考研计算机网络讲义

考研计算机网络第60页共61页考查目标掌握计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法；掌握计算机网络的体系结构和典型网络协议，了解典型网络设备的组成和特点，理解典型网络设备的工作原理；能够运用计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法进行网络系统的分析、设计和应用。Roadmap第1部分：

计算机网络体系结构内容提要计算机网络概述计算机网络的概念、组成与功能计算机网络的分类计算机网络与互联网的发展历史计算机网络的标准化工作及相关组织计算机网络体系结构与参考模型计算机网络分层结构计算机网路协议、接口、服务等概念ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型1.1计算机网络的基本概念计算机网络的定义计算机网络的概念与主从式计算机系统的区别与分布式计算机系统的区别1.1.1计算机网络的定义定义：由自主计算机互联起来的集合体。解释点：自主计算机互联集合体自主（autonomous)计算机由硬件和软件两部分组成，完整地实现计算机的各种功能。互联（Interconnected）计算机之间实现相互通信集合体（Collection）所有使用通信线路及互联设备连接起来的自主计算机的集合。1.1.2与主从式计算机系统的区别计算机网络每台计算机具有独立的操作系统，不从属于某台主机。主从式计算机系统许多终端（或前端处理机）与一台主机相连，由主机控制从属机。1.1.3与分布式计算机系统的区别分布式计算机系统中“存在着一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务所需要的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。”计算机网络为分布式系统的研究提供了技术基础，而分布式系统是计算机网络技术发展的高级阶段。分布式计算机系统1.1.4计算机网络的组成硬件计算机（主机）：个人计算机、大型计算机、客户机（client）或工作站（workstation)、服务器（server），称为端系统；通信设备（中间系统）：交换机和路由器等，为主机转发数据。接口设备：网卡，modem等，是网络和计算机的接口传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线电和卫星链路等；软件通信协议：即传输规则，如TCP/IP等；应用软件：如www,EMAIL,FTP等。1.1.5计算机网络的功能共享资源访问万维网访问、远程登陆服务、网络文件访问远程用户通信电子邮件、IP电话、网络会议等网上事务处理电子商务、电子政务、电子金融、远程教育、远程医疗等1.2计算机网络的分类1.2计算机网络的分类几种不同的分类方法从网络的作用范围：局域网，广域网和城域网从网络的拓扑结构：总线网，环形网，星型网，树形网、网状网和混合网从网络使用的通信协议：TCP/IP，ATM,X.25,FDDI从网络的交换功能：电路交换网，分组交换网，帧中继网、信元交换（ATM）网从网络的传输媒体：双绞线网，光纤网，卫星网和无线网从网络的服务对象：企业网，校园网、园区网，政府网从网络的使用者：专用网和公共网从网络的应用性质：远程教育网、证券网、税务网分类方法中的重要因素传输技术距离尺度主要的传输技术广播式连接点到点连接传输技术——广播式传输技术——广播式通信过程只有一个通信信道，网络上所有的机器都共享该信道。在机器之间传递的是分组（packet），任何一个机器发送消息，都会被其他所有的机器接收到。在分组中有一个地址域，指明了该分组的目标接收者。一台机器收到分组后，它检查地址域。如果该分组正是发送给它的，则接受这个分组，否则就忽略该分组。通信种类广播（Boradcasting)多播（Multicasting）传输技术——点到点式（Point-to-point)通信过程整个网络由许多连接构成，每一个对应一对机器。在这种网络中，为了将分组从源端传送到目的地，该分组可能首先要经过一台或者多台中间机器。点到点的通信广播式VS点对点越是越小的、地理位置局部化的网络越是倾向于使用广播式传输方式；大的网络通常使用点到点传输模式。距离尺度1.2.1局域网局域网的特点覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求；提供高数据传输速率（10Mbps～10Gbps）、低误码率的高质量数据传输环境；一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展；从介质访问控制方法的角度，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。1.2.2城域网

城域网覆盖了一个城市。最著名的城域网的例子是有线电视网。城域网的特点城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络；IEEE制定了MAN标准－IEEE802.6，即分布式队列双总线（DBDQ）。迅速发展的以太网技术从LAN扩展到了MAN领域，千兆位、万兆位以太网是MAN可以使用的技术。WAN中使用的同步光纤网/同步数字分级结构SONET/SDH、波分多路复用WDM和异步传输模式ATM技术以及FDDI都应用于MAN中。1.2.3广域网

广域网的组成：主机通信子网（交换节点和传输线路）广域网的技术特点广域网也称为远程网；覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络；通信子网主要使用分组交换技术；它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。1.3计算机网络的发展历史是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA(AdvancedResearchProjectAgency)提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。传统的电路交换(circuitswitching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中只要有一个交换机或一条链路被炸毁，整个通信电路就会中断。如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。新型网络的基本特点网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。ARPANET的成功使

