计算机网络

特别注意:

• 数据块的单位和网络速率的单位 eg:数据块单位 K = 2的10次方 网络速率单位 K=10的三次方

第一章 概述

重点：

• 分组交换-存储转发
• 计算机网络的类别和计算机网络的性能名词解释
• 发送时延、传播时延
• 计算机网络分层次的体系结构，包含协议和服务的概念

1.1计算机网络在信息时代中的作用

互联网的两个重要特性：连通性和共享

1.2互联网概述

网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

internet(互联网)是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。

Internet(互联网)是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络互相连接而成的特定互联网。采用TCP/IP协议。

互联网基础机构发展的三个阶段：

第一个阶段：单个网络向互联网发展的过程.

第二个阶段: 建立三级结构的互联网：主干网、地区网和校园网

第三个阶段: 逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网. ISP(Internet Service Provider)

1.3互联网的组成

(1)边缘部分 由所有连接在互联网上的主机组成. 用户直接使用.

(2)核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成. 为边缘部分提供的.

1.3.1 互联网的边缘部分

主机之间的通信说白了就是进程之间的通信 简称为"计算机之间通信"

通信方式分为两大类:客户-服务器方式(C/S方式)和对等方式(P2P方式)

1.3.2 互联网的核心部分

主机是为用户进行信息处理的.路由则用来转发分组,即进行分组交换.

在网络核心部分启特殊作用的是路由器,是一种专用计算机.

路由器是实现分组交换的关键构建,其任务是转发收到的分组.

1.电路交换的三个步骤: **建立连接(**占用通信资源)—> **通话(**一直占用通信资源)—>释放资源(归还通信资源)

在通话的全部时间内,通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

2.分组交换的主要特点:

• 分组交换采用存储转发技术
• 多条传输,提高效率

通常我们把要发送的整块数据称为一个报文,我们在发送报文之前先把一个较长的报文划分为一个更小的等长

分组= 首部 + 数据段

首部:包含目的地址和源地址等信息

注意:分组交换在传送数据之前不必线占用一条端到端的通信资源.分组在那段链路上才占用那条链路的通信资源.分组到达一个路由器器之后,线暂存下来,查转发表,然后从另一条合适的链路转发出去.

优点:逐段地断续占用通信资源,省去建立连接和释放连接的开销,从而提高数据传送效率.

缺点:分组在各路由器存储转发需要排队,这就会造成一定的时延.

1.5计算机网络的类别

1.5.1计算机网络的定义

广域网(WAN) ：Wide Area Network

城域网(MAN)： Metropolitan Area Network

局域网(LAN)：Local Area Network

个人区域网(PAN) ：Personal Area Network

无线个人区域网(WPAN)：

1.6计算机网络的性能

1.速率

数据传送速率,也称为数据率和比特率,单位bit/s

K->M->G->T->P->E->Z

网络速率一般指的是额定速率或标称速率

2**.带宽**

• 信号具有的频带宽度单位 Hz
• 网络通道传送数据的能力,单位时间内网络中的某信道所能通过的"最高数据率" bit/s

3.吞吐量

表示单位时间通过某个网络(或信道,接口)的实际数据量

链路容量会被平分

4.时延

• 发送时延(传输时延) 是主机或路由器发送数据帧所需要的时间.计算公式: 发生时延 = 数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)

• 传播时延 传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间.传播时延 = 信道长度(m)/电磁波在信道上传播速率(m/s)

  电磁波在自由空间的传播效率为:3.0X10的五次方 Km/s 光纤 2.0X10的5次方/s 在1000KM的光纤上的传播时延约为5ms.

• 处理时延 主机或路由器在收到分组时要花费的一定的时间进行处理

• 排队时延 分组在路由器中的排队等待处理的时间

总时延 = 以上之和

5.时延带宽积

又称为以比特为单位的链路长度

时延带宽积=传播时延 x 带宽

6.往返时间RTT

发送时间= 数据长度/发送速率

有效数据率 = 数据长度/（发送时间+RTT）

7.利用率

利用率有信道利用率和网络利用率两种

D0 ：表示网络空闲时的时延 D：表示表示网络当前的时延 U：利用率

D = D0/(1-U)

非性能特性：费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性和 易于管理和维护

1.7计算机网络结构体系

分层次的体系结构是最基本的

1.7.1计算机网络体系结构（重点）

连接在网络上的两台计算机互相传送文件要完成的工作：

• 在这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路
• 激活数据通信的通路
• 告诉网络如何识别接受数据的计算机
• 发起通信的计算机必须查明对面计算机是否已经开机，并且网络连接正常
• 发起通信的计算机中的应用程序必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接收文件和存储文件的准备工作
• 格式转换使格式兼容
• 对出现的各种差错和意外事故应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件

