CS3311 计算机网络

王道烤盐

ch1 计网体系结构

计算机网络概述

• 组成部分
• 工作方式
  • 边缘部分
    • 用户直接使用
    • C/S
      • client-server
        • * B/S: brower-server
    • P2P
  • 核心部分
• 功能组成
  • 通信子网
  • 资源子网
    
• 性能指标
  • 速率，带宽，吞吐量
  • 时延
    • 发送/传输~，传播~，排队~，处理~
    • 时延带宽积 -> 容量
    • RTT 往返时延
      • 发送方发送 -> 发送方接收到确认
  • 利用率

体系结构&参考模型

计算机网络的各层及其协议的集合

• 7层OSI模型（法定标准）

• 4层TCP/IP模型 （事实标准）

ch2 应用层

• Application architecture

  • Client-server
  • P2P
  • hybrid of client-server and P2P
    • Skype: centralized server to find address of remote party, then client-client connection

• Sockets：进程与计算机网络之间的接口

• transport service 一些指标

  • data loss
  • delay
  • throughput
  • security

• Internet transport services

  • TCP
    • connection-oriented: 需要先建立连接
    • reliable transport
    • flow control: 发送的消息不会overwhelm接收方（对于接收方）
    • congestion control: 控制网络不会拥堵（对于网络）
  • UDP
    • use packet-switch
    • unreliable data transfer

• Process identifier = IP address + port number

DNS

• DNS (Domain Name System): map www.sjtu.edu.cn —> 202.120.2.119
  • distributed, hierarchical database
  • root name servers
  • TLD (top-level domains)
  • Local name server: Client needs to be configured with local name server manually or via DHCP.
    • 找到DNS name的方法：iterated query
  • 先local DNS server，然后让local DNS server去找：root DNS server，TLD DNS server，authoritative DNS server
    • 找到DNS name的方法：recursice query
  • 先找local DNS server，然后local DNS sever找root DNS server，然后root DNS server找TLD DNS server，然后TLD DNS server找authoritative DNS server。

Web and HTTP

WWW

client/server model with http

• 首先用DNS把url转换成IP address
• 建立tcp connection
• 发送http request
• 等待http response
• fetch embedded resources
• 清除闲置的tcp connection

HTTP

Hyper Text Transfer Protocol

• 使用TCP，先建立TCP连接，然后用http发送请求
• http是stateless的：不维持状态

• cookies：server在client那里drop一个cookie，保存着server state。然后每次client发消息，就把之前的cookie一起发给server。相当于给client配了一个id，然后server可以在数据库里记录client的情况

• HTTP Performance: Page Load Time (PLT)

  • Round Trip Time (RTT):
    • time for a small packet to travel from client to server and back. 一个来回叫一个RTT
  • Page Load Time (PLT):
    • one RTT to initiate TCP connection
    • one RTT for HTTP request and first few bytes of HTTP
    • file transmission time
    • total = 2RTT + transmit time
• Nonpersistent HTTP:
  • one object sent over one TCP connection，每次发都要新建一个新的tcp connection
  • PLT = N*RTT + transmit time
• Ways to decrease PLT
  • 同时并行发多个http请求
  • 尽量用persistent http
  • move content closer to client
  • SPDY，一种更快的web protocol
• web cache (proxy server)
  • 目标：不用server，加个cache就行（中间环节）
  • browser直接发request到cache，如果有则拿，没有的话cache再向server请求
  • cache acts as both client and server
• conditional GET：cache在发GET给server的时候，加个modify的date，如果date不一样，那server就返回新的data。否则就不用返回新data，回一个304 not modified。
• content delivery networks：client接收完内容后，再把内容发给其他server和cache。这样下次别人要用可以直接拿cache和server里的。

FTP

• Client-server model
• 有两种connection，分开的：
  • TCP control connection，是persistent的
  • TCP data connection，每个文件都要新开一个connection，是non-persistent
• FTP server maintains “state”: current directory, earlier authentication

