计算机网络内容整理Word格式.docx

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应用层、表示层、会话层、运输层、网际层、数据链路层、物理层。

12.TCP/IP的四层体系结构：

应用层、运输层、网际层、网络接口层

本书研究的五层体系结构：

应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。

13.协议与服务的区别：

协议是水平的，是控制对等实体之间通信的规则。

服务是垂直的，是由下层向上层通过层间接口提供的。

14.路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有运输层和应用层。

第2章物理层

2.1物理层的基本概念

1.物理层的任务：

确定与传输媒体接口的特性

2.特性：

机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

2.2数据通信的基础知识

1.单工通信：

单向通信，只能有一个方向的通信而没有交互。

半双工通信：

双向交替通信，双方都可以发信息，但不能同时发送或接收。

全双工通信：

双向同时通信，通信双方可以同时发送和接收信息。

2.基带信号：

基本频带信号，来自信源的信号，有较多的低频部分。

带通信号：

基带信号经载波调制后限定高频带的信号（便于传输）。

3.基本调制方法：

调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）

4.码元传输速率有上限，否则会出现码间串扰。

信道频带越宽，码元传输速率上限越大。

5.香农公式（有限带宽和有高斯白噪声的信道的极限信息传输速率）：

C=Wlog2（1+S/N），单位

为信道带宽，S为信号平均功率，N为信道内噪声功率

意义：

信道带宽或信噪比越大，极限传输速率越高；

传输速率小于极限值才能实现无失真传输，否则不能实现无失真传输。

2.3物理层下面的传输媒体

1.导引型传输媒体：

双绞线（屏蔽STP、无屏蔽UTP）、同轴电缆（粗同轴电缆、细同轴电缆）、光缆

2.非导引型传输媒体：

无线传输、短波、微波、红外线、光波

2.4信道复用技术

1.频分复用（FDM）：

所有用户在相同时间使用不同的带宽资源。

2.时分复用（TDM）：

每一个用户在一个等长的时分复用帧（TDM帧）中占用固定序号的时隙，时隙是周期出现的。

所有用户在不同时间占用相同的带宽（频带宽度）。

缺点：

造成线路资源浪费。

3.统计时分复用（STDM）：

通过集中器的输入缓存处理。

4.波分复用（WDM）：

光的频分复用。

5.码分复用（CDM）：

各用户使用不同码型，抗干扰能力强。

CDMA（码分多址）：

各站分配的码片序列各不相同且正交，即不同站码片向量的规格化内积为0，即S·

T=0,S·

T=0,码片向量跟自己的规格化内积为1，跟自己反码规格化内积为

，即且

。

2.5数字传输系统

1.旧的数据传输的缺点：

速率标准不统一；

不是同步传输

2.同步光纤网SONET：

各级时钟来自一个非常精确的主时钟

3.同步数字序列SDH：

以SONET为基础的国际标准

2.6宽带接入技术

1.DSL类型：

ADSL、HDSL、SDSL、VDSL、DSL、RADSL

2.非对称数字用户线ADSL：

将现有的模拟电话线中0-4kHz低频部分留给传统电话使用，将没有利用的高端频谱留给用户上网使用。

（1）极限传输距离：

与用户线线径有关，用户线越细，信号传输衰减越大。

最高数据传输率：

与用户线上的信噪比有关。

（2）特点：

上行（用户到ISP）和下行（ISP到用户）带宽不对称。

（3）方法：

离散多音调DMT调制技术（采用频分复用）。

3.第二代ADSL：

通过提高调制效率得到更高的数据率；

采用无缝速率自适应技术SRA；

改善线路质量评测和故障定位功能

4.光纤同轴混合网HFC；

有线电视网CATV基础上开发出的居民宽带接入网

（1）特点：

主干线路采用光纤；

采用结点体系结构；

具有比CATV更高的频谱；

具有双向传输功能；

每个家庭要装一个用户接口盒UIB

（2）电缆调制解调器：

为HFC网使用的调制解调器

5.FTTx技术：

光纤到户FTTH、光纤到大楼FTTB、光纤到路边FTTC

第3章数据链路层

3.1使用点对点信道的数据链路层

1.数据链路层使用的信道：

（1）点对点信道：

一对一点对点的通信

（2）广播信道：

一对多广播通信

2.数据链路：

