计算机网络 考前精讲.ppt

1、计算机网络（第 5 版）电子工业出版社 2007 年,谢希仁 编著,第 1 章 概述,主要内容 1.因特网的组成 边缘部分的两种通信方式 核心部分的分组交换、路由器 2.计算机网络的体系结构 分层、协议、协议数据单元PDU、封装（解封）,1.1 计算机网络在信息时代的作用,计算机网络向用户提供的最重要的功能：,连通性计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。 共享即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。,1.2 因特网概述,网络把许多计算机连接在一起。 因特网则把许多网络连接在一起。,1.3 因特网的组成,从因特网的工作方式上看，可以划

2、分为以下的两大块： (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的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。（又称资源子网） (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）。（又称通信子网）,分组交换网的示意图,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,路由器,主机,不同作用范围的网络 广域网 WAN (Wide Area Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 M

3、AN (Metropolitan Area Network) 个人区域网 PAN (Personal Area Network),1.5 计算机网络的分类,时延(delay 或 latency),传输时延（发送时延） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。,1.6 计算机网络的性能,时延(delay 或 latency),传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。,时延(delay 或 latency),处理时延 交换结

4、点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。,时延(delay 或 latency),数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：,总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延,四种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,在结点 A 中产生 处理时延和排队时延,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,计算题 在下图所示的采用“存储-转发”方式分组的交换网络中，所有链路的数据传输速度为100Mbps，分组大小为500B，其中分组头大小

5、20B，若主机H1向主机H2发送一个大小为480000B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送到H2接收完为止，需要的时间至少是ms？,1.7 计算机网络的体系结构1.7.1 计算机网络体系结构的形成,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。,分层的好处和弊端,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。 有些功能会在不同的层次中重复出现，产生了额外开销。,开放系统互连参考模型OSI/RM,1.7.

6、2 协议及体系结构,网络协议的组成要素,语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 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 事件实现顺序的详细说明。,1.7.3 五层协议的体系结构,应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer),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,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应

7、用进程数据先传送到应用层,加上应用层首部，成为应用层 PDU,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应用层 PDU 再传送到运输层,加上运输层首部，成为运输层报文,主机 1 向主机 2 发送数据,应用层(application layer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,主机 1,AP2,AP1,电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层,主机 2,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,我收到了 AP1 发

8、来的 应用程序数据！,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,1.7.4 协议特点（总结）,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。 协议必须把所有不利的条件事先都估计到，不能假定一切都是正常的和非常理想的。,1.7.5 TCP/IP的体系结构,应用层 运输

9、层 网际层 网络 接口层,主机A,主机B,路由器,网络 2,网络 1,应用层 运输层 网际层 网络 接口层,网际层 网络 接口层,4 3 2 1,路由器在转发分组时最高只用到网络层 而没有使用运输层和应用层。,第 2 章 物理层,主要内容 1.奈奎斯特定理及香农定理 2.信道复用技术 频分复用、时分复用、波分复用、码分复用,2.1 物理层的基本概念,物理层考虑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。 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 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

10、的范围。 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。,2.2 数据通信的基础知识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。,正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation),r,(r, ),可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。,由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16

11、个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。,举例,2.2.3 信道的极限容量,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,有失真，但可识别 失真大，无法识别,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）,发送信号波形,接收信号波形,奈奎斯特定理及香农定理,1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈奎斯特定理。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，

12、码元的传输速率的上限值。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。,奈奎斯特定理(Nyquist Theorem),这个定理给出了在不考虑噪声影响情况下最大数据传输速率的理论上限。如果传输系统使用K个信号电平，模拟带宽是W，奈奎斯特定理所阐明的以每秒位元数计算的最大数据速率C是： C=2Wlog2K 奈奎斯特定理给出的是一个实际无法达到的最大值。通信系统总是受到一些称为噪声的背景干扰所限制，而这些噪声使得通信系统不可能达到这种理论极限传输速率。,香农定理,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

13、的信道的极限、无差错的信息传输速率（即在噪声影响下传输系统所能达到的最大数据传输速率）。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s 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。 信噪比常用分贝(dB)作为度量单位。即：信噪比(dB) =10 log10(S/N)(dB),习题,在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是多少？（2009年考研选择题）,2.3 物理层下面的传输媒体,无线电,微波,红外线,可见光,

14、紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅 无线电,调频 无线电,海事 无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移动 无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,2.3.1 导向传输媒体,双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded

15、 Twisted Pair) 绞合：可减少对相邻导线的电磁干扰,共享信道,2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing),用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

