计算机网络第五版谢希仁超详细重点.docx

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计算机网络第五版谢希仁超详细重点

第一章

“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络

计算机网络向用户提供的最重要的功能:

连通性——上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

共享——即资源共享。

可以是信息共享、软件共享，硬件共享。

因特网现，最大的国际性计算机互联网，网络（network）由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

互联网是“网络的网络”（networkofnetworks）。

连接在因特网上的计算机都称为主机（host）。

网络把许多计算机连接在一起，因特网则把许多网络连接在一起。

因特网发展的三个阶段：

第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。

//以小写字母i开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。

以大写字母I开始的的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。

三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。

出现了因特网服务提供者ISP（InternetServiceProvider）。

从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：

（1）边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成。

这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

（2）核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。

这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。

这些主机又称为端系统（endsystem）。

“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：

“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。

即“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”，或简称为“计算机之间通信”。

在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式分为两大类：

客户服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式

对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式

客户（client）和服务器（server）都是指通信中所涉及的两个应用进程。

客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

客户软件的特点：

被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。

因此，客户程序必须知道服务器程序的地址，不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器软件的特点：

一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。

系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。

因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址，一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

对等连接（peer-to-peer，简写为P2P）是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方，两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。

双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，路由器是实现分组交换（packetswitching）的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

路由器是实现分组交换（packetswitching）的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

“交换”（switching）的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。

从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

电路交换的特点：

电路交换必定是面向连接的。

而且，在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

电路交换的三个阶段：

建立连接，通信，释放连接

数据效率低：

数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低。

分组首部的重要性：

首部含有地址等控制信息。

分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。

用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

路由器处理分组的过程：

把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。

主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。

路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

高效，动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

灵活，以分组为传送单位和查找路由。

迅速，不必先建立连接就能向其他主机发送分组。

可靠，保证可靠性的网络协议。

分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

分组交换带来的问题：

分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。

分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化。

早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。

分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。

用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

不同作用范围的网络

广域网WAN（WideAreaNetwork），局域网LAN（LocalAreaNetwork）

，城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork），个人区域网PAN（PersonalAreaNetwork）

从网络的使用者进行分类：

公用网（publicnetwork），专用网（privatenetwork）

接入网AN（AccessNetwork），它又称为本地接入网或居民接入网。

由ISP提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。

计算机网络的性能指标

1.速率

比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。

Bit来源于binarydigit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

速率即数据率（datarate）或比特率（bitrate）是计算机网络中最重要的一个性能指标。

速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等

速率往往是指额定速率或标称速率。

“带宽”（bandwidth）本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s（bit/s）。

吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。

也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

传播时延，电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

（注意区别）

信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是不同的概念

容易产生的错误概念

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。

提高链路带宽减小了数据的发送时延。

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

利用率

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。

完全空闲的信道的利用率是零。

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率并非越高越好。

网络协议的组成要素：

语法，数据与控制信息的结构或格式。

语义，需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

同步，事件实现顺序的详细说明。

主机1向主机2通过网络发送文件，可以将要做的工作进行如下的划分。

第一类工作与传送文件直接有关。

确信对方已做好接收和存储文件的准备。

双方协调好一致的文件格式。

两个主机将文件传送模块作为最高的一层。

剩下的工作由下面的模块负责。

市场化方面OSI失败了：

没有商业驱动力；过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而设备无法及时进入市场；层次划分并也不太合理，有些功能在多层次中重复出现。

网络协议（networkprotocol），简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

分层的好处：

各层之间是独立的；灵活性好；结构上可分割开；易于实现和维护；能促进标准化工作。

计算机网络的体系结构（architecture）是计算机网络的各层及其协议的集合。

TCP/IP是四层的体系结构：

应用层、运输层、网际层和网络接口层。

但最下面的网络接口层并没有具体内容。

因此往往采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构，应用层（applicationlayer），运输层（transportlayer），网络层（networklayer），数据链路层（datalinklayer），物理层（physicallayer）。

主机1向主机2发送数据的实现过程：

应用进程数据先传送到应用层，加上应用层首部，成为应用层PDU

应用层PDU再传送到运输层；加上运输层首部，成为运输层报文

运输层报文再传送到网络层；加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）；P数据报再传送到数据链路层，加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧；数据链路层帧再传送到物理层，最下面的物理层把比特流传送到物理媒体。

信号在物理媒体中传播，物理层将比特流上交给数据链路层；数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层；网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层；运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层；应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程。

