计算机网络复习1.doc

-数据传输-传输介质 在网络的最低层次上，所有计算机通信都以某种能量形式对数据进行编码，并将这些能量通过传输介质发送出去。 （1）模拟信号与数字信号 连续的信号 离散化信号？ （2）信号能量形式 电流 无线电波 （3）编码与解码的概念 （4）双绞线 UTP与STP双绞线既能传输模拟信号又能传输数字信号；双绞线的通信距离一般为几到几十公里，距离太长，信号会衰减，需要用中继器进行整形和放大。双绞线还分为屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)和非屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair) （5）光纤 单模与多模单模光纤（single-mode fiber）使用激光源中继距离100公里内芯直径较小: 直径为810m/125 m多模光纤（multi-mode fiber）使用普通发光二极管作为光源中继距离2公里内芯直径稍大: 直径为62.5m/125m 可靠性与信道编码 （1）奇偶校验奇偶校验（ p a r i t yc h e c k）机制要求发送计算机在发送前对每一个字符都计算一个附加位，叫做奇偶位（parity bit），并把它放在每一个字符后面。在一个字符的所有位到达之后，接收计算机去掉奇偶位，进行与发送计算机同样的计算，并证实结果与奇偶位一致。之所以选择这种奇偶计算是因为如果字符中的一位在传输中被破坏了，那么接收计算机的计算结果不会与奇偶位一致，它就能报告有差错发生。奇偶校验表明了网络硬件与软件实现过程中的一个重要思想：为了检测差错，网络系统通常随数据一起发送一小部分附加信息。发送计算机根据数据计算附加信息的值，并且接收计算机进行同样的计算来核对结果。6.8 差错检测中的概率和算术奇偶校验不能检测改变两位的传输差错。事实上，奇偶校验不能检测任何改变偶数位的传输差错。在最坏情况下，所有位是1的字符变成全0，偶校验位还是保持不变。 （2）16位检查和(CHECKSUM)6.9 校验和检测差错许多计算机网络系统随同每个包一起发送一个校验和（ c h e c k s u m）来帮助接收计算机检测差错。为了计算校验和，发送计算机把数据看成二进制整数序列并且计算它们的和。数据并不限制为整数值它能包含字符，浮点数或位图。网络系统为了计算校验和，它只把数据当成整数序列处理。校验和方法既有优点也有缺点。主要的优点是计算的容易性与校验和的大小。大多数网络应用1 6位或3 2位的校验和技术，为每一个包计算一个校验和。检验和的小尺寸意味着传输校验和的费用比传输数据的费用小很多。另外，因为校验和只要求加法，所以创建或核对校验和所需的计算量很小。校验和的缺点是不能检测所有常见错误。例如，图6 - 7中的表显示出当四个数据项中的某一位都取反时，校验和用来检测这样的传输差错是不够的（把这个例子扩展到整个包时，我们可以想象这四个改变的数据项多次发生）。尽管有这些改变，接收计算机还是认为包有正确的校验和。 （3）32位循环冗余校验（CRC）6.10 循环冗余校验检测差错网络系统怎样才能在不增加每个包的附加信息量的情况下检测出更多的差错？答案就是循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，C R C）技术（C R C技术除了用于计算机网络，还用于验证记录在存储设备上的数据的正确性，如磁盘）。它能比校验和检测出更多的差错。尽管C R C机制可以用数学方法来分析，但其简单和巧妙的特点只能通过理解其硬件实现来体会。 传输模式 （1）串行与并行传输如果数据的各位在导线上逐位传输，通信被称为串行的（s e r i a l）与串行通信相对的是并行（ p a r a l l e l）通信，使用多根导线，并允许同时在每一根导线上传输一位典型的计算机都有串行和并行输入输出端口。RS-232是串行 异步通信 （2）同步与异步传输同步(synchronous)通信数据发送方生成的数据中包含了有效数据的位置信息数据接收方根据有效数据的位置信息提取相应的有效数据通信的双方在开始通信之前必须完成协调工作，即必须进行同步处理数据基本单元保持顺序传输，对空数据必需填充对应的空单元异步通信 数据发送方不需要包含有效数据的位置信息 数据接收方对接收的信息能够直接提取有效数据 通信的双方不需要事先进行任何同步工作。