计算机发展的四个过程
计算机网络组成
资源子网和通信子网
计算机网络功能
计算机网络分类
拓扑类型
- 点对点信道
- 广播信道
混合型拓扑
交换方式
覆盖范围
网络传输技术
其他
双绞线网,同轴电缆网,光纤网,无线网
窄带网,宽带网
科研网,教育网,商业网,企业网
计算机网络标准化
计算机网络体系结构
计算机网络各层次的结构模型及协议的集合
计算机网络协议 (主要)
OSI/RM
包括体系结构,服务定义,协议规范三级抽象
七层的功能:
物理层Physical Layer
使原始数据比特流在物理介质上传输
数据链路层Data Link Layer
将不可靠的物理链路改造成对网络层来说是无差错的数据链路,还要协调收发双方的数据传输速率
网络层Network Layer
解决如何使数据分组跨越通信子网从源传送到目的地
传输层 Transport Layer
传输层提供端到端的透明数据传输服务,使高层用户不必关心通信子网的存在
会话层Session Layer
两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除
表示层Presetation Layer
管理标准方法定义的抽象数据结构,将计算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式
应用层Application Layer
不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段
TCP/IP
应用层Application Layer
传输层Transport Layer
互联层Internet Layer
主机-网络层Host-to-Network Layer
两大参考模型比较:
相同:
两者协议栈,都采用了层次结构的概念
不同:
OSI有七层,TCP/IP只有四层
无连接和面向连接的通信范围有所不同
OSI网络层同时支持,传输层上只支持面向连接
TCP/IP网络层只有无连接,传输层上同时支持
每层对应协议比较:
物理层四个重要特性
物理传输介质特性
比较:
数据传输速率
最大传输速率
信道容量
无噪声下码元速率极限值B与信道带宽H的关系:
奈奎斯特公式
香农公式
通信方式
串行通信的方向性:单工,半双工,全双工
多路复用技术
频分多路复用FDM
在物理信道可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下,可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号相同(或略宽)的子信道,每个信道传输一路信号
时分多路复用TDM
若介质能达到的位传输率超过所需的数据传输速率,将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。
波分多路复用WDM
频分多路复用在极高频率上的应用
同步传输异步传输
模拟信号 连续
数字信号 离散
模拟数据和数字数据
数据编码
数字数据的数字信号编码
数字信号可以采用基带传输,所谓基带就是指表示二进制比特序列的矩阵脉冲信号所占的固有频带,称为基本频带
判决门限
NRZ
- 单极性不归零码
这两种属于全宽码,重复发送“1”码势必连续发送正电流,反之亦然,导致码元与码元之间没有间隙,不易识别
需要发送器和接收器定时或同步
- 双极性归零码
“1”码发送正窄脉冲,”0”码发送负窄脉冲,取样时间脉冲中心
归零码脉冲窄,根据脉冲宽度与传输宽度成反比,占用的频带较宽
单极与双极的区别在于0码是否发送负电流
归零不归零的区别在于脉冲宽度
基带传输的重要问题:同步问题
同步:
群同步传输规程:
模拟数据的数字信号编码
信号数字化的转换过程可包括采样,量化,编码
为了绕过基带信号的相关问题,采用调制信号传输,用连续波的振幅,频率或者相位调制后用来传输信息
数据交换技术
电路交换
电路传输
数据传输
电路拆除
数据传输可靠,迅速
电路空闲时信道容量容易被浪费
报文交换
存储-转发方式
电路利用率高
通信量很大时仍然可以接受报文
一个报文发送到多个目的地
不能满足实时或交互式的通信要求
电路交换
报文交换
虚电路
数据报
项目 | 电路交换 | 分组交换 |
---|---|---|
建立呼叫连接 | 要求 | 不要求 |
专门的物理途径 | 是 | 否 |
每个分组沿着相同的路由路径 | 是 | 否 |
电文或分组按序到达 | 是 | 否 |
一台交换机崩溃是否有严重影响 | 是 | 否 |
可用带宽 | 固定 | 动态 |
可能拥塞的时间点 | 建立呼叫连接的时候 | 每个分组传输的时候 |
