计算机网络原理2
2021-03-10 10:58:25 20 举报AI智能生成
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自考04741计算机网络原理总结
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大纲/内容
计算机网络原理2
传输层
第一节 传输层的基本服务
一、传输层功能
传输层寻址
对应用报文进行分段和重组
对报文进行差错检测
实现进程间的端到端可靠数据传输控制
面向应用层实现复用与分解
实现端到端的流量控制
拥塞控制
两种传输层协议
TCP:面向连接的、可靠的、有序字节流传输服务
UDP:无连接、不可靠的数据报传输服务
二、传输层寻址与端口
FTP服务器默认端口号21
HTTP服务器默认端口号80
SMTP服务器默认端口号25
DNS服务器默认端口号53
子主题
三、无连接服务与面向连接服务
第二节 传输层的复用与分解
一、无连接的多路复用与多路分解
1.运输层从1024~65535内随机分配一个端口号供UDP使用
2.创建一个套接字后，使用bind()方法关联一个特定端口号
二、面向连接的多路复用与多路分解
多路分解
多路复用
要求：1）套接字有唯一标识符
TCP套接字由一个四元组（源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号）来标识的。
要求：2）每个报文段有特殊字段来指示该报文段所要交付的套接字
第三节 停-等协议与滑动窗口协议
一、可靠数据传输基本原理
二、停-等协议
发送窗口=接收窗口=1
三、滑动窗口协议
回退N帧协议
选择重传协议
第四节 用户数据报协议UDP
一、UDP数据报结构
一个UDP套接字是由一个二元组全面标识的，该二元组包含一个目的IP地址和一个目的端口号
报文段格式
首部4个字段，8个字节
长度字段指示了UDP报文段中的字节数（首部加数据）
检验和：接收方用来检查报文段中是否出现差错。检验和提供了差错检测功能
伪首部，又称为伪包头（Pseudo Header）：是指在 TCP 的分段或 UDP 的数据报格式中，在数据报首部前面增加源 IP 地址、目的 IP 地址、IP 分组的协议字段、TCP 或 UDP 数据报的总长度等共12字节，所构成的扩展首部结构。此伪首部是一个临时的结构，它既不向上也不向下传递，仅仅只是为了保证可以校验套接字的正确性
二、UDP校验和
第五节 传输控制协议TCP
首部20字节
一、TCP报文段结构
首部格式
二、TCP连接管理
三、TCP可靠数据传输
四、TCP流量控制
五、TCP拥塞控制
网络层
IP协议
IP寻址
路由
跳：指网络中的一个区间。
IP分包与组包
IP数据报分片
MTU：最大传输单元
以太网的MTU是1500字节
IP地址基础
IP地址
定义
图示
每块网卡可以分配一个以上的IP地址
一台路由器可以设置两个以上的IP地址
IP地址由网络标识和主机标识两部分组成
一个IP地址只要确定其分类也就确定了它的网络标识和主机标识
网络标识相同的计算机必须同属于同一个链路
IP地址的分类
A类：首位以0开头的地址
十进制0.0.0.0~127.0.0.0
从低1位到第8位是网络标识，后24位相当于主机标识
B类：前两位10的地址
十进制128.0.0.1~191.255.0.0
第1到16位是网络标识，后16位相当于主机标识
C类：前三位110的地址
十进制：192.168.0.0~239.255.255.0
1到24位是网络标识，后8位相当于主机标识
D类：前4位1110的地址
十进制：224.0.0.0~239.255.255.255
1到32位是网络标识，D类地址没有主机标识，常被用于多播。
专用IP地址： 就是我们在3类地址中常见到内网的IP段10.0.0.0--10.255.255.255172.16.0.0--172.31.255.255192.168.0.0--192.168.255.255
分类编址
主机号为全0的地址是网络地址，不能分配给主机或路由器
主机号为全1的地址是广播地址，不能分配给主机或路由器
A类
B类
C类
广播地址
本地广播
直接广播
IP多播
可以穿透路由器
多播使用D类地址
子网掩码
表示方法1：将IP地址与子网掩码分别用两行标识
IP地址 172. 20. 100.52子网掩码 255.255.255.192
网络地址 172. 20. 100.0子网掩码 255.255.255.192
表示方法1：在每个IP地址后面追加网络地址的位数用\"/\"隔开
IP地址 172.20.100.52/26
网络地址 172.20.100.0/26
第二种记述网络地址时可以省略后面的0如172.20.0.0/16和172.20/16意思相同
ip段/数字后面的数字表示我们的网络号的位数，也就是子网掩码中前多少号为1129.168.1.1/24 这个24就是告诉我们网络号是24位，也就相当于告诉我们了子网掩码是：11111111 11111111 11111111 00000000 即：255.255.255.0172.16.10.33/27 中的/27，也就是说子网掩码是255.255.255.224 即27个全111111111 11111111 11111111 11100000