（3） 单工、半双工与全双工传输在两个方向上的同时传输就是我们所说的全双工传输（ full duplex transmission），单向传输则被称为半双工传输或单工传输（half duplex transmission或simplex transmission）。 （4）RS232-C标准（机械特性、电气特性）电子工业协会（ EIA ）RS-232异步串行通信接口对数据按照位进行序列化发送和接收发送方和接收方不需要进行同步操作数据值仅有0和1两种形式，不出现“空”状态7位作为一个发送单元对应每个数据单元，增加一个“0”作为开始位，“1”作为结束位接收方接收到有效数据开始位后，严格按照时间片顺序完成数据接收，直到接收完结束位为止通信距离（15m），可以用电缆直接连接到标准RS232端口。 （5）DEC与DTE设备Technically, the two types of connectors are associated with Data Communication Equipment(DCE数据通信设备) and Data Terminal Equipment(DTE).A cable that connects a computer to a modem has a wire from pin 2 to pin 2 and a wire from pin 3 to pin 3.A cable used to connect two computers(i.e., two DCE devices) must have a wire from pin 2 to pin 3 and a wire from pin 3 to pin 2. The exchange is often called a 2-3swap(2-3交换) 调制与调制解调器 载波即使没有数据传输，也会持续保持振荡1） 信常用的调制技术：为发送数据，发送器略微修改其载波，这种修改称为调制（ m o d u l a t i o n）。 （1）调幅 AM调幅根据所发送的信息相应改变载波的强度。（也就是起伏会有所影响） （2）调频 FM 调频则根据所发送的信息相应改变载波的频率。（频率会有所影响） （3）调相 PM 相位移动调制（ phase shiftm o d u l a t i o n）技术通过突然改变载波的相位来编码数据。每一个变化称为一个相位移动（phase shift）。在一个相位移动之后，载波继续振荡，但它从载波周期的一个新位置开始 2）调制解调器接收一串数据位，并根据这些位串调制载波的硬件线路称为调制器（ m o d u l a t o r）；而接收载波，并重建调制在载波上的数据的各二进制位的硬件线路称为解调器（ d e m o d u l a t o r）。因此，长距离数据传输要求在线路的一端有一个调制器，另一端有一个解调器。实际上，绝大多数网络都是全双工的，即允许数据的双向流动。为支持这一全双工通信，每一站点需要一个调制器用于发送数据和一个解调器用于接收数据。复用与解复用 时分复用时分多路复用（ Time Division Multiplexing，T D M）。在这种方式中各个发送源轮流使用共享的通信介质。这一方法给每个数据源以同等的机会使用共享的介质。 （2）频分复用。频分多路复用（frequency division multiplexing，F D M）是用多个载波频率在一个介质中同时传输多个独立信号的计算机网络术语。F D M技术可用于在导线、R F或光纤上传输信号。频分多路复用（ F D M）允许多对发送器和接收器在一个共享介质上同时通信。每对装置的载波使用唯一的并且互不干扰的频率。 （3）波分复用光的F D M被称为波分多路复用（wave division multiplexing）。因为可见光的频率在人们看来就是不同的颜色，工程师们有时也使用非正式的说法：色分多路复用（ color division multiplexing），并将载波戏称为“红”，“橙”，“蓝”等。波分多路复用将多种光波通过同一根光纤发送。在接收端，一块玻璃棱镜被用来分开不同频率的光波。和一般的F D M类似，因为特定频率的光不会干扰另一频率的光，所以不同频率的载波可以合并在同一介质中传输。接入与互连技术 1) 接入（1）PSTN（2）ISDNIntegrated Services Digital Network (ISDN综合业务数字网).The 2B+D channels are known as the ISDN Basic Rate Interface(BRI)。