计算机网络B5装订线方便打印版.docx
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计算机网络B5装订线方便打印版
第一章概述
1.计算机网络的两大功能：
连通性和共享；
2.因特网发展的三个阶段：
从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。
建成了三级结构的因特网。
逐渐形成了多层次ISP（Internetserviceprovider）结构的因特网。
3.NAP（或称为IXP）——网络接入点：
用来交换因特网上流量；向各ISP提供交换设施，使他们能够互相平等通信
4.因特网的组成：
边缘部分：
用户利用核心部分提供的服务直接使用网络进行通信并交换或共享信息；主机称为端系统，（是进程之间的通信）
两类通信方式：
1）客户服务器方式客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方；客户程序：
一对多，必须知道服务器程序的地址；服务程序：
可同时处理多个远址或本址客户的请求（被动等待）；
2）对等连接方式（p2p）：
平等的、对等连接通信。
既是客户端又是服务端；
核心部分：
为边部分提供服务的（提供连通性和交换）（主要由路由器和网络组成）；核心中的核心：
路由器（转发收到的分组，实现分组交换）
交换——按照某种方式动态地分配传输线路的资源：
1）电路交换：
建立连接（占用通信资源）通话（一直占用通信资源）释放资源（归还通信资源）始终占用资源；
2）报文交换：
基于存储转发原理（时延较长）；
3）分组交换：
报文（message）切割加上首部（包头header）形成分组（包packet）；优点：
高效（逐段占用链路，动态分配带宽），灵活（独立选择转发路由），迅速（不建立连接就发送分组），可靠（保证可靠性的网络协议）；存储转发时造成时延；
后两者不需要预先分配传输带宽，
路由器处理分组过程：
缓存查找转发表找到合适端口；
5.计算机网络的分类
●按作用范围：
WAN（广），MAN（城），LAN（局），PAN（个人）；
●按使用者：
公用网，专用网；
●按介质：
有线网，光纤网，无线网络；
●按无线上网方式：
WLAN，WWAN（手机）；
●按通信性能：
资源共享，分布式计算机，远程通信网络。
6.计算机网络的性能
1）速率（比特每秒b/s）：
数据量/信息量的单位；
2）带宽（两种）：
频域称谓，赫兹Hz，信号具有的频带宽度；时域称谓，比特每秒（b/s），通信线路的最高数据率；两者本质一样，宽度越大，传输速率自然越高；
3）吞吐量：
单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
4）时延：
✧发送时延（传输时延）：
；发生在其内部的发送器中；
✧传播时延：
；发生在其外部的传输信道媒体上；
✧处理时延：
交换节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：
几点缓存队列中分组排队所经历的时延。
（取决于当时的通信量）
数据的发送速率不是比特在链路上的传播速率。
5）时延带宽积：
时延带宽积（体积）=传播时延（长）×带宽（截面积），以比特为单位的链路长度：
6）往返时间（RTT）：
简单来说，就是两倍传播时延（实际上还包括处理时延，排队时延，转发时的发送时延）；
7）利用率：
信道利用率网络利用率（全网络的信道利用率的加权平均值）
，U为利用率，D为时延，因此利用率不是越高越好。
减少方法：
增大线路的带宽。
7.非特征性能：
费用，质量，标准化，可靠性，可扩展性和可升级性，易于管理和维护。
8.计算机网络体系结构
OSI/RM——开放系统互连参考模型（法律上的国际标准）；
TCP/IP——事实上的国际标准：
协议——为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
三要素：
语法（结构和格式），语义（动作），同步（顺序）：
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。
OSI中的层
功能
TCP/IP协议族
应用层
文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端
TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，RIP，Telnet
表示层
数据格式化，代码转换，数据加密
没有协议
会话层
解除或建立与别的接点的联系
没有协议
传输层
提供端对端的接口
TCP，UDP
网络层
为数据包选择路由
IP，ICMP，OSPF，BGP，IGMP，ARP，RARP
数据链路层
传输有地址的帧以及错误检测功能
SLIP，CSLIP，PPP，MTU
物理层
以二进制数据形式在物理媒体上传输数据
