1、计算机网络提纲第一部分 概述1 绪论数据通信组成:五个组成部分数据表示:数据流:单工、半双工、全双工网络分布式处理网络准则:性能、可靠性、安全性物理结构:物理拓扑结构:网状、星型、总线、环状、混合型网络模型:OSI、TCP/IP 协议族网络分类:局域网 LAN、广域网WAN、城域网 WAN网络互联:因特网因特网历史简介因特网现状:ISP 因特网服务提供商,不同层次协议和标准协议:语法、语义、时序标准标准化组织标准创建委员会、管理机构、论坛、因特网标准2 网络模型任务分层高层和底层之分OSI 模型物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层OSI 模型各层的功能物理层:节点之间位流
2、的传递(接口、介质的物理特性;位的表示即编码;数据速率;位同步;线路配置;物理拓扑结构;传输方式)数据链路层:节点之间帧的传递(成帧;物理寻址;流量控制;差错控制;访问控制)网络层:将分组从源地址传递到目的地址(逻辑寻址;路由选择)传输层:进程到进程的传递(服务点寻址即端口地址;分段和组装;连接控制;流量控制;差错控制)会话层:对话的控制和同步表示层:翻译、加密和压缩数据应用层:负责向用户提供服务TCP/IP 协议族网络层:IP/ARP/RARP/ICMP/IGMP传输层:UDP/TCP/SCTP应用层覆盖 OSI 中的会话层、表示层和应用层,三合一,定义许多标准协议寻址物理地址逻辑地址端口地
3、址(进程)专用地址第二部分 物理层和介质3 数据和信号模拟与数字模拟与数字信号对比周期模拟信号振幅、频率(周期) 、相位、波长、时域和频域、复合信号、带宽(只说明范围,不说明连续与否)模拟信号傅里叶分析带宽有穷周期模拟信号离散有穷非周期模拟连续有穷数字信号数字信号是一种复合模拟信号傅里叶分析带宽无穷大周期数字信号离散无穷频谱非周期数字信号连续无穷频谱比特率(每秒位)位长数字信号的传输基带传输什么是低通通道?带宽宽的低通通道有限带宽的低通通道大致近似更好近似宽带传输(调制)什么是带通通道?传输减损衰减(分贝 dB) 、失真、噪声(信噪比 SNR)数据速率限制无噪声通道:奈奎 kui 斯特速率噪声
4、通道:香农容量定理使用两种限制条件性能带宽以赫兹衡量的带宽以每秒比特数衡量的带宽(后方编码方案中,讲到用信号速率即波特率来衡量,为什么?)两者关系:成正比、模拟、数字吞吐量延迟:传播、传输、排队、处理带宽与延迟的乘积抖动4 数字传输数字到数字转换线路编码数字数据数字信号信号元素与数据元素信号速率(波特率)和数据速率(比特率)基线偏移:直流成分自同步:跳变内置差错检测抗噪声和抗干扰能力复杂性线路编码方案单极编码方案NRZ极性编码方案NRZ:NRZ-L/NRZ-IRZ双相编码:曼彻斯特和差分曼彻斯特双极性(三电平)AMI/伪三元编码多电平(mBnL)L=2B; L=3T; L=4Q2B1Q8B6T
5、4D-PAM5多跳变MLT-3块编码增加冗余 m 变成 n(m一传到底拆除)效率最低、延迟最小传统电话网的物理层分组交换网数据报网独立处理每个分组“分组”被称为数据报网络层无连接、不可靠的(多路径自由跑)效率最高、延迟最长用于因特网的网络层虚电路网数据链路层连接、可靠的(连接规定路径却逐个传递拆除)效率、延迟居中用于广域网的数据链路层交换机结构电路交换机空分交换机纵横制、多级交换机时分交换机时隙互换两者结合分组交换机输入端口、输出端口、路由处理器(路由表查询) 、交换结构(纵横、Banyan、Batcher-banyan)9 使用电话网和有线电视网进行数据传输电话网络主要组成LATA 本地接入
6、和传送区域信令数据传输网络与信令网络分离,带宽分离7 号信令系统(SS7 )物理层:MTP1数据链路层:MTP2网络层:MTP3传输层:SCCP高层:TUP、TCAP、ISUP电话网络提供的服务模拟业务模拟交换业务、租用数字业务电话调制解调器调制解调器标准数字用户线路(DSL)技术本地回路上支持数字通信,一组技术包括 ADSL/VDSL/HDSL/SDSLADSL:非对称数字用户线路ADSL LiteHDSL:高速数字用户线路SDSL:对称数字用户线路768kbpsVDSL:甚高速数字用户线路有线电视网传统有线网络光纤同轴电缆混合(HFC)网络有线电视网用作数据传输带宽共享CM 与 CMTS数
