第一章 概述
本课程目的:
1.交换机工作原理
2.路由器工作原理
3.网络协议工作原理
1.1计算机网络在信息时代中的作用
计算机网络:计算机的互联
如何互联:交换机将计算机互联形成局域网
路由器将局域网互联形成互联网
1.2 因特网概述
网络由若干结点和连接这些结点的链路组成
(网络把许多计算机连接在一起,而因特网则把许多网络连接在一起)
1.3因特网的组成
1.边缘部分:由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用,用来进行通信(传送数据、音频或视频)和资源共享。
2.核心部分:由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)
因特网核心部分:分组交换技术
3.电路交换:建立连接(占用通信资源)——通话(一直占用通信资源)——释放连接(归还通信资源)
缺点:线路传输效率往往很低
4.分组交换:采用存储转发技术先把整个报文分成等长的数据段,在每个数据段前加必要的控制信息组成首部,就构成一个分组。分组又称为“包”,首部可称为“包头”
分组:带有地址信息的信息小片
过程:路由器收到一个分组,先暂时存储一下,检查其首部,查找转发表,按照首部中的目的地址,找到合适的接口转发出去,把分组交给下一个路由器。
优点:高效,在分组传输的过程中动态分配传输带宽,对通信链路是逐段占用
灵活,为每一个分组独立的选择转发路由
迅速,以分组为传送单位,可以不先建立链接就能向其他主机发送分组
可靠,保证可靠性的网络协议;分组式多路由的分组交换网,是网络有很好的生存性
缺点:分组在各路由器存储转发时需要排队,这就会造成一定的时延
5.报文交换:时延较长
6.三种交换方式在数据传送阶段的主要特点:
电路交换:整个报文的比特流连续的从原点直达终点,好像在一个管道中传送
报文交换:整个报文先传送到相邻结点,全部存储下来后,查找转发表,转发到下一个结点
分组交换:单个分组传送到相邻结点,存储下来后查找转发表,转发到下一个结点
1.5 计算机网络的类别
1.按网络的作用范围分类:
广域网WAN:几十到几千公里
城域网MAN:5到50千米
局域网LAN:1千米左右
个人区域网PAN:范围大约10米左右
1.6 计算机网络的性能
001.速率:也称数据率或比特率,单位b/s,或bps。
100M的以太网,不是100MB/s,而是100Mb/s
002.带宽:通信线路允许通过的信号频带范围
一条通信链路的带宽越宽,其所能传输的最高数据率也越高
003.吞吐量:单位时间内通过某个网络(或信道,接口)的数据量
004.时延:发送时延:主机或路由器发送数据帧所需要的时间
传播时延:电磁波在信道中传播一定距离需要的时间
(电子在光缆中为200米/微秒)
处理时延:主机或路由器对收到的分组要花费一定时间进行处理
排队时延:分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理
005.时延带宽积:传播时延*带宽,单位bit
006.往返时间RRT:从发送方发送数据开始到发送方收到来自接收方的确认经历的时间
007.利用率:信道或网络利用率越高会产生非常大的时延,最好在30%左右就好
1.7 计算机网络体系结构
001.结构:层与协议的集合
002.网络协议三要素:语法:数据与控制信息的结构或格式
语义:具体数据的含义
同步:需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应,事件实现顺序的详细说明
003.具有五层协议的体系结构:
1.应用层(data消息):体系结构最高层,为用户的应用程序提供协议服务
2.运输层(Segments段/数据报):提供两台主机(不必相邻)的可靠数据传输
3.网络层(Packets分组):找到源主机到目的主机的最优路径
4.数据链路层(Frames帧):提供相邻结点链路上的可靠数据传输
5.物理层(Bits):完成电气信号在媒体上的传输
004.协议:是控制两个或多个对等实体间进行通信的规则的集合
协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则
服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的
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。而要实现本层协议,还需要使用下面一层所提供的服务。除此之外,使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议,即下面的协议对上面的是提示透明的
服务访问点(SAP):同一系统中相邻两层的实体进行交互(及信息交换)的地方
