计算机网络教程4版期末复习资料.docx
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计算机网络教程4版期末复习资料
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1．概述
（1）计算机网络定义：
计算机网络是利用通信手段，把地理上分散的相互独立的自主计算机系统按照标准协议规范互联起来，以供用户充分自由地共享各种资源为目的而构成的系统。
计算机网络的特征（外部特征）就是上述计算机网络定义中的三个核心概念，即自主计算机系统、互连和共享资源。
内部特征：
协议
互连则又是这三个核心概念中的最重要的核心。
（2）计算机网络的组成：
根据网络拓朴结构进行分类：
（l）星型网；
（2）树形网；（3）总线型网；（4）环形网；（5）网状网；（6）混合网等。
从网络的作用地理范围进行分类：
（l）广域网WAN（WideAreaNetwork），作用范围通常为几十到几千公里。
（2）局域网LAN（LocalAreaNetwork），地理上则局限在较小的范围（如lkm或几km左右），一般是一幢楼房或一个单位内部。
（3）城域网或市域网MAN（MetropolitanAreaNetwork），其作用范围在广域网和局域网之间，例如作用范围是一个城市，其作用距离约为5—50km。
（4）个域网。
近年来出现多种以个人使用区域为范围的计算机网络类型，作用距离在一般在1-100m。
网络协议主要由三个要素组成：
语义、语法和规则。
语义：
协议元素的定义。
语法：
协议元素的结构与格式。
规则（时序）：
协议事件执行顺序。
（3）体系结构（为何分层？
层次结构，osi七层，tcp四五层）
上述各项功能的依赖关系，可用层次关系来描述。
必须先实现的功能，被称作为下层功能，而依赖于其他功能实现自己才可实现的功能称作上层功能，也即上层功能依赖下层功能，下层功能是为上层功能的实现而服务的。
如果上述功能，每个功能被称作一个层次，则整个网络就被划分为7层功能。
这就是计算机网络分层概念的由来。
要注意的是，所谓计算机网络的层次是个完全人为定义的用于描述网络功能的抽象概念，没有任何物理意义。
为何分层
网络分层的目的在于把各种特定的功能分离开来，并使其实现对其他层次来说是透明的，即不可见的。
这种分层结构使各个层次的设计和测试相对独立。
比如说，数据链路层和物理层分别实现不同的功能，物理层为前者提供服务，数据链路层不必理会物理层的服务是如何实现的，因此，物理层实现方式的改变将不会影响数据链路层。
这一原理同样适用于其他连续的层次。
减少协议设计的复杂性可按层或级的方式来组织；化大为小。
协议分层的原则是保证通信双方（即对等实体）收到的内容和发出的内容完全一致。
每一层都建立在它的下层之上，下层向上层提供透明服务，上层调用下层服务，并屏蔽下层工作过程。
OSI七层，TCP/IP五层，四层：
国际标准化组织（ISO）于80年代初提出了计算机网络开放式系统互连参考模型（OSI/RM），并据此制定了一系列网络协议。
ISO提出了七层结构的OSI/RM，这七个层次依次为：
物理层——链路层——网络层——传输层——会话层——表示层——应用层
TCP/IP成为计算机网络体系结构的事实上的工业标准。
Tcp四层：
网络接口层，网络层，传输层，应用层
Tcp五层：
物理层，链路层，网络层，传输层，应用层
协议内容的落实是通过各种网络产品包括专业人员设计的协议软件程序实现的。
目前大多数高层协议程序是和网络操作系统捆绑在一起的，也有的是和应用软件捆绑在一起的。
低层协议程序则大都固化在网卡，集线器，路由器等网络连接装置中。
P16,1—9图
（4）服务，功能，协议的区别和关系：
“服务”和“功能”这两个名词，它们有着完全不同的概念。
“服务”是对相邻上层而言的，属于本层的外观表现，下层给上层提供服务，而“功能”则是本层内部的活动，是为了实现对外服务而从事的内部活动。
协议是对等实体之间。
（5）两大子网：
通信子网和资源子网，课本第五页图
（6）英文缩写：
CSMA/CD,中英文全称，常用的互联网业务
2．物理层
（1）物理层的概念：