2B+D (B: 64Kbps, D: 16Kbps).The two B channels are intended to carry digitized voice,data,or compressed video.The D channel is intended as a control channel.（3） ADSL不对称数字用户线技术从用户的角度来看，A D S L提供了高速发送和接收数字信息的能力。然而正如其名字所暗示的，该服务是不对称的。在A D S L中，其不对称是指位速率可用带宽被划分成一个方向的位速率远高于另一个方向。专家使用“下行流（ d o w n s t r e a m）”指流向用户的数据，用“上行流”指用户发出的数据。用户线可以通过分配带宽，为下行流方向提供更高的位速率来优化处理不对称的流量。（4）Cable-Modem（5）无线 2）DSC与CSUDigital circuits leased from common carriers.The standards for telephone system digital circuits differ from those used in the computer industry.DSU: Data Service UnitCSU: Channel Service Unit. 3) 数字电话标准In the U.S., standards for digital telephone circuits : T-series standards.Japan adopted a modified version of the T-series standards.Europe chose a slightly different scheme (E-series standards). （1）T系列标准（T1,T2,T3） （2）E系列标准(E1,E2,E3) 4）干线标准电话公司用“干线”来表示高容量线路同步传输信号（ Synchronous Transport Signal，S T S）”（1） OC标准(OC1,OC2,OC3)O C是光纤载波（O p t i c a lC a r r i e r）的简称，这个术语来源于S T S系列标准中的更高传输速率需要使用光纤。要准确地搞清术语S T S和O C之间的区别： S T S标准指数字线路接口中所用的电子信号（即通过铜线），而O C标准指沿着光纤传播的光学信号。与其他网络术语一样，很少有人去区分它们。O C - 3这个词常常被网络工作人员既用来指光纤线路又用来指接口。同步光网络（1）SONET 北美 同步光纤网（2）SDH 欧洲 同步数字体系 -分组交换及网络技术 -局域网：分组、帧和拓扑 1）交换技术 （1）线路交换 （2）分组交换 2）局域网拓扑共享通信信道 星型拓扑 ATM异步传输模式如果所有计算机都连在一个中心站点上，那么网络使用了星型拓扑（ star topology）。图7 - 3表明这个概念。因为星型网络象车轮的轮辐，所以星型网络的中心通常被称为集线器（H u b）。典型的集线器包括了这样一种电子装置，它从发送计算机接收数据并把数据传输到合适的目的地。图7 - 3表示了一个理想的星型网络。实际上，星型网络几乎没有那种集线器与所有计算机都有相同距离的对称形状。相反，集线器通常安放在与所连计算机相分离的地方环状拓扑 IBM令牌环使用环状拓扑（ring topology）的网络将计算机连接成一个封闭的圆环，一根电缆连接第一台计算机与第二台计算机，另一根电缆连接第二台计算机与第三台，以此类推，直到一根电缆连接最后一台计算机与第一台计算机。因为我们能如图7 - 4所示想象出电缆把计算机连接成一个圆环，所以环状的名字由此产生。如同星型拓扑一样，需要理解环状拓扑是指计算机之间的逻辑连接而不是物理连接，这是很重要的。环状网络中的计算机和连接不必安排成一个圆环。 总线结构 以太网使用总线拓扑（bus topology）的网络通常有一根连接计算机的长电缆（实际上，总线网络的末端必须被终止，否则电信号会沿着总线反射）。任何连接在总线上的计算机都能通过总线发送信号，并且所有计算机也都能接收信号。图7 - 5表明了该拓扑结构。由于所有连接在电缆上的计算机都能检测到电子信号，因此任何计算机都能向其他计算机发送数据。当然，连接在总线网络上的计算机必须相互协调，保证在任何时候只有一台计算机发送信号，否则会发生冲突。 IEEE MAC子层 （1） 以太网MAC地址编址方案大多数局域网技术使用一种编址方案（ addressing scheme）来提供直接通信。