计算机网络课程笔记

概论

什么是网络 -> 网络长什么样 -> 网络怎么分类 -> 怎么设计复杂的网络(分层) -> 怎么衡量网络好坏。

计算机网络的组成与功能

• 定义：多个独立的计算机通过通信线路和设备互连，实现信息交换和资源共享的系统。
• **三大功能 **
  1. 数据通信 (核心功能)
  2. 资源共享 (硬件、软件、数据)
  3. 分布式处理 (提高可靠性、负载均衡)
• 逻辑组成
  • 通信子网 负责数据的传输和转发。
    • 包括：通信节点（路由器、交换机）、通信链路。
  • 资源子网 负责信息处理，向用户提供资源。
    • 包括：主机（Host）、终端、软件资源。

网络的拓扑结构

各种拓扑的优缺点（常见选择题考点）：

1. 网状 两两相连。可靠性高，但造价高、管理复杂。通常用于广域网核心。
2. 星状 有中央控制器（Hub/Switch）。结构简单、易管理，但中央节点是瓶颈（单点故障）。局域网最常用。
3. 总线型 一根线串联。结构简单、省线，但故障隔离困难（断一处全网瘫痪），且需解决冲突问题。
4. 环状 令牌环网。时延确定，但延时大。
5. 树状 星状的扩展，易于扩展范围。

网络的分类

• 按覆盖范围
  • PAN (个域网): 10米内 (蓝牙)。
  • LAN (局域网): 1km内，高带宽，低延迟 (校园网、办公楼)。
  • MAN (城域网): 城市范围。
  • WAN (广域网): 几十到几千公里 (Internet的核心部分)。
• 按工作模式
  • C/S (客户机/服务器): 也就是Client/Server。服务集中，从Server获取资源。
  • P2P (对等网): 没有固定的服务器，每个节点既是Client也是Server（如下载软件BitTorrent）。

网络分层体系结构

这是本章最重要的理论部分。

• 为什么分层？ 化繁为简 (Divide and Conquer)。
• 协议三要素
  1. 语法 数据格式、电平结构（怎么写）。
  2. 语义 做什么控制、动作（做什么）。
  3. 时序 顺序、速度匹配（什么时候做）。
• OSI 七层模型
  1. 物理层 (Physical): 传输比特 (Bit)。涉及机械、电气特性。
  2. 数据链路层 (Data Link): 传输帧 (Frame)。相邻节点可靠传输、差错控制、MAC地址。
  3. 网络层 (Network): 传输分组/包 (Packet)。路由选择、拥塞控制、IP地址。
  4. 传输层 (Transport): 传输报文 (Message/Segment)。端到端通信、进程间通信、流量控制 (TCP/UDP)。
  5. 会话层 (Session): 建立维护会话。
  6. 表示层 (Presentation): 数据格式转换、加密、压缩。
  7. 应用层 (Application): 为用户提供服务。
• TCP/IP 模型： 事实上的工业标准。通常分为4层（应用层、传输层、网络层、网络接口层）或5层（加上物理层）。
• 数据封装与解封装
  • PDU (协议数据单元) = SDU (服务数据单元) + PCI (协议控制信息/Header)
  • 发送方：层层加头 (Encapsulation)。
  • 接收方：层层去头 (Decapsulation)。
  • 数据每下一层，就包上一层信封（Header）；到了接收端，每上一层，就拆掉一层信封。
• 协议 & 服务:
  • 协议 (Protocol): 水平的。控制对等实体（如主机A的传输层和主机B的传输层）之间的通信规则。
  • 服务 (Service): 垂直的。由下层向上层通过接口（SAP）提供。上层使用下层的服务，但不知道下层怎么实现的（透明性）。

网络互连设备

不同层次对应的设备：

• 物理层：中继器 (Repeater)、集线器 (Hub)。
• 数据链路层：网桥 (Bridge)、交换机 (Switch)。
• 网络层：路由器 (Router)。
• 高层：网关 (Gateway)。

网络性能指标与计算

• 速率/带宽: 单位是 bps (bit per second)。注意：在存储中 $1K=2^{10}=1024$，但在通信速率中 $1K=10^3=1000$。

• 时延的四个组成部分

  $$总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 排队时延 + 处理(访问)时延$$

  1. 发送时延

     $$发送时延 = \frac{数据块长度 (\text{bit})}{发送速率 (\text{bit/s})}$$

     含义： 机器把数据推到线路上需要的时间。受网卡速度影响。

  2. 传播时延

     $$传播时延 = \frac{信道长度 (\text{m})}{电磁波在信道上的传播速率 (\text{m/s})}$$

     含义： 数据在线路上跑需要的时间。受距离和介质影响（光纤/铜线通常取 $2\times10^8 \text m/\text s$ 或 $200\text m/\mu\text s$）。

  3. 排队时延 & 处理时延: 通常会直接给出，或者忽略不计。

• 例题

  • 题1: 100米距离，计算传播时延。

    $$\text{Time} = \frac{100 \text m}{200m/\mu \text s} = 0.5 \mu \text s$$

  • 题2: 10Mbps速率，发送5000B (Bytes) 文件。注意单位换算！ Byte 转 bit。

    $$\text{Time} = \frac{5000 \times 8 \text{ bits}}{10 \times 10^6 \text{ bits/s}} = \frac{40000}{10000000} = 0.004\text s = 4\text{ms}$$

数据通信基础

数据通信系统

五大组成部分

1. 信源 (Source): 产生数据（如PC）。
2. 发送设备 (Transmitter): 编码/调制（如Modem），将数据转为信号。
3. 传输系统 (Transmission System): 线路或网络。
4. 接收设备 (Receiver): 解调/解码。
5. 信宿 (Destination): 接收数据。

核心术语

• 数据 (Data): 运送信息的实体。
• 信号 (Signal): 数据的电气或电磁表现。
• 信道 (Channel): 信号传输的通道。
• 比特率 (Bit Rate): 每秒传输的比特数 ($\text{bps}$)。
• 波特率 (Baud Rate): 每秒传输的码元（信号状态）数 ($\text{Baud}$)。

信号和数据编码

包含两大定理和多种编码方式。

信号基础与两大定理

• 奈奎斯特 (Nyquist) 准则 (无噪声环境):
  • 公式: $C = 2H \times \log_2 N$
  • 含义: $C$ 是最大数据传输率(bps)，$H$ 是信道带宽(Hz)，$N$ 是一个码元所能携带的离散状态数（比如有4种电压值，N=4）。
• 香农 (Shannon) 定理 (有噪声环境):
  • 公式: $C = H \times \log_2(1 + S/N)$
  • 含义: $S/N$ 是信噪比（功率比）。
  • 分贝 (dB) 换算: 题目通常给dB，必须先换算成数值比。

    $$\text{dB} = 10 \times \log_{10}(S/N)$$

    例如： $30dB \implies 10 \log_{10}(S/N) = 30 \implies \log_{10}(S/N) = 3 \implies S/N = 10^3 = 1000$。
    • 例题: 带宽3kHz，信噪比30dB。
    • 先算S/N=1000，带入公式 $C = 3000 \times \log_2(1+1000) \approx 30kbps$。

编码技术

• 数字 -> 数字编码
  • 单极性: 高电平1，低电平0。缺点：有直流分量，难同步。
  • 非归零 (NRZ): 也就是电平翻转。
  • 双相位编码 (Bi-phase):
    • 曼彻斯特编码 (Manchester): 每一位中间都有跳变。
      • 定义: 负$\to$正 = 0，正$\to$负 = 1。（不同教材定义可能相反）。
    • 差分曼彻斯特 (Differential Manchester): 位中间跳变仅用于同步。
      • 规则: 每一位开始处，有跳变 = 0，无跳变 = 1。

• 数字 -> 模拟编码
  • ASK (幅移): 调幅度。抗干扰差。
  • FSK (频移): 调频率。抗干扰优于ASK。
  • PSK (相移): 调相位。
  • QAM (正交调幅): 结合幅度+相位。效率最高。
  • 重要公式 (Slide 40): $S = B \times \log_2 N$
    • $S$: 比特率，$B$: 波特率，$N$: 码元状态数（例如16-QAM，N=16）。
• 模拟 -> 数字编码 (PCM) (Slides 51-53):
  • 过程: 采样 (Sampling) $\to$ 量化 (Quantization) $\to$ 编码 (Encoding)。
  • 采样定理: $f_{采样} \ge 2 \times f_{信号最高频率}$。

线路配置与传输方式

• 通信模式:
  • 单工: 单向（如广播）。
  • 半双工: 双向但不能同时（如对讲机）。
  • 全双工: 双向且同时（如手机）。
• 同步 vs 异步:
  • 异步: 一次传一个字符，带起始位/停止位。效率低，适合低速。
  • 同步: 一次传一帧，需要时钟同步。效率高。

多路复用技术

• FDM (频分复用): 分割带宽频率，用于模拟信号。
• TDM (时分复用): 分割时间片，用于数字信号。
  • 同步TDM: 固定分配时间片，轮询，可能浪费。
  • 异步/统计TDM: 按需分配，需要发带地址信息，利用率高。
• WDM (波分复用): 光纤上的FDM，不同波长的光。
• CDMA (码分复用): (计算题高频考点)
  • 原理: 不同用户使用正交的码片序列 (Chip Sequence)。
  • 规则: 发送1发原码，发送0发反码（补码）。
  • 计算: 接收方想听谁的数据，就用收到的总信号与该用户的码片序列做内积 (规格化内积)。
    • 结果 = 1 $\to$ 发送了1
    • 结果 = -1 $\to$ 发送了0
    • 结果 = 0 $\to$ 未发送数据

数据交换技术

比较三种交换方式。

1. 电路交换 (Circuit Switching):
   • 特点: 建立独占物理通路 (建立$\to$传输$\to$拆除)。
   • 优点: 实时性好，传输时延小。
   • 缺点: 建立时间长，线路利用率低。
2. 报文交换 (Message Switching):
   • 特点: 存储转发 (Store and Forward)。整个报文一起传。
   • 缺点: 时延大，对中间节点缓存要求高。
3. 分组交换 (Packet Switching):
   • 特点: 报文切小块（分组），存储转发。
   • 优点: 线路利用率高，适合突发数据。
   • 分类:
     • 数据报 (Datagram): 无连接，每个包独立路由，可能乱序。
     • 虚电路 (Virtual Circuit): 逻辑连接，保序，包括SVC(交换)和PVC(永久)。