物理层是网络体系结构的最低层。
它是网络功能体系结构中上层各功能赖以实现的物质基础，它向网络提供最基本的信号传输服务
物理层负责点到点的可靠连接和数据信号的可靠传输，物理层的功能主要是靠硬件体现和实施的。
（2）多路复用的几种方式：
多路复用的理论基础是差别信号分割原理，共分以下几种：
频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplex，FDM）：
按照频率参量的差别来分割信号的多路复用。
在这个同一物理线路的带宽内的多个相互隔离的频段上同时传送多路信号。
时分多路复用（TimeDivisionMultiplex，TDM）：
按照时间参量上的差别来分割信号的多路复用。
当物理信道容量大于多个被传信号的数据传输率之和时，可将传输时间划分成等量的时间片，多个信号交错轮流占据不同时间片，每路信号通过周期交错连续的时间片传输，实现在同一时段（由多个时间片组成）内传送多路信号。
码分多路复用或码分多址（CodeDivisionMultiplexAddress，CDMA）：
根据码型（波形）结构的不同来实现信号分割的多路复用
在CDMA系统中所有用户使用同一频率，占用相同的带宽，各个用户可以同时发送或接收信号。
空分多路复用（SpaceDivisionMultiplex，SDM）：
传统多路复用技术，由多条线路共享一个物理空间，依据空间上的差别来分割信号。
波分多路复用（WavelengthDivisionMultiplex，WDM）：
依据光波波长上的差别来分割信号的多路复用。
WDM在本质上可以看作是FDM的一种特殊形式。
其原理是：
整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。
（3）双绞线（twistedpair），光纤各层的作用，标签上符号的含义：
双绞线每根线都包覆有绝缘材料（如塑料），然后每两根线再相互绞在一起。
每根线的绝缘层用于隔离两根导线，绞在一起可减少干扰。
首先，绞在一起限制了电磁能量的发射，并有助于防止双绞线中的电流发射能量干扰其他导线。
其次，绞在一起也使双绞线本身不易被电磁能量所干扰，有助于防止其他导线中的信号干扰这两根导线。
光纤的外面，是一层玻璃称之为包层。
它如同一面镜子，将光反射回中心，反射的方式根据传输模式而不同。
这种反射允许纤维的拐角处弯曲而不会降低通过光传输的信号的完整性。
在包层外面，是一层塑料的网状的Kevlar（一种高级的聚合纤维），以保护内部的中心线。
最后一层塑料封套覆盖在网状屏蔽物上
（4）信号带宽，信道带宽的概念
带宽是传输介质能传输的最高频率和最低频率之间的差值。
频率通常用Hz表示，它的范围直接与吞吐量相关。
带宽越高，吞吐量就越高。
（5）信道的传输模式：
数字，模拟——区别与联系：
（6）传输编码的类型：
AMI，曼彻斯特码
双极性交替反转码B-AMI
这是用三种电平来表示二进制信号的编码。
“0”用无电平表示，“1”交替用正负极性两种电平表示。
从图3-25中可以看出AMI码中无直流成分，高频和低频分量也较少，传输码流的带宽与信源数据比特流的带宽一致。
由于采用交替的正负极性两种电平表示“1”，只有无电平才是“0”，所以抗干扰能力强。
另外，由于这种码型是逢“1”极性反转的，若接收端发现极性不是交替出现，就可以判定出现了误码，因而AMI码具有一定的检错能力。
由于AMI的上述优点，AMI成为较常用的码型之一。
AMI码的主要缺点是当码流中出现长连“0”时，提取同步信息困难。
曼彻斯特码Manchester
Manchester码是用比特周期中间时刻不同方向的跳变来分别表示“0”和“1”的二电平编码。
其编码原理是：
将每一个比特周期划分成等宽的两个半周期，在图3-25中，“l”码前半个周期为低电平而后半个周期为高电平；“0”码前半个周期为高电平而后半个周期为低电平。
由于每一个比特周期的正中间都出现一次电平的转换，故Manchester码可以实现自同步，与此同时，Manchester码完全消除了码型的直流分量。
但是Manchester码的带宽是比特流带宽的一倍，因此传输效率减少了一半。
