计算机网络复习总结(武汉大学).docx
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第一章概述
1计算机网络的定义:
n将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来,以功能完善的网络软件实现资源共享的系统。
n分布式计算机系统是在分布式计算机操作系统支持下,进行并行计算和分布式数据
处理的计算机系统;各互联的计算机互相协调工作,共同完成一项任务。
n分布式计算机系统与计算机网络系统在计算机硬件连接、系统拓扑结构和通信控制等方面基本一样,都具有通信和资源共享等功能。
n计算机网络系统中的计算机是独立的,分布式计算机系统中的计算机是相互联系、
协调、有分工的。
n支持网络的是网络操作系统,支持分布式计算机系统的是分布式操作系统。
2计算机网络的性能指标:
n数据传输率:
每秒传输的比特数
n带宽:
网络的最大数据传输率,是体现网络性能的一个指标
n吞吐量:
单位时间通过网络的数据量
n时延:
数据从源端到目的端所需要的时间。
包括发送、传播、处理、排队时延
n时延带宽积:
通道所能容纳的比特数
n往返时间:
从源à目的à源的时延
n利用率:
被利用的时间。
信道利用率、网络利用率
3计算机网络发展的四个阶段
n计算机网络的发展可分为四个阶段:
(1)雏形阶段:
计算机技术与通信技术相结合,形成计算机网络的雏形;
(2)网络阶段:
在通信网络基础上,完成网络体系结构与协议研究,形成了计算机网络;美国国防部1969年开始发展的ARPAnet:
用于军事目的,主要是为了在战争的环境下,保持通信的畅通,但结果颇为丰富,ARPAnet可以发电子邮件(E-mail)、文件传输(FTP)、远程登录(Telnet),成为了Internet的雏形。
ARPA网是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑,它对发展计算机网络技术的贡献表现在以下几方面:
1.完成了对计算机网络的定义、分类;
2.提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念;
3.研究了报文分组交换的数据交换方法;
4.采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。
主要贡献是公开了这些研究成果
(3)网络标准化阶段:
在解决计算机连网与网络互连标准化问题的背景下,提出开放式系统互连参考模型与协议,促进了符合国际标准的计算机网络技术的发展;
计算机网络发展的第三阶段是加速体系结构与协议国际标准化的研究与应用
国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构,正式制订并颁布了“开放系统互连基本参考模型”(OSI/RM,OpenSystemInterconnectionReferenceModel)。
二十世纪八十年代,ISO与CCITT等组织为该参考模型的各个层次制订了一系列的协议标
准,组成了一个庞大的OSI基本协议集。
首先应用在ARPAnet的TCP/IP协议经过不断地改进与规范化,目前广泛应用在Internet上,
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成为事实上的工业标准。
(4)当前阶段:
计算机网络向互连、高速、智能化方向发展,并获得广泛应用。
4标准问题
(1)标准化的必要性:
不同的网络体系结构出现以后,使用同一个公司生产的各种设备都能够很容易的互连成网络。
然而全球经济的发展使得不同的网络体系结构的用户迫切要求能够互相交换信息。
n不同标准的网络无法互连,标准必须标准化。
n标准之争有巨大的商业利益。
(2)三个模型:
OSI/RM模型是国际标准化组织(ISO)提出的开放式系统互连参考模型。
