ncp计算机网络,计算机网络（待完成）

原本想等到写完才发出来的，但是太多了，只好每天写一点点咯

目录

1.1

1.2 计算机的性能指标

1.3

待解决的问题。

1.网络为啥要分层？

2.分层的原则是什么？

3.每一层含义和作用？

4.列举一次网络传输经过的层级？

5.同一层的协议如何识别?

1.为什么要分组传输？

2.什么叫IMP?

3.IMP的点点信道的拓扑结构有几种？为什么要这么设计?

4.IMP共享广播信道?

1.2计算机的性能指标

1.2.1 速率

又称 数据率，代表数据的传输速率，也就是每秒传输的bit量。

注意：数据率不代表传播速率

1.2.2 带宽

上限速率

1.2.3 吞吐量

单位时间内通过某接口的实际数据量， 速率可以解释为是一秒的吞吐量。

1.2.4 时延

1.2.4.1 不同的时延

发送时延

主机或路由发送数据帧所需要的时间。

发送时延 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)

传播时延

数据在信道上经过的时间。

传播时延 = 信道长度(m) / 信道传播速率(m/s) (注意两个单位速率单位不同)

处理时延

主机或路由收到消息处理的时延。(解析首部、校验、查找路由)。

排队时延

分组转发需要排队等待的时延。

总时延计算

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

1.2.4.2 例题

题1：

试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传送的报文共x(bit)。从源站到目的站共经过后段链路，每段链路的传播时延为d(s)，数据率为b(b／s)。在电路交换时电路的建立时间为s(s)。在分组交换时分组长度为p(bit)，且各结点的排队等待时间可忽略不计。问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路交换的要小?

解答:

电路交换：kd + x/b + s ，电路交换的特点是不需要路由器去转发分组，所以节点发送时延可以忽略。

分组交换：kd + x/b + (k-1)p/b ，这里我们可以理解成一个运行的火车，当最后一节通过时，整个火车通过。 而这个 + (k-1)p/b ，可以解析为，当数据全部发送完，最后一分组在线路中运行时间。

所以我们可以得出结论，当 s > (k-1)p/b时，分组交换的时延比电路交换的要小。 所以我们提高数据率和降低节点能够降低分组交换的时延(注意，如果分包越多，处理时延就越大，这里忽略处理时延，所以看不出来。所以降低分包长度，并不一定能降低总时延)

题2：

在上题的分组交换网中，设报文长度和分组长度分别为x和(p+h)(bit)，其中p为分组的数据部分的长度，而h为每个分组所带的控制信息固定长度，与p的大小无关。通信的两端共经过k段链路。链路的数据率为b(bit/s)，但传播时延和结点的排队时间均可忽略不计。若打算使总的时延为最小，问分组的数据部分长度p应取为多大？

解答：

这道题的最坑的在于这个刚开始的发送时延怎么计算。

发送时延： (p+h)/b * (x/p)

全部节点发送时延：k * (p+h)/b

总时延：D=(p+h)/b * (x/p) + (k-1) * (p+h)/b

//TODO 这个式子怎么算的，完全布吉岛

1.2.5 时延带宽积

时延带宽积 = 总时延 * 带宽

意义：主要是来衡量整个链路中的流量

1.2.6 返回时间RTT

主要来确定一个有效数据率，如TCP你发送一个包就必须ACK一次，比如这个包100Kb，传送用了10s，返回时间用了1s，那么这个有效数据率就是：100*1024 * 8 /(10+1)

1.2.7 利用率

公式：D=D0/1-U (其中D 表示当前时延，D0表示网络空闲时延，U表示利用率)

(这个可以反映出，利用率越高时延也就越大)

3 数据链路层

可以看出，边缘需要解析5层协议，而核心只需要解析3层协议就够了，因为只需要解析出ip，就知道如何传输了。

//TODO 数据链路层是干嘛的？

可以通过图上，大概查出，物理链路层主要研究链路上如何保证正常通信，以及信道的通信方式。

3.1 链路层基本概念

链路 ： 结点和相邻结点间的一段物理线路(有线或无线)。

数据链路 = 通讯协议(规程)(网卡实现) + 物理链路

帧：数据链路层数据，每传一次，我们称为帧，帧就是链路层协议单元。

3.2 基本步骤

将网络层的ip数据包封装成帧。

将帧发送到链路上。

接受帧并取出其中的IP数据报交给网络层。

3.3 三个基本问题

3.3.1 如何将数据封装成帧？

首部：SOH (start of header)