16、,时分复用TDM(Time Division Multiplexing),时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 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。,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm

17、 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing),波分复用就是光的频分复用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing),常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 每个

18、站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。,码片序列的正交关系,令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,(2-3),任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,正交关系的另一个重要特性,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号

19、Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx + Tx,规格化内积 S Sx,规格化内积 S Tx,数据码元比特,发 送 端,接 收 端,本章习题,P62 2-16,第 3 章 数据链路层,主要内容 1.数据链路层三个基本问题：封装成帧、透明传输、 差错检测 2.CSMA/CD 协议 3.在数据链路层扩展以太网（网桥的自学习和转发算法）,数据链路层,数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： 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,3.1.2

20、 三个基本问题,(1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错检测,3.1 使用点对点信道的数据链路层,3. 差错检测冗余码的计算举例,现在 k = 6, M = 101001。 除数 P = 1101，n = 3。 被除数是 2nM = 101001000。 模 2 运算的结果是：商 Q = 110101， 余数 R = 001。 把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。,110101 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1101 1110 1101 0111

21、 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数)，作为 FCS,3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点,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-Point Protocol)。 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。,3. PPP 协议的组成,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。 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 一套网络控制协议 NCP (Network Con

22、trol Protocol)。,3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。,MAC子层协议,MAC子层协议是针对多个结点争用传输媒体而制定的控制协议。 MAC子层协议的核心是媒体访问控制方法，它要解决3个基本问题： 应该由哪个结点发送数据？ 发送时是否会出现冲突

23、？ 出现冲突怎么办？,适配器的作用,网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 适配器的重要功能： 进行串行/并行转换。 对数据进行缓存。 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 实现以太网协议。,3.3.2载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。,多点接入与载波监听,“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

24、机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,碰撞检测,“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。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即

25、停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,1 km,A,B,t,t = 0,单程端到端 传播时延记为,传播时延对载波监听的影响,1 km,A,B,t,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端 传播时延记为,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。 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，

26、在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。,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。,3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑,这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub),集线器,两对双绞线,站点,RJ-45 插头,星形网 10BASE-T,不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 集线器使用

27、了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。,3.4.3 以太网的 MAC 层1. 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。 48位MAC地址,在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 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，并不是向所有的接口转发此帧，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接口,3.5 扩展的局域网在数据链路层扩展局域网,若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网

28、桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。 网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。 在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。,透明网桥网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表,地址 接口,转发表的建立过程举例,B2,B1,A,B,C,D,E,F,1,2,1,2,地址 接口,在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。 这是因为以太网的拓扑可能经常会发

29、生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。 把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。,网桥在转发表中登记以下三个信息,网桥的自学习和转发帧的步骤归纳,网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。 转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。 如有，比较转

30、发表中给出的接口、该帧进入网桥的接口。若不一致，则按转发表中给出的接口进行转发。若一致，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。,这是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,局域网 2,局域网 1,网桥 2,网桥 1,A,F,不停地 兜圈子,A 发出的帧,网络资源白白消耗了,请密切注意网桥1和网桥2转发表的变化,本章习题,P105-107 3-08、3-20、3-32,本章最重要的内容,(1) 虚拟互连网络的概念 (2) IP 地址与物理地址的关系 (3) 传统的分类的 IP 地址（包括子网掩码）和无分类域间路由选择 CIDR (4) 路由选择协议的工作

31、原理,第 4 章 网络层,4.1 虚电路服务与数据报服务的对比,4.2 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 (Address Resolution Protocol) 逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol) 网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) 网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol),4.2.2 分类 IP 地址

32、,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 := , ,:= 代表“定义为”,net-id 24 位,host-id 24 位,net-id 16 位,net-id 8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id 16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,网络号 A类 网络号为

33、全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”。 网络号为127用作本地软件环回测试本主机的进程之间的通信。 B类 网络地址128.0.0.0是不指派的。 C类 网络地址192.0.0.0是不指派的。 主机号 全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址。 全1的主机号字段表示该网络上的所有主机。 举例： 一主机的IP地址为5.6.7.8，则该主机所在的网络地址就是5.0.0.0。 B类地址128.7.255.255表示在“在网络128.7.0.0上的所有主机”。,特殊IP地址,IP 地址的使用范围,网络 最大 第一个 最后一个 每个网络 类别 网络数 可用的 可用的 中最大

