互联网计算笔记

Week 1

思科网络技术学院教程,4册,前两册,网络简介、路由和交换基础

  • What is a network ?

    A network is an intricately connected system of objects, devices, or people.

  • Networks

    Basic parts: Node Link

    Type: LAN(Local Area Networks)局域网 WAN(Wide Area Networks)广域网

    LAN:

    1. Operate locally, small cover area (通常是一个单位,组织)
    2. Multi-user access (多个用户同时复用一个链路介质,提高利用效率)
    3. High speeds expected, well maintained
    4. Error rate is easily controlled
    5. 广播方式通讯

    WAN:

    1. Operate over large areas (通常包含多个单位)
    2. Access over serial links, optical links, etc.
    3. Lower speeds
    4. Error rate can not be easily controlled
    5. 点对点通讯

    LAN Devices:

    1. Hub(现在少见,第一层): Multiport repeater(多端口中继器), connect PCs, Repeats signals
    2. Bridge(现在少见,第二层): LAN segmentation based on MAC addresses(基于MAC地址的分段) (把一个LAN分成若干个小段) (只有两个端口)
    3. Switch(常见,又称多端口网桥,第二层,每个端口的功能和网桥是一样的,与网桥的区别是使用大规模集成电路,性能更高,每个端口提供更多带宽): Multiport-bridge, Full bandwidth
    4. Router(常见,第三层,基于逻辑的IP地址划分做路径选择,收到报文后决定合适的端口转发): Path determination, Packet switching

    WAN Devices:

    1. Router: Path determination, Packet switching
    2. Modem CSU(Channel Service Unit, 信道服务单元)/DSU(Data Service Unit)TA(Terminal Adapter)/NT(网络终结器)1(广域网点对点连接两端的设备就是Modem): Analog to Digital, Remote LAN connections

    LAN services: Ethernet (大部分采用以太网的标准,还有无线网络标准)

    WAN services: Modem, ISDN, DSL…(服务商不同,广域网上需求很不同)

  • Internet

    Internet is a network whose nodes are networks whose nodes are networks.

    Largest network. TCP/IP. Evolved from ARPANET.

    Internet with Multi-layer ISP structure. (边缘ISP、核心ISP。。(下层)本地ISP->第二层ISP->NAP->第一层ISP(上层)->NAP->第二层ISP->本地ISP(下层))

    NAP(Internet Access Point)

  • Data

    Data is sent in bits, 1s and 0s.

    Data is not the information itself, depending on encoding methods.

  • Data Packets

    For transmission, computer data is often broken into small, easily transmitted units.

    基于数据结构,依据相关标准编码数据,让通讯双方知道数据意义。

    对不同的传输层次设置不同的传输数据格式。

    Using the OSI model, these units can be called packets(网络层), frames(数据量层), segments(数据段层)

    Why data packets?

    1. 数据分为packets,可以做分时传输,用户看起来就是多进程同步运行。Computer take turns sending packets.
    2. 链路中断,只需从断点续传之后的packets即可,不许重传整个数据段。(这对packets有要求,每个packets都要包含传输的source和destination,是不可避免的冗余)
    3. 数据段分为小的数据包后,每个数据包可以单独的传输、独立传输,每个数据报可以走当前最优路径。
  • Protocol

    It is possible for different types of computer systems to communicate.

    All devices must speak the same language or use the same protocol (use the same set of rules)

  • Source and Destination

    Source/Destination specifies the identity of the computer sending/receive the packet.

  • Media Types

    Material through which data packets travel.

    双绞线(5类、6类)、光纤、空气

  • Digital Bandwidth (传输能力上限)

    Measured in bits/seconds (bps)

  • Throughput (通量,实际传输能力)

    Actual measured bandwidth at a specific time.

    $Throughput ≤ Bandwidth$

  • OSI (Open System Interconnection) Reference Model

    A layered communication process. Each layer performs a specific task.

    7 layers.

    Top 3 layers (5~7) are known as application layers, including Application(应用层, 7), Presentation(表示层, 6), Session(会话层, 5). Deal with the user interface, data formatting, and the application access.

    Layers 1~4 are known as the data flow layers, including Transport(传输层, 4), Network(网络层, 3), Data Link(数据链路层, 2), Physical(物理层, 1).

    1. Physical Layer (Signal and Media)

      规范了两个节点间哪些介质可以用于传输,规范了传输信号的规格,电压等级,传输速率,最大传输距离等等。还可能规范终端发送/接受器的规格,链路设备的规格等等。(不做管理和控制,只要有电压就能传输,只要能识别就可发送和接收,不对信号是否正确作逻辑判断)

    2. Data Link Layer (Frame, Media access control)

      两个节点间传输效果进行控制,基于(frame 是第二层的 packet)信号校验是否正确,并作出相应的措施(如重传),保证传输正确。

      当有多用户/多进程时,对介质的接入作控制,防止链路使用的冲突。

      物理定址定位。

      (只是对一个点对点的物理链路上的控制,只能作用于局域范围)

    3. Network Layer (Path selection, Routing, Addressing)

      可以跨一段链路,实现多链路的连通和数据的发送,可以覆盖整个广域网。

      实现路径选择,基于选择的路径建立两个远端点的连接。(基于IP地址进行定位连通,基于Packet传输)

      广域网上,很难统一物理标准,通过逻辑控制,为每个主机分配IP地址(一个逻辑地址),来进行连通。

      (实现设备到设备的连接,但是我们用的都是分时操作系统,各个同时使用网络的进程被系统做分时处理,网络系统同时接到多个报文,要能准确分发给各个进程,为了实现这一点,见4层)