尾部：EOT (end of transmission)

最大传送单元：MTU(Maximum Transfer Unit)注意：指不包括首部和尾部的ip数据报。

首部和尾部一般作用是定界符，但不仅限于此，而ETU则一般出于效率和占用链路的时间考虑，原则上，出于传输效率上考虑，数据报部分应该尽可能大于首部加尾部的长度。

定界符的几种常见方式与选择：

方案

优点

缺点

SOH

需要转义、包含字符少

1.SOH字符转义，2.无法做校验

SOH+length

1. 可做校验 2. 需要转义字符少

1.SOH字符需要转义 2. length的占用的字节不确定

SOH+EOT

1. 可做校验 2. 占用字节稳定

1.SOH、EOT字符需要转义

3.3.2 透明传输？

1. 传输就传输，为啥要讲透明传输，那什么是不透明传输？

因为首部或者尾部的数据可能会出现重合，那么就不可以传输这些特殊字符，这就是不透明传输，比如出现了EOT相同的字符，链路层就会错误的找到边界。

2. 如何解决不透明传输

我们可以类比java处理字符串中引号问题，在java中，我们加入了转义字符 \ ，来处理字符串中的特殊字符，那么在解决透明传输上，我们也可以参考这种办法。

字符填充法：

我们装帧的数据部分里面的 "SOT"、"EOT"前面加上"ESC"作为转义符，我们取帧时，去掉"ESC"字符。

这里可能数据部分里面也有"ESC"字符，我们可以在"ESC"字符前再加上"ESC"字符。

3.3.3 差错校验

现实的链路并不理想，在比特传输过程中可能由1变成0，也可能有0变成1，这种差错叫比特差错。目前在物理链路层，广泛采用循环冗余校验(CRC)的校验技术。

循环冗余校验(CRC)：

假定帧的数据部分长度为k，假定待传数据为M 。

CRC运算就是在数据M后面添加冗余码n，即发送长度为 (k + n)。发送的双方事先商定好(n+1)位的除数P(这个P我们有相关规范)，用M采用MOD2除法除以P，得出商为Q而余数为R(商没用)，这个余数R就拼接到M后面一起发出去。我们称这个要拼接的余数为 FCS(Frame Check Sequence)帧校验序列， 而接受方，使用除数P看是否可以采用MOD2整除(M+R)来判断是否成功交换。

举个栗子：

我们现在帧的数据M = 101001 ，我们约定好除数是P = 1101 (说明n=3)，那么如何得到完整数据?

首先得到长度 使用模2乘法： 2^n * M，实际上就是在M后面添上n非0，得到新的M (101001000)

M : 1 0 1 0 0 1

2^n : 1 0 0 0

---------------------

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

1 0 1 0 0 1

---------------------------------

1 0 1 0 0 1 0 0 0

使用模2运算，将得到的新M除以P，得到商(110101)，余数 (001)

1 1 0 1 0 1

____________________________________

1101 √ 1 0 1 0 0 1 0 0 0

1 1 0 1

-----------------

0 1 1 1 0

1 1 0 1

---------------------

0 0 1 1 1 0

1 1 0 1

---------------------

0 0 1 1 0 0

1 1 0 1

-------------

0 0 0 1

将新的M (101001000)或上 余数R(001)最终获得发送的数为 ：101001001。

接收端处理

客户端收到信息后：对每一帧都用模2运算除以相同的除数P，看余数是否为0。(如果出现误码余数为0的概率很小)

如果余数为0：就帧没有误差，如果出现异常。

如果余数不为0：说明帧存在误差，直接丢弃。

除数P的表示：

除数P可以用P(X)来表示，其中多项式P(X)被称为生成多项式。

例如，上面除数P=1101可以表示P(X) = X^3 +X^2+1

目前常用的多项式有：

3.4 可靠运输和不可靠运输

3.4.1 比特差错与传输差错。

传输常见差错可分为：比特差错、传输差错。

比特差错：接受的帧和原发送帧的数据不一致。

传输差错：

帧丢失、帧重复、帧失序

1)帧丢失：[#1]，[#3]

2)帧重复：[#1]，[#2]，[#2]，[#3]

3)帧失序：[#1]，[#3]，[#2]