错误检测和控制

• 基本概念: 检错 vs 纠错。码距 (Hamming Distance)。
  • 检错 $d \ge D+1$；纠错 $d \ge 2C+1$。
• 奇偶校验 (Parity):
  • 奇校验: 加上校验位后，1的个数为奇数。
  • 偶校验: 加上校验位后，1的个数为偶数。
• CRC (循环冗余校验):
  • 步骤:
    1. 给定生成多项式 $G(x)$，最高次幂为 $m$。
    2. 在数据 $U(x)$ 后面补 $m$ 个 0。
    3. 用模2除法 (即XOR异或运算，不借位减法) 用补0后的数据除以 $G(x)$ 对应的比特串。
    4. 余数即为 FCS (帧检验序列)。
  • 例子: 数据1101011，G(x)=11001 (4阶)。后面补4个0 $\to$ 11010110000。除以11001，余数1010。发送数据为 11010111010。
• 校验和 (Checksum): 反码算术求和，取反。

物理层

传输介质

传输介质是信号传输的通道，主要分为有线介质和无线介质。

双绞线

这是最常见的传输介质。

• 结构：两根绝缘铜导线按一定密度绞合在一起。绞合的目的是为了抵御外界电磁干扰并减少线对间的串扰。
• 分类：
  • UTP (非屏蔽双绞线)：没有金属屏蔽层，便宜，常用。分为多类，性能指标如下：
    • 1、2类：4Mbps（老式语音/低速数据）。
    • 3类：10Mbps。
    • 4、5类：100Mbps。
    • 超5类、6类：1Gbps。
    • 超6类：10Gbps。
  • STP (屏蔽双绞线)：有金属屏蔽层，能有效防止噪声干扰，但价格更贵。
• 连接器：RJ-45插头（水晶头）和插座。
• 线序标准：EIA/TIA规定了两种线序标准。
  • T568A标准：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。
  • T568B标准：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。
• 线缆类型与用途：
  • 直通线：两端线序相同（都用A或都用B）。用于连接不同类型设备（如：电脑连交换机、交换机连路由器）。
  • 交叉线：一端568A，一端568B。用于连接相同类型设备（如：电脑连电脑、交换机连交换机）。

同轴电缆

• 结构：由内向外依次是：内层导体（铜芯）、绝缘层、网状导电屏蔽层、外层塑料皮。
• 分类：粗缆（用于早期总线网络主干）、细缆。
• 特点：用于总线型拓扑结构，抗干扰性较好，但现在局域网中已很少使用。

光纤

• 结构：
  • 纤芯 (Core)：高折射率。
  • 包层 (Cladding)：低折射率。
  • 保护层。
• 工作原理（物理原理）：利用全反射原理。光线从高折射率的纤芯射向低折射率的包层，只要入射角满足条件，光线就会在界面发生全反射，从而限制在纤芯内传输。
• 分类（重点区分）：
  • 多模光纤 (Multi-mode)：纤芯较粗，允许多束光线以不同反射角传输。输入脉冲在传输后会展宽（色散大），适合近距离传输。
  • 单模光纤 (Single-mode)：纤芯很细（波长级别），光线像沿着直线一样传播，几乎无反射干扰。损耗小，适合远距离、高速度传输。
• 优缺点：
  • 优点：传输速率高、距离远、抗电磁干扰（因为传的是光）、重量轻。
  • 缺点：价格高、安装维护和熔接困难、易断。

无线传输介质

• 信号类型：无线电波、微波、红外线、声波等。
• 传播方式：定向传播（点对点）、全向传播（广播）。
• 常见频段：WiFi常用的2.4GHz和5GHz频段（属于免授权频段）。

物理连接与协议特性

物理层协议主要定义DTE和DCE之间的接口标准。

DTE 与 DCE

• DTE (数据终端设备)：产生和处理数据的设备，如计算机 (PC)。
• DCE (数据电路终接设备)：负责信号变换（数模转换）和网络接入的设备，如调制解调器 (Modem)。
• 连接关系：DTE —> (接口) —> DCE —> 通信网络 —> DCE —> (接口) —> DTE。

物理层协议的四大特性

物理层协议（如EIA-232）必须定义以下四个方面：

1. 机械特性：规定接口的形状、尺寸、引脚数量、排列方式等（如DB-25连接器）。
2. 电气特性：规定信号线上电压的范围、阻抗匹配等（如多少伏代表1，多少伏代表0）。
3. 功能特性：规定每一根引脚的具体含义和功能（如哪根线是发数据的，哪根是控制信号的）。
4. 规程特性 (过程特性)：规定不同功能信号出现的先后顺序和时序关系（握手过程）。

EIA-232 接口标准 (RS-232)

这是本章介绍最详细的接口标准，也是典型的DTE-DCE接口。

机械特性

• 使用 DB-25 连接器（25根针脚）。
• 规定电缆长度不能超过 25米。

电气特性

• 采用 非归零电平编码 (NRZ-L)。
• 逻辑 0：对应 正电平 (+3V ~ +15V)。
• 逻辑 1：对应 负电平 (-3V ~ -15V)。
• (注：与TTL电平相反，正电压反而是0)。

功能特性（主要引脚定义）

虽然有25根线，但常用的主要是以下几根（记住英文缩写和流向）：

• Pin 2 (BA/TD) - 发送数据：DTE -> DCE。
• Pin 3 (BB/RD) - 接收数据：DCE -> DTE。
• Pin 4 (CA/RTS) - 请求发送：DTE -> DCE（DTE问Modem：我能发吗？）。
• Pin 5 (CB/CTS) - 清除待发送：DCE -> DTE（Modem回DTE：你可以发了）。
• Pin 6 (CC/DSR) - DCE准备好：DCE -> DTE（Modem在线）。
• Pin 20 (CD/DTR) - DTE准备好：DTE -> DCE（电脑在线）。
• Pin 7 (AB/GND) - 信号地。
• Pin 8 (CF/CD) - 载波检测：DCE -> DTE（Modem检测到了对方发来的信号）。
• Pin 22 (CE/RI) - 振铃指示：DCE -> DTE（有人呼叫）。

规程特性（通信步骤）

这是一个典型的握手过程，分为五个阶段：

1. 准备：保证设备加电并连接。
2. 就绪：
   • DTE发送 DTR (20) -> DCE。
   • DCE发送 DSR (6) -> DTE。
   • 双方确认对方都在线。
3. 建立连接 (物理连接)：
   • 发送方DTE发送 RTS (4) 请求发送。
   • 发送方DCE向对方发送载波，然后回送 CTS (5) 给DTE，表示允许发送。
   • 接收方DCE检测到载波，激活 CD (8) 通知接收方DTE传输开始。
4. 数据传输：
   • DTE通过 TD (2) 发送数据给DCE。
   • DCE将数据调制后发到网络。
   • 接收端DCE解调后通过 RD (3) 发给接收端DTE。
   • 注：同步通信时还需要时钟信号线（Pin 15/17/24）配合。
5. 清除 (断开)：
   • DTE撤销 RTS (4)。
   • DCE撤销载波和 CTS (5)。
   • 接收方检测到载波消失，断开连接。

其他相关概念

• EIA-232子集：实际应用（如PC串口）常用9针接口（DB-9），去掉了同步时钟线和辅助信道线，只保留核心的异步通信控制线。
• 空调制解调器 (Null Modem)：
  • 场景：两台DTE设备（如两台电脑）距离很近，不需要Modem直接相连。
  • 做法：使用交叉线连接。将一端的发送(TX)连到另一端的接收(RX)，一端的RTS连到另一端的CTS等，欺骗DTE以为连接了DCE。
• X.21标准：ITU-T制定的数字接口标准，使用DB-15连接器，减少了控制线数量，更适合数字网络。

物理层网络互连设备

中继器 (Repeater) / 集线器 (Hub)

• 层级：工作在物理层。
• 功能：再生（Regenerate）信号。接收衰减的信号，整形、放大后转发出去。
• 作用：扩展局域网的地理覆盖范围。
• 限制与问题：
  1. 不能隔离冲突：所有连接的设备在同一个冲突域，设备越多，冲突概率越大，性能越低。
  2. 安全性差：数据会广播到所有端口。
  3. 协议要求：连接的两端必须使用相同的物理层协议和速率（如都是10Mbps以太网）。

数据链路层

数据链路层位于物理层之上，它将物理层提供的比特流封装成帧 (Frame)。其核心任务是将不可靠的物理链路转变为可靠的数据链路。主要工作包括三个方面：线路规程、差错控制和流量控制。

线路规程

线路规程主要解决“谁在什么时候有权发送数据”的问题，分为两种模式：

1. 询问/确认模式 (ENQ/ACK)

   • 适用场景：点对点 (Point-to-Point) 的专用链路，两端设备地位平等。

   • 工作过程：

     1. 发起方想发数据，先发一个 ENQ (询问帧) 问接收方：“你准备好了吗？”
     2. 接收方如果准备好，回 ACK (确认帧)；如果没准备好，回 NAK (否认帧)。
     3. 收到 ACK 后，发起方开始传数据。
     4. 数据传完，发 EOT (传输结束帧) 断开。

   • 异常处理：如果发了 ENQ 后没收到回应，或者收到 NAK，或者传输中 ACK 丢失，都需要相应的超时重发或等待机制。

2. 轮询/选择模式 (Poll/Select)

   • 适用场景：多点连接 (Multipoint)，即主从式结构（一个主设备，多个从设备）。

   • 工作方式：主设备控制链路，从设备只能响应。

   • 选择 (Select)：主设备 -> 从设备。当主设备有数据要发给从设备时，发 SEL 帧。从设备回 ACK 表示准备好接收，回 NAK 表示拒绝。

   • 轮询 (Poll)：从设备 -> 主设备。主设备想知道从设备有没有数据要发，逐个询问。

     • 主设备发 POLL。
     • 如果从设备没数据，回 NAK。
     • 如果从设备有数据，直接回 数据帧。

流量控制与差错控制

流量控制防止发送方发太快把接收方淹没，差错控制（ARQ）处理帧的损坏或丢失。

停止等待协议 (Stop-and-Wait)

• 原理：发一帧，等一个 ACK，再发下一帧。
• 流量控制：每次只发一帧。效率低，特别是距离长时，大部分时间浪费在等待 ACK 上（半双工）。
• 差错控制：
  • 帧破坏：接收方收到坏帧，回 NAK，发送方重传。
  • 帧丢失：发送方设置定时器，超时未收到应答则重传。
  • 应答帧丢失：发送方超时重传，接收方通过帧编号 (0和1交替) 识别并丢弃重复帧。

