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网络工程师学习教学笔记

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（2）

第3章交换技术

主要内容：

1、线路交换

2、分组交换

3、帧中继交换

4、信元交换

一、线路交换

1、线路交换进行通信：

是指在两个站之间有一个实际的物理连接，这种连接是结点之间线路的连接序列。

2、线路通信三种状态：

线路建立、数据传送、线路拆除

3、线路交换缺点：

典型的用户/主机数据连接状态，在大部分的时间内线路是空闲的，因而用线路交换方法实现数据连接效率低下；为连接提供的数据速率是固定的，因而连接起来的两个设备必须用相同的数据率发送和接收数据，这就限制了网络上各种主机以及终端的互连通信。

二、分组交换技术

1、分组交换的优点：

线路利用率提高；分组交换网可以进行数据率的转换；在线路交换网络中，若通信量较大可能造成呼叫堵塞的情况，即网络拒绝接收更多的连接要求直到网络负载减轻为止；优先权的使用。

2、分组交换和报文交换主要差别：

在分组交换网络中，要限制所传输的数据单位的长度。

报文交换系统却适应于更大的报文。

3、虚电路的技术特点：

在数据传送以前建立站与站之间的一条路径。

4、数据报的优点：

避免了呼叫建立状态，如果发送少量的报文，数据报是较快的；由于其较原始，因而较灵活；数据报传递特别可靠。

5、几点说明：

路线交换基本上是一种透明服务，一旦连接建立起来，提供给站点的是固定的数据率，无论是模拟或者是数字数据，都可以通过这个连接从源传输到目的。

而分组交换中，必须把模拟数据转换成数字数据才能传输。

6、外部和内部的操作

外部虚电路，内部虚电路。

当用户请求虚电路时，通过网络建立一条专用的路由，所有的分组都用这个路由。

外部虚电路，内部数据报。

网络分别处理每个分组。

于是从同一外部虚电路送来的分组可以用不同的路由。

在目的结点，如有需要可以先缓冲分组，并把它们按顺序传送给目的站点。

外部数据报，内部数据报。

从用户和网络角度看，每个分组都是被单独处理的。

外部数据报，内部虚电路。

外部的用户没有用连接，它只是往网络发送分组。

而网络为站之间建立传输分组用的逻辑连接，而且可以把连接另外维持一个扩展的时间以便满足预期的未来需求。

三、帧中继交换

1、X.25特性：

（1）用于建立和终止虚电路的呼叫控制分组与数据分组使用相同的通道和虚电路；

（2）第三层实现多路复用虚电路；（3）在第二层和第三层都包含着流控和差错控制机制。

2、帧中继与X.25的差别：

（1）呼叫控制信号与用户数据采用分开的逻辑连接，这样，中间结点就不必维护与呼叫控制有关的状态表或处理信息；

（2）在第二层而不是在第三层实现逻辑连接的多路复用和交换，这样就省掉了整个一层的处理；（3）不采用一步一步的流控和差错控制。

3、在高速H通道上帧中继的四种应用：

数据块交互应用；文件传输；低速率的复用；字符交互通信。

四、信元交换技术

1、ATM信元

ATM数据传送单位是一固定长度的分组，称为信元，它有一个信元头及一个信元信息域。

信元长度为53个字节，其中信元头占5个字节，信息域占48个字节。

信元头主要功能是：

信元的网络路由。

2、ATM采用了异步时分多路复用技术ATDM，ATDM采用排队机制，属于不同源的各个信元在发送到介质上之前，都要被分隔并存入队列中，这样就需要速率的匹配和信元的定界。