Electronic Mail

email是怎么做到receiver不在的时候我们的mail也能发到呢？

• 四个部分
  • user agents
  • mail servers
  • transfer protocol (SMTP) ，服务器之间发送email
  • access protocol (POP3, IMAP)，从服务器拿取email

P2P applications

• P2P挑战：

  • No servers on which to rely: Communication must be peer-to-peer and self-organizing, not client-server. 必须自己调度！
  • Limited capabilities: How can one peer deliver content to all other peers? 一个人要发很多人怎么办？
  • Decentralized indexing: How will peers find content,find each other? 怎么找到其他人？
  • Participation incentives: Why will peers help each other? 为什么要互相帮助？

• Distributed Hash Table (DHT)

  • Circular DHT: 每个peer只知道后继节点的ID. $ID(peer)=hash(IP, port)$
  • key look up: 平均$O(N)$的复杂度
  • key look up with shortcuts: 每个peer也维持一些shortcut，可以降到$O(logN)$
  • DHT Finger Table： chap2-2, P25
  • peer leave and join: 每个peer记住它后面两个节点，定时ping一下看看在不在，第一个节点走了的话，就让第二个节点把它的后面节点发过来。

• BitTorrent Protocol

  • 选一个要接收的文件，和tracker请求peer list，然后和peer们进行传输
  • tit-for-tat: 一报还一报。过程：
  1. alice给bob乐观地来点加速，alice成为bob的top 4
  2. bob回报alice，bob也成为alice的top 4
  • Trackerless BitTorrent: 用DHT来标记文件和peer

• P2P Case study: Skype
  • hierarchical overlay with SuperNodes
  • 问题：alice和bob都在NAT之后
  • 解决方法:
  • Alice and Bob connectwith their SNs.
  • Relay is chosen. Each peer initiates session with relay.
  • Peers can now communicate through NATs via relay.

Socket programming with TCP/UDP

• 什么是socket：a door between application process and end-endtransport protocol (UDP or TCP) 应用层和传输层的桥梁

• server和client得有一个socket number

  • socket用port number和IP进行区分

• 需要connection的socket（TCP）：

• 不需要connection的socket（UDP）：

ch3 传输层

• 单位：segment

• 提供进程间的数据传输服务

  • 软/硬件 = 传输实体 entity
  • （网络层：主机间）
• 复用和分用
• 差错检测

Segment (Transport layer) -> Packet (Network layer) -> Frame (Datalink layer)

Multiplexing and demultiplexing

• Ports: server的port选的比较well known，client的port选的比较ephemeral（随意？）

• Upward multiplexing和downward multiplexing，看个图就明白了
  

• Multiplexing/demultiplexing: 先把所有socket的数据都合起来发出去，再在接收方那里解开，分到不同的socket。

  • 带connection的demux，TCP socket：带一个四元组，src IP and port, dst IP and port
  • 不带connection的demux，UDP socket: 带一个二元组，dst IP, dst port

    差错检测：CRC

Given m data bits, generator polynomia- of degree r G(x):

1. Append r zero bits to the low-order end of the frame
   • (it now contains m + r bits. )
2. Divide the m + r bits with r + 1 bit string corresponding to G(x) using modulo 2 division
   • (no carries for addition or borrows for subtraction. Both addition and subtraction are identica- to exclusive OR).
   • The remainder is the r bits CRC.
3. Append the r bits to the m data bits into a m+r codeword which is divisible (modulo 2) by G(x).
4. When the receiver gets the checksummed frame, it tries dividing it by G(x). If there is a remainder, there has been a transmission error.