服务数据单元(SDU):层与层之间交换的数据的单位
第二章 物理层
2.1物理层的基本概念
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
2.2 数据通信的基础知识:
001.通信系统目的:把携带信息的数据用物理信号形式通过媒体传送到目的地
002.数据通信系统分为三部分:
源系统:包括源点(又称信源)和发送器
传输系统
目的系统:包括接收器和终点(又称信宿)
003.数据:分为模拟数据(连续值),数字数据(离散值)
004.码元:数字通信中对数字信号的计量单位
005.信道:
单向信道(单工通信):只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
双相交替通信(半双工通信):通信双方都可以发送信息,但不能同时发送
双向同时通信(全双工通信):通信双方可以同时发送和接收信息
006.调制:来自信源的信号称为基带信号,可以不经过调制直接在基通信道上传输,而许多信道不能传输这种低频分量或直流分量,必须经过调制。
调制分为两种:一类变换后仍是基带信号,仅对波形进行变换,使其与信道特性相适应,这种调制称为基带调制。另一种称为带通调制,需要使用载波调制,把基带信号频率范围搬移到较高频率,并转换为模拟信号,可以更好地在模拟信道传输。
007.信道的极限容量:
码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,或噪声干扰越大,或传输媒体质量越差,在接收端波形的失真越严重
008.码间串扰:如果信号中的高频分量在传输时受到衰减,那么在接收端收到的波形的前沿和后沿就变得不那么陡峭,每一个码元所占的时间界限也不再很明确
009. M是信号的编码级数
一个码元可以携带N个比特的信息量,则N=log2M
010. 奈氏准则(消除码间串扰):
W为理想低通信道的带宽,单位Hz
理想低通信道的最高码元传输速率为2W波特,单位Baud
最高数据传输速率:C=2Wlog2M
011. 信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比,记为S/N,单位分贝(dB)
S/N=10*log10(S/N) eg:30dB即S/N=1000
012. 香农公式:信道的极限信息传输速率C是:
C=Wlog2(1+S/N)
信道的带宽或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高
2.3 物理层下面的传输媒体
001.传输媒体分为:导引型传输媒体(固体媒体,如铜线和光纤)和非引导型(通常指自由空间,无线传输)
002.双绞线:分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线
003.线序:568A:白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕
568B:白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕
直通线:B-B
交叉线:B-A
反转线:B-B’
004.两台计算机的互联需要使用交叉线,而不是直通线;
一般网线属于直通线,两个水晶头线序都是568B型;
005.检验性能的指标:衰减和近端串扰
006.同轴电缆:因为信号衰减较大,所以每隔一段就需要放大器,但它带宽大,抗干扰性强
007.光纤:带宽大、价格低、性能可靠
分为多模光纤:可以存在多条不同角度的光线在同一光纤中传输
单模光纤:光纤直径小到只有一个光的波长,使光线一直向前传输而不会产生多次反射
008.传统微波通信:包括地面微波接力通信和卫星通信
微波接力通信优缺点:通信信道容量很大
微波传输质量高
比电缆载波投资少,见效快
相邻站之间必须直视,不能有障碍物
有时会受到恶劣天气的影响
和电缆通信相比,隐蔽性和保密性差
中继站的维护耗费较多人力物力
卫星通信:传播时延较大,一般为270ms
009.数字数据—数字信号
不归零制(NRZ):正电平代表1,负电平代表0
曼彻斯特编码:用上下跳变表示0和1,对于连续的0和1,在时钟间隔发生跳转
差分曼彻斯特:信号0在本时钟起始处跳变,1则没有
010.数字数据—模拟信号
调幅:用载波的两个不同振幅表示0和1
调频:用载波的两个不同频率表示0和1
调相:用载波的起始相位表示0和1
多级调制方法:单参量多级调制,多参量多级调制(星座图,是调幅与调相的组合)
011.模拟数据—数字信号
采样,量化,编码
2.4 信道复用技术
001.频分复用:所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