计算机网络的概念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各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。从主机为中心到以网络为中心因特网时代因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的而不是突然的。因特网发展的第一阶段第一个分组交换网ARPANET最初只是一个单个的分组交换网。ARPA研究多种网络互连的技术。1983年TCP/IP协议成为标准协议。同年，ARPANET分解成两个网络：ARPANET——进行实验研究用的科研网MILNET——军用计算机网络1983~1984年，形成了因特网Internet。1990年ARPANET正式宣布关闭。因特网发展的第二阶段1986年，NSF建立了国家科学基金网。NSFNET。它是一个三级计算机网络：主干网地区网校园网1991年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。1993年因特网主干网的速率提高到45Mb/s（T3速率）。三级结构的因特网各网络之间需要使用路由器来连接。有时在结构图中可不画出路由器。三级结构的因特网主机到主机的通信可能要经过多种网络。因特网发展的第三阶段从1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的ISP网络所代替。1994年开始创建了4个网络接入点NAP(NetworkAccessPoint)，分别由4个电信公司经营。NAP就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的NAP的数量已达到十几个。从1994年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。多级结构的因特网主机到主机的通信可能经过多种ISP。internet与Internetinternet是普通名词泛指一般的互连网（互联网）Internet是专有名词世界范围的互连网（互联网），推荐译名“因特网”使用TCP/IP协议族前身是美国的阿帕网ARPANET1.4因特网的标准化工作制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段因特网草案(InternetDraft)——在这个阶段还不是RFC文档。建议标准(ProposedStandard)——从这个阶段开始就成为RFC文档。草案标准(DraftStandard)因特网标准(InternetStandard)各种RFC之间的关系1.5网络的体系结构多个物理网络为什么可以互连成为一个协调得很好的系统？互联网协议怎样在这种环境中发挥作用？应用程序怎样使用最终得到的系统？学习要求：掌握：网络体系结构的层次化研究方法；掌握：协议、层次、接口与网络服务概念；理解：目前网络互连的最佳思想和方法；理解：网络通信的实际过程。1.5.1一个分层通信例子层（layer）使用了信息隐蔽、抽象数据类型以及面向对象的设计方法；目的是向上层提供服务，上层可以使用其提供的服务，但对于其内部的状态和算法不可见。服务（Service)下层（n-1层）向上层（n层）提供的功能，方向是垂直的。协议（protocol）对等层关于如何进行通信的一种规则约定，是对该层功能如何实现的一种定义。接口（interface）存在于每一对相邻层之间的临界处，下层通过接口向上层提供服务。1.5.2设计局域网（LAN）的网络层次结构已知条件：现有若干台自主计算机（其上运行了想进行网络通信的应用程序）提供了共享型的传输介质，可采取广播式的传输方式。要求：不能更改计算机中固有的硬件设计可以增加新的硬件及其驱动程序、对应插槽求解：设计广播式的局域网网络体系结构，实现通信两个应用层进行通信计算机之间能正确通信吗？设计一个数据链路层通信问题圆满解决了吗？再设计一个传输层增加一个硬件——网卡每台计算机都有一个识别自己的特定方法。从来不会有两个相同的物理地址。这个物理地址存储在网络接口卡或者NIC卡中，被称为介质存取控制地址或者MAC地址。出厂前，硬件制造商为每个NIC卡指定了一个物理地址。这一地址被编程写入NIC卡上的一个芯片中。网卡实现了数据链路层和物理层的功能。回过头来再看看…联网能够使用相同硬件的方法吗？联网能够使用统一的高级软件方法吗？分层技术的妙处？在局域网中，实际的通信过程是怎样的？设计广域网（WAN）的网络层次结构已知条件：现已存在了多种类型的局域网络；要求：不能更改现有局域网的设计；可以增加新的硬件或设备求解：设计广域网的体系结构，实现局域网之间的互通。分层的好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)传输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)应用层(applicationlayer)概念总结：实体、协议、服务

和服务访问点实体(entity)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，还需要使用下层所提供的服务。实体、协议、服务

和服务访问点（续）本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。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。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。实体、协议、服务

和服务访问点（续）1.5.3服务的类型面向连接服务(connection-oriented)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。（电话网络服务模型）无连接服务(connectionless)两个实体之间的通信不需要先建立好连接。每个报文都携带了完整的目标地址，因此可以被系统独立地路由。（邮政网络服务模型）1.6参考模型OSIVSTCP/IPOSI

（OpenSystemsInterconnection）OSI参考模型各层的功能物理层的主要功能：利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；物理层的数据传输单元是比特。数据链路层的主要功能：在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；传输以“帧”为单位的数据包；采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。网络层的主要功能：通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。传输层的主要功能：可提供可靠端到端（end-to-end）服务；处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。会话层的主要功能：负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点-点传输不中断；管理数据交换。表示层的主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换；数据加密与解密；数据压缩与恢复。应用层的主要功能:为应用程序提供了网络服务;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。TCP/IP主机至网络层（网络接口）TCP/IP参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报;允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，例如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等;当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时，就可以认为是这一层的内容;充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性，它也为TCP/IP的成功奠定了基础。互连网层（网络层）相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；IP协议是一种无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。传输层主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。应用层网络终端协议Telnet文件传输协议FTP简单邮件传输协议SMTP域名系统DNS简单网络管理协议SNMP超文本传输协议HTTPTCP/IP协议栈OSI与TCP/IP

体系结构的比较计算机网络

第2部分物理层内容提要2.1数据通信的基础知识 2.1.1数据通信系统的模型和相关术语 2.1.2数据通信系统的性能指标 2.1.3数据的传输方式 2.1.4调制解调技术 2.1.5编码解码技术2.2交换的概念2.3传输介质2.4物理层设备2.4.1中继器 2.4.2集线器本部分要解决的本质问题：计算机产生的数据在什么样的介质上（机械），以什么方式（电气），如何有序的（时序）传输到另一台计算机上。2.1数据通信的基础知识

2.1.1数据通信系统的模型基本术语数据(data)——信息的实体。模拟数据：连续变化，如语音，温度等；数字数据：离散变化，如文字，整数等。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——连续变化的。“数字的”(digital)——取值是离散数值。基本术语信息数据的内容/内涵。信源——产生和发生信息的设备（计算机）。信宿——接收和处理信息的设备（计算机）。信道——用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。数字信道——采用数字信号传输数据的信道。模拟信道——采用模拟信号传输数据的信道。模拟的和数字的数据、信号基带(baseband)信号和

