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计算机网络原理辅导
《计算机网络原理4741》复习
第一章概述
1．本章内容概述
本章属于概论性章节，介绍了计算机网络在信息时代的重要作用，主要讲述了计算机网络的产生及发展过程，从不同角度对网络进行了分类，最后引入了计算机网络主要的性能指标，这些都是进一步学习计算机网络的基础概念。
2．知识点
（1）计算机网络的发展阶段：
20世纪50年代这一阶段完成了数据通信和计算机通信网络的研究，为计算机网络的产生做好了技术准备，并奠定了理论基础。
20世纪60年代美国的ARPANET和分组交换技术的研究是计算机网络技术发展的里程碑。
20世纪70年代主要解决网络体系结构和网络协议的国际标准化。
20世纪90年代这一阶段主要是Internet与异步传输模式（ATM）技术。
（2）计算机网络的定义：
计算机网络是指将不同地理位置且功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互连接在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统；简言之，计算机网络就是一些相互连接的自治的计算机的集合。
（3）计算机网络的几种主要的分类方法：
按照网络交换功能进行分类：
分为电路交换，报文交换，分组交换和混合交换。
按照网络拓扑结构进行分类：
分为总线型，星型，环型和网状型。
按照网络覆盖范围进行分类：
分为广域网，局域网和城域网。
按照网络传输技术进行分类：
分为广播式网络和点对点式网络。
按照网络使用范围进行分类：
分为公用网和专用网。
（4）计算机网络的拓扑结构有：
a、总线形结构：
由一条高速公用总线连接若干个节点所形成的网络。
特点是网络结构简单灵活，可扩充，信道利用率高，传输速率高，网络建造容易。
但实时性较差，且总线的任何一点故障都会造成整个网络瘫痪。
b、星形结构：
每个节点都通过一条单独的通信线路，直接与中心节点连接，各个节点间不能直接通信。
优点是建网容易，控制简单，缺点是属于集中控制，对中心节点依赖性大，可靠性低。
线路利用率低，可扩充性差。
c、环形结构：
由通信线路将各节点连接成一个闭合的环，数据在环上单向流动，网络中用令牌控制来协调各节点的发送，任意两节点都可通信。
特点是传输时延确定，网络建造容易，但可靠性差，灵活性差。
d、网状结构：
节点之间的连接是任意的，每个节点都有多条线路与其他节点相连，这样使得节点之间存在多条路径可选。
（5）带宽的含义：
带宽的本意是信号具有的频带宽度，其单位是赫兹。
而常用的含义是指在信道上能够创送的数字信号的速率，即数据率或比特率，其单位是比特每秒。
3．难点
（1）网络常用的交换方式比较：
电路交换是面向连接的，在交换之前必须先建立一条通路，用户始终占用端到端的固定带宽，其传输效率往往较低，而且当有一段链路不能使用时，通信就不能进行。
分组交换采用存储转发技术，以分组作为传送单位，不必事先建立连接，在传输过程中动态分配带宽，逐段占用通信线路，效率较高，适用于传送突发数据。
项目
电路交换
分组交换
独占通路
是
不是
可用带宽
固定
动态可变
本质上浪费带宽
是
不是
存储转发传输
不是
是
每个分组都走同一通路
是
不是
呼叫建立
需要
不需要
应用
连续传送大量数据
突发数据传送
计费方式
每分钟
每分组
（2）时延的计算：
时延是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所用的时间。
总时延=传播时延+发送时延+排队时延
其中：
传播时延是电磁波在信道中传播所需的时间，它在链路上产生，与带宽没有关系。
传播时延=信道长度÷电磁波在信道上的传播速度
发送时延是发送数据所需的时间，又叫传输时延，与带宽（每秒钟发送的比特数）有关。
发送时延=数据块长度÷信道带宽
排队时延指在交换结点等待发送所需的时间。
第二章计算机网络的协议与体系结构
1．本章内容概述
在计算机网络的基本概念中，分层次的体系结构是最基本的。
本章介绍了计算机网络体系结构的形成，讨论了网络协议概念及其三要素，分析了网络的原理体系结构及各层次功能，引入了实体、服务、协议、服务访问点、面向连接服务与无连接服务等概念，对OSI与TCP/IP体系结构进行了比较。
2．知识点
（1）计算机网络体系结构的形成：
国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构提出著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM，简称为OSI。
（2）网络协议主要由三个要素组成：
语法（syntax），即数据与控制信息的结构或格式；
语义（semantic），即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；
同步（timing），即事件实现顺序的详细说明。
（3）进行分层的优点：
1）各层之间是独立的。
2）灵活性好。
3）结构上可分割开。
4）易于实现和维护。
5）能促进标准化工作。
（4）面向连接服务与无连接服务比较：
面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接。
当数据交换结束后，则应终止这个连接。
面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。
在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留。
这些资源将在数据传输时动态地进行分配。
（5）OSI与TCP/IP体系结构的比较：
OSI协议体系结构分为七层，而TCP/IP是一个四层的体系结构，它包含应用层、运输层、网际层和网络接口层。
在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是很不相同的。
TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连问题。
TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重。
TCP/IP有较好的网络管理功能。
（6）实体、协议、服务和服务访问点的定义：
实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
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。
要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点SAP。
3．难点
（1）ISO/OSI七层结构的各层作用及功能：
1物理层：
提供物理链路，实现比特流的透明传输。
物理层设计主要是处理电气的、机械的、功能的和规程的接口。
2数据链路层：
