计算机网络期末复习

计算机通信网期末复习2009.06,第1章绪论,1.因特网发展的三个阶段,第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。第二阶段是形成三级结构网，即主干网、地区网和校园网（或企业网）。第三阶段从1993年开始，逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。,2.因特网的组成,从因特网的工作方式上看，可以划分为两大块：(1)边缘部分（用户直接使用的主机）(2)核心部分（包括网络和路由器）,3.三种交换方式的特点,ABCD,ABCD,ABCD,报文交换,电路交换,分组交换,t,报文,报文,报文,分组,分组,分组,4.ARPANET使计算机网络发生根本变化,早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网。分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。ARPANET成为第一个分组交换网，成为因特网的前身。,5.计算机网络的体系结构形成原因,计算机网络的复杂性、异质性复杂问题的解决方案分而治之！,6.五层协议的体系结构及其功能,应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer),数据链路层,5应用层,4运输层,3网络层,2数据链路层,1物理层,第2章物理层,1.物理层的基本概念,物理层的主要任务为确定传输媒体接口的特性：机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围等等。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,2.几种导向传输媒体,双绞线屏蔽双绞线STP无屏蔽双绞线UTP同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光缆,3.光纤的优点,通信容量非常大传输损耗小，中继距离长抗雷电和干扰性能好无串音干扰，保密性好体积小，重量轻,4.非导向传输媒体,短波通信微波接力通信卫星通信,第3章数据链路层,1.数据链路层的信道类型,数据链路层使用的信道主要有两种类型：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。,2.数据链路层的三个基本问题,(1)封装成帧在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧，其作用就是进行帧定界。(2)透明传输不允许数据和控制字符的比特编码一样。(3)差错控制避免在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。,3.点对点协议PPP,现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,4.CSMA/CD协议,B向D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有D接受B发送的数据,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，看是否有碰撞发生。,争用期,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延2称为争用期，或碰撞窗口，争用期的长度51.2m，64字节。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,1km,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,1km,A,B,T=2,t=0,单程端到端传播时延记为,无碰撞,t,某大学有三个系，各自有一个局域网,5.物理层扩展局域网集线器,三个独立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中,一系,三系,二系,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,6.数据链路层扩展局域网网桥,B2,B1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,7.以太网交换机扩展局域网,一系,三系,二系,10BASE-T,至因特网,100Mb/s,100Mb/s,100Mb/s,万维网服务器,电子邮件服务器,以太网交换机,路由器,10BASE-T,集线器工作在物理层，而网桥和交换机工作在数据链路层。集线器不能隔离冲突域，而网桥和交换机能隔离冲突域。集线器、网桥和交换机都不能隔离广播域。网桥连接的各个设备共享带宽，而交换机连接的各个设备独享带宽。,8.比较集线器、网桥和交换机,第4章网络层,1.网际协议IP,网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。与IP协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议ARP逆地址解析协议RARP网际控制报文协议ICMP网际组管理协议IGMP,网际层的IP协议及配套协议,各种应用层协议,网络接口层,(HTTP,FTP,SMTP等),物理硬件,运输层,TCP,UDP,应用层,ICMP,IP,RARP,ARP,与各种网络接口,网络层（网际层）,IGMP,物理层中继系统：转发器(repeater)。数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。网络层中继系统：路由器(router)。网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。网络层以上的中继系统：网关(gateway)。,2.网络互相的中间设备,3.分类IP地址,每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号host-id，它标志该主机（或路由器）。两级的IP地址可以记为：IP地址:=,(4-1),:=代表“定义为”,net-id24位,host-id24位,net-id16位,net-id8位,IP地址中的网络号字段和主机号字段,0,A类地址,host-id16位,B类地址,C类地址,0,1,1,D类地址,1110,多播地址,E类地址,保留为今后使用,1111,0,1,点分十进制记法,采用点分十进制记法则进一步提高可读性,1,12811331,将每8位的二进制数转换为十进制数,点分十进制中找出IP地址的分类,0127,128191,192223,224239,240255,ABCDE,几个特殊地址,网络号为00000000，表示网络地址，即“本网络”。