《计算机网络》整合学习资料Word文档格式.docx
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按无线上网方式:
WLAN,WWAN(手机);
按通信性能:
资源共享,分布式计算机,远程通信网络。
6、计算机网络的性能
1)
速率(比特每秒b/s):
数据量/信息量的单位;
2)
带宽(两种):
①频域称谓,赫兹Hz,信号具有的频带宽度;
②时域称谓,比特每秒(b/s),通信线路的最高数据率;
两者本质一样,宽度越大,传输速率自然越高;
3)
吞吐量:
单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。
受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
4)
时延:
发送时延(传输时延):
;
发生在及其内部的发送器中;
传播时延:
发生在及其外部的传输信道媒体上;
处理时延:
交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
排队时延:
结点缓存队列中分组排队所经历的时延。
(取决于当时的通信量);
n
数据的发送速率不是比特在链路上的传播速率。
5)
时延带宽积:
时延带宽积(体积)=传播时延(长)X带宽(截面积),以比特为单位的链路长度;
6)
往返时间(RTT):
简单来说,就是两倍传播时延(实际上还包括处理时延,排队时延,转发时的发送时延);
7)
利用率:
信道利用率→网络利用率(全网络的信道利用率的加权平均值),U为利用率,D为时延,因此利用率不是越高越好。
减少方法:
增大线路的带宽。
7、非特征性能:
费用,质量,标准化,可靠性,可扩展性和可升级性,易于管理和维护。
8、计算机网络体系结构
OSI/RM——开放系统互连参考模型(法律上的国际标准);
TCP/IP——事实上的国际标准;
协议——为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
三要素:
语法(结构和格式),语义(动作),同步(顺序);
分层的好处:
①各层之间是独立的;
②灵活性好;
③结构上可分割开;
④易实现和维护;
⑤能促进标准化工作。
五层体系结构:
应用层:
为用户正在运行的程序提供服务;
(HTTP,SMTP,FTP);
运输层:
负责进程之间的通信提供服务(TCP报文段,UDP用户数据包)(复用和分用);
网络层:
负责分组交换网上的不同主句提供通信服务(IP);
数据链路层:
将网络层交下来的IP数据报组装成帧,在两个相邻节点(主机和路由器之间或路由器之间)间的链路上“透明”地传送帧中的数据;
物理层:
透明地传送比特流(双绞线、同轴电缆等不在物理层)。
9、实体、协议、服务之间的关系
实体——任何可发送或接受信息的硬件或软件进程;
协议——控制两个对等实体(或多个实体)进行通信的规则的集合;
(水平的)
在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务(垂直的)。
要实现本层协议,还需要使用下层所提供的服务。
同一系统相邻两层的实体进行交互的地方,称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。
下面的协议对上面的服务用户是透明的。
IPoverEverything
EverythingoverIP
10、计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。
11、网络体系结构两层的实体间交换信息的位置称为SAP服务访问点。
12、计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。
13、电路交换没有采用存储转发机制的交换方式。
14、网络接口层、网际层、运输层和应用层属于TCP/IP体系结构的层次。
第2章物理层
1、基本概念
机械特性(接口);
电气特性(电压范围);
功能特性(电压的意义);
规程特性(顺序)
2、数据通信系统(源系统→传输系统→目的系统)
数据(data)——运送消息的实体。
信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。
“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code)——在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。
3、信道
单向通信(单工通信)——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信(半双工通信)——通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
双向同时通信(全双工通信)——通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带信号——来自信源的信号,为使信道能够传输低频分量和直流分量,需要进行调制
基带调制(仅对波形进行变换);
带通调制(使用载波调制):
①调幅;
②调频;
③调相;
4、信道的极限容量
两因素:
信道能够通过的频率范围(码间串扰)——加宽频带;
信噪比——信号的平均功率和噪声的平均功率之比;
极限信息传输速率C=Wlog2(1+S/N)
b/s;
低于C即可实现无差错传输
让每个码元携带更多比特的信息量;
5、传输媒体
导向型传输媒体:
双绞线(衰减随着频率的升高而增大):
①屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)(加强抗电磁干扰能力)②无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)
同轴电缆(用于传输较高速率的数据):
①50Ω同轴电缆;
②75Ω同轴电缆
光缆:
①多模光纤②单模光纤(光纤直径下只有一个光的波长)
非导向型传输媒体:
短波通信(靠电离层的反射);
微波通信:
①地面微波接力通信(中继站);
②卫星通信(较大的传播时延);
6、信道复用技术
频分复用:
所有用户在同样的时间占用不同的资源;
时分复用(同步):
所有用户在不同的时间用同样的频带宽度;
(更有利于数字信号的传输);
统计时分复用(异步):
动态分配时隙;
波分复用:
光的频分复用;
码分复用(码分多址CDMA):
不同的码型;
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)(相乘为0,0为-1)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1;
任何一个码片向量和该码片反码的向量自己的规格化内积都是-1;
任何一个码片向量和其他码片向量的规格化内积都是0;
7、宽带接入技术
ADSL
把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
上行和下行带宽不对称;
极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系;
离散多音调DMT——频分复用;
组成:
数字用户线接入复用器(DSLAM)、用户线和用户家中的一些设施;
光纤同轴混合网HFC
基于CATV网(树型拓扑结构,模拟技术的频分复用)改造的;
使用光纤模拟技术,采用光的振幅调制AM;
节点体系结构——模拟光纤连接,构成星形网;
提高网络的可靠性,简化了上行信道的设计;
比CATV网更宽的频谱,且具有双向传输功能;
8、IEEE802.3的10BASE-T标准规定从网卡到集线器的最大距离为100米。
9、双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度相互绞合而成,这样可降低信号干扰的程度。
10、当描述一个物理层接口引脚在处于高电平时的含义时,该描述属于功能特性。
11、10BASE-T通常是指双绞线。
12、假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。
如果采用振幅调制,把码元的振幅划分为16个不同等级来传送,那么可以获得多高的数据率(b/s)?
答:
C=R*Log2(16)=20000b/s*4=80000b/s
13、共有4个站进行码分多址通信。
4个站的码片序列为
A:
(-1-1-1+1+1-1+1+1)B:
(-1-1+1-1+1+1+1-1)
C:
(-1+1-1+1+1+1-1-1)D:
(-1+1-1-1-1-1+1-1)
现收到这样的码片序列S:
(-1+1-3+1-1-3+1+1)。
问哪个站发送数据了?
发送数据的站发送的是0还是1?
解:
S·
A=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1,
A发送1
B=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1,B发送0
C=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0,
C无发送
D=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1,
D发送1
第3章数据链路层(计算题:
1CRC;
2征用期、最短帧长与时延)
1、两种信道:
①点对点信道;
②广播信道。
2、链路(物理链路)之间没有任何节点。
3、数据链路(逻辑链路)与链路不一样,数据链路还加上实现通信协议的硬件(网络适配器)和软件。
4、帧——协议数据单元。
5、三个基本问题:
封装成帧——加上首部和尾部进行帧定界;
透明传输——字节填充,加上转义字符ESC(1B);
差错检测——循环冗余检验CRC。
进行模二运算得到的余数(比除数少一位)作为冗余码,数据加上冗余码在除以除数P,得到的余数为0即为无差错。
凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错(无比特差错);
要做到“可靠传输”(即发送什么就收到什么)就必须再加上帧编号、确认和重传机制。
6、点对点协议PPP
特点:
①简单(这是首要的要求);
②封装成帧(帧界定符);
③透明性;
④多种网络层协议(IP、IPX);
⑤多种类型链路(串并,同异,高低,电光,动静);
⑥差错检测(立即丢弃);
⑦检测连接状态(短时间自动检测);
⑧最大传送单元(数据部分的最大长度);
⑨网络层地址协商;
⑩数据压缩协商(不要求标准化)
。
不需要的功能:
①纠错(不可靠传输);
②流量控制(由TCP负责);
③序号(不是可靠传输,在无线时可用);
④多点线路(不支持一主对多从);
⑤半双工或单工链路(只支持全双工)。
组成:
一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)。
(数据链路)
网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)。
——用于支持不同的网络层协议
帧格式
字节填充——转义字符(0x7D);
零比特填充——5个1后加0;
建立过程
物理链路→LCP链路→鉴别的LCP链路(PAP)→NCP链路(IP协议对应IPCP)
7、局域网数据链路层
局域网的特点:
网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点范围均有限,具有广播功能,,便于扩展,提高系统的R(可靠)A(可用)S(生存)。
局域网的拓扑:
星形网,环形网(令牌环形),总线网(CSMA/CD和令牌传递),树形网(频分复用的宽带局域网);
共享信道:
①静态划分信道②频分复用③时分复用④波分复用⑤码分复用
⑥动态媒体接入控制(多点接入)⑦随机接入⑧受控接入,如多点线路探询(polling),或轮询。
以太网的两个标准——DIXEthernetV2和IEEE802.3
适配器的作用:
①进行串行/并行转换。
②对数据进行缓存。
③在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
④实现以太网协议。
CSMA/CD(载波监听多点接入/碰撞检测)协议
实施通信简便的两个措施:
①采用无连接的工作方式(不编号,不确认);
②曼切斯特编码(一分为二);
对点接入——总线型网络;
载波监听——发送前先监听;
碰撞检测(冲突检测)——边发送边监听,发送的不确定性;
半双工通信
争用期(碰撞窗口)——截断二进制指数退避(动态退避)
最短有效帧长度为64字节;
强化碰撞——人为干扰信号;
帧间最小间隔为9.6微秒;
8、使用广播信道的以太网
集线器的星形拓扑
物理上星形网,逻辑上总线网;
多接口;
工作在物理层,简单地转发比特,不进行碰撞检测;
以太网的信道利用率
成功发送一个帧占用信道的时间=T(帧长除以发送速率)+τ;
参数a:
,越小越好,帧长度要够长;
极限信道利用率;
以太网的MAC层
名字指出我们所要寻找的那个资源,地址指出那个资源在何处,路由告诉我们如何到达该处;
RA——注册管理机构;
OUI——组织唯一标识符(公司的);
EUI——扩展唯一标识符;
适配器检测MAC帧中的目的地址是否发往本帧——单播,广播,多播;
最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
利用曼切斯特编码来确定长度;
帧间最小间隔导致不需要帧结束定界符;
以太网不负责重传丢弃的MAC帧;
9、在物理层扩展以太网
光纤扩展;
集线器扩展
①使原来属不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
②扩大局域网覆盖的地理范围。
缺点:
①碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高。
②如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不能用集线器将它们互连起来。
10、在数据链路层扩展以太网(网桥)
网桥作用(过滤)——根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发(存储转发)。
好处:
①过滤通信量。
(隔离开碰撞域)②扩大了物理范围。
(增大工作站的数目)③提高了可靠性。
(出现故障只影响个别网段)④可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率(如10Mb/s和100Mb/s以太网)的局域网。
缺点:
①存储转发增加了时延。
②在MAC子层并没有流量控制功能。
(缓存空间不够造成溢出导致帧丢失)③具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。
④广播风暴。
(网络拥塞)
在转发帧时,不改变帧的源地址;
透明网桥
自学习,即插即用(IEEE802.1D)
地址(源地址)+接口+时间(更新用的);
生成树算法——任何两个站之间只有一条路径。
。
源路由网桥
发现帧记录所有可能的路由传送;
广播;
最佳路由;
多接口网桥——以太网交换机
全双工;
独占通信媒体,无碰撞地传输数据;
有存储转发,也有直通(不检查差错,但提高速率减少时延);
虚拟局域网(VLAN):
由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。
同一VLAN的成员可以收到其他成员的广播信息;
11、高速以太网(大于100Mb/s)
100BASE-T以太网:
双绞线;
星形拓扑结构;
IEEE802.3的CSMA/CD;
吉比特以太网:
全双工和半双工都可以;
1Gb/s;
12、传统以太网采用的协议是CSMA/CD。
13、HDLC有监督帧、信息帧和无编号帧等三种帧结构。
14、采用T1线路传输的标准话路数是24。
15、如果每个码元有8种可能的状态值,波特率为200的信道,其数据传输率为600bps。
16、HDLC透明传输数据011111010时,实际发送的数据为0111110010。
17、PPP协议是数据链路层的协议。
18、要发送的数据为101110。
采用CRCD生成多项式是P(X)=X3+1。
试求应添加在数据后面的余数。
作二进制除法,101110
000
10011添加在数据后面的余数是011
19、PPP协议使用同步传输技术传送比特串0110111111111100。
试问经过零比特填充后变成怎样的比特串?
若接收端收到的PPP帧的数据部分是0001110111110111110110,问删除发送端加入的零比特后变成怎样的比特串?
0110111111111100
011011111011111000
0001110111110111110110
00011101111111111110
20、在2000m长的总线上,数据传输率为10Mbps,信号传播速率为200m/μs,采用CSMA/CD进行数据通信。
(1)争用期是多少?
(2)最小帧长应该为多少?
(3)若A向B发送1000字节的数据,A是否必须在数据发送期间一直进行冲突检测?
为什么?