曼彻斯特码编解码简单易行，现在主要用作为以同轴电缆和双绞线为传输介质的CSMA/CD总线局域网中的传输码型
（7）香农公式，各符号的含义，以及奈奎斯特公式
奈奎斯特准则：
频带宽度为B（Hz）的无噪声数字信道，所能传输的信号的最高码元速率为2B波特（Baud），则其最大数据传输率C可由式C=2Blog2K确定，K为码元所能取的离散值的个数。
香农定理：
对于有噪声信道，每个码元所能取的离散值的个数受信道所受的干扰影响，其最大数据传输率C由下式确定：
C=Blog2（1+S/N），其中B是信道带宽，S是信号功率，N是噪声功率。
此式被称作香农公式。
（8）典型的物理层协议：
3．数据链路层
（1）链路层光纤与数据链路层的概念：
链路层是数据链路层的简称，它是网络体系结构中非常重要的一个层次，因为整个网络的数据可靠传输，首先是由每段数据链路上的可靠传输来保障的，其次才由端结点的可靠控制手段来进一步保障，最后扩大到全网的可靠传输。
链路层是基于物理层，实现相邻结点数据可靠传输的功能层。
这里所传输的数据是具有完整结构的二进制数据集合，只有传输的二进制数据可靠性得到保证了，二进制数据所表示的信息才有可能正确
差错控制方式：
前向纠错，检错重发（最常用）
（2）数据交换技术3种基本特点：
（尤其注意分组交换的特点）
数据在节点进出过程称为交换，同一组数据绝不会从同一个端口又进又出。
连续数据单元通过节点时的转发方式，称作数据交换技术。
数据的传输过程变成了一个一个数据单位在网络节点一进一出的交换过程。
通常将这个数据单位叫做数据包。
“包”是个一般概念，每一协议层包的定义是不一样的。
应用层、表示层和会话层等高层协议将传输单位定义为报文；传输层将传输单位定义为报文或数据报；网络层将传输单位定义为分组；链路层将传输单位定义为帧。
三种交换策略：
电路交换、报文交换和分组交换
电路交换（CircuitSwitching）中，两节点间的线路将一直保持到其中一方终止通信。
也就是说，该线路只用于这两个节点间的通信。
适用于：
持续的即时通信
报文交换：
和电路交换不同，通信双方没有始终保持一条链路，而只是当一方有报文（信息）需要传送时，网络临时建立路由传递报文，本次信息传送完毕，路由释放。
并且报文被每个经过的节点存储起来，这就是报文交换，也称为存储转发（Store-and-Forward）
报文交换和电路交换的差别在哪里呢？
1）在报文交换中，报文被每个节点暂时存储。
在电路交换中，节点象一个交换设备一样，只负责转发数据。
例如，你的电话通话不会被中间节点所存储（除非有人在窃听并记录你的通话！
）。
因为存储转发，所以报文交换会导致传输延迟，这种交换策略并不适用于电话网络。
因为语音传输的延迟将使通话非常困难！
2）在电路交换中，两节点间的所有信息交换都使用同一条路径。
而在报文交换中，不同的报文可能经过不同的路由。
因此，不同的报文可以分时共享同一公共线路，这样，网络的利用率就提高了。
3）电路交换在发送数据时，要求收发双方即时共同参与。
而报文交换则不需要，报文被发送到目的地，可以存储起来等待取用。
分组交换：
本质上和报文交换类似，只是把由于在报文交换中传输长报文而导致的问题的影响最小化。
分组交换有两种方式：
数据报方式：
网络协议将每一个分组当作单独的一个报文，对它进行路由选择
虚电路方式：
这一过程类似于电路交换，但有一点重要的区别：
线路不是专用的！
也就是说，不同的虚电路可以共享一条公共物理网络线路！
三种交换方式的比较
IP数据报从一端传输到另外一端源IP地址和目的IP地址在传输的过程中是否会发生？
中间路由器是否对其有改变？
（不会改变）路由仅知道吓一跳怎样走，而不知道完全路径。
（3）HDLC最完整的经典链路层协议：
5个0填充一个1，避免6个以上的0从而避免与前导码一样
HDLC（highleveldatalinkcontrol）是面向位的数据链路协议，使用位填充来保证数据的透明性。
（最完整经典的链路层协议）
HDLC的基本技术包括节点类型、链路类型和数据传输方式，为了适应不同配置和不同数据传送方式，HDLC定义了三种类型的站、两种链路配置和三种数据传输方式：
三种类型的站：
主站、从站和复合站。
两种链路配置：