宽带(broadband)信号基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。这样由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段，因此合在一起后不会相互干扰，从而可以在一条电缆中同时传送许多路的数字信号，提高利用率。2.1.2数据通信系统的性能指标在信道上传输数据时有什么样的限制？数据通信系统的性能指标时延和时延带宽积信息传输速率和码元传输速率1.时延（delay)指一个数据块（帧、分组、报文段）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间.发送时间=数据块长度/信息传输速率传播时延＝信道长度/电磁波在信道上的传播速率转发时延：中间结点转发数据引起的时延。总时延＝发送时间＋传播时延＋转发时延。时延带宽积时延带宽积＝传播时延×带宽（比特/秒）例如：某一链路的传播时延＝500us；带宽＝100M/s,时延带宽积＝50000比特表明发送的第一个比特到达终点时，发送端已经发出了50000个比特，充满整个链路。对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到充分的利用。RTT（往返时延）RTT：从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。2.“压迫”信号的三座大山信号传输期望的理想信号：时延：transmissiondelay衰减:attenuation噪声:noise傅立叶分析任何正常的周期为T的函数g(t),都可以由（无限个）正弦和余弦函数合成。f=1/T为基频（基波）an为正弦函数n次谐波的振幅；bn为余弦函数n次谐波的振幅。例子：（1）带宽（bandwidth）的概念数字信号的传输可以看成是无限个傅立叶分量构造成的信号在信道中传输。传输的质量主要受衰减、失真等因素影响。但实际上，所有的传输设施对于不同的傅立叶分量的影响并不相同，因此会导致信号变形。在传输过程中，振幅不会明显减弱的这一段频率范围称为带宽。（2）信息传输速率在计算机网络中，每秒传输的编码前数字数据的二进制比特数，单位为比特/秒，即b/s，又称为比特率。通常所说的100兆的以太网其信息传输速率就是100M/s，这里包括传输的净荷以及为控制传输所附加的信息。（3）码元传输速率码元：一个离散信号（电压）状态或信号事件码元传输速率B（信号速率、调制速率）定义：每秒传输的码元数单位：波特（Baud)3.信道的最高码元传输速率任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重奈氏(Nyquist)准则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。要强调以下两点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上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（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。要注意信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mnb/s。码元VS比特码元传输速率B（信号速率、调制速率）定义：每秒传输的码元数单位：波特（Baud)信息传输速率S（数据传输速率）定义：每秒传输的比特数单位：比特/秒（bps、b/s、bit/s）两者的关系：S＝B×log2V(bps)V：一个码元所取得有效离散值个数4.信道的极限信息传输速率香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Hlog2(1+S/N)b/sH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。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。奈氏准则和香农公式