IP地址 = 网络地址 + 主机地址网络地址 = IP地址（二进制）与子网掩码（二进制）相与
例题-19-04：已知IP地址172.32.1.113对应的子网掩码为255.255.254.0，求出：1）这个IP地址所在的网络地址2）这个网段的IP地址范围3）这个网段的可分配的IP地址范围4）这个网段的广播地址
第一节 网络层服务
第二节 数据报网络与虚电路网络
一、数据报网络
二、虚电路网络
第三节 网络互连与网络互连设备
一、异构网络互连
二、路由器
交换
经内存交换
经总线交换
经互联网络交换
数据交换方式
电路交换
e.g.:电话网络
阶段
1.建立连接（电路建立）
2.通信
3.释放连接（拆除电路）
特点：独占资源。
优点：通信时延小、有序传输、没有冲突、实时性强
缺点：建立连接时间长、线路独占，使用效率低、灵活性差、无差错控制能力
报文交换（整块报文）
优点：无需建立连接、存储转发，动态分配线路、线路可靠性较高、线路利用率较高、多目标服务
缺点：有存储转发时延、报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间
分组交换（切割报文）
数据报方式：提供无连接服务
虚电路方式：提供连接服务
第四节 网络层拥塞控制
一、网络拥塞
二、流量感知路由
三、准入控制
四、流量调节
五、负载脱落
第五节 Internet网络层
一、ipv4协议
IPv4数据报格式
总长度：占16位，首部和数据之和的长度
首部长度：
最大传输单元MTU：一个链路层帧能承载的最大数据量
二、IPV4编址
三、动态主机配置协议DHCP
四、网络地址转换
VPN
NAT
五、ICMP
六、IPv6
地址类型
单点广播地址
全球单播地址
本地唯一地址(Unique local addresses)
链路本地单播地址 Link-local addresses
特殊地址
IPv4兼容地址
IPv4映射地址
6to4地址
任播 Anycast
组播 Multicast
语法
前缀
第六节 路由算法与路由协议
一、链路状态路由选择算法
二、距离向量路由选择算法
三、层次化路由选择
四、Internet路由选择协议
内部网关协议RIP（基于距离向量的路由选择协议）
仅和相邻路由器交换信息
路由器交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己现在的路由表。
按固定的时间间隔交换路由信息。
RIP协议基于UDP传输，端口号是520
OSPF(Open Shortest Path First)协议/开放最短路径优先
使用分布式的链路状态协议(LS)
数据链路层与局域网
第一节 数据链路层服务
第二节 差错检测和纠正技术
奇偶校验
发送方
接收方
接收方检测和纠正差错的能力被称为前向纠错FEC(Forward Error Correction)
二维奇偶校验
检验和方法
一个简单的检验和方法就是将要传输的k比特整数加起来，并且用得到的和作为差错检测比特。
多项式
举例
例2
说明：这里的“除法”是进行异或运算
差错控制
检错重发ARQ
前向纠错FEC
反馈校验
检错丢弃
第三节 多路访问控制协议
多路访问协议
链路
点对点链路
广播链路
信道划分协议
随机接入协议
轮流协议
轮询协议
优点：消除了随机接入协议的碰撞和空时隙
缺点：1.只有一个节点时速率达不到R bps，2.主节点出现故障
802. 15协议和蓝牙协议就是轮询协议的例子
令牌传递协议
优点：分散，效率高
缺点：一个节点故障可能会使整个信道崩溃，或者忘记释放令牌
信道划分Mac协议
时分多路复用TDM(Time-Division Multiplexing)
优点：每个节点在每个帧时间内得到了专用的传输速率R/N bps
缺点：当只有一个节点时，该节点也被限制于R/N bps
TDM，就是时分复用，就是将一个标准时长（1秒）分成若干段小的时间段（8000），每一个小时间段（1/8000=125us）传输一路信号
频分多路复用FDM(Frequency- Division Multiplexing)
优点：公平划分了带宽
缺点：只有一个节点时也只能使用R/N带宽
波分复用WDM：就是光的频分复用
统计时分复用STDM(statistic TDM): 是一种改进的时分复用，又称为异步时分复用
每个节点分配一种编码，能够使不同节点同时传输而不相互干扰
随机接入MAC协议
时隙ALOHA
载波侦听多路访问CSMA
载波侦听(carrier sensing)
碰撞检测(collision detection) CSMA/CD
适用于有线信道，不适用于无线信道
Lmin/R >= 2Dmax/vLmin是数据帧最小长度；R 信息传输速率；Dmax为两通信站之间的最远距离；v 为信号传播速度。
电磁波在1km电缆的传播时延约为5us(微妙)
争用期：又称为碰撞窗口，以太网端到端往返时间2t（t是单程传播时延）
截断二进制指数退避
最短帧长64字节，即512 bit
受控接入MAC协议
第四节 局域网（LAN）
一、数据链路层寻址与ARP
ARP查询分组是通过一个广播帧发送的，而ARP响应分组是通过一个标准的单播帧发送的。
数据链路层
逻辑链路控制LLC子层：与传输媒介无关，面向网络层。现在基本上已名存实亡
介质访问控制MAC子层
二 、以太网(Ethernet) IEEE802.3
以太网是第一个广泛部署的高速局域网
MAC协议采用CSMA/CD协议