两个主要协议

• UDP 用户数据报协议
  • 提供无连接服务
  • 对方的运输层在收到UDP报文后，不需要给出任何确认
  • 单位：UDP用户数据报
  • 低时延，小文件适用
• TCP 传输控制协议
  • 提供面向连接的服务
  • 不提供广播或多播服务
  • 单位：TCP报文段
  • 高时延，大文件适用

    UDP

• 无连接
• 不保证可靠交付
  • 可能发生lost,error,out of order (可在应用层增加可靠性)
• 面向报文
  • 适合一次性传输少量数据
• 实时传输，无拥塞控制

• 首部开销小

  首部格式

• 8B，由4部分构成

• UDP长度：数据报差别

• 检验和：检测是否出错

• 分用如果找不到目的端口，则由发送方发送不可达信息（ICMP）

UDP校验

• 伪首部只用于计算检验和，不向下传送也不向上递交

• 具体步骤（发送端）
  • 填上伪首部
  • 全0填充检验和字段
  • 全0填充数据部分
  • 伪首部+首部+数据采用二进制反码求和
  • 和求反码填入检验和字段
  • 去掉伪首部并发送。
• （接收端）
  • 填上伪首部
  • 伪首部+首部+数据采用二进制反码求和
  • 结果全1则无差错

主要特点

• UDP是无连接的
• UDP使用尽最大努力交付
• UDP是面向报文的
• UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界
• 应用程序必须选择合适大小的报文
  若报文太长，IP层在传送时可能要进行分片
  若报文太短，会使IP数据报的首部的相对长度太大
• UDP没有拥塞控制
  因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低
• UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
• UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短

Why UDP?

• no connection establishment (which can add delay)
• no retransmission (which can add delay)
• simple: no connection state at sender, receiver
• small segment header: 8 bytes
• no flow control and congestion control:
  • UDP can blast away as fast as desired

TCP

1. Go-Back-N (GBN):

   • 发送方： GBN是一种滑动窗口协议，发送方可以连续发送多个数据帧，直到达到窗口大小为止。发送方会等待收到对窗口内所有数据帧的确认，然后才能发送下一个窗口的数据帧。
   • 接收方： 接收方按序接收数据帧，如有帧丢失，就会回退（Go-Back）并重新请求所有未确认的帧。
     • 接收方丢弃所有失序分组
   • 优点：接收方只需要缓存一个包就行，不需要缓存失序分组

2. **Selective Repeat (SR):

   • 只重传那些没有正确ACK的包
   • 发送方和接收方都维持相同大小的window size。接收方把接收到的都buffer住。
     • $sending\ window + receiving\ window \leq MAX\ SEQ+1$
   • 发送方： SR也是一种滑动窗口协议，允许发送方同时发送多个数据帧。与GBN不同，发送方只需要重传丢失的帧，而不是整个窗口。
   • 接收方： 接收方按序接收数据帧，并确认它们。即使有帧丢失，接收方也会继续按序接收后续的帧。

3. Transmission Contro- Protoco- (TCP):

   • 特点： TCP是一种面向连接的协议，提供可靠的、有序的数据传输。它使用滑动窗口协议，但其设计更为复杂。TCP包括流量控制、拥塞控制、连接建立和断开等多个功能。
   • 连接建立： 通过==三次握手==建立连接，确保双方都准备好进行通信。
   • 累积确认： TCP使用==累积确认==的机制。这意味着如果接收方成功接收了某个字节之前的所有字节，它只需确认最后一个字节，而不必逐个确认每个字节。
   • 累积确认号和确认标志：
     • TCP报文头部中的确认号字段指示下一个期望接收的字节。
     • 确认标志（ACK标志）用于指示报文是一个确认报文。
   • 滑动窗口：
     • 使用滑动窗口来控制发送和接收的数据量，以提高网络利用率。
   • 可靠性：
     • 提供==数据确认==、==重传==机制以确保数据的可靠传输。
   • 流量控制和拥塞控制：
     • TCP包括流量控制机制，防止快速发送方淹没较慢的接收方；包括拥塞控制，以应对网络拥塞情况。

TCP congestion control

congestion control: open loop, closed loop

• Congestion Avoidance：提前预测，及时避免，主要两种方法
  • host centric：TCP congestion control
  • Router-centric: warning bit, choke packet, load shedding
• AIMD: Additive Increase, Multiplicative Decrease
  • MD: decrease window by factor of 2 when loss，减少的时候一下子除以2
  • AI: additive increase until packet loss，增加的时候一个个加
• Explicit Congestion Notification：
  • 直接通知堵塞的packet的sender