3、应用独立：

主要表现在时间独立和语义独立两方面。

时间独立即应用时钟和网络时钟之间没有关联。

语义独立即在信元结构和应用协议数据单元之间无关联，所有与应用有关的数据都在信元的信息域中。

3、ATM信元标识

ATM采用虚拟通道模式，通信通道用一个逻辑号标识。

对于给定的多路复用器，该标识是本地的，并在任何交换部件处改变。

通道的标识基于两种标识符，即虚拟通路标识VPI和虚拟通道标识VCI。

一个虚拟通路VP包含有若干个虚拟通道VC

4、ATM网络结构

虚拟通道VC：

用于描述ATM信元单向传送的一个概念，信元都与一个惟一的标识值—虚拟通道标识符VCI相联系。

虚拟通路VP：

用于描述属于虚拟通路的ATM信元的单向传输的一个概念，虚拟通路都与一个标识值—虚拟通路标识符相联系。

虚拟通道和虚拟通路者用来描述ATM信元单向传输的路由。

每个虚拟通路可以用复用方式容纳多达65535个虚拟通道，属于同一虚拟通道的信元群，拥用相同虚拟通道标识VCI，它是信元头一部分。

第4章网络体系结构及协议

主要内容：

1、网络体系结构及协议的定义

2、开放系统互连参考模型OSI

3、TCP/IP协议集

一、网络体系结构及协议的定义

1、网络体系结构：

是计算机之间相互通信的层次，以及各层中的协议和层次之间接口的集合。

2、网络协议：

是计算机网络和分布系统中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合。

3、语法（syntax）:

包括数据格式、编码及信号电平等。

4、语义（semantics）：

包括用于协议和差错处理的控制信息。

5、定时（timing）：

包括速度匹配和排序。

二、开放系统互连参考模型

1、国际标准化组织ISO在1979年建立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统的体系结构，提出了开放系统互连OSI模型，这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构。

2、OSI简介：

OSI采用了分层的结构化技术，共分七层，物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

3、OSI参考模型的特性：

是一种异构系统互连的分层结构；提供了控制互连系统交互规则的标准骨架；定义一种抽象结构，而并非具体实现的描述；不同系统中相同层的实体为同等层实体；同等层实体之间通信由该层的协议管理；相信层间的接口定义了原语操作和低层向上层提供的服务；所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务；直接的数据传送仅在最低层实现；每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其他层。

4、物理层：

提供为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性；有关的物理链路上传输非结构的位流以及故障检测指示。

