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计算机网络复习整理
第一章概述
1.1计算机网络的定义:
按照网络协议,把自主独立的计算机用通信线路和通信设备互相连接起来,以实现彼此之间的数据通信和资源共享的一种计算机系统集合。
课本定义:
一些互相连接的,自治的计算机的集合。
1.3.1因特网的组成:
☐边缘部分:
由所有连接在因特网上的主机组成.该部分是用户直接使用的,用来进行通信和资源共享。
☐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。
☐边缘部分利用核心部分所提供的服务,使众多主机之间能够通信并交换或共享信息。
1.3.2因特网的边缘部分:
处于因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有主机,这些主机又称为端系统。
在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类:
☐客户服务器方式(C/S方式)即Client/Server方式
因特网上最常用,也是最传统的方式。
客户程序特点
a.客户程序必须知道服务器程序的地址
b.不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统
服务器程序特点
a.是一种专门用来提供某种服务的程序,可以同时处理多个客户的请求。
b.被动的等待并接受来自各地客户的通信请求,不需要知道客户程序的地址。
b.一般需要强大的硬件和操作系统支持
☐对等方式(P2P方式)即Peer-to-Peer方式
对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器
1.3.3因特网的核心部分:
最重要的功能是分组交换;路由器是实现分组交换的关键构件,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
1.3.4三种交换的比较(p15):
电路交换:
整个报文的比特流连续地从源点直达终点,好像在一个管道中连接
报文交换:
整个报文先传送到相邻结点,全部存储下来后查找转发表,转发到下一个结点
分组交换:
单个分组(整个报文的一部分)传送到相邻结点,存储下来后查找转发表,转发到下一个结点
1.5计算机网络的分类:
a.按照网络的作用范围进行分类:
⏹广域网WAN(WideAreaNetwork)
⏹城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)
⏹局域网LAN(LocalAreaNetwork)
⏹个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)
b.按照使用者进行分类:
⏹专用网(privatenetwork)
⏹公用网(publicnetwork)
1.6计算机网络的性能:
速率:
a.指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传输数据的速率。
单位是b/s,或kb/s,Mb/s,Gb/s等。
(最重要的性能指标)
b.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
带宽:
a.是单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”
b.用来表示网络的通信线路所能传送的能力。
单位是“比特每秒”,或b/s(bit/s)
吞吐量:
表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。
时延:
a.时延指数据从网络的一端传送到另一端所需时间。
b.数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和:
c.总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
1.7计算机网络的体系结构:
a.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。
b.OSI/RM参考模型(OSI7层模型):
应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层。
c.TCP/IP概念层次(4层):
应用层(对应OSI的应用层+表示层+会话层),传输层,网络层,网络接口层(对应OSI数据链路层+物理层,没有具体内容)
第二章物理层
2.1物理层的基本概念:
作用:
尽可能的屏蔽传输媒体种类,通信手段方式的差异,在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。
主要任务:
描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性
v机械特性
主要定义物理连接的边界点,即接插装置。
规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。
v电气特性
规定传输二进制位时,线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。
v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。
v过程特性
指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
2.2有关信道的几个基本概念
☐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。
2.3物理层下面的传输媒体
☐导向传输媒体(要求能举出例子)
双绞线:
屏蔽双绞线(STP)无屏蔽双绞线(UTP)同类交叉,异类直通,绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰,多用于电话系统。
同轴电缆:
50欧姆(粗缆)10欧姆(细缆)由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆有着良好的抗干扰特性。
多用于传输较高速率的数据铜质芯线绝缘层
光缆:
☐非导向传输媒体
地面微波接力通信;卫星通信;红外线通信,激光通信
2.4复用技术
☐频分复用
所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)
☐时分复用
a.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。
