地址或更换网络适配器(主要的)造成的地址不对应。

  5. 使用 ARP 的四种典型情况

    • 发送方是主机( H1 )，要把 IP 数据报发往本网络上的另一个主机( H2 )，主机( H1 )在本网络(网 1 )上广播发送 ARP 请求分组， 找到目的主机( H2 )的硬件地址。

    • 发送方是主机( H1 )，要把 IP 数据报发往另一个网络上的一个主机( H3 或 H4 ) ，主机( H1 )在本网络(网 1 )上广播发送 ARP 请求分组， 找到本网络(网 1 )上的一个路由器( R1 )的硬件地址，剩下的工作由这个路由器( R1 )来完成。

    • 发送方是路由器( R1 )，要把 IP 数据报转发到本网络(网 2 )上的一个主机( H3 )，路由器( R1 )在本网络(网 2 )上广播发送 ARP 请求分组，找到目的主机( H3 )的硬件地址。

    • 发送方是路由器( R1 )，要把 IP 数据报转发到另一个网络(网 3 )上的一个主机( H4 ) ，路由器( R1 ),与主机( H4 )不在同一个网络，路由器( R1 )在网络(网 2 )上广播发送 ARP 请求分组， 找到网络(网 2 )上的一个路由器( R2 )的硬件地址，剩下的工作由这个路由器( R2 )来完成.

      问题：路由器 R1 为什么不在网 1 上广播发送 ARP 请求分组？

      答案：路由器 R1 知道需要通过路由器 R2 转发给主机H4 (通过查 R1 路由表，见 4.5 路由选择协议)

  6. 为什么不直接使用硬件地址进行通信

    由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复 杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事，IP编址把这个复杂问题解决了，连接到互联网的主机只需各自拥有一个唯一的 IP 地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调用 ARP 的复杂过程都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的，因此，在虚拟的IP网络上用IP地址进行通信给广大的计算机用户带来了很大的方便。

IP数据报的组成

  1. 一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成，首部包括： 固定部分（固定长度，共 20 字节，所有 IP 数据报必须具有，在首部的前面），可变部分（跟在首部固定部分的后面，是一些可选字段，其长度是可变的）。

  2. 格式

    • 版本：占 4 位，指 IP 协议的版本，通信双方使用的 IP 协议的版本必须一致 。目前 IP 协议版本号为 4 (IPv4)。

    • 首部长度：占 4 位，可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为4字节)，因此 IP 首部的最大长度是 60 字节，若 IP 数据报首部长度不是 4 字节的整数倍(可选字段造 成)则用必须用最后的填充字段补足。

    • 区分服务 DS(Differentiated Services) ：占 8 位，用来获得更好的服务，在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直未被使用过。 1998 年这个字段改名为区分服务，只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。在一般的情况下都不使用这个字段

    • 总长度：占 16 位，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为 65535 字节 总长度必须不超过最大传送单元 MTU。

    • 标识(identification)：占 16 位，是一个计数器，用来产生 IP 数据报的标识，每产生一个 IP 数据报，计数器加 1，并将此值赋给标识字段，但它不是序号( IP 数据报是无连接的，没有按序接收的问题)，相同标识字段值的若干 IP 数据报需按片偏移重装成原来的 IP 数据报( IP 数据报分片时该字段才起作用)

    • 标志(flag)：占 3 位，目前只有前两位有意义，标志字段的最低位是 MF (More Fragment)，MF = 1：后面“还有分片” ，MF = 0：最后一个分片。标志字段中间的一位是DF(Don’t Fragment) ，DF = 1：不能分片 ，DF = 0：允许分片，标志字段的最高位没有使用。

    • 片偏移：占 13 位，指出较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置，片偏移以 8 个字节为偏移单位，即每个分片的长度一定是 8 字节的整数倍。

    • 生存时间 TTL(Time To Live)：占 8 位。表明数据报在网络中的寿命，防止无法交付的数据报在网络中兜圈子，通常是数据报在网络中可通过的路由器数(跳数)的最大值，路由器转发 IP 分组时，先将被转发分组中的跳数减 1， 若减 1 后的跳数大于0则转发该分组，否则丢弃该分组 ，数据报在互联网中经过的路由器的最大数值为 255。