5、数据链路层：

在网络层实体间提供数据发送和接收的功能和过程；提供数据链路的流控。

6、网络层：

控制分组传送系统的操作、路由选择、拥护控制、网络互连等功能，它的作用是将具体的物理传送对高层透明。

7、传输层：

提供建立、维护和拆除传送连接的功能；选择网络层提供最合适的服务；在系统之间提供可靠的透明的数据传送，提供端到端的错误恢复和流量控制。

8、会话层：

提供两进程之间建立、维护和结束会话连接的功能；提供交互会话的管理功能，如三种数据流方向的控制，即一路交互、两路交替和两路同时会话模式。

9、表示层：

代表应用进程协商数据表示；完成数据转换、格式化和文本压缩。

10、应用层：

提供OSI用户服务，例如事务处理程序、文件传送协议和网络管理等。

三、TCP/IP的分层

1、TCP/IP的分层模型

Internet采用了TCP/IP协议，如同OSI参考模型，TCP/IP也是一种分层模型。

它是基于硬件层次上的四个概念性层次构成，即网络接口层、IP层、传输层、应用层。

网络接口层：

也称数据链路层，这是TCP/IP最底层。

功能：

负责接收IP数据报并发送至选定的网络。

IP层：

IP层处理机器之间的通信。

功能：

它接收来自传输层的请求，将带有目的地址的分组发送出去。

将分组封装到数据报中，填入数据报头，使用路由算法以决定是直接将数据报传送至目的主机还是传给路由器，然后把数据报送至相应的网络接口来传送。

传输层：

是提供应用层之间的通信，即端到端的通信。

功能：

管理信息流，提供可靠的传输服务，以确保数据无差错的地按序到达。

2、TCP/IP模型的分界线

协议地址分界线：

以区分高层和低层的寻址，高层寻址使用IP地址，低层寻址使用物理地址。

应用程序IP层之上的协议软件只使用IP地址，而网络接口层处理物理地址。

操作系统分界线：

以区分系统与应用程序。

在传输层和应用层之间。

3、复用与分解

发送报文时，发送方在报文中加和了报文类型、选用协议等附加信息。

所有的报文以帧的形式在网络中复用传送，形成一个分组流。

在接收方收到分组时，参考附加信息对接收到的分组进行分解。

四、IP协议

1、Internet体系结构

一个TCP/IP互联网提供了三组服务。

最底层提供无连接的传送服务为其他层的服务提供了基础。

第二层一个可靠的传送服务为应用层提供了一个高层平台。

最高层是应用层服务。

2、IP协议：

这种不可靠的、无连接的传送机制称为internet协议。

3、IP协议三个定义：

（1）IP定义了在TCP/IP互联网上数据传送的基本单元和数据格式。

（2）IP软件完成路由选择功能，选择数据传送的路径。

（3）IP包含了一组不可靠分组传送的规则，指明了分组处理、差错信息发生以及分组德育的规则。

4、IP数据报：

联网的基本传送单元是IP数据报，包括数据报头和数据区部分。

5、IP数据报封装：

物理网络将包括数据报报头的整个数据报作为数据封装在一个帧中。

6、MTU网络最大传送单元：

不同类型的物理网对一个物理帧可传送的数据量规定不同的上界。

7、IP数据报的重组：

一是在通过一个网络重组；二是到达目的主机后重组。

后者较好，它允许对每个数据报段独立地进行路由选择，且不要求路由器对分段存储或重组。

8、生存时间：

IP数据报格式中设有一个生存时间字段，用来设置该数据报在联网中允许存在的时间，以秒为单位。

如果其值为0，就把它从互联网上删除，并向源站点发回一个出错消息。

9、IP数据报选项：

IP数据报选项字段主要是用于网络测试或调试。

包括：

记录路由选项、源路由选项、时间戳选项等。

路由和时间戳选项提供了一种监视或控制互联网路由器路由数据报的方法。

五、用户数据报协议UDP

1、UDP协议功能

为了在给定的主机上能识别多个目的地址，同时允许多个应用程序在同一台主机上工作并能独立地进行数据报的发送和接收，设计用户数据报协议UDP。

使用UDP协议包括：

TFTP、SNMP、NFS、DNS

UDP使用底层的互联网协议来传送报文，同IP一样提供不可靠的无连接数据报传输服务。

它不提供报文到达确认、排序、及流量控制等功能。

2、UDP的报报文格式

每个UDP报文分UDP报头和UDP数据区两部分。

报头由四个16位长（8字节）字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度以及校验和。

3、UDP协议的分层与封装

在TCP/IP协议层次模型中，UDP位于IP层之上。

应用程序访问UDP层然后使用IP层传送数据报。

IP层的报头指明了源主机和目的主机地址，而UDP层的报头指明了主机上的源端口和目的端口。

4、UDP的复用、分解与端口

UDP软件应用程序之间的复用与分解都要通过端口机制来实现。

每个应用程序在发送数据报之前必须与操作系统协商以获得协议端口和相应的端口号。

UDP分解操作：

从IP层接收了数据报之后，根据UDP的目的端口号进行分解操作。

UDP端口号指定有两种方式：

由管理机构指定的为著名端口和动态绑定的方式。

六、可靠的数据流传输TCP

1、TCP/IP的可靠传输服务五个特征：

面向数据流、虚电路连接、有缓冲的传输、无结构的数据流、全双工的连接。

2、TCP采用了具有重传功能的肯定确认技术作为可靠数据流传输服务的基础。

3、为了提高数据流传输过程的效率，在上述基础上引入滑动窗口协议，它允许发送方在等待一个确认之前可以发送多个分组。

滑动窗口协议规定只需重传未被确认的分组，且未被确认的分组数最多为窗口的大小。

4、TCP功能

TCP定义了两台计算机之间进行可靠的传输而交换的数据和确认信息的格式，以及计算机为了确保数据的正确到达而采取的措施。

5、TCP连接使用是一个虚电路连接，连接使用一对端点来标识，端点定义为一对整数（host,port）其中host是主机的IP地址，port是该主机上TCP端口号。

