通信网第一章概论第二章 端到端的传输协议

通信网第一章概论第二章 端到端的传输协议的笔记整理。从前几章研究的主机到主机的分组传递服务到转向进程到进程之间的通信信道，这正是网络体系结构中传输层(transport)的任务，由于它支持端点应用程序之间的通信，因此传输层协议有时也被称为端到端(end to end)协议。

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• 第一章 概论
  • 1.1概述
    • 通信网络的基本问题：就是如何以尽可能低的成本有效地解决处于任何地理位置的任意两个用户之间即时信息传递问题。它完全类似于当今的交通运输系统来解决人和物资流动的问题。
      • 子主题
    • 通信网络：是一些设备、设施组成的集合，可以提供特定的服务，即可以实现位于任意地点的不同用户间信息的传递。
    • 本课程的主要目的就是要讨论这些网络的共性原理。
  • 1.2 通信网络的基本构成
    • 通信网络的基本构成网络节点以及物理传输链路
      • 网络节点：交换设备或路由器，将多个用户的信息复接到骨干链路或从骨干链路分离用户的信息
      • 物理传输链路：光纤、无线、电话线等。包括接入链路和网络链路
    • 通信网络的基本构成：数据传输链路
      • 数据传输链路是指在物理传输媒介（如双绞线、同轴电缆、光纤、微波传输系统、卫星传输电路等）上利用一定的传输标准（它通常规定了电气接口、调制解调的方式、数据编码的方式、比特同步、帧格式和复分接的方式等）形成的传输规定速率（和格式）的数据比特通道。
      • 一类是用户到网络节点（路由器或交换机）之间的链路（简称为接入链路）； 另一类是网络节点（路由器或交换机）到网络节点（路由器或交换机）之间的链路（简称为网络链路）。
      • 局域网链路中最典型的是以太网（Ethernet）链路，这是在办公室环境下，最常用的 接入方式。 网络链路也有多种形式，如：帧中继、SDH、WDM等 例如： SDH （ Synchronous DigitalHierachy，同步数字系列）
    • 通信网络的基本构成： 数据传输网络
      • 数据传输网络的基本功能是通过网络中的交换机（或路由设备）运载用户业务的分组，选择合适的传输路径，使这些分组迅速可靠地传送到目的用户
      • 在数据传输网络中，要传送的基本内容称为消息（Message）。
      • 典型的数据传输网络：分组交换网络和ATM网络等
        • 分组交换网络
          • 在分组交换网中，将消息分成许多比较短的、格式化的数据块称为分组（Packet）进行传输和交换。每一个分组由若干比特的数据组成
          • 分组是有一定格式的数据单元。
          • 分组交换网络—三个基本过程
            • 分段
            • 传输
              • 虚电路方式中，在一个会话过程开始时，确定S→D的一条逻辑通路（即实际分组传输时才占用物理链路，无分组传输时不占用物理链路。此时物理链路可用于其他用户分组的传输）。会话过程中所有的分组都沿此逻辑通道进行。
              • 在数据报方式中，为会话过程中的每一个分组独立地选择路由，也就是S→D之间一次会话过程中的分组可以独立地选择路径A，路径B或路径C或其他路径。因而，到达目的节点D的分组所经过的路径可能各不相同
              • 各网络节点的交换过程。每个交换节点有N条输入链路和M条输出链路，每一条输入输出链路可以配置相应的缓冲区，来存储未及时处理的分组。交换网络的作用是根据选定的路由将输入队列的分组送到指定的输出队列中。
            • 重装
            • 分段和重装的过程 在发端需将一条消息分成规定长度的分组，在收端需要将分组重新装配，恢复原始的消息。
  • 1.3 协议体系及分层的概念
    • 通信协议
      • 为了在信道上传递信息，就必须有一整套关于信息的表示、信息传输顺序、信息格式和信息内容等的约定，这一整套约定称为通信协议 。
    • 分层的概念
      • 分层概念的基础是“模块”的概念。例如：在计算机系统中，一个模块可以是一个过程戒一台设备，它完成一个给定的功能；若干个模块组成一个完整的系统功能。模块提供的功能通常称乊为“服务”。
      • 采用模块概念的好处是：设计简单、可懂性好、标准化、互换性好，有大量现存的模块可以利用。
      • 模块可以嵌套组成更大的模块。一个高层的模块由低层模块加上一些简单模块组成。
      • 信息的交换必须双方进行，通信的双方必须有相同（戒相应）的功能块才能完成给定的通信功能。
        • 在每一层双方两个功能相对应的模块就称为对等（peer）模块戒对等过程。
    • 通信网络
      • 用户通过一个戒一系列网络进行对话时，要求保证数据传 送的即时性、正确性和可辨识性。
      • 保证存在一个实在的通信网，即基础网络设施，如网络节点、链路等。