7、据传输方案:DOCSIS第三部分 数据链路层10 检错与纠错引言差错的类型单个位差错、突发性差错冗余检错和纠错前向纠错和重传编码模运算块编码码字、数据字差错检测纠错汉明距离最小汉明距离三个参数、检错的最小距离、纠错的最小距离线性块编码线性块编码的最小距离一些线性块编码简单奇偶校验码两维奇偶校验汉明编码性能循环编码循环冗余校验CRC、编码器、译码器、除数(1011)硬件实现多项式循环编码分析循环编码的优点校验和概念反码因特网中的校验和性能11 数据链路控制成帧固定长度成帧可变长度成帧面向字符协议ESC 换义字符面向位协议流量控制和差错控制流量控制:缓冲区差错控制:ARQ 自动重复请求协议确认帧A
8、CK否定确认帧NAK数据双相流动:捎带无噪声通道最简单的协议WaitForEvent();GetData();MakeFrame();SendFrame();停止等待协议增加 ACK 确认用 canSend = true/false 调节有噪声通道停止等待自动重复请求序列号:0、1确认号:期待接受的下一帧增加定时器StartTimer()效率流水线操作(此为非)回退 N 帧自动重发请求序列号:模 2m滑动窗口发送滑动窗口接收滑动窗口定时器确认重发帧发送窗口大小 HDLC, 面向位 的点到点和多点链路进行通信的协议,实现前方的 ARQ机制配置和传输方式正常响应方式异步平衡方式帧信息帧管理帧无编号
9、帧控制字段点到点协议点到点最通用的还是 PPP 协议面向字节成帧传输阶段多路复用链路控制协议 LCP鉴别协议 AP口令鉴别协议 PAP查询握手鉴别协议 CHAP网络控制协议 NCP互联网络协议控制协议IPCP其他协议来自网络层数据多链路 PPP12 多路访问随机访问纯 ALOHA二进制指数回退?脆弱时间时隙 ALOHA吞吐量载波侦听多路访问 CSMA脆弱时间持续方法1-持续方法非持续p-持续带冲突检测的侦听多路访问CSMA/CD帧的最小长度能量级别吞吐量有线网络检测带冲突避免的侦听多路访问CSMA/CA帧间间隔(IFS)竞争窗口确认无线网络能量级别弱检测不到避免CSMA/CA 和无线网路受控访
10、问预约轮询主站、从站选择、轮询令牌传递访问通道的权限令牌逻辑环通道化对比“带宽复用”FDM/TDM/WDM物理层频分多路访问(FDMA)时分多路访问(TDMA)码分多路复用(CDMA)正交函数集13 有线局域网:以太网IEEE 标准逻辑链路控制层 LLC10 检错与纠错11 逻辑链路控制介质访问控制层 MAC12 多路访问(定义了访问方法)物理层标准以太网 802.3MAC 子层访问方法: 1-持续 CSMA/CD成帧、帧的格式(前导符)物理层编码和解码介质标准的变化桥接以太网提高带宽、分隔冲突域交换式以太网全双工以太网快速以太网 802.3uMAC 子层半双工使用 CSMA/CD全双工也保留
11、(实际不用,便于兼容)增加 “自动协商 ”物理层千兆以太网 802.3zMAC 子层半双工使用 CSMA/CD全双工不使用10 千兆以太网 802.3aeMAC 子层只有全双工介质、电线数量、最大长度、线路编码、块编码14 无线局域网IEEE802.11 无线局域网体系结构基本服务集 BBS不带 AP 的 BBS特别网络带 AP 的 BBS基础设备网络拓展服务集 ESS两个或多个带 AP 的 BBS相连通过分布式系统站点类型不迁移BBS 迁移、ESS 迁移MAC 层分布式协调功能 DCF访问方式: CDMA/CACDMA/CA处理流程图帧交换时隙分布式帧间时隙 DIFS短帧间时隙 SIFS网络