OSI参考模型是研究如何把开放式系统(即为了与其他系统通信而相互开放的系统)连接起来的标准。
OSI参考模型将计算机网络分为七层
nOSI模型详细地描述了一个计算机网络模型,用这个模型可以很好地讨论计算机网络。
nOSI模型太细、太复杂,执行效率低,不实用。
nOSI模型并未流行起来。
TCP/IP分层模型也被称为互连网分层模型或互连网参考模型,TCP/IP参考模型及其两个主要协议(TCP和IP),就是为提高多个网络无缝连接能力而设计的。
TCP/IP模型的层次结构与OSI模型有所不同,它由网络接口层、互连网层、传输层和应用层组成。
nTCP/IP协议事先并没有描述模型,只是在对实际应用的协议进行总结、归纳后提出了一个模型。
nTCP/IP模型层次不分明,允许用户应用层直接调用底层,不符合分层精神。
但效率
高,实用。
nTCP/IP模型被广泛应用。
nTCP/IP协议从未宣称自己是标准,但成为事实上的国际标准。
具有五层协议的体系结构:
应用层功能:
数据发送方:
确定何种数据要传输到哪里去;数据传输前做何种处理数据接收方:
将在发送端经过处理的数据还原,将数据交给应用程序。
传输层功能
n确定具体的数据传输和接收者,并利用网络将数据从传输者手中交到接收者手中
n对接收数据进行检查,确保不出现错误的数据网络层功能
n确定从数据发送者到数据接收者之间的传输路径,及确定哪些中间节点参与此次的
数据传输工作。
数据链路层功能
n确保在相邻节点之间不出现错误的传输数据物理层功能
n在相邻节点之间完成二进制数据串(比特流)的传输。
5因特网介绍多层结构
因特网由核心部分和边缘部分构成。
n核心部分:
网络中连接计算机的部分,为信息的提供者和获取者提供连接服务。
n边缘部分:
由所有计算机组成,它们是网络信息的提供者和获取者。
6节点的存储转发方式
分组交换:
单个分组(这只是整个报文的一部分)传送到相邻节点,存储下来查找转发表,转发到下一个节点。
在分组存储期间,其它通信进程可以使用线路,提高了线路利用率。
电路交换:
整个报文的比特流连续的从原点抵达终点,好像在一个管道中传送。
建立通道需要较长时间;通道占用期间,其它通信不能使用该线路,利用率低。
报文交换:
整个报文先传送到相邻节点,存储下来后超找转发表,转发到下一个节点。
若要连续传送大量的数据,且传送时间大于连接建立时间,则电路交换的传输速率较快。
报文减缓和分组交换不需要预先分配传输带宽,在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用
率。
由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度,因此分组交换比报文交换的时延小,同时也具有更好地灵活性
7独立实体
n原本是指参与通信的两台计算机
n网络划分层次后,每个层次都成为一个独立实体
n在网络体系结构中,每个实体只与本地的上下层以及异地的同层实体有通信往来
n实体间的通信往来有规范约束,这个规范就是协议(同层之间)或服务(上下层间)。
8服务
n下层为上层提供的一种或几种标准功能
n以因特网为例:
n传输层服务:
TCP传输方式和UDP传输方式,可供应用层选择
n网络层服务:
数据报传输,传输层无选择
n数据链路层:
相邻节点间传输数据帧,网络层无选择
n物理层:
相邻节点间传输比特流,链路层无选择第二章物理层
1物理层的地位
OSI模型中的最低层,它是建立在通信介质的基础之上,是计算机与通信介质之间的接口。
2作用
任何形式的数据在计算机中都是用二进制数据(比特)表示,物理层的任务就是将化成比特串的数据真正传输出去。
物理层首先将比特数据转化成传输介质需要的信号形式,然后用传输介质传输信号,接收端物理层将接收的信号转化为比特数据。
物理层的这些功能实际上由网卡等硬件的接口功能实现。
3物理层特性
机械特性:
说明接口所用接线器的形式、尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性:
说明在接口线缆的哪条线上出现的电压应在何种范围之内,即什么样的电压表示1,什么样的电压表示0。
主要考虑信号的大小和参数、电压和阻抗的大小、编码方式等。
功能特性:
主要考虑每一条信号线的作用和操作要求,说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
规程特性:
主要考虑利用接口传送比特流的整个过程中,各种可能事件的执行和出现的顺序。
4物理层概念的解释
物理层不是指连接计算机的具体物理设备和传输介质。
数据链路层使用物理层提供的服务,而不必关心具体的物理设备和传输介质,只需考虑如何完成本层服务和协议。
换言之,物理
层在数据链路层和物理介质中间起到屏蔽和隔离作用。
物理层标准并不完善。
它不考虑物理实体、服务原语及物理层协议数据单元,而重点考虑物理层服务数据单元,即比特流、物理连接等。
5传输介质
传输介质通常分为有线介质(或有界介质)和无线介质(或无界介质)。
有线介质将信号约束在一个物理导体之内,如双绞线、同轴电缆和光纤等;无线介质则不能将信号约束在某个空间范围之内。
6三种传输介质
(1)双绞线(TwistedPair,TP)是目前使用最广、相对廉价的一种传输介质。
它是由两条相互绝缘的铜导线组成,导线的典型直径为1毫米(0.4~1.4毫米之间)。
这两条线扭绞在一起,可以减少对邻近线对的电气干扰。
几乎所有的电话机都是通过双绞线接入电话系统
双绞线既可以传输模拟信号,又可传输数字信号。
用双绞线传输数字信号时,其数据传输率与电缆的长度有关。
在几公里的范围内,双绞线的数据传输率可达10Mbps,甚至100Mbps,因而可以采用双绞线来构造价格便宜的计算机局域网。
对于双绞线的定义有两个主要来源。
一个是美国电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation,EIA)的远程通信工业分会(TelecommunicationIndustriesAssociation,TIA);另一个是IBM公司。
EIA负责“Cat‖(即“Category‖)系列非屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair,UTP)标准。
IBM
负责“Type‖系列屏蔽双绞线标准,如IBM的Type1、Type2等。
电缆标准本身并未规定连接双绞线电缆的连接器类型,然而EIA和IBM都定义了双绞线的专用连接器。
对于Cat3、Cat4和Cat5来说,使用RJ-45(4对8芯),遵循EIA-568标准;对于Type1电缆来说,则使用DB9连接器。
大多数以太网在安装时使用基于EIA标准的电缆,大多数IBM及令牌环网则使用符合IBM
标准的电缆。
(2)同轴电缆(CoaxialCable)中的内外导体等材料是共轴的,同轴之名由此而来。
外导体是一个由金属丝编织而成的圆形空管,内导体是圆形的金属芯线。
内外导体之间填充绝缘介质。
同轴电缆内芯线的直径一般为1.2~5毫米,外管直径一般为4.4~18毫米。
内芯线和外导体一般采用铜质材料。
同轴电缆可以是单芯的,也可以将多条同轴电缆安排在一起形成同轴电缆。
广泛使用的同轴电缆有两种:
一种是阻抗为50Ω的基带同轴电缆,另一种是阻抗为75Ω的宽带同轴电缆。
当频率升高时,外导体的屏蔽作用加强,因而特别适用于高频传输。
一般情况下,同轴电缆
的上限工作频率为300MHz,有些质量高的同轴电缆的工作频率可达900MHz。
因此,同轴电缆具有很宽的工作频率范围。
当用于数据传输时,数传率可达每秒几百兆比特。
由于同轴电缆具有寿命长、频带宽、质量稳定、外界干扰小、可靠性高、维护便利、技术成熟等优点,而且其费用又介于双绞线与光纤之间。
同轴电缆在闭路电视传输系统中一直占主导地位。
(3)光纤