数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。
数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下看去好像是一条不出差错的链路。
数据链路层要采取成帧、差错检测、流量控制等措施。
3网络层：
网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。
在网络层，数据的传送单位是分组或包。
在TCP/IP体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。
网络层的主要功能为数据在结点之间传输创建逻辑通路，通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最合适的路径，以及实现拥塞控制、网络互连等功能。
4运输层：
运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文段。
运输层向高层屏蔽低层数据通信的细节，透明的传输报文。
运输层具有复用和分用的功能。
因特网的运输层可使用两种不同协议。
即面向连接的传输控制协议TCP，和无连接的用户数据报协议UDP。
5会话层：
为应用程序间的通信提供控制结构，包括建立、管理、终止连接（任务）。
6表示层：
提供应用进程在数据表示（语法）差异上的独立性。
7应用层：
应用层是原理体系结构中的最高层。
应用层以下各层均通过应用层向应用进程提供服务。
应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要。
应用层直接为用户提供服务，如文件传输、电子邮件等。
（2）计算机网络体系结构的含义：
计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构，也就是说，计算机网络的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。
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。
第三章物理层
1．本章内容概述
本章首先介绍了物理层的基本功能、数据通信系统的模型及相关概念，给出了奈氏准则和香农公式，讨论了各类传输介质的特点，模拟数据编码技术和数字数据编码技术，多路复用技术，最后介绍了常用的物理层标准。
2．知识点
（1）物理层的主要任务：
物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
1）机械特性。
2）电气特性。
3）功能特性。
4）规程特性。
（2）数据通信系统的模型：
数据通信系统包括源系统，传输系统和目的系统，源系统一般包括源站和发送器，目的系统一般包括接收器和目的站。
数据是运送信息的实体，而信号则是数据的电气的或电磁的表现。
无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。
所谓“模拟的”就是连续变化的，而“数字的”就表示取值是离散的。
（3）信道的分类：
1）从通信的双方信息交互的方式来看，分以下三种：
单向通信：
又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
双向交替通信：
又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。
这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。
双向同时通信：
又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。
2）根据传输信号的不同，信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。
数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，模拟信号在经过模数变换后也可在数字信道上传送。
（4）传输介质的特性：
1）物理特性：
传输介质物理结构的描述；
2）传输特性：
传输介质允许传送数字或模拟信号，以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；
3）连通特性：
允许点-点或多点连接；
4）地理范围：
传输介质最大传输距离；
5）抗干扰性：
传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力；
6）相对价格：
器件、安装与维护费用。
（5）基本调制方法：
所谓调制就是进行波形变换。
最基本的二元制调制方法有：
调幅（AM），调频（FM），调相（PM）。
为了提高信息传输速率,可以采用多元制的振幅相位混合调制的方法。
如正交调制QAM。
（6）数字编码方法的分类：
数字编码方法分为模拟数据编码方法和数字数据编码方法，其中前者又包括振幅键控ASK移频键控FSK和移相键控PSK。
后者包括非归零码，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
（7）频分复用和时分复用的比较：
频分复用的特点是
1）在一条通信线路设计多路通信信道;
2）每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;
3）各个载波频率是不重叠的,一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号；
4）频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用的特点是
1）时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；
2）每个用户分得一个时间片；
3）在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽；
4）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。
（8）常用复用技术：
多路复用技术是指用一条高速线路传送多条低速线路的数据。
可以分为：
频分多路复用，时分多路复用，波分多路复用和码分多路复用。
（9）EIA-232-E接口标准
EIA-232-E是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准。
EIA-232是DTE与DCE之间的接口标准。
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。
3．难点
（1）奈氏准则：
奈奎斯特推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫（Hz）；
Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元，码元是信号的一个基本单位。
奈氏准则的另一种表达方法是：
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
强调以下两点：
1）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。
2）波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。
码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。
比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”是两个完全不同的概念。
（2）香农公式：
信道的极限信息传输速率C可表达为
C=Wlog2（1+S/N）bit/s
其中：
W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
（3）曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码：
未经编码的二进制基带数字信号就是高电平和低电平不断交替的信号。
使用这种最简单的基带信号的最大问题就是当出现一长串的连1或连0时，在接受端无法从收到的比特流中提取位同步信号。
曼彻斯特编码是将每一个码元再分成两个相等的间隔。
码元1时在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平。
码元0则正好相反，从低电平变到高电平。
可以保证在每一个码元的正中间时刻出现一次电平的转换，这对接受端的提取位同步信号是非常有利的，但是所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。
差分曼彻斯特编码规则是：
若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一致；若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。
第四章数据链路层
1．本章内容概述
数据链路层的许多概念都属于计算机网络的基本概念，本章在介绍数据链路层的基本概念后，将详细讨论两个重要的协议：
停止等待协议和连续ARQ协议，包括滑动窗口的概念和循环冗余检验原理。
接着阐明面向比特的链路控制规程HDLC的要点及零比特添充法。
最后介绍因特网中的数据链路层协议PPP数据链路层的功能和作用。
2．知识点
（1）数据链路层的主要功能：
链路管理：
当网络中的两个结点进行通信时，发送方必须确知接收方是否已处在准备接收状态。
帧同步：
数据链路层，数据传送的单位是帧。
流量控制：
协调发送方与接收方的工作。
差错控制：
接收方可通过校验帧的差错编码，判断接收到的帧是否有差错。
透明传输：
所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应能够在链路上传送。
寻址：
在多点连接的情况下，保证每一帧都能送到正确的目的站。
（2）停止等待协议的算法
在发送结点：
1）从主机取一个数据帧。
2）V（S）←0。
{发送状态变量初始化}
3）N（S）←V（S）；{将发送状态变量的数值写入发送序号}
将数据帧送交发送缓存。
4）将发送缓存中的数据帧发送出去。
5）设置超时计时器。
{选择适当的超时重传时间tout}
6）等待。
{等待以下3个事件中最先出现的一个}
7）若收到确认帧ACK，则：
从主机取一个新的数据帧；
V（S）←[1V（S）]；{更新发送状态变量，变为下一个序号}
转到（3）。
8）若收到否认帧NAK，则转到（4）。
{重传数据帧}
9）若超时计时器时间到，则转到（4）。
{重传数据帧}
在接收结点：
1）V（R）←0。
{接收状态变量初始化，其数值等于欲接收的数据帧的发送序号}
2）等待。
3）当收到一个数据帧，就检查有无产生传输差错（如用CRC）。
若检查结果正确无误，则执行后续算法；
否则转到（8）。
4）若N（S）=V（R），则执行后续算法；{收到发送序号正确的数据帧}
否则丢弃此数据帧，然后转到（7）。
5）将收到的数据帧中的数据部分送交主机。
6）V（R）←[1V（R）]。
{更新接收状态变量，准备接收下一个数据帧}
7）发送确认帧ACK，并转到
（2）。
8）发送否认帧NAK，并转到
（2）。
状态变量的概念很重要，一定要弄清以下几点：
1）每发送一个数据帧，都必须将发送状态变量V（S）的值（即0或1）写到数据帧的发送序号N（S）上。
但只有收到一个确认帧ACK后，才更新发送状态变量V（S）一次（将1变成0或0变成1）并发送新的数据帧。
2）在接收端，每接收到一个数据帧，就要将发送方在数据帧上设置的发送序号N（S）与本地的接收状态变量V（R）相比较。
若二者相等就表明是新的数据帧，否则为重复帧。
3）在接收端，若收到一个重复帧，则丢弃它（即不做任何处理），且接收状态变量不变，但此时仍须向发送端发送一个确认帧ACK。
（3）连续ARQ协议与选择重传ARQ协议的比较：
发送端对出错的数据帧进行重传是自动进行的，这种差错控制体制常简称为ARQ，意思是自动请求重传。
连续ARQ协议：
要点就是在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。
如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。
接受端只按序接受数据帧，出现差错时就要往回走N个帧，然后再全部重传。
由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了，但是原来已经正确传送的帧也要再重传，使效率降低。
选择重传ARQ协议：
为进一步提高信道的利用率，可设法只重传出现差错的数据帧或者是计时器超时的数据帧。
这时加大接收窗口，以便先收下发送序号不连续但仍然处在接收窗口中的那些数据帧，等到所缺序号收到后，再一并交付主机。
由于接收窗口不应该大于发送窗口，所以WR<=2n/2。
（4）零比特填充法：
确定一个HDLC帧的边界时，要用硬件对其中的比特流进行扫描，每当发现5个连续1时，就将这5个连续1采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。
零比特填充的具体做法是：
在发送端，当一串比特流数据尚未加上标志字段时，先用硬件扫描整个帧。
只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。
因此经过这种零比特填充后的数据，就可以保证在数据中不会出现6个连续1。
在接收一个帧时，先找到F字段后的一个0删除，以还原成原来的比特流。
（5）HDLC帧结构
数据链路层的数据传送是以帧为单位的。
一个帧的结构具有固定的格式。
HDLC帧每个字段都有各自的含义。
HDLC帧划分为三大类，即信息帧、监督帧和无编号帧。
