计算机网络复习二.docx
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计算机网络复习二
第一章概述:
网络是指“三网”,即电信网络、有线电视网络和计算机网络。
发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。
计算机网络:
是一些互相连接的、自治的计算机的集合。
因特网(Internet)是“网络的网络”。
功能:
连通性——计算机网络使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,也可以是硬件共享。
网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。
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。
三级计算机网络,分为主干网、地区网和校园网(或企业网)。
“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。
“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
电路交换特点:
两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。
必定是面向连接的;电路交换的三个阶段:
建立连接;通信;释放连接
分组交换特点:
在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段;每一个数据段前面添加上首部构成分组;分组交换网以“分组”作为数据传输单元,依次把各分组发送到接收端(假定接收端在左边);接收端收到分组后剥去首部还原成报文;最后,在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。
分组交换的优点:
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。
主机的用途是为用户进行信息处理的,并且可以和其他主机通过网络交换信息。
路由器的用途则是用来转发分组的,即进行分组交换的。
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。
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。
链路的时延带宽积:
又称为以比特为单位的链路长度。
时延带宽积=传播时延带宽
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。
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。
组成:
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。
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。
五层协议:
应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)
数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)
传输控制协议:
TCP(TransmissionControlProtocol)--面向连接的,数据传输的单位是报文段(segment),能够提供可靠的交付。
用户数据报协议:
UDP(UserDatagramProtocol)--无连接的,数据传输单位是用户数据报,不保证提供可靠的交付,只能提供尽最大努力交付(best-effortdelivery)。
第二章物理层
概念:
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。
模拟数据:
运送信息的模拟信号。
模拟信号:
连续变化的信号。
数字信号:
取值为有限的几个离散值的信号。
数字数据:
取值为不连续数值的数据。
“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)。
这种通信方式是一方发送另一方接收,过一段时间再反过来。
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(baseband)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(bandpass)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)。
频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)频分复用的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TDM(TimeDivisionMultiplexing)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。
统计时分复用STDM(StatisticTimeDivisionMultiplexing)
波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)波分复用就是光的频分复用。
密集波分复用DWDM(DenseWaveDivisionMultiplexing)
码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)
码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。
同步光纤网SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
同步数字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)SDH的基本速率为155.52Mb/s,称为第1级同步传递模块(SynchronousTransferModule)即STM-1,相当于SONET体系中的OC-3速率。
OC-48(OpticalCarrier)第48级光载波
第三章数据链路层
一、点对点
信道:
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的数据发
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。
三个基本问题:
封装成帧;透明传输;差错控制
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。
透明传输:
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。
差错检测:
误码率BER(BitErrorRate)在一段时间内,传输错误比特占所传输比特总数的比率
点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。
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协议的组成:
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);网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)。
PPP透明传输问题:
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。
二、广播
使用广播信道的数据链路层:
网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard),或“网卡”。
适配器的重要功能:
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。
CSMA/CD协议:
以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。
以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码
CSMA/CD表示载波监听多点接入/碰撞检测CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。
“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据,如果有,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞。
“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。
争用期:
以太网的端到端往返时延2称为争用期,或碰撞窗口。
最短有效帧长:
以太网规定了最短有效帧长为64字节,凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。
帧间最小间隔:
9.6us
三、扩展以太网
1、集线器-----物理层
集线器(hub):
这种以太网采用星形拓扑,在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备。
集线器的一些特点:
⏹集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
⏹使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是CSMA/CD协议,并共享逻辑上的总线。
⏹集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层。
以太网的信道利用率:
帧长为L(bit),数据发送速率为C(b/s),因而帧的发送时间L/C=T0(s)。
信道利用率的最大值Smax
在物理层用集线器扩展局域网:
优点:
使原来属于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:
扩大了局域网覆盖的地理范围。
缺点:
碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高;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。
2、网桥(交换机)----数据链路层
网桥具有过滤帧的功能。
当网桥收到一个帧时,并不是向所有的接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口。
优点:
过滤通信量;扩大了物理范围;提高了可靠性;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:
存储转发增加了时延;在MAC子层并没有流量控制功能;具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大;网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网,否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。
这就是所谓的广播风暴。
透明网桥(transparentbridge):
透明:
是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥,因为网桥对各站来说是看不见的。
即插即用设备,其标准是IEEE802.1D。
3、虚拟局域网VLAN
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。
第四章网络层
一、网际协议IP
网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。
与IP协议配套使用的还有四个协议:
地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol);逆地址解析协议RARP(ReverseAddressResolutionProtocol);网际控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol);网际组管理协议IGMP(InternetGroupManagementProtocol)
三种类别的IP地址:
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。
分两个等级好处:
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)。
⏹由于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。
二、ARP
地址解析协议ARP
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。
ARP高速缓存的作用
为了减少网络上的通信量,主机A在发送其ARP请求分组时,就将自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组;当主机B收到A的ARP请求分组时,就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。
这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。
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。
逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址。
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)。
(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)。
(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。
三、子网的构造
划分子网:
从两级IP地址到三级IP地址:
两级的IP地址不够灵活,从1985年起在IP地址中又增加了一个“子网号字段”,使两级的IP地址变成为三级的IP地址。
这种做法叫作划分子网(subnetting)。
划分子网已成为因特网的正式标准协议。
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(subnetmask)可以找出IP地址中的子网部分。
(IP地址)AND(子网掩码)=网络地址
子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。
路由器在和相邻路由器交换路由信息时,必须把自己所在网络(或子网)的子网掩码告诉相邻路由器。
路由器的路由表中的每一个项目,除了要给出目的网络地址外,还必须同时给出该网络的子网掩码。
若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码。
使用子网掩码的分组转发过程:
路由表包含:
目的网络地址、子网掩码、下一跳地址
(1)从收到的分组的首部提取目的IP地址D。
(2)先用各网络的子网掩码和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。
四、超网:
无分类编址CIDR:
无分类域间路由选择CIDR(ClasslessInter-DomainRouting)。
网络前缀:
CIDR最主要特点:
CIDR消除了传统的A类、B类和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;CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)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。
无分类的两级编址的记法是:
IP地址:
:
={<网络前缀>,<主机号>}
路由聚合(routeaggregation):
一个CIDR地址块可以表示很多地址,这种地址的聚合常称为路由聚合,它使得路由表中的一个项目可以表示很多个(例如上千个)原来传统分类地址的路由。
路由聚合也称为构成超网(supernetting)。
CIDR虽然不使用子网了,但仍然使用“掩码”这一名词(但不叫子网掩码)。
对于/20地址块,它的掩码是20个连续的1。
斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。
构成超网:
前缀长度不超过23位的CIDR地址块都包含了多个C类地址。
这些C类地址合起来就构成了超网。
CIDR地址块中的地址数一定是2的整数次幂。
网络前缀越短,其地址块所包含的地址数就越多。
而在三级结构的IP地址中,划分子网是使网络前缀变长。
最长前缀匹配:
使用CIDR时,路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。
在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。
应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由:
最长前缀匹配(longest-prefixmatching)。
网络前缀越长,其地址块就越小,因而路由就越具体(morespecific)。
最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。
五、网际控制报文协议ICMP
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(InternetControlMessageProtocol)。
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。
ICMP不是高层协议,而是IP层的协议。
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。
ICMP报文的种类有两种,即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。
ICMP报文的前4个字节是统一的格式,共有三个字段:
即类型、代码和检验和。
接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关。
ICMP差错报告报文共有5种:
终点不可达;源点抑制(Sourcequench);时间超过;
参数问题;改变路由(重定向)(Redirect)
ICMP询问报文:
回送请求和回答报文;时间戳请求和回答报文
1、PING(PacketInterNetGroper)
PING用来测试两个主机之间的连通性。
PING使用了ICMP回送请求与回送回答报文。
PING是应用层直接使用网络层ICMP的例子,它没有通过运输层的TCP或UDP。
2、Traceroute
用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
从源主机向目的主机发送一连串的IP数据报,数据报中封装的是无法交付的UDP用户数据报。
六、因特网的路由选择协议
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。
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。
内部网关协议IGP(InteriorGatewayProtocol)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。
外部网关协议EGP(ExternalGatewayProtocol)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。
在外部网关协议中目前使用最多的是BGP-4。
自治系统之间的路由选择也叫做域间路由选择(interdomain
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