网络号为01111111，即127，用作广播，即“环回测试”。,特殊地址之一：网络地址,网络号特定，主机号全0,,9,2,4,,9,2,4,特殊地址之二：直接广播地址,网络号特定，主机号全1,55,9,2,4,55,9,2,4,4.IP地址与硬件地址,TCP报文,IP数据报,MAC帧,应用层数据,首部,首部,尾部,首部,5.地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP,IP地址,物理地址,ARP,物理地址,IP地址,RARP,6.IP地址的必要性,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机H1,主机H2,路由器R1,IP层上的互联网,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器R2,IP数据报,7.硬件地址的必要性,C,D,A,E,以太网：CSMA/CD,B,数据部分,IP地址,数据部分,硬件地址,帧,IP数据报,划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。从主机号借用若干个位作为子网号subnet-id，而主机号host-id也就相应减少了若干个位。IP地址:=,(4-2),8.划分子网,例：10000011000011010010110011100010,9.子网掩码,145.13.,3.10,两级IP地址,子网号为3的网络的网络号,三级IP地址,主机号,子网掩码,net-id,host-id,子网的网络地址,0,net-id,subnet-id,host-id,145.13.,145.13.3,3.10,无分类的两级编址的记法是：IP地址:=,(4-3),10.CIDR无分类编址,例：/20,一个CIDR地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合，它使得路由表中的一个项目可以表示很多个（例如上千个）原来传统分类地址的路由。路由聚合也称为构成超网(supernetting)。CIDR虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（但不叫子网掩码）。对于/20地址块，它的掩码是20个连续的1。斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。,11.路由聚合（构成超网）,构成超网,前缀长度不超过23位的CIDR地址块都包含了多个C类地址。这些C类地址合起来就构成了超网。/21,100000000000111000100000000000001000000000001110001000010000000010000000000011100010001000000000100000000000111000100011000000001000000000001110001001000000000010000000000011100010010100000000,12.内部网关协议RIP,RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。RIP允许一条路径最多只能包含15个路由器。仅和相邻路由器交换信息。交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔30秒。,13.距离向量算法,收到相邻路由器（其地址为X）的一个RIP报文：(1)先修改此RIP报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址都改为X，并把所有的“距离”字段的值加1。(2)对修改后的RIP报文中的每一个项目，重复以下步骤：若项目中的目的网络不在路由表中，则把该项目加到路由表中。否则若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则把收到的项目替换原路由表中的项目。否则若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新，否则，什么也不做。(3)若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由器，即将距离置为16（距离为16表示不可达）。(4)返回。,R2,R1,R2,R1,网1出了故障,正常情况,11,116,15R2,12R1,12R1,这样不断更新下去，直到R1和R2到网1的距离都增大到16时，R1和R2才知道网1是不可达的。,这就是好消息传播得快，而坏消息传播得慢。网络出故障的传播时间往往需要较长的时间(例如数分钟)。这是RIP的一个主要缺点。,14.内部网关协议OSPF的特点,是分布式的链路状态协议。向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。,15.OSPF的其他特点,OSPF对不同的链路可根据IP分组的不同服务类型TOS而设置成不同代价。因此，OSPF对于不同类型的业务可计算出不同的路由。如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径，那么可以将通信量分配给这几条路径。这叫作多路径间的负载平衡。所有在OSPF路由器之间交换的分组都具有鉴别的功能，保证在可信赖的路由器之间交换信息。支持可变长度的子网划分和无分类编址CIDR。每一个链路状态都带上一个32位的序号，序号越大状态就越新。,OSPF还规定每隔一段时间，如30分钟，要刷新一次数据库中的链路状态。由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF协议比距离向量协议RIP好得多。OSPF没有“坏消息传播得慢”的问题，据统计，其响应网络变化的时间小于100ms。,OSPF的其他特点,第5章运输层,1.运输层功能：为应用进程提供了逻辑通信,54321,运输层提供应用进程间的逻辑通信,主机A,主机B,应用进程,应用进程,路由器1,路由器2,AP1,LAN2,WAN,AP2,AP3,AP4,IP层,LAN1,AP1,AP2,AP4,端口,端口,54321,IP协议的作用范围,运输层协议TCP和UDP的作用范围,AP3,2.