3．难点
（1）滑动窗口的概念
发送窗口用来对发送端进行流量控制，而发送窗口的大小WT就代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。
发送窗口的规则归纳如下：
1）发送窗口内的帧是允许发送的帧，发送窗口右侧所有的帧都是不允许发送的帧。
2）每发送完一个帧，允许发送的帧数就减1。
但发送窗口的位置不变。
3）如果所允许发送的帧都发送完了，但还没有收到任何确认，那么就不能再发送任何帧了。
这时，发送端就进入等待状态。
4）每收到对一个帧的确认，发送窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置。
于是，发送端又可以继续再发送一个帧。
在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。
接收窗口的规则很简单，归纳如下：
1）只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。
否则，就丢弃它。
2）每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置。
同时向发送端发送对该帧的确认。
（2）循环冗余校验码CRC：
在传输数据时，可以在数据后面添加nbit冗余码，用来进行差错检验。
这nbit冗余码是这样得出的：
用二进制的模2运算进行2n乘发送数据M的运算。
这相当于在M后面添加n个0。
得到的（k+n）bit的数除以实现选定好的数P，P的长度为（n+1）bit,得出商是Q而余数是R，余数R比除数P至少要少1个比特。
将得到的余数R就作为冗余码添加在数据M的后面发送出去，如果数据在传输过程中不产生误码，则接受端收到的应当是2nM+R.将这个数除以P后,得出的余数显然是0。
若数据传输中出现误码，则在接受端进行以上的运算后，一般就不会得出数据为0的结果。
一般可以用生成多项式来表示循环冗余检验的过程。
计算冗余码采用的模2运算,其特点是加法不进位、减法不借位。
第五章局域网
1．本章内容概述
局域网是计算机网络的重要组成部分，本章重点放在局域网的介绍，从传统式以太网入手，讨论了共享介质局域网（以太网）的工作原理和MAC帧结构，介绍了使用中继器、网桥、交换机等对局域网的进行扩展的技术。
本章还介绍了千兆快速以太网、无线局域网等新的网络技术。
2．知识点
（1）局域网的主要优点：
1）能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。
从一个站点可访问全网。
2）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。
3）提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
（2）局域网的技术特点
1）局域网覆盖有限的地理范围；
2）局域网提供高数据传输速率（10～100Mbps）、低误码率的数据传输环境；
3）决定局域网特性的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法；
4）从介质访问控制方法的角度来看，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。
（3）总线型拓扑结构特点：
总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；
所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；
总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；
所有结点可以通过总线以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突”不可避免；
“冲突”会造成传输失败；
必须解决多个结点访问总线的介质访问控制问题
（4）环型拓扑结构特点：
结点使用点-点线路连接，构成闭合的物理环型结构；
环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；
多个结点共享一条环通路；
环建立、维护、结点的插入与撤出。
（5）IEEE802标准
802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制LLC子层和媒体接入控制MAC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子层来说是都透明的。
本章介绍的以太网主要都是假定数据链路层只有一个MAC层而不考虑LLC子层。
（6）争用期及退避算法：
以太网的端到端往返时延2称为争用期，又称为碰撞窗口。
每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
如果在争用期内没有发生冲撞，那么以后也不会发生冲撞。
若发生了冲撞，就需要进行重发，需要用退避算法解决这个问题。
具体做法是：
1）让发生碰撞的站停止发送数据后，不是立即再发送数据，而是推迟一个随机的时间，这样做是为了推迟重传而再次发生冲突的概率减小。
2）确定基本退避时间，一般是取为争用期的2。
3）定义一个参数k,它等于重传的次数，但不超过10。
因此k=Min[重传次数，10]。
4）从离散的整数集合[0，1，…，（2k-1）]中随机的取出一个书，记为r。
重传需要推迟的时间就是r倍的基本推迟时间。
5）当重传16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。
（7）传统以太网的连接方法
传统以太网可使用的传输媒体有四种，即粗缆、细缆、铜线和光缆。
MAC层下面给出了对应于这四种传输媒体的物理层，即10BASE5（粗缆）、10BASE2（细缆）、10BASE-T（双绞线）和10BASE-F（光缆）。
（8）网卡的主要功能：
1）数据的封装与解封，发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。
接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。
2）链路管理，主要是CSMA/CD协议的实现。
3）编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。
（9）MAC层的硬件地址：
在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。
802标准为局域网规定了一种48bit的全球地址，指局域网上的每一台计算机所插入的网卡上的地址。
IEEE的注册管理委员会RAC负责分配地址字段的六个字节中的前三个
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