非平衡设置和平衡设置。
三种数据传输方式：
正常响应式、异常响应式和异步平衡式。
HDLC的帧结构
HDLC是面向位的链路协议，显然使用帧同步传输。
HDLC帧具有固定的格式：
首部、负载信息部和尾部。
首尾各占24位，中间信息字节数可变。
首尾共48位放置帧的控制信息，这些控制信息用来实现同步、透明传输、寻址、流量控制、顺序控制、差错控制、数据与控制信息的识别、以及链路的管理。
首部的8位地址字段表明HDLC链路除去一个广播地址最多可以连接255个站点，但在点对点链路中，不需要这个字段。
首部的8位控制字段包含了链路层的大部分控制信息，包括帧的类型、帧的序号、监督帧和无编号帧的功能位等。
不同类型HDLC帧时8位控制字段的各位意义不同。
首尾中的标志字段用于实现同步；地址字段用于实现寻址；控制字段用于实现顺序控制、流量控制、数据与控制信息的识别、以及链路的管理；帧检验序列字段FCS用于实现差错控制。
透明传输机制：
是指将帧中非标志字段出现5个连“1”自动补“0”，然后传输。
在接收端则将非标志字段中的5连“1”后的“0”自动去掉恢复帧的原来面貌。
在HDLC协议中，差错控制的校验内容不包括标志字段。
即不对标志字段进行差错控制编码，认为标志不会出错。
当相邻两个帧连接在一起时，首尾标志字段连在一起构成一个16位的特殊码段0111111001111110，作为帧间的区隔。
HDLC的帧类型：
HDLC有信息帧、监督帧和无编号帧三种类型。
由帧结构中的控制字段的头两位标识。
HDLC的操作：
HDLC的操作涉及三个阶段：
初始化、数据传送和拆链。
初始化阶段，通信双方有一方要初始化数据链路，使得帧能够以有序的方式进行交换，双方需要就各种选项的使用达成一致。
数据传送阶段双方交换用户数据和控制信息，并且实施流量控制和差错控制。
拆链：
最后有一方要发出信号来终止操作。
点对点协议PPP（PointtoPointProtocol）
（4）ARQ（AutomationRepeatreQuest）及滑动窗口的特点：
1．等待式ARQ
等待式ARQ是指发送方发出一帧数据后，即等待接收方的确认：
如果接收方确认收到的是正确的数据帧，则向发送方回送一个确认帧ACK（ACKnowledgement），发送方收到ACK后，可继续发送下一个数据帧；
如果接收方检测出收到的数据帧有错误，则向发送方回送一个否认帧NAK（NegativeAcKnowledgement），以表示发送瑞应当重发这个在传送过程中出现差错的数据帧。
发送方收到NAK后，进行重发
两个问题：
出现帧出错、帧丢失和确认丢失3种情况下都会导致无休止等待，解决办法：
就是发送方每发完一个帧后即启动计时器
防止重复帧：
对数据帧进行编号
2．退回N步ARQ
在发完一帧后，不是停下来等待应答，而是继续发送下一个数据帧，称为连续式ARQ。
原理如下：
当第一个帧发出后，不等待其应答信号便连续发出第二个。
。
。
一直到第N个帧。
若第一个帧的应答信号是ACK，则继续发送第N+1个帧，若应答信号是NAK，则停止发送第N+1个帧，而是从错的那一帧开始重发，后面的已发的帧即便是已正确发送也要重发！
3．选择重传ARQ
在退N步ARQ基础上，当一个帧有错时，只重发有错的这一帧，之后的正确帧被接收方存储起来，不再需要重发，省下的时间用来传送新的帧。
这就是选择重传ARQ，显然，选择重传ARQ要求接收方必须有足够的存储空间，以便等待有错的帧经重发后获得更正，然后接收方把重发帧和缓存已有的正确帧一起重新排序后送给上层用户。
所以选择重传ARQ方式的收端可以接收乱序帧。
适用于信道质量不好的情况
4．滑动窗口协议
数据单元编号不能太大，应循环利用。
我们假定用3个比特进行编号（见图4-6b），如果发送方一开始发送的8个帧均正确到达收端，但接收方所发出的确认信息全部丢失。
。
。
由超时机制，发送方发完7号帧之后，仍未收到0号和1号帧确认，即重发0号和1号帧。
现在的问题是：
接收方怎样判断后面收到的0号和1号帧是超时重发帧，还是新的两个帧？
解决办法：
对发送方发出去的未经确认的帧的数目加以限制，这个受限制的数目称为发送窗口大小，实质上是一张允许未经确认连续发送的帧的序号表!