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发送一帧所需的最短总时间 ($W_T$)：

完成一个数据帧的发送、传播以及收到确认帧所需的最小时间间隔通常记为 $W_T$（或 $t_W$）。

$$W_T = t_I + 2t_p + 2t_\text{proc} + t_S$$

符号含义：

• $W_T$：发送一帧所需的最短总时间。
• $t_I$：发送数据帧的时间，计算公式为 $t_I = \frac{\text{帧长}}{\text{接口速率}}$。
• $t_p$：信号传播时延，计算公式为 $t_p = \frac{\text{距离}}{0.7 \times \text{光速}}$。
• $t_\text{proc}$：节点处理数据的时间。
• $t_S$：发送确认帧（ACK）的时间，计算公式为 $t_S = \frac{\text{确认帧长}}{\text{接口速率}}$。

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信道利用率 ($F$ 或 $P$)：

信道利用率定义为信道被有效占用的时间与总时间之比。

• 新版定义： $$F = \frac{t_I}{W_T}$$
• 旧版定义（包含传播时延）： $$F = \frac{t_I + t_p}{W_T}$$

符号含义：

• $F$ 或 $P$：信道利用率。

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有效数据传输率 ($S$)

单位时间内传输的有效数据位数。

$$S = \frac{D_1}{W_T}$$

符号含义：

• $S$：有效数据传输率。
• $D_1$：一帧中的有效数据位数（不含首部和尾部开销）。

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存在差错时的平均传输时间 ($t_V$)

当考虑帧的出错率 $p$ 时，正确发送一帧所需的平均时间间隔为：

$$t_V = \frac{t_W}{1 - p}$$

符号含义：

• $t_V$：正确发送一帧的平均时间。
• $t_W$：无差错情况下的最小时间间隔（等同于 $W_T$）。
• $p$：数据帧的出错率。

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系统吞吐量与传输效率

• 最大吞吐量 ($\lambda_{\max}$)：每秒成功发送的帧数。 $$\lambda_{\max} = \frac{1}{t_V} = \frac{1 - p}{t_W}$$
• 极限吞吐量 ($M$)： $$M = \frac{1}{t_I}$$
• 系统的传输效率 ($\rho$)：最大吞吐量与极限吞吐量之比。 $$\rho = \frac{1 - p}{a}$$ 其中，$a$ 为总时间与发送时间之比：$a = \frac{t_W}{t_I}$ ($a > 1$)。

符号含义：

• $\rho$：系统传输效率，其大小与 $a$ 成反比，$a$ 越小（即等待时间越短），效率越高。

滑动窗口协议

• 原理：允许发送方在收到 ACK 前连续发送多个帧。
• 窗口概念：
  • 发送窗口：存放已发送但未确认的帧。
  • 接收窗口：存放已接收但未上交/未确认的帧。
  • 编号：帧使用模 $n$ 编号（$0,1 \dots, n-1$）。
• 差错控制策略 (ARQ)：
  1. 回退 N (Go-Back-N)：
     • 如果某一帧出错，接收方丢弃该帧及之后所有帧。发送方重传出错帧及之后的所有帧。
     • 窗口大小限制：发送窗口尺寸 $\le n-1$。如果等于 $n$，无法区分是新帧还是重传的旧帧（会产生歧义）。
  2. 选择拒绝 (Selective Reject)：
     • 接收方只拒收出错的那一帧，缓存后续正确的帧。发送方只重传出错的那一帧。
     • 需排序和查找机制，复杂。
     • 窗口大小限制：发送窗口 + 接收窗口 $\le n$。通常设为$发送窗口=接收窗口 \le n/2$。

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窗口大小的选择：

为了使发送方能够不间断地发送数据（即达到极限吞吐量），窗口的大小 $n$ 必须足够大，以覆盖信号在往返时间内能够传输的帧数。

• 基本条件： $$nt_I > 2(t_I + t_p)$$
• 考虑确认帧发送时间时： $$nt_I > t_I + 2t_p + t_s$$

符号含义：

• $n$：窗口大小（允许连续发送的帧数）。
• $t_I$：发送一个数据帧的时间。
• $t_p$：信号传播时延。
• $t_s$：发送一个确认帧（ACK）的时间。

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回退 N 协议的效率分析

在回退N协议中，若某一帧损坏或丢失，发送方必须重传该帧及其后续所有已发送但未确认的帧。

• 正确传送一帧所需的平均时间 ($t_V$)： $$t_V = t_I + \frac{pt_W}{1 - p}$$
• 系统最大吞吐量 ($\lambda_{max}$)： $$\lambda_{max} = \frac{1}{t_V} = \frac{1 - p}{t_I(1 + p(a - 1))}$$
• 系统传输效率 ($\rho$)： $$\rho = \frac{1 - p}{1 + p(a - 1)}$$

符号含义：

• $p$：数据帧的出错率。
• $t_W$：发送一帧并收到确认所需的最小时间间隔（在效率对比中，$a = t_W / t_I$）。
• $a$：总时间与发送时间之比（$a > 1$）。
• $\rho$：系统传输效率，其随 $a$ 的增大而降低，但在相同条件下通常优于停止等待协议。

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窗口尺寸与编号范围的关系

为了区分新帧和重复帧，协议对窗口尺寸有严格限制：

• 回退N协议： 若帧的编号范围是 $0 \sim n-1$（模 $n$ 编号），则发送窗口最大为 $n-1$。
• 选择拒绝协议： 若帧的编号范围是 $0 \sim n-1$，则发送窗口尺寸 $W_t$ 和接收窗口尺寸 $W_r$ 必须满足： $$W_t + W_r \le n$$ 若要求 $W_t = W_r$，则窗口尺寸最大为 $n/2$。

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例题

卫星通信下的窗口计算

已知： 卫星通信中，帧长为 1200 bit，信道速率为 4.8 kbit/s，传播延迟 $t_p = 250\text{ ms}$。 求： 在全双工通信中，窗口 $n$ 至少应为多少？ 解：

1. 计算发送一帧的时间 $t_I$： $$t_I = \frac{1200}{4.8 \times 10^3} = 0.25\text{ s} = 250\text{ ms}$$
2. 根据窗口选择公式： $$n > \frac{2(t_I + t_p)}{t_I} = \frac{2(250 + 250)}{250} = 4$$ 结论： 窗口 $n$ 至少应大于 4。

不同协议的传输效率对比

已知： 数据帧差错率 $p = 0.01$，参数 $a = 4$。 比较： 停止等待协议与滑动窗口协议的效率。 解：

• 停止等待协议： $$\rho = \frac{1 - p}{a} = \frac{0.99}{4} = 0.2475$$
• 滑动窗口协议： $$\rho = \frac{1 - p}{1 + (a - 1)p} = \frac{0.99}{1 + 3 \times 0.01} = \frac{0.99}{1.03} \approx 0.96$$ 结论： 即使出错率达到 1%，滑动窗口协议的效率（0.96）仍远高于停止等待协议（约 0.25）。

HDLC 通信协议

HDLC (High-level Data Link Control) 是典型的面向比特的协议，不依赖字符集，通过比特填充实现透明传输。

帧结构

• 标志 (Flag)：01111110，用于定界。
• 位填充 (Bit Stuffing)：在数据中，只要发现连续 5 个 1，发送方自动插入一个 0；接收方接收时，发现 5 个 1 后面的 0 自动删除。确保数据中不会出现 01111110。
• 地址 (Address)：全 1 为广播。
• 控制 (Control)：决定帧类型（核心）。
• 信息 (Info)：用户数据。
• FCS：CRC 校验。

三种帧类型 (由控制字段决定)

1. 信息帧 (I-帧, Information)：
   • 首位为 0。
   • 用于传输用户数据，包含 N(S) (发送序号) 和 N(R) (期望接收的下一帧序号)。
   • 支持捎带确认：在发数据的同时确认对方的数据。
2. 监管帧 (S-帧, Supervisory)：
   • 前两位为 10。
   • 用于流量和差错控制，没有信息字段。
   • 类型：
     • RR (Receive Ready)：准备好接收，相当于 ACK。
     • RNR (Receive Not Ready)：忙，暂停发送。
     • REJ (Reject)：拒绝，要求重发 (Go-Back-N)。
     • SREJ (Selective Reject)：选择拒绝。
3. 无编号帧 (U-帧, Unnumbered)：
   • 前两位为 11。
   • 用于链路建立、断开和管理 (如 SABM 建立连接, DISC 断开连接, UA 确认)。

数据链路层网络互连

这一部分讨论如何扩展局域网，主要涉及网桥和交换机。

网桥 (Bridge)

• 层级：工作在数据链路层 (MAC 子层)。
• 功能：连接两个局域网，存储转发帧，进行地址过滤（隔离冲突域）。
• 路由算法：
  1. 透明网桥 (Transparent Bridge)：
     • 自学习：通过观察源 MAC 地址和入端口，建立转发表 (MAC地址 -> 端口)。
     • 转发：查目的 MAC，如果在表中且端口不同则转发；如果在表中且端口相同则丢弃（隔离）；如果不在表中则泛洪 (广播)。
     • 生成树协议 (Spanning Tree Protocol, STP)：解决环路导致的广播风暴。通过选举根网桥 (Root Bridge)（ID 最小的），并在每个网段选出指定端口，禁用多余路径，将网络逻辑上变成无环树状结构。
  2. 源路由网桥：由发送源在帧中指定路由路径，网桥只照做。

第二层交换机 (L2 Switch)

• 本质：多端口的网桥。
• 特点：每个端口独享带宽（并行工作），隔离冲突域，但不隔离广播域。
• 交换方式：
  1. 直通式 (Cut-Through)：读到目的 MAC (前6字节) 就立即转发。速度快，延迟小，但无法检错，不能连接不同速率端口。
  2. 存储转发 (Store-and-Forward)：收完整个帧，CRC 校验无误后再转发。最广泛使用，支持不同速率转换，但延迟大。

VLAN (虚拟局域网)

• 定义：在物理交换机上逻辑划分网段。
• 优点：
  1. 端口分隔：不同 VLAN 无法直接通信（逻辑隔离）。
  2. 安全性：隔离了广播域，防止广播风暴，提升安全。
  3. 灵活管理：不受物理位置限制，通过软件配置更改用户组。
• 实现：通常在帧中插入 VLAN Tag (如 802.1Q 标准)。不同 VLAN 间通信需要通过路由器或三层交换机。

