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频分复用(FDM)——用户在分配到一定频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽
时分复用(TDM)——将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧),每一个时分复用用户
在每一个TDM帧中占用固定序号的间隙。
(信道利用率不高)
统计时分复用(STDM)——前提是假定各用户都是间歇地工作,每个时隙要有用户地址信息
波分复用(WDM)——光的频分复用,因光载波频率很高,习惯上用波长表示使用的光载波
8路2.5Gb/s光载波经光的调制,在一根光纤上的总速率为20Gb/s
100根2.5Gb/s光纤的光缆,采用16倍密集波分复用,得一根4Tb/s\
码分复用CDM——将每一个比特时间划分为m个短的码片
(码分地址CDMA)给每个站点分配码片序列,不同站点的码片序列正交
当发送码片1时就发送该站点码片序列,比特0时发送反码
当S站点向T站点发送数据时,T站点接收的是所有站点发送的序列和
T站点用S站点的码片序列与接收的序列和做内积运算
非S站点的序列得0,,S站发送的比特0得-1、比特1得1
规格化内积公式——各项相乘之和除以项数量
脉冲调制PCM体制——北美24路PCM标准T1速率为1.544Mb/s
欧洲30路PCM标准E1速率为2.048Mb/s
同步光纤网SONET—第一级同步传送信号STS-1传输速率51.84Mb/s(第一级光载波OC-1)
同步数字系列SDH——基本速率(第一级同步传递模块STM-1)为155.52Mb/s(OC-3)
3数据链路层
数据链路层使用的信道主要有两种类型:
点对点信道——使用一对一的点对点通信方式
广播通信——使用一对多的广播通信方式
链路——是从一个结点到相邻结点的一段物理线路,中间没有其他交换结点。
链路只是一条路径的组成部分
数据链路——除了这些物理线路,还必须有通信协议来控制数据的传输,如果把实现这些协
议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路
帧——数据链路层协议数据单元
IP数据报——网络层协议数据单元
数据链路层三个基本问题:
封装成帧、透明传输、差错检验
封装成帧——在一段数据的前后分别添加首部和尾部,这样就构成了一个帧
帧定界——首部和尾部的一个重要作用
最大传送单元(MTU)——链路层协议规定的所能传送的帧的数据部分长度上限
帧定界符——当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时,帧定界可使用帧定界符
SOH——帧开始符,十六进制编码01,二进制编码00000001,StartOfHeader
EOT——帧结束符,十六进制编码04,二进制编码00000100,EndOfTransmission
透明传输——无论什么样的比特组合的数据都能通过这个数据链路层
字节填充——发送端的数据链路层在数据中出现控制字符前插入一个转义字符“ESC”
在接收端的数据链路层把数据送往网络层之前删除插入的转义字符
ESC——转义字符,十六进制编码1B,二进制编码00011011,ByteStuffing
差错检测:
比特差错——比特在传输过程中可能会发生差错:
1变成0,0变成1
误码率BER——在一段时间内,传输错误的比特占所传输比特总数的比例,BitErrorRate
信噪比越大,误码率越小
循环冗余检验CRC——把数据分为每组k个比特
在待传送的一组数据M后添加n位冗余码
冗余码的计算方法——在M后加上n个0得到(2^n)M
除以事先选定好的(n+1)位除数P得到商Q和n位余数R
(用竖式做除法,商右移补0至位数与除数相等,相异得1,相同得0)
余数R作为冗余码接在M后发送出去
循环冗余检验CRC——把收到的每一帧除以P,检查得到的余数R’
若R’=0,则判定这个帧没有差错,就接受
若R’!