1.7.2 协议与划分层次

网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

三个组成要素：

• 语法：数据与控制信息的结构或格式
• 语义：需要发出何种的控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
• 同步：即事件实现顺序的详细说明

分层带来的好处：

• 各层之间是独立的
• 灵活性好
• 结构上可以分隔开
• 易于实现和维护
• 能促进标准化工作

各层所要完成的主要功能有以下一些：

• 差错控制
• 流量控制
• 分段和重装
• 复用和分用
• 连接建立和释放

计算机网络的体系结构就是这个这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义

重点：

OSI的结构体系层次，从低到高 ：

物理层 —>数据链路层—>网络层—>运输层—>会话层—>表示层—>应用层

TCP/IP的体系结构，从低到高：

链路层—>网际层(IP)—>运输层(TCP和UDP)—>应用层(DNS、HTTP、SMTP)

五层协议的结构体系从低到高：

物理层—>数据链路层—>网络层—>运输层—>应用层

应用层：应用进程间通信和交互的规则，应用层交互的数据称为报文。

运输层：向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务

• TCP：面向连接的、可靠的数据传输服务其数据传输的单位是报文段
• UDP：提供无连接的尽最大努力的数据传输服务，其数据传输的单位是用户数据报

网络层：负责为分组交换网上的不同主机提供服务通信。

网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送 数据包

两个功能：1.数据转发 2.在路由器上形成分组转发表

数据链路层：将链路层交下来的IP数据包组装成帧

物理层：物理层上数据传输的单位是bit 比特流

等层次数据传送：协议数据单元

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

协议：控制两个对等实体进行通信的规则集合

协议是水平的：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

1.7.5 TCP/IP的体系结构（重点）

IP层可以支持多种运输层协议，同时IP协议也可以在多种类型的网络上运行

课后习题答案：

2.试简述分组交换的要点。
答：采用了存储转发技术。把报文（要发送的整块数据数据）等分成若干数据段，每个数据段加入控制信息组成的首部（header），构成若干分组。因为分组首部包含了目的地址和原地址等重要控制信息，每个分组才可以在互联网中独立地选择传输路径。
分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的通信资源，分组到达一个路由器之后先存储，查找转发表、后转发，省去建立和释放连接的开销，因此效率更高。
分组交换的优点：高效、灵活。迅速、可靠
高效：在分组传输过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
灵活：每一个分组独立地选择转发路由。
迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠：保证可靠性的网络协议：分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性
分组交换的缺点：时延、额外开销
时延：分组在各路由器存储转发时需要排队。
额外开销：分组必须携带控制信息，整个分组交换网络还需要专门的管理和控制机制。
8.计算机网络都有哪些类别？各种类别的网络都有哪些特点？
答：按范围：
（1）广域网 WAN：远程、高速、是 Internet 的核心网。
（2）城域网：城市范围，链接多个局域网。
（3）局域网：校园、企业、机关、社区。
（4）个域网 PAN：个人电子设备
按用户：公用网面向公共营运。
专用网面向特定机构。

27.试解释everything over IP 和IP over everthing 的含义。
答：(1)TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务 （所谓的everything over ip）
(2)允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行（所谓的ip over everything）
计算题在书上P40

特别注意：

计算题如果计算中含有RTT 切记，如果发一个数据段等一个RTT 最后一个数据段就只需要到了就行 只需要0.5个RTT

尽量准确计算，或者计算的时候问一下老师

等比数列求和公式：Sn=a1 (1-q^n)/ (1-q)

第二章 物理层

重点：

（1）物理层的任务

（2）几种常用的信道复用技术

（3）几种常用的宽带接入技术，重点是FTTx

2.1物理层的基本概念

物理层考虑的是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

尽可能的屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异

物理层协议也称为规程

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

• 机械特性 指明在接口所用接线器的形状和尺寸，引脚的数目和排列、固定的锁定装置等。接插严格的标准化规定。
• 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性 指明某条线上出现某一电平的电压的意义
• 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

2.2.1 数据通信的基础知识

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）

源系统：源点（产生要传输的数据）、发送器（对数字比特流进行编码）

目的系统：接收器（信号接收并转为目的设备能处理的信息）、终点（接收数字比特流，并把信息进行输出）

通信的目的是传送信息；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

信号：模拟信号（连续信号）、数字信号（离散信号）

2.2.2 有关信道的几个基本概念（重点：曼彻斯特）

从通信双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

• 单向通信（单工通信） ：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。（电视广播）
• 双向交替通信（半双工通信）：通信双方都能发送信息但是不能同时发送。
• 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时接发信息。