网络层

网络层的功能与服务

网络层的主要任务是将数据从源主机传输到目的主机。为了实现这一目标，它主要提供两个功能：路由（Routing）和交换（Switching）。

逻辑寻址

IP地址：网络层使用逻辑地址（如IP地址）来标识信源和信宿。这与数据链路层的物理地址（MAC地址）不同。IP地址具有层次结构，有助于路由选择。

两种服务模型

网络层向传输层提供的服务有两种主要模式，这直接影响了内部的交换方式。

1. 面向连接的服务：虚电路 (Virtual Circuit, VC)

   • 核心思想：模仿电话系统。

   • 过程：

     1. 建立连接：发送方发送呼叫请求，建立一条逻辑路径（虚电路）。
     2. 数据传输：所有分组沿着这条建立好的路径按序发送。分组头部只需要包含短的虚电路号 (VC ID)，不需要完整的目的地址。
     3. 连接释放：传输结束，拆除电路。

   • 优点：保证顺序、可靠性较高、头部开销小、支持预分配带宽。

   • 缺点：建立连接有延迟；若路径中某节点瘫痪，整个电路中断（脆弱性）。

2. 无连接的服务：数据报 (Datagram)

   • 核心思想：模仿邮政系统。

   • 过程：每个分组（Packet）独立处理。每个分组都携带完整的源和目的地址。路由器根据当前网络状态为每个分组独立选择路径。

     • 特点：
       • 分组可能乱序到达。
       • 分组可能走不同的路径。
       • 尽力而为的交付（不可靠）。
     • 优点：灵活、健壮（某节点坏了可以绕路）、无建立连接延迟。
     • 缺点：头部开销大（每次都要带全地址）、不保证顺序和可靠性。

交换技术的时延计算

方式	是否先建立连接	是否分组	是否存储转发
电路交换	✅	❌	❌
报文交换	❌	❌	✅（整报）
虚电路	✅	✅	✅（分组）
数据报	❌	✅	✅（分组）

例题，对比电路交换、报文交换、**分组交换（虚电路）和分组交换（数据报）**的端到端延迟。

场景假设：

• 路径：$A\to B\to C\to D$（3段链路）。
• 报文长度：$L$ bit。
• 带宽（速率）：$R$ bps。
• 传播延迟：$t_p$（每段）。
• 分组大小：$P$ bit（含头部）。
• 建立连接时间：$t_\text{setup}$。

1. 电路交换 (Circuit Switching)

   • 机制：物理链路直接连通，数据像水流一样过去。

   • 总时延 = 建立时间 + 发送时延 + 传播时延

     $$T = t_\text{setup} + \frac{L}{R} + 3 \times t_p$$

   • 注：中间节点没有存储转发，所以发送时延只算一次（源头发出，终点几乎同时开始接收）。

2. 报文交换 (Message Switching)

   • 机制：存储-转发。整个报文在每一跳都要收齐了再发。

   • 总时延 = (发送时延 + 传播时延) $\times$ 跳数

     $$T = 3 \times (\frac{L + \text{header}}{R} + t_p)$$

   • 注：每一跳都要完整的发送时间。

3. 分组交换 - 虚电路 (Packet Switching - Virtual Circuit)

   • 机制：先建立连接，然后分组流水线（Pipeline）传输。

   • 时延组成：建立时间 + 第一个分组到达时间 + 剩余分组的发送时间。

   • 总时延

     $$T=t_\text{setup} + [3 \times (\frac{P}{R} + t_p)] + (N-1) \times \frac{P}{R}$$

     • 其中 $N$ 是分组数量。
     • 第一部分是建立连接。
     • 第二部分是第一个分组完整走完3跳到达终点的时间。
     • 第三部分是后续分组紧接着从源头出来的时间（因为是流水线，当第1个分组在链路2时，第2个分组在链路1，以此类推，终点每隔 $P/R$ 就收到一个包）。

4. 分组交换 - 数据报 (Packet Switching - Datagram)

   • 机制：无连接，直接分组流水线传输。

   • 总时延 = (第一个分组到达时间) + (剩余分组发送时间)

     $$T = [3 \times (\frac{P}{R} + t_p)] + (N-1) \times \frac{P}{R}$$

   • 区别：相比虚电路，仅仅少了一个 $t_{setup}$。

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路由算法

路由算法分为非适应性（静态）和适应性（动态）。重点掌握动态路由算法。

距离向量路由 (Distance Vector, DV)

• 典型协议：RIP (Routing Information Protocol)。
• 算法基础：Bellman-Ford 算法。
• 工作原理：
  • "谣言"传播：每个路由器只和邻居交换信息。
  • 交换内容：自己的整个路由表（我去哪里需要多远）。
  • 更新策略：周期性（如30秒）更新。
  • 计算逻辑：如果邻居到目标X的距离 + 我到邻居的距离 < 我当前到X的距离，则更新路由表。
• 特点：实现简单，但收敛慢，存在**计数到无穷大（Count-to-Infinity）**问题（好消息传得快，坏消息传得慢）。

链路状态路由 (Link State, LS)

• 典型协议：OSPF (Open Shortest Path First)。
• 算法基础：Dijkstra 算法 (SPF)。
• 工作原理：
  1. 发现邻居：发送 Hello 包。
  2. 测量开销：测算到邻居的 metric（如带宽、延迟）。
  3. 构造LSP (链路状态包)：包含“我是谁，我的邻居是谁，费用多少”。
  4. 广播 (Flooding)：将LSP发送给网络中所有路由器（不仅仅是邻居）。
  5. 计算：每个路由器拥有全网一致的拓扑图（链路状态数据库），独立运行 Dijkstra 算法计算以自己为根的最短路径树。
• 特点：收敛快，不易产生环路，CPU消耗较高。

Dijkstra 算法计算步骤（必考操作）：
给定一个图和起点（如A）：

1. 初始化：集合 $N=\{A\}$。列出A到直接邻居的距离，其他为 $\infty$。
2. 找最小：在不在 $N$ 中的节点里，找一个距离A最近的节点（比如B），加入 $N$。
3. 更新（松弛）：以新加入的节点B为跳板，检查能不能缩短A到其他节点的距离。如果 $Dist(A, B) + Dist(B, C) < Dist(A, C)$，则更新 $C$ 的距离。
4. 重复：直到所有节点都加入 $N$。

路由协议体系

互联网路由协议分为两大类：

1. IGP (内部网关协议)：在同一个自治系统 (AS) 内部使用。

   • RIP：基于距离向量，跳数作为度量，最大15跳，适合小网络。
   • OSPF：基于链路状态，度量值通常与带宽成反比，支持大规模网络，分区域 (Area) 管理。

2. EGP (外部网关协议)：在不同的自治系统 (AS) 之间使用。

   • BGP (Border Gateway Protocol)：
     • 路径向量协议 (Path Vector)。
     • 不仅考虑最短路径，还考虑策略（如政治、经济因素）。
     • 避免环路：通过记录经过的 AS 序列。

网络层互连设备

• 路由器 (Router)：
  • 工作在网络层。
  • 根据 IP 地址转发。
  • 隔离广播域。
  • 主要功能：路由选择、分组转发。
• 第三层交换机 (L3 Switch)：
  • 本质是“带有路由功能的交换机”。
  • 一次路由，多次交换：第一个包通过CPU软件路由，建立流表后，后续包通过硬件ASIC芯片快速转发。
  • 速度快，常用于局域网核心层。

拥塞控制与流量控制

• 拥塞 (Congestion)：是一个全局性问题。网络中数据包太多，超过了处理能力，导致性能下降（吞吐量下降，延迟急剧增加）。
• 流量控制 (Flow Control)：是点对点问题。发送方发太快，接收方来不及收。
• 拥塞控制方法：
  • 开环控制（预防）：设计时就决定好，如限制入网流量。
  • 闭环控制（反馈）：基于反馈调节。
    • 抑制包 (Choke Packet)：路由器拥塞时直接发包告诉源主机“慢点发”。
    • 丢弃分组：缓冲区满了就丢包（TCP会将其视为拥塞信号）。
• 死锁：
  • 存储转发死锁：缓冲区满了，这就形成了互锁。
  • 重装死锁：接收端无法重组分片，这就占着缓冲区不释放。

网络层专题：网络互联设备

物理层互联设备

物理层设备只负责处理信号（比特流），不理解帧结构或IP地址，因此它们也是“傻瓜”设备。

中继器 (Repeater)

• 功能：对衰减的信号进行再生、整形和放大，然后转发出去。

• 目的：扩展局域网的物理覆盖范围（克服信号衰减限制）。

• 限制：

  • 连接的两端必须是相同的物理层和MAC协议（例如都是10Mbps以太网）。
    • 不能隔离冲突：它会将一端的冲突和噪声复制到另一端。
    • 性能影响：连接的站点越多，流量越大，冲突概率越高，导致网络性能下降。

集线器 (Hub)

• 本质：多端口的中继器。

• 工作方式：从一个端口收到的信号，经过再生放大后，向除输入端口外的所有其他端口转发（广播式转发）。

  • 特性：
    • 物理星型，逻辑总线：物理上看是星型连接，但逻辑上所有设备共享同一条介质。
    • 共享带宽：所有端口共享总带宽（如10Mbps的Hub，10个端口同时工作，每个平均只有1Mbps）。
    • 安全性差：所有数据发往所有端口，容易被窃听（Sniffing）。
  • 冲突域：Hub连接的所有设备属于同一个冲突域（Collision Domain）。

数据链路层互联设备

链路层设备能识别MAC地址（帧），具备存储转发和寻址能力。

网桥 (Bridge)

• 功能：连接两个或多个局域网网段，基于MAC地址表进行帧的存储和转发。

  • 核心作用：
    • 隔离冲突域：网桥的每个端口是一个独立的冲突域。端口A的冲突不会传到端口B。
    • 过滤通信：根据目的MAC地址决定是转发到另一端，还是丢弃（如果在同一侧）。

• 优点：扩展网络范围，减少冲突，提高性能和安全性。

二层交换机 (L2 Switch)

• 本质：多端口的网桥。
  • 工作原理：
    • MAC地址表：自动学习源MAC地址与端口的映射关系。
    • 独占带宽：每个端口独享带宽（如10个100Mbps端口，总背板带宽需大于1000Mbps），支持全双工通信。
    • 硬件转发：使用ASIC芯片实现线速交换，速度极快。