    4. Transport Layer (Reliability, Flow control, Error correction)

      规范终端进程到终端进程通信的方案,第3层,为了数据可达传输,对数据正确性检测做出了牺牲,例如中间路由不会作复杂校验,而留给终端设备检验,第4层主要做数据校验,决定是否重传等,和对方设备协商传输速率等等。

      第4层使用段的结构,传输方把数据分成数据段,每个数据段在第3层中分成数据报传输,接收方受到之后,检查段,根据特定规则排序恢复原有数据,对上层进行交互。如果没有正确接收,会于传输方协商进行重传等。

      严格的数据检查校验放在第4层校验无误后才向上层交付

    5. The Session Layer (Dialog and Conversations)

      应用程序可以根据自身需求设置通讯规则,数据规格等,可以设置时间检查点来检查数据是否有效传输。在多个应用协同进行时进行逻辑控制(如多人游戏)。

      建立、管理、中止绘画进程。

      管理表示层实体之间的通信

    6. Presentation Layer (Common Format)

      通信终端的操作系统、硬件条件之间可能有很大的区别,如果都基于本地规格通信就会产生错误(数据不是信息本身,必须有一致的理解规则)。

      表示层就是在应用层之下为应用层提供一致数据表示的服务。

      为压缩和加密负责。

      与传输数据的结构以及数据传输规则的协商有关

    7. Application Layer (Browser)

      应用层是应用程序的用户界面,把用户的操作封装成机器可以理解的语法,再发送相关数据进行传输。

      把所有用户的操作变成网络的通讯内容,为用户程序通过服务。

      不再为其他OSI Layer提供服务,因为总是高层向底层请求服务,底层向上层提供服务

    Protocols on ISO layers:

    • Telnet, FTP, HTTP, SMTP -> Application
    • TCP, UDP -> Transportation
    • IP -> Network
    • ARP -> inter layer 2, 3 (跨层)
  • OSI 7层 TCP/IP 4层 教学用 5层

  • 教学5层划分,将OSI 7,6,5 合成一层。

  • 通信过程

    进程形成第5层的报文段,加上首部,向第4层请求服务

    第4层封装数据报,再根据自己当前配置生成第4层头部,向第3层请求服务

    第4层形成的数据段放在3层的数据包,第3层生成自己的头部(IP等),向第2层请求服务

    第3层把数据放在第2层帧里

    第2层把01序列给第1层传输

Week 2

  • Peer-to-Peer Communications

    每一层和对应的相同层传输,不同层之间不能直接通讯。

    物理层之间通讯基于Bits

    数据链路层之间基于Frames

    网络层之间基于Packets

    传输层之间通过Segments

    会话层、表示层、应用层之间有很多标准通讯,http等

  • TCP/IP

    The TCP/IP model has only four layers. OSI 和 TCP/IP都是报文转换,不是电路转换

    • Application (对应OSI的上三层,解决高层协议,http,即时通讯等,界面处理、会话、标准处理)
    • Transport (处理可靠传输、流控制、纠错,TCP/UDP,,把应用层数据包装进数据段)
    • Internet (不做复杂校验,做可达传输、路径选择、数据包装进Packet,Packet路径独立,Internet Protocol(IP) )
    • Network Access (对应OSI的最底两层Host-to-Network Layer)
  • Common TCP/IP Protocols

    Application Layer: FTP HTTP SMTP DNS TFTP

    Transport Layer: TCP UDP

    Internet Layer: IP

    Network Access Layer: Internet You LAN Many LANS and WANS

  • Network Topology

    网络拓扑规范了网络的组织结构

    • Physical Topology

      如何将Node具体地物理地连接起来

      bus, star, ring, hierarchical, mesh

    • Logical Topology

      管理介质怎么被Host所访问,利用token来获得通讯的权利

    • Network Topologies – Bus

      Physical Perspective: Each host is wired to a common wire.

      • Advantage: all hosts can communicate directly, low cost
      • Disadvantage: a break in the cable disconnects hosts from each other

      Logical Perspective:

      • 广播式传输,Every networking device to see all signals from all other devices.
    • Network Topologies – Ring

      Physical Perspective:

      • All devices wired directly to each other in what is called a daisy-chain
      • a break in the cable disconnects hosts from each other

      Logical Perspective:

      • 为了保证数据传输正确,一般规定只能顺时针或逆时针传输
      • In order for information to flow, each station must pass the information to its adjacent station
      • 同时只能有一个Host发送,通过token/令牌/标记位来获得一个传输的时间窗口
    • Network Topologies – Dual Ring

      分为内环和外环的双环结构

      Physical Perspective:

      • A dual ring topology is the same as a ring topology, except that there is a second, redundant ring, that connects the same devices.
      • Advantages: provide reliability and flexibility

      Logical Perspective:

      • A dual ring topology acts like two independent rings, of which, only one at a time is used.
      • 平常使用外环,若外环故障,会切换到内环,最早用于建设城际网。
    • Network Topologies – Star

      Physical Perspective:

      A star topology has a central node with all links radiating from it.
      • Advantage: it allows all other nodes to communicate with each other, conveniently. It also might be desirable for security or restricted access reasons. (更安全因为不用向Bus和Ring一样信息会被很多非传输对象拿到)
      • Disadvantage: if the central node fails, the whole network becomes disconnected. Depending on the type of networking device used, collisions can be a problem.