002.时分复用:所有用户在不同时间占用同样的频带宽度
同步时分复用:即统计时分复用,帧中的时隙数一般小于用户数,每个用户不占有固定位置,轮到谁就是谁
异步时分复用:即普通时分复用,每个用户都在帧中占有时隙位置,不管用户发不
发送数据,该时隙都被占用,效率低下
003.波分复用:即光的频分复用,在一根光纤上复用多路光载波信号
004.码分复用:各用户使用经过特殊挑选的不同的码型,即一个唯一的m比特的码片序列,如果该用户站要发送1,就发送自己的m比特的码片序列,如果要发送0,就发送码片序列的二进制反码,每一个站分配的码片序列不仅要唯一,而且要互相正交
2.5数字传输系统 (看课本P56)
2.6宽带接入技术
用户到因特网的宽带接入技术:
非对称数字用户线ADSL
光纤同轴混合网HFC
光纤到**(FTT*)
第三章 数据链路层
数据链路层使用的主要信道:
点对点信道
广播信道
3.1点对点信道
001.数据链路和帧
链路:一条无源的点到点的物理线路段,中间没有任何其他交换节点
数据链路:除了物理线路外,还必须有通信协议来控制这些数据的传输,再加上实现协议的硬件和软件,就构成了数据链路(现在常用网络适配器来实现协议)
帧:数据链路层的协议数据单元
002.三个基本问题
创建帧:在一段数据的前后分别添加首部和尾部
尾部和首部是用来进行帧定界
用控制字符进行帧定界:SOH为帧开始符,EOT为帧结束符,对于这种会出现(SOHaaaaEOTbbbbEOT)“bbbb”被当做无效帧而被丢弃,解决这种错误的方法是在SOH
或EOT前插入转义字符ESC,接收端的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,如果转义字符也出现在数据中,就在转义字符前再插入一个转义字符,接收端收后删除前面一个。
差错:比特在传输过程中出现差错,1变0,0变1
纠错码:在数据块加入足量冗余信息,使接收方能判断并纠正错误
检错码:在数据块加入足量冗余信息,使接收方能够判断哪里有错
检错码中,循环冗余检验CRC,在数据后面添加冗余码FCS,冗余码添加在帧尾,使带冗余码的帧的多项式能被生成多项式G(x)除尽;接收方接收时,用G(x)去除它,若有余数,则传输出错。(其中生成多项式由发方和接收方事先商定,且高位和低位必须为1)
CRC-12 = x12 + x11 + x3 + x2 + x + 1
CRC-16 = x16 + x15 + x2 + 1
CRC-CCITT = x16+ x12 + x5 + 1
CRC-32
速度匹配:会造成帧的丢失,重复以及失序
流量控制法:基于反馈机制,发送方每发送一帧就暂停下来,等待接收方的反馈(发送DATA0,反馈ACK1,表示0号帧已收到,下一个希望收到1号帧)
其中实用的是停止等待协议:如果数据帧出错,接收方不返回确认信息,发方的重传定时器到时,继续发送上一个帧;如果接收方的确认信息丢失,则发送方重传帧,接收方收到后丢弃该帧,继续发送确认信息。
连续ARQ协议:上一种方法的信道利用率太低,因此发送方可以连续发送多个分组,不必每发完一个就等待确认信息。在连续发送若干个数据帧后,如果出错就需要重传错帧之后已经正确传送过的数据帧,接收方丢弃错帧之后正确的数据帧,从出错的帧处开始存,所以不一定优于停止等待协议。
累积确认:不像连续ARQ协议一样,对每一个收到的帧反馈确认信息,而是对按序列到达的最后一个数据帧发送确认信息,表示到这个帧为止的所有帧都已经正确收到了。
003.滑动窗口:对发送和接收方实现流量控制。
发送窗口,大小W表示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的数据帧
接收窗口,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被允许接收
只有在接收窗口向前滑动时,发送窗口才可能向前滑动;
当发送窗口和接收窗口的大小都等于1的时候,就是停止等待协议;
发送窗口的最大值,当用n个比特进行编码时,若接收窗口大小为1,则只有在发送窗口大小WT<=2的n次方-1时,连续ARQ协议才能正确运行
004.最佳帧长: 帧长取短,控制信息所占比例增大,信道利用率下降
帧长取长,出错概率增大,重传次数增多,信道利用率下降
005.选择重传ARQ协议:加大接收窗口,先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口的那些数据帧,等到所缺序号的数据帧收到后一并交送主机,代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间,这样,接收窗口的最大值:WR<=2的n次方/2
3.2点对点的协议PPP:
3.3使用广播信道的数据链路层