局域网上的每个站点都分配了一个唯一的数值，叫做硬件地址（ hardware address ）或物理地址（ p h y s i c a la d d r e s s）或介质存取地址（media access address，MAC address）。当发送计算机在局域网上传输一帧时，帧中包含接收方的物理地址。尽管共享允许所有站点接收位串的副本，但每个站点的局域网硬件检测每一传入帧中的地址来决定是否应该接收该帧。局域网硬件是完全独立于计算机的C P U和内存。网卡的任务：检测帧是否存在有效性检验判断是否接收CPU的任务判断是否传给上层处理分层处理的目的：减少CPU的负荷数据包过滤是通信接收方的动作通过检测数据的标识，对符合接收条件的：复制帧中断CPU，将复制后的帧交给CPU继续等待下一个帧对不符合接收条件的：放弃接收，继续等待下一个帧（2）以太网介质访问控制策略（CSMA/CD）两个信号的相互干扰称为冲突。尽管冲突不会损坏硬件，但是它产生了混淆的传输，阻止了任何一个帧的正确接收。为了确保没有其他计算机同时传输，以太网标准要求每个发送站监测电缆上的信号。如果电缆上的信号不同于该站发送出去的信号，即意味着出现了冲突（为确保冲突在停止发送前到达所有的计算机，以太网标准规定了最大的电缆长度和最小的帧尺寸）。当一台正在发送的计算机检测到冲突，它立即停止传输。这种在传输的过程中监测电缆的方法称为冲突检测（Collision Detect，C D），并且这种以太网机制称为载波侦听多路存取/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detect，C S M A / C D）。C S M A / C D不仅仅只检测冲突它也能从冲突中恢复 有线局域网技术 （1） 以太网帧结构局域网扩展技术 （1） 冲突域与广播域的概念（2） 最大媒体段长度的概念（3） 局域网扩展设备（1） 中继器到限制局域网连接距离的一个因素是电子信号在传输时会衰减。为消除这个限制，一些局域网用中继器来连接两根电缆。中继器是能持续检测电缆中模拟信号的设备。当它检测到一根电缆中有信号传来时，中继器便转发一个放大的信号到另一根电缆。一个中继器连接两根称为网段（ s e g m e n t）的以太网电缆，每个网段都连有通常的终结器。中继器不了解帧的格式，也没有物理地址。中继器直接连到以太网电缆上，并且把信号从一根电缆发送到另外一根电缆，而不等待一个完整的帧。中继器是用以扩展局域网的硬件设备。中继器接收从一个网段传来的所有信号，放大并发送到另一个网段。扩展局域网上的任何一对计算机都能互相通信，计算机并不知道是否有中继器把它们分开。虽然这样能保证有足够的信号强度，但每个中继器和网段都增加了延迟。以太网C S M A / C D协议要求短时延，如果延迟太长，协议就不能工作。实际上，中继器是当前以太网标准的一部分，如果任何一对工作站之间的中继器超过四个，网络便不能正常运行（ 1 0 B a s e - T布线中的一个以太网集线器也算作一个中继器）。（2） 集线器集线器和交换机的区别在于它们的工作方式：集线器类似于共享的介质，而交换机类似于每台计算机组成一个网段的桥接局域网。使用交换机代替集线器构成局域网的主要优点类似于用桥接网来代替单个网段：并行性。因为集线器类似于由所有计算机共享的单个网段，所以在一个给定的时间内，最多只有两台计算机能通过集线器进行通信。（3） 网桥网桥（ b r i d g e）也是连接两个网段的设备。但和中继器不一样，网桥能处理一个完整的帧，并使用和一般计算机相同的接口设备。网桥以一种混合方式侦听每个网段上的信号，当它从一个网段接收到一个帧时，网桥会检查并确认该帧是否已完整地到达（例如在传输中局域网内无电子干扰），然后，如果需要的话就把该帧传输到其他网段。这样，两个局域网网段通过网桥连接后，就象一个局域网一样网桥是用以扩展局域网的硬件设备。连接两个网段的网桥能从一个网段向另一个网段转发完整而且正确的帧，而不会转发干扰或有问题的帧。桥接局域网上任何一对计算机都能互相通信，计算机不知道是否有网桥把它们隔开。网桥最有用的功能是帧过滤（ frame filtering）在需要时网桥才转发帧。特别地，如果一台计算机向同一网段上的另一台计算机发送帧，网桥就无需向另一网段转发该帧。可适应的网桥检查所接收到的每个帧的帧头物理地址。网桥用源地址自动确定发出帧的计算机的位置，用目标地址来决定是否转发该帧。