随着光通信技术的飞速发展,现在人们已经可以利用光导纤维来传输数据,以光脉冲的出现表示“1‖,不出现表示“0‖。
可见光所处的频段为108MHz左右,因而光纤传输系统可以使用的带宽范围极大。
目前的光纤传输技术可使人们获得超过50000GHz的带宽,且还在不断地提高。
当前实际使用的10Gbps限制是因为光/电以及电/光信号转换的速度跟不上。
今后将有可能实现完全的光交叉和光互连,即构成全光网络,到那时网络的速度将增长上万倍。
光传输系统利用了一个简单的物理原理:
当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时,光线将完全反射回玻璃,而不会漏入空气,这样,光线将被完全限制在光纤中,而几乎无损耗地传播。
光纤呈圆柱形,含有纤芯和包层,纤芯直径约5~75微米,包层的外直径约为100~150微米,最外层的是塑料,保护纤芯。
纤芯的折射率比包层的折射率高1%左右,这使得光局限在纤芯与包层的界面以内,并保持向前传播。
任何以大于临界值角度入射的光线,在介质边界都将按全反射的方式在介质内传播,而且不同的光线在介质内部将以不同的反射角传播,即认为每一束光线都有不同的模式。
如果纤芯的直径较粗,则光纤中可能有许多种沿不同途径同时传播的模式,通常将具有这种特性的光纤称为多模光纤(Multi-modeFiber);
如果将光纤纤芯直径减小到光波波长大小的时候,光在光纤中的传播没有多次反射,这样的光纤称为单模光纤(Single-modeFiber)。
光纤通信的优点是频带宽、传输容量大、重量轻、尺寸小、不受电磁干扰和静电干扰、无串音干扰、保密性强、原材料丰富、生产成本较低。
因而,由多条光纤构成的光缆已成为当前主要发展和应用的传输介质。
7通信基础知识
(1)模拟信号:
在时间和幅度上都连续的信号。
数字信号:
在时间和幅度上都离散的信号。
数字信号和模拟信号相比,具有抗干扰能力强、可以再生中继、便于加密、易于集成化等一
系列优点。
采用模拟信号的系统有:
电话、广播电台、电视等,采用数字信号的系统有:
数字通信、数字电视、计算机系统、计算机网络等。
早期发明的系统采用模拟信号,发明较晚的系统一般采用数字信号。
随着数字通信技术的成熟,越来越多的早期的系统也用数字技术进行改造。
(2)带宽信号最高频率与最低频率的差值就是信号带宽
(3)信道信道一般都是用来表示某一个方向传送信息的媒体,是信号的传送通道
(4)数据传输率信道在单位时间内能传输的二进制位数被称为数据传输率。
通信理论已经证明,通信系统的最大数据传输率最理想的情况下,为信道带宽的2倍,也就是每秒钟可以传递2B个二进制位数。
宽带网络B值远高于一般网络,所以宽带网络速度快。
8信号调制技术
(1)信号调制
计算机及其网络通信设备中使用的都是数字信号。
数字信号传输距离很短,如打印机电缆一般为2米、3米,最多为5米。
因此数字信号直接用来传输,距离有限。
需要远距离传输,在信号传递前要进行调制。
一般,高频信号能够传输更远的距离。
调制是指将要传输的信号加载到一个被称为载波的高频信号中,形成调制信号。
调制信号是高频信号,能够传输很远。
(2)常用的调制技术有:
调幅,调频,调相。
调幅:
就是使载波信号的幅度值随传递信号而变化。
调频:
就是使载波信号的频率随传递信号而变化。
调相:
就是使载波信号的相位随传递信号而变化。
9多路复用
多路复用:
多路信号同时使用同一线路多路复用的好处:
提高线路利用效率。
多路复用的方法:
传输前,将多路信号合成为一路;传输后,将一路信号还原成多路信号。
常见的方法有两种:
频分多路复用和时分多路复用
(1)频分多路复用:
一般,信道带宽远大于信号带宽。
将信号带宽用调制的办
法依次搬到高频区域,占据信道带宽的每一部分,形成一路宽带信号进行传输,叫频分多路复用。
例子:
电话系统的频分多路复用:
一路电话的标准频带:
0.3kHz~3.4kHz,超出该范围的频率分量被衰减掉