所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
统计时分复用
☐波分复用:
就是光的频分复用。
☐码分复用
2.6宽带接入技术
☐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。
第三章数据链路层
其最基本的任务是将源主机网络层来的数据封装成帧,可靠地传输到相邻节点的目标主机(寻址)网络层
数据链路层使用的信道主要两种类型:
☐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。
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的数据发。
(以太网)
3.1使用点对点信道的数据链路层
数据链路层使用的最广泛的点对点信道协议为点对点协议PPP
数据链路层的功能和协议较多,各种体系结构差别较大,但都有共性的三个基本问题:
封装成帧:
在一段IP数据报的前后分别添加尾部和首部,这样就构成了一个帧。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
帧定界方式:
a.带位填充的首位标志法—0比特填充法
b.使用字符填充的首尾定界符方法:
SOH为表示帧的首部开始,EOT表示帧的结束
透明传输:
接收方从收到的比特流中准确地区分出一帧开始和结束。
用字节填充(字符填充)法来解决,在SOH,EOT,ESC等字符前面填充转义字符ESC。
(另有零比特填充法)不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传输出去,这样的传输就是透明传输。
差错检验:
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(掌握计算)
☐现在k=6,M=101001。
☐设n=3,除数P=1101,
☐被除数是2nM=101001000。
☐模2运算的结果是:
商Q=110101,
余数R=001。
☐把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。
发送的数据是:
2nM+R
即:
101001001,共(k+n)位。
ppp协议中的字节填充和零比特填充法(p73)
3.3使用广播信道的数据链路层
1.局域网的数据链路层
⏹逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层
⏹媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。
局域网可以按网络拓扑进行分类:
星形网环形网总线网树形网
共享信道要着重考虑的一个问题就是如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源-------共享通讯媒体资源的技术
静态划分信道
动态媒体接入控制:
a.随机接入(CSMA/CD),所有用户可以随机地发送消息,必
(多点接入)须有解决碰撞的协议
b.受控接入:
用户不能随机地发送消息而必须服从一定的控制
2.适配器的作用:
又称网卡,复杂计算机与外界局域网的连接。
一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。
网卡的ROM中固化了硬件地址,而IP地址则是在计算机的存储器中。
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。
3.(载波监听多点接入/碰撞检测)CSMA/CD工作机制:
发前先侦听,空闲即发送,边发边检测,冲突时退避。
(p80)
3.4以太网
⏹以太网是最常用的局域网,发展非常迅速,目前尚未出现强有力的竞争对手
⏹以太网取得成功的主要原因是简单和灵活性,简单体现在可靠、低成本、易维护
⏹以太网的成功的另一个因素是与TCP/IP协议能够很好的协调工作
⏹各种以太网都采用CSMA/CDMAC层协议和相同的以太网帧结构,使得相互的兼容性好,升级成本低
mac层的硬件地址:
1.在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC地址,为每一个站的“名字”或标识符。
2.物理地址主要用于点对点或者同构网络里计算机通信使用,属于数据链路层。
3.适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.
4.如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理。
否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理
3.5扩展的以太网
中继器或网络延长器(物理层)
集线器主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大,以扩大网络的传输距离
网桥(数据链路层)
交换机(数据链路层)
网络交换机工作原理与网桥类似——可看成是一个多端口的高速网桥(工作在链路层上)
1.网桥的内部结构:
图3-25网桥分割碰撞域
2.网桥和集线器的不同
a)集线器在转发帧时,只是物理信号整形,不对传输媒体进行检测。
b)网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法
3.透明网桥的工作原理:
a)假定网桥开机后从端口A收到来自LANx的帧,它就查端口-地址表。
b)若目的MAC地址在本端口的表项中,则丢弃此帧。
c)若目的MAC地址在其他端口的表项中,则把帧转发到相应端口所在的LAN。
d)若目的MAC地址不在表中,则用洪泛法转发,即向除接收到该帧的端口之外的其他所有端口广播。
e)端口-地址表的建立方法:
在转发过程中逆向学习——若帧的源地址不在表中,则插入到表中。
总结:
学习源地址,丢弃本网端帧,转发异网端帧,广播未知帧。
4.集线器和交换机
a)集线器工作在物理层;所有主机都在同一冲突域;所有主机都在同一广播域;所有主机共享相同的带宽。
b)交换机工作在数据链路层;基于源MAC进行学习,目标MAC进行转发;每个端口一个冲突域;所有主机都在同一个广播域;每个端口独享带宽。
3.6虚拟局域网
1.虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。
a)这些网段具有某些共同的需求
b)每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。
2.VLAN的作用:
a)广播控制,防止广播风暴