    • 协议：占 8 位**，指出此数据报携带的数据使用何种上层协议，以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个进程处理**。

    • 首部检验和：占 16 位，只检验数据报的首部，不检验数据部分，采用 16 位二进制反码求和算法，每经过一个路由器，路由器都要重新计算首部校验和(生存时间、标志、片偏移等字段可能发生变化) 。

    • 源地址和目的地址：各占 4 字节

    • 可变部分：IP首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富选项字段的长度可变，从 1 个字节到 40 个字节不等，取决于所选择的项目，但最后要用 0 补齐成为 4 字节的整数倍。增加首部的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能，但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的，从而增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用，因此，新的 IPv6 把 IP 数据报的首部长度做成固定的 。

IP层转发分组的流程

  1. 假设：有四个 A 类网络通过三个路由器连接在一起。每一个网络上都可能有成千上万个主机，可以想像，若按目的主机号来制作路由表，每一个路表就有 4 万个项目，即 4 万行(每一行对应于一台主机)，则所得出的路由表就会过于庞大，但若按主机所在的网络地址来制作路由表，那么每一个路由器中的路由表就只包含 4 个项目(每一行对应于一个网络)，这样就可使路由表大大简化。

  2. IP分组转发

    • 无论是直接交付还是间接交付，都有接口号，无论是直接交付还是间接交付，都要查询 MAC 地址，可能还要运行 ARP 协议。

  3. 查找路由表

    根据目的网络地址就能确定下一跳路由器，这样做的结果： IP数据报最终一定可以找到目的主机所在目的网络上的路由器(可能要通过多次的间接交付) ，只有到达最后一个路由器时，才试图向目的主机进行，直接交付。

  4. 特定主机路由

    • 虽然互联网所有的分组转发都是基于目的主机所在的网络， 但在大多数情况下都允许特定主机路由这一特例，特定主机路由是指在路由表中为特定的目的主机指明一个路由，即在路由表中直接指定目的主机(主机 IP 地址)的下一跳。

    • 特定主机路由是由网络管理人员设定的，其目的：网络管理人员能更方便地控制网络和测试网络，网络管理人员在需要考虑某种安全问题时使用，网络管理人员对网络的连接或路由表进行排错等。

  5. 默认路由

    • 路由器还可采用默认路由以减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间，采用默认路由的转发方式在一个网络只有很少的对外连接时是很有用的，每一个主机都有自己的路由表，默认路由在主机发送 IP 数据报时往往更能显示出它的好处，如果一个主机连接在一个小网络上，而这个网络只用一 个路由器和互联网连接，那么在这种情况下使用默认路由是非常合适的
    • 只要目的网络不是 N1 和 N2，就一律选择默认路由，把数据报先间接交付路由器 R1，让 R1 再转发给下一个路由器，注意： 直接和默认这样的文字不出现在路由表中，而是被标记为 0.0.0.0。
    • IP数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳路由器的 IP 地址”，当路由器收到待转发的数据报时，从路由表中得出下一跳路由器的 IP 地址，不是将下一跳路由器的 IP 地址填入IP 数据报，而是送交下层的网络接口软件，网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址，转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。

  6. 分组转发算法（特定-》路由表-》默认）

    • 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D，得出目的网络地址为 N
    • 若网络 N 与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机 D；否则是间接交付，执行(3)
    • 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数 据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行 (4)
    • 若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行(5)
    • 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)
    • 报告转发分组出错

  7. 路由表没有给分组指明到某个网络的完整路径，路由表指出，到某个网络应当先到某个路由器(即下一跳路由器)，在到达下一跳路由器后，再继续查找其路由表，知道再下一步应当到哪一个路由器，这样一步一步地查找下去，直到最后到达目的网络。

第三节 划分子网和构造超网

  1. IP 地址的设计不够合理

    • IP 地址空间的利用率有时很低，网络分类本身就浪费了一部分 IP 地址，从长远考虑，单位不愿意申请主机数少的 IP 地址(如C 类地址)，造成进一步的浪费
    • 给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏，路由表项越多，路由器(存储空间)成本和查路由表耗时成本越多，路由器间的信息交换和占用的网络成本越大。