（4） 交换机、广播风暴与分布生成树Spanning Tree(802.1d)算法用生成树来解决在帧扩散中所产生的广播风暴问题（5）路由器广域网技术与动态路由 1） 广域网的概念广域网能按需要连接地理距离较远的许多站点，每个站点内有许多计算机。2） 路由工作原理路由器是一台用于完成网络互联工作的专用计算机。一个路由器可以将两个使用不同技术，包括不同的介质、物理编址方案或帧格式的网络互联。3） 常见广域网技术（1） ARPANET（2） X.25（3） 帧中继FR （4）ATM-网络互联- 网络互联：概念、结构与协议 1） 网络互联与虚拟网络的概念 尽管网络技术互不兼容，研究人员仍然设计出一种方案，能在异构网络间提供通用服务。这一称为网络互联（ i n t e r n e t w o r k i n g）的方案既用到了硬件，也用到了软件。附加的硬件系统把一组物理网络互联起来，然后在所有相连的计算机中运行的软件提供了通通用服务。连接各种物理网络的最终系统被称为互联网络（ i n t e r n e t w o r k）或互联网（i n t e r n e t）。 用于连接异构网络的基本硬件是路由器（ r o u t e r）。路由器在物理上类似于桥接器每个路由器是一台用于完成网络互联工作的专用计算机。像桥接器一样，路由器有常规的处理器和内存，并对所连接的每个网络都有一个单独的输入输出接口 互联网由一组通过路由器连接的网络构成。互联网方案允许每个组织选择网络的数量和类型、用于连接它们的路由器的数目以及具体的互联拓扑结构。 互联网软件为连接的许多计算机提供了一个单一、无缝的通信系统。这一系统提供了通用服务：给每台计算机分配一个地址，任何计算机都能发送一个包到其他计算机。而且，互联网软件隐藏了物理网络连接的细节、物理地址及路由信息用户和应用程序都没意识到物理网络和连接它们的路由器的存在。 互联网是一个虚拟网络（ virtual network）系统，因为这一通信系统是一个抽象。也就是说，虽然硬件和软件联合提供了一个单一网络的错觉，但这一网络并不存在。2） ISO网络协议的分层模型（OSI 7层）为网络互联而开发的最重要协议是众所周知的T C P / I P互联网协议（ TCP/IP InternetP r o t o c o l s），通常简称为T C P / I P。T C P / I P运行良好并能处理大型互联网。除了用于许多私有互联网以外，T C P / I P还用于在1 0 7个国家拥有超过三千六百万台计算机的全球因特网。3） TCP/IP协议栈（5层）第一层：物理层第一层对应于基本网络硬件。例如，在第4章中讲到的R S - 2 3 2规范属于第一层，给出了局域网硬件的详细规范。第二层：数据链路层第二层协议规定怎样把数据组织成帧及怎样在网络中传输帧。例如，在第6章讲到的帧格式、充填的位或字节以及校验和的计算都划归第二层。第三层：网络层第三层协议规定怎样分配地址，怎样把包从网络的一端转发到另一端。第8章所讲的编址和第1 2章中的转发细节都属于第三层。第四层：传输层第四层协议规定怎样处理可靠传输的细节，是最复杂的协议之一。本章讨论基本的传输问题，后面章节将举出一个传输协议的例子。第五层：会话层第五层协议规定怎样与远程系统建立一个通信会话（例如，怎样登录到一台远程分时计算机）。第五层规范了安全细节，例如，通过口令获得授权。第六层：表示层第六层协议规定了怎样表示数据。需要这层协议是因为不同品牌的计算机对整数和字符使用不同的内部表示。因此，需要第六层协议把在一台计算机上的表示翻译成在另一台计算机上第七层：应用层 网际协议编址 1） IPV4协议 In the TCP/IP protocol stack, addressing is specified by the Internet Protocol(IP) .Each host is assigned a unique 32-bit number known as the hostInternet Protocol address(or IP address).To transmit information across a TCP/IP internet, a computer must know the IP address of the remote computer to which the information is being sent. 在T C P / I P协议栈中，编址由互联网协议（ Internet Protocol，I P）规定。