经典10Base-5总线型以太网冲突域中，相距最远的主机间信号往返产生的传播时延约51.2us
最短帧长512位，即64字节，数据字段最少要46字节，不足46字节需要填充
以太网争用期为51.2us，在争用期内可发送512位。
以太网采用的是CSMA/CD协议，利用曼彻斯特编码发送，使用截断二进制指数后退算法来确定碰撞后重传的时机。
MAC帧
帧结构中包含两个地址：一个目的地址，一个源地址，均为48位物理地址即MAC地址
以太网向网络层提供的是无连接不可靠服务
以太网技术
10Base-T
采用非屏蔽的双绞线UTP作为传输介质，数据传输速率10Mbit/s
100Base-T快速以太网
传输速率100Mbit/s
100Base-TX，采用5类UTP
100Base-T4，采用4对3、4或5类UTP
100Base-FX，采用光缆
千兆位以太网
三、交换机
以太网交换机的优点
消除冲突
支持异质链路
网络管理
交换机的基本工作方式是存储——转发
网桥
工作在数据链路层，可以扩展局域网范围或连接多个局域网，扩大网络的物理范围
网桥具有帧过滤功能。
目前使用最多的是透明网桥，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，网桥对各站来说是看不见的。
四、虚拟局域网
划分局域网的方法
基于交换机端口划分
基于MAC地址划分
基于上层协议或地址划分
补充：BSC协议
BSC协议帧
不带报文头，那么数据的话，就只带有两个SYN+1个SOH+1个STX+1个ETX
第五节 点对点链路协议
一、PPP
提供3中功能
成帧：确定一帧的开始和结束，帧格式支持错误检测
二、HDLC协议
HDLC采用固定的标志字段01111110作为帧的边界
位填充技术：发送站在发送的数据比特序列中一旦发现0后有5个1，就在第7位插入一个0。接收端要进行相反的操作，如果在接收端发现0后面有5个1，则检查第7位，如果是0，则将0删除；如果是1并且第8位是0，则认为是标志字段F
例如：若采用DHLC协议发送的数据为101111100101111101111100，则实际数据应为：101111101011111111110
三种帧类型
信息帧（I帧）最高位为0
管理帧/监控帧（S帧）最高位为10，第3、4位代表含义4种：
00——接收就绪（RR）
01——拒绝（REJ）
10——接收未就绪（RNR）
11——选择拒绝（SREJ）
无编号帧（U帧）最高位为11
提供链路的建立、拆除及多种控制功能
特点
HDLC协议只支持点到点链路，不支持点到多点。
HDLC不支持IP地址协商，不支持认证。协议内部通过Keepalive报文来检测链路状态。
HDLC协议只能封装在同步链路上，如果是同异步串口的话，只有当同异步串口工作在同步模式下才可以应用HDLC协议
HDLC帧结构
标志字段
地址字段是8比特，用于标识接收或发送HDLC帧的地址
地址字段为“11111111”时，定义为全站地址，即通知所有的接收站接收有关的命令帧并按其动作；全“0”比特为无站地址，用于测试数据链路的状态
控制字段是8比特，用来实现HDLC协议的各种控制信息，并标识是否是数据
信息
帧检验序列字段可以使用16位CRC，对两个标志字段之间的整个帧的内容进行校验
物理层
第一节 数据通信基础
一、数据通信基本概念
二、数据通信系统模型
源系统/发送端
源点
发送器
接收器
终点
传输系统/传输网络
目的系统/接收端
常用术语
通信的目的是传送消息
数据是运送消息的实体
信号则是数据的电气或电磁的表现
模拟信号/连续信号
数字信号/离散信号
并行传输
第二节 物理介质
一、导引型传输媒体
双绞线
屏蔽双绞线
同轴电缆
光缆
二、非导引型传输媒体
三、常见物理设备
路由器
交换机
集线器
转发器：转发器用于互连两个相同类型的网段，主要功能是延伸网段和改变传输媒体
网关
第三节 信道与信道容量
一、信道分类与模型
模拟信道
数字信道
从交互方式来区分
单向通信/单工通信
双向交替通信/半双工通信
双向同时通信/全双工通信
基本概念
来自信源的信号常称为基带信号
基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它与信道特性相适应，变换后的信号仍然是基带信号
带通调制
单极性不归零码，无电压表示\"0\"，恒定正电压表示\"1\"
双极性不归零码，\"1\"码和\"0\"码都有电流，\"1\"为正电流，\"0\"为负电流
单极性归零码，当发\"1\"码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发\"0\"码时，仍然不发送电流
双极性归零码，其中\"1\"码发正的窄脉冲，\"0\"码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心
常用编码方式
不归零制：正电平代表1，负电平代表0
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
归零编码：有跳变表示1，无跳变表示0
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1，也可反过来定义
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1