      Logical Perspective:

      • The flow of all information would go through one device

      还有extend star结构,拥有子中心节点,视情况通过哪些中心节点。

    • Network Topologies – Tree

      也称为层次结构,节点直接有层次关系,root节点权限和视野更高。上级要对下级的数据做审核后才能转发。

      Binary Tree

      Backbone Tree (a backbone trunk has branch nodes with links hanging from it.)

      Physical Perspective:

      • The trunk is a wire that has several layers of branches.

      Logical Perspective:

      • The flow of information is hierarchical.
    • Network Topologies – Complete (Mesh)

      图示是一个完全图 (Complete Graph)

      • Advantage: 冗余性大,可靠性和可用性高
      • Disadvantage: 成本高昂,一点到另一点路径选择多,必须要有合理机制选择最合理的路径
    • Network Topologies – Cellular

      Physical Perspective:

      • The cellular topology is for wireless technology
      • 发送和接收方有时是移动的

      Logical Perspective:

      • 只能和直接相连的节点通信,和远端节点通信需要中间节点的转发
  • LAN Devices in a Topology

    • Hosts – 分为在终端的和中间的设备,终端的包括PC,打印机等,中间的有路由器等。
    • NICs – Layer2
      • 网卡是第二层(数据链路层)设备,实现主机到网络的连接
      • 每个网卡有一个烧在芯片上的MAC地址
      • 用来控制网络上主机的数据通信
      • 把主机中进程的并行通信转化为适用于网络专属的串行格式
      • 收发器(Transceiver)用来转换信号以及接收或发送Bits
      • 网卡不止工作在终端设备上,中间设备也有,只要是接入介质都需要网卡的支持
    • Media – Layer1
      • 传输电或光信号,工作在第一层(物理层)
    • Repeaters – Layer1
      • 中继器用作长线路中放大、维持信号,工作在第一层(物理层)
      • 只是做信号的识别放大,不做其他工作,不能过滤流量
    • Hub – Layer1
      • 放大信号并转发,工作在第一层(物理层)
      • 又称多端口中继器
      • 不能过滤流量
      • Repeater 和 Hub 的区别就是端口的数量,他们都是放大信号然后转发
      • Repeater 和 Hub 速度较慢现在已经不常见
      • Hub 在物理连接方式上看起来是 星形 拓扑,实际上是 总线 结构,因为一次只能有一个Host在发送数据,一个Hub连接的区域可能造成冲突,这称为 冲突域。冲突域上接入的设备越多越容易发生冲突,这就需要一定的控制,但是Hub是低层次设备,无法控制,需要交换机或网桥。
    • Bridge – Layer2
      • 根据设备的MAC地址分为两个网段,如果识别到一个Host要发送的信息的接收方和发送Host在一个网段(冲突域),就不需要通过网桥,否则要转发。
      • 一个网桥可以把一个局域网分成不同的冲突域。
    • Switch – Layer2
      • 交换机结合了Bridge和Hub的功能,通过硬件来做帧的识别和转发,接收解码帧和MAC地址,在两个端口间设置临时连接。
      • 交换机可以为每个端口提供充分的带宽。
      • 把网络分成很多很小的冲突域
      • Switch在物理和逻辑上都是 星形 拓扑
    • Router – Layer3
      • 实现不同网段之间的连接和转发
      • 基于网络地址(IP)判断
      • 负责找到网络上目标正确的地址,对报文做合适的转发
    • Devices Functions at Layers
      • Host工作在所有层
      • NIC工作在底三层
      • 路由器工作在第三层
      • 网桥、交换机、电路交换设备工作在第二层
      • 介质、Hub、Repeater工作在第一层
      • 高层设备可以识别低一层数据格式,反过来则不行
      • 路由器和网桥较慢,交换机基于大规模集成电路硬件很快

Week 3

  • UTP双绞线

    • 一类线:语音传输,不传输数据
    • 二类线:语音和最高4Mpbs传输
    • 三类线:语音传输和最高10Mbps数据传输
    • 四类线:语音传输和最高16Mpbs数据传输
    • 五类线:语音和数据传输(主要为100Mbps)
    • 超五类线:比五类线衰减少、串扰少,有更高的信噪比,更小的时延误差
    • 六类线:适用于高于1Gbps应用
    • 七类线:可能用于今后10G比特以太网
  • Straight Cable 直连线

    Straight-through cable is used to connect computers and other end-user devices (e.g., printers) to networking devices such as hubs and switches. It can also be used to directly connect like devices (e.g., two hubs or two switches) if the cable is plugged into an uplink port on one (but not both) of the devices.

  • Rollover Cable 反转线

    Rollover cable (also known as a Yost cable, Cisco cable, or a Console cable) is a type of null-modem cable that is often used to connect a computer terminal to a router’s console port. This cable is typically flat (面条线) (and has a light blue color) to help distinguish it from other types of network cabling.