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三种典型的交换技术

1. 直通式 (Cut-Through)：
   • 机制：一读到目的MAC地址（前6字节）就立即查找转发表并转发。
   • 优点：延迟极小，速度快。
   • 缺点：无法检错（CRC校验在帧尾），坏帧也会被转发；不能连接不同速率的端口。
2. 存储转发 (Store-and-Forward)：
   • 机制：收完整个帧，进行CRC校验，无误后再转发。
   • 优点：检错能力强，可靠性高；支持不同速率端口转换（如10M转100M）。
   • 缺点：延迟大（尤其是长帧）。
   • 注：这是目前最广泛使用的方式。
3. 免碎片转发 (Fragment Free)：
   • 机制：接收前64字节（最小帧长）后开始转发。
   • 折中方案：过滤掉了因冲突产生的碎片（通常小于64字节），速度介于前两者之间。

冲突域与广播域

• 冲突域 (Collision Domain)：
  • 定义：同一物理网段上，可能发生信号碰撞的节点集合。
  • Hub：所有端口在同一个冲突域。
  • Switch/Bridge：每个端口是一个独立的冲突域（隔离了冲突）。
• 广播域 (Broadcast Domain)：
  • 定义：能接收到同一个广播帧（MAC全1）的节点集合。
  • Hub/Switch/Bridge：默认情况下，连接的所有设备都在同一个广播域（广播帧会穿透交换机）。
  • Router/VLAN：可以隔离广播域。

VLAN (虚拟局域网)

• 定义：在二层交换机上，通过软件逻辑地将设备划分为不同的广播域，而不受物理位置限制。
• 优点：
  1. 控制广播风暴：广播帧只在VLAN内部传播，不会扩散到全网。
  2. 安全性：不同VLAN的用户默认无法直接通信。
  3. 灵活管理：更改用户所属组只需修改软件配置，无需物理换线。
• 划分方式：最常用的是基于端口划分，也有基于MAC地址划分。
• 通信限制：不同VLAN之间属于不同的逻辑网络，二层交换机无法实现跨VLAN通信，必须借助路由器或三层交换机。

网络层互联设备

路由器 (Router)

• 层级：工作在网络层。
• 功能：
  • 异构网络互联：连接不同的网络（如以太网和广域网）。
  • 路由选择：基于IP地址，利用路由表选择最佳路径。
  • 隔离广播：路由器不转发广播包，因此每个端口都是一个独立的广播域。
• 与网桥/交换机的区别：
  • 交换机看MAC地址，路由器看IP地址。
  • 交换机（二层）不需要IP地址即可转发数据；路由器每个接口都必须配置IP地址。

三层交换机 (L3 Switch)

• 产生背景：VLAN隔离了广播域，但VLAN间通信如果全靠单臂路由器（Router-on-a-stick），速度慢且有瓶颈。
• 本质：二层交换机 + 路由模块（通常是硬件路由）。
• 工作原理：“一次路由，多次交换”。
  • 首个数据流的第一个包通过路由模块（CPU软件查找）处理，确定路径。
  • 系统生成硬件转发表。
  • 后续数据包直接由底层硬件（ASIC）高速转发，不再经过CPU。
• 应用：用于局域网核心层，实现VLAN间的高速互访。

高层互联设备

网关 (Gateway)

• 定义：一个笼统的概念，指协议转换器。
• 功能：用于连接两个体系结构完全不同的网络（如TCP/IP网络和SNA网络），通常工作在应用层或高层。
• 注意：在日常PC配置中提到的“默认网关”，实际上通常指的是局域网出口路由器的IP地址。

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设备	所在层次	隔离冲突域?	隔离广播域?	寻址依据	核心功能
中继器/集线器	物理层	否	否	无	信号再生、放大
网桥/二层交换机	数据链路层	是 (每端口)	否 (VLAN除外)	MAC地址	帧过滤、转发
路由器	网络层	是	是 (每接口)	IP地址	路由选择、网络互联
三层交换机	网络层+链路层	是	是 (VLAN间)	IP+MAC	VLAN间高速路由

传输层

传输层的功能与服务

• 位置：位于通信子网（下三层）和资源子网（上三层）之间。
• 对象：网络层负责“主机到主机”的通信，而传输层负责源主机进程到目的主机进程（端到端）的通信。
• 目标：提供可靠的、透明的数据传输。

主要功能：

• 端到端报文传递：确保数据从发送进程准确到达接收进程。
• 服务点寻址：
  • NSAP (网络服务访问点)：即IP地址，用于定位主机。
  • TSAP (传输服务访问点)：即端口号，用于定位主机上的具体进程。
• 复用与分用：
  • 向上复用：多个传输层连接共享一个网络层连接（IP）。它们用不同的端口。
  • 向下复用：一个传输层连接使用多个网络层连接（以增加带宽或可靠性）。把一个传输连接复用到多个IP，例如在流量较⼤时，使⽤多个⽹卡将流量拆分。
• 差错控制：传输层需要进⾏差错处理以保证端到端的可靠性。例如，当包在路由器内部处理时可能引⼊差错，这些差错不会被数据链路层发现，因此传输层必须进⾏⾃⼰的端到端检查。
• 拆分与组装：将长报文切分成适合网络传输的数据段，标上序号，并在接收端重组。
• 丢失控制：通过丢失重传来确保数据包正确到达。
• 重复控制：通过序列编号使接收⽅可以识别并丢弃重复的段。

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两种服务类型：

• 面向连接的服务：建立连接 -> 传输数据 -> 释放连接（如 TCP）。
• 无连接的服务：直接发送数据，不保证到达（如 UDP）。

传输服务原语

ISO定义了四类基本的交互动作：

• 请求 (Request)：用户（上层）发给服务提供者（传输层），请求某项工作（如建立连接）。
• 指示 (Indication)：服务提供者通知用户发生了某事（如收到连接请求）。
• 响应 (Response)：用户对“指示”的回复。
• 确认 (Confirm)：服务提供者告诉用户，刚才的“请求”已经完成了。
• 具体的原语包括：T-CONNECT（连接）、T-DISCONNECT（断开）、T-DATA（数据）、T-UNITDATA（无连接数据）。

传输协议要素

为了在不可靠的网络上实现可靠传输，传输层协议必须解决以下问题：

1. 差错控制 (Error Control)

   • 范围：不仅检查数据，还检查控制信息。

   • 机制：

     • 校验和 (Checksum)：检测数据是否损坏。
     • ARQ (自动重传请求)：接收方发送确认 (ACK) 或 否认 (NAK)，发送方超时重传。
     • 区分错误：需要区分是“数据链路层没检查出来的错误”还是“传输层引入的错误”。

2. 序列控制 (Sequence Control)

   • 分段：将大块数据切分。

   • 编号：给每个数据段分配序列号。

   • 功能：解决数据包的丢失、重复和乱序问题。接收方根据序列号去重并重新排序。

3. 流量控制 (Flow Control)

   • 区别：数据链路层的流量控制是相邻节点间的，传输层是端到端的。

   • 机制：可变大小的滑动窗口协议。

   • 动态调整：窗口大小不是固定的，而是根据接收端的缓冲区大小（接收能力）动态变化的。发送窗口 = $\min(\text{拥塞窗口}, \text{接收端通告窗口})$。

传输层拥塞控制

拥塞控制是为了防止过多的数据注入到网络中，导致网络核心负载过大。TCP 采用了四种核心算法。

关键变量：

• Cwnd (Congestion Window)：拥塞窗口，发送方估算的当前网络能承受的数据量。

• Rwnd (Receiver Window)：接收端窗口，接收方通知的自己缓冲区的剩余空间。

• ssthresh (Slow Start Threshold)：慢启动阈值，用于切换算法。

• SMSS：发送端最大数据段尺寸（单位通常是字节或报文段个数）。

四大算法

1. 慢启动 (Slow Start)

   • 初始状态：Cwnd = 1 个 SMSS。

   • 增长规则：每收到一个 ACK，Cwnd 加 1。即每经过一个传输轮次（RTT），Cwnd 加倍（指数增长：1, 2, 4, 8…）。

   • 停止条件：当 $\text{Cwnd} \ge \text{ssthresh}$ 时，停止慢启动，转入拥塞避免。

2. 拥塞避免 (Congestion Avoidance)

   • 触发条件：$\text{Cwnd} \ge \text{ssthresh}$。

   • 增长规则：每经过一个 RTT，Cwnd 增加 1 个 SMSS。即线性增长（加法增大），让窗口缓慢变大，试探网络极限。

3. 超时处理 (Severe Congestion)

   • 如果发生超时 (Timeout)（说明网络堵塞严重）：
     1. 新的 ssthresh = 当前 Cwnd / 2。
     2. 新的 Cwnd = 1。
     3. 重新进入慢启动。

4. 快速重传与快速恢复 (Fast Retransmit / Fast Recovery)

   • 触发条件：发送方连续收到 3个重复的 ACK（即共收到4个相同的ACK）。这通常意味着某个报文段丢了，但网络还没完全瘫痪（还能传回ACK）。

   • 快速重传：立即重传丢失的报文段，不等超时定时器。

   • 快速恢复：

     1. 新的 ssthresh = 当前 Cwnd / 2。
     2. 新的 Cwnd = 新的 $\text{ssthresh} + 3 \times \text{SMSS}$（这3个是为了抵消那3个重复ACK带来的窗口占用）。
     3. 之后进入拥塞避免（线性增长），而不是慢启动。

拥塞控制图解与计算例题

图解逻辑：

1. 指数上升：慢启动阶段。
2. 拐点：达到 ssthresh，变为线性上升。
3. 大跌：遇到超时，降为1，阈值减半。
4. 小跌：遇到3个重复ACK，降为一半，阈值减半（快速恢复）。

计算例题解析：

• 题目：$MSS = 1KB$。当前 $Cwnd = 18KB$。发生超时。问：接着4个传输并发量也是成功的，该窗口将是多少？
• 解析步骤：
  1. 发生超时：
     • 新 $ssthresh = \text{当前 } Cwnd / 2 = 18 / 2 = 9KB$。
     • 新 $Cwnd$ 重置为 $1KB$。
     • 进入慢启动。
  2. 第1次传输：发送1KB。成功收到ACK。$Cwnd$ 翻倍 $\to 2KB$。
  3. 第2次传输：发送2KB。成功收到ACK。$Cwnd$ 翻倍 $\to 4KB$。
  4. 第3次传输：发送4KB。成功收到ACK。$Cwnd$ 翻倍 $\to 8KB$。
  5. 第4次传输：此时窗口为8KB，发送8KB数据。
     • 注意：如果是问第4次传输后的窗口大小：下次理论翻倍是16，但 $ssthresh=9$。所以 $Cwnd$ 会变成 9（到达阈值），余下的按线性增长。但根据PPT的简略答案，它问的是“接着4个…传输”，通常指这4次传输所使用的窗口序列是 1, 2, 4, 8。所以第4次传输时的窗口是 8KB。

