软考之计算机网络知识.docx
《软考之计算机网络知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《软考之计算机网络知识.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
软考之计算机网络知识
软考之计算机网络知识
一.计算机网络的分类
1.按照网络的分布范围分类
a.局域网LAN〔LocalAreaNetwork〕
局域网是将小区域内的各种通信设备互连在一起的网络，其分布范围局限在一个办公室、一幢大楼或一个校园内，用于连接个人计算机、工作站和各类外围设备以实现资源共享和信息交换。
它的特点是分布间隔近〔通常在1000m到2000m范围内〕，传输速度高〔一般为1Mbps到20Mbps〕，连接费用低，数据传输可靠，误码率低等。
b.广域网WAN〔WideAreaNetwork〕
广域网也称远程网，它的联网设备分布范围广，一般从数公里到数百至数千公里。
因此网络所涉及的范围可以是市、地区、省、国家，乃至世界范围。
由于它的这一特点使得单独建造一个广域网是极其昂贵和不现实的，所以，常常借用传统的公共传输〔电报、〕网来实现。
此外，由于传输间隔远，又依靠传统的公共传输网，所以错误率较高。
c.城域网MAN〔MetropolitanAreaNetwork〕
城域网的分布范围介于局域网和广域网之间，其目的是在一个较大的地理区域内提供数据、声音和图像的传输。
2.网络的交换方式分类
a.电路交换网
电路交换方式是在用户开始通信前，先申请建立一条从发送端到接收端的物理信道，并且在双方通信期间始终占用该信道。
此方式类似于传统的交换方式。
b.报文交换网
报文交换方式是把要发送的数据及目的地址包含在一个完好的报文内，报文的长度不受限制。
报文交换采用存储-转发原理，每个中间节点要为途径的报文选择适当的途径，使其能最终到达目的端。
此方式类似于古代的邮政通信，邮件由途中的驿站逐个存储转发一样。
c.分组交换网
分组交换方式是在通信前，发送端先把要发送的数据划分为一个个等长的单位〔即分组〕，这些分组逐个由各中间节点采用存储-转发方式进展传输，最终到达目的端。
由于分组长度有限，可以比报文更加方便的在中间节点机的内存中进展存储处理，其转发速度大大进步。
除了以上二种分类方法外，还可按采用的传输媒体分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网；按网络传输技术可分为播送式网络和点到点式网络；按所采用的拓扑构造将计算机网络分为星形网、总线网、环形网、树形网和网形网；按信道的带宽分为窄带网和宽带网；按不同的用途分为科研网、教育网、商业网、企业网等。
二.计算机网络的拓扑构造
网络拓扑构造是指抛开网络电缆的物理连接来讨论网络系统的连接形式，是指网络电缆构成的几何形状，它能从逻辑上表示出网络效劳器、工作站的网络配置和互相之间的连接。
网络拓扑构造按形状可分为：
星型、环型、总线型、树型及总线/星型及网状拓扑构造。
1.星型拓扑构造：
星型布局是以中央结点为中心与各结点连接而组成的，各结点与中央结点通过点与点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略，因此中央结点相当复杂，负担也重。
以星型拓扑构造组网，其中任何两个站点要进展通信都要经过中央结点控制。
中央结点主要功能有：
*为需要通信的设备建立物理连接；
*为两台设备通信过程中维持这一通路；
*在完成通信或不成功时,撤除通道。
在文件效劳器/工作站（FileServers/Workstation）局域网形式中，中心点为文件效劳器，存放共享资源。
由于这种拓扑构造，中心点与多台工作站相连,为便于集中连线，目前多采用集线器（HUB）。
星型拓扑构造优点：
网络构造简单,便于管理、集中控制,组网容易，网络延迟时间短，误码率低。
缺点：
网络共享才能较差，通信线路利用率不高，中央节点负担过重，容易成为网络的瓶颈，一旦出现故障那么全网瘫痪。
2.环型拓扑构造
环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以恳求发送信息。
恳求一旦被批准，便可以向环路发送信息。
环形网中的数据可以是单向也可是双向传输。
由于环线公用，一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某结点地址相符时，信息被该结点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口结点为止。
环形网的优点：
信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间仅有唯一的通路，大大简化了途径选择的控制；某个结点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高。