ISO2110，IEEE802，IEEE802.2
五层体系结构：
●应用层：
为用户正在运行的程序提供服务；（HTTP.SMTP.FTP）；
●运输层：
负责进程之间的通信提供服务（TCP报文段，UDP用户数据包）（复用和分用）；
●网络层：
负责分组交换网上的不同主句提供通信服务（IP）；
●数据链路层：
将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点（主机和路由器之间或路由器之间）间的链路上“透明”地传送帧中的数据；
●物理层：
透明地传送比特流（双绞线、同轴电缆等不在物理层）。
9.实体、协议、服务之间的关系
实体——任何可发送或接受信息的硬件或软件进程；
协议——控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合：
（水平的）
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务（垂直的）。
要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）
下面的协议对上面的服务用户是透明的。
IPoverEverythingEverythingoverIP
第二章物理层
1.基本概念
机械特性（接口）；电气特性（电压范围）；功能特性（电压的意义）：
过程特性（顺序）
2.数据通信系统（源系统传输系统目的系统）
●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。
3.信道
●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。
●基带信号——来自信源的信号，为使信道能够传输低频分量和直流分量，需要进行调制。
●基带调制（仅对波形进行变换）；
●带通调制（使用载波调制）：
调幅；调频；调相；
4.信道的极限容量
两因素：
信道能够通过的频率范围（码间串扰）——加宽频带；
信噪比——信号的平均功率和噪声的平均功率之比；
极限信息传输速率
；低于C即可实现无差错传输，让每个码元携带更多比特的信息量。
5.传输媒体
导向型传输媒体：
●双绞线（衰减随着频率的升高而增大）
屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）（加强抗电磁干扰能力）
无屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）
●同轴电缆（用于传输较高速率的数据）
50Ω同轴电缆75Ω同轴电缆
●光缆
多模光纤
单模光纤（光纤直径下只有一个光的波长）
非导向型传输媒体：
●短波通信（靠电离层的反射）；
●微波通信：
地面微波接力通信（中继站）；卫星通信（较大的传播时延）：
6、信道复用技术
●频分复用：
所有用户在同样的时间占用不同的资源；
●时分复用（同步）：
所有用户在不同的时间用同样的频带宽度；（更有利于数字信号的传输）
●统计时分复用（异步）：
动态分配时隙；
●波分复用：
光的频分复用；
●码分复用（码分多址CDMA）：
不同的码型；每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交（orthogonal）（相乘为0，0为-1）。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1
任何一个码片向量和该码片反码的向量自己的规格化内积都是-1
任何一个码片向量和其他码片向量的规格化内积都是0；
7、宽带接入技术
●ADSL
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。
上行和下行带宽不对称；
极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系，
离散多音调DMT——频分复用；
组成：
数字用户线接入复用器（DSLAM）、用户线和用户家中的一些设施；
●光纤同轴混合网HFC
基于CATV网（树型拓扑结构，模拟技术的频分复用）改造的；
使用光纤模拟技术，采用光的振幅调制AM；
节点体系结构——模拟光纤连接，构成星形网：
提高网络的可靠性，简化了上行信道的设计；
比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能；
第三章数据链路层
1.两种信道：
点对点信道；广播信道。
2.链路（物理链路）之间没有任何节点。
3.数据链路（逻辑链路）与链路不一样，数据链路还加上实现通信协议的硬件（网络适配器）和软件。
4.帧——协议数据单元。
5.三个基本问题
●封装成帧——加上首部和尾部进行帧定界；
●透明传输——字节填充，加上转义字符ESC（1B）；
●差错检测——循环冗余检验CRC。
