计算机网络第五版知识点总结.docx
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计算机网络第五版知识点总结
一、概论
1、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
⏹对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式
（1）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。
（2）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。
⏹只要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。
特点
⏹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。
例如主机C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。
但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用
2、电路交换、分组交换、报文交换
（1）电路交换的特点：
电路交换必定是面向连接的；电路交换的三个阶段：
建立连接、通信、释放连接。
电路交换传送计算机数据效率低
⏹计算机数据具有突发性。
⏹这导致通信线路的利用率很低。
（2）分组计划优点
⏹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。
缺点
⏹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。
3、体系结构
⏹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。
⏹体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
⏹实现（implementation）是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。
⏹体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。
⏹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。
五层协议的体系结构：
应用层运输层网络层数据链路层物理层
4、计算机网络的性能指标
（1）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。
（2）“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）。
（3）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。
（4）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。
⏹信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
⏹处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
⏹排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延。
⏹排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
（5）时延带宽积
时延带宽积=传播时延带宽
⏹链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
（6）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。
⏹根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。
⏹
若令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示D和D0之间的关系：
U是网络的利用率，数值在0到1之间。
⏹
二、物理层
1、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。
2、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。
3、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。
⏹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。
4、
（1）导向传输媒体
⏹双绞线：
屏蔽双绞线STP无屏蔽双绞线UTP同轴电缆（50同轴电缆75同轴电缆）
⏹光缆
（2）非导向传输媒体
⏹无线传输所使用的频段很广。
⏹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。
⏹地面微波接力通信
⏹卫星通信
5、信道复用技术
（1）频分复用FDM用户在分配到一定的频带后，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）。
（2）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，使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对
分配到的子信道的利用率一般是不高的。
（3）统计时分复用STDM
三、数据链路层
1、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的数据发
2、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。
3、三个基本问题
（1）封装成帧
⏹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。
（2）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。
（3）差错检测
⏹在传输过程中可能会产生比特差错：
1可能会变成0而0也可能变成1。
⏹在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER（BitErrorRate）。
⏹误码率与信噪比有很大的关系。
循环冗余检验CRC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。
⏹用二进制的模2运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。
⏹得到的（k+n）位的数除以事先选定好的长度为（n+1）位的除数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n位。
⏹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。
帧检验序列FCS
⏹在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS（FrameCheckSequence）。
⏹循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。
⏹CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。
⏹FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。
接收端对收到的每一帧进行CRC检验
⏹
（1）若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受（accept）。
⏹
（2）若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
⏹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”。
⏹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。
4、点对点协议PPP
（1）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
（2）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
（3）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）。
（4）PPP协议的帧格式
标志字段F=0x7E地址字段A只置为0xFF。
控制字段C通常置为0x03。
PPP有一个2个字节的协议字段。
⏹当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。
⏹若为0xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。
⏹若为0x8021，则表示这是网络控制数据。
PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。
（5）当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法
⏹将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列（0x7D,0x5E）。
⏹若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列（0x7D,0x5D）。
⏹若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。
（6）PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。
这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
⏹在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。
接收端对帧中的比特流进行扫描。
每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除，
（7）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。
（8）PPP协议的工作状态
⏹当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
⏹PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。
⏹这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。
⏹通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。
接着，LCP释放数据链路层连接。
最后释放的是物理层的连接。
5、局域网的数据链路层
⏹局域网最主要的特点是：
网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
⏹局域网具有如下的一些主要优点：
⏹具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。
局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
⏹便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
⏹提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
⏹为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：
⏹逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl）子层
⏹媒体接入控制MAC（MediumAccessControl）子层。
⏹与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的
6、适配器
⏹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。
7、CSMA/CD协议
（1）简介
⏹“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。
⏹总线上并没有什么“载波”。
因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。
⏹“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。
⏹当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
⏹当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
检测到碰撞后
⏹在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
⏹每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
（2）重要特性
⏹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）。
⏹每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
⏹这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。
（3）争用期
⏹最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
⏹以太网的端到端往返时延2称为争用期，或碰撞窗口。
⏹经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
⏹以太网取51.2s为争用期的长度。
⏹对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。
⏹以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
二进制指数类型退避算法
⏹发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。
⏹确定基本退避时间，一般是取为争用期2。
⏹定义重传次数k，k10，即
k=Min[重传次数,10]
⏹从整数集合[0,1,…,（2k1）]中随机地取出一个数，记为r。
重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。
⏹当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。
最短有效帧长
⏹如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。
⏹由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。
⏹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。
强化碰撞
⏹当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
⏹立即停止发送数据；
⏹再继续发送若干比特的人为干扰信号（jammingsignal），以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
8、MAC帧的格式
⏹最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
⏹目的地址字段6字节源地址字段6字节
⏹类型字段2字节，类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。
⏹数据字段46~1500字节，数据字段的正式名称是MAC客户数据字段
最小长度64字节18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度
⏹FCS字段4字节
当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。
在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步（为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节）。
第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。
1）无效的MAC帧
⏹数据字段的长度与长度字段的值不一致；
⏹帧的长度不是整数个字节；
⏹用收到的帧检验序列FCS查出有差错；
⏹数据字段的长度不在46~1500字节之间。
⏹有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。
⏹对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。
以太网不负责重传丢弃的帧。
2）帧间最小间隔
⏹帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。
⏹一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。
⏹这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。
9、网桥
⏹在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
⏹网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。
⏹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
1）使用网桥带来的好处
⏹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。
2）使用网桥带来的缺点
⏹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。
3）网桥和集线器（或转发器）不同
⏹集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。
⏹网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法。
⏹若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。
4）透明网桥
⏹“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。
⏹透明网桥是一种即插即用设备，其标准是IEEE802.1D。
5）网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表
⏹若从A发出的帧从接口x进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到A。
⏹网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。
⏹在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。
⏹在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。
这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。
6）网桥在转发表中登记以下三个信息
在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。
⏹这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。
另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。
⏹把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。
这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。
7）网桥的自学习和转发帧的步骤归纳
网桥收到一帧后先进行自学习。
查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。
如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。
如有，则把原有的项目进行更新。
⏹转发帧。
查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。
⏹如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。
⏹如有，则按转发表中给出的接口进行转发。
⏹若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。
8）透明网桥使用了生成树算法生成树的得出
⏹互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。
在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。
⏹为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。
⏹为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。
9）源路由网桥
⏹透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。
⏹源路由（sourceroute）网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。
⏹源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。
⏹发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。
源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。
凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。
四、网络层
1、
升级会员 