划分子网

  1. 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址，这种做法叫作划分子网(subnetting)或子网寻址或子网路由选择。

  2. 划分子网纯属一个单位内部的事情，单位对外仍然表现为没有划分子网的网络，从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机host-id 也就相应减少了若干个位。

    凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍 然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器，然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 neid 和子网号 subnet-id 找到目的子，最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。

  3. 划分子网举例

    划分为三个子网后对外仍是一个网络：子网号占用 8 位，所以主机号只剩下 8 位

  4. 划分子网后 IP 地址就变成了三级结构

    优点：减少了 IP 地址的浪费，使网络的组织更加灵活，更便于维护和管理。划分子网纯属一个单位内部的事情，对外部网络透明，对外仍然表现为没有划分子网的一个网络。

  5. 子网掩码

    从一个 IP 数据报的首部无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分，使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分，规则：子网掩码长度 ＝ 32 位，某位 ＝ 1：IP 地址中的对应位为网络号和子网号，某位 ＝ 0：IP 地址中的对应位为主机号

    路由器 R1 把子网掩码和收到的数据报的目的 IP 地址145.13.3.10 **逐位相与( AND )**得到子网的网络地址

    145.13.3.0

  6. 使用子网掩码的好处

    不管网络有没有划分子网，只要把子网掩码和 IP 地址进行逐位的“与”运算，就立即得出网络地址来，这样在路由器处理到来的分组时就可采用同样的算法。

  7. 默认子网掩码

    如果网络不划分子网，则该网络的子网掩码就使用默认子网掩码，默认子网掩码中 1 的位置和 IP 地址中的网络号字段正好对应，因此使用默认子网掩码与某个不划分子网的IP 地址逐位相与，就能够得出该 IP 地址的网络地址，从而不用查表就知道该 IP 地址是哪类 IP 地址。

  8. 不划分子网为什么还要使用子网掩码

    互联网规定，便于查找路由表，所有的网络必须使用子网掩码，在路由表中也必须有子网掩码一栏，不划分子网的网络地址其子网掩码必须使用默认子网掩码，从而不用查找也可得到该地址的类别(网络地址)

  9. 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性

    路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络(或子网)的子网掩码告诉相邻路由器，路由器的路由表中的每一个项，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码，若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码。

  10. 子网划分方法

    • 有固定长度子网和变长子网两种子网划分方法
    • 在采用固定长度子网时，所划分的所有子网的子网掩码都是相同的
    • 虽然根据已成为互联网标准协议的 RFC 950 文档，子网号不能为全 1 或全 0，但随着无分类域间路由选择 CIDR 的广泛使用，现在全 1 和全 0 的子网号也可以使用了，但一定要谨慎使用，确认你的路由器所用的路由选择软件是否支持全 0 或全 1 的子网号这种较新的用法
    • 划分子网增加了灵活性，但却减少了能够连接在网络上的主机总数

  11. B 类地址的子网划分选择(使用固定长度子网)

  12. 例子

使用子网时的分组转发

  1. 划分子网时的分组转发

    • 在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址得出网络地址是个很简单的事
    • 但在划分子网的情况下，从 IP 地址却不能唯一地得出网络地址来，这是因为网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息，因此分组转发的算法也必须做相应的改动
    • 路由表必须包括：目的网络地址，子网掩码 ，下一跳地址

  2. 在划分子网的情况下路由器转发分组的算法

    • 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D

    • 先用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与”，看是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。否则就是间接交付，执行 (3)

    • 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行 (4)

    • 对路由表中的每一行，将子网掩码和 D 逐位相“与”。 若结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行 (5)

    • 若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行 (6)

    • 报告转发分组出错

  3. 例4-4：已知互联网和路由器 R1中的路由表。主机H1向H2发送分组。试讨论R1收到H1向H2发送的分组后查找路由表的过程。

无分类编址CIDR（构造超网）

  1. IPv4 及划分子网的主要问题

    • B 类地址在 1992 年已分配了近一半，眼看就要在1994 年 3 月全部分配完毕！
    • 互联网主干网上的路由表中的项目数急剧增长(从几 千个增长到几万个)
    • 整个 IPv4 的地址空间最终将全部耗尽