34、的 网络号 网络号 主机数 A 27 2 1 126 224 2 B 214 1 128.1 191.255 216 2 C 221 1 192.0.1 223.255.255 28 2,4.2.3 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,4.2.4 地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP,IP 地址,物理地址,ARP,地址解析协议 ARP,不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。 每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的

35、 IP 地址到硬件地址的映射表。 当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。,A,Y,X,B,Z,主机 B 向 A 发送 ARP 响应分组,主机 A 广播发送 ARP 请求分组,ARP 请求,ARP 请求,ARP 请求,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,08-00-2B-00-EE-0A,我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18

36、我想知道主机 209.0.0.6 的硬件地址,我是 209.0.0.6 硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A,A,Y,X,B,Z,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,固 定 部 分,可变 部分,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,区 分 服 务,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段 （长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,数 据 部 分,首 部,IP 数据报,4.2.5 IP 数据报的格式,首 部,0,4,8,16,19,24,31

37、,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,区 分 服 务,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段 （长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固 定 部 分,可变 部分,标志(flag) 占 3 位，目前只有后两位有意义。 标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。 MF 1 表示后面“还有分片”。MF 0 表示最后一个分片。 标志字段中间的一位是 DF (Dont Fragment) 。 只有当 DF 0 时才允许分片。,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识

38、,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段 （长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固 定 部 分,可变 部分,区 分 服 务,偏移 = 0/8 = 0,偏移 = 0/8 = 0,偏移 = 1400/8 = 175,偏移 = 2800/8 = 350,1400,2800,3799,2799,1399,3799,需分片的 数据报,数据报片 1,首部,数据部分共 3800 字节,首部 1,首部 2,首部 3,字节 0,数据报片 2,数据报片 3,1400,2800,字节 0,【例4-1】 IP 数据报分片,首 部,0,4,8,16,1

39、9,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段 （长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固 定 部 分,可变 部分,生存时间(8 位)记为 TTL (Time To Live) 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。,区 分 服 务,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段 （长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固 定

40、部 分,可变 部分,区 分 服 务,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),4.3 划分子网和构造超网4.3.1 划分子网,从一个 IP 数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。 使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。,2. 子网掩码,IP 地址的各字段和子网掩码,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

41、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,(IP 地址) AND (子网掩码) =网络地址,网络号 net-id,主机号 host-id,两级 IP 地址,网络号,三级 IP 地址,主机号,子网号,子网掩码,子网的 网络地址,net-id,subnet-id,0,逐位进行 AND 运算,无分类的两级编址的记法是： IP地址 := , (4-3) CIDR 还使用“斜线记法”(slash notation)，它又称为CIDR记法，即在 IP 地址面加上一

42、个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数）。 CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”。,无分类的两级编址,4.3.3 无分类编址 CIDR,CIDR 地址块,128.14.32.0/20 表示的地址块共有 212 个地址（因为斜线后面的 20 是网络前缀的位数，所以这个地址的主机号是 12 位）。 这个地址块的起始地址是 128.14.32.0。 在不需要指出地址块的起始地址时，也可将这样的地址块简称为“/20 地址块”。 128.14.32.0/20 地址块的最小地址：128.14.32.0 128.14.32.

43、0/20 地址块的最大地址：128.14.47.255 全 0 和全 1 的主机号地址一般不使用。,CIDR 记法的其他形式,10.0.0.0/10 可简写为 10/10，也就是把点分十进制中低位连续的 0 省略。 10.0.0.0/10 隐含地指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是 255.192.0.0。此掩码可表示为 11111111 11000000 00000000 00000000,CIDR 记法的其他形式,10.0.0.0/10 可简写为 10/10，也就是将点分十进制中低位连续的 0 省略。 10.0.0.0/10 相当于指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是 25

44、5.192.0.0，即 11111111 11000000 00000000 00000000 网络前缀的后面加一个星号 * 的表示方法 如 00001010 00*，在星号 * 之前是网络前缀，而星号 * 表示 IP 地址中的主机号，可以是任意值。,4.4 网际控制报文协议 ICMP,为了提高 IP 数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)。 ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。 ICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议。 ICMP 报文作为 IP 层数据报的数据，加

45、上数据报的首部，组成 IP 数据报发送出去。,ICMP 报文的格式,首 部,ICMP 报文,0,数 据 部 分,检验和,类型,代码,（这 4 个字节取决于 ICMP 报文的类型）,8,16,31,IP 数据报,前 4 个字节 都是一样的,ICMP 的数据部分（长度取决于类型）,4.4.2 ICMP的应用举例PING (Packet InterNet Groper),PING 用来测试两个主机之间的连通性。 PING 使用了 ICMP 回送请求与回送回答报文。 PING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的例子，它没有通过运输层的 TCP 或UDP。,4.5 因特网的路由选择协议自治系统和内部网