6、TCP使用专门的滑动窗口协议机制来解决传输效率和流量控制这两个问题，TCP采用的滑动窗口机制解决了端到端的流量控制，但并未解决整个网络的拥塞控制。

7、TCP允许随时改变窗口小，通过通告值来说明接收方还能再接收多少数据，通告值增加，发送方扩大发送滑动窗口；通告值减小，发送方缩小发送窗口。

8、TCP的报文格式

报文分为两部分：

报头和数据，报头携带了所需要的标识和控制信息。

确认号字段指示本机希望接收下一个字节组的序号；

顺序号字段的值是该报文段流向上的数据流的位置，即发送序号；

确认号指的是与该报文段流向相反方向的数据流。

9、TCP使用6位长的码位来指示报文段的应用目的和内容

URG紧急指针字段可用；ACK确认字段可用；PSH请求急近操作；RST连接复位；SYN同步序号；FIN发送方字节流结束。

10、TCP的三次握手

为了建立一个TCP连接，两个系统需要同步其初始TCP序号ISN。

序号用于跟踪通信顺序并确保多个包传输时没有丢失。

初始序号是TCP连接建立时的起始编号。

同步是通过交换携带有ISN和1位称为SYN的控制位的数据包来实现的。

握手可由一方发起也可以双方发起，建立就可以实现双向对等地数据流动，没有主从关系。

第5章局域网技术

主要内容：

1、局域网定义和特性

2、各种流行的局域网技术

3、高速局域网技术

4、基于交换的局域网技术

5、无线局域网技术及城域网技术

一、局域网定义和特性

局域网（LocalAreaNetwork）即LAN：

将小区域内的各种通信设备互联在一起的通信网络。

1、局域网三个特性：

（1）高数据速率在0.1-100Mbps

（2）短距离0.1-25Km（3）低误码率10-8-10-11。

2、决定局域网特性的三个技术：

（1）用以传输数据的介质

（2）用以连接各种设备的拓扑结构（3）用以共享资源的介质控制方法。

3、设计一个好的介质访问控制协议三个基本目标：

（1）协议要简单

（2）获得有效的通道利用率（3）对网上各站点用户的公平合理。

二、以太网EthernetIEEE802.3

以太网是一种总路线型局域网，采用载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD介质访问控制方法。

1、载波监听多路访问

CSMA的控制方案：

（1）一个站要发送，首先需要监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。

（2）如果介质是空闲的，则可以发送。

（3）如果介质忙，则等待一段间隔后再重试。

坚持退避算法：

（1）非坚持CSMA：

假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，等待一段时间，重复第一步。

利用随机的重传时间来减少冲突的概率，缺点：

是即使有几个站有数据发送，介质仍然可能牌空闲状态，介质的利用率较低。

（2）1-坚持CSMA：

假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。

缺点：

假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免的。

（3）P-坚持CSMA：

假如介质是空闲的，则以P的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一个时间单位，时间单位等于最大的传播延迟时间；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步；假如发送被延迟一个时间单位，则重复第一步。

2、载波监听多路访问/冲突检测

这种协议广泛运用在局域网内，每个帧发送期间，同时有检测冲突的能力，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已经发生，这样通道的容量不致因白白传送已经损坏的帧而浪费。

冲突检测的时间：

对基带总线，等于任意两个站之间最大的传播延迟的两倍；对于宽带总线，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播延迟时间的四倍。