  2. CIDR的特点

    • CIDR 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间
    • CIDR 使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代 替分类地址中的网络号和子网号
    • IP地址从三级编址(使用子网掩码)又回到了两级编址

  3. 无分类的两级编址

    • 记法

    • CIDR 还使用“斜线记法”(slash notation)，它又称为CIDR记法，即在IP地址后面加上一线“/”，然后写上网络前缀所占的位数(这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数) 例： 220.78.168.0/24

    • 10.0.0.0/10 可简写为 10/10，也就是把点分十进制中低位连续的0省略，10.0.0.0/10 隐含地指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是255.192.0.0。此掩码可表示为11111111 11000000 00000000 00000000

    • 网络前缀的后面加一个星号 * 的表示方法，如 00001010 00*，在星号 * 之前是网络前缀，而星号 *表示 IP 地址中的主机号，可以是任意值。

  4. CIDR地址块：CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”

    无分类IP地址：128.14.35.7/20=1000 0000 0000 1110 0010 0011 0000 0111

    • 地址块共有 212个地址(因为斜线后面的 20 是网络前缀的位数，所以这个地址的主机号是 12 位)
    • 这个地址块的起始地址是 128.14.32.0
    • 在不需要指出地址块的起始地址时，也可将这样的地址块简称为“/20 地址块”
    • 128.14.32.0/20地址块的最小地址128.14.32.0，128.14.32.0/20地址块的最大地址128.14.47.255。
    • 全 0 和全 1 的主机号地址一般不使用。

  5. 路由聚合(route aggregation)

    • 一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合，它使得路由表中的一个项目可以表示很多个(例如上千个)原来传统分类地址的路由
    • 路由聚合有利于减少路由器之间的路由选择信息的交换，从而提高了整个互联网的性能
    • 路由聚合也称为构成超网(supernetting)，因其跨越几个分类地址块而得名
    • CIDR 虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词(但不叫子网掩码)
    • 对于 /20 地址块，它的掩码是 20 个连续的 1。斜线记法中的数字就是掩码中 1 的个数
    • 得到 CIDR 地址块的企业仍可以划分子网，但子网的网络前缀要比企业的地址块前缀要长

  6. 常用的 CIDR 地址块

    地址数包含主机号为全 0 和全 1，前缀长度不超过 23 位的 CIDR 地址块都包含了多个 C 类

    地址，这些 C 类地址合起来就构成了超网。

    CIDR 地址块中的地址数一定是 2 的整数次幂，网络前缀越短，其地址块所包含的地址数就越多 ，在三级结构的 IP 地址中，划分子网是使网络前缀变长

    CIDR 的一个好处：可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间，可根据客户的需要分配适当大小的 CIDR 地址块

  7. CIDR 地址块划分举例

    这个 ISP 共有 64 个 C 类网络( = 224-18 = 26 = 64 )，如果不采用 CIDR 技术，则在与该 ISP 的路由器交换路由信息的每一个路由器的路由表中，就需要有 64 个项目，采用地址聚合后，只需用路由聚合后的 1 个项目206.0.64.0/18 就能找到该 ISP

  8. 最长前缀匹配

    • 使用 CIDR 时，路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成
    • 在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果，应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由
    • 最长前缀匹配原理： 网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(more specific) ，最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配

  9. 最长前缀匹配举例

    • 假设大学下属的四系希望 ISP 把转发给四系的数据报直接转发到四系而不要经过大学的路由器，但又不愿意改变自己使用的 IP 地址块，因此，ISP 路由器的路由表项至少要有两个：206.0.68.0/22 （大学） ，206.0.71.128/25 （四系）

    • 选择两个匹配的地址中更具体的一个，即选择最长前缀的地址

  10. 使用二叉线索查找路由表

    • 为了进行更加有效的查找，通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中，然后自上而下地按层次进行查找。这里最常用的就是二叉线索(binary trie)
    • IP 地址中从左到右的比特值决定了从根结点逐层向下层延伸的路径，而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址
    • 用唯一前缀构造二叉线索，匹配查找时只需与唯一前缀匹配就行，从二叉线索的根结点到叶子最深有 32 层，每一层对应于IP 地址的一位