丢包判断:

1. time out
2. 连续3个duplicate的ACK

• TCP Tahoe/Reno implements AIMD to limit the sending rate.
• Sender uses packet loss as the network congestion signal.
• TCP use a Congestion Window (CongWin) next to the window granted by the receiver.
  • The actual window size is the minimum of the two.
  • Self-clocking: The CongWin size should be adjusted frequently, to match the networking carrying capacity

端口

• 虽然通信的终点是应用进程，但只要把所传送的报文交到目的主机的某个合适的目的端口

• TCP/IP的运输层用一个16位端口号来标志一个端口，端口号只具有本地意义

• 服务端

  • 熟知端口号 0-1023
  • 登记端口号 1024-49151
• 客户端
  • 仅在客户进程运行时才动态选择
  • 49152-65535
• 套接字 = IP + 端口号
  • IP确定主机
  • 端口号确定进程

ch4 网络层

主要任务：把分组从源端传输到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务 allow packets to be sent between any pair or hosts

路由器的工作：

• routing: determine route from source to dest; determine the output link.
• forwarding/switching: move packets from router’s input to appropriate router output
• congestion control: drop packets, update routing table

IP service model:

• Datagram 数据报
• Unreliable
• Best effort
• Connectionless
  • No per-flow state, might mis-sequece packets

Virtual-Circuit and Datagram Switching

Datagram Switching

• destination address as the index of forwarding

• Forwarding table 转发表
• Longest Prefix Matching
  • 减小转发表长度

Virtual-Circuit

VC consists of:

• path from source to destination
• VC numbers
• entries in routers along path

packet carries VC number (rather than dest address) as the index of forwarding

转发表示例：

Router architecture

• Four parts: input and output port, routing processor and switching fabric.

Two key router functions:

• run routing protocol
  • RIP, OSPF, BGP
• forwarding datagrams from incoming to outgoing link

Input Port Queuing

• Head-of-the-Line (HOL) blocking:
  • queued datagram at front of queue prevents others in queue from moving forward

Output Port Queuing

• buffering when arriva- rate via switch exceeds output line speed
• queueing (delay) and loss due to output port buffer overflow!

Packet Scheduling

Scheduling:

• chooses among queued datagrams for transmission
  • fair queuing
  • weighted fair queuing

IP: Internet Protocol

Datagram format

IP Header TOS

IP Fragmentation and Reassembly

• Network links have Maximum Transmission Unit (MTU)

IPv4

• Classfu- IP addressing

• Specia- addresses

Subnetting: dividing an IP network into two or more
networks

VLSM (Variable Length Subnet Mask) 子网掩码

• IP address = subnet id + host id

• how to denote subnet mask?

  • a.b.c.d/x, where x is # bits in subnet portion of address
  • 1 for subnet id bits, 0 for host id bits (e.g. 255.255.255.0)

• how to assign IP addresses for the subnets?

  • fix subnet part first
  • fix host part first

-> Given a class C IP address 223.1.1.0, how to assign IP addresses for the subnets?

• Host first
• Subnet first:
  • 6 subnets (>= 8 parts, host ID <= 5 bits)
  • -> x = 27
  • .32 -> .64 -> .96 … -> .192 (use broadcast address to indicate al- IP under a subnet)

• 网络地址：表示了整个网络，不能被分配给具体的主机。例如，在子网掩码为/24的网络中，网络地址是第一个地址，即 x.x.x.0，不属于主机地址

• 广播地址： 广播地址用于将数据包发送到网络上的所有主机。例如，在子网掩码为/24的网络中，广播地址是最后一个地址，即 x.x.x.255。

CIDR表示法 Classless InterDomain Routing

• Assign class C addresses in contiguous blocks of 256 addresses so that multiple entries in routing table can be reduced into one