在数据通信系统中的作用范围2.1.3数据的传输方式单工、全双工和半双工传输串行和并行通信单工、全双工和半双工单工传输：在一个单一不变的方向上进行信息传输的通信方式，只有一个方向不变的单向信道连接了两个设备。半双工传输：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。全双工传输（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。两设备之间存在两条不同方向的信息传输通道，可以同时在两个方向上传输数据。串行通信和并行通信2.1.4调制解调技术研究数字数据在模拟信道中传输的方法：调制：数字数据模拟化的方法；解调：将已调制的信号还原为原来的数字数据。调制解调器的作用调制解调器(modem)包括：调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在300~3400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。调制解调器的作用（续）调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。几种最基本的调制方法最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。对基带数字信号的几种调制方法调制解调器的速率目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。2.1.5编码解码技术计算机网络中使用最普遍的还是基带传输方式。基带传输必须将数字数据进行线路编码再进行传输，到了接收端再解码，还原原有的数据2.2交换的概念报文交换、电路交换和分组交换电报网和报文交换电报网的定义：文本信息＋二进制编码＋数字传输＋报文交换；报文交换的关键技术：编址路由存储转发电话网和电路交换两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。更多的电话机互相连通5部电话机两两相连，需10对电线。N部电话机两两相连，需N(N–1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。使用交换机当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。“交换”的含义在这里，“交换”(switching)的含义是：转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接电路交换传送计算机数据效率低计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。分组从A传送到B的过程主机和结点交换机的作用不同主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。分组交换的优点高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。分组交换带来的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。分组交换与电路交换的比较是否建立呼叫连接是否有专门的物理路径每个分组是否沿着相同的路径是否有序到达冗余性预留带宽能力拥塞的时间点是否有带宽浪费存储转发透明性收费方法三种交换的比较分组交换网络：数据报与虚电路数据报网络:分组中的目的地址决定下一跳在会话中路由可以变化类比:驾车，询问方向虚电路网络:每个分组携带标签(虚电路ID)，标签决定下一跳固定的路径在呼叫建立时决定，在呼叫期间保持不变路由器保持每呼叫状态2.3传输介质有导向的传输介质无线传输介质物理层下面的传输媒体2.3.1导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光纤各种电缆主要特点：结构简单，容易安装，普通UTP较便宜。有一定的传输速率。信号随距离衰减较大，传输距离受限。有辐射，容易被窃听。主要应用场合：室内网络终端或工作站的连接。实现星型或总线型的网络结构。同轴电缆主要特点：频带较宽，传输率较高。损耗较低，传输距离较远。辐射低，保密性好，抗干扰能力强。宽带电缆可实现多路复用传输。主要应用场合：计算机联网时，室内用细缆，室外用粗缆。应用于多路复用传输和各种拓扑结构。光纤光线在光纤中的折射光纤的工作原理多模光纤与单模光纤光纤网络2.3.2无线传输介质无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信2.4物理层设备中继器集线器中继器中继器：又叫重发器，是实现相同类型和结构的局域网互连的设备，是一种信号再生设备。作用：当信号通过传输介质传输时，会产生衰减和失真，当达到一定距离时，信号就会丢失，中继器的作用就是从一段电缆上接收信号，将该信号放大后向另一段电缆继续发送。集线器集线器：集线器（HUB）是一个中心控制点，将需要连网的计算机都通过网卡、传输介质与HUB相连，则可以把这些计算机互连在一起。作用：将局域网内的多台计算机互连起来。计算机网络第3部分数据链路层DataLinkLayer内容提要3.1数据链路层的基本功能3.2差错检测和纠正3.3可靠传输机制 3.3.1完全理想化的单工传输 3.3.2停-等协议 3.3.3实用的停-等协议 内容提要 3.3.4滑动窗口协议 3.3.5后退N帧滑动窗口协议 3.3.6选择重传滑动窗口协议3.4介质访问控制3.4.1信道分配问题 3.4.2多路随机访问协议 3.4.3轮流协议内容提要3.5局域网3.5.1局域网的基本概念与体系结构 3.5.2以太网 3.5.3无线局域网 3.5.4令牌环网内容提要3.6广域网3.6.1广域网的基本概念 3.6.2点对点协议PPP 3.6.3HDLC协议 3.6.4ATM网络基本原理3.7数据链路层设备3.1数据链路层的基本功能链路(link)：一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。数据链路(datalink)：协议＋链路。基本概念结点（node）：网络中的主机（host）和路由器（router）称为结点端到端（endtoend）：从源结点（sourcenode）到目的结点（destinationnode）的通信称为端到端通信，通信路径（path）可能由多个链路组成。点到点（pointtopoint）：在相邻结点间的一条链路上的通信称为点到点通信。数据链路层的主要功能（1）向网络层提供服务接口（2）帧定界/组帧/帧同步（3）差错控制（4）流量控制（5）向帧中插入地址或协议控制信息3.1.1为网络层提供的服务无确认的无连接的服务适用于误码率很低的通信信道，或实时通信；有确认的无连接的服务适用于误码率很高的通信信道，如无线通信；有确认的面向连接的服务适用于通信要求较高（可靠性、实时性）的情况。3.1.2组帧组帧：将原始的比特流分解到若干离散的“段”中。常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。组帧的方法字符计数法带字符填充的首尾字符定界法带位填充的首尾标记定界法物理层编码违例法组帧的方法（1）字符计数法在帧头中用一个域来表示整个帧的字符个数缺点：若计数出错，对本帧和后面的帧有影响组帧的方法（2）带字符填充的首尾字符定界法组帧的方法（3）带位填充的首尾标记定界法帧的起始和结束都用一个特殊的位串“01111110”，称为标记(flag)“0”比特插入删除技术组帧的方法（4）物理层编码违例法只适用于物理层编码有冗余的网络802LAN：曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码用high-lowpair/low-highpair表示1/0，high-high/low-low不表示数据，可以用来做定界符。3.2差错检测和纠正差错控制的基本方式反馈纠错在接收端能发现差错，但不能确定错码的位置，通过反馈信息请求发送端重发，直到接收端肯定确认为止。适用于双工通信和非实时通信系统。前向纠错在接收端不仅能发现错码，而且还能确定错码的位置，并纠正错误。适用于单工通信和实时通信系统。混合纠错少量差错在接收端自动纠正，若超出自行纠正能力时，通过反馈信息请求发送端重发。计算纠错码的冗余位数要求：m个信息位，r个校验位，纠正单比特错；（m+r=n）对2m个有效信息中任何一个，有n个与其距离为1的无效码字，因此有：(n+1)2m2n利用n=m+r，得到(m+r+1)2r。给定m，利用该式可以得出校正单比特误码的校验位数目的下界如何纠正突发性错误3.3可靠传输机制如何设计数据链路层的协议？3.3.1完全理想化的单工传输完全理想化的数据传输

所基于的两个假定3.3.2停-等协议现在去掉上述的第二个假定。但是，仍然保留第一个假定：主机A向主机B传输数据的信道仍然是无差错的理想信道。然而现在不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。简单的停等协议

(ASimplexStop-and-WaitProtocol)增加约束条件：接收方不能无休止接收。解决办法：接收方每收到一个帧后，给发送方回送一个响应。两种情况的对比（传输均无差错）具有最简单流量控制的