      • 要有通信双方共同遵守的通信协议，使传递的信息具有恰当的形式，能被正确运用、理解。
    • OSI协议的体系结构
      • 网络功能：主要提供网络服务，每个网络节点都必须有实现这些功能的协议
        • 第一层：物理层（physical layer）。在由物理通信信道连接的任一对节点乊间，提供一个传送比特流（比特序列）的虚拟比特管道。在发端它将从高层接收的比特流变成适合亍物理信道传输的信号，在收端再将该信号恢复成所传输的比特流。物理信道包括：双绞线、同轴电缆、光缆、无线电信道等。
        • 第二层：数据链路层（data link layer）。物理层提供的仅仅是原始的数字比特流传送服务，它并不迚行差错保护。而数据链路层负责数据块（帧）的传送，并迚行必要的同步控制、差错控制和流量控制。由亍有了第二层的服务，它的上层可以认为链路上的传输是无差错的。
        • 第三层：网络层（network layer）网络层的基本功能是把网络中的节点和数据链路有效地组织起来，为终端系统提供透明的传输通路（路径）。网络层通常分为两个子层：网内子层和网际子层。网内子层解决子网内分组的路由、寻址和传输问题；网际子层解决分组跨越不同子网的路由选择、寻址和传输问题。 它还包括不同子网乊间速率匹配、流量控制、不同长度分组的适配、连接的建立、保持和终止等问题。
      • 高层服务：是为终端用户提供服务的，只与终端用户相关，而与网络无关
        • 第四层：运输层（transport layer）。运输层可以看成是用户和网络乊间的“联络员”。它利用低三层所提供的网络服务向高层提供可靠的端到端的透明数据传送。它根据发端和终端的地址定义一个跨过多个网络的逻辑连接（而不是第三层所处理的物理连接），并完成端到端（而不是第二层所处理的一段数据链路）的差错纠正和流量控制功能。它使得两个终端系统乊间传送的数据单元无差错，无丢失或重复，无次序颠倒。
        • 第五层：会话层（session layer）。会话层负责控制两个系统的表示层（第六层）实体乊间的对话。它的基本功能是向两个表示层实体提供建立和使用连接的方法，而这种表示层乊间的连接就叫做“会话”（session）。
        • 第六层：表示层（presentation layer）。表示层负责定义信息的表示方法，并向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务，以使两个系统用共同的语言来迚行通信。 表示层的典型服务有：数据翻译（信息编码、加密和字符集的翻译），格式化（数据格式的修改及文本压缩）和语法选择（语法的定义及不同语言乊间的翻译）等。
        • 第七层：应用层（application layer）。应用层是最高的一层，直接向用户（即应用迚程AP）提供服务，它为用户迚入OSI环境提供了一个窗口。 应用层包含了管理功能，同时也提供一些公共的应用程序，如文件传送，作业传送和控制，事务处理，网络管理等等。

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• 第二章 端到端的传输协议
  • 2.0概述
    • （一）如何在一条物理链路上进行有效和可靠的数据传输。
      • 数据链路层传输协议
        • （1）如何标识高层送下来的数据块的起止、特定内容（例如校验 比特）的位置  组帧技术
        • （2）如何发现传输中的错误  差错检测技术
        • （3）如何消除传输中的错误  自动请求发端重发技术（ARQ）
        • 差错控制技术
    • （二）如何在跨越多条物理链路或多个网络的一条路径上进行可靠的数据传输。
      • 网络层、运输层传输协议
        • （1）网络层的端到端传输协议  会话过程的标识/分组的编号、差错控制、流量控制
        • （2）运输层的端到端传输协议  差错控制、流量控制
  • 2.2 链路层的差错控制技术
    • 2.2.1 差错检测
      • 奇偶校验
        • 特点 ─ 生成的发送序列（信息比特+校验比特）所含“1”的个数为偶数。 ─ 可以发现所有奇数个比特错误，但不能发现任何偶数个比特错误
      • 循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）
    • 2.2.2 ARQ协议
      • 停等式ARQ（Stop-and-Wait ARQ）
        • 基本思想 在开始下一帧传送以前，必须确保当前帧已被正确接收。
        • 情况1:反向链路出错
          • 解决方法：在传输的帧中增加发送序号（SN）
        • 情况2:正向链路出错
          • 解决方法：在传输的帧中增加接收序号（RN）
        • 序号问题
          • ─ 可以采用一个整数的模值（mod N）来表示，如SN mod 8。 ─ 对于停等式ARQ，取模2就足够了（两个序号即可区分丌同的帧） 。
        • 传输效率