假设帧编号位为3比特，为0—7，发送窗口设为5。
当发送方发完了5个帧时，发送窗口已填满，须停止发送，进入等待状态。
假定不久，0号帧的确认ACK到了，那么发送窗口就丢掉被确认的老的0号帧，使窗口后移一帧，1-5号，这时发送方就可以发送一个5号帧。
设又有3个帧（1，2，3号）的确认帧ACK到达发方，于是发送窗口又可移动3个号（参见图4-7），可以发送6，7和新的0号。
需要注意的是，为了减少开销，接收端不需要每接收一个正确帧就发回一个确认帧，而可以在收到若干个正确的数据帧后一次性发送一次确认帧,这样发方收到某个确认帧，表示该帧及该帧以前所有的帧均已被正确地接收。
只有接收窗口，先进行移动，发送窗口才可能移动
滑动窗口协议是等待式传输协议ARQ（上述3种之一），发方连续发完发送窗口的数据帧后，必须等待应答的到来，或定时时间到，才能再发送随后的帧（重复帧或新帧）
当WT＝1时，滑动窗口协议即等待式ARQ；
当WT＞1而WR＝1时，滑动窗口协议即退N步ARQ；
当WT＞l而WR＞1时，滑动窗口协议即选择重传ARQ。
（5）数据的可靠传输：
校验算法：
奇偶校验，汉明码校验，循环冗余码校验
循环冗余校验CRC，是数字传输系统中最常用的校验编码，在计算机系统内部数据传输，以及计算机网络数据传输中广泛应用。
这是一个建立在模2运算基础上的校验编码。
其指导思想是：
发送方用一个特殊的多项式表达式（循环码生成多项式），去除信息码多项式所得的余式，附加在信息码之后，构成传输码；
接收方用获得的传输码组成的多项式除以发送方使用的同一个多项式表达式，即生成多项式，若无余式，则表明传输码无错，若有余式，则表明有错。
这里所指的多项式，其系数都是1或者0，它实际上是一串二进制数据的另一种表达形式。
在进行模2运算时，实际上用的还是二进制数据序列。
用多项式来表示，为0的位可以不写出来，通过多项式每一项的幂次可以知道省掉的0位的个数。
如多项式X7+X4+X2+1代表的二进制串为10010101。
例，有信息码100100111010101011110001，
选取CRC-16生成多项式X16+X12+X2+1对应二进制串为10001000000000101（17位）。
编码运算：
1．信息码左移m=16位：
1001001110101010111100010000000000000000；
2．用生成多项式码串10001000000000101模2除上面的码串；
3．得余串为1001101010100111，够16位，无需高位补0；
4．将余串附在原信息码后得校验传输码1001001110101010111100011001101010100111
5．接收方用相同的生成多项式码串模2除接收到的传输码串，余数应为0，否则表明出错！
但一般不知道错在哪一位或哪几位。
循环冗余校验码是面向位的检验码。
（6）帧同步技术分别为字符同步技术和位同步技术。
（7）以太网（Ethernet、IEEE802.3）退避算法的方式与区别（帧结构）
1.媒体访问控制（MAC）
以太网所用的媒体访问法：
带有碰撞检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）。
基本过程：
一个工作站在发送前，首先侦听媒体上是否有传输/有载波，如果有/忙，工作站便推迟自己的传输；如果无/空闲，则立即开始进行传输。
在侦听到媒体忙而等待传输情况下，当传输中的帧最后一个数据位通过后，应继续等待至少9.6us，以提供适当的帧间间隔，随后便可进行传输。