=0,则判定有差错,就丢弃
帧件检验序列FCS——在数据后面添加冗余码,FrameCheckSequence
而CRC是一种常见的检错方法
FCS可以用CRC这种方法得出,但CRC并非获得FCS的唯一方法
在数据链路层使用CRC检验,能实现无比特差错传输,但这还不是可靠传输,只能做到无差错接收,要做到可靠传输,必须加上确认和重传机制。
点对点协议PPP——用户计算机和ISP进行通信时使用的链路层协议(只支持全双工链路)
PPP协议应满足的需求——简单——这是首要的要求
封装成帧透明性多种网络层协议多种类型链路差错检测
检测连接状态最大传送单元网络层地址协商数据压缩协商
PPP协议不需要的功能——纠错流量控制序号多点线路半双工或单工链路
PPP协议三个组成部分——一个将IP数据报封装到串行链路的方法
链路控制协议LPC(LinkControlProtocol)
网络控制协议NPC(NetworkControlProtocol)
PPP用同步传输链路,采用硬件完成比特填充;
异步传输时使用字符填充法P75
零比特填充——PPP协议在使用SONET/SDH链路时,是使用同步传输的,此时采用零比特填充实现透明传输;
发送端:
5个连续1填一个0,接收端删除。
媒体共享技术——静态划分信道:
频分复用、时分复用、波分复用、码分复用
动态媒体接入控制:
随机接入、受控接入
世界第一个局域网产品(以太网)规约——DIXEthernetV2
IEEE的802.3标准——与DIXEthernetV2差别很小,可以简称为“以太网”
局域网数据链路层的两个子层——逻辑链路控制LLC子层
媒体接入控制MAC子层
局域网的主要优点——具有广播功能,从一个站点可很方便的访问全网
便于系统的扩展和演变,各设备的位置可灵活调整和改变
提高了系统的可靠性、可用性和生存性
适配器——连接计算机与外部局域网,嵌在计算机主板上
适配器的主要功能——进行串行/并行转换
对数据进行缓存
在计算机的操作系统安装设备驱动程序
实现以太网协议
计算机硬件地址在适配器的ROM中,计算机软件地址—IP地址在计算机的存储器中
以太网采取的两种措施——无连接的工作方式,尽最大努力交付,即不可靠交付
发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号
CSMA/CD协议——载波监听多点接入/碰撞检测(只能进行半双工通信)
多点接入——总线型网络,许多计算机以多点接入方式连接在一根总线上
载波监听——在发送数据前检测总线上是否有其他计算机子在发送数据
碰撞检测——计算机边发送数据边检测信道
电磁波在1km电缆的传播时延——5μs
争用期2τ——以太网端到端往返时延,具体争用期时间为51.2μs
对于10Mb/s的以太网,在争用期可发送512bit,即64字节
退避算法——确定基本退避时间,一般取争用期2τ
定义重传次数k=Min[已经重传的次数,10]
从[0,1,...,2^k-1]中随机抽取数r
重传推后时间为r倍争用期
重传达16次仍不成功,抛弃该帧
最短有效帧长——争用期是512比特时间时,发生冲突一定在前64字节内
以太网规定了最短有效帧长为64字节,小于64字节的都是无效帧
强化碰撞——当发现碰撞时,停止发送数据,再继续发送若干比特人为干扰信号
帧间最小间隔——9.6μs,即96比特时间
CSMA/CD——从网络层获得一个分组,加上首尾组成以太帧,放入适配器缓存准备发送
检测到信道96比特时间内保持空闲,就发送这个帧
若检测到碰撞,则中止数据的发送,并发送人为干扰信号
发送完干扰信号后适配器执行退避算法,等待r倍512比特时间,返回步骤2
CSMA/CD十六字方针:
先听先发,边听边发,冲突停发,随机重发
双绞线以太网采用星状拓补在星形的中心增加集线器(星形网10BASE-T的标准是802.3i)
定义参数a=τ/To——a的值越小信道利用率越高
极限信道利用率Smax=To/(To+τ)=1/(1+a)——只有a远小于1才能得到尽可能高的Smax
I/G位——IEEE规定地址字段第一个字节最低位,0表示单个地址,1表示组地址
G/L位——地址字段第一个字节最低第二位,0表示全球管理,1表示本地管理
三种帧——单播,广播,多播
常用以太网MAC帧格式两种标准——DIXEthernetV2标准
IEEE的802.3标准