b)安全性(控制用户权限)
c)带宽利用
d)便于网络管理
第四章网络层
网络层提供的两种服务:
虚电路服务(可靠通信有网络保证)和数据报服务(由可靠通信主机保证,因特网的网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
)。
没有一种单一的网络能够适应所有用户的需求
1.网际层IP协议及其配套协议图4-2
a)地址解析协议ARP
b)逆地址解析协议RARP
c)网际控制报文协议ICMP
d)网际组管理协议IGMP
2.IP地址的编制方法
a)分类的IP地址:
i.每一类地址都由两个固定长度的字段组成,其中一个字段是网络号net-id,它标志主机(或路由器)所连接到的网络,而另一个字段则是主机号host-id,它标志该主机(或路由器)。
ii.格式:
两级的IP地址可以记为:
IP地址:
:
={<网络号>,<主机号>}
iii.分类:
分为A,B,C,D,E五类地址
1)A类:
网络号字段占1个字节,第1位已固定位0。
占整个IP地址空间的一半。
2)B类:
网络号字段占2个字节,前2位已经固定为10。
占整个IP地址空间的25%
3)C类:
网络号字段占3个字节,前3位已经固定为110。
占IP地址空间的12.5%
4)D类:
前4位为1110,用于多播(一对多通信)
5)E类:
前4位为1111,保留为今后使用。
网络
类别
最大可指派的网络数
第一个可用的网络号
最后一个可用的网络号
每个网络中最大的主机数
A
126(27-2)
1
126
224-2
B
16383(214-1)
128.1
191.255
216-2
C
2097151(221-1)
192.0.1
223.255.255
28-2
iv.特殊的IP地址
a.网络号或主机号为全0或全1的一般用做特殊处理。
全0:
本网络或本主机。
全1:
一个广播地址,代表网络中的所有主机。
b.127.x.y.z:
保留作回路测试。
发送到这个地址的分组不输出到线路上,被内部处理,当作输入分组。
这一特性也用来为网络软件查错。
c.内部保留的私有IP地址:
10.x.y.z,172.16.y.z~172.31.y.z,192.168.y.z——用户的内部局域网使用。
v.IP地址的一些重要特点
1)IP地址是一种分等级的地址结构。
分两个等级的好处是:
第一,IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号,而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。
这样就方便了IP地址的管理。
第二,路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组(而不考虑目的主机号),这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少,从而减小了路由表所占的存储空间。
2)实际上IP地址是标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口。
⏹当一个主机同时连接到两个网络上时,该主机就必须同时具有两个相应的IP地址,其网络号net-id必须是不同的。
这种主机称为多归属主机(multihomedhost)。
⏹一个路由器至少应当连接到两个网络(这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络),因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址
3)用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络,因此这些局域网都具有同样的网络号net-id。
4)所有分配到网络号net-id的网络,范围很小的局域网,还是可能覆盖很大地理范围的广域网,都是平等的。
b)子网的划分:
i.在ARPANET的早期,IP地址的设计不够合理
1)IP地址空间利用率有时很低
2)给每个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。
3)两级IP地址不够灵活
ii.借用若干位作为子网号。
格式:
IP地址:
:
={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
iii.子网掩码:
从一个IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。
使用子网掩码可以找出IP地址中的子网部分。
iv.(IP地址)AND(子网掩码)=网络地址
v.子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性
vi.子网号和主机位数的确定:
c)构成超网----无分类编址(CIDR)
i.主要特点:
1)CIDR消除了传统A类、B类、C类地址以及划分子网的概念因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间,并且可以再新的IPv6使用之前容许因特网的规模继续增长。
2)CIDR把网络前缀都相同的连续IP地址组成了一个”CIDR地址块”。
3)CIDR使用各种长度的“网络前缀”来代替分类地址中的网络号和子网号。
IP地址从三级编址(使用子网掩码)又回到了两级编址。
ii.查找路由表时遵循最长前缀匹配
iii.格式:
IP地址:
:
={<网络前缀>,<主机号>}
iv.CIDR还使用“斜线记法”,它又称为CIDR记法,即在IP地址面加上一个斜线“/”,然后写上网络前缀所占的位数(这个数值对应于三级编址中子网掩码中1的个数)。
v.一个CIDR地址块中有很多地址,在路由表中利用CIDR地址块来查找目的网络。
这种地址的聚合称为”路由聚合”。
如一个CIDR地址块中可能包含了多个C类地址。
3.IP地址与硬件地址
a)IP地址是网络层和以上各层使用的地址,是一种逻辑地址;物理地址是数据链路层和物理层使用的。
IP地址放在IP数据报的首部,硬件地址放在MAC帧的首部。
b)在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报,两个路由器的IP地址并不出现在IP数据报的首部中
c)路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择
d)在具体的物理网络的链路层,只能看见MAC帧而看不见IP数据报
e)IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节,在抽象的网络层上讨论问题,就能够使用统一的、抽象的IP地址,研究主机和主机或主机和路由器之间的通信