可能有浪费的带宽 | 是 | 否 |
存储转发传输机制 | 否 | 是 |
透明性 | 是 | 否 |
收费 | 每分钟 | 每个分组 |
数据链路四大功能
帧同步四种方法
从比特流中区分帧的起始与终止
差错控制的原因和方法
原因:通信系统必须具备发现差错的能力,并采取措施纠正之,是差错控制在所能允许的尽可能小的范围之内。
方法:通常引入计时器限定接受方返回反馈信息的时间间隔,有限时间内未能收到接收方的反馈信息,则计时器超时,认为传出的帧已出错或丢失,重新发送。
自动请求重发ARQ和前向纠错FEC
使用计时器和序号保证每帧都能正确的递交给目标网络一次。
奇偶校验码
https://en.wikipedia.org/wiki/Parity_bit
CRC校验码
生成多项式
发送方
接收方
因为模2算法R(X)+R(X)=0
所以
收发双方流量控制
方法 | 发送窗口 | 接收窗口 |
---|---|---|
停等 | 1 | 1 |
Go-back-N | N | 1 |
选择重传 | N | N |
链路管理方法
BSC(二进制同步通信协议)
任何链路层协议可由链路建立,数据传输,链路拆除三部分组成。
BSC协议将在链路传输的信息分为数据报文和监控报文
标记 | 名称 | ASCII码值 | EBCDIC码值 |
---|---|---|---|
SOH | 序始 | 01H | 01H |
STX | 文始 | 02H | 02H |
ETX | 文终 | 03H | 03H |
EOT | 送毕 | 04H | 37H |
ENQ | 询问 | 05H | 2DH |
ACK | 确认 | 06H | 2EH |
DLE | 转义 | 10H | 10H |
NAK | 否认 | 15H | 3DH |
SYN | 同步 | 16H | 32H |
ETB | 块终 | 17H | 26H |
BCC | 块检验 |
BSC协议数据块有以下四种格式:
正反向监控报文
HDLC
高级数据链路控制协议
HDLC:不依赖于任何一种字符编码集,数据报文可透明传输,用于实现透明传输的"0比特插入法"易于硬件实现;全双工通信,有较高的数据链路传输速率;所有帧均采用CRC校验
HDLC常用操作方式:
标志字段:01111110
地址:命令帧 对方站地址 响应帧 自己站地址
控制字段:用于构成各种命令和响应
信息字段:任意比特串
帧校验序列:可以使用CRC校验
HDLC的帧类型:信息帧,监控帧,无编号帧
S帧 S1,S2
计算机网络三大功能
路由选择,拥塞控制,网际互连
比较虚电路和数据报技术
比较项目 | 数据包子网 | 虚电路子网 |
---|---|---|
建立电路 | 不需要 | 需要 |
地址信息 | 每个分组包含完整的源地址和目标地址 | 每个分组包含一个很短的虚电路号 |
状态信息 | 路由器不保留任何连接相关的状态信息 | 每个虚电路都要求路由器为每个连接建立表项 |
路由 | 每个分组被独立地路由 | 当虚电路建立的时候选择路径,所有的分组都沿着这条路径 |
路由器失效的影响 | 没有,除非在崩溃过程中分组丢失 | 所有经过此失效路由器的虚电路都将终止 |
服务重量 | 很难实现 | 如果有足够的资源可以提倡分配给每一个虚电路,则很容易实现 |
阻塞控制 | 很难实现 | 如果有足够的资源可以提倡分配给每一个虚电路,则很容易实现 |
路由选择原理
静态路由或动态路由
三种静态路由和两种动态路由的区别
静态路由
最短路有选择算法(D氏)
动态路由
静态路由不考虑网络当前负载情况,动态路由路由选择依靠当前的状态信息
距离矢量与链路状态的区别:
http://docwiki.cisco.com/wiki/Routing_Basics#Link-State_Versus_Distance_Vector
Link-state algorithms (also known as shortest path first algorithms)
flood routing information to all nodes in the internetwork. Each
router, however, sends only the portion of the routing table that
describes the state of its own links. In link-state algorithms, each
router builds a picture of the entire network in its routing tables.