46、关协议、外部网关协议,用内部网关协议 （例如，RIP）,自治系统 B,自治系统 A,用外部网关协议 （例如，BGP-4）,R1,R2,用内部网关协议 （例如，OSPF）,自治系统之间的路由选择也叫做 域间路由选择(interdomain routing)， 在自治系统内部的路由选择叫做 域内路由选择(intradomain routing),4.5.2 内部网关协议 RIP (Routing Information Protocol),1. 工作原理 路由信息协议 RIP 是内部网关协议 IGP中最先得到广泛使用的协议。 RIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。 RIP 协议要求网络

47、中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。,RIP 协议的三个要点,和哪些路由器交换信息？（对象） 交换什么信息？（内容） 在什么时候交换信息？（时间） 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。,路由表的建立,路由器在刚刚开始工作时，只知道到直接连接的网络的距离（此距离定义为1）。 以后，每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。 经过若干次更新后，所有的路由器最终都会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址。 RIP 协议的收敛(c

48、onvergence)过程较快，即在自治系统中所有的结点都得到正确的路由选择信息的过程。,2. 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

49、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。,一个公司有两个部门，研发部和市场部，研发部有60台PC，市场部有49台PC，现在，公司申请了一个地址块212.112.64.0/24，规划的网络拓扑如下图所示，试解答如下4个问题。,1）下表给出了图中3个子网IP地址规划。请根据题意，填写表中空白地方。,2) 假设给R1的E0端口地址分配子网1的最小有效地址，R2的E0端口地址分配子网3的最小有效地址；R1的S0端口地址分配子网2的最小有效地址，R2的S0端口地址分配子网2的最大有效地址。请填写下表。,3) 如果路由器R1和R2 都采用

50、RIP作为路由选择协议，当运行稳定之后，R1的路由表字段如下表所示，请结合以上几问的结果，填写下表中的空白区。,4) 当R1的接口E0 断掉，经过一次信息交互，请再填写R1的路由表。,4.5.3 内部网关协议 OSPF (Open Shortest Path First),1. OSPF 协议的基本特点 “开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。 “最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPF 是分布式的链路状态协议。,三个要点,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

51、只是路由器所知道的部分信息。 “链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。 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。,4.5.4 外部网关协议 BGP,BGP 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。 边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由。BGP采用了路径向量路由选择协议。,本章习题,P175-178 4-09、4-31、4-37、4-41,第 5 章 运输层,主要内容 1.端到端（与点到点对应） 2.TCP可靠传输（原理、实现） 3.TCP流量控

52、制 4.TCP拥塞控制（慢开始和拥塞避免、快重传和快恢复）,运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信,5 4 3 2 1,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,5 4 3 2 1,IP 协议的作用范围,运输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围,AP3,5.1 运输层协议概述5.1.1 进程之间的通信,应用进程之间的通信,两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信。 应用进程之间的通信又称为端到端的通信。 运输层的一个很

53、重要的功能就是复用和分用。应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到运输层，再往下就共用网络层提供的服务。,TCP/IP 的运输层有两个不同的协议： (1) 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol) (2) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol),5.1.2 运输层的两个主要协议,TCP,UDP,IP,应用层,与各种网络接口,运输层,端口号(protocol port number)简称为端口(port),解决这个问题的方法就是在运输层使用协议端口号(protocol port number)，或通常简称为端口(po

54、rt)。 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。,5.2 用户数据报协议 UDP 5.2.1 UDP 概述,UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，即复用和分用的功能和差错检测的功能。 虽然 UDP 用户数据报只能提供不可靠的交付，但 UDP 在某些方面有其特殊的优点。,5.3 传输控制协议 TCP 概述 5.3.1 TCP 最主要的特点,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 TC

55、P 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。 （UDP面向？）,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,5.4 可靠传输的工作原理5.4.1 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,确认丢失和确认迟到,A,发送 M1,B,超时 重传 M1,发送 M2,丢弃 重复的 M1 重传确认 M1,(a) 确认丢失,确认 M1,A,发送 M1,B,超时 重传 M1,发送 M2,丢弃 重复的 M1 重传确认M1,(b) 确认迟到,确认 M1,收下迟到 的确认 但什么也不做,t,t,t,t,可靠通信的实现,使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信