12、分配矢量握手时的冲突点协调功能 PCF集中式、无竞争的轮询优先级 PCFDCF分段、帧格式寻址机制四种情况隐藏/暴露站点问题物理层802.11、802.11a 、 802.11b、802.11g蓝牙体系结构微微网络7 从 1 主 1 休眠散射网络蓝牙设备蓝牙层无线电层频带、FHSS、调制 GFSK基带层时分双工 TDMA单一从设备通信物理链路SCO 链路(同步面向连接链路)ACL 链路(异步无连接链路)帧格式逻辑链路控制和自适应协议L2CAP多路复用分段和重组QoS 服务质量组管理15 连接局域网、主干网和虚拟局域网连接设备五类连接设备与 OSI 层次的关系网关路由或三层架换机网桥或两层交换机
13、中继器或集线器 无源集线器无源集线器(物理层以下)中继器(只物理层)再生器,不是放大器,逐位地以原始信号强度生成一个拷贝有源集线器(只物理层)网桥(物理、数据链路)过滤!透明网桥转发、学习、循环问题生成树源路由网桥用网桥连接不同的局域网两层交换机(物理、数据链路)路由器(前三)三层交换机(前三)网关(因特网模型的全五)主干网总线型主干网星型主干网连接远程 LAN虚拟局域网软件划分的逻辑 LAN,非物理的网段16 无线 WAN:移动电话和卫星网络移动电话信元 cell、基站 BS、移动交换中心MSC频率复用原理(蜂巢模型)传输接收:硬软切换、寻呼漫游第一代AMPS第二代D-AMPS(IS-136
14、)GSMIS-95第三代卫星网络轨道、覆盖区域人造卫星(GEO/LEO/MEO)卫星通信频段GEOMEO:GPS(24 颗)LEO:铱星系统、全球星系统Teledesic 第一个宽带 LEO17 广域网 SONET/SDHSONET(同步光纤网路)由 ANSI定义SDH(同步数字体系)由 ITU-T 定义基于光纤传输定义的标准体系结构信号SONET同步传输信号 STSSDH同步传输模块 STMSONET 设备STS 多路复用器/ 分离器再生器分插复用器终端连接段、线路、路径SONET 层路径层、线路层、段层、光子层SONET 帧二维矩阵帧、字节和位传输STS-1 帧格式开销总结封装STS 多路
15、复用字节交替重组信号分插复用器SONET 网络线状:点到点、多点APS 自动保护交换环状:UPSR、BLSR网状虚拟支路 VT18 虚电路网络:帧中继和 ATM帧中继虚电路广域网,突发性数据结构虚电路VCI 虚通道标识符VPI 虚路径标识符帧中继中的 VCI数据链路连接标识符 DLCI永久虚电路 PVC交换虚电路 SVC交换机帧中继层物理层、数据链路层扩展地址FRADVOFRLMI拥塞控制和服务质量ATM异步传输模式,信元中继协议设计目标问题帧网络混合网络通信信元网络异步 TDM结构虚连接、标识符、信元、连接建立与释放交换ATM 层物理层:SONER 或其他ATM 层AAL:1、2、3/4、5
16、拥塞控制和服务质量ATM 局域网ATM 局域网体系结构纯 ATM 体系结构继承 ATM 局域网混合结构局域网仿真(LANE )客户/服务器模型具有客户/服务器的混合体系结构第四部分 网络层19 逻辑寻址IPv4 地址地址空间 232、4 字节=32 位标记法二进制标记、点分十进制分类寻址class A: 0 (128)class B: 10 (64)class C: 110 (32)class D: 1110 (16)class E” 1111 (16)地址类与地址块网络号与主机号掩码子网化、超网化地址耗尽无类寻址地址块、限制条件掩码网络地址层次结构二级层次结构:没有子网网络号+主机号前缀 后
17、缀三级层级结构:子网化多级层级结构地址分配网络地址转换(NAT)“小马甲”您好吖地址转换转换表使用一个 IP 地址运用 IP 地址池同时运用 IP 地址和端口号NAT 和 ISPIPv6 地址结构16 字节=128 位十六进制冒号简略表示地址空间2128单播、多播、广播、任播地址、保留、未指明、本地地址20 IP 协议网际互联网络层需求分段、重组作为数据报网络的因特网网络层数据报分组交换作为无连接网络的因特网面向连接的服务例如帧中继、ATM 的虚电路分组交换无连接的服务目的异构网络IPv4不可靠、无连接、数据报协议尽力传输数据报头部 2060 字节数据报格式分段最大传输单元(MTU)与分段相关