左图数字的单位是字节(byte)
IEEE802.3规定无效的帧——帧长度不是整数字节
用收到的帧检验序列FCS查出有差错
收到数据字段长度不在46到1500字节之间
在物理层扩展局域网——主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
用集线器扩展局域网的优点——使计算机能够跨碰撞域通信
扩大了局域网覆盖的地理范围
缺点——碰撞域增大了,吞吐量并未提高
不同数据率的碰撞域无法互联
网桥——在数据链路层扩展以太网。
网桥依靠转发表来转发帧。
网桥的好处——过滤通信量,增大吞吐量
提高可靠性
扩大物理范围
可以连接不同物理层、不同MAC子层、不同数据率的局域网
网桥的缺点——存储转发增加了时延
MAC子层没有流量控制功能
只适合用户不太多和通信量不太大的局域网
网桥和集线器的不同——网桥是按存储转发方式工作的,一定是先把整个帧收下来子啊处理
但集线器(或转发器)是逐比特转发。
网桥丢弃CRC检验有差错以及无效的帧
网桥在转发帧前必须执行CSMA/CD算法
集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测、
透明网桥是一种即插即用设备
透明网桥——自学习和转发帧
在网桥的转发表中记录地址、接口和时间
生成树算法——为了避免转发帧在网络上不断的兜圈子
源路由网桥——源路由网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧首部
该网桥对主机是不透明的
以太网交换机——实际上就是一个多接口网桥,工作在链路层
每个接口都直接与主机相连,一般工作在全双工方式
虚拟局域网VLAN——是一些由局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组
它只是局域网给用户提供的一种服务,不是一种新型的局域网
VLAN的优点——限制了接收广播信息的工作站数
使网络不会因传播过多的广播信息而引起性能恶化
虚拟局域网使用的以太网MAC帧格式(最大帧长由1518变为1522字节):
高速以太网——速率超过100Mb/s的以太网
快速以太网——100BAST-T
(争用期是5.12μs,帧最小间隔是0.96μs,最短仍是64字节)
吉比特以太网标准IEEE802.3z的特点:
允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作;
在半双工方式下使用CSMA/CD协议;
使用率IEEE802.3协议规定的帧格式;
与10BAST-T和100BASET-T技术向后兼容。
吉比特以太网在半双工方式小采用“载波延伸”和发“分组突发”的方法,在全双工下不用。
10吉比特以太网——与10Mb/s以太网帧格式完全相同,保留了802.3规定的最大(小)帧长,
只在全双工方式下工作,因此不存在争用问题,也使用CSMA/CD协议。
以太网是——可扩展的、灵活的、易于安装、稳健性好
补充PPP帧格式:
网络层采用分组交换方式传输数据
分组交换有两种形式——数据报、虚电路
因特网的设计思路——网络层向上只提供灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
传输的可靠性不是由网络而是由端系统完成的
网络互连的层次及设备——物理层:
使用中继站(如HUB)在不同电缆段之间复制位信号
链路层:
使用网桥(或交换机)在局域网之间存储转发数据帧
网络层:
使用路由器在不同网络间存储转发分组
传输层及以上:
使用协议转换器(网关)提供更高层次的接口
虚拟互连网络(IP网)——逻辑互连网络(互联网可以由很多异构网络组成)
(主机协议五层,路由协议只有下三层)
网际协议IP——TCP/IP体系中两个最主要的协议之一
解决因特网互连问题
与IP协议配套使用的协议——地址解析协议ARP
网际控制报文协议ICMP
网际组管理协议IGMP
IP地址——给因特网上的每个主机或路由器的每一个接口
分配一个全网唯一的32bit的标识符;
由因特网名字和数字分配机构ICANN进行分配
采用点分十进制法表示
IP地址的编址方法——分类的IP地址、子网的划分、无分类编址(构成超网)
IP地址的组成——网络号:
标志主机所连接到的网络(整个因特网范围内唯一)
主机号:
标志该主机或路友器(在网络号指明的网络范围内唯一)
A类地址中:
IP地址中网络字段全0是保留地址,表示本网络;
网络号127(01111111)留作为本地软件环回测试
B类地址128.0.0.0不指派
C类地址192.0.0.0不指派
所以它们可指派的网络数均要减1
主机字段全0表示本机;
主机字段全1表示该网络上所有主机。
IP地址分级的好处——方便IP地址的管理、节省路由空间并提高路由表查找速度
IP地址与硬件地址作用层次IP地址与硬件地址理解
ARP协议的用途——从网络层使用的IP地址解析出数据链路层使用的物理地址
ARP高速缓存——含有最近使用过的IP地址和物理地址的映射列表(本局域网上主机,路由)
APR请求和答应方都把对方的地址映射存储在APR高速缓存中
ARP运行过程——当主机A向本局域网上主机B发送IP数据报时,没有在ARP高速缓存
中找到主机B的IP项目,主机A就自动运行ARP
(1)ARP进程在本局域网上广播一个ARP请求分组
(2)该局域网上所有主机运行的APR进程都收到这个ARP请求分组
(3)主机B的IP地址与ARP请求分组要查询的IP地址一致,就收下这个ARP请求分组,并向A发送ARP响应分组,其中写入自己的硬件地址,并在自己的ARP高速缓存中写入主机A的IP地址到硬件地址的映射。
(4)主机A收到B的ARP响应分组,就在自己的ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。
生存时间——ARP把保存在高速缓存中的映射地址项目都设置生存时间
凡超过这个生存时间的项目就从高速缓存中删除掉
注意——ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器IP地址和硬件地址映射问题的
(不同局域网则通过中间路由器不断重复这个过程)
首部长度:
4byte一个单位
0101~1111(20字节~60字节)
总长度:
单位byte(最大2^16-1)
首部和数据之和(首部和分片数据和)
超过MTU(以太网是1500字节)分片
标识:
每产生一个数据报,计数器就加1
相同标识字段分片得以重组
标志:
MF——morefragment
MF=1还有分片,MF=0最后一个分片
DF——don’tfragment
DF=1不能分片,DF=0允许分片
片偏移:
8byte一个单位
分片后某片在原分组中的相对位置
相对于数据段的起点,该片从何处开始
生存时间TTL:
经过路由器减1,跳数0丢弃
首部检验和:
只检验首部,不包括数据部分
右图数字的单位是位(bit)
从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的,主机用户不知道这一过程
IP数据报格式:
IP首部检验:
早期IP地址设计不合理——IP地址空间利用率有时很低
给每个物理网络分配一个网络号使路由表变大网络性能变差
两级IP地址不够灵活
划分子网的原因——有效利用地址空间;
便于管理;
隔离广播和通信,减少网络阻塞;
出于安全方面的考虑。
划分子网的方法——将IP地址的主机号部分划分为两个部分,一部分用来标识子网,一部
分仍作为主机号。
IP地址结构由两级变为三级。
划分子网增加了灵活性,却减少了能连接在网络上的主机数。
不同的子网掩码可能得出相同的网络地址,但是不同的掩码效果是不同的。
划分子网的缺点——浪费了一些IP地址;
使路由表项目增长
无分类编址CIDR
使用二叉线索查找路由表
网络控制报文协议ICMP
ICMP差错报告文:
终点不可达、源点抑制、时间超过、参数问题、改变路由(重定向)
不应发送ICMP差错报告文的情况:
ICMP差错报告文、后续分片、多播数据报、特殊地址
ICMP询问报告文:
回送请求和回答、时间戳请求和回答
路由协议——内部网关协议IGP(如RIP和OSPF协议等)
外部网关协议EGP(如BGP)
路由信息协议RIP——分布式的基于距离向量的路由选择协议,是因特网标准协议,简单
最多包含15个路由器(距离16),只适合小型互联网
RIP协议特点——仅和相邻路由器交换信息;
交换的是路由表(即所有信息);
按固定时间间隔交换路由信息。
(使用用户层数据报UDP传送)
路由表更新原则——找出到每个目的网络的最短距离
距离向量算法——将原来没有的目的网络加入,下一跳改为R1,距离加1