  11. “与唯一前缀匹配”和“与网络前缀匹配”的关系

    (1) 与唯一前缀匹配的过程就是搜索二叉线索树的过程，搜索到叶子结点才算匹配成功，否则不成功

    (2) 叶子结点中必须包含网络前缀和地址掩码

    (3) 搜索到叶子结点时必须将目的地址与该叶子结点中的地址掩码逐位“与”运算，若**“与网络前缀”相匹配则按下一跳的接口转发分组，否则丢弃该分组**

第四节 网际控制报文协议 ICMP

ICMP报文的种类

  1. 为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)，ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告 ，但 ICMP 不是高层协议(看起来好像是高层协议，因为 ICMP 报文是装在 IP 数据报中，作为其中的数据部分)，而是 IP 层的协议

  2. ICMP 报文的格式

    • ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式，共有三个字段： 即类型、代码和检验和接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关。

    • ICMP 报文的检验和字段用来检验整个 ICMP 报文，IP 数据报首部的检验和不检验 IP 数据报的内容，因此，不能保证经过传输的 ICMP 报文不产生差错。即 IP 首部校验无差错不能保证 ICMP 报文也无差错

    • 种类

    • ICMP 差错报告报文共有 4 种：

      (1) 终点不可达，当路由器或主机不能交付数据报时向源点发送本报文

      (2) 时间超过：当路由器收到生存时间为零的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送此报文，当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送此报文

      (3) 参数问题，当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有不正确的字段值时，就丢弃该数据报并向源点发送此报文

      (4) 改变路由(重定向，Redirect)路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的(可通过的更好的)路由器。

  3. 关于改变路由**(重定向)**

    (1) 主机中有路由表，主机通过查找自己的路由表决定发送数据的接口

    (2) 在互联网中主机的数量远远大于路由器的数量，出于效率的考虑，主机不与路由器交换路由信息

    (3) 主机刚开始工作时一般都在路由表中设置一个默认路 由器的 IP 地址，所有发送的数据由该默认路由器决定最佳路由

    (4) 默认路由器发现数据报的最佳路由不是自己而是另一个路由器时，向主机发送改变路由报文，主机将该报文中的路由信息存放到自己的路由表中。

  4. ICMP 差错报告报文的数据字段的内容

    • 将 IP 数据报的首部和数据部分的前 8 个字节取出，并作为 ICMP 报文的数据字段，加上 ICMP 首部( 8 字节)封装成 ICMP 差错报告报文
    • IP 数据报的数据字段的前 8 个字节为运输层的端口号及运输层的报文发送序号
    • 将 ICMP 报文封装到 IP 数据报中发送给源点

  5. 不应发送 ICMP 差错报告报文的几种情况

    (1) 对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文

    (2) 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送 ICMP 差错报告报文

    (3) 对具有多播地址的数据报都不发送 ICMP 差错报告报文

    (4) 对具有特殊地址(如 127.0.0.0 或 0.0.0.0 )的数据报不发送 ICMP 差错报告报文。

  6. ICMP 询问报文有两种、

    (1) 回送请求和回答报文：回送请求报文由主机或路由器向特定的目的主机发送，收到此报文的主机必须向源主机或路由器发送 ICMP 回答报文

    目的：用于测试目的站的可达性及了解状况

    (2) 时间戳请求和回答报文：请求某主机或路由器回答当前的日期和时间，可用来进行时钟同步和测量时间

  7. 下面的几种 ICMP 报文不再使用

    Ø信息请求与回答报文

    Ø掩码地址请求和回答报文

    Ø路由器询问和通告报文

    Ø源点抑制报文

ICMP报文的应用

  1. PING(Packet InterNet Groper) ，Traceroute

使用二叉线索查找路由表**

- 为了进行更加有效的查找，通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中，然后自上而下地按层次进行查找。这里最常用的就是二叉线索(binary trie)
- IP 地址中从左到右的比特值决定了从根结点逐层向下层延伸的路径，而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址
- [外链图片转存中...(img-jHvZZ4KR-1661613292431)]
- 用唯一前缀构造二叉线索，匹配查找时只需与唯一前缀匹配就行，从二叉线索的根结点到叶子最深有 32 层，每一层对应于IP 地址的一位