缺点：
由于信息是串行穿过多个结点环路接口，当结点过多时，影响传输效率，使网络响应时间变长；由于环路封闭故扩大不方便。
3.总线拓扑构造
用一条称为总线的中央主电缆，将互相之间以线性方式连接的工站连接起来的布局方式，称为总线形拓扑。
在总线构造中，所有网上微机都通过相应的硬件接口直接连在总线上，任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被总线中任何一个结点所接收。
由于其信息向四周传播，类似于播送电台，故总线网络也被称为播送式网络。
总线有一定的负载才能，因此，总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的结点。
总线布局的特点：
构造简单灵敏，非常便于扩大；可靠性高，网络响应速度快；设备量少、价格低、安装使用方便；共享资源才能强，非常便于播送式工作，即一个结点发送所有结点都可接收。
在总线两端连接的器件称为端结器〔末端阻抗匹配器、或终止器〕。
主要与总线进展阻抗匹配，最大限度吸收传送端部的能量，防止信号反射回总线产生不必要的干扰。
总线形网络构造是目前使用最广泛的构造，也是最传统的一种主流网络构造，适宜于信息管理系统、办公自动化系统领域的应用。
4.树型拓扑构造
树形构造是总线型构造的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，树形网是一种分层网，其构造可以对称，联络固定，具有一定容错才能，一般一个分支和结点的故障不影响另一分支结点的工作，任何一个结点送出的信息都可以传遍整个传输介质，也是播送式网络。
一般树形网上的链路相对具有一定的专用性，无须对原网做任何改动就可以扩大工作站。
5.总线/星型拓扑构造
用一条或多条总线把多组设备连接起来，相连的每组设备呈星型分布。
采用这种拓扑构造，用户很容易配置和重新配置网络设备。
总线采用同轴电缆，星型配置可采用双绞线。
6.网状拓扑构造
将多个子网或多个局域网连接起来构成网际拓扑构造。
在一个子网中,集线器、中继器将多个设备连接起来，而桥接器、路由器及网关那么将子网连接起来。
根据组网硬件不同,主要有三种网际拓扑：
a.网状网：
在一个大的区域内，用无线电通信连路连接一个大型网络时，网状网是最好的拓扑构造。
通过路由器与路由器相连，可让网络选择一条最快的途径传送数据。
b.主干网：
通过桥接器与路由器把不同的子网或LAN连接起来形成单个总线或环型拓扑构造，这种网通常采用光纤做主干线。
c.星状相连网：
利用一些叫做超级集线器的设备将网络连接起来，由于星型构造的特点，网络中任一处的故障都可容易查找并修复。
应该指出,在实际组网中,为了符合不同的要求，拓扑构造不一定是单一的,往往都是几种构造的混用。
三.OSI参考模型
1,物理层（physicallayer）
（1）主要作用:
实现相邻节点之间比特数据流的透明传送,尽可能屏蔽详细传输介质和物理设备的差异.利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接（物理信道）,为数据链路层提供比特流效劳.
物理层是所有网络的根底,主要关心的问题有:
用多少伏特电压表示"1",多少伏特电压表示"0";一个比特持续多少微秒;
是单工,半双工还是全双工;
最初的连接如何建立和完成,通信后连接如何终止
网络接插件有多少针以及各针的用途.
信道的最大带宽;
传输介质（例如,是有导线的还是无导线的等）;
传输方式:
是基带传输还是频带传输,或者二者均可;
多路复用技术（FDM,TDM和WDM波分多路复用Wave-lengthDivisionMultiplexing）;
等等.
（2）物理层的主要功能:
物理连接的建立,维持和撤除.
实体之间信息的按比特传输.
实现四大特性的匹配（机械特性,电气特性,功能特性,规程特性）
（3）物理层标准
物理层标准主要任务就是要规定DCE设备和DTE设备的接口,包括接口的机械特性,电气特性,功能特性和规程特性.
DTE是数据终端设备.数据电路端接设备DCE.DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能,并且负责建立,保持和释放数据链路的连接.DTE通过DCE与通信传输线路相连,如以下图.是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准.
物理或机械特性:
规定了DTE和DCE之间的连接器形式,包括连接器形状,几何尺寸,引线数目和排列方式等.
电气特性:
规定了DTE和DCE之间多条信号线的连接方式,发送器和接收器的电气参数及其他有关电路的特征.电气特性决定了传送速率和传输间隔.