3、二进制退避算法：

（1）对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参量为L=2；

（2）退避间隔取1-L个时间片中的一个随机数，1个时间片等于2a；

（3）当帧重复发生一次冲突时，则将参量L加倍；

（4）设置一个最大重传次数，则不再重传，并报告出错。

二、标记环网TokeRingIEEE802.5

1、标记的工作过程：

标记环网又称权标网，这种介质访问使用一个标记沿着环循环，当各站都没有帧发送时，标记的形式为01111111，称空标记。

当一个站要发送帧时，需要等待空标记通过，然后将它改为忙标记011111110。

并紧跟着忙标记，把数据发送到环上。

由于标记是忙状态，所以其他站不能发送帧，必须等待。

发送的帧在环上循环一周后再回到发送站，将该帧从环上移去。

同时将忙标记改为空标记，传至后面的站，使之获得发送帧的许可权。

2、环上长度用位计算，其公式为：

存在环上的位数等于传播延迟（5μs/km）×发送介质长度×数据速率＋中继器延迟。

对于1km长、1Mbps速率、20个站点，存在于环上的位数为25位。

3、站点接收帧的过程：

当帧通过站时，该站将帧的目的地址和本站的地址相比较，如地址相符合，则将帧放入接收缓冲器，再输入站，同时将帧送回至环上；如地址不符合，则简单地将数据重新送入环。

4、优先级策略

标记环网上的各个站点可以成不同的优先级，采用分布式高度算法实现。

控制帧的格式如下：

P优先级、T空忙、M监视位、预约位

三、光纤分布式数据接口FDDIISO9314

1、FDDI和标记环介质访问控制标准接近，有以下几点好处：

（1）标记环协议在重负载条件下，运行效率很高，因此FDDI可得到同样的效率。

（2）使用相似的帧格式，全球不同速率的环网互连，在后面网络互加这一章将要讨论这个问题。

（3）已经熟悉IEEE802.5的人很容易了解FDDI

（4）已经积累了IEEE802.5的实践经验，特别是将它做集成电路片的经济，用于FDDI系统和元件的制造。

2、FDDI技术

（1）数据编码：

用有光脉冲表示为1，没有光能量表示为0。

FDDI采用一种全新的编码技术，称为4B/5B。

每次对四位数据进行编码，每四位数据编码成五位符号，用光的存在和没有来代表五位符号中每一位是1还是0。

这种编码使效率提高为80%。

为了得到信号同步，采用了二级编码的方法，先按4B/5B编码，然后再用一种称为倒相的不归零制编码NRZI，其原理类似于差分编码。

（2）时钟偏移：

FDDI分布式时钟方案，每个站有独立的时钟和弹性缓冲器。

进入站点缓冲器的数据时钟是按照输入信号的时钟确定的，但是，从缓冲器输出的信号时钟是根据站的时钟确定的，这种方案使环中中继器的数目不受时钟偏移因素的限制。

3、FDDI帧格式：

由此可知：

FDDIMAC帧和IEEE802.5的帧十分相似，不同之处包括：

FDDI帧含有前文，对高数据率下时钟同步十分重要；允许在网内使用16位和48位地址，比IEEE802.5更加灵活；控制帧也有不同。

4、FDDI协议

FDDI和IEEE802.5的两个主要区别：

（1）FDDI协议规定发送站发送完帧后，立即发送一幅新的标记帧，而IEEE802.5规定当发送出去的帧的前沿回送至发送站时，才发送新的标记帧。

（2）容量分配方案不同，两者都可采用单个标记形式，对环上各站点提供同等公平的访问权，也可优先分配给某些站点。

IEEE802.5使用优先级和预约方案。

5、为了同时满足两种通信类型的要求，FDDI定义了同步和异步两种通信类型，定义一个目标标记循环时间TTRT，每个站点都存在有同样的一个TTRT值。

四、局域网标准

IEEE802委员会是由IEEE计算机学会于1980年2月成立的，其目的是为局域网内的数字设备提供一套连接的标准，后来又扩大到城域网。

1、服务访问点SAP

在参考模型中，每个实体和另一个实体的同层实体按协议进行通信。

而一个系统内，实体和上下层间通过接口进行通信。

用服务访问点SAP来定义接口。

2、逻辑连接控制子层LLC