Distance vector algorithms (also known as Bellman-Ford algorithms)
call for each router to send all or some portion of its routing table,
but only to its neighbors. In essence, link-state algorithms send
small updates everywhere, while distance vector algorithms send larger
updates only to neighboring routers. Distance vector algorithms know
only about their neighbors. Because they converge more quickly,
link-state algorithms are somewhat less prone to routing loops than
distance vector algorithms. On the other hand, link-state algorithms
require more CPU power and memory than distance vector algorithms.
Link-state algorithms, therefore, can be more expensive to implement
and support. Link-state protocols are generally more scalable than
distance vector protocols.
距离矢量向所有节点要求全部路由表,却只发给邻居节点
链路状态发送路由表信息给所有节点,所有节点只需发送与该节点有关的链接信息
距离矢量发送全部路由信息更新给邻居节点
链路状态发送部分路由信息更新给所有节点
路由表计算
拥塞原因及控制方法
某一部分分组数量太多,使得该网络来不及处理,以致引起这部分甚至整个网络性能下降的现象,严重时出现死锁。
原因:多条流入线路有分组到达,路由器慢速处理器缘故
开环原因决定结果,闭环原因结果互为因果
拥塞控制的通用原则:
开环
闭环
拥塞预防策略
层 | 策略 |
---|---|
传输层 | 重传策略 |
乱序缓存策略 | |
确认策略 | |
流控制策略 | |
确定超时策略 | |
网络层 | 子网内部的虚电路与数据报策略 |
分组排队和服务策略 | |
分组丢弃策略 | |
路由算法 | |
分组生存管理 | |
数据链路层 | 重传策略 |
乱序缓存策略 | |
确认策略 | |
流控制策略 |
虚电路拥塞控制
进行资源预留
数据报拥塞控制
警告位
逐跳抑制分组
负载丢弃
文件传输 葡萄酒策略(老的比新的好)
流媒体 牛奶策略
抖动控制
服务质量控制
应用 | 可靠性 | 延迟 | 抖动 | 带宽 |
---|---|---|---|---|
电子邮件 | 高 | 低 | 低 | 低 |
文件传输 | 高 | 低 | 低 | 中 |
Web访问 | 高 | 中 | 低 | 中 |
远程登录 | 高 | 中 | 中 | 低 |
音频点播 | 低 | 低 | 高 | 中 |
视频点播 | 低 | 低 | 高 | 高 |
电话 | 低 | 高 | 高 | 低 |
视频会议 | 低 | 高 | 高 | 高 |
集成服务和区分服务
集成服务:主要的IETF协议是资源预留协议
区分服务:基于类别(Class-based)的服务质量
多协议标签交换协议MPLS
应用:X.25,ATM,帧中继
网络互连设备及网络互连协议
设备:
网关(Gateway)提供传输层以上各层间的协议转换
透明网桥以混杂方式工作。接受连接到该网桥的局域网上传递的所有帧。每个网桥维护一个基于MAC地址的过滤数据库。透明网桥的路由机制采用生成树的方式。
源路由选择的核心选择是坚定每个帧的发送者都知道接受者是否在同一个LAN上。当发送一个帧到另外的LAN时,源机器将目的地址的高位设置成1作为标记。另外它还在帧头加进此帧应走的实际路径。
路由器和网桥的区别:
网桥工作在数据链路层,而路由器工作在网络层。
网桥连接两个局域网,数据链路层以上高层要采用相同的协议。路由器连接两个局域网,网络层以上采取相同的协议。
网桥容易产生广播风暴
协议:
因特网互联层四大协议
IGMP
多播路由器和主机间询问和响应过程使用IGMP
永久组不必创建永久存在
临时组使用前先创建
IP数据报格式