    • Configuring Devices with Console
      • connect the serial port (com) of computer by using RJ-45-toDB-9 adapter
      • Start up “super terminal”
      • Use “default configurations”
  • Crossover Cable

    • T568-A on one end and T568-B on the other
    • used to:
      • An Ethernet crossover cable is a crossover cable for Ethernet used to connect computing devices together directly. It is most often used to connect two devices of the same type, e.g. two computers (via their network interface controllers) or two switches to each other.
      • connect two or more hubs or switches
      • connect two isolated workstations to create a mini-LAN
  • Signal and Communication Problems

    • propagation 传播
    • attenuation 衰减
    • Reflection 反射
      • caused by discontinuities in the medium
    • Noise 噪声
    • Timing problem
      • 色散、抖动、延迟
  • Collision and Collision Domains 冲突和冲突域

    • A collision occurs when two bits propagate at the same time.
    • Collision domains are extented by adding repeaters
  • Segmenting Collision Domains

    • 第二层设备(网桥等)把一个局域网分为多个冲突域,不是分成多个局域网
  • 数据通信基本知识

    • 数据通信理论基础

      • 基本术语

        • 信号(Signal)
          • 模拟信号(analogous):消息的参数的取值是连续的,模拟信号是随时间变化而平稳变化的连续波形式
            • 简单信号(正弦波)不能被分解为更简单的模拟信号
            • 复合信号可以被分解为多个正弦波(复合信号的分解:傅里叶分析)
          • 数字信号(digital):消息的参数取值是离散的,数字信号是离散信号,可能包含有限的几个预定值
        • 码元(code):在使用时间域(时域)的波形表示数字信号时,代表不同的离散数值的基本波形(若码元有8个单位,每个单位时间可以传输3bits)
      • 信号处理

        • 数字信号一般是非周期的,通常在传输介质上表现为方波

        • 一个数字信号可以分解为无穷个被称为谐波的简单正弦波,每个谐波都具有不同的频率和相位

        • 介质上发送数字信号实质是在发送无穷多的简单谐波

        • 介质本身的限制,信号畸变难以避免

      • 无噪声信道的最高传输速率

        为了避免码间串扰,传输比特率的上限值为:$C=Wlog_2L\ bps$ (W为带宽,L为数据的信号电平的数量)

      • 噪声信道的最高传输速率

        香农提出,信道的极限传输速率为$C=Wlog_2(1+\frac{S}{N})\ bps$

        • W为信道带宽(Hz)
        • S为平均信号功率
        • N为高斯噪声功率
        • S/N为信噪比
        • 只要信息传输速率低于香农极限,就一定有办法无差错传输
        • 编码可以使每个码元可携带的信息更多
      • 比特率和波特率

        • 波特率(baud)和比特率(bit):
          • 波特率(调制速率):信号每秒变化的次数,当用波传输时,波的频率就是波特率
          • 比特率:每秒钟传送的二进制位数
        • 关系
          • 每个信号值表示为3位,则比特率是波特率的3倍;每个信号值表示为1位,则比特率和波特率相同。
    • 数据通信技术

      • 数字数据编码:

        • 基带:基本频带,指传输变换前所占用的频带,是原始信号所固有的频带

        • 基带传输:在传输时直接使用基带数字信号(不转换为模拟信号,即不调制)

          • 基带传输时一种最简单的传输方式,一般低电平表示0,高电平表示1

          • 适用范围:

          • sss

        • 模拟信号传输:调幅(效果最差,最少用),调频,调相

      • 将数字数据转换到数字信号:线路编码

      • 编码方式

        • 单极性编码
          • 原理:0电平0,正电平1
          • 缺点:
            1. 难以分辨一位的开始结束
            2. 发送方和接收方必须时钟同步
            3. 若信号中的“0”和“1”连续出现,信号直流分量将累加,单极性编码的直流分量问题严重
          • 结论:容易产生传输错误
        • 极化编码:
          • 不归零编码(NRZ)
            • 原理:用负电平表示0,正电平表示1
            • 缺点:
              1. 难以分辨一位的结束和另一位的开始
              2. 发送方和接收方必须时钟同步
              3. 尽管不会如单极性编码问题严重,但若信号中的“0”和“1”连续出现,信号直流分量仍将累加
          • 不归零反相编码(NRZ)
            • 原理:信号电平的一次翻转代表比特1,无电平变化表示0
            • 不归零反相编码优于不归零电平编码:由于每次遇到1(或0)都要发生跃迁,因此可以根据电平跃迁进行有限的同步
          • 归零编码(RZ)
            • 原理:用电平表示0,电平表示1,比特中位跳变到0电平,从而提供同步
            • 优点:本身带有同步信息,经济性好,且不容易出错
            • 缺点:需要采用3个不同电平,两次信号变化来编码1比特,因此增加了占用的带宽
          • 曼彻斯特编码
            • 原理:每一位中间都有一个跳变,从低到高表示0,从高到低表示1
            • 优点:克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变既是数据又是时钟,能够自同步,同时只采用两个电平,跳变更少,比RZ码效率更高
          • 差分曼彻斯特编码
            • 原理:
              • 每一位中间跳变:表示时钟
              • 每一位位前跳变:表示数据
                • 有跳变表示0,无跳变表示1
            • 优点:时钟、数据分离,便于提取
        • 双极性编码——双极性传号交替反转码(AMI):
          • 原理:
            • 与RZ相同的是:采用三个电平:正负零
            • 与RZ不同的是:零电平表示“0”, 正负电平的跃迁表示1,实现对1电平的交替反转
          • 优点:
            • 对每次出现的1交替反转,使直流分量为0
            • 尽管连续0不能同步,但连续1可以同步
      • 多路复用

        由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力,为了提高线路利用率,经常让多个信号共用一条物理线路。

        ——————>|—–↘ ↙—–|——————>

        ——————>|复用器 —————— 分解器|——————>

        ——————>|—–↗ ↖—–|——————>

        • 时分复用(Time Division Multiplexing)

          1. 时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用,每个时分复用的用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。
          2. 每一个用户所占用的时隙周期性出现
          3. 时分复用的所有用户在不同时间占有同样的频带宽度
          4. 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不高
        • 统计时分复用(Statistics TDM)

          每个STDM帧中可以服务的数据数量是一定的,各个用户谁先来谁就占用服务,但是每个数据必须携带自己所属的用户信息,会造成一些浪费

        • 频分复用(Frequency Division Multiplexing)