信源信号：基带信号

调制：目的是传输低频分量或直流分量。分两大类：

• 基带调制：仅变换波形，数字信号的转换(一种到另一种)，也可称之为编码
• 带通调制：使用载波进行调制低频信号搬到高频的频段并转换为模拟信号。

(1)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
• 曼彻斯特：周期中心向上跳变代表0，周期中心向下跳变代表1，一个周期一个周期看（信号1是一个周期，是一个周期）

功能：具自同步能力

• 差分曼彻斯特：位边界有跳变代表0，而位边界没有跳转代表1

曼彻斯特编码，不论是差分还是非差分，每个码元都有从一个 电平 到另一个电平跳变的过程（如用上升沿代表1，下降沿代表0；或差分的：沿的方向不变代表0，变化代表1），因此可以在任何数据传输过程中，通过判断上升/下降沿和下一个上升/下降沿之间的间隔，来得到两个 码元 之间的时间，从而得到通信使用的频率，也就实现了 自同步

（2）基本的带通调制方法

• 调幅：有无载波的表示0，1
• 调频：0，1信号对应不同的频率
• 调相：0，1对应不同的相位，位边界进行调相

2.2.3信道的极限容量（奈氏、香农）

奈氏是激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多的比特信息

书P46 公式不好写

2.3物理层下面的传输媒体（了解）

传输媒体：也成为传输介质或传输媒介

传输媒体分为两大类：

• 导引型传输媒体（沿着固体媒体传播）和非导引型传输媒体（自由传播）

2.3.1导引型传输媒体

1.双绞线：减少对相邻导线的电磁干扰

2.同轴电缆：具有很好的抗干扰性，被广泛用于传输较高速率的数据。

3.光缆：

• 多模光纤（多根光纤）：光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤指适合于近距离传输。
• 单模光纤：适用于长距离传输

光纤的优点：

• 传输损耗小、中继距离长、对远距离传输特别经济
• 抗雷电和电磁干扰能力好。
• 无串音干扰，保密性好。
• 体积小，重量轻。

2.3.2非导引型传输媒体

LF：低频 MF：中频 HF：高频

2.4信道复用技术（重点）

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

• 频分复用(FDM)：各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源，说白了就是分不同频段（频分多址接入FDMA）
• 时分复用(TDM) : 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。（时分多址接入TDMA）

在通信时，复用器总是和分用器成对的使用，在复用器和分用器之间用户共享高速通道

因为时分复用分给每个用户的时隙是等长的所以，如果有用户空闲那么就会造成线路资源浪费这个时候就引入了

统计时分复用STDM：集中器常用这种统计时分复用，统计时分复用又称为异步时分复用，增加了存储用户地址信息的开销

2.4.2波分复用

波分复用（WDM）：同时传输多个频率很接近的光载波信号，就是光的频分复用

密集波分复用（DWDM）

2.4.3码分复用（CDMA计算）

各用户使用经过挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰；又很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

P60

课后作业：

1.物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？
答：物理层要解决的主要问题：
（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。
（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。
（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。
物理层的主要特点：
（1）由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械，电气，功能和规程特性。
（2）由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂

17.试比较ADSL、HFC以及FTTx接入技术的优缺点？
答：ADSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。成本低，易实现，但带宽和质量差异性大。HFC网的最大的优点具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网需要相当的资金和时间。FTTx（光纤到……）这里字母 x 可代表不同意思。可提供最好的带宽和质量、但现阶段线路和工程成本太大。

第三章 数据链路层

以太网 （英语： Ethernet ）是一种 计算机 局域网 技术

本章重点讨论：

（1）数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及这两种信道所使用的协议(PPP协议以及CSMA/CD协议)的特点