(以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。
当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧,其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
如果高层发现丢失了一些数据而进行重传,但以太网并不知道这是一个重传的帧,而是当作一个新的数据帧来发送。)
001.条件:许多发送者/许多接受者
需要共享媒体
需要寻址
需要用于局域网LAN
002.信道分配模型的基本假设:
站点模型:每个站点是独立的,并以统计固定的速率产生帧,一帧产生后到被发送走之前,站点被封锁;
单信道假设:所有的通信都是通过单一的信道来完成的,各站平等共享该信道;
碰撞假设:若两帧同时发出,会相互重叠,结果使信号无法辨认,称为碰撞。所有的站点都能检测到碰撞,碰撞帧必须重发;
时间假定:连续时间:帧可以在任何时刻发送
时隙:帧必须在时隙开始时发送
载波假定:有载波:站点可以检测到信道是否空闲
无载波:站点在发送之前无法判断信道是否空闲
003.ALOHA协议:解决信道动态分配
004.纯ALOHA协议:站点一产生帧就发送到信道上,规定时间内收到应答,则表示发送成功,否则重发,直到重发成功为止。缺点是极其容易碰撞。发送双方发送数据出错,都必须重发,但不是立即重发而是等待一段时间在重发,否则会产生新的碰撞
发送成功的条件是,该帧与该帧前后的两个帧的到达时间间隔均大于(两个单程端到端的传播时延)
005.时隙ALOHA协议:把信道时间分成离散的时隙(时间槽),时隙长度为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时隙开始时允许发送。
006.为了减少碰撞,引入CSMA(载波监听多点接入),比ALOHA多了载波监听,监测方法是判断基带上是否有脉冲二进制0或1,同时有多个点在侦听信道是否空闲和发送数据
非坚持CSMA:若有数据需要发送,先监听,发现信道空闲,开始发送,信道一忙,则等待一个随机时间,然后重新开始发送。减少了碰撞概率,但增加了信道空闲时间,发送延迟增大
1-坚持CSMA:若有数据需要发送,先监听,发现信道空闲,开始发送,信道一忙,则停止发送,继续监听直到发现信道空闲,完成发送,若产生碰撞,则等待一个随机时间,然后重新开始发送。减少了信道空闲时间,但增加了发生碰撞的概率
P-坚持CSMA:若有数据需要发送,先监听,发现信道空闲,开则以概率p发送数据,以概率(1-p)延迟到下一个时槽发送,若下一个时槽仍空闲,重复此过程,直至数据发出或时槽被其他站点占用,若信道忙,则等待下一个时槽,重新开始发送,若产生碰撞,则等待一随机时间,重新开始发送
007.带碰撞检测的载波监听多点接入CSMA/CD:如果站点边发送边监听,并在监听到碰撞之后立即停止发送,就可以提高信道利用率。原理是站点使用CSMA协议进行数据发送,发送期间如果检测到碰撞,立即终止发送,并发出瞬间干扰信号,使所有站点都知道发生了碰撞,发出干扰信号后,等待一段随机时间,重复上述过程
008.截止二进制指数退避算法:
随机时间的计算:
确定基本退避时间,即二倍的T(单程端到端的传播时延)
定义重传次数K
从整数集合[0,1,…, (2k -1)]中随机取一个数记为r,重传所需时延就是r倍的基本退避时间
当重传16次仍不成功时,就丢弃该帧,并向高层报告
009.争用期(碰撞窗口)长度(针对10Mb/s):51.2微秒即二倍的T
第四章 网络层
001.网际协议IP:用来使互联起来的许多计算机能够进行通信,是TCP/IP体系中最主要的协议之一。
002.物理层使用的中间设备叫转发器
数据链路层使用的中间设备叫网桥或交换机
网络层使用的中间设备叫路由器
网络层以上使用的中间设备叫网关
003.IP地址:因特网上每一个主机的每一个接口分配一个在全世界范围是唯一的32位标示符。
004.分类IP地址:最基本的编址方法。网络号+主机号
单播地址:A类地址(前8位是网络号且以0开头)
B类地址(前8位是网络号且以10开头)
C类地址(前8位是网络号且以110开头)
多播地址:D类地址(以1110开头)
E类地址(以1111开头)
由此可见,IP地址不仅指明了一个主机,而且还指明了主机所连接到的网络
005.特殊IP地址:1.私有地址:10.0.0.0~10.255.55.255
172.16.0.0~172.31.255.255
192.168.0.0~192.168.255.255
169.254.0.0
2.广播:本网络广播IP(网络号全部变,主机号全为0)
定向广播IP(网络号不变,主机号全为1)
本网络地址:
3.环回地址:127.0.0.1
006.IP地址—>MAC地址:ARP地址解析协议