进行模二运算得到的余数（比除数少一位）作为冗余码，数据加上冗余码在除以除数P，得到的余数为0即为无差错。
凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错（无比特差错）；
要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上帧编号、确认和重传机制。
6.PPP点对点协议（Point-to-PointProtocol）
用户连接到网络提供者ISP的链路使用ISP协议。
●特点：
简单（这是首要的要求）
封装成帧（帧界定符）
透明性
多种网络层协议（IP、IPX）
多种类型链路（串并，同异，高低，电光，动静）
差错检测（立即丢弃）
检测连接状态（短时间自动检测）
最大传送单元（数据部分的最大长度）
网络层地址协商
数据压缩协商（不要求标准化）
●不需要的功能
纠错（不可靠传输）
流量控制（由TCP负责）
序号（不是可靠传输，在无线时可用）
多点线路（不支持一主对多从）
半双工或单工链路（只支持全双工）
●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）（数据链路）
网络控制协议NCP（NetworkControlProtocol）——用于支持不同的网络层协议
●帧格式
字节填充——转义字符（Ox7D）；
零比特填充——5个1后加0；
●建立过程
物理链路LCP链路鉴别的LCP链路（PAP）NCP链路（IP协议对应IPCP）
7.局域网数据链路层
●局域网的特点：
网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点范围均有限，具有广播功能，便于扩展，提高系统的R（可靠）A（可用）S（生存）。
●局域网的拓扑：
星形网，环形网（令牌环形），总线网（CSMA℃D和令牌传递），树形网（频分复用的宽带局域网）；
●共享信道
静态划分信道：
频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM、码分复用CDM
动态媒体接入控制（多点接入）
随机接入
受控接入，如多点线路探询（polling），或轮询。
●以太网的两个标准——DIXEthernetV2和IEEE802.3
●适配器的作用
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（载波监听多点接入/碰撞检测）协议（一种使用广播的数据链路协议）
在总线上广播，数据帧中的目的地址与硬件地址一致时就接收，否则抛弃。
在广播特性的总线上实现了一对一通信。
实施通信简便的两个措施：
采用无连接的工作方式（不编号，不确认）；曼切斯特编码（一分为二）；
对点接入——总线型网络；
载波监听——发送前先监听；
碰撞检测（冲突检测）——边发送边监听，发送的不确定性；
半双工通信
争用期（碰撞窗口）——截断二进制指数退避（动态退避）
最短有效帧长度为64字节；
强化碰撞——人为干扰信号；
帧间最小间隔为9.6微秒；
8.使用广播信道的以太网
●集线器的星形拓扑
物理上星形网，逻辑上总线网；
多接口；
工作在物理层，简单地转发比特，不进行碰撞检测；
●以太网的信道利用率
成功发送一个帧占用信道的时间=T（帧长除以发送速率）+t
参数a：
，越小越好，帧长度要够长；
极限信道利用率
●以太网的MAC层
名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处：
RA——注册管理机构；
OUI——组织唯一标识符（公司的）；
EUI——扩展唯一标识符；
适配器检测MAC帧中的目的地址是否发往本帧——单播，广播，多播；
最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
利用曼切斯特编码来确定长度；
帧间最小间隔导致不需要帧结束定界符；
以太网不负责重传丢弃的MAC帧：
9.在物理层扩展以太网
●光纤扩展；
●集线器扩展
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。
10.在数据链路层扩展以太网（网桥）
●网桥作用（过滤）——根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发（存储转发）。
●好处：
过滤通信量。
（隔离开碰撞域）
扩大了物理范围。
（增大工作站的数目）
提高了可靠性。
（出现故障只影响个别网段）
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。
（缓存空间不够造成溢出导致帧丢失）
具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。
广播风暴。
（网络拥塞）
●在转发帧时，不改变帧的源地址：
●透明网桥