4.IP层转发分组的流程(p126)
a)分组转发算法:
1)从数据报的首部提取目的主机的IP地址D,得出目的网络地址为N。
2)若网络N与此路由器直接相连,则把数据报直接交付目的主机D;否则间接交付,执行(3)。
<同一网络>
3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器;否则,执行(4)。
<不同网络但有特定路由>
4)若路由表中有到达网络N的路由,则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器;否则,执行(5)。
<不同网络>
5)若路由表中有一个默认路由,则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器;否则,执行(6)。
6)报告转发分组出错。
b)在划分子网的情况下路由器转发分组的算法
1)从收到的分组的首部提取目的IP地址D。
2)先用本网络的子网掩码和D逐位相“与”,看是否和相应的网络地址匹配。
若匹配,则将分组直接交付。
否则就是间接交付,执行(3)。
3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由,则将分组传送给指明的下一跳路由器;否则,执行(4)。
4)对路由表中的每一行的子网掩码和D逐位相“与”,若其结果与该行的目的网络地址匹配,则将分组传送给该行指明的下一跳路由器;否则,执行(5)。
5)若路由表中有一个默认路由,则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器;否则,执行(6)。
6)报告转发分组出错。
c)例题4-4(p134)
5.地址解析协议ARP
a)每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARPcache),里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。
此表经常动态更新。
b)当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时,就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。
如有,就可查出其对应的硬件地址,再将此硬件地址写入MAC帧,然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。
c)ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。
d)从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的。
只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信,ARP协议就会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。
e)使用ARP的四种典型情况:
1)发送方是主机,要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。
这时用ARP找到目的主机的硬件地址。
2)发送方是主机,要把IP数据报发送到另一个网络上的一个主机。
这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。
剩下的工作由这个路由器来完成。
3)发送方是路由器,要把IP数据报转发到本网络上的一个主机。
这时用ARP找到目的主机的硬件地址。
4)发送方是路由器,要把IP数据报转发到另一个网络上的一个主机。
这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。
剩下的工作由这个路由器来完成。
6.网际控制报文协议ICMP
a)为了提高IP数据报交付成功的机会,在网际层使用了网际控制报文协议ICMP
b)ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。
c)ICMP不是高层协议,而是IP层的协议。
d)ICMP报文作为IP层数据报的数据,加上数据报的首部,组成IP数据报发送出去。
e)几种常用的ICMP报文类型如下:
差错报文
询问报文
终点不可达
回送请求
源点抑制
时间戳
时间超过
参数问题
改变路由(重定向)
f)ICMP应用举例:
i.分组网间探测PING:
用来测试两个主机之间的连通性。
ii.traceroute:
用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
7.因特网的路由选择协议
a)有关路由选择协议的几个基本概念从路由算法的自适应性考虑
i.静态路由选择策略——即非自适应路由选择,其特点是简单和开销较小,但不能及时适应网络状态的变化。
ii.动态路由选择策略——即自适应路由选择,其特点是能较好地适应网络状态的变化,但实现起来较为复杂,开销也比较大。
b)因特网有两大类路由选择协议,采用分层次的路由选择协议:
i.内部网关协议IGP,即在一个自治系统内部使用的路由选择协议。
目前这类路由选择协议使用得最多,如RIP和OSPF协议。
域内路由选择
ii.外部网关协议EGP,若源站和目的站处在不同的自治系统中,当数据报传到一个自治系统的边界时,就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。
这样的协议就是外部网关协议EGP。
BGP边界网管协议。
域间路由选择
c)内部网关协议RIP
i.工作原理:
1)路由信息协议RIP是内部网关协议IGP中最先得到广泛使用的协议。
2)RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。
3)RIP协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。
4)“距离”的定义:
从一路由器到直接连接的网络的距离定义为1。
从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加1。
RIP协议中的“距离”也称为“跳数”,因为每经过一个路由器,跳数就加1。
5)RIP允许一条路径最多只能包含15个路由器。
ii.RIP协议的三个要点
1)仅和相邻路由器交换信息。
2)交换的信息是当前本路由器所知道的全部
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