加上实现数据传输的通信协议的软硬件的链路

适配器（网卡NIC）：

实现这些协议的硬件和软件

3.数据链路层传输的数据单位是帧。

4.封装成帧：

在一段数据的前后分别添加首部和尾部构成帧。

作用：

进行帧定界

5.解决透明传输问题：

字符填充

（1）发送端数据链路层若数据帧中出现控制字符SOH或EOT，则在前面插入转义字符ESC；

（2）接收端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；

（3）若转义字符也出现在数据中，则在转义字符前再插入一个转义字符；

当接收到连续的两个转义字符时，删除掉前面一个。

6.误码率：

一段时间内传输错误的比特数占总比特数的比率。

7.循环冗余检验CRC：

（1）编码过程：

设数据

长

位，冗余码

位，进行模2乘法

，即

后面添加

个0，作为被除数；

另给定长

位的除数

，得到商为

，余数为

（

位），将

作为发送数据。

（2）帧检验序列FCS：

在数据后面添加的冗余码。

（3）CRC检验：

接收端对帧进行CRC检验（即

（1）的过程），若余数

，则没有差错，接受该帧；

若

，则出现差错，丢弃该帧。

（4）CRC并不能确定出错的比特位置。

（5）要做到可靠传输须再加上确认和重传机制。

3.2点对点协议PPP

1.点对点协议PPP是使用最多的一种数据链路层协议。

2.需要的功能：

简单、封装成帧、透明、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

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.组成部分：

将IP数据报封装到串行链路的方法、链路控制协议LCP、网络控制协议NCP

4.帧格式：

所有PPP帧长度都是整数字节。

（1）标志字段F=0x7E，地址字段A=0xFF，控制字段C=0x03

（2）协议字段（2字节）：

0x0021表示信息字段是IP数据报，0xC021表示信息字段是PPP链路控制数据，0x8021表示信息字段是网络控制数据

（3）信息部分不超过1500字节

5.透明传输问题：

同步传输采用硬件完成零比特填充，异步传输采用一种特殊的字符填充。

（1）零比特填充：

发送端在5个连续的1后填入1个0；

接收端删除5个连续的1后的1个0。

（2）字符填充：

0x7E→0x7D,0x5E；

0x7D→0x7D,0x7D；

ASCII码（<

0x20）→0x7D,原编码

3.3使用广播信道的数据链路层

1.局域网：

（1）类型：

星形网、环形网、总线网

（2）以太网的两个标准：

DIXEthernetV2、IEEE802.3

（3）局域网的数据链路子层：

逻辑链路控制子层LLC、媒体接入控制子层MAC

2.适配器：

进行串行/并行转换；

缓存数据；

在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）：

（1）多点接入：

许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

（2）载波监听：

每一个站在发送数据之前先检测总线上是否有其他计算机发送数据，如果有则暂不发送，以免发生碰撞

（3）碰撞检测：

计算机边发送数据边检测信道上信号电压的大小。

当一个站检测到信号电压摆动值超过一定门限值时就认为总线上至少有两个站同时发送数据，产生了碰撞。

（4）正在发送数据的站一旦发现总线上出现碰撞就要立即停止发送。

（5）由于存在传播时延，当某个站监听到总线空闲时，实际上可能并未空闲。

（6）使用CSMA/CD协议的以太网只能进行半双工通信。

（7）争用期（碰撞窗口）：

即以太网端到端的往返时延（

），经过

时间可以知道发送的数据帧是否遭受碰撞。

4.二进制指数类型退避算法：

（1）基本退避时间取为争用期

；

（2）从

中随机取出一个数，

{重传次数，10}，则重传所需时延=

倍基本退避时间；

（3）若重传16次不成功则丢弃该帧并向上层报告。

5.以太网的最短有效帧长为64字节。

小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

6.强化碰撞：

当发送数据的站发现发生碰撞时停止发送数据，并继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户知道发生了碰撞。

3.4使用广播信道的以太网

1.使用集线器的双绞线以太网：

星形网10BASE-T

2.