传输连接管理（三次握手）

连接建立

即著名的三次握手：

1. A -> B: 发送 CR (Connection Request) 或 SYN。携带初始序号 $x$。
2. B -> A: 发送 CC (Connection Confirm) 或 SYN+ACK。确认号 $ack=x+1$，携带B的初始序号 $y$。
3. A -> B: 发送 AK (Acknowledgment) 或 ACK。确认号 $ack=y+1$。
   • 异常处理：如果出现重复的CR（延迟到达的旧请求），接收方会发送相关确认，发送方收到后发现是无效的，会发送 REJ (Reject) 或 RST 来终止错误连接。

连接终止

• 通常采用“四次挥手”或对称释放模型。
• 发送方发 DR (Disconnect Request)，接收方回 DC (Disconnect Confirm)。

局域网和广域网技术

IEEE 局域网通信协议体系

局域网 (LAN) 定义
局域网是在有限的地理范围内连接许多独立设备，使它们相互直接通信的系统。为了解决设备互连的兼容性，IEEE 802委员会制定了一系列标准。

IEEE 802 参考模型与 OSI 的关系
IEEE 802 标准主要对应 OSI 参考模型的物理层和数据链路层。为了适应不同的物理传输介质，IEEE 802 将数据链路层拆分为两个子层：

• 逻辑链路控制子层 (LLC, 802.2)：位于上层。对所有局域网标准都是通用的，负责向网络层提供统一的服务接口（如数据报、虚电路服务）。
• 媒体访问控制子层 (MAC)：位于下层。与具体的物理传输介质相关，负责解决**“谁在什么时候使用信道”**（即介质争用）的问题。

常见的 802 标准

• 802.3：以太网（CSMA/CD）。
• 802.5：令牌环。
• 802.11：无线局域网（WLAN）。
• FDDI：光纤分布式数据接口（ANSI标准，但也常被归入此类讨论）。

以太网

以太网是应用最广泛的局域网技术，其核心在于它如何解决多设备共享同一条总线的冲突问题。

介质访问控制：CSMA/CD 协议

全称是载波侦听多路访问/冲突检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。

注意，这里也有一个MAC的概念，但是跟MAC地址不是一个东西。

控制方式	描述	应用
循环式	每个站轮流得到发送机会，若一段时间内有多站发送 数据，则该方式很有效；若只有少数站发送数据时， 会增加不必要的开销。	令牌环网、令牌总线 网、FDDI
预约式	将传输介质的使用时间划分为时间槽，而预约管理可 以集中控制，也可以是分布控制。	DQDB
竞争式	不对各个工作站的发送权限进行控制，而是自由竞争， 它适合于分布控制，轻负载时效率较高。	CSMA/CD

三⼤类多路访问协议及⼩分类

1. 随机访问协议
   特点：冲突不可避免。
2. 受控访问协议
   特点：克服了冲突。
3. 有限竞争协议
   特点：利⽤上述⼆者的优势。

在LAN中，多个⽤⼾在没有任何控制的情况下同时访问⼀条线路时，会存在由于不同信号叠加⽽相互破坏的情
况。这就是冲突。为了使冲突发⽣的可能性最⼩，需要有⼀种机制来协调通信。
以太⽹的媒体访问控制机制称为带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)
CSMA/CD的发展：MA-〉CSMA-〉CSMA/CD

演进逻辑

• ALOHA 协议：
  • 纯ALOHA：想发就发。冲突严重，效率极低。
  • 分隙ALOHA：只能在时间片开始时发送。效率提升，但仍有冲突。
• CSMA (载波侦听)：先听后发。
  • 非坚持：忙则等待随机时间。
  • 1-坚持：忙则一直听，空闲立即发（以太网采用，利用率高但冲突几率也高）。
  • P-坚持：空闲时以概率P发送。
• CSMA/CD (带冲突检测)：边发边听。一旦检测到冲突，立即停止发送并发送干扰信号（Jam）。

CSMA/CD 工作流程

1. 侦听：如果信道空闲，立即发送；如果忙，继续侦听直到空闲。
2. 发送与检测：边发送数据边检测信道电平。
3. 冲突处理：如果检测到冲突（电平叠加），立即停止发送当前帧，发送阻塞信号 (Jam signal) 强化冲突，让所有站点都知道。
4. 退避重传：等待一段随机时间后，重新尝试发送。

二进制指数退避算法 (Binary Exponential Backoff)
这是解决冲突后何时重传的关键算法。

• 规则：发生第 $k$ 次冲突后，从整数集合 $[0, 1, ..., 2^k - 1]$ 中随机取出一个数 $r$。
• 等待时间：$t = r \times 2\tau$（$2\tau$ 为争用期，即两倍的端到端传播时延）。
• 限制：
  • $k$ 最大取 10（即超过10次冲突，集合不再扩大，固定为 $0 \sim 1023$）。
  • 重传次数超过 16 次，丢弃该帧并报错。

最短帧长计算

为了保证发送方在停止发送前能检测到可能发生的冲突，帧的发送时间必须大于等于两倍的信号传播时延（RTT）。

• 计算公式：

  $$L_{\min} = R \times 2S / V$$

  • $L_{\min}$：最短帧长（bit）。
  • $R$：数据传输速率（bps）。
  • $S$：两站点间最大距离（m）。
  • $V$：信号传播速度（m/s，通常光速的2/3，约 $200\text m/\mu \text s$）。
  • $2S/V$：往返传播时延 ($2\tau$)。

• 以太网标准值：

  • 10Mbps以太网，规定最短帧长为 64字节 (512 bit)。
  • 凡是长度小于64字节的帧，都被视为由于冲突而异常终止的“碎片帧”，直接丢弃。

• 系统跨距的计算方法与上面相同

MAC 帧格式

• DIX Ethernet V2（最常用）：包含类型 (Type) 字段，用于标识上层协议（如IP、ARP）。
• IEEE 802.3：包含长度 (Length) 字段。
• 兼容性：如果该字段值大于 1500 (0x05DC)，解释为类型（V2）；如果小于等于 1500，解释为长度（802.3）。
• MAC地址：6字节（48位），全球唯一。前3字节为厂商代码，后3字节为序列号。

以太网的发展

• 10Base-T：使用双绞线，物理星型拓扑（集线器Hub），逻辑总线。
• 100Base-T (快速以太网)：速率100Mbps，帧格式不变，但为了维持CSMA/CD，网络直径（最大距离）减小了（约为100m）。
• Gigabit Ethernet (千兆)：1Gbps。支持全双工（不使用CSMA/CD）和半双工（使用CSMA/CD，但需通过“载波扩充”增加短帧长度）。
• 10G/40G/100G：通常只支持全双工，不再受CSMA/CD距离限制。

其他局域网技术

令牌环网 (Token Ring, IEEE 802.5)

• 机制：令牌传递。只有持有“令牌”的站点才能发送数据。
• 流程：令牌在环上流动 -> 站点截获令牌 -> 修改令牌状态为忙 -> 附加上数据发送 -> 数据绕环一周被接收方复制 -> 回到发送方 -> 发送方检查状态（是否被接收） -> 释放新令牌。
• 优点：无冲突，确定性延迟，适合重负载。
• 帧结构：包含 SD (起始定界符), AC (访问控制), ED (结束), FS (帧状态) 等。FS域中的A位和C位用于确认地址识别和数据复制。

FDDI (光纤分布式数据接口)

• 特点：双环结构（容错），100Mbps，使用光纤。
• 编码：4B/5B 编码（将4比特数据编码为5比特信号，防止全0导致同步丢失，效率80%）。
• 访问控制：定时令牌协议。
  • 引入 TTRT (目标令牌循环时间)。
  • 同步帧：保证带宽，收到令牌即可发送。
  • 异步帧：只有当令牌提前到达（实际循环时间 < TTRT，说明网络不忙）时才能发送。

无线局域网 (WLAN, IEEE 802.11)

无线环境比有线复杂，主要体现在隐蔽终端、暴露终端问题以及信号衰减。

介质访问控制：CSMA/CA

无线网络不能简单使用CSMA/CD，因为：

1. 检测困难：发送功率远大于接收功率，难以边发边听。
2. 隐蔽终端：A和C都想发给B，但A听不到C，直接发会导致在B处冲突。

3. 暴露终端：由于侦听到其他站点的发送⽽误以为信道忙导致不能发送。暴露站点能侦听到发送端但不会⼲扰接收端

因此，802.11 采用了 CSMA/CA (带冲突避免) 机制：

• IFS (帧间间隔)：发送前必须等待的一段时间。优先级越高，等待时间（IFS）越短。
  • SIFS (短)：最高优先级，用于ACK、CTS。
  • PIFS：中等，用于轮询。
  • DIFS (分布)：最低，用于普通数据。
• 退避算法：信道忙时，挂起倒计时；信道空闲时，继续倒计时。
• ACK确认：由于无线传输不可靠，必须使用停止-等待协议，每发一个数据帧都要等一个ACK。

思考：采⽤停等机制的原因？为什么不采⽤流⽔线机制？

1. ⽆线环境中的冲突和⼲扰
   ⽆线环境中信号容易受到各种因素的影响，如⼲扰、噪声和信号衰减。在这种环境下，确保每个帧的可靠传
   输显得尤为重要。停等机制能够在每帧传输后⽴即等待接收确认，确保帧已成功接收或在检测到错误时进⾏
   重传，从⽽提⾼了传输的可靠性。
2. 隐藏终端和暴露终端问题
   ⽆线局域⽹中存在隐藏终端和暴露终端问题，这使得冲突检测变得复杂。使⽤停等机制可以减⼩这些问题的
   影响，因为每次发送后都要等待接收确认，从⽽可以及时发现并处理冲突。
3. 资源有限和复杂性
   ⽆线通信资源有限，停等机制相对简单，容易实现和管理。⽽流⽔线机制需要更多的缓冲和复杂的管理策
   略，容易导致在⽆线环境中增加系统的复杂性和资源开销。

RTS/CTS 机制 (解决隐蔽终端)

这是一个可选机制，用于预约信道。

• RTS (请求发送)：发送方广播“我要发数据，需占用多长时间”。
• CTS (允许发送)：接收方广播“允许发送，大家都闭嘴”。
• NAV (网络分配矢量)：收到RTS或CTS的第三方站点，会设置自己的NAV计时器，在此期间不尝试发送。
• 作用：虽然会有RTS冲突，但RTS很短，代价小；一旦CTS发送成功，长数据帧的传输就有了保障。