CIDR表示法（a.b.c.d/x）转换为子网掩码通过将所有32位的二进制数中的前 x 位设置为 1，然后将 32-x 设置为 0 来完成。

• /26确定了subnet标识符的长度为32位IP地址的前26位
• subnet mask的前25位则位1，其余位设置为0，即可得到子网掩码

DHCP

DHCP的工作流程如下：

• 设备连接到网络时，它发送DHCP请求（DHCP Discover）以寻找可用的DHCP服务器。
• DHCP服务器收到请求后，为设备提供IP地址和其他配置信息（DHCP Offer）。
• 设备选择一个提供的配置，并向选择的DHCP服务器发送请求（DHCP Request）。
• 服务器确认请求，设备获得分配的IP地址和配置信息（DHCP Ack）。

通常路由器或无线路由器会集成DHCP服务器功能，以便自动为连接到网络的设备分配IP地址。

NAT: Network Address Translation

• Motivation:
  hosts in LANs use private IP addresses and share one public IP address for Internet access:
  • handle public IP address shortage.
  • can change addresses of devices in LAN without notifying outside world
  • can change ISP without changing addresses of devices in LAN
  • devices inside not explicitly addressable, visible by outside world (a security plus).

NAT traversa- problem

• solution 1: 静态NAT端口映射在NAT设备上手动配置
  • statically configure NAT to forward incoming connection requests at given port to server
  • e.g., (123.76.29.7, port 2500) always forwarded to 10.0.0.1 port 25000

端口地址转换（Port Address Translation，PAT）结合使用。在PAT中，多个设备可以共享同一个公共IP地址，但通过使用不同的端口号来区分它们。

• solution 2: Universa- Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) Protocol. NATed主机可以在运行时动态配置端口映射，无需手动干预NAT规则。
• ==automate static NAT port map configuration==
  • Allows NATed host to:
    • learn public IP address (138.76.29.7) **学习公共IP地址
      • NATed主机可以使用UPnP协议获取与NAT设备关联的公共IP地址。这对于NATed主机了解其在互联网上的外部标识是很有用的。
    • add/remove port mappings (with lease times) **添加/删除端口映射
      • NATed主机可以通过UPnP协议请求NAT设备在路由器上创建或删除端口映射。这意味着NATed主机可以动态配置路由器以允许从外部访问它的服务。
      • 映射的端口是由UPnP协议与NAT设备协商确定的，租约时间规定了端口映射的持续时间，一旦过期，NAT设备可以自动删除映射。

• solution 3: relaying (used in Skype)
  • NATed client establishes connection to relay 中继
  • Externa- client connects to relay
  • relay bridges packets between to connections

在中继方案中，不需要在NAT设备上配置端口映射规则，也不需要NATed客户端能够接收来自外部网络的连接。两方客户端都只需知道中继服务器的公共IP地址进行联络，而不需要直接处理彼此所在的NAT过程。

ICMP (Internet Contro- Message Protocol)

• used by hosts & routers to communicate network-leve- information
  • error reporting: unreachable host, TT- exceeded, redirect, Checksum failed etc.
  • echo request/reply (used by ping)
• network-layer “above” IP:

IPv6

• Initia- motivation:
  • 32-bit address space soon to be completely allocated.

• Additiona- motivation:

  • header format helps speed processing/forwarding
  • header changes to facilitate QoS

• IPv6 datagram format:

  • fixed-length ==40 byte header==
  • extension headers allowed

• IPv6 Addresses

  • The 16-byte IPv6 address is written as 8 groups of 4 hexadecima- digits with colons between
  • e.g. FE80::202:B3FF:FE1E:8329

• An IPv6 address can be in one of three categories:

  • Unicast: A packet sent to a unicast address is delivered to the interface identified by that address.
  • Multicast: The packet wil- be processed by al- members of the multicast group.
  • Anycast (new to IPv6): The packet wil- be delivered to only one of the interfaces configured for the anycast address — usually to the nearest one.