数据链路层协议算法帧的编号问题任何一个编号系统的序号所占用的比特数一定是有限的。因此，经过一段时间后，发送序号就会重复。序号占用的比特数越少，数据传输的额外开销就越小。实用的停-等协议停止等待协议的算法(2)这里不使用否认帧（实用的数据链路层协议大都是这样的），而且确认帧带有序号n。停止等待协议ARQ的优缺点优点：比较简单。缺点：通信信道的利用率不高，也就是说，信道还远远没有被数据比特填满。为了克服这一缺点，就产生了另外两种协议，即连续ARQ(GOBACKN)和选择重传ARQ。3.3.4 滑动窗口协议单工——>全双工设备改造成全双工工作模式；线路合并，两条线路－>一条线路；数据帧和应答帧在一个信道上传输；捎带/载答（piggybacking）：暂时延迟待发确认，以便附加在下一个待发数据帧的技术。优点：充分利用信道带宽，减少帧的数目意味着减少“帧到达”中断；缺点：带来的问题：复杂。 一比特滑动窗口协议协议特点可进行数据双向传输，信息帧中可含有确认信息（piggybacking技术）；信息帧中包括两个序号域：发送序号和接收序号（已经正确收到的帧的序号）工作过程协议：问题仍旧相同能保证无差错传输，但是基于停等方式；若双方同时开始发送，则会有一半重复帧；效率低，传输时间长。滑动窗口的概念发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口。发送窗口用来对发送端进行流量控制。发送窗口的大小WS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。接收端设置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允许将该数据帧收下。若接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。在连续ARQ协议中，接收窗口的大小WR=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。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。同时发送对该帧的确认。滑动窗口的重要特性只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。收发两端的窗口按照以上规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。当发送窗口和接收窗口的大小都等于1时，就是双工的停止等待协议。3.3.5后退N帧协议（GoBackN）为提高传输效率而设计，例如：卫星信道传输速率50kbps，往返传输延迟500ms，若传1000bit的帧。使用停等协议，则传输一个帧所需时间为：发送时间+信息信道延迟+确认信道延迟（确认帧很短，忽略发送时间）=1000bit/50kbps+250ms+250ms=520ms信道利用率=20/5204%后退N帧协议（GBN）一般情况，信道带宽b比特/秒，帧长度L比特，往返传输延迟R秒，则信道利用率为(L/b)/(L/b+R)=L/(L+Rb)结论传输延迟大，信道带宽高，帧短时，信道利用率低。解决办法连续发送多帧后再等待确认，称为流水线技术（pipelining）。带来的问题信道误码率高时，对损坏帧和非损坏帧的重传非常多GBN协议实现分析事件驱动Network_layer_ready（内部事件）发送帧（帧序号，确认序号，数据）Frame_arrival（外部事件）检查帧序号，落在接收窗口内则接收，否则丢弃；检查确认序号，落在发送窗口内则移动发送窗口，否则不做处理。Cksum_err（外部事件）丢弃timeout（内部事件）退后n帧重传计时器处理启动，发送帧时启动停止，收到正确确认时停止超时则产生timeout事件3.3.6选择重传协议(SelectiveRepeat)选择重传的最大窗口Ws+Wr<=2nWs>=WrWs,Wr<=2n-1 发送窗口Ws与接收窗口Wr的关系IfWs＞1,Wr=1,then滑动窗口协议=GBNIfWs＞1,Wr＞1,then滑动窗口协议=SRIfWs=1, then滑动窗口协议=停-等式可靠传输小结通过确认和重传机制传输层协议，如TCP，也提供可靠传输服务链路层的可靠传输服务通常用于高误码率的连路上，如无线链路。3.4介质访问控制多路访问通信模型介质访问控制回顾对等协议（ARQ协议）作用：传输用户信息块重心：是传输过程中帧的丢失、延时和重新排序。参与者：仅是两个对等进程的交换。介质访问控制协议（MAC协议）作用：传输用户信息块重心：传输过程中来自其他用户的干扰参与者：需要同一个广播式网络中所有MAC协议实体的协调动作。3.4.1信道分配问题静态划分信道频分复用时分复用波分复用码分复用动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。 频分复用波分复用WDM波分复用就是光的频分复用。码分复用(CDMA)用于几种无线广播信道中(蜂窝,卫星等)标准独特的”编码“分配给每个用户;即编码集合分割所有用户共享相同频率，但每个用户具有自己的”码片速率“序列(即编码)以对数据编码编码信号=(原始数据)X(码片速率序列)解码:编码的信号和码片速率序列的内积允许多个用户”共存“并以最小的干扰同时传输(如果编码是“正交的”)CDMA编码/解码CDMA:两个发送方的干扰动态分配信道的方法3.4.2多路随机访问协议1.ALOHA纯ALOHA一个帧成功发送的条件纯ALOHA的效率分析纯ALOHA的效率分析时隙ALOHA时隙ALOHA的效率分析2.载波监听多路访问协议电磁波在总线上的

有限传播速率的影响当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。重要特性使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。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（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。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。3.4.3“轮流”协议信道划分MAC协议:在高负载时高效、公平地共享信道低负载时低效：信道访问中延时，当1个活跃节点时，甚至仅有分配了1/N带宽!随机访问MAC协议低负载时有效：单个节点能够全面利用信道高负载：碰撞开销“轮流”协议兼有这方面的优点!“轮流”MAC协议轮询:主节点“邀请”从节点依次传输关注问题:轮询开销时延单点故障(主节点)3.5局域网LAN典型拓扑结构IEEE802参考模型（一）IEEE802参考模型（二）802参考模型定义了NIC通过物理介质访问和传输数据的方式，其中包括连接、维护和断开网络设备等。802参考模型只相当于网络的最低两层。IEEE802标准文本公布后，ISO已将其作为局域网的国际标准。IEEE802标准仍在不断发展和完善之中，其中有些标准还可能会有变化。IEEE802标准的主要内容（一）802.1A：概述、体系结构802.1B：寻址、网络互连以及网络管理和性能测量802.2：逻辑链路控制802.3：CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规约802.4：令牌总线网的MAC子层和物理层的规约802.5：令牌环网的MAC子层和物理层的规约802.6：城域网的MAC子层和物理层的规约802.7：宽带技术802.8：光纤技术802.9：综合话音数据局域网IEEE802标准的主要内容（二）802.10：局域网的安全性802.11：无线局域网标准802.12：高速局域网 (100Mb/s的100BaseVG-AnyLAN)802.13：未使用802.14：有线电视（Cable-TV）CableModem标准802.15：无线个人区域网WPAN (wirelesspersonalareanetwork)802.16：宽带无线标准802.1-802.6之间的关系3.5.2 以太网传统以太网的连接方法以太网MAC子层协议二元指数类型退避算法以太网的性能经典的拓扑结构总线型星型环形拓扑结构：总线型拓扑结构：星型拓扑结构：环形以太网技术的发展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：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆这样，以太网就有四种不同的物理层。以太网MAC层协议802系列标准两个标准DIXDIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE802IEEE的802.3标准。关系DIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网IEEE802.3参考模型为何分成两个子层IEEE的802系列局域网标准IEEE802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE802标准；IEEE802标准之间的关系以太网的MAC子层协议