自学习，即插即用（IEEE802.1D）
组成：
地址（源地址）+接口+时间（更新用的）；
生成树算法——任何两个站之间只有一条路径。
。
●源路由网桥
发现帧记录所有可能的路由传送；
广播；
最佳路由；
●多接口网桥——以太网交换机
全双工；
独占通信媒体，无碰撞地传输数据；
有存储转发，也有直通（不检查差错，但提高速率减少时延）；
●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。
同一VLAN的成员可以收到其他成员的广播信息。
11.高速以太网（大于100Mb/s）
●100BASE-T以太网
双绞线：
星形拓扑结构；IEEE802.3的CDMA/CD；
●吉比特以太网
全双工和半双工都可以；1Gb/s；
第四章网络层
1.虚电路服务和数据报服务的对比
对比的方面
虚电路服务
数据报服务
思路
可靠通信应当由网络来保证
可靠通信应当由用户主机来保证（尽最大努力交付）
连接的建立
必须有
不需要
终点地址
仅在连接建立阶段使用，每个分组使用段的虚电信号
每个分组都有终点的完整地址
分组的转发
属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发
每个分组独立选择路由进行转发（独立发送）
当节点出故障时
所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作
出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化
分组的顺序
总是按照发送顺序到达终点
到达终点时不一定按发送顺序
端到端的差错控制和流量控制
可以由网络负责，也可以由用户主机负责
由用户主机负责
2.虚拟互联网络（IP网）
使用路由器解决各种已购的物理网络连接在一起的问题；
3.分类的IP地址
IP地址由ICANN进行分配（中国向APINC）；
IP地址就是给每个连接在Internet上的主机分配的一个地址。
Internet上的每台主机都有一个唯一的IP地址。
IP协议就是使用这个地址在主机之间传递信息，这是Internet能够运行的基础。
IP地址的长度为32位，分为4段，每段8位，用十进制数字表示，每段数字范围为0—255，段与段之间用句点隔开。
例如159.226.1.1。
IP地址由两部分组成，一部分为网络地址，另一部分为主机地址。
将IP地址分成了网络号和主机号两部分，设计者就必须决定每部分包含多少位。
将IP地址空间划分成不同的类别，每一类具有不同的网络号位数和主机号位数。
●A类IP地址（
——50%）。
一个A类IP地址由1个字节的网络地址和3个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是0，地址范围为1.0.0.1—126.255.255.254。
可用的A类网络有126个，每个网络能容纳16777214个主机。
●B类IP地址（
——25%）。
一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是10，地址范围为128.1.0.1—191.255.255.254。
可用的B类网络有16384个，每个网络能容纳65534个主机。
●C类IP地址（
——12.5%）。
一个C类IP地址由3个字节的网络地址和1个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是110，地址范围为192.0.1.1—223.255.255.254。
C类网络可达2097150个，每个网络能容纳254个主机。
●D类IP地址（前4位是1110）用于多播（一对多通信）。
●E类IP地址（前4位是1111）保留。
●全零（0.0.0.0）地址指任意网络。
全1的IP地址（255.255.255.255）是当前子网的广播地址。
●特点
路由器仅根据网络号来转发分组；
多归属主机——一个路由器至少要有两个不同的IP地址（每个接口一个）；
用网桥或转发器连接的局域网仍属于一个网络（相同网络号），用路由器才能连接不同网络
公有地址由因特网信息中心负责。
这些IP地址分配给注册并向因特网信息中心提出申请的组织机构，通过它可以直接访问因特网。
私有地址属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。
以下是留用的内部私有地址：
●A类10.0.0.0—10.255.255.255
●B类172.16.0.0—172.31.255.255
●C类192.168.0.0—192.168.255.255
4.子网掩码
子网掩码又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是一种用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网以及哪些位标识的是主机的位掩码。