  1. “与唯一前缀匹配”和“与网络前缀匹配”的关系

    (1) 与唯一前缀匹配的过程就是搜索二叉线索树的过程，搜索到叶子结点才算匹配成功，否则不成功

    (2) 叶子结点中必须包含网络前缀和地址掩码

    (3) 搜索到叶子结点时必须将目的地址与该叶子结点中的地址掩码逐位“与”运算，若**“与网络前缀”相匹配则按下一跳的接口转发分组，否则丢弃该分组**

第四节 网际控制报文协议 ICMP

ICMP报文的种类

  1. 为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)，ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告 ，但 ICMP 不是高层协议(看起来好像是高层协议，因为 ICMP 报文是装在 IP 数据报中，作为其中的数据部分)，而是 IP 层的协议

  2. ICMP 报文的格式

    [外链图片转存中…(img-0Bc76ElX-1661613292443)]

    • ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式，共有三个字段： 即类型、代码和检验和接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关。

    • ICMP 报文的检验和字段用来检验整个 ICMP 报文，IP 数据报首部的检验和不检验 IP 数据报的内容，因此，不能保证经过传输的 ICMP 报文不产生差错。即 IP 首部校验无差错不能保证 ICMP 报文也无差错

    • 种类

      [外链图片转存中…(img-4aHwhXOD-1661613292449)]

    • ICMP 差错报告报文共有 4 种：

      (1) 终点不可达，当路由器或主机不能交付数据报时向源点发送本报文

      (2) 时间超过：当路由器收到生存时间为零的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送此报文，当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送此报文

      (3) 参数问题，当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有不正确的字段值时，就丢弃该数据报并向源点发送此报文

      (4) 改变路由(重定向，Redirect)路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的(可通过的更好的)路由器。

  3. 关于改变路由**(重定向)**

    (1) 主机中有路由表，主机通过查找自己的路由表决定发送数据的接口

    (2) 在互联网中主机的数量远远大于路由器的数量，出于效率的考虑，主机不与路由器交换路由信息

    (3) 主机刚开始工作时一般都在路由表中设置一个默认路 由器的 IP 地址，所有发送的数据由该默认路由器决定最佳路由

    (4) 默认路由器发现数据报的最佳路由不是自己而是另一个路由器时，向主机发送改变路由报文，主机将该报文中的路由信息存放到自己的路由表中。

  4. ICMP 差错报告报文的数据字段的内容

    [外链图片转存中…(img-m5Ff032w-1661613292454)]

    • 将 IP 数据报的首部和数据部分的前 8 个字节取出，并作为 ICMP 报文的数据字段，加上 ICMP 首部( 8 字节)封装成 ICMP 差错报告报文
    • IP 数据报的数据字段的前 8 个字节为运输层的端口号及运输层的报文发送序号
    • 将 ICMP 报文封装到 IP 数据报中发送给源点

  5. 不应发送 ICMP 差错报告报文的几种情况

    (1) 对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文

    (2) 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送 ICMP 差错报告报文

    (3) 对具有多播地址的数据报都不发送 ICMP 差错报告报文

    (4) 对具有特殊地址(如 127.0.0.0 或 0.0.0.0 )的数据报不发送 ICMP 差错报告报文。

  6. ICMP 询问报文有两种、

    (1) 回送请求和回答报文：回送请求报文由主机或路由器向特定的目的主机发送，收到此报文的主机必须向源主机或路由器发送 ICMP 回答报文

    目的：用于测试目的站的可达性及了解状况

    (2) 时间戳请求和回答报文：请求某主机或路由器回答当前的日期和时间，可用来进行时钟同步和测量时间

  7. 下面的几种 ICMP 报文不再使用

    Ø信息请求与回答报文

    Ø掩码地址请求和回答报文

    Ø路由器询问和通告报文

    Ø源点抑制报文

ICMP报文的应用

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