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标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种48bit的“名字”称为“地址”，所以也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。网卡上的硬件地址网卡检查MAC地址网卡从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）两种不同的MAC帧格式常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIXEthernetV2标准IEEE的802.3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式。以太网V2的MAC帧格式以太网有最小帧长度的限制CSMA/CD最短有效帧长如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。强化碰撞当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送48比特的人为干扰信号(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。人为干扰信号无效的MAC帧数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列FCS查出有差错；数据字段的长度不在46~1500字节之间。有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。帧间最小间隔帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。二进制指数类型退避算法(truncatedbinaryexponentialtype)发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期2。定义参数k，k10，即k=Min[重传次数,10]从整数集合[0,1,…,(2k1)]中随机地取出一个数，记为r。重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。3.5.3无线局域网部分无线链路标准的特性无线网络的要素无线链路的特征不同于有线链路….衰减的信号强度：当无线电信号传播通过物质时，信号削弱(路径损失)来自其他源的干扰:标准的无线网络频率(如2.4GHz)由其他设备共享(如电话);设备(发动机)干扰多径传播:无线电信号反射离开物体，以稍微不同的时间到达目的地….使得通信跨越(甚至点对点)无线链路非常“困难”无线网络的特性多个无线发送方和接收方产生另外的问题(不同于多路访问):IEEE802.11802.11b2.4-5GHz无执照无线电频谱高达11Mbps广泛设置，使用基站802.11a5-6GHz范围高达54Mbps802.11g2.4-5GHz范围高达54Mbps对多路访问都使用CSMA/CA都具有基站和自组织版本802.11LAN体系结构802.11:信道,关联802.11b:2.4GHz-2.485GHz频谱划分为11个不同的频率的信道AP管理为AP选择频率可能干扰：信道能够与临近AP选择相同的信道!主机:必须与AP关联扫描信道，监听包括该AP的SSID和MAC地址的信标帧选择AP去关联可能执行鉴别通常运行DHCP以得到在AP子网中的IP地址IEEE802.11:多路访问避免碰撞:2+节点同时传输802.11:CSMA–在传输前感知不与其他节点正在进行的碰撞802.11:无碰撞检测!当传输时由于接收的信号变弱(衰退)，难以接收(感知碰撞)在任何场合不能感知所有碰撞：隐终端，衰退目标:避免碰撞:CSMA/C(ollision)A(voidance)IEEE802.11MAC协议:CSMA/CA802.11发送方1如果感知信道空闲则在DIFS后，传输整个帧(无碰撞检测)2如果感知信道忙，则启动随机回退时间定时器倒计时直到信道空闲当定时器超时传输如果无ACK,增加随机回退间隔跳转2802.11接收方-如果帧接收OK,在SIFS后返回ACK(由于隐终端问题，需要ACK)避免碰撞(续)思想:允许发送方“预约”信道，而不是数据帧的随机访问：避免长数据帧的碰撞发送方首先使用CSMA向AP传输小请求发送(RTS)分组(控制帧)RTS仍可能与其他碰撞(但它们较短)AP为响应RTS广播允许发送CTS(控制帧)RTS为所有站点听到发送方传输数据帧其他站点推迟传输碰撞避免:RTS-CTS交换802.11帧:编址H1停留在相同的IP子网中:IP地址能够维持相同交换机:哪个AP与H1关联?自学习:交换机将看到来自H1的帧并“记住”哪个交换机端口能被用于到达H13.5.4令牌环网令牌环网的组成干线耦合器（TrunkCoupleUnit）3.6广域网3.6.1广域网的基本概念广域网也称为远程网；覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络；通信子网主要使用分组交换技术；它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。3.6.2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。用户拨号入网的示意图PPP协议1992年制订了PPP协议。经过1993年和1994年的修订，现在的PPP协议已成为因特网的正式标准[RFC1661]。PPP协议有三个组成部分一个将IP数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)。网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)。PPP协议的帧格式PPP的帧格式和HDLC的相似。标志字段F为0x7E（符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E的二进制表示是01111110）。地址字段A只置为0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段C通常置为0x03。PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。PPP协议的帧格式PPP有一个2个字节的协议字段。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。若为0x8021，则表示这是网络控制数据。透明传输问题当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。字符填充法将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。不提供使用序号和确认