组网模式

• Ad Hoc：自组织，无AP，点对点直接通信。
• Infrastructure (基础架构)：所有通信通过 AP (访问点) 转发。包含 BSS (基本服务集) 和 ESS (扩展服务集)。

广域网技术

ATM (异步传输模式)

一种面向连接的、基于信元（Cell）的交换技术，曾试图统一局域网和广域网。

• 信元结构：固定 53字节（5字节信头 + 48字节数据/净荷）。
• 连接方式：虚电路。使用 VPI (虚通路标识) 和 VCI (虚通道标识) 进行路由。
  • 交换机通过查找映射表，修改进入信元的VPI/VCI和端口号，转发到输出端口。
• 特点：硬件转发快，延迟低，支持QoS（服务质量），适合语音、视频、数据综合传输。

帧中继 (Frame Relay)

• 背景：随着光纤普及，链路误码率极低，X.25那种逐段复杂的差错控制变得多余。
• 特点：
  • 简化：只工作在物理层和链路层。
  • 无逐段纠错：中间节点发现错误直接丢弃，由端到端（高层）负责重传。
  • 面向连接：使用 DLCI (数据链路连接标识) 标识虚电路（主要是永久虚电路 PVC）。
  • 拥塞控制：简单地丢弃超额数据包。

TCP/IP基础

TCP/IP 网络体系结构

TCP/IP 是事实上的工业标准，不同于 OSI 的七层理论模型，TCP/IP 实际上由四层组成，运⾏TCP/IP协议的⽹络通常由五层构成，将接口层拆分）。

• 网络接口层：对应 OSI 的物理层和数据链路层。
• 网络层：核心协议是 IP，辅助协议包括 ICMP、IGMP、ARP、RARP。
• 传输层：提供端到端的通信，主要协议是 TCP (可靠) 和 UDP (不可靠)。
• 应用层：对应 OSI 的会话、表示、应用层。

网际协议 IP (Internet Protocol)

IP 是 TCP/IP 的核心，所有的TCP、UDP、ICMP和IGMP数据都是以IP数据报格式进⾏传输。

提供不可靠、无连接的数据报服务。

• 不可靠：
  IP协议不能保证IP数据报能成功到达⽬的地。任何对数据传输可靠性的要求必须由上层协议（如TCP）来提供。
• ⽆连接：
  IP协议不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独⽴的，IP数据报可以不按发送顺序接收。

IP 地址 (IPv4)

• 长度：32位（4字节），通常用点分十进制表示（如 192.168.1.1）。
• 分类编址：
  • A类：0开头，范围 1.0.0.0 - 127.x.x.x（用于超大型网络）。
  • B类：10开头，范围 128.0.0.0 - 191.x.x.x（用于中型网络）。
  • C类：110开头，范围 192.0.0.0 - 223.x.x.x（用于小型网络）。
  • D类：1110开头，范围 224.0.0.0 - 239.x.x.x（组播/多播地址）。
  • E类：11110开头，保留。
• 特殊地址：
  • 主机位全0：代表网络本身（网络地址）。
  • 主机位全1：本网段的广播地址。
  • 127.x.x.x：环回地址（Loopback），用于本机测试。
  • 私有地址：10.x.x.x, 172.16-31.x.x, 192.168.x.x（企业内部使用，不可在公网路由）。

子网划分与 VLSM (计算重点)

为了解决 IP 地址浪费，引入了子网掩码。

子网掩码	前缀
255.255.255.0	/24
255.255.255.128	/25
255.255.255.192	/26
255.255.255.224	/27
255.255.255.240	/28
255.255.255.248	/29
255.255.255.252	/30

• 子网掩码 (Subnet Mask)：32位，网络位和子网位全为1，主机位全0。
• 计算公式：
  • 网络地址 = IP地址 AND 子网掩码 (二进制按位与)。
  • 主机位全 1 得到广播地址
  • 可用地址范围：
    • 第一个主机 = 网络地址 + 1
    • 最后一个主机 = 广播地址 − 1
  • 主机数 = $2^{\text{主机位数}} - 2$ (减去全0的网络号和全1的广播号)。
• VLSM (可变长子网掩码)：允许在一个网络中使用不同长度的子网掩码，提高利用率。先分大的再分小的。
• CIDR (无类别域间路由)：消除A/B/C类界限，使用斜线记法（如 /24, /30）。支持路由聚合（超网），路由表中采用最长前缀匹配原则转发数据。

IPv4 地址不够 + 网络规模变大 ➡️ A/B/C 类地址浪费严重 ➡️ 引入 CIDR（取消分类） ➡️ 允许 VLSM（内部精细划分） ➡️ 允许路由聚合（外部减少路由条目） ➡️ 路由器路由表规模可控 ➡️ 使用最长前缀匹配保证转发正确

IP 数据报格式与分片

1. 版本号 (Version) [4 bit]：
   ⽬前IP协议的版本号为4（IPv4），它正在逐渐被IPv6版本所替代。

2. 报头⻓度 (Header Length) [4 bit]：
   报头⻓度指的是报头占32位字的数量（⼀般是20字节，即5⾏，对应的报头⻓度的字段值为5【1字段值对应4B】）。
   报头包括可选项，报头⻓度字段值最⼤是15，对应报头最⻓为60B

3. 服务类型 (Type of Service, TOS) [8 bit]：
   4个⽐特的TOS分别表⽰：最⼩延迟、最⼤吞吐量、最⾼可靠性和最⼩费⽤。【4位中只能有1位为1】⾼3位和末位未使⽤。最新的RFC2474重新定义为区分服务，⽤来映射⼀个底层的服务。

4. 总⻓度 (Total Length) [16 bit]：
   该字段以字节为单位定义IP数据报的总⻓度（报头加上数据）。【1字段值对应1B，所以IP数据报的最⼤⻓度为65536B】太⻓的报⽂会进⾏分段，⼀般不会超过576B

5. 标识 (Identification) [16 bit]：
   标识字段唯⼀地标识主机发送的每⼀个数据报。通常每发送⼀个报⽂，其值⾃动加1。如果数据报被分⽚，每个分⽚都设置相同的标识号码。【在分段中使⽤】

6. 标志 (Flags) [3 bit]：第1位未使⽤，DF位（第2位）置1表⽰不要分段，MF位（第3位）置1表⽰分段后还有进⼀步的分段，最后⼀个分段MF位为0。

7. ⽚偏移 (Fragment Offset) [13 bit]：
   分段偏移说明该分段在数据报中的位置。以8字节为单位，如偏移量1对应字节号8，偏移量2对应字节号16。

8. ⽣存时间 (Time to Live, TTL) [8 bit]：
   TTL字段设置数据报可以经过的最多路由器数量。每经过⼀个路由器，值减1，值为0时数据报被丢弃（并发送ICMP报⽂通知源主机）。防⽌数据报在⽹络中⽆限循环。【通常⽣存时间的起始值是32、64、128】

9. 协议 (Protocol) [8 bit]：
   IP数据报的上层协议。常⻅的协议值包括ICMP（1）、IGMP（2）、TCP（6）、UDP（17）、IPv6（41）、OSPF（89）。

10. 报头校验和 (Header Checksum) [16 bit]：
    根据IP报头计算的校验和，⽤于检测报头在传输过程中是否出现差错。采⽤16位反码求和算法。IP数据报每经过⼀个路由器，路由器都要重新计算⾸部检验和，因为某些字段（⽣存时间、标志、⽚偏移等）的取值可能发⽣变化。由于IP层本⾝并不提供可靠传输的服务，并且计算⾸部校验和是⼀项耗时的操作，因此在IPv6中，路由器不再计算⾸部校验和，从⽽更快转发IP数据报。

11. 源IP地址 (Source IP Address)：
    每个数据报都包含源IP地址。

12. ⽬的IP地址 (Destination IP Address)：
    每个数据报都包含⽬的IP地址。

可变部分（选项、数据）

1. 选项：可选字段，⽤于携带额外的信息。【最⼤40B】
2. 数据：实际传输的数据部分。

---

最⼤传送单元(MTU)： MTU（Maximum Transmission Unit）是指在⽹络上传输的最⼤数据帧的⼤⼩，通常以字节为单位。MTU限制了IP数据报在传输链路上的最⼤⻓度。MTU的⼤⼩包括IP报头和数据部分。当数据报的⼤⼩超过MTU时，需要进⾏分⽚（Fragmentation）。

ARP (地址解析协议)

• 功能：将 IP 地址（逻辑地址）解析为 MAC 地址（物理地址）。
• 工作流程：ARP协议的请求包是以⼴播⽅式发送的。⽹段中的所有主机都会接收到这个包，如果⼀个主机的IP地址和ARP请求中的⽬的IP地址相同，该主机会对这个请求数据包作出ARP应答，将其MAC地址发送给源端。
  1. 广播请求：发送方在局域网广播 ARP Request（“谁是 IP x.x.x.x？请告诉我你的 MAC”）。
  2. 单播响应：目标主机收到后，单播回复 ARP Reply。
  3. 缓存：双方将映射关系存入 ARP 高速缓存。
• ARP 代理：路由器代替处于另一网段的主机回答 ARP 请求。

DHCP (动态主机配置协议)

• 功能：自动分配 IP 地址、网关、DNS 等。
• 流程：
  1. Discover：客户机广播寻找服务器。
  2. Offer：服务器提供 IP 地址。
  3. Request：客户机选择并请求使用该 IP。
  4. Ack：服务器确认。

ICMP (Internet 控制报文协议)

ICMP 封装在 IP 数据报中，用于报错和查询。

• 差错报文：
  • 终点不可达：路由找不到目标。
  • 源点抑制：网络拥塞，让发送方慢点发（流量控制）。
  • 超时：TTL 耗尽（Traceroute 利用此原理）。
  • 重定向：告诉主机有更好的路由路径。
• 查询报文：
  • 回送请求/回答：即 Ping 命令的原理，测试连通性。
  • 时间戳请求/回答、地址掩码请求/回答。

IGMP (Internet 组管理协议)

• 功能：管理多播组成员。
• 地址映射：组播 IP (Class D) 映射到 MAC 地址时，IP 的低 23 位直接映射到 MAC 的低 23 位，MAC 高位固定为 01-00-5E。由于 IP 多播地址有 28 位有效，映射时会丢弃 5 位，导致 32 个不同的 IP 组播地址可能映射到同一个 MAC 地址（需在 IP 层进一步过滤）。

传输层协议：UDP 与 TCP

UDP (用户数据报协议)

• 特点：无连接、不可靠、面向报文、无拥塞控制、首部开销小（仅 8 字节）。
• 首部：源端口、目的端口、长度、校验和。
• 适用：实时应用（视频、语音）、DNS、DHCP。