          1. 用户在分配到一定频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带
          2. 所有用户在同样的时间里占用不同的带宽资源(频率带宽)
        • 波分复用

          是频分复用的光传输场景

        • 码分复用(Code Division Multiplexing)

          1. 常用术语是码多分址CDMA(Code Division Multiple Access)
          2. 多用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰
          3. 这种系统发送的信号具有很强的抗干扰能力,其频谱类似于爆噪声,不易被敌人发现

Week 4

  • Layer2: Data Link Layer

    • Data Link Layer provides:

      1. Access to the networking media
      2. Physical transmission across the media
    • Layer 2 protocols (procedures) define:

      1. The format of data exchange on a link (帧)
      2. The action of the two nodes on the link
    • Node:

      Host and router in the network

    • Link:

      channel connects the adjacent nodes

  • LANS and the Data Link Layer

    • Main tasks:

      1. Error notification
      2. Network topology
      3. Flow control
    • Difference between Layer 1 and Layer 2

      1. Layer 1 cannot communicate with the upper-level layers (不能与上层通信的意思是物理层不知道上层给他的信息到底是什么类型,只把信息转为01序列传播,或把01序列转回给上层,而有些2,3层可以看到上层的信息)

        Layer2 does that with Logical Link Control (LLC)

      2. Layer 1 cannot decide which host will transit or receive binary data from a group

        Layer 2 does that with Media Access Control (MAC)

      3. Layer 1 cannot name or identify computers

        Layer 2 uses an addressing (or naming) process

      4. Layer 1 can only describe streams of bits

        Layer 2 uses framing to organize or group the bits

  • Service provided by Layer 2

    • Three services provided to the network layer (by LLC)

      • Connectionless service with no acknowledgement, used on:

        1. Reliable links (upper layers to ensure the data correctness)
        2. Real-time tasks (不用确认,不会堆积数据)
        3. Most of LANS (因为局域网线路质量一般很高)
      • Connectionless service with acknowledgements:

        unreliable link, such as the wireless network (线路质量较高,但不是非常高,上使用)

      • Connection service with acknowledgements (面向连接)

        面向连接类似打电话拨号,必须被拨打的号码接收才能建立线路通话。

  • Media Access Control in Common LANS

    • Ethernet:

      Logical bus topology and physical star of extended star (information flow is on a linear bus, wired as a star)

    • Token Ring:

      logical ring topology and a physical star topology (information flow is in a ring, wired as a star)

    • FDDI (利用光纤) (光纤分布式数据接口):

      Logical ring topology and physical dual-ring topology (information flow is in a ring, wired as a dual-ring)

    • Two broad categories:

      • Deterministic (taking turns)

        Token Ring and FDDI

      • Non-deterministic (probabilistic) (first come, first served)

        Ethernet / 802.3

  • Deterministic MAC protocols

    • A special data token circulates the ring.
    • When a host receives the token, it can transmit data instead of the token. This is called seizing the token.
    • When the transmitted frame comes back around to the transmitter, the station transmits a new token; the frame is removed or stripped from the ring.
  • Non-Deterministic MAC protocols (重要)

    • This MAC protocol is called Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) (载波侦听多路访问)
    • 载波侦听多路访问是一种介质访问控制的协议。载波侦听指任何连接到介质的设备在欲发送帧前,必须对介质进行侦听,当确认其空闲时,才可以发送。多路访问指多个设备可以同时访问介质,一个设备发送的帧也可以被多个设备接收。
    • To use this shared-medium technology, Ethernet allows the networking devices to arbitrate for the right to transmit.
  • LAN Transmission Methods

    LAN data transmissions fall into 3 classifications:

    1. unicast (单播) –a single packet is sent from the source to a single destination on a network
    2. multicast (多播) –consists of a single data packet that is sent to a specific subset of nodes on the network.
    3. broadcast (广播) –consists of a single data packet that is transmitted to all nodes on the network.
  • LAN Standard

    • Define the physical media and the connectors used to connect decives to media.

    • Define the way devices communicate at the DATA LINK LAYER

    • The DATA LINK LAYER defines how data is transported over a physical media.

    • The DATA LINK LAYER also defines how to encapsulate protocol-specific traffic in such a way that traffic going to different upper-layer protocols can use the same channel as it goes up the stack.

    • Data link layer is broken into two parts by IEEE

      • Media Access Control (MAC) (transitions down to media)
      • Logical Link Control (LLC) (transitions up to network layer)
    • MAC sublayer (802.3)

      • Defines how to transmit frames on the physical wire
      • Handles physical addressing
      • *Define network topology *
      • Define line discipline
帧结构

![image-20200311183538933](https://ddch-cos-1258155303.cos.ap-shanghai.myqcloud.com/home/image-20200311183538933.png)

| Preamble    | Dest.add    | Source.add  | Length      | Data         | FCS         |
| ----------- | ----------- | ----------- | ----------- | ------------ | ----------- |
| **8 bytes** | **6 bytes** | **6 bytes** | **2 bytes** | **Variable** | **4 bytes** |

For "Length", Ethernet Ⅱ use "Type" here and does not use 802.2.

**preamble**: Begin with an alternating pattern of 1s and 0s called a preamble. The preamble tells receiving stations that a frame is coming.

**Dest/Source.add**: 

* source address: **always** a unicast address
* destination address: unicast, multicast, or broadcast.

**Length**: length field indicates the number of bytes of data that follow this field and precede the frame check sequence field.