SDN

数据平面->转发过程
硬件为主
控制平面->路由选择过程（较为复杂）
软件为主

• 传统->SDN
  • 传统：路由选择器执行控制平面功能。既进行转发，也维护转发表
  • SDN：路由选择处理器负责与远程控制器通信，接受其计算的转发表项

路由选择 Routing

chap4-2

路由选择算法

• static/dynamic routing

Link State Routing (LSR)

• Each router learns the entire network topology through
  exchanging information with all other routers, and then
  calculate least cost path to the other routers.

• Each router must do the following:

  • Discover its neighbors, measure the delay or cost to each of its neighbors.
  • Construct a packet telling all it has just learned.
  • Flood 洪泛 this packet to all other routers.
  • Compute the least cost path to every other router when costs of all the edges learnt

• All least cost paths from a given source to other nodes in the network, constitute a sink tree

Distance vector routing (DVR) 距离向量路由

• eg. 分布式Bellman-Ford路由算法, RIP

• Each router maintains a table (i.e Distance Vector) with least
  cost/distance to every other routers.

• Each router must do the following:

  • Discover its neighbors, measure the cost to each neighbor v.
  • Exchange DV with the neighbors.
  • Recalculate DV (the new least cost to every other routers) with the Bellman-Ford equation: $d_x(y) = min (c(x,v) + d_v(y) )$
    where $d_x(y)$ is least-cost from x to y, min is taken over all neighbors v of x

  DVR “count to infinity” problem

  • good news travels fast.
  • bad news travels slowly :
    • count-to-infinity in the presence of node crashes
  • unsuitable for large network.

    LSR vs DVR

1. message complexity: how many msgs sent between all n nodes?
   • LS: with n nodes, E links, totally $O(n\times E)$ msgs sent
   • DV: exchange between neighbors only, totally $O(n)$ msgs sent
2. computation complexity: algorithm for calculating least cost each
   • LS: Dijkstra , $O(n^2)$
   • DV: Bellman-Ford equation , $O(n)$
3. speed of convergence: given a change, how long until the network re-stabilizes?
   • LS: 1 iteration. may have oscillations
   • DV: n iterations.
     • Good news travel fast, but possible count-to-infinity problem for bad news.
4. Robustness: what can happen if a router fails or misbehaves?
   • LS: robust. Node route calculations are somewhat separated
   • DV: an incorrect node calculation can be diffused through the entire network. A node can advertise incorrect least-cost paths to its neighbors and then pass indirectly to its neighbor’s neighbors and then to all destinations.

Hierarchical Routing 层次路由算法

hierarchical routing saves table size, reduced update traffic.

• “autonomous systems” (AS)
  • aggregate routers into regions, correspond to an administrative domain 管理域.
  • Assigned an unique 16/32 bit number.
• ==intra-AS==/interior gateway routing 内部网关路由
  • should find the least cost path as best as possible
  • routers in same AS run same routing protocol -> trusted
  • routers in different AS can run different intra-AS routing protocol
• ==inter-AS==/exterior gateway routing 外部网关路由
  • has to deal with a lot of politics.
  • Routers do not automatically use the routes they find, but have to check manually whether it is allowed.
  • admin controls over how traffic routed -> untrusted

Broadcast routing

In-network duplication

• flooding: when node receives broadcast packet, sends copies to all neighbors
  • Problems: cycles & broadcast storm
• controlled flooding：
  • TTL，age
  • node keeps track of packet IDs already brdcsted
  • reverse path forwarding (RPF):
    • only forward packet if it arrived on shortest path between node and source
• spanning tree
  • no redundant packets received by any node

Reverse Path Forwarding

• Method: use the routing table reversely. If the broadcast
  packet comes from a node which is the next hop to the source,
  then forwards copies of it onto all lines except the one it
  arrived on, else discards it.
• Pros: efficient and easy to implement

ch5 数据链路层

Link layer is implemented in “adaptor” (network interface card NIC) in each host and routers.