（2）数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测

（3）以太网MAC层的硬件地址

（4）适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用以及使用场合

3.1数据链路层的几个共同问题

数据链路（逻辑链路）= 链路+通信协议

点对点信道的数据链层的协议数据单元----帧

网络层就是IP数据报（简称为数据报、分组、或包）

点对点通信的主要步骤：

（1）节点A的数据链路层把网络层的数据包加上首部和尾部封装成帧。

（2）节点A把封装好的帧发送给节点B的数据链路层

（3）若节点B接收到的数据帧没有问题，则把收到的数据帧提取出IP数据包送到该节点的网络层

3.1.2 三个基本问题

1.封装成帧：

描述：就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部

分组交换的一个重要的概念：所有在互联网上传送数据都以分组（IP数据报）为传送单位。

帧长=首部+IP数据报+尾部

数据部分长度有上限—最大传送单元MTU

帧定界

控制字符：SOH（帧开始符）、EOT（帧结束符）

2.透明传输：

描述：文本文件中的字符都是从键盘上输入的，都可以放在这样的帧中传输，不会引起帧定界错误。

说白了就是无差错通过数据链路层，不会因为帧定界的原因而产生错误。

如果传输的二进制数据中包含帧定界的控制字符我们可以在其前面插入转义字符”ESC“，如果出现转移字符那就再插入一个转译字符

这种方法称为字节填充或字符填充

3.差错检测

比特差错：0变成1 ，1变成0

误码率：传输错误比特和比特总数的比率，提高信噪比可以降低误码率

数据链路层广泛使用：**循环冗余检验（CRC）**的检错技术

发送的数据尾端增加冗余码，为了进行差错检测而添加的冗余码常称为帧检验序列FCS

P77

只能做到对帧的无差错接受，但是还是可能出现错误，不是可靠传输

传输差错：比特差错和帧丢失、帧重复、帧失序

因此增加了帧编号、确认和重传机制

3.2点对点协议PPP

3.2.1PPP协议的特点

互联网用户通常都要连接到某个ISP才能接入互联网

PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所用的数据链路层协议

1.PPP协议满足的需求：

简单、封装成帧、透明性、多种网络层协议（在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议）、多种类型链路（串行、并行、同步、异步）、差错检测（丢弃有差错的帧）、检测连接状态、最大传送单元（MTU描述的数据部分最大长度）、网络层地址协商、数据压缩

2.PPP协议的组成：

• 一个将IP数据报封装到串行电路的方法
• 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
• 一套网络控制协议NCP

3.2.2 PPP协议的帧格式

1.各字段意义

首部四个字段，尾部两个字段

首位第一个字段：F（FLAG(7E)）标志一个帧的开始或结束

首部第二个字段：地址字段A规定为0xFF(FF)

首部第三个字段：控制字段C规定为0x03(03)

第四个字段两个字节的协议字段0x0021,PPP帧的信息字段就是IP数据报，0xC21表示链路控制协议LCP的数据，0x8021表示网络层的控制数据

信息部分长度是可变的（IP数据包部分）不超过1500字节，所以帧最大长度为1508字节

尾部倒数第二个字段：FCS 是使用CRC的帧检验序列FCS

2.字节填充

（1）把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成2字节序列（0x7D、0x5E）

（2）若信息字段出现0x7D，则变成（0x7D,0x5D）

（3）若信息字段中出现ASCII码控制字符（数值小于0x20）如：0x03变成(0x7D,0x23)

3.零比特填充

扫描信息字段，如果出现连续的5个1则在其后填充一个0就可以保证在字段中不会出现连续6个1的情况

接收的时候硬件每当扫描到5个1就把后面的0去除保证了透明传输

3.2.3 PPP协议的工作状态

图P82要背

建立连接的过程：

建立物理连接---->建立链路层连接（LCP，配置一些选项）---->口令鉴别----->网络层协议（NCP根据网络层的不同协议互相交换网络层特定的网络控制分组）

3.3使用广播信道的数据链路层

局域网的特点：

1.具有广播功能，从一个站点可以访问全网。

2.便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可以灵活调整和改变、

3.提高了系统的可靠性、可用性、生存性

局域网根据网络拓扑分类：星型网、环形网、总线网

（1）静态划分信道

（2）动态媒体接入控制（多点接入）特点：信道并非在用户通信时固定分配给用户

• 随机接入：容易发生碰撞，这个时候就需要碰撞的解决办法
• 受控接入：轮询

1.以太网的两个重要标准

为了使数据链路层更好的适应多种局域网标准，数据链路层被拆分成两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体接入控制子层MAC

2.适配器的作用

功能：进行数据串行传输和并行传输的转换，适配器中装有对数据进行缓存的存储芯片。

3.3.2 CSMD/CD协议

意思是：载波监听多点接入/碰撞检测

为了通信的方便以太网采取以下两种措施：

1.采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发数据。

适配器对发送的数据不进行编号，也不要求对方发回确认。

以太网提供的是尽最大努力交付，即不可靠交互

2.发送数据都使用曼彻斯特编码的信号。

CSMD/CD协议的要点：

“多点接入”：总线型网络的特征，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”：边发送边监听，就是不管在想要发送数据之前，还是发送数据中，每个站都必须不停地检测信道。