基本的带通调制方法
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
混合调制如正交振幅调制QAM
多进制数字调制
数据传输速率Rbt与码元传输速率R以及进制数M（通常为2的幂次）之间的关系为：Rbt = R log M
可见，当码元传输速率R确定时，可以通过增大M，即较大进制数的多进制数字调制，提高传输速率Rbt
例题：19年10月：若采用4进制数字调制方式，使数据传输速率达到4800 bit/s 则码元速率应达到：2400 Baud.解析：Rb=RlogM = R=4800/2=2400Baud
二、信道传输特性
信道传输的信号分为基带信号和宽带信号
三、信道容量
信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位font color=\"#fdb813\
香农公式：C = W log2(1+S/N)(bit/s) 说明：C:信道的极限信息传输速率，W:信道带宽（以Hz为单位），S为信道内所传信号的平均功率，N:信道内部高斯噪声功率
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
数据传输速率
数据传输速率：每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s
（1）数据传输速率计算公式: S=1/T log2N(bps)式中T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码)单位为秒；N为一个码元所取的离散值个数。通常 N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。
信号传输速率：单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud
理想条件 B=2W，W:信道带宽
调制速率
调制速率反映信号波形变换的频繁程度，其定义是每秒传输信号码元(波形)的个数，又称符号速率、码元速率或波特率，单位为波特(baud)
奈式准则：理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud = 2W (单位：码元/秒) W是信道带宽，单位是HZ
理想低通信道就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道
Baud是波特，即码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元
奈式准则：理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W (单位：码元/秒)
\"带通矩形\"只允许 上下限之间 的信号频率成分不失真的通过，其他频率成分不能通过
例子：设采用QAM-16调制方式传输300KB的数据需用256秒，试计算最小调制速率。解析：信道传输速率 = 300 * 1024 * 8 / 256 = 9600bps最小调制速率 = 9600 / log2(16) = 9600 / 4 = 2400 Baud
第四节 基带传输
一、基带传输基本概念
二、数字基带传输编码
第五节 频带传输
一、频带传输基本概念
二、频带传输中的三种调制方式
第六节 物理层接口规范
一、物理层接口概述
二、物理层接口特性
1.机械特性
2.电气特性
3.功能特性
4.过程特性
宽带接入技术
非对称数字用户线ADSL技术
离散多音调DMT
光纤同轴混合网HFC网
无线与移动网络
第一节 无线网络
一、无线网络基本结构
二、无线链路与无线网络特性
WAP(Wireless Application Protocol) 为无线应用协议
WAP是一种使用在无线通信设备上的新的移动通信技术，其功能类似于因特网上的HTTP协议
第二节 移动网络
一、移动网络基本原理
二、寻址
三、移动结点的路由选择
第三节 无线局域网IEEE802.11（WiFi）
一、IEEE 802.11体系结构
二、IEEE 802.11的MAC协议
CSMA/CA碰撞避免协议
三、IEEE 802.11帧
控制帧
数据帧
管理帧
常见的802.11无线局域网
各协议共同点
都使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA
链路层的帧都使用相同的格式
都具有降低传输速率以增加传输距离的能力
都支持“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式
第四节 蜂窝网络
一、蜂窝网络体系结构
二、蜂窝网络中的移动性管理
三、移动通信2G/3G/4G/5G网络
第五节 移动IP网络
一、代理发现
二、向归属代理注册
第六节 其他典型无线网络
WiMax(IEEE802.16d/e)
二、蓝牙(IEEE802.15.1)
三、ZigBee(IEEE802.15.4)
补充
噪声
热噪声又称白噪声，电阻噪声，是由导体中电子的热震动引起的
冲击噪声呈突发状，常由外界因素引起；其噪声幅度可能相当大，无法靠提高信噪比来避免，是传输中的主要差错。
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