的可靠传输PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理。在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。PPP协议的工作状态当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。PPP协议的状态图3.6.3HDLC协议1974年，IBM公司推出了面向比特的规程SDLC(SynchronousDataLinkControl)。后来ISO把SDLC修改后称为HDLC(High-levelDataLinkControl)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO3309。CCITT则将HDLC再修改后称为链路接入规程LAP(LinkAccessProcedure)。不久，HDLC的新版本又把LAP修改为LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以LAPB叫做链路接入规程(平衡型)。3.6.4ATM网络基本原理1990’s/00高速的标准(155Mbpsto622Mbps及更高)宽带综合业务数字网体系结构目标：综合的、承载话音、视频和数据的端到端传输满足话音、视频的定时/QoS要求(对比因特网尽力而为模型)“下一代”电话：扎根在电话界的技术使用虚电路分组交换机(固定长度分组，称为“信元”)ATM体系结构适配层:仅在ATM网络的边缘数据分段/重装大致类比于因特网运输层ATM层:“网络层”信元交换机,选路物理层ATM:网络或链路层?印象:端到端传输:“ATM从桌面到桌面”ATM是一种网络技术事实:用于连接IP主干路由器“在ATM上传IP”ATM作为交换的链路层,连接IP路由器ATM适配层(AAL)ATM适配层(AAL):“适配”较高层(IP或纯粹的ATM应用程序)到下面的ATM层AAL仅存在端系统中，不在交换机中AAL层段(首部/尾部字段,数据)根据多个ATM单元分段类比:在多个IP分组中的TCP段ATM适配层(AAL)(续)AAL层的不同版本，取决于ATM服务类型:AAL1:对CBR(恒定比特率)服务,如电路仿真AAL2:对VBR(可变比特率)服务,如MPEG视频AAL5:对数据(如IP数据报)ATM层服务:跨越ATM网络传输信元类似于IP网络层与IP网络层非常不同的服务ATM层:虚电路VC传送:信元由从源到目的地VC承载在数据能够流动之前，建立呼叫，然后拆链每个分组携带VC标识符(不是目的地在源到目的地路径上的每台交换机为每条经过的连接维持“状态”链路、交换机资源(带宽、缓存)可能被分配给VC:得到电路类似的性能永久VC(PVCs)长期连接通常：IP路由器之间的“永久”路由交换VC(SVC)在每呼叫基础上动态地建立ATM物理层物理媒体相关(PMD)子层SONET/SDH:传输帧结构(像一个携带比特的容器);比特同步；带宽划分(TDM);几种速率:OC3=155.52Mbps;OC12=622.08Mbps;OC48=2.45Gbps,OC192=9.6GbpsTI/T3:传输帧结构(旧的电话层次结构):1.5Mbps/45Mbps无结构的:正如信元(忙/闲)3.7数据链路层设备网桥交换机在数据链路层上实现典型情况1：大型组织中的多个局域网最初由不同的部门建立，以满足各自特殊的需求，最终要求互连。各部门的局域网使用不同的网络层协议并配套他们需要的应用程序；局域网可能位于不同的建筑物内；局域网的类型可能不同。典型情况2：在一个大型的局域网中，存在下列情况：单个逻辑上的LAN碰撞域太大，需要分割切离；单个LAN的可靠性太差；单个LAN的安全性需要提升。用网桥（bridge）扩展局域网网桥工作在数据链路层。网桥根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口互连概况应用层：“转换”网关传输层：“转换”网关网络层：“路由”路由器数据链路层：“隔离”网桥和交换机物理层：“互通”集线器和中继器不同局域网之间的互连每一种LAN使用了不同的帧格式每一种LAN可能使用了不同的速率不同的LAN有不同的最大帧长度限制不同的LAN使用不同安全级别的方案不同的LAN使用的服务质量特性不同。网桥的处理本地的网络互连目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparentbridge)。“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。透明网桥是一种即插即用设备，其标准是IEEE802.1D。透明网桥的内部结构爱学习的网桥逆向学习＋扩散算法开始过滤了！逆向学习算法(1)从端口x收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站MAC地址。(2)如有，则查找出到此MAC地址应当走的端口d，然后进行(3)，否则转到(5)。(3)如到这个MAC地址去的端口d=x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口d转发此帧。(4)转到(6)。(5)向网桥除x以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。(6)如源站不在转发表中，则将源站MAC地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。(7)更新计时器。(8)等待新的数据帧。转到(1)。网桥在转发表中

登记以下三个信息站地址：登记收到的帧的源MAC地址。端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。生成树网桥为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子，透明网桥使用了生成树算法。生成树算法方法：让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生成树（SpanningTree)覆盖实际的拓扑结构。生成树保留原图的所有顶点，却丢弃一些边。构造生成树：每个网桥广播自己的ID号，ID号最小的桥称为生成树的根。每个网桥计算自己到根的最短路径，构造出生成树，使得每个LAN和桥到根的路径最短；当某个LAN或网桥发生故障时，要重新计算生成树；生成树构造完后，算法继续执行以便自动发现拓扑结构变化，更新生成树。构造生成树源选径网桥特点:由源站负责路由选择，路由信息放在发送的帧的首部(即把要经过的路径放在帧中，帧按该路径传送).选路方法:源站向目的站发送探测帧,该帧在LAN中沿所有可能路径传送,每个探测帧都记录下它所经过的路由,这些探测帧在到达目的站后，再沿各自的路由返回源站，由源站选择其中的最佳路由,作为发送帧中的路由信息。优点:网桥功能可以很简单，可以用最佳路由传送.缺点:源站计算路由费时,主机负担重.网桥和交换机1990年问世的交换式集线器(switchinghub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。交换机和网桥无法克服的问题：广播风暴瓶颈问题以太网交换机的特点以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，结合直通交换方式（cutthrough）使其交换速率很高。交换机的工作原理学习源地址丢弃本网端帧转发异网端帧广播未知帧独占传输媒体的带宽对于普通10Mb/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的N分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是10Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有N对端口的交换机的总容量为N10Mb/s。这正是交换机的最大优点。用以太网交换机扩展局域网第4部分网络层4.1网络层的功能4.2路由算法4.3IPv4IPv4分组IPv4地址与NAT子网络划分与子网掩码、CIDRARP、DHCP、ICMP协议4.4IPv64.5路由协议层次路由与自治系统域内路由与域间路由RIP路由协议OSPF路由协议BGP路由协议4.6IP组播4.7移动IP4.8网络层设备网络层：异构网络互连从发送主机到接收主机传输段在发送侧将段封装进数据报在接收侧，向运输层交付段网络层协议在每台主机、路由器中当IP数据报通过路由器时，路由器检查所有数据报首部字段关键的网络层功能转发:将分组从路由器的输入移动到适当的路由器输出路由:决定分组从源到目的地所采用的路由路由算法网络拥塞：网络性能曲线拥塞（Congestion）拥塞网络资源上有太多的分组时，将会导致网络性能下降。对资源需求的总和>可用资源资源：链路容量、交换节点中的缓存和处理机速度等。拥塞产生的原因低带宽线路多个输入对应一个输出节点缓冲容量太小结点处理机速度不高拥塞的策略：