所谓的无比特差错运输就是指传输中干掉了比特差错，目前我们通过CRC仅能做到对帧无比特差错接受，即凡是接受端数据链路层接受到的帧，我们都认为这些帧在传输过程中无差错，但是这并不代表可靠运输

3.4.2 什么是可靠传输，如何做到以及优缺点和场景

介绍：

简单的说，可靠传输就是干掉比特差错和传输差错。

如何做到：

即在无比特差错传输的基础上加上"帧编号","确认","重传机制"，来确保可靠传输。

优缺:

但是我们可以看出，多加了3种机制，可以保证帧的传输不出差错的同时，意味着通讯效率的降低。

场景:

可以看出：

1.可靠运输的场景适用于通讯质量较差线路，容易出现帧丢失、帧重复、帧失序等问题。

2.不可靠运输的场景适用于通讯质量较好的线路

3.4.3 互联网的普遍的传输

事实上当前互联网采用一种贪心策略。

即：

对于通信质量良好的链路，我们不做确认和重传，即做无比特差错传输，将可靠性传输的任务交给传输层来做(如TCP),

对于通讯质量差的链路，采用确认和重传，向上提供可靠传输服务。

3.5 点对点协议 PPP

PPP是目前使用最广泛的数据链路层协议，不管是低速的拨号猫连接还是高速的光纤链路，都适用PPP协议。

因特网用户通常都要连接到某个ISP 才能接入到因特网。 PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。 ISP使用PPP协议为计算机分配一些网络参数(如IP地址、域名等)。

3.5.1 特点

简单：

对数据链路层的帧不需要确认、重传、序号，提供不可靠数据服务。(由传输层如TCP来做可靠校验)

为什么PPP协议简单？

由于不管是核心部分还是边缘部分，都会解析链路层协议，所以尽可能的将链路层协议写简单，这样解析快。可以将复杂的部分放入传输层协议(如TCP)来处理。

大致流程：

接收方接受到一个帧，对帧进行CRC校验，如果校验通过就收下这个帧，反之丢弃。

支持多种网络协议

如IP、IPX。(向上兼容)

支持类型链路

串行、并行、同步、异步、光信号、电信号(向下兼容)

检查连接状态

隔几分钟就发心跳包。

主要用于那些出现故障，隔了一段时间又恢复的链路。

网络层地址协商

//TODO

数据压缩协商(不做强制规定，未进入标准化)

如出现连续出现80个1，我们就压缩这个80个1，用过标志符表示80个1， 反正有很多压缩方法。

7.PPP协议仅支持点对点链路通信，不支持多点线路(一个主站轮流和多个从站通信)

8.PPP协议仅支持全双工链路。

3.5.2 协议组成

3.5.3 帧组成字段

字段F ：为标识首部或尾部

字段A：地址字段，OXFF(无用，在PPP协议中可以去掉)

字段C：控制字段，OxO3(无用，在PPP协议中可以去掉)

字段协议：协议字段，占2个字节，相当于一个Type，标识PPP帧信息部分类型，其中 0x0021标识PPP帧就是IP数据报，若为0xC021标识PPP帧信息部分为链路控制协议LCP的数据，而0x8021标识标识PPP帧信息部分为网络控制协议NCP数据。

信息部分：可以是ip数据包，也可以是LCP或NCP的控制协议，最大为MTU。

FCS：2个字节，推测为CRC16的校验码

3.5.4 异步传输和同步传输

3.5.5 字节填充

当采取异步传输时，PPP协议选取字节填充。

将每一个0x7e转换成0x7d,0x5e

将每一个0x7d转换成0x7d,0x5d

将每一个小于0x23的字符前面加上0x7d

3.5.6 比特填充

当采取同步传输时，PPP协议采取比特填充。

对帧的数据部分中，每5个连续的1，后面添加一个0，这么做主要是，防止0x7e出现。

然后在接受端，每5个连续的1后面减少一个0。

3.5.7 PPP协议的工作方式

PPP链路的初始化：

用户拨号，建立一条从个人主机到ISP的物理链路。

个人主机向ISP发送链路控制协议LCP分组，建立LCP连接。(这些分组和响应决定了将要使用的一些PPP参数，如 是否使用PPP协议的地址和控制字段)

待成功建立LCP连接后，接着进行网络层配置，NCP协议给个人主机分配一个临时IP，此时用户个人电脑就成为互联网上一个有IP地址的主机了。

3.6 习题

LCP包括哪些功能？

封装成帧、透明传输、差错校验、连接状态检测。