（1）发送一帧平均时间：

，其中

为争用期，

为重传次数，

为数据发送成功占用期，

为使信道转为空闲所需时间

（2）参数

：

单程端到端时延与帧发送时间之比，

越大，争用期所占比例越大，一次碰撞浪费许多信道资源，信道利用率低；

而当

时信道利用率很高。

（3）理想情况极限信道利用率：

3.局域网的MAC地址（物理地址）：

适配器标识符EUI-48，共48位

（1）以太网的MAC帧格式：

DIXEthernet标准、IEEE802.3标准

目的地址6字节，源地址6字节，类型2字节，数据报46-1500字节

当数据字段长度小于46字节时应加入填充字段

（2）无效的MAC帧：

数据字段长度与长度字段值不一致；

帧长不是整数字节；

用收到的帧检验序列FCS查出有错；

数据字段长度不在46-1500字节之间。

无效的MAC帧要丢弃。

（3）帧间最小间隔：

9.6

，供接收数据帧的站清理缓存。

3.5扩展的以太网

1.用集线器扩展局域网：

（1）优点：

使属于不同碰撞域的局域网可以跨碰撞域通信；

扩大局域网覆盖的地址范围；

（2）缺点：

未提高总的吞吐量；

要求不同碰撞域要有相同的数据率。

2.在数据链路层的扩展局域网：

网桥

（1）工作原理：

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。

（2）优点：

过滤通信量；

扩大物理范围；

提高可靠性；

互连不同物理层、MAC层、不同速率的局域网

缺点：

存储转发增加了时延；

MAC子层不能进行流量控制；

具有不同MAC子层的网段桥接到一起时延更大；

只适用于用户数不多、通信量不大的局域网，否则可能出现广播风暴。

（3）网桥使各网段成为隔离开的碰撞域。

（4）网桥与集线器的区别：

集线器转发帧时不对传输媒体进行检测；

网桥转发帧时需要执行CSMA/CD碰撞检测算法。

（5）网桥在转发表中登记的信息：

源地址、接口、帧进入该网桥的时间

（6）透明网桥使用了生成树算法：

互连在一起的网桥彼此通信后就能找出原来拓扑的一个子集，子集中不存在回路，即任意两个站之间最多只有一条路径。

（7）源路由网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧首部中。

3.多接口网桥——以太网交换机：

（1）交换机工作在数据链路层。

（2）工作方式：

全双工，每一对相互通信的主机无碰撞传输数据。

（3）优点：

每个用户独占传输媒体的带宽。

4.虚拟局域网VLAN：

由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。

（1）帧格式：

在以太网帧格式中插入一个4字节的VLAN标记，指明发送该帧的工作站所需的虚拟局域网。

3.6高速以太网

1.高速以太网：

速率达到或超过100Mb/s的以太网

特点：

全双工方式下工作而无冲突发生，可以不使用CSMA/CD协议。

2.吉比特以太网：

允许在1Gb/s下全双工或半双工两种方式工作。

半双工使用CSMA/CD协议，全双工不需要使用CSMA/CD协议。

向后兼容。

3.10吉比特以太网：

只工作于全双工方式，不使用CSMA/CD协议。

第4章网络层

4.1网络层提供的两种服务

1.面向连接的虚电路：

保证双方通信的网络资源，是一种逻辑链接。

2.网络层只向上提供简单灵活、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

3.网络发送分组时不需要建立连接，每个IP数据报独立发送，不编号。

4.网络层不保证传输分组的质量和时限。

5.好处：

使网络中路由器做得相对简单，由运输层来保证可靠性；

使网络造价降低，运行方式灵活

4.2网际协议IP

1.中继系统：

（1）物理层：

转发器

（2）数据链路层：

网桥或桥接器

（3）网络层：

路由器

（4）网桥和路由器的混合物：

桥路器

（5）网络层以上：

网关

通常说的网关实际上指的是网络层使用的路由器

2.虚拟互连网络的好处：

看不见互连的各具体网络异构细节，感觉像在一个网络中通信。

3.IP地址：

分配给因特网的主机或路由器的世界范围内唯一的32位标识符。

（1）分类IP地址：

网络号net-id+主机号host-id

A类：

net-id长8位，第1位是0；

host-id长24位。

即1+3字节。

B类：

net-id长16位，前2位是10；

host-id长16位。

即2+2字节。

C类：

net-id长24位，前3位是110；

host-id长8位。

即3+1字节。

D类：

前4位是1110，后面是多播地址。

E类：

前4位是1111，后面保留为今后使用。

（2）点分十进制记法：

每8位（1字节）插入一个分隔符“.”，再将每8位转成1个十进制数，如：

202.116.64.8

（3）使用范围：

网络类别

最大网络数

第一个可用的网络号

最后一个可用的网络号

每个网络中最大主机数

A类

1

126

B类

128.1

191.255

C类

192.0.1

223.255.255

（4）分类的好处：

便于管理；

减少路由存储表项，从而减少路由表所占的存储空间

（5）其他特点：

①同时连接到两个网络的主机要有两个相应的IP地址。

②一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。

③同一局域网具有相同的网络号net-id。

④网络层数据报传输时路由器的IP地址并不出现在IP数据报首部中，路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择。