功能特性:
对接口各信号线的功能给出了确切的定义,说明某些连线上出现的某一电平的电压表示的意义.
规程特性:
规定了DTE和DCE之间各接口信号线实现数据传输的操作过程（顺序）.
物理层标准举例
EIARS-232C/V.24接口标准
RS是RecommendedStandard的缩写,即推荐标准.RS-232-C接口标准与国际电报咨询委员会CCITT的V.24标准兼容,是一种非常实用的异步串行通信接口.
RS-232-C建议使用25针的D型连接器DB-25,但是在微型计算机的RS-232C串行端口上,大多使用9针连接器DB-9,如以下图所示.
（4）常见物理层设备与组件
物理传输中存在的主要问题
第一大问题:
●信号衰减
●信号衰减限制了信号的传输间隔
●信号衰减还常常会同时伴随着信号的变形
●采用信号放大和整形的方法来解决信号衰减及其变形问题.
第二大问题:
●噪声干扰
●噪声可能导致信号传输错误,即接收端难以从混杂了较大噪声的信号中提取出正确的数据.
●减少噪声的措施,如抵消与屏蔽,良好的端接和接地技术等
常见物理组件
RJ-45插座
RJ-45头
DB-25到DB-9的转换器
常见物理层设备
中继器（repeater）和集线器（hub）
功能:
连接一样的LAN网段;对从入口输入的物理信号进展放大和整形,然后再从出口输出（转发）.
中继器具有典型的单进单出构造.
集线器是多端口中继器.集线器常见的端口规格有4口,8口,16口和24口等.如以下图所示:
2,数据链路层（Datalinklayer）
（1）主要任务是负责相邻节点之间的可靠传输,通过加强物理层传输原始比特的功能,使之网络层表现为一条无错线路,数据链路层的传输单元为帧.
主要关心:
成帧与拆帧.以帧（frame）为单位（产生帧,识别帧的边界）;
过失控制;
（流量控制（防止高速的发送方的数据将低速的接收方"吞没"）.
播送式网络在数据链路层还要处理:
如何控制对共享信道的访问等等.
（2）主要设备:
交换机网桥
3,网络层（Networklayer）
（1）网络层的任务就是要选择适宜的路由,使发送站传输层所传下来的数据可以正确无误地按地址送到目的站.网络层的传输单元被称为分组（或称包）.
执行途径选择算法,使分组在通信子网中有一条最正确途径;
拥塞控制.防止子网中同时出现过多的分组而互相阻塞通路,形成瓶颈;
记帐功能;
异种网络互联.
（2）主要设备:
路由器:
三层交换机
4,传输层（Transportlayer）（核心层）
主要任务:
负责端到端节点间数据传输和控制功能.
传输层是OSI中承上启下层,下三层面向网络通信,确保信息准确传输;上三层面向用户主机,为用户提供各种效劳.
传输层不涉及中间转发节点,即与使用的网络无关.
主要功能:
弥补网络层效劳质量的缺乏,为会话层提供端-端的可靠数据传输效劳.包括两端主机之间的流量控制.
5,会话层（Sessionlayer）
主要目的是组织和同步在两个通信的会话用户之间的对话,并管理数据的交换.
会话层的功能是在两个节点间建立,维护和释放面向用户的连接.会话连接的建立是在传输连接的根底上进展的.
6,表示层（Presentationlayer）
主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式.它包括数据格式变换,数据加密与解密,数据压缩与恢复等功能.
7,应用层（Applicationlayer）
应用层是OSI的最高层,它为OSI模型以外的应用程序提供效劳.
应用层中包含大量的,人们普遍需要的协议.如网络虚拟终端（VT,VirtualTerminal,文件传输,电子邮件,目录效劳,远程数据库访问等.
常用设备:
网关
网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备.在使用不同的通信协议,数据格式或语言,甚至体系构造完全不同的两种系统之间,网关是一个翻译器.与网桥只是简单地传达信息不同,网关对收到的信息要重新打包,以适应目的系统的需求.同时,网关也可以提供过滤和平安功能.大多数网关运行在OSI7层协议的顶层--应用层.
四.TCP/IP参考模型
1,TCP/IP分为四层
●TCP/IP模型是Internet事实上标准.
●统一的网络地址分配方案,使得整个TCP/IP设备在网络中都具有唯一的IP地址.