18、的字段“分段偏移”是指除去头部的数据部分的偏移量头部的复制和改变校验和选项IPv6优点分组格式扩展头部分段全部由源端完成IPv4 到 IPv6 的过渡双协议栈、隧道技术、头部转换21 地址映射、差错报告和多播地址映射静态/动态映射ARP逻辑地址物理地址高速缓存器分组格式(查询、响应分组)封装操作四种不同的情况代理 ARPRARP、BOOTP、DHCP物理地址逻辑地址RARP 反向地址解析协议BOOTP 引导程序协议DHCP 动态配置协议ICMP因特网控制报文协议报文类型差错报告、查询报文报文格式差错报告目的端不可达、源端抑制、时间超时、参数问题、重定向查询回送请求和回答(ping) 、时间戳请
19、求和回答、地址掩码请求和回答、路由器询问和通告调试工具Ping、TracerouteIGMP因特网组管理协议组管理IGMP 报文报文格式操作封装Netstat 应用程序ICMPv6和 ICMPv4 对比取消源端抑制,增加分组太大22 传递、转发和路由选择传递直接/间接传递转发转发技术转发过程地址聚合最长掩码匹配路由器的连接方式不影响地址聚合的思想分层路由选择地址路由选择路由表静态、动态、格式单播路由选择协议优化原则域内部和域间路由选择域内自治、域间统一域内:RIP 、OSPF域间:BGP路由选择信息协议 RIP距离向量协议,度数衡量表距离向量距离最小两节点不稳定解决:定义无穷大16、分割范围与
20、毒性逆转三节点稳定不保障RIP16 定义为无穷大开放最短路径有限 OSPF链路状态协议边际网关协议 BCP路径向量协议,节点可达性表多播路由选择协议单播、多播与广播单播多播广播多播与多个单播用单播仿真多播应用分布式数据库、信息发布、新闻传播、电话会议、远程学习多播路由选择优化路由选择:最短路径树基于源树、组共享树多播路由选择协议基于源树MOSPFDVMRPPIM-DM组共享树CBT 基于核的树协议PIM-SM第五部分 传输层23 UDP、TCP 和 SCTP进程到进程的传递客户/服务器模式寻址IANA 范围套接字 Socket 地址IP 地址+ 端口号复用与分离无连接与面向连接服务可靠与不可靠
21、服务三种协议用户数据报协议 UDP面向报文熟知端口号用户数据报校验和UDP 的操作无连接服务流量控制和差错控制封装与拆封排队UDP 的使用传输控制协议 TCP面向字节TCP 服务进程到进程、流传输服务、全双工通信、面向连接、可靠TCP 特点序号系统流量/差错/拥塞控制段TCP 的分组称为“段”格式TCP 连接连接建立数据传输连接终止流量控制滑动窗口:面向字节、大小可变差错控制校验和、确认、重传、快速重传、失序的段拥塞控制流传输控制协议 SCTP兼具面向报文和字节的特性SCTP 服务进程到进程的通信、多流、多接口、全双工通信、面向连接、可靠SCTP 特性传输序列号、流标识符、流序列号、分组、确认
22、号、流量/差错/拥塞控制分组格式通用头部大块SCTP 关联关联建立:四次握手、Cookie数据传输关联终止流量控制差错控制拥塞控制24 拥塞控制和服务质量同时涉及数据链路、网络和传输层三层数据通信量通信量描述通信量特征值拥塞延迟和载荷吞吐量和载荷拥塞控制开环拥塞控制拥塞发生前重传、窗口、确认、丢弃、许可闭环拥塞控制背压、抑制分组、隐含信令、显式信令两个示例TCP 中的拥塞控制慢速启动:指数增长拥塞避免:加性增加拥塞检测:乘性减少帧中继中的拥塞控制服务质量 QoS数据流特性可靠性、延迟、抖动、带宽数据流类型改进 QoS 的技术调度先进先出队列优先权队列加权公平队列通信量整形漏桶令牌桶两者结合资源预留许可控制综合业务差分业务交换网路中的 QoS第六部分 应用层常见应用协议的基本工作原理协议所处层次,提供服务的知名端口号,以及它所依赖的传输层协议