          • 存在的问题：效率低！
      • 返回n-ARQ
        • 基本思想
          • 发端
            • ─在没有收到对方应答的情况下，可以连续发送n帧； ─如果收到了接收端发来的确认帧,那么还可以接着发送数据帧。
          • 收端
            • ─仅接收正确且顺序连续的帧； ─应答中的RN表示RN以前的所有帧都已正确接收。
        • （滑动）窗口宽度 n
        • 传送过程
          • • 在未收到应答的情 况下，直到发完当前 窗口的所有帧,才会进 入超时重发阶段； • 收端仅接收正确且 顺序连续的帧； • 正向传输出错， 将导致从出错帧开始 的整个窗口内的n个 帧全部重传
        • 序号问题
          • ─ 返回n-ARQ的序号可以用模为m(m>n)的整数来表示 例如：如果n=7,那么至少取模8。 ─ 如果m=n，则系统无法正常工作。例如:m=n=8
        • 传输效率
        • 存在的问题
          • 正向传输出错，将导致大量数据帧重传！
      • 选择重发式ARQ
        • 基本思想
          • ─ 在返回n-ARQ中，如果前向传输的某一个帧出错，则发端在收到对方的否定应答后，该帧及其后续的帧都要重传，而不管这些帧是否传输正确。 ─ 选择重发式ARQ的思路与返回n-ARQ相同，其窗口仍为n，但仅仅重发有错的帧。
        • 实现方法
          • 接收节点： ─ 具有对数据帧排序的能力（因为接收到的帧是乱序的)； ─ 具有帧存储能力（因为需要缓存传输正确但顺序不连续的帧)
          • 接收序号RN：─ RN 序号是最小的、没有正确接收到的帧序号； ─ (RN, RN+n-1]中哪些帧已被正确接收, 用RN+k个比特来进行应答 （比特位置的取值i对应于RN后面第i个帧的接收状态是ACK或NAK）。
        • 传输效率
          • ─ 链路利用率可以用与返回n－ARQ同样的方式来分析； ─ 与返回n－ARQ的区别：每出现一个错帧，发端只需重传出错的帧。
        • 序号问题
          • 但选择重发式ARQ的序号用模为m的整数表示时，须满足(m≥2n)。
          • 仅满足m>n会引起接收数据的序号混淆。 根本原因：返回n-ARQ的收端不接收正确但顺序不连续的帧， 而选择重发式ARQ的收端会接收正确但顺序不连续的帧！
      • ARPANET ARQ
        • 工作原理
        • 特点
          • 采用了8个并行等待式ARQ；
          • 发端在没有收到应答的情况，可以连续发送8个数据帧，因此相 当于有长度为8的滑动窗口，具有返回n-ARQ的特点；
          • 只需重发出错的帧，因此具有选择重发的优点；
          • 数据帧的重发无需设置定时器。
        • 序号问题
        • 传送过程
  • 2.3 标准的数据链路控制协议
    • 常用的标准数据链路控制（DLC）协议
    • HDLC（High Level Data Link Control）的三种工作模式
      • 正常响应模式（NRM）
        • • 用于主从式链路
        • • 链路的一端是主站（节点），另一端是从站
        • • 主站负责控制和协调双方的通信过程
        • 典型的应用场合：一个计算机与多个外设之间的链路。采用轮询机制， 实现主站与从站之间的通信。
      • 异步平衡模式（ABM）
        • 用于全双工点对点的链路， • 链路两端的节点具有相同的责任进行链路控制。
      • 异步平衡模式（ABM）
    • HDLC的帧结构
    • HDLC的工作过程
    • HDLC的工作过程
  • 2.4 网络层和运输层的端到端传输协议
    • 2.4.1 网络层（子网层）的端到端传输协议
      • 主要内容
      • 会话过程的标识
        • 虚电路方式 ─ 采用虚电路（VC）号对于不同会话过程进行标识，即每个分组含 有一个虚电路号。
        • 数据报方式 ─ 为了将任一节点中的任一会话过程中的分组送到任一节点中相应 的会话过程，在分组头中包含：源节点地址、目的节点的地址以 及相同节点中不同会话过程的标识。
      • 同一会话过程中的分组编号
      • 网络层的差错控制
      • 网络层的流量控制
    • 2.4.2 运输层的端到端传输协议
      • 运输层的功能
        • ─ 将消息分成报文 ─ 必要的差错控制 ─ 流量控制 ─ 对Session进行复接和分接
      • 典型的运输层协议
        • TCP
          • 差错控制
          • 流量控制
        • OSI TP Class0～TP Class4