子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。
子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。
●子网掩码的分类
子网掩码的设定必须遵循一定的规则。
与IP地址相同，子网掩码的长度也是32位，左边是网络位，用二进制数字1表示；右边是主机位，用二进制数字0表示。
只有通过子网掩码，才能表明一台主机所在的子网与其他子网的关系，使网络正常工作。
子网掩码的术语是扩展的网络前缀码不是一个地址，但是可以确定一个网络层地址哪一部分是网络号，哪一部分是主机号，1的部分代表网络号，掩码为0的部分代表主机号。
子网掩码的作用就是获取主机IP的网络地址信息，用于区别主机通信的不同情况，由此选择不同路由。
其中A类地址的默认子网掩码为255.0.0.0；B类地址的默认子网掩码为255.255.0.0；C类地址的默认子网掩码为：
255.255.255.0。
●子网的作用
使用子网是为了减少IP的浪费。
因为随着互联网的发展，越来越多的网络产生，有的网络多则几百台，有的只有区区几台，这样就浪费了很多IP地址，所以要划分子网。
●子网掩码的作用
通过IP地址的二进制与子网掩码的二进制进行与运算，确定某个设备的网络地址和主机号，也就是说通过子网掩码分辨一个网络的网络部分和主机部分。
子网掩码一旦设置，网络地址和主机地址就固定了。
子网一个最显著的特征就是具有子网掩码。
与IP地址相同，子网掩码的长度也是32位，也可以使用十进制的形式。
例如，为二进制形式的子网掩码：
11111111.11111111.11111111.00000000，采用十进制的形式为：
255.255.255.0。
●确定子网掩码数
用于子网掩码的位数决定于可能的子网数目和每个子网的主机数目。
在定义子网掩码前，必须弄清楚本来使用的子网数和主机数目。
定义子网掩码的步骤为：
（1）确定哪些组地址归我们使用，如我们申请到的网络号为210.73.a.b，该网络地址为C类IP地址，网络标识为210.73.a，主机标识为b。
（2）根据现在所需的子网数以及将来可能扩充到的子网数，用宿主机的一些位来定义子网掩码，如现在需要12个子网，将来可能需要16个。
用第四个字节的前4位确定子网掩码。
前4位都置为1（即把第四字节的最后4位作为主e机位，其实在这里有个简单的规律，非网络位的前几位置1，原网络就被分为2的几次方个网络，这样原来网络就被分成了2的4次方，即16个子网），即第四个字节为11110000，这个数暂且称为新的二进制子网掩码。
（3）把对应初始网络的各个位都置为1，即前3个字节都置为1，第四个字节后4位置为0，则子网掩码的间断二进制形式为：
11111111.11111111.11111111.11110000。
（4）把这个数转化为间断十进制形式为：
255.255.255.240，这个数为该网络的子网掩码。
5.IP地址与硬件地址（MAC地址）
使用IP地址是为了各种底层网络的复杂性而便于分析和研究问题；
数据链路层看不到数据包的IP地址；
路由器只根据目的IP地址的网络号进行路由选择；
6.
ARP（AddressResolutionProtocol，地址解析协议）和RARP
ARP——IP地址转为MAC地址；
ARPcache——本局域网的主机和路由表的IP地址到MAC地址的映射表；
请求是广播，响应是单播，一次请求响应，两边同时把双方的信息写进ARPcache
不同局域网的主机，要通过路由器进行ARP查询；
7.IP数据包的格式（首部20字节，固定的）
总长度——不少于576字节；
标识，标志，片偏移——用作分片；
TTL（现为跳数限制）——在经过路由器时才减1；
协议名
ICMP
IGMP
TCP
UDP
协议字段值
1
2
6
17
首部检验和——只检验首部，16位反码运算相加再求反码，检验时一样，得到为0即无差错；
IP首部的可变部分就是一个检验字段，用来支持排错、测量以及安全等措施。
8.IP层转发分组的流程
从一个路由器转发到下一个路由器（信息：
目的网络地址，下一跳地址）；
特定主机路由——对特定的目的主机指明一个路由，方便控制网络和测试网络；
默认路由（0.0.0.0）——下一跳路由器的地址不在IP数据包里，而在MAC帧里（转为MAC地址）；
分组转发算法：
直接交付→特定主机路由→下一跳路由器→默认路由。
9.划分子网
IP地址：
：
={网络号，子网号，主机号}；
不改变网络号；子网掩码：
没必要是连续的1；
增加了灵活性，减少了连接在网络上的主机总数；
同样的IP地址和不同的子网掩码可以得出相同的网络地址；
使用子网时分组的转发，增加了子网掩码
能解释
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