IEEE802规定两种类型的链路服务：

无连接LLC（类型1），信息帧在LLC实体间，无需要在同等层实体间事先建立逻辑链路，对这种LLC帧既不确认，也无任何流量控制或差错恢复功能。

面向连接LLC（类型2），任何信息帧，交换前在一对LLC实体间必须建立逻辑链路。

在数据传送方式中，信息帧依次序发送，并提供差错恢复和流量控制功能。

3、介质访问控制子层MAC

IEEE802规定的MAC有CSMA/CD、标记总线、标记环等。

4、服务原语

（1）ISO服务原语类型

REQUEST原语用以使服务用户能从服务提供者那里请求一定的服务，如建立连接、发送数据、结束连接或状态报告。

INDICATION原语用以使服务提供者能向服务用户提示某种状态。

如连接请求、输入数据或连接结束。

RESPONSE原语用以使服务用户能响应先前的INDIECATION，如接受连接INDICATION。

CONFIRMARION原语用以使服务提供者能报告先前的REQUEST成功或失败。

（2）IEEE802服务原语类型

和ISO服务原语类型相比REQUEST和INDICATION原语类型和ISO所用的具有相同意义。

IEEE802没有REPONSE原语类型，CONFIRMATION原语类型定义为仅是服务提供者的确认。

五、逻辑链路控制协议

1、IEEE802.2是描述LAN协议中逻辑链路LLC子层的功能、特性和协议，描述LLC子层对网络层、MAC子层及LLC子层本身管理功能的界面服务规范。

2、LLC子层界面服务规范IEEE802.2定义了三个界面服务规范：

（1）网络层/LLC子层界面服务规范；

（2）LLC子层/MAC子层界面服务规范；（3）LLC子层/LLC子层管理功能的界面服务规范。

3、网络层/LLC子层界面服务规范

提供两处服务方式

不确认无连接的服务：

不确认无连接数据传输服务提供没有数据链路级连接的建立而网络层实体能交换链路服务数据单元LSDU手段。

数据的传输方式可为点到点方式、多点式或广播式。

这是一种数据报服务

面向连接的服务：

提供了建立、使用、复位以及终止数据链路层连接的手段。

这些连接是LSAP之间点到点式的连接，它还提供数据链路层的定序、流控和错误恢复，这是一处虚电路服务。

4、LLC子层/MAC子层界面服务规范

本规范说明了LLC子层对MAC子层的服务要求，以便本地LLC子层实体间对等层LLC子层实体交换LLC数据单元。

（1）服务原语是：

MA-DATA.request、MA-DATA.indication、MA-DATA.confirm

（2）LLC协议数据单元结构LLCPDU：

目的服务访问点地址字段DSAP，一个字节，其中七位实际地址，一位为地址型标志，用来标识DSAP地址为单个地址或组地址。

源服务访问点地址字段SSAP，一个字节，其中七位实际地址，一位为命令/响应标志位用来识别LLCPDU是命令或响应。

控制字段、信息字段。

5、LLC协议的型和类

LLC为服务访问点间的数据通信定义了两种操作：

Ⅰ型操作，LLC间交换PDU不需要建立数据链路连接，这些PDU不被确认，也没有流量控制和差错恢复。

Ⅱ型操作，两个LLC间交换带信息的PDU之间，必须先建立数据链路连接，正常的通信包括，从源LLC到目的LLC发送带有信息的PDU，它由相反方向上的PDU所确认。

LLC的类型：

第1类型，LLC只支持Ⅰ型操作；第2类型，LLC既支持Ⅰ型操作，也支持Ⅱ型操作。

6、LLC协议的元素

控制字段的三种格式：

带编号的信息帧传输、带编号的监视帧传输、无编号控制传输、无编号信息传输。

带编号的信息帧传输和带编号的监视帧传输只能用于Ⅱ型操作。

无编号控制传输和无编号信息传输可用于Ⅰ型或Ⅱ型操作，但不能同时用。

信息帧用来发送数据，监视帧用来作回答响应和流控。

六、CSMA/CD介质访问控制协议

1、MAC服务规范三种原语

MA-DATA.request、MA-DATA.indication、MA-DATA.confirm

2、介质访问控制的帧结构

CSMA/CD的MAC帧由8个字段组成：

前导码；