Data-link layer has responsibility of transferring datagram from one node to physically adjacent node over a link (node-to-node job)

Functions

• reliable data transfer 可靠传输
  • error control 差错控制
  • flow control 流量控制
• sharing a broadcast channel: multiple access control
• link layer addressing 封装成帧和透明传输

Functions

• 加强物理层传输原始比特流的功能，使之对网络层表现为无差错链路

封装成帧

• 添加首尾部，构成帧定界
• 帧同步：接收方可以从二进制比特流中区分帧的起始和终止

透明传输

• 不管所传数据是什么组合，都应当可在链路上传输。
• 所传数据的比特组合恰好等于控制信息也不会导致误认。

1. 字符计数法

   • 容易出错

2. 字符填充法

• 在数据段内的SOH和ESC前添加转义字节防止误判

1. 零比特填充法

• 每遇到5个1就填充1个0

  Two point-to-point Data Link
  Protocols

• HDLC – High-Level Data Link Control 高级数据链路控制

  • A pretty old, but widely used protocol for point-to-point connections.
  • bit-oriented
• PPP – The Point-to-Point Protocol 点到点协议
  • Internet standard (RFC1661 1662 1663), is used in the Internet for a variety of purposes, including router-to-router traffic and home user-to-ISP traffic.
  • byte-oriented

ch6 物理层

• 信源 - 信道 -> 信宿

通信方式

• 单工通信

  • 单一方向，单一信道

• 半双工/双向交替通信

  • 均可发送和接受，但是不能同时
  • 两条信道

• 全双工/双向同时通信

传输方式

• 串行/并行

• 同步/异步

  • 同步：以数据区块为单位，先送出同步字符
  • 异步：以组为单位，加字符起始位和终止位

• 码元

  • 固定时长的信号波形
  • M个离散状态 -> M进制码元

奈氏准则

在理想低通条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W为信道带宽，单位为Hz。

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比 (信号的平均功率S/噪声的平均功率N -> db表示 = $10log_{10}S/N$) 就很重要。

编码&调制

• 信号类型
  • 基带信号：直接表达了要传输的信息的信号
    • 数字信道 -> 基带传输
  • 宽带信号：基带信号调制后的频分复用模拟信号
    • 模拟信道 -> 宽带传输

数据 -> 数字信号（编码）

曼彻斯特编码：自同步，但是占用两倍宽度的频带，数据传输速率为调制速率的一半
+差分：同1异0（虚线两侧）。更强的抗干扰性

信号电平翻转表示0

4B/5B：额外插入比特，保留控制码

模拟数据 -> 数字信号

高保真：PCM 脉码调制
f采样频率>=2f信号最高频率

数据 -> 模拟信号（调制）

调频+调相 = QAM
可以表示的码元类型为相位类型数*振幅类型数

模拟数据 -> 模拟信号

频分复用

数据交换

电路交换

• 建立连接 -> 通信 -> 释放连接
• 高占用，低时延，建立连接时间长，全双工，控制简单

报文交换

存储转发

• 只适用于数字信号

分组交换

分组后存储转发

• 数据报方式

  • 无连接服务
  • 分组多次，不能保证到达顺序
  • 每次转发进行验证后删除，有一定时延

• 虚电路方式

  • 连接服务
  • 需要携带虚电路号信息
  • 顺序保证

传输介质

物理通路

• 导向性

  • 双绞线
    • 屏蔽~ STP，非屏蔽~ UTP
  • 同轴电缆
  • 光纤
    • 光脉冲
    • 带宽极大
    • 实心纤芯 + 包层
    • 单模 -> 横向，远距离；多模 -> 易失真，近距离

• 非导向性

  • 无线电波：所有方向
    • 强穿透，远距离
  • 微波：定向
    • 地面微波接力通信
    • 卫星通信
  • 红外线/激光：定向

设备

• 中继器

  • 再生和还原数字信号
  • 没有存储转发功能
  • 使用范围有限制：5-4-3规则
    

• 集线器

  • 再生 放大 转发信号
  • 共享式设备
  • 非定向