端口,在运输层使用协议端口号(protocolportnumber)，或通常简称为端口(port)。虽然通信的终点是应用进程，但我们可以把端口想象是通信的终点，因为我们只要把要传送的报文交到目的主机的某一个合适的目的端口，剩下的工作（即最后交付目的进程）就由TCP来完成。,三类端口,熟知端口，数值一般为01023。登记端口号，数值为102449151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在IANA登记，以防止重复。客户端口号或短暂端口号，数值为4915265535，留给客户进程选择暂时使用。当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用。,3.UDP的主要特点,UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制。UDP是面向报文的。UDP没有拥塞控制，很适合多媒体通信的要求。UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。UDP的首部开销小，只有8个字节。,4.面向报文的UDP,发送方UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文。接收方UDP对IP层交上来的UDP用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。,5.TCP的主要特点,TCP是面向连接的运输层协议。每一条TCP连接只能有两个端点(endpoint)，每一条TCP连接只能是点对点的（一对一）。TCP提供可靠交付的服务。TCP提供全双工通信。面向字节流。,TCP面向流的概念,发送TCP报文段,发送方,接收方,把字节写入发送缓存,从接收缓存读取字节,应用进程,应用进程,18,17,16,15,14,H,加上TCP首部构成TCP报文段,TCP,TCP,字节流,字节流,H,表示TCP报文段的首部,x,表示序号为x的数据字节,TCP连接,6.TCP的连接,TCP把连接作为最基本的抽象。每一条TCP连接有两个端点。TCP连接的端点不是主机，不是主机的IP地址，不是应用进程，也不是运输层的协议端口。TCP连接的端点叫做套接字(socket)或插口。端口号拼接到(contatenatedwith)IP地址即构成了套接字。,套接字(socket),套接字socket=(IP地址:端口号)(5-1)每一条TCP连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。即：TCP连接:=socket1,socket2=(IP1:port1),(IP2:port2)(5-2),7.停止等待协议,(a)无差错情况,A,发送M1,确认M1,B,发送M2,发送M3,确认M2,确认M3,A,发送M1,B,超时重传M1,发送M2,确认M1,丢弃有差错的报文,(b)超时重传,t,t,t,t,8.连续ARQ协议,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,(a)发送方维持发送窗口（发送窗口是5）,发送窗口,9.流量控制,一般说来，我们总是希望数据传输得更快一些。但如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丢失。流量控制(flowcontrol)就是让发送方的发送速率不要太快，既要让接收方来得及接收，也不要使网络发生拥塞。利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现流量控制。,seq=1,DATA,seq=201,DATA,seq=401,DATA,seq=301,DATA,seq=101,DATA,seq=201,DATA,seq=501,DATA,ACK=1,ack=201,rwnd=300,ACK=1,ack=601,rwnd=0,ACK=1,ack=501,rwnd=100,A,B,允许A发送序号201至500共300字节,A发送了序号101至200，还能发送200字节,A发送了序号301至400，还能再发送100字节新数据,A发送了序号1至100，还能发送300字节,A发送了序号401至500，不能再发送新数据了,A超时重传旧的数据，但不能发送新的数据,允许A发送序号501至600共100字节,A发送了序号501至600，不能再发送了,不允许A再发送（到序号600为止的数据都收到了）,丢失！,流量控制举例,A向B发送数据。在连接建立时，B告诉A：“我的接收窗口rwnd=400（字节）”。,9.TCP的拥塞控制,在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏产生拥塞(congestion)。出现资源拥塞的条件：对资源需求的总和可用资源(5-7)若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。,10.拥塞控制与流量控制的关系,拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。,11.几种拥塞控制方法,慢开始拥塞避免快速重传快速恢复,22,16,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,当TCP连接进行初始化时，将拥塞窗口置为1。图中的窗口单位不使用字节而使用报文段。,慢开始门限的初始值设置为16个报文段，即ssthresh=16。,“乘法减小”,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,0,0,4,8,12,20,24,拥塞窗口cwnd,新的ssthresh值,网络拥塞,指数规律增长,ssthresh的初始值,慢开始,慢开始,慢开始,拥塞避免“加法增大”,拥塞避免“加法增大”,传输轮次,快重传举例,发送方,接收方,发送M1,确认M1,t,确认M2,发送M2,发送M3,发送M4,？,发送M5,发送M6,重复确认M2,重复确认M2,重复确认M2,t,发送M7,丢失,24,快恢复,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,传输轮次,拥塞窗口cwnd,收到3个重复的确认执行快重传算法,慢开始,“乘法减小”,拥塞避免“加法增大”,TCPReno版本,TCPTahoe版本(已废弃不用）,ssthresh的初始值,拥塞避免“加法增大”,新的ssthresh值,慢开始,快恢复,12.TC