版本:IPV4,IPV6
服务类型:服务
IHL:4bit。代表头部长度,以32位字节为一个单位
总长:16bit。头部数据总长。最大长度为65535个字节 216−1
DF:代表不要分段
MF:代表还有进一步的分段
分段偏移:13bit。标明分段在当前数据报什么位置
生命期:8bit。用来限制分组生命周期的计数器。它在每个节点都递减。
协议:8bit。说明分组发给哪个传输进程,如TCR,VDP
头校验和:16bit。校验头部。
源地址:32bit。源主机IP地址
目的地址:目的主机IP地址
选项:变长
IPv4与IPv6的区别
传输层地址和网络层地址的关系
网际层地址是IP地址,即可以找到主机的地址;而传输层地址是主机上的某个进程使用的端口的地址
比较TCP协议和UDP协议
TCP
UDP
比较TCP段和UDP段
源端口:16bit。源节点进程端口
目标端口:16bit。目标节点端口
序列号:32bit。TCP对字节流每个字节都编号。若每个数据段包含1000B,字节编号位X,X+1000。。。
确认号:32bit。为准备接受的字节序列号
头长度:4bit。随可变长度改变而改变
标志:6bit。对其他字段说明或对控制功能的标志
窗口:16bit。通知接收方还可以发送的数据字节数
校验和:16bit。传输层差错校验
紧急数据指针:16bit。标志字段为URG时,表示有紧急数据,紧急数据位于段的最开始
选项:可变长度
数据
校验和:不用时全部置为0
TCP端口和UDP端口
TCP
0-256常用端口
1-1023 IANA
1024-5000 临时端口
协议名称 | 协议内容 | 所使用的端口号 |
---|---|---|
FTP(控制) | 文件传输服务 | 21 |
FTP(数据) | 20 | |
TELNET | 远程登录 | 23 |
HTTP | 超文本传送协议 | 80 |
GOPHER | 菜单驱动解锁 | 70 |
SMTP | 简单邮件传送协议 | 25 |
POP3 | 接受邮件传送协议 | 110 |
UDP
协议名称 | 协议内容 | 所使用的端口号 |
---|---|---|
DNS | 域名解析服务 | 53 |
SNMP | 简单网络管理协议 | 161 |
QICQ | 聊天软件 | 8000 |
TFTP | 简单文件传输协议 | 69 |
比较建立连接三次握手和拆除连接三次握手
IP地址的分类和私有地址范围
A类地址:十进制 0.0.0.0~127.255.255.255
二进制 0 1-7 8-31
B类地址:128.0.0.0~191.255.255.255
二进制 10 2-15 16-31
C类地址:192.0.0.0~223.255.255.255
二进制 110 2-23 24-31
IANA-reserved private IPv4 network ranges Start End No. of addresses
24-bit block (/8 prefix, 1 × A) 10.0.0.0 10.255.255.255 16777216
20-bit block (/12 prefix, 16 × B) 172.16.0.0 172.31.255.255 1048576
16-bit block (/16 prefix, 256 × C) 192.168.0.0 192.168.255.255 65536
两台主机IP与子网掩码相与结果相同,则说明两台主机在同一个子网
域名DNS组成和解析原理
n级域名…二级域名.顶级域名
国家级域名,国际级域名,通用级域名
域名分:网络域名和主机域名
域名结构是层级树状结构
域名与IP地址无关,允许一台主机拥有多个不同的域名
电子邮件收发工作原理
SMTP连接和发送过程
POP3收发邮件过程
IMAP
WWW
通过HTTP协议链接起来的无数web服务器中的网络资源
HTTP TCP/IP应用层协议之一
URL 标识被操作的资源
FTP
文件传输服务软件
允许Internet上的用户将一台计算机上文件传输到另一台上
FTP匿名登录
Telnet
远程登陆服务协议
允许用户在一台联网的计算机上登录到一个远程分时系统中,然后像使用自己的计算机一样使用该远程系统
两种分配方式比较
广播信道分配策略
- 静态分配方式
频分多路复用和时分多路复用
- 动态分配方式
随机访问和控制访问
控制访问:轮转和预约
介质访问控制协议
比较纯ALOHA和时分ALOHA系统
争用协议
吞吐量和网络负载的关系
https://en.wikipedia.org/wiki/ALOHAnet#Pure_ALOHA
帧发送成功概率:
CSMA载波监听多路访问
与AKOHA协议主要不同是多一个载波监听装置
带冲突检测的CSMA(CSMA with collision detection)
当一个节点要发送数据时,首先监听信道;如果信道空闲时就发送数据,并继续监听;如果在数据发送过程中监听到冲突,则立刻停止数据发送,等待随机一段时间后,重新开始发送数据
无冲突协议
二进制倒计数协议
有限争用协议
局域网解决信道争用的两种控制方法
二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD
争用时隙长度确认为网络中最大传播时延的2倍
MAC和LLC作用
介质访问控制MAC(Medium Access Control)和逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)
MAC子层实现帧的寻址和识别
LLC子层负责处理诸如差错控制,流量控制等问题,保证数据的可靠传输
802标准系列
IEEE 802.3 MAC帧格式
前导码P:10101010
SFD:帧起始定界符 10101011
DA:2或6B。目的地址
SA:2或6B。源地址
LEN:2B。LLC帧长度字段,长度为0-1500B
PAD:填充字符
FCS:帧校验序列
总长度为64-1518B
环比特长度计算
不计接口延迟,数据帧的传输时延等于信号在环路上的传播时延时,该数据帧的比特数就是比特度量的环路长度
环比特长度 = 信号传播时延 * 数据传播速率 + 接口延迟位数
= 环路介质长度 * 5(us/km) * 数据传播速率 + 接口延迟位数
比较802.5和802.4及FDDI
特性 | FDDI | 802.5 |
---|---|---|
介质类型 | 光纤 | 屏蔽双绞线 |
数据速率 | 100Mbps | 4Mbps |
可靠性规范 | 4B/5B编码 | 差分曼彻斯特编码 |
编码效率 | 80% | 50% |
时钟同步 | 分布式时钟 | 集中式时钟 |
信道分配 | 定时令牌循环时间 | 接受完后产生新令牌 |
环上帧数 | 可多个 | 最多一个 |
FDDI帧格式
前导码P用以在收发双方实现时钟同步。发送站点以16个4bit空闲符号
起始定界符由2个4bitMAC非数据符号组成
帧控制字段FC格式为CLFFZZZZ,C表示同步帧还是异步帧,L表示地址2还是6B,FF表示LLC帧还是MAC控制帧,若为MAC帧最后4位ZZZZ表示控制帧状态
数据字段
帧检验序列FCS
结束定界符ED 2个MAC控制符号
帧状态字段FS用于返回地址识别,数据差错,数据复制
4B/5B编码5bit编码中至少有2位”1”,保证传输光信号至少2次跳变
高性能网络特点
无线局域网三种技术和标准
技术:IEEE 802.11无线局域网技术,红外(Infrared rays,Ir)端口技术和蓝牙(Blue Tooth)
IEEE 802.11标准集
分割 | 802.11 | 802.11b | 80211b+ | 802.11a | 802.11g |
---|---|---|---|---|---|
频率 | 2.4GHz | 2.4GHz | 5GHz | 2.4GHz | 2.4GHz |
带宽 | 2/1Mbps | 11/5.5/2/1Mbps | 22/11/5.5/2/1Mbps | 可达54Mbps | 可达54Mbps |
距离 | 100m | 100-300m | 100-300m | 5km-10km | 5-10km |
业务 | 数据 | 数据 图像 | 数据 图像 | 语音 数据 图像 | 语音 数据 图像 |
局域网操作提供的六大服务
比较三种分组交换技术
FR支持OSI下两层服务并提供部分的网络层技术
ATM交换的优点和特征
ATM网络使用固定长度信元作为传输的基本单位,固定长度的信元头部都可以简化ATM交换机的处理;ATM网络允许混合多种高质量的传输介质(双绞线,同轴电缆和单模/多模光纤),并且支持不同的传输速率(25Mbps,45Mbps,155Mbps,625Mbps);同时,噶质量的传输介质使得ATM网络可以简化差错控制和流量控制的处理,从而,提高网络(或者ATM交换机)的吞吐率
局域网和广域网的交换方式
局域网:Fast Ip,Net Flow
广域网:L3
VLAN意义和三大交换技术三大划分方法
意义:可以不受地理位置限制而像同一个局域网中那样进行数据通信。
交换技术:
划分方法:
四大互通方式
VPN的定义和特点和VPN使用的四种安全技术
定义:虚拟专用网
特点:
安全技术:
网络管理5项基本功能
网络安全性和完整性
五种网络安全机制