●标准化的高层协议,可以提供多种可靠的用户效劳.
●TCP/IP独立于特定的网络硬件,可以运行在局域网,广域网,更适用于互联网.
2,OSI参考模型与TCP/IP参考模型
应该指出,TCP/IP是OSI模型之前的产物,所以两者间不存在严格的对应关系.
3,互联网层（Internetlayer）（网际层）
（1）互联网层涉及协议:
互联网络协议,即IP协议（InternetProtocol）,规定互联网层数据分组格式.
因特网控制消息协议（ICMP）:
提供网络控制和消息传递功能.
地址解释协议（ARP）:
提供IP地址和网卡MAC地址转换功能.
反向地址转换协议（RARP）:
macIP
（2）互联网层主要功能:
①处理来自传输层发送恳求;
②处理接收的IP分组.根据目的IP地址转发该IP分组,或者当目的主机就是本主机时,将IP分组上交给其传输层.
③处理互联的途径,流量控制和拥塞问题.
因为IP分组独立地传送到目的主机,所以一个报文的不同分组可能经过不同的途径.
4,传输层（Transportlayer）:
（1）功能:
使源端和目的端主机对等实体进展会话.
（2）使用的协议:
传输控制协议TCP（TransmissionControlProtocol）和用户数据报协议UDP（UserDataProtocol）.
TCP是一个面向连接的协议,使从源机器发出的字节流无过失地发往目的机器.
UDP是一个无连接协议.它不检查所收到的分组的次序,也不对这些分组进展排序,而是交给应用层完成.
5,应用层（Applicationlayer）
它包含所有高层协议.例如,虚拟终端协议TELNET（远程登录）,文件传输协议FTP,电子邮件协议SMTP（简单邮件传输协议）,域名系统效劳DNS,网络新闻传输协议NNTP,超文本传输协议等.
TIPS:
网络体系构造是一种分层构造
分层的目的是把复杂的网络互联问题划分为假设干个较小的,单一的问题,在不同层上予以解决
协议是通信双方对等层的会话规那么
上层通过下层的效劳来与对方的对等层会话
层和协议就构成了网络体系构造
OSI/RM是一种"官方"的国际标准
TCP/IP是一种"事实上"的国际标准
贰.局域网和城域网
一.CSMA/CD
1.CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问控制）
CSMA/CD是一种常用争用的方法来决定对媒体访问权的协议，这种争用协议只适用于逻辑上属于总线拓扑构造的网络。
在总线网络中，每个站点都能独立地决定帧的发送，假设两个或多个站同时发送帧，就会产生冲突，导致所发送的帧都出错。
因此，一个用户发送信息成功与否，在很大程度上取决于监测总线是否空闲的算法，以及当两个不同节点同时发送的分组发生冲突后所使用的中断传输的方法。
总线争用技术可分为载波监听多路访问CSMA和具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD两大类。
2.载波监听多路访问CSMA
载波监听多路访问CSMA的技术，也称做无听后说LBT（ListemBeforeTalk）。
要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进展监听，以确定是否有别的站点在传输数据。
假设媒体空闲，该站点便可传输数据；否那么，该站点将避让一段时间后再做尝试。
这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非坚持、1－坚持、P－坚持三种。
a、非坚持算法
算法规那么为：
⑴假设媒本是空闲的，那么可以立即发送。
⑵假设媒体是忙的，那么等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。
采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
非坚持算法的缺点是：
即使有几个着眼点为都有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过程中，致使媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。
b、1-坚持算法
算法规那么：
⑴假设媒体空闲的，那么可以立即发送。
⑵假设媒体是忙的，那么继续监听，直至检测到媒体是空闲，立即发送。
⑶假设有冲突（在一段时间内未收到肯定的回复），那么等待一随机量的时间，重复步骤⑴～⑵。
这种算法的优点是：
只要媒体空闲，站点就立即可发送，防止了媒体利用率的损失；其缺点是：
假假设有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可防止。
c、P-坚持算法
算法规那么：
⑴监听总线，假设媒体是空闲的，那么以P的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一个时间单位。
一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。
⑵延迟一个时间单位后，再重复步骤⑴。
⑶假设媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤⑴。
P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案。
问题在于如何选择P的有值，这要考虑到防止重负载下系统处于的不稳定状态。
假设媒体是忙时，有N个站有数据等待发送，一旦当前的发送完成时，将要试图传输的站的总期望数为NP。
假设选择P过大，使NP＞1，说明有多个站点试图发送，冲突就不可防止。
最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量降低到零。
所以必须选择适当P值使NP＜1。
当然P值选得过小，那么媒体利用率又会大大降低。
3.具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD
在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使总线上两个站点没有监听到载波信号而发送帧时，仍可能会发生冲突。
由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突已发和，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。
一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程中仍继续监听媒体，以检测是否存在冲突。
假设发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。
一于检测到冲突，就立即停顿发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其它各有关站点。
这样，通道容量就不致因白白传送已受损的帧而浪费，可以进步总线的利用率。
这种方案称做载波监听多路访问/冲突检测协议，简写为CSMA/CD，这种协议已广泛应用于局域网中。
CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。
对于基带总线而言，最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间传播时延的两倍。
从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。
信号传播时延（μs）=两站点的间隔（m）/信号传播速度（m/μs）。
假定A、B两个站点位于总线两端，两站点之间的最大传播时延为tp。
当A站点发送数据后，经过接近于最大传播时延tp时，B站点正好也发送数据，此时冲突便发生。
发生冲突后，B站点立即可检测到该冲突，而A站点需再经过一份最大传播时延tp后，才能检测出冲突。
也即最坏情况下，对于基带CSMA/CD来说，检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间最大传播时延的两倍（2tp）。
数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间和为数据传输时延；同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。
数据传输时延（s）=数据帧长度（bit）/数据传输速率（bps）。
假设不考虑中继器引入的延迟，数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧被另一个站点全部接收所需的总时间，等于数据传输时延与信号传播时延之和。
由于单向传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的4倍。
所以，
对于宽带CSMA/CD来说，要求数据帧的传输时延至少4倍于传播时延。
在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再使用CSMA方法试图传输。
为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避和算法，其规那么如下：
（1）对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2；
（2）退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数，1个小时片等于两站之间的最大传播时延的两倍；
（3）当数据帧再次发生冲突，由将参量L加倍；
（4）设置一个最大重传次数，超过该次数，那么不再重传，并报告出错。
二进制指数退避算法是按后进先出LIFO（ListInFirstOut）的次序控制的，即未发生冲突或很少发生冲突的数据帧，具有优先发送的概率；而发生过屡次冲突的数据帧，发送成功的概率就更少。
IEEE802.3就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/C1. 802.11无线联网这个委员会正在为无线网定义标准。
他们的主要工作是传输介质如扩频无线电、窄带无线电、红外线的标准化以及电线上的传输。
该委员会也为网络计算的无线接口制订标准，在这个标准中，用户可借助笔式计算机、个人数字助理〔PDA〕以及其它便携设备与计算机系统相连。
对无线网的访问方案两种方法。
在分布式方法中，每个无线工作站自己控制对网络的访问。
另一种中点配置方法就是连到有线网上的一台中心Hub控制无线工作站的传输。
直到写这本书时，委员会的成员们偏爱分布式方法，不过中点配置方法也作为一个选项包括在标准中。
12. 802.12需求优先〔100VG－AnyLAN〕这个委员会正用由HP和其他供应商共同提出的需求优先访问方法来制订100Mbps的以太网标准。
规定的电缆是4线铜质双绞线，需求优先访问方法是通过一台中心Hub来控制对电缆的访问。
优先级方法可有效地支持实时多媒体信息的发送。
三.令牌环媒体访问控制
1.令牌环的构造
令牌环在物理上是一个由一系列环接口和这些接口间的点-点链路构成的闭合环路,各站点通过环接口连到网上。
对媒体具有访问权的某个发送站点,通过环接口出径链路将数据帧串行发送到环上;其余各站点一边从各自的环接口人径链路逐位接收数据帧,同时通过环接口出径链路再生、转发出去,使数据帧在环上从一个站点至下一个站点地环行,所寻址的目的站点在数据帧经过时读取其中的信息。
最后,数据帧绕环一周返回发送站点,并由其从环上撤除所发的数据帧。
2.令牌环的操作过程
①网络空闲时,只有一个令牌在环路上绕行;
②当一个站点要发送数据时,必须等待并获得一个令牌,将令牌的标志位置为1,随后
便可发送数据;
③环路中的每个站点边发送数据,边检查数据帧中的目的地址,假设为本
升级会员 