碰撞检测：是适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况。

电池波在1Km电缆的传播时延约为5um

单线程端到端的传播时延为tao

以太网只能进行双向交替通信（半双工通信）

以太网的端到端往返时间2tao称为争用期，又称为碰撞窗口

以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后的重传时机。

就是给碰撞的站点随机分配一个退避时间，退避时间最短的先重传

退避算法有如下集体的规定：

• 争用期是512比特时间

• 重传争用期的选择：

• 2的K次方形成一个集合，从2的K（重传次数）次方减1随机选一个数作为r，那么重传应退后的时间是r倍的争用期；重传次数不超过10次，当超过10次时K就不再增大而一直等于10

• 当重传达16次仍不可能成功时则丢弃该帧向高报告

• 使用上述的退避算法使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大（这也称为动态退避）

• 以太网规定了最短帧长度为64字节512比特，凡长度小于64bit字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧

• 以太网的最大端到端的时延必须小于争用期的一半（25.6us）

强化碰撞：当发送的数据的站一旦发现发生了碰撞除立即停止发送数据外，还要继续发送32比特或48比特的人为干扰信号，让所有用户都知道已经发生了碰撞

总线被占用的时间：A站开始到发现碰撞的时间（TB）+发送强化碰撞信号的时间（Tj）+端到端的传播时延tao

以太网还规定了帧间最小时间间隔为9.6us

CSMA/CD协议的要点归纳如下：

• （1）准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部组成以太网帧，放入适配器的缓存中。发送之前检测信道
• （2）检测信道：持续检测信道，在96比特时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。
• （3）在发送过程中仍不断检测信道，即网络适配器要边发送边监听
• 发送成功：如果在争用期内一直未检测到碰撞，就认为发送成功
• 发送失败：就在争用期内检测到了碰撞就立即停止发送数据，并按照规定发送认为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法。

3.2.3使用集线器的星形拓扑

10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上一个非常重要的里程碑

双绞线的绞合度越精确，可以使特性阻抗均匀以减少失真，而且大大减少了电池波辐射合无线电频率的干扰

（1）使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议

（2）一个集线器有许多端口

（3）集线器工作在物理层，简单地转发比特，不进行碰撞检测

3.3.4以太网的信道利用率

成功发送一个帧所需要的时间为:发送时间T0+单程端到端的时延（tao）

定义了一个参数a=单程端到端的时延（tao）/发送时间T0

信道的极限利用率：

Smax=T0/(T0+tao)=1/(1+a)

3.3.5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

”名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处“

适配器中存有计算机局域网的地址

一个地址6个字节：

第一个字节：最低为有效位I/G位，当I/G位为零时，地址字段表示一个单个站地址。当I/G位为1时表示组地址，用来进行多播

适配器具有过滤功能，是发往本站的则收下，发往本站的帧包括以下三种帧：

• 单播帧（一对一），即收到的帧的MAC地址与本站的MAC地址相同。
• 广播帧（一对全体），即发送给本局域网上所有站点的帧。
• 多播帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。

MAC帧格式

目的地址（6个字节）：

源地址（6个字节）：

类型（2个字节）：类型字段

第四个字段：数据字段 46到1500字节之间

最小长度为64个字节减去18个字节的首部和尾部

最后一个字段是4个字节的帧检验序列FCS(使用CRC检测)

以太网不需要使用帧定界符

出现以下情况即为无效MAC帧：

• 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
• 收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~1500字节之间。考虑MAC帧首部和尾部的长度共18个字节，可以得出有效MAC帧的长度为64-1518字节之间

无效的MAC帧直接丢弃

3.4扩展的以太网

3.4.2在数据链路层扩展以太网

扩展以太网的方法是在数据链路层进行的。

最初使用的是网桥，对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤

交换式集线器---->以太网交换机

1.以太网交换机的特点

实际上就是一个多端的网桥，全双工方式，不采用CSMA/CD协议，相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据

以太网交换机是一种即插即用设备，其内部帧交换表（地址表），通过自学习算法自动地逐渐建立起来的，实际上，这种表就是一个内容可寻址存储器CAM

2.以太网交换机的自学习功能

自学习的建立交换表，交换表分别存有MAC地址、端口、时间，交换表中无内容的时候通过广播向各端口广播这个帧，目的地址能匹配的则接收反之则丢弃，那么就可能出现环路的可能导致无限制的转发，这个时候使用了一个STP生成树协议，逻辑上切断某些链路。