I P标准规定每台主机分配一个3 2位二进制数作为该主机的互联网协议地址（ Internet Protocol address），常简写为I P地址或互联网地址（这三项在本著作及本文中作为同义词使用）。在互联网上发送的每个包中含有这种3 2位的发送方（源）I P地址和想要送达的接收方（目的） I P地址。这样，为了在使用T C P / I P的互联网上发送信息，一台计算机必须知道接收信息的远程计算机的I P地址。概述如下：互联网地址（I P地址）是一个分配给一台主机，并用于该主机所有通信的惟一的3 2位二进制数。概念上，每个3 2位I P地址被分割成两部分：前缀和后缀，这样的两级层次结构设计寻径很有效、。地址前缀部分确定了计算机从属的物理网络，后缀部分确定了该网络上的一台计算机。也就是说，互联网中的每一物理网络分配了惟一的值作为网络号（network number）。网络号在从属于该网络的每台计算机地址中作为前缀出现。更进一步说，同一物理网络上每台计算机分配了唯一的地址后缀。I P地址层次保证了两个重要性质：1） 每台计算机分配一个惟一地址（即一个地址从不分配给多台计算机）。2） 虽然网络号分配必须全球一致，但后缀可本地分配，不需全球一致。第一个性质得到保证，因为整个地址包括前缀和后缀，它们分配时保证惟一性。如果两台计算机从属于同一个物理网络，它们的地址有不同的后缀。 2）IPV4编址方案A类、B类、C类 点分十进制非常适合于I P地址，因为I P以八位位组为界，把地址分为前缀和后缀。在A类地址中，后三组对应于主机后缀。类似地， B类地址有两组主机后缀，C类地址有一个组主机后缀。 不幸的是，由于点分十进制表示法使得地址各个二进制位不可见，地址类别必须从第一组的十进制值中重新辨认。 数据报转发 1）无连接服务的概念 网络互联的目的是为了提供这样一种包通讯系统：一台计算机上运行的程序能够向另一台计算机上运行的程序发送数据。在一个设计良好的互联网中，底层物理网络对应用程序来说是透明的这些应用程序能够收发数据而又无须了解很多细节，比如本机所连的局域网、目的机所连的远程网络以及两者之间的互联等等。协议的设计者必须决定互联网协议要提供哪些通讯服务，以及如何高效地实现这些服务。 另外，设计者还须决定是否为程序提供面向连接（ c o n n e c t i o n - o r i e n t e d）的服务，或是无连接（c o n n e c t i o n l e s s）的服务，或是两者都提供。 T C P / I P的设计者既提供了无连接服务，也提供了面向连接的服务：他们选择了无连接的基本传送服务（delivery service），并在这些无连接的底层服务之上增加了可靠的面向连接的服务。这一设计非常成功，以至于经常被其他的协议所模仿。2） IPV4包格式 为了克服异构性，互联网协议软件定义了一种独立于底层硬件的互联网包格式。结果就产生了一种能无损地在底层硬件中传输的通用的（ u n i v e r s a l）、虚拟的（v i r t u a l）包 由于路由器可能连接异构的网络，它就不能直接将网上送来帧的传给另一个网。为了克服异构性，一个互联网必须定义一种与硬件无关的包格式。 3）IP数据报转发 T C P / I P协议使用I P数据报（ IP datagram）这个名字来命名一个互联网包I P数据报也是以一个头部开始，后跟数据区。 一个数据报携带的数据量不固定，发送方根据特定的用途选择合适的数据量。例如，一个应用若需要传送击键信息，则可以将每次击键放在单独的数据报中，而当一个应用要传送大文件时，则会发送大数据报。关键在于：数据报的尺寸取决于发送数据的应用。大小可变的数据报使得I P可以适应各种应用。IP报文头格式的组成（基本长度：20B）版本号：4bits报头长度：4bits服务类型：8bits总长度：16bits标识：16bitsIP分片标志：3bits片偏移：13bits一个数据报沿着从源地址到目的地的一条路径穿过互联网，中间会经过很多路由器。路径上的每个路由器收到这个数据报时，先从头部取出目的地址，根据这个地址决定数据报该发往的下一站。然后路由器将此数据报转发给下一站，该下一站可能就是最终目的地，也可能是另一个路由器。为了使对下一站的选择高效而且便于理解，每个I P路由器在一张路由表（r o u t i n gt a b l e）中保存有很多路由信息。当一个路由器启动时，需对路由表进行初始化，而当网络的拓扑发生变化或某些硬件发生故障时，必须更新路由表