主机2：

我收到了AP1发来的应用程序数据！

实体（entity）表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

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。

要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议，下面的协议对上面的服务用户是透明的。

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。

服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

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）。

DNS，全称DomainNameSystem，即域名解析系统。

DNS帮助用户在互联网上寻找路径。

在互联网上的每一个计算机都拥有一个唯一的地址，称作“IP地址”

用户数据报协议（UserDatagramProtocol）

实时传输协议（RealTimeProtocol）

简单邮件传输协议（SimpleMessageTransferProtocol）

超文本传输协议（HyperTextTransportProtocol）

互联网协议（InternetProtocol）

第二章

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

机械特性，指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

电气特性，指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性，指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

过程特性，指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

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。

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（即基本频带信号）——来自信源的信号。

像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。

因此必须对基带信号进行调制（modulation）。

带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。

为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。

最基本的二元制调制方法有以下几种：

调幅（AM）：

载波的振幅随基带数字信号而变化。

调频（FM）：

载波的频率随基带数字信号而变化。

调相（PM）：

载波的初始相位随基带数字信号而变化。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

奈氏准则：

在物理层的数据通信中，有著名的奈氏准则。

它在数据通信中的意义是什么？

奈奎斯特（Nyquist）推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式，奈氏准则：

理想低通信道）最高码元传输速率=2WBaud　　

W是的带宽（Hz）;1波特为每秒传送1个码元.　　

另一种表达方法是:

每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元.

香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率

C=Wlog2（1+S/N）b/s

W为信道的带宽（以Hz为单位）；

S为信道内所传信号的平均功率；

N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明：

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。

实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

注意：

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。

这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

导向传输媒体：

双绞线同轴电缆光缆

非导向传输媒体：

短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

微波在空间主要是直线传播。

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。

每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。

TDM信号也称为等时（isochronous）信号。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

时分复用可能会造成线路资源的浪费

还有，统计时分复用STDM（StatisticTDM）——又称异步时分复用

波分复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）波分复用就是光的频分复用。

码分复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）

常用的名词是码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。

码片序列（chipsequence）：

每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。

如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。

如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S站的8bit码片序列是00011011。

发送比特1时，就发送序列00011011，

发送比特0时，就发送序列11100100。

为了方便，按照管理将码片中的0写作-1，1写作+1.

则S站的码片序列：

（–1–1–1+1+1–1+1+1）

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）。

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。

虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。

xDSL技术就把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。

DSL就是数字用户线（DigitalSubscriberLine）的缩写。

而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。

ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine）：

非对称数字用户线

HDSL（HighspeedDSL）：

高速数字用户线

SDSL（Single-lineDSL）：

1对线的数字用户线

VDSL（VeryhighspeedDSL）：

甚高速数字用户线

DSL：

ISDN用户线。

RADSL（Rate-AdaptiveDSL）：

速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率）。

ADSL的特点：

上行和下行带宽不对称。

上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。

ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。

我国目前采用的方案是离散多音调DMT（DiscreteMulti-Tone）调制技术。

这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

ADSL的数据率：

由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。

当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。

ADSL不能保证固定的数据率。

对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。

通常下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s之间，而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。

光纤同轴混合网HFC（HybridFiberCoax）

CATV有线电视（CommunityAntennaTelevision）

HFC的主要特点优点略

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

点对点信道。

这种信道使用一对一的点对点通信方式。

广播信道。

这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。

广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机。

链路（link）是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。

一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路（datalink）除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。

若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。

现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。

一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

早期的数据通信协议曾叫作通信规程（procedure）。

因此在数据链路层，封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。

确定帧的界限。

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

解决透明传输问题:

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”（其十六进制编码是1B）。

字节填充（bytestuffing）或字符填充（characterstuffing）——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。

当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

对可能出现0变1，1变0，因此要差错检测。

循环冗余检验的原理：

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。

在发送端，先把数据划分为组。

假定每组k个比特。

假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。

我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。

冗余码的计算略

应当注意：

仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受（accept）。

“无差错接受”是指：

“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。

也就是说：

“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。

要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP（Point-to-PointProtocol）。

用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。

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协议有三个组成部分

一个将IP数据报封装到串行链路的方法。

链路控制协议LCP（LinkControlProtocol）。

网络控制协议NCP（NetworkControlProtocol）。

当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC的做法一样）。

当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

具体填充法略

PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理。

在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。

数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。

帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。

网络控制协议