每一路电话分配4kHz,利用频率变换,将3路电话搬到频段的不同位置,就形成了带宽为
12kHz的频分多路复用信号
目前,一根同轴电缆上实现了上千路电话的同时传输。
CCITT建议:
12路电话构成一个基群,占用60~108kHz频段;
5个基群构成一个超群,占用312~552kHz频段;
5个超群构成一个主群,占用812~2044kHz频段;
3个主群构成一个超主群,占用8516~12388kHz频段;
4个超主群构成一个巨群,占用42612~59684kHz频段;
(2)信道带宽越大,单位时间内可传输的比特数越多,数据传输的越快,信道的空闲时间越多。
将多路信号分时传输,可减少信道的空闲时间,提高信道利用率。
这叫时分多路复用。
奈奎斯特准则:
带宽为B的模拟信号,每秒等间隔传输2B采样点,接收方就可完全恢复模拟信号
带宽为4kHz的电话信号,每秒采样8k次,采样值用8位二进制数表示,则一路电话需要的数据传输率为8x8=64Kbps
24路电话复用,依次传输,24个采样点+一个间隔,共24x8+1=193比特,每秒采样8k次,则24路电话需要的数据传输率为193x8k=1.544Mbps
24路电话复用一条1.544Mbps主干线路被称为T1标准
4个T1信道复用一个T2信道
T2信道数据传输率6.312Mbps>4x1.544,额外的比特主要用于帧定界和时钟同步6个T2流复用成一个T3线路
7个T3流复用成一个T4线路
第三章数据链路层
1数据链路层信道有两种类型:
(1)点对点信道:
节点到节点的一对一通信方式
(2)广播信道:
使用共享的信道广播通信方式点对点方式是传统网络模型考虑的方式
广播方式是局域网出现后的新方式
2数据链路
每次通信都需要经过建立通信连接和拆除通信连接两个过程。
这种建立起来的数据收发关系就叫做数据链路。
简单地讲,数据链路就是终端设备间的数据通道。
在进行数据传输过程中,除了必须有一条物理链路连接外,还必须有一些必要的规程或
协议来控制数据的传输,把实现这些数据传输规程的物理硬件和软件附加在物理链路上就构成了数据链路
n―链路”:
物理链路和逻辑链路。
物理链路就是用于连通物理设备的实际线路,而逻
辑链路则在物理链路上附加必要的通信规程。
n一条物理链路上,可以由多条逻辑链路共享,因而可以构成多条逻辑链路。
3数据链路层的功能
链路层位于模型的第二层,其功能是:
利用物理层在相邻节点之间传输比特流的功能,为网络层在相邻节点中传输数据帧。
保障物理层比特流的正确传输
利用意味着链路层不必考虑底层物理网络的组成情况,从链路层来看,相邻节点之间传输的是数据帧。
具备封装帧,透明传输,差错检测等功能。
措施:
通过将比特流整合成帧,将无结构的比特流变成有结构的帧流;设置对帧的校验码,建立帧中比特组合的约束关系。
4ppp协议的特点
简单,提供不可靠的数据报服务,检错,无纠错,不使用序号和确认机制
应满足的要求
(1)简单:
TCP最复杂;IP提供不可靠的数据报服务,数据链路层没有必要提供比IP协议更多的功能。
(2)封装成帧:
必须规定特殊的字符作为帧定界符,能在比特流中找到帧的开始和结束
(3)透明性:
解决数据中碰巧出现和帧定界符一样的比特组合问题。
(4)多种网络层协议:
(5)多种类型链路:
串行或并行同步或异步低速或高速
(6)差错检测丢弃有差错的帧
(7)检测连接状态
(8)最大传送单元:
指的是数据部分的最大长度而不是帧的总长度
(9)网络层地址协商
(10)数据压缩协商
不需要的功能
(1)纠错:
ppp协议是不可靠的传输协议
(2)流量控制:
流量控制由TCP协议完成
(3)序号:
不使用帧的序号
(4)多单线路:
只支持点对点的链路通信
(5)半双工或单工链路只支持全双工链路
三个组成部分
(1)一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
(2)一个用来建立,配置,测试数据链路连接的链路控制协议