(1)争用期为
(2)最短帧长
(3)不需要,只需在发送前25字节是需要进行冲突检测。
原因在于冲突只会出现在争用期内(等价于发送25字节),争用期内没有冲突,则在传输完之前就一定不会发生冲突;
过了争用期,其他站点检测信道时,会检测到信道处于忙状态,因此不会发送数据。
第4章网络层(计算题:
1子网划分;
2路由选择)
1、虚电路服务和数据包服务的对比
对比的方面
虚电路服务
数据报服务
思路
可靠通信应当由网络来保证
可靠通信应当由用户主机来保证(尽最大努力交付)
连接的建立
必须有
不需要
终点地址
仅在连接建立阶段使用,每个分组使用段的虚电路号
每个分组都有终点的完整地址
分组的转发
属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发
每个分组独立选择路由进行转发(独立发送)
当节点出故障时
所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作
出故障的结点可能会丢失分组,一些路由可能会发生变化
分组的顺序
总是按发送顺序到达终点
到达终点时不一定按发送顺序
端到端的差错处理和流量控制
可以由网络负责,也可以由用户主机负责
由用户主机负责
2、虚拟互连网络(IP网)
使用路由器解决各种异构的物理网络连接在一起的问题;
3、分类的IP地址
IP地址由ICANN进行分配(中国向APINC);
分类的IP地址(已成历史)
A类地址(——50%)
网络号全0表示本机,全1表示环回测试;
——
主机号全0表示本主机的网络地址,全1表示所有主机;
B类地址(——25%)
网络号(128.0.0.0不可用)——;
主机号跟A类一样——
C类地址(——12.5%)
网络号(192.0.0.0不可用)——;
主机号(同上)——
特点
路由器仅根据网络号来转发分组;
多归属主机——一个路由器至少要有两个不同的IP地址(每个接口一个);
用网桥或转发器连接的局域网仍属于一个网络(相同网络号),用路由器才能连接不同网络;
4、IP地址与硬件地址
使用IP地址是为了隐蔽各种底层网络的复杂性而便于分析和研究问题;
数据链路层看不到数据包的IP地址;
路由器只根据目的IP地址的网络号进行路由选择;
5、ARP(地址解析协议)和RARP
ARP——IP地址转为MAC地址;
ARPcache——本局域网的主机和路由表的IP地址到MAC地址的映射表;
请求是广播,响应是单播,一次请求响应,两边同时把双方的信息写进ARPcache;
不同局域网的主机,要通过路由器进行ARP查询;
6、IP数据包的格式(首部20字节,固定的)
0
4
8
16
19
24
31
版本
首部长度
区分服务
总长度
标识
标志
片偏移
生存时间
协议
首部检验和
源地址
目的地址
可选字段(长度可变)
填充
数据部分
总长度——不少于576字节;
标识,标志,片偏移——用于分片;
TTL(现为跳数限制)——在经过路由器时才减1;
协议:
协议名
ICMP
IGMP
TCP
UDP
协议字段值
1
2
6
17
首部检验和——只检验首部,16位反码运算相加再求反码,检验时一样,得到为0即无差错;
IP首部的可变部分就是一个选项字段,用来支持排错、测量以及安全等措施。
7、IP层转发分组的流程
从一个路由器转发到下一个路由器(信息:
目的网络地址,下一跳地址);
特定主机路由——对特定的目的主机指明一个路由,方便控制网络和测试网络;
默认路由(0.0.0.0)——下一跳路由器的地址不在IP数据包里,而在MAC帧里(转为
MAC地址);
分组转发算法:
直接交付→特定主机路由→下一跳路由器→默认路由。
8、划分子网(计算题)
IP地址:
:
={网络号,子网号,主机号};
不改变网络号;
子网掩码:
没必要是连续的1;
增加了灵活性,减少了连接在网络上的主机总数;
同样的IP地址和不同的子网掩码可以得出相同的网络地址;
使用子网时分组的转发,增加了子网掩码
能解释下面这幅图:
9、CIDR(无分类编址)
={网络前缀,主机号};
/后表示网络前缀的位数;
最小地址(全0),最大地址(全1);
路由聚合——构成超网;
能解释下面的这幅图:
10、ICMP(网际控制报文协议)
差错报文
3——终点不可达
4——源点抑制(Sourcequench),放慢发送速率
11——时间超过,TTL=0
12——参数问题,首部参数有问题
5——改变路由(重定向)(Redirect)
以下情况不发送差错报文
对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文。
对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文。
对具有多播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文。
对具有特殊地址(如127.0.0.0或0.0.0.0)的数据报不发送ICMP差错报告报文。
询问报文
8或0——回送请求和回答报文,测试目的站是否可达;
13或14——时间戳请求和回答报文,时钟同步和测量时间;
应用
Ping——回送请求和回答报文;
没有经过TCP和UDP
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