如果两个工作站同时试图进行传输，将会造成废帧，这种现象称为碰撞。
为保证这种MAC机制能够正确运行，还需要具备检测碰撞的功能，这便是碰撞检测（CD）。
也就是说，在一个工作站发送过程中仍要不断检测是否出现碰撞。
。
。
出现碰撞经常是由下述原因造成的，即信号在媒介上传播有一定时延，由于这种传播时延，虽然某一工作站A已开始发送，但由于另外一工作站B尚未检测到A站的传输也启动发送，从而造成碰撞。
不难证明，工作站A确保检测到碰撞所需时间是从A到B传播时间的2倍。
检测到碰撞之后，涉及该次碰撞的站要丢弃各自开始的传输，转而继续发送一种特殊的干扰信号，使碰撞更加严重以便警告LAN上的所有工作站，碰撞出现了！
显然，由于碰撞的存在，一个帧的长度要满足：
足以在发完整帧之前就能检测到碰撞，否则碰撞检测就失去意义！
因此，在IEEE802.3标准中定义：
间隙时间=最大住返传播时间+为强化碰撞而有意发送的干扰序列时间。
这个间隙时间可用来确定最小的MAC帧长（why？
）。
在发生碰撞/冲突之后，两个碰撞的站都采退避策略，即都设置一个随机间隔时间，另有当此时间间隔满期后才能启动发送。
当然如果这两个工作站所选的随机间隔时间相同，碰撞将会继续产生。
。
。
为尽量避免这种反复碰撞情况的出现，退避时间应为一个服从均匀分布的随机量。
同时，由于碰撞产生的重传加大了网络的通信流量，所以碰撞次数越多，退避时间应越长。
截断二进制指数退避（TruncatedBinaryExponentialBackoff）就是基于上述这种思想提出的，其基本算法是：
退避时延是间隙时间的整数倍；
为防止不成功发送无限进行，规定了最大尝试次数n；
碰撞后选择的退避时延为间隙时间的r倍；
k=Min（尝试次数，10）
r=随机数（0，2k）
退避时延＝r*间隙时间
不难看出，这种算法对无碰撞或碰撞次数较少的工作站而言将获得优先的发送机会。
根据上面的描述，CSMA/CD媒体访问方法可归纳为下述4步：
1）：
如果媒体信道空闲，等待9.6us，则可进行发送。
2）：
如果媒体信道有载波（忙），则继续对信道进行侦听。
一旦发现空闲，等待9.6us，便立即发送。
3）：
如果在发送过程中检测到碰撞，则停止自己的正常发送，转而发送一短暂的干扰信号，强化碰撞信号，使LAN上所有站都能知道出现了碰撞。
4）：
发送了干扰信号后，退避一随机时间，转1。
2.CSMA/CD传输过程
通过上节描述可知，CSMA/CD协议与电话会议非常类似，许多人可以同时在线路上进行对话，但如果每一个人都在同时讲话，则你将听到一片噪声；如果每个人等别人讲完后再讲，则你可以理解各人所说的话。
工作站在CSMA/CD以太网上进行传输时，必须按下列五个步骤来进行：
第一步：
传输前侦听
各工作站不断地监视电缆段上的载波，“载波”是指电缆上的信号，通常由表明电缆正在使用的电压来识别。
如果工作站没有侦听到载波，则它假定电缆空闲并开始传输，但是如在工作站传输时电缆忙（载波升起），则其包将与已在电缆上的信息发生冲突。
第二步：
如果电缆忙则等待
为了避免冲突，如果工作站侦听到电缆忙则必须等待，延迟时间实际是工作站试图重传前必须等到线路变成空闲的总时间。
第三步：
传输且检测冲突：
当介质被清（载波消失）后9.6微秒（us），工作站可以传输，
第
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