4.地址解析协议ARP：

每个主机都设有一个ARP高速缓存，存放所在局域网各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表。

（1）当局域网中A要向B发送数据报时，先在ARP缓存中查找有无B的IP，如果有，就找出其对应的硬件地址，并写入MAC帧，通过局域网将MAC帧发往该硬件地址。

（2）发送报文时，主机A会广播发送ARP请求分组，包括自身IP、MAC地址、目的主机B的IP地址。

主机B在收到报文后也会发送ARP响应报文，包括自身的IP地址、MAC地址。

（3）主机发送ARP分组时就将自己的IP地址到MAC地址的映射写入ARP请求分组中，B收到请求分组后将该映射关系写入自己的ARP高速缓存中。

（4）若要找的主机不在同一局域网，则将分组发送给路由器，由路由器把分组转发给下一网络。

5.IP数据报格式：

首部+数据部。

首部分为20字节固定字段和可变长可选字段。

（1）固定部分：

版本、首部长度、区分服务、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间、协议、首部检验和、源地址、目的地址。

（2）IP数据报首部长度最大为60字节，数据报最大为65535字节。

（3）较长的IP数据报需要分片，同样包含首部和分片数据段，片偏移为原分组中位置除以8（即以8字节为偏移单位）。

（4）检验和：

每16位的数据报首部和全0的检验和作反码求和运算后再取反码作为检验和发送；

接收端将每16位首部与检验和作反码求和后取反码，若结果为0则保留，否则丢弃。

（5）可变部分：

用于支持排错、测量、安全等措施。

从1到40字节不等。

6.IP层转发分组流程：

路由器在路由表中根据目的网络地址确定下一跳路由器。

（1）默认路由：

减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用时间。

（2）分组转发算法：

①从IP数据报首部提取目的主机的IP地址D，得到目的网络地址N；

②若N与路由器相连，则把数据报直接交付D，否则执行③；

③若路由表中有目的地址为D的路由，则将数据报转发给该下一跳路由器，否则执行④；

④若路由表中有到达网络地址N的路由器，则将数据报转发给该下一跳路由器，否则执行⑤；

⑤若路由表中有默认路由，则将数据报转发给默认路由器，否则执行⑥；

⑥报告转发分组出错。

4.3划分子网和构成超网

1.子网：

从主机号借用若干位作为子网号subnet-id

2.子网掩码：

（IP地址）AND（子网掩码）=网络地址

默认子网掩码：

A类255.0.0.0；

B类255.255.0.0；

C类255.255.255.0

（1）特性：

交换信息时必须将子网掩码告诉相邻的路由器；

路由表中每个项目都要给出该网络的子网掩码；

若一个路由连接在两个子网上，就拥有两个网络地址和两个子网掩码；

不同的子网掩码可能得出相同的网络地址，但效果是不同的。

（2）划分子网的分组转发算法：

①提取IP报文首部的IP地址D；

②用各网络的子网掩码与D逐位相与，若匹配则直接交付，否则执行③；

③若路由表中有目的地址为D的路由器，则转发给该下一跳路由器，否则执行④；

④将D和路由表中每行子网掩码相与，若与该行目的地址匹配，则转发给该下一跳路由器，否则执行⑤；

⑤若有默认路由，则转发给默认路由器，否则执行⑥；

3.无分类编址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。

（1）CIDR把网络前缀相同的连续IP组成CIDR地址块，用斜杠“/”在地址后面标注网络前缀位数，如128.14.32.0/20，则表示该地址块中包含的地址数为

个。

（2）全0和全1的主机号地址一般不用。

（3）路由聚合（构成超网）：

用CIDR地址块表示多个地址。

（4）掩码：

连续的1，个数为斜杠“/”后的数。

（5）最长前缀匹配：

路由器选择路由表的下一跳地址时若有多个匹配结果，则应从中选择具有最长网络前缀的路由器作为下一跳路由器。

（6）查找路由表的算法：