3.4.3 虚拟局域网

虚拟局域网（VLAN）的帧格式在MAC帧的基础上增加了一个**VLAN标签（4个字节）**用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网

局域网VLAN的标识符VID

连接两台交换机:汇聚链路或干线链路

P113作业没做

第四章 网络层

重要内容:

• 虚拟互联网的两种服务 两个层面的概念
• IP地址与MAC地址的关系
• 传统分类的IP地址和无分类域间路由选择CIDR(后者是重点)
• 路由选择协议的工作原理

4…1网络层的几个重要概念

4.1.1网络层提供的两种服务

互联网的设计思路:网络层要设计的尽量简单,向其上层只提供简单灵活的,无连接的,尽最大努力交付的数据报服务

网络层不提供服务质量承诺

虚拟电路服务和数据报服务

虚拟电路服务:可靠通信,连接建立,同一路由,按序到达,

数据报服务:可靠通信,不建立连接,分组查表,顺序不一,主机负责

4.1.2网络层的两个层面

路由器之间传递信息有以下两个大类：

• 第一类是转发源主机和目的主机之间所传送的数据
• 传输路由信息

网络层抽象的分为：数据层面和控制层面

软件定义网络（SDN）

在网络的控制层面有一个逻辑上集中的远程控制器：能够为每一个分组计算出最佳的路由，然后在每一个路由器中生成其正确的转发表。

4.2网际协议

与协议IP配套使用的还有三个协议：

• 地址解析协议（ARP）
• 网际控制报文协议（ICMP）
• 网际组管理协议(IGMP)

网络层常被称为：网际层或IP层

4.22 IP地址

32位的IP地址由两个字段组成：

• 第一个字段是网络号：标志主机所连接到的网络
• 第二个字段是主机号：它标志该主机

IP地址::={<网络号>,<主机号>}

全0的网络号和网络号127不指派

全0和全1的主机号不指派

无分类编址CIDR

IP地址::={<网络前缀>,<主机号>}

CIDR三个特殊的地址快:

1.主机路由（前缀n=32）

2.点对点电路（前缀n=31）

3.默认路由（0.0.0.0/0）

IP地址的特点

1.IP地址由网络前缀和主机号两部分组成

2.实际上的IP地址是标志一台主机和一条链路的接口

3.一个网络是指拥有相同网络前缀额主机集合

4.在IP地址中，所有分配到网络前缀的网络都是平等的

注意：

1.在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络浅醉便须是同样的，即具有同样的网络号

4.2.3 IP地址和MAC地址

1.在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。

2.路由器只根据目的站的IP地址进行转发。

3.在局域网的链路层，只能看见MAC帧。

4.IP层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复杂的细节。

4.2.4地址解析协议ARP

IP–>MAC

ARP高速缓存IP到MAC映射关系的建立过程：

1.ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组。

2.局域网上的所有主机运行的ARP进程都收到此ARP请求分组。

3.主机B的IP地址与ARP请求分组中要查询的地址IP一致就收下这个IP，并向主机A 发送ARP响应分组，同时在这个ARP响应分组中写入自己的MAC地址。

4.主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到MAC地址映射。

ARP对保存在高速缓存中的没一个映射地址项目都设置生存时间

4.2.5 IP数据报

IP数据报=首部+数据

1.IP数据报首部的固定部分中的各字段

1.版本 占4位

2.首部长度占 4位 首部的固定长度为20字节 IP首部长度不是四的整数倍时需要填充字段

3.区分服务 8位

4.总长度 总长度字段为16位

在互联网中所有的主机和路由器必须能够接受长度不超过576字节的数据报，这是假定从上层传下来的数据长度为512个字节

加上最长的IP首部60个字节+4个富余量

5.标识 占16位

6.标志：MF=1还有分片 DF=1不能分片 占3位

7.片偏移 占13位

8.生存时间 占8位 TTL

9.协议 占8位

10.首部校验和占 16位

11.源地址 目的地址各占4个字节

4.3 IP层转发分组的过程

4.3.1 基于终点的转发

就是说白了就是网络号前缀匹配

4.3.2最长前缀匹配

实际的转发表有两种特殊的路由：主机路由(a.b.c.d/32)和默认路由(0.0.0.0/32)

分组转发算法如下：

（1）从收到的分组的首部提取目的主机的IP地址D（目的地址）

（2）若查找到有特定主机路由，就按照这条路由的下一跳转发分组,否则从转发表中下一行（也就是前缀最长的一行）开始检查，执行(3)