**data**: The data field contains the information you want to send.

**FCS**: FCS field (four bytes) contains a **cyclic redundancy check** value.
  • LLC sublayer (802.2)

    • logically identifies different protocol types and then encapsulates them
    • Use SAP identifier to perform the logical identification
    • The type of LLC frame depends on what identifier the upper layer protocol expects
    • The Logical Link Control (LLC) sublayer manages communication between devices over a single link.
    • LLC is defined in the IEEE 802.2 specification and supports both connectionless and connect-oriented services.
    • A single LLC sub-layer can be compatible with different MAC sub-layers.
    • LLC: Encapsulation:
      1. The LLC takes the network protocol data (packet), and adds more control information to help deliver the packet to its destination.
      2. It adds two addressing components of the 802.2 specification to identify the upper layer protocol at each end:
        • The Destination Service Access Point (DSAP)
        • The Source Service Access Point (SSAP)
      3. This repackaged data then travels to the MAC for further encapsulation of the data.
    • Network Layer ←→ (LLC MAC)≡(Data Link Layer) ←→ Physical Layer
  • Hexadecimal Numbers as MAC Addresses

    MAC addresses are 48 bits and are always expressed as 12 hexadecimal digits.

    MAC地址共48位(6个字节),以十六进制表示。前24位(或6个HEX)由IEEE决定如何分配 (OUI,Organizational Unique Identifier ,由IEEE分配或向其购买) ,后24位(或6个HEX)由实际生产该网络设备的厂商自行指定。

    ff:ff:ff:ff:ff:ff则作为广播地址。

    01:xx:xx:xx:xx:xx是多播地址,01:00:5e:xx:xx:xx是IPv4多播地址。

  • Ethernet 802.3 Broadcast

    ff:ff:ff:ff:ff:ff则作为广播地址。

    广播会不必要地打断,从而严重影响性能。

    因此,仅在以下情况下才应使用广播:目标的MAC地址未知目标是所有主机

  • Ethernet Operation

    以太网是广播网络,也就是说,每个站都可以看到所有帧,而不管它们是否是目的地。

    通过MAC地址判断一个站是否是目的地。

    目标站将数据发送到 OSI 层。 其他节点丢弃帧。

    Steps:

    1. 监听,无堵塞则发送
    2. 发送后如果正好有另外一个主机也在发送,造成堵塞,发送堵塞信号
    3. 设备回退适当的时间,然后重新传输
    4. 每一次遇到堵塞,主机都会增加attempts次数,当其达到某个阈值信息还未正确发送,就会放弃传输

Week 4

  • Wireless LAN

    • Communications based on cells
    • The signals sent by a station can only be received by the stations nearby
    • Short-distance transmission
  • Wireless LAN Standard

    • IEEE 802.11
    • IEEE 802.11b
    • IEEE 802.11a
    • IEEE 802.11g
    • IEEE 802.11n
  • IEEE 802.11

    • A key technology: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
    • DSSS applies to wireless devices operating within a 1 to 2 Mbps range.
    • DSSS may operate at up to 11 Mbps but will not be considered compliant above 2 Mbps (理论最该11Mpbs,但现实不会超过2Mpbs)
    • Also called Wi-Fi™
  • IEEE 802.11b

    • It increased transmission capabilities to 11 Mbps
    • All 802.11b systems are backward compliant in that they also support 802.11 for 1 and 2 Mbps data rates for DSSS only
    • Achieves higher data throughput rate by using a different coding technique from 802.11
    • Operate within 2.4 GHz
  • IEEE 802.11a

    • Covers WLAN devices operating in the 5 GHz transmission band.
    • Using the 5 GHz
    • 802.11a is capable of supplying data throughput of 54 Mbps and with proprietary technology known as “rate doubling“ has achieved 108 Mbps.
    • In practice, a more standard rating is 20-26 Mbps.
    • 不向后支持802.11b
  • IEEE 802.11g

    • provides the same throughout as 802.11a (54Mbps) but with backwards compatibility for 802.11b
    • using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (正交频分复用)
  • IEEE 802.11n

    • provide double bandwidth than 802.11g, that is, 108Mbps, and theoretically up to 500-600Mbps
  • Infrastructure Mode

    image-20200311193704530

    • 一个基本服务集BSS包含一个基站 (BS) **和多个无线主机**。所有主机可以通过本地BSS与其他主机进行通讯。
    • Infrastructure Mode 中 AP (Access Point) 作为一个基站
      • 无线接入点(英语:Wireless Access Point,缩写WAP)是电脑网络中一种连接无线网络至有线网络(以太网)的设备,又称为无线基站。它通常作为一个单独设备,并通过有线网络连接到路由器,也能与路由器集成在一起。漫游则是数个无线接入点运行,将发送的数据由一个接入点连至到另一接入点使该无线网络扩大;反之整个无线网络若没有任何接入点就会成为一个点对点的ad-hoc网络。无线接入点亦具有DHCP之动态配置IP地址功能。
      • When an AP is installed, a Service Set Identifier(SSID) and a channel are assigned
      • The range of the cell will be from 91.44 to 152.4 meters (300 to 500 feet)
    • A BSS can connect to another BSS via a Distribution System(DS), and constructs an Extended Service Set (ESS)
  • 当客户端在 WLAN 中被激活时,它会开始“监听”一个兼容的设备,与之“关联”,这被称为“扫描”