二叉线索查找

4.4网际控制报文协议ICMP

1.ICMP协议：

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。

是IP层协议。

加上数据报首部组成IP数据报发送。

2.种类：

差错报告报文、询问报文

（1）差错报告报文：

发送的情况：

终点不可达、源点抑制、时间超过、参数问题、改变路由（重定向）

不发送的情况：

ICMP差错报告报文、第一个分片后续的数据报片、多播地址的数据报、特殊地址（127.0.0.0、0.0.0.0等）的数据报

（2）询问报文：

回送请求与回答报文、时间戳请求与回答报文

3.PING：

测试两个主机之间的连通性。

使用了ICMP的回送请求与回答报文

应用层直接使用网络层ICMP，没有通过运输层。

4.5因特网的路由选择协议

1.路由选择策略（从算法自适应性考虑）：

静态、动态

2.因特网采用的路由选择协议：

分层次的路由选择协议

3.自治系统AS：

一个AS对其他AS表现出单一的和一致的路由选择策略

4.因特网的路由选择协议：

内部网关协议IGP（如RIP、OSPF等）；

外部网关协议EGP（如BGP-4）

5.内部网关协议RIP：

基于距离的分布式的路由选择协议。

要求网络中每一个路由器都要维护从自己到其他每个目的网络的距离记录。

（1）要求：

允许一条路径最多只包含15个路由器。

只适用于小型互联网。

不能在两个网络中使用多条路由，只选择最短路径的路由，哪怕存在另一条高速但路由器多的路由。

（3）要点：

仅和相邻路由器交换信息；

交换路由表的全部信息；

固定时间间隔交换信息

（4）距离向量算法：

①将RIP报文所有项目中下一跳地址改为发送报文的相邻路由器地址X，把距离加1；

②若项目目的网络不在表中则添加，否则执行③；

③若下一跳地址相同，则将收到的项目替换原路由表中的项目，否则执行④；

④若项目距离小于表中距离，则更新，否则什么都不做；

⑤三分钟没收到相邻路由器的更新路由表，则将其标记为不可达，即距离置为16，返回。

（5）RIP协议报文：

由首部和路由部分组成

（6）优点：

实现简单，开销较小。

网络出现故障时信息传达时间长；

限制网络规模；

随网络规模扩大开销增大

6.内部网关协议OSPF：

开放最短路径优先，使用Dijkstra算法SPF。

属于分布式的链路状态协议。

（1）要点：

使用洪泛法向本自治系统中所有路由发送信息，即与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，只有链路状态变化时才发送。

（2）链路状态数据库：

全网的拓扑结构图，及时更新

（3）区域标识符：

OSPF将一个自治系统划分为若干更小范围的区域，每个区域有一个32位的区域标识符。

一个区域内路由器最好不超过200个。

主干区域标识符：

0.0.0.0，用于连通下层区域。

好处：

减少整个网络上的通信量。

（4）传送：

直接使用IP数据报传送而不使用UDP。

可以将通信量分配给多条相同代价的路径，即负载平衡；

支持可变长的子网划分和无分类编址CIDR

（6）类型：

问候分组、数据库描述分组、链路状态请求分组、链路状态更新分组、链路状态确认分组

（7）优点：

路由器的链路状态只涉及与相邻路由器的连通状态，与整个网络规模无关。

网络规模大时好于RIP。

7.外部网关协议BGP：

（1）BGP发言人：

用于交换路由信息，一般是BGP边界路由器。

交换路由信息的结点数量级是自治系统的数量，比自治系统中网络数少很多；

BGP发言人数目少，自治系统间路由选择不过分复杂。

（3）特点：

支持CIDR。

运行后除首次外邻站只交换更新有变化的部分。

（4）类型：

打开报文、更新报文、保活报文、通知报文

8.路由器：

多输入端口和多输出端口

（1）作用：

转发分组，即将输入端口收到的分组从某个合适的输出端口转发给下一跳路由。

（2）结构：

只包含物理层、数据链路层和网络层。

（3）路由表是根据路由选择算法得出的，转发表是从路由表得出的。

4.6