（3）把这一行的子网掩码与目的地址D按位进行AND运算

（4）若转发表中有一个默认路由，则按照指明的接口，把分组传送到指明的默认路由器，否则报告出错。

4.3.3 使用二叉线索查找转发表

找IP地址的唯一前缀

4.4网际控制报文协议ICMP

ICMP报文有两种：ICMP差错报告报文、ICMP询问报文

ICMP差错报文共有四种：

• 终点不可达
• 时间超时
• 参数问题
• 改变路由（重定向）

4.5IPv6

4.5.1IPv6的基本首部

IPv6所引进的主要变化如下：

1.更大的地址空间

2.扩展地址层次结构

3.灵活的首部格式：定义了许多可选的扩展首部

4.改进的选项：IPv6首部的长度是固定的

5.允许协议继续扩充

6.支持即插即用

7.支持资源的预分配

8.IPv6首部改为8字节对齐。

IPv6首部的字段数为8个

P151

内部网关协议（IGP）

内部网关协议RIP:基于距离向量的路由选择协议，最大的优点就是简单，距离用跳数衡量，跳数超过15即为不可达，所以RIP只适用于小型网络

协议RIP的特点是：

（1）仅和相邻路由器交换信息

（2）路由器交换的信息是本路由器知道的全部信息，即自己现在的路由表

（3）按固定的时间间隔交换路由信息

收敛：就是在自治系统中所有的节点都得到正确的路由选择信息的过程

路由表更新算法：路由向量算法P161

协议RIP的一个特点：好消息传得快，而坏消息传的慢

协议RIP的最大优点：实现简单，开销小。

内部网关协议OSPF

开放最短路径优先，使用了最短路径优先算法：SPF

OSPF最主要的特征就是使用链路状态协议

OSPF的特点：

（1）向本自治系统中所有路由器发送信息。使用的是泛洪法

（2）发送的信息就是与本路由器相邻的所哟路由器的链路状态

（3）每个隔一段时间（30分钟），路由器向所有路由器用泛洪法发送链路状态信息

因此所有路由器最终都能建立一个链路状态数据库，这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图

外部网关协议（EGP）

使用BGP协议的原因：

1.互联网规模太大，使得自治系统AS之间路由选择非常困难

2.自治系统AS之间的路由路由选择必须考虑有关策略。

边界网关协议BGP只是力求一条能够到达目的网络前缀比较好的路由，而并非要计算出一条最佳路由

避免兜圈子在属性AS-PATH不允许出现相同的AS

BGP路由选择

• 本地偏好值最高的路由要首先选择

  缺点：使得全部通信量都通过这条高速链路，使得链路负荷过重

• 选择具有AS跳数最少的路由

• 使用热土豆路由选择算法（自治区内部找短）

BGP的四种报文：

OPEN

UPDATA

KEEPALIVE

NOTIFICATION

4.6.5路由器的构成

路由选择部分 分组转发部分

4.9 多协议标签交换MPLS

MPLS具有三个方面的特点：（1）支持面向连接的服务质量（2）支持流量工程，均衡网络负载（3）有效地支持虚拟专用网VPN

根据标签在第二层（链路层）用硬件进行转发，不再上升到第三层查找转发表

过程：进入MPLS域---->打上标签（分类）---->确定路径---->经过LSR（Label Switch Path）更换标签—>出口去除标签

4.10 软件定义网络SDN

匹配+动作

完成”匹配+动作“的设备称为”分组交换机“或”OpenFlow交换机“

第五章 运输层

重要概念：

（1）运输层为相互通信的应用进程提供逻辑通信

（2）端口和套接字的意义

（3）无连接的UDP的特点

（4）面向连接的TCP特点

（5）在不可靠的网络上实现可靠传输的工作原理，停止等待协议和ARQ协议。

（6）TCP的滑动窗口、流量控制、拥塞控制、连接管理

第六章 应用层

6.1域名系统DNS

域名系统DNS用来把便于人们使用的机器名字转换为IP地址

域名中的每一个标号不超过63个字符，也不区分大小写

多标号组成的完整域名总共不超过255个

域名解析过程

1.主机向本地域名服务器查询一般采用递归查询

2.本地域名服务器向根域名服务器的查询通常采用迭代查询。

查询步骤如下：

• 先向其本地域名服务器进行递归查询
• 本地域名服务器采用迭代查询，先向他的第一个根服务器查询
• 根服务器告诉本地域名服务器下一次查询的目标是顶级域名服务器的IP地址
• 本地域名服务器向顶级域名服务器进行查询
• 顶级服务器告诉本地域名服务器，下一次的查询目标是权限域名服务器
• 本地域名服务器向权限域名服务器进行查询
• 权限域名服务器将目的域名的IP告诉本地域名服务器
• 本地域名服务器把查询结果告诉主机