    • Active scanning
    • Passive scanning
  • Active Scanning

    • Cause a probe request to be sent from the wireless node seeking to join the network. (探查请求从寻求加入网络的无线节点发出)
    • The probe request will contain the Service Set Identifier (SSID) of the network it wishes to join(探测请求将包含它希望加入的网络的服务集标识符(SSID))
    • When an AP with the same SSID is found, the AP will issue a probe response(当找到具有相同SSID的AP时,该AP将发出探测响应)
    • The authentication and association steps are completed. (认证和关联步骤完成。)
  • Passive Scanning

    • Listen for beacon management frames (beacons), which are transmitted by the AP (infrastructure mode) or peer nodes (ad hoc) (侦听由AP(infrastructure mode)或对等节点(ad hoc)发送信标管理帧(beacons, beacon management frames)。)

    • When a node receives a beacon that contains the SSID of the network it is trying to join, an attempt is made to join the network. (当节点接收到包含要尝试加入的网络的SSID的信标时,将尝试加入该网络。当节点接收到包含要尝试加入的网络的SSID的信标时,将尝试加入该网络。)

    • Passive scanning is a continuous process and nodes may associate or disassociate with APs as signal strength changes. (被动扫描是一个连续的过程,并且随着信号强度的变化,节点可能会与AP关联或分离。)

    • Beacon Management Frames (Beacons):

      Beacon frame is one of the management frames in IEEE 802.11 based WLANs. It contains all the information about the network. Beacon frames are transmitted periodically, they serve to announce the presence of a wireless LAN and to synchronize the members of the service set. Beacon frames are transmitted by the access point (AP) in an infrastructure basic service set (BSS).

  • Frames in WLAN

    WLAN不使用802.3标准帧

    三种帧:

    1. Control Frames
    2. Management frames
    3. Data Frames (只有数据帧与802.3帧相似)

    无线数据帧和802.3帧的有效载荷(payload)为1500字节,然而,以太帧不能超过1518字节,而无线帧可以大到2346字节。但通常 WLAN 帧的大小将被限制为1518字节,因为它最常被连接到有线以太网

  • 802.11 WLAN 数据帧

    image-20200312110059672

    802.11数据帧有四个地址字段,地址4用于自组网络

    去往AP 来自AP 地址1 地址2 地址3 地址4
    0 1 目的地址(可能是远端的最终目的地址) AP地址 (途径的发送AP) 源地址 (可能是远端的最初发送地址)
    1 0 AP地址 源地址 目的地址

    image-20200312110609912

  • Why We Need CSMA/CA

    无线局域网中可能会发生冲突,但站点只能知道附近的传输情况,因此 CSMA/CD 不是一个好的选择,从而需要CSMA/CA

    • Hidden Station Problem

      当 a 向 b 传输数据时,c 无法检测到 a 和 b 之间的传输,因此 c 可能决定向 b 传输数据,从而在 b 处发生冲突。

    • Exposed Station Problem

      当 b 向 a 传输数据时,c 可以检测到传输,因此 c 不会向 d 传输数据。 但这是一个错误。

      因为无线局域网WLAN不是总线结构,所以可以多路传输,而不是一次只能一路在传输。

  • Multiple Accessing Mechanism

    • 以太网

      信号通过电缆传送到所有的站点。发送主机检测是否有冲突。一次只能在信道上传输一个有效的帧。

    • 无线局域网

      信号被传送到电缆上靠近发送站的站点。MAC 协议必须尽最大努力确保只有一个靠近接收站的发送站。接收站检测到碰撞。一次可以在信道上传输多个有效帧。

  • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) (载波侦听多路访问/碰撞避免)

    发送站点在发送数据前,以控制短帧刺激接收站点发送应答短帧,使接收站点周围的站点监听到该帧,从而在一定时间内避免数据发送 。

    过程:

    1. A向B发送RTS(Request To Send)帧,A周围的站点在一定时间内不发送数据,以保证CTS帧返回给A;
    2. B向A回答CTS(Clear To Send)帧,B周围的站点在一定时间 内不发送数据,以保证A发送完数据;
    3. A开始发送;
    4. 若控制帧RTS或CTS发生冲突,采用二进制指数后退算法等待随机时间,再重新开始。

    image-20200312200519224

    image-20200312200858983

  • 实际吞吐量

    当源节点发送一个帧时,接收节点返回一个肯定的确认(ACK)。这可能导致消耗50% 的可用带宽。这将标称11Mbps的802.11b无线局域网实际数据吞吐量降低到最高5.0-5.5 Mbps。

    网络的性能会受到信号强度的影响,当信号变弱时,可以调用自适应速率选择(Adaptive Rate Selection,ARS)。传输单元将把数据传输速率从11 Mbps 降至5.5 Mbps,从5.5 Mbps 降至2 Mbps 或2 Mbps 降至1 Mbps。

  • 第二层设备

    1. NICS 网卡,提供以下功能

      • LLC Logical Link Control - 与主机的上层通讯
      • MAC Media Access Control - 提供对共享访问媒体的结构化访问
      • 命名 - 提供一个唯一的 MAC 地址标识符
      • 封装帧 - 封装过程的一部分,为传输封装bits
      • 发送信号 - 使用内置的收发器创建信号和与媒体的接口
    2. 网桥

      • 网桥根据 MAC 地址(而不是协议)将流量分段并过滤流量。
      • 网桥可以通过减少大的冲突域来提高网络性能。
      • 当网络的一个部分到另一个部分的流量很低时,网桥工作得最好。
      • 当网络段之间的流量巨大时,网桥可能成为一个瓶颈并减缓通信。

      image-20200312202829411

      • 透明网桥

        透明网桥会动态学习MAC Table,从而判断设备在哪各网段,哪个网段有哪些设备。

        问题:当网络上的设备想要发送数据,但不知道目标地址时,会向网络上的所有设备发出广播。由于网络上的每个设备都必须注意这种广播,网桥总是转发它们。 过多的广播可能会导致广播风暴,并且可能导致:网络超时通信减慢的速度低于可接受的性能