(R1给R2)将原表中所有下一跳是R1的都按照收到的表更新,距离加1
若目的网络相同,但但下一跳不是R1,比较它们的距离,选择短的留下
RIP优缺点——RIP限制了网络规模;
坏消息传播得慢;
随着网络规模扩大,开销也增加。
实现简单,开销较小。
开放最短路径优先OSPF——使用分布式的链路状态协议(用IP数据报传送)
OSPF特点——向本自治系统所有路由器发送信息(范洪法)
发送的是与相邻所有路由器的链路状态(部分信息:
相邻的路由器及其度量)
只有当链路状态改变时才向所有路由器用范宏法发送此信息
OSPF的五种分组类型—问候、数据库描述、链路状态请求、链路状态更新、链路状态确认
OSPF协议对多点接入的局域网采用了制定指定的路由器的方法
边界网关协议BGP——采用路径向量路由选择协议
使用BGP的原因——因特网规模太大,使得AS之间的路由选择非常困难
AS之间的路由选择必须考虑有关策略
BGP-4的四种报文——OPEN、UPDATE、KEEPALIVE、NOTIFICATION
路由器——是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机
其任务是转发分组
路由器的两大部分——路由选择部分和分组转发部分
分组转发的三个部分——交换结构、一组输入端口、一组输出端口
交换结构的作用——根据转发表对分组进行处理
将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去
交换结构常用的交换方法——通过存储器、通过总线、通过互连网络
IP多播—网际组管理协议IGMP:
使用IP数据报传递报文,是网际协议IP的一个组成部分
IP多播—多播路由选择协议:
找出以源主机为根节点的多播转发树
多播路由选择协议在转发多播数据报的方法:
泛洪与剪除、隧道技术、基于核心发现技术
第5章:
运输层
端到端通信——应用进程间的通信
运输层重要功能——复用和分用
网络层为主机之间提供逻辑通信,运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信
运输层主要功能——为进程间提供端到端的逻辑通信
对收到的报文进行差错检验
需要两种运输协议:
面向连接的TCP、无连接的UDP
端口号的分类——服务器端使用的端口号:
熟知端口号和登记端口号
客户端使用端口号
UDP在IP数据报服务之上增加的功能:
复用分用功能和差错检测功能
UDP特点——无连接、尽最大努力交付、面向报文、无拥塞控制、首部开销小
支持一对一、一对多、多对一和多对多交互通信
UDP——用户数据报协议TCP——传输控制协议
TCP主要特点——TCP是面向连接的运输层协议
每一条TCP连接只能有两个端点,每一条TCP连接只能是点对点的
TCP提供可靠交付服务
TCP提供全双工通信
TCP是面向字节流的
TCP连接的端点——套接字socket(IP地址:
端口号)
停止等待协议:
自动重传请求ARQ(优点简单、缺点信道利用率低)
连续ARQ协议:
优点容易实现。
缺点不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组信息
UDP检验和计算:
伪首部+首部+数据部分
TCP首部——序号:
本报文段所发送的数据的第一个字节的序号
确认号:
期望收到对方下一个报文的第一个数据字节序号
确认ACK:
ACK=1确认号字段有效,ACK=0无效
同步SYN:
SYN=1表示这是一个连接请求或连接接受报文
窗口:
允许对方发送的数据量(以字节为单位)
终止FIN:
用来释放一个连接,FIN=1表示此报文发送方数据发送完毕,要求释放运输连接
检验和:
伪首部+首部+数据
选择确认SACK:
指明一个边界要4个字节,最多指明4个字节块,另还需2字节
RTT:
报文段往返时间RTTs:
加权平均往返时间
新RRTs=(1-a)旧RTTs+a(新RTT样本)
RTO:
超时重传时间RTTD:
RTT的偏差的加权平均值
RTO=RTTs+4RTTDRTTD=(1-b)旧RTTD+b|RTTs-新RTT样本|
流量控制——让发送方的发送速率不要太快,让接收方来得及接收
利用滑动窗口
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