TCP (传输控制协议)

• 特点：面向连接、可靠、字节流、全双工。
• 首部格式：
  • 序号 (Seq)：本报文段第一个字节的编号。
  • 确认号 (Ack)：期望收到对方下一个报文段的第一个字节序号。
  • 标志位：SYN (建立连接), ACK (确认有效), FIN (断开连接), RST (复位), URG (紧急), PSH (推送)。
  • 窗口：接收方通知发送方自己的缓存大小（用于流量控制）。

TCP 连接管理

• 三次握手 (建立连接)：
  1. A -> B: SYN=1, Seq=x (A 请求连接)。
  2. B -> A: SYN=1, ACK=1, Seq=y, Ack=x+1 (B 同意并请求连接)。
  3. A -> B: ACK=1, Seq=x+1, Ack=y+1 (A 确认 B 的请求)。
• 四次挥手 (释放连接)：
  1. A -> B: FIN=1, Seq=u (A 说我发完了)。
  2. B -> A: ACK=1, Seq=v, Ack=u+1 (B 说知道了，但 B 可能还有数据要发)。
  3. … (B 继续发送数据) …
  4. B -> A: FIN=1, ACK=1, Seq=w, Ack=u+1 (B 也发完了)。
  5. A -> B: ACK=1, Seq=u+1, Ack=w+1 (A 确认，等待 2MSL 后彻底关闭)。

TCP 拥塞控制

拥塞控制是防止网络过载，不同于流量控制（点对点）。包含四个算法：

1. 慢启动 (Slow Start)：

   • 初始拥塞窗口 cwnd = 1 (MSS)。
   • 每收到一个 ACK，cwnd 加 1。
   • 效果：每经过一个传输轮次 (RTT)，cwnd 加倍 (1, 2, 4, 8…)，呈指数增长。
   • 直到 cwnd 达到 慢启动阈值 (ssthresh)。

2. 拥塞避免 (Congestion Avoidance)：

   • 当 cwnd >= ssthresh 时进入此阶段。
   • 每经过一个 RTT，cwnd 加 1 (线性增长)。

3. 超时处理 (Timeout)：

   • 若发生超时（严重拥塞）：
     • ssthresh = 当前 cwnd / 2。
     • cwnd = 1。
     • 重新进入慢启动。

4. 快速重传与快速恢复 (Fast Retransmit / Fast Recovery)：

   • 若收到 3个重复的 ACK（轻度拥塞）：
     • 立即重传丢失的报文（快速重传）。
     • ssthresh = 当前 cwnd / 2。
     • cwnd = 新的 ssthresh + 3 (加上3个重复ACK的量)。
     • 进入拥塞避免（线性增长）。

计算例题解析 (Slide 30-31):

• 题目：MSS=1KB，当前拥塞窗口 18KB，发生超时。接着 4 个传输并发量都成功。求窗口大小？
• 解析：
  1. 发生超时：ssthresh = 18 / 2 = 9KB，cwnd = 1KB。
  2. 第1次传输成功（慢启动）：cwnd = 1 * 2 = 2KB。
  3. 第2次传输成功：cwnd = 2 * 2 = 4KB。
  4. 第3次传输成功：cwnd = 4 * 2 = 8KB。
  5. 第4次传输：此时窗口为8KB。
  • 注意：若问第4次传输后的窗口：理论上 8*2=16，但 ssthresh=9。所以 cwnd 会先变成 9，然后进入拥塞避免线性增长。

IPv6 基础

• 地址长度：128位（16字节），冒号十六进制表示。
• 改进：
  • 简化的固定首部（40字节），提高路由器处理效率。
  • 取消了首部校验和（依赖链路层和传输层）。
  • 不允许路由器分片（源主机负责分片）。
  • 支持即插即用（自动配置）。
• 过渡技术：双协议栈、隧道技术。

Internet 服务

DNS 服务 (Domain Name System)

DNS 是互联网的基础设施，解决了“人类好记的域名”与“机器好用的IP地址”之间的转换问题。

核心概念

• 功能：实现域名 <–> IP地址的相互映射。
• 特性：是一个分布式数据库系统，具有层次结构。相比于早期的HOSTS文件（集中式、无法缩放），DNS通过分层管理解决了网络规模扩展的问题。

域名空间结构 (Tree Structure)
DNS 使用倒树状的层次结构：

• 根域 (Root)：树的顶端，通常用点号 . 表示。
• 顶级域 (TLD)：
  • 通用顶级域 (gTLD)：.com (商业), .edu (教育), .org (非盈利), .net (网络服务) 等。
  • 国家/地区顶级域 (ccTLD)：.cn (中国), .us (美国), .uk (英国), .hk (香港) 等。
• 二级/三级域：如 jlu.edu.cn (吉林大学), pku.edu.cn (北大)。
• 完全限定域名 (FQDN)：从叶子节点到根节点的完整路径，如 www.jlu.edu.cn.。

域名服务器体系

• 根域名服务器：全球共有13套（A-M），知道所有顶级域服务器的地址。
• 顶级域名服务器：负责管理 com, org, cn 等顶级域。
• 权限域名服务器：负责管理某个具体区域（Zone）的解析，如吉林大学的DNS服务器管理 jlu.edu.cn。
• 本地域名服务器 (Local DNS)：电脑上网时默认配置的DNS（如ISP提供的），负责代理用户进行查询。

解析过程 (重点)

• 递归查询 (Recursive)：主机向本地域名服务器发起。要求“必须给我一个结果”（如果不知道，你去帮我问）。
• 迭代查询 (Iterative)：本地域名服务器向根/顶级/权限服务器发起。答复通常是“我不知道具体IP，但你可以去问下一级的某某服务器”。
• 流程示例：
  1. 主机询问本地DNS：www.mcgraw.com 是多少？
  2. 本地DNS问根服务器：.com 归谁管？ -> 根回复：去找 .com 服务器。
  3. 本地DNS问 .com 服务器：mcgraw.com 归谁管？ -> 回复：去找 mcgraw.com 的权限服务器。
  4. 本地DNS问 mcgraw.com 服务器：www 是多少？ -> 回复：是 x.x.x.x。
  5. 本地DNS将结果返回给主机。

缓存 (Caching)
为了减轻服务器负担，解析结果（包括“查无此人”的否定结果）会在本地DNS和主机中缓存一段时间（TTL）。

常用工具

• nslookup <域名>：查询域名解析。
• ipconfig /displaydns：查看本地DNS缓存。

电子邮件服务 (E-mail)

电子邮件是互联网最早、最广泛的应用之一。

系统组成

• 用户代理 (User Agent, UA)：用户使用的客户端软件（如Outlook, Foxmail），负责撰写、阅读、管理邮件。
• 邮件服务器 (Mail Server)：负责发送和接收邮件，维护用户邮箱。
• 协议：
  • 发送协议：SMTP (推模式)。
  • 接收协议：POP3 或 IMAP (拉模式)。

SMTP (简单邮件传输协议)

• 功能：用于将邮件从发送方UA推送到发送方服务器，以及从发送方服务器中继到接收方服务器。
• 特点：
  • 使用 TCP 连接，端口 25。
  • 纯文本协议，命令/响应模式（如 HELO, MAIL FROM, RCPT TO, DATA）。
  • 限制：只能传输 7位 ASCII 码。

MIME (通用互联网邮件扩充)

• 背景：为了解决SMTP只能传纯文本、无法传非英语字符/二进制文件（图片、视频）的问题。
• 机制：在邮件首部增加额外的域（如 Content-Type, Content-Transfer-Encoding），将非ASCII数据编码为ASCII字符串传输（常用 Base64 编码）。
• 复合类型：Multipart 类型允许一封邮件包含正文、附件等多个部分。

接收协议 (POP3 vs IMAP)

• POP3 (邮局协议 v3)：
  • 脱机模型。用户下载邮件到本地，通常会从服务器删除（虽可配置保留，但同步性差）。
  • 操作简单，端口 110。
• IMAP (互联网邮件访问协议)：
  • 联机模型。邮件保存在服务器上，客户端只是一个“窗口”。
  • 支持在服务器上建文件夹、标记状态，适合多终端同步使用。端口 143。

FTP 服务 (File Transfer Protocol)

FTP 用于在异构网络（不同操作系统）之间可靠地传输文件。

工作原理 (双连接模式)
FTP 不同于 HTTP，它同时使用两个 TCP 连接：

• 控制连接 (Control Connection)：
  • 端口 21。
  • 用于发送命令（如 LIST, RETR, STOR）和响应。
  • 在整个会话期间一直保持。
• 数据连接 (Data Connection)：
  • 端口 20（主动模式下）。
  • 用于传输实际的文件内容或目录列表。
  • 非持续：每传一个文件，建立一个新连接，传完即断开。

两种工作模式 (常考区别)

• 主动模式 (PORT / Active)：
  • 客户端告诉服务器：“我打开了端口X，你来连我”。
  • 服务器从 20端口 主动发起连接到客户端的X端口。
  • 问题：客户端如果有防火墙，可能会拦截服务器的主动连接。
• 被动模式 (PASV / Passive)：
  • 客户端告诉服务器：“我准备好了，你开个端口等我连”。
  • 服务器开启一个随机端口P，通知客户端。
  • 客户端主动发起连接到服务器的P端口。
  • 优势：对客户端防火墙友好。

Web 服务 (World Wide Web)

万维网是一个分布式的超媒体系统。

核心组件

• URL (统一资源定位符)：标识网络资源的地址。格式：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>。
• HTML (超文本标记语言)：用于描述网页结构和内容。
• HTTP (超文本传输协议)：浏览器和服务器之间的通信规则。

HTTP 协议

• 特点：
  • 基于 TCP，默认端口 80。
  • 无状态 (Stateless)：服务器不记得以前来过这台客户端（需用 Cookie/Session 维持状态）。
  • 请求/响应模型。
• 连接方式：
  • 非持久连接 (HTTP/1.0)：每请求一个对象（如网页里的一张图），都要新建一个TCP连接。效率低，延迟高。
  • 持久连接 (HTTP/1.1)：Keep-Alive。建立一次TCP连接后，可以传输多个对象，减少握手开销。

Web 代理 / 缓存

• 为了加快访问速度，通常在局域网出口设置代理服务器（Proxy）。
• 浏览器先问代理：“你有这个网页吗？”
• 如果有（命中），直接返回；如果没有，代理由去源服务器取，取回后发给用户并保存在本地缓存中。

参考和注解