    3. 交换机

      • 交换数据帧:在输入介质上接收一帧,然后传送到输出介质
      • 交换操作的维护:交换机建立和维护交换表,并搜索循环。 路由器构建并维护路由表和交换表。
      • 交换是一种通过减少流量增加带宽来缓解以太网局域网拥塞的技术。 交换机创建专用的网络段或点对点连接,并将这些段连接到交换机内的虚拟网络中。 这被称为虚拟电路,因为它只在两个节点需要通信时才存在,并且建立在交换机内部。你可以把每个交换机端口看作一个微桥,这个过程被称为微分段。每个交换机端口为每个主机提供介质的全部带宽
      • 交换机通过硬件实现,网桥通过软件实现,交换机效率高得多。
      • 局域网交换减小了冲突域的大小
      • 但是,所有连接到交换机的主机仍然在同一广播域。也就是说,来自一个节点的广播仍然会通过局域网交换机广播到所有其他节点。
      • 没有交换机时,由于 CSMA/CD 的存在,共享以太网网络的容量保持在全容量的30-40% 以下时性能最好。
      • 有些交换机支持直通交换 (cut-through switching) ,可以减少延迟和延迟,而网桥只支持存储-转发交换 (store-and-forward switching) 。
  • Router Segmentation of a Collision Domain (路由器不是第二层设备,是第三层设备)

    路由器可以创建最高级别的网络分段:

    • 创建较小的冲突域
    • 创建较小的广播域::路由器不转发广播,除非编程这样做。

    路由器通过检查数据包上的目的地逻辑地址来实现数据包的转发,然后查看它的路由表来寻找转发指令。

    路由器可以作为网关: 用于连接不同的网络媒体和不同的局域网技术。

    因为路由器比桥接器执行更多的功能,所以它们具有更高的延迟速率

Week 5

  • OSI Layer 3: Network Layer

  • 责任

    • Move data through networks
    • Use a hierarchical addressing scheme (opposed tp MAC addressing, which is flat)
    • 区分网段,区分广播域(第二层设备不能区分广播域),控制流量流动
    • 减少堵塞

    IP屏蔽下层介质数据帧

    • IP协议可以屏蔽下层不同介质的不同帧的区别来无差别传输
  • 第三层设备

    • 路由器
      1. 跨网段/网络传输
      2. 根据IP地址划分网段
      3. 决定最佳路径
      4. 转发报文
  • 第三层数据报

    第三层数据报

    • 版本:占 4 bit,指IP协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)

    • 首部长度:占 4 bit,可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节) 因此 IP 的首部长度的最大值是60字节。

    • 服务类型:占 8 bit,用来获得更好的服务这个字段以前一直没有被人们使用

    • 总长度:占 16 bit,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 bit, 它是一个计数器,用来产生数据报的标识。

    • 标志(MF,DF):占 3 bit,最高位为0 MF为0表示最后一个分片

    • 片偏移:(12 bit)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。

      分片举例

      总长度 标识 MF DF 片偏移
      原始数据报 3800 12345 0 0 0
      数据报片1 1400 12345 1 0 0/8=0
      数据报片2 1400 12345 1 0 1400/8=175
      数据报片3 1000 12345 0 0 2800/8=350

      MF是More Flag,标识是否还有下一个分片,0表示是最后一个分片

      DF是Don’t Flag,0表示分片,1表示不分片

    • 生存时间(TTL,Time To Live):数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。

    • 协议(TCP、UDP等):(8 bit)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议,以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程

    • 首部检验和:(16 bit)字段只检验数据报的首部 不包括数据部分。 这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。

      image-20200316173447143

    • 源地址和目的地址都各占 4 字节

  • IP地址

    • 长度为32bits
    • 它们以点分十进制格式表示为四个八字节,如106.15.88.1
    • IP地址包含两个部分:1. 网络ID 2. 主机ID

    image-20200316175333277

  • 不同的类地址为地址的网络部分和主机部分保留不同数量的位

    Class A N H H H
    Class B N N H H
    Class C N N N H

    image-20200316175621153

  • 主机的数量

    • 最大主机数量
      1. Class A $1677,7214$ or $2^{24}-2$
      2. Class B $6,5534$ or $2^{16}-2$
      3. Class C $254$ or $2^8-2$
    • 每个网络中的第一个地址都保留用于该网络地址,最后一个地址是为广播地址保留的。
  • Network Address

    • An IP address that ends with binary 0s in the host part of the address
    • Class A network address example: 113.0.0.0
    • Hosts on a network can only communicate directly with other hosts if they have the same network ID.
  • Broadcast Address

    • is used to send data to all of the devices on a network.
    • Broadcast IP addresses end with binary 1s in the host part of the address.
    • Class B broadcast address example: 176.10.255.255 (decimal 255 = binary 11111111)
  • IP Addressing

    • Class A:
      • 99.0.0.0: a reserved network number
      • 99.255.255.255: a broadcast number
    • Class B:
      • 156.1.0.0: a reserved network number
      • 156.1.255.255: a broadcast number
    • Class C:
      • 203.1.17.0: a reserved network number
      • 203.1.17.255:a broadcast number
  • 规划的内网IP

    10.0.0.0 ~ 10.255.255.255

    172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

    192.168.0.0 ~ 192.168.255.255