在域名服务器中广泛使用高速缓存

6.2文件传输协议

6.2.1 FTP概述

文件传输协议FTP

文件进行复制，修改文件修改副本，再回传源点

FTP的主要功能是消除或减少在不同操作系统下处理文件的不兼容性

FTP服务器由两部分组成：

主进程：负责接受新请求

从属进程：负责处理单个请求

主进程工作步骤如下：

打开端口—>等待连接—>启动从属进程处理客户端请求----->回到等待状态

6.2.3 TFTP协议

简单文件传输协议TFTP

优点：可用于UDP环境，所占的内存较小

6.3远程终端协议TELNET

6.4万维网WWW

分布式的超媒体系统，它是超文本系统的扩充

客户端向服务器发出请求，服务器程序向客户端程序送回客户所要的万维网文档。

在客户程序窗口显示出的万维网文档称为页面

万维网使用统一资源定位符URL来标志万维网上的各种文档

万维网超文本传输协议HTTP

万维网使用超文本标记语言HTML

统一资源定位符URL：协议://主机名:端口/路径

HTTP URL

http://主机名/路径

URL协议的主机名不区分大小写，单路径中的字符有时要区分大小写

6.4.3超文本传输协议HTTP

HTTP是无连接的、无状态的超文件传输协议

HTTP的持续连接有两种工作方式：非流水线方式（响应一个请求发出下一个请求）和流水线方式（响应之前就可以连续发请求）

HTTP/2 可以并行地发回响应

2.代理服务器 减少链路的通信时延

XML可扩展标记语言，它的设计宗旨是传输数据

6.5电子邮件

简单的邮件传输协议：SMTP

由于互联网的SMTP只能传送可打印的7位ASCII吗邮件，因此在在1996年又发布了通用互联网邮件扩充MIME，MIME在其邮件首部说明了邮件的数据类型

一个电子邮件有三个主要组成构建：

用户代理、邮件服务器、以及发送协议（SMTP）和邮件读取协议（POP3），POP3是邮局协议

用户代理就是用户与电子邮件的系统接口

至少应该有以下四个功能：撰写、显示、处理、通信

邮件服务器需要有两种不同的协议：SMTP协议、邮局协议POP3

一种协议用于用户代理向邮件服务器发送邮件或在邮件服务器之间发送邮件，

而另一种协议用于用户代理从邮件服务器读取邮件，如邮局协议POP3

邮件发送和接收的过程如下：

用户代理撰写和编辑邮件---->用户代理人点击发送按钮----->SMTP服务器收到用户代理发送过来的邮件放在其缓冲队列中---->发送方邮件服务器与接收方邮件服务器建立TCP连接，把缓冲队列的邮件发送—>接收方中的SMTP的服务进程接收邮件放入邮件服务器----》收件人准备收信的时候就运行计算机用户代理，使用POP从邮件服务器中拉取邮件

注意：邮件不会在互联网中的某个中间邮件服务器落地

SMTP和POP的通信方式不同：SMTP用push，pop使用pull

电子邮件格式如下 ： 用户名@邮件服务器的域名

6.5.2简单的邮件传送协议SMTP

1.连接建立

TP不使用中间的邮件服务器

2.邮件传输

3.连接释放

QUIT命令

ESMTP扩充的SMTP

新增的功能：使用安全传输TLS、服务器接收二进制报文、使用国际化地址

邮件读取协议：OPO3和IMAP（网际报文存储协议）

POP3:

1.使用客户服务器工作方式

2.POP3协议的一个特点就是只要用户从POP3服务器读取 了邮件，POP3服务器就把该邮件删除

IMAP：

1.IMAP是一个联机协议：用户直接操纵邮件服务器上的邮件

2.在用户发出删除邮件的命令之前，IMAP服务器邮箱中的邮件一致都保存着

3.允许只读邮件内容中的一部分

缺点：想看邮件必须上网

MIME并没有改动或取代SMTP，MIME的意图是继续使用原来的邮件格式，但增加了邮件主体结构，并定义了传送非ASCII码的编码规则

6.6 动态主机配置协议DHCP

在协议软件中给这些参数赋值的动作叫做:协议配置

需要配置的项目包括：

1.IP地址

2.子网掩码

3.默认路由器的IP地址

4.域名服务器的IP地址

互联网现在广泛使用的是动态主机配置协议DHCP，它提供了一种机制，称为即插即用联网。这种机制允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与

DHCP适合于经常移动位置的计算机