(3)一套网络控制协议,其中每个协议支持不同的网络层协议
帧格式
1.F:
帧首、帧尾标志,8比特,特定的组合:
01111110(7E)
2.A:
地址字段,固定为FF,没有实际意义
3.C:
控制字段,固定为03,没有实际意义
4.P:
协议字段,表示I字段是数据包,还是用来建立、配置、测试数据链路的LCP
控制数据,或是用于不同网络之间的不同协议信息交换的控制数据
5. I:
如果是来自网络层的数据包,进入数据帧时,需要特殊处理,以保证F标志唯一性
6.特殊处理:
如果是同步传输,以比特流形式传输,如连续出现5个1,则插入一个0;如果是异步传输,以字节流形式传输,对原有的字节7E,变成7D5E,对原有的字节7D,变成7D5D,对原有的ASCII码控制字符,用7D加上适当变换字符值代替。
7.FCS:
校验码,用于本帧检错。
PPP协议发现错误帧,则丢弃该帧,但不会要求源端重传,重传要求由传输层或应用层提出。
PPP协议只检错,不纠错。
是不可靠传输。
这是因为网络质量的提高,使错误发生率
大幅降低,省略纠错可提高效率。
透明传输方式:
插入转义字符,插入0比特
5局域网
局域网是指较小区域范围内(如一栋办公楼)各种数据通信设备及计算机连接在一起的通信网络。
局域网的特点是所有权属于一个单位。
计算机局域网技术在计算机网络中占有非常重要的地位。
它具有覆盖的地理范围比较小、数据传输率高、传输延时短、误码率低、属于单一组织拥有等特点。
由局域网互连而成的广域网使得人们获取信息的范围更加广阔,得到的服务也日趋便捷。
三种拓扑结构
n总线型特征:
在网中广播信息,每个工作站几乎可以同时收到每一条信息。
总线型的优点是:
价格低廉,用户入网灵活,一个站点失效不影响其它站点。
n环型特点:
信息在环中沿着每个节点单方向传输,数据传输时间确定。
n星型特点:
系统通过中心节点控制全局,方便了网络的维护和调试。
缺点是中心节点失效会导致全网无法工作。
n总线型、星型网常用于政府、公司、高校等办公环境,环型网常用于工业控制等企
业中。
介质访问控制方式
n主要有两种:
竞争方式和令牌方式。
n竞争方式:
常用于总线型网络中。
局域网中的每一个站点都有同等的权力使用传输总线,谁抢先占用传输总线,谁就可以发送数据,其他站点必须等待,直到总线空闲才能使用。
n令牌方式:
局域网中的站点必须持有令牌,才有权使用传输介质,发送数据。
令牌:
一种特殊的帧,在网络站点中循环游荡,欲发送数据的站点必须先捕捉令牌,不发送数据的站点则将其传给下一个站点。
竞争方式的典型代表是CSMA/CD(载波监听多路访问/碰撞检测)介质访问控制方式
n工作原理:
1、每个工作站都能探测到总线上是否有数据在传递。
要发送数据时,若探测到总线中无数据在发送,就立即发出自己的数据,否则,边探测边等待。
2、一旦有了一个以上的节点同时发出数据(碰撞),转而发送一个强干扰信号,以强化碰撞,目的是让所有的节点都知道发生了碰撞。
3、而后退避一段时间,试着重发。
4、只要有信息在传递,每个工作站都能接收到数据帧,所有工作站对帧中的目的地址
字段进行检查,若是发给自己的就接收该帧,否则就忽略该帧。
名称含义:
nIEEE802.3标准规定了下列以太网:
10Base-5,10Base-2,10Base-T,10Base-F,10BROAD36等
10:
速度为10M/s Base:
基带传输
5,2,36:
电缆的最大长度可达500米,200米,3600米。
T:
中心集线器 F:
光纤BROAD:
宽带传输
nIEEE802.3标准具体内容就是对这些网络技术参数的具体规定。
6高速局域网
快速以太网FDDI网络千兆位以太网
FDDI:
n在令牌环网的基础上作了改进。
n拓扑结构:
环状,双环,一个正向,一个反向。
n
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