决不只针对某个因素改善拥塞！！！若结点缓存容量太小，到达结点的分组无空间暂存；若增大结点缓存容量，而链路容量和处理机速度未提高，分组排队会很长，导致时延增大，可能因超时发送端进行重发，发出更多的分组，拥塞更加恶化；提高结点处理机速度，增大链路容量，故然可以改善这段的拥塞，但可能只是将瓶颈转移到其他地方。因此，针对某个因素的解决方案，只能对提高网络性能起到一定的好处，甚至仅仅是转移了影响性能的瓶颈。拥塞控制与流量控制的差别拥塞控制（congestioncontrol）需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是一个全局性过程，涉及主机、路由器等很多因素；流量控制（flowcontrol)与点到点的通信量有关，主要解决快速发送方与慢速接收方的问题，是局部过程，一般都是基于反馈进行控制的。拥塞和流量控制的区别拥塞控制所起的作用第4部分网络层4.1网络层的功能4.2路由算法4.3IPv4IPv4分组IPv4地址与NAT子网络划分与子网掩码、CIDRARP、DHCP、ICMP协议4.4IPv64.5路由协议层次路由与自治系统域内路由与域间路由RIP路由协议OSPF路由协议BGP路由协议4.6IP组播4.7移动IP4.8网络层设备路由算法理想的路由算法路由算法的分类路由路由算法的图论抽象:图中的节点是路由器图中的边是物理链路链路代价:时延，费用或拥塞等级距离向量算法Bellman-Ford方程(动态规划)定义dx(y):=从x到y最低费用路径的费用则dx(y)=min{c(x,v)+dv(y)}其中min对x的所有邻居Bellman-Ford例子距离向量算法基本思想:每个节点周期性的发送它自己的距离向量以估计到其邻居当节点x接收到来自邻居的新DV估计，它使用B-F方程更新其自己的DV:距离向量算法迭代、异步:每次本地迭代由下列引起:本地链路费用改变DV从邻居更新报文分布式:每个节点仅当其DV改变时通知邻居如果必要，邻居则通知它们的邻居距离矢量:链路费用变化链路状态路由算法Dijkstra算法所有节点知道网络拓扑、链路费用经“链路状态广播”完成所有节点具有相同信息从一个节点(源)到所有其他节点计算最低费用路径给出对这些节点的转发表迭代:k次迭代后，得知到k个目的地的最低费用路径概念:c(x,y):从节点x到y的链路费用;=∞如果不是直接邻居D(v):从源到目的地v路径费用的当前值p(v):从源到v沿路径的前任节点N‘:已知在最小费用路径中的节点集合Dijsktra算法Dijkstra算法:例子Dijkstra算法,讨论算法复杂性:n个节点每次迭代:需要检查所有节点w,不在N中n(n+1)/2对比:O(n2)更有效的实现是可能的:O(nlogn)可能振荡:如链路费用=承载流量的量LS和DV算法的比较报文复杂性LS:对n个节点，E条链路,发送O(nE)报文DV:仅在邻居之间交换收敛时间变化收敛速度LS:O(n2)算法要求O(nE)报文可能具有振荡DV:收敛时间变化可能有选路环路计数到无穷问题健壮性:如果路由器异常，将发生什么现象?LS:节点可能通告不正确的链路费用每个节点仅计算它自己的表DV:DV节点通告不正确的路径费用每个节点表能由其他人使用差错通过网络传播第4部分网络层4.1网络层的功能4.2路由算法4.3IPv4IPv4分组IPv4地址与NAT子网络划分与子网掩码、CIDRARP、DHCP、ICMP协议4.4IPv64.5路由协议层次路由与自治系统域内路由与域间路由RIP路由协议OSPF路由协议BGP路由协议4.6IP组播4.7移动IP4.8网络层设备IPv4分组的格式一个IP数据分组由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。IP分片和重新组装网络链路有MTU(最大传输长度)–最大可能的链路级帧不同的链路类型，不同的在网络中，大IP数据报被分割(“分段”)一个数据报变为几个数据报“重新装配”仅在最后目的地IP首部比特用于标识、排序相关段IP分片和重新组装IP数据报首部的可变部分IP首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。选项字段的长度可变，从1个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目。增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能，但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。IPv4地址在网络中有几种寻址方法？在网络中，存在两种寻址方法。现在已经了解了其中一种寻址方法的定义，那就是MAC地址