计算机网络期末复习.ppt

计算机网络基础 湖南城市学院信息科学与工程学院 目录 第1章概述第2章物理层第3章数据链路层第4章网络层第5章运输层第6章应用层第7章网络安全 第1章概述 1 1计算机网络在信息时代中的作用1 2因特网概述1 3因特网的组成1 4计算机网络在我国的发展1 5计算机网络的类别1 6计算机网络的性能1 7计算机网络的体系结构 主要知识点 计算机网络定义与功能因特网的发展 组成因特网的两种工作模式和三种交换技术计算机网络在我国的发展计算机网络的分类计算机网络的性能OSI参考模型TCP IP参考模型 计算机网络的定义最简单的定义 计算机网络是一些互相连接的 自治的计算机的集合 计算机网络的主要功能 连通性 信息交换 资源共享 因特网的核心部分 因特网的边缘部分 主机 网络 路由器 资源子网 通信子网 host 因特网的组成 三种交换的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 数据传送的特点 比特流直达终点 报文 报文 报文 分组 分组 分组 存储转发 存储转发 存储转发 存储转发 1 4计算机网络在我国的发展 1 中国公用计算机互联网CHINANET 2 中国教育和科研计算机网CERNET 3 中国科学技术网CSTNET 4 中国联通互联网UNINET 5 中国网通公用互联网CNCNET 6 中国国际经济贸易互联网CIETNET 7 中国移动互联网CMNET 8 中国长城互联网CGWNET 建设中 9 中国卫星集团互联网CSNET 建设中 1 5计算机网络的分类 按网络覆盖范围分按网络拓扑结构分按数据传输方式分按通信介质分按网络的使用者分 1 5 2几种不同类别的网络 按网络覆盖范围分广域网WAN WideAreaNetwork 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 局域网LAN LocalAreaNetwork 个人区域网PAN PersonalAreaNetwork 从拓扑结构分类 总线型星型树型环型网状型混合型 星形拓扑 树形拓扑 总线型拓扑 环形拓扑 网状拓扑 按通信传播方式分 点对点传输方式的网络广播方式网络 按通信介质分 有线网络无线网络 按网络的使用者分公用网 publicnetwork 公用网又称公众网 只要符合网络拥有者要求的人就能使用这个网 专用网 privatenetwork 专用网为一个或几个部门所拥有 只为拥有者提供服务 性能指标 误码率 biterrorratio BER 是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标 误码率 传输中的误码 所传输的总码数 100 IEEE802 3标准规定 1000Base T网络可接受的最高限度误码率为10 10 1 7计算机网络的体系结构1 7 1计算机网络体系结构的形成 分层原因 分层 可将庞大而复杂的问题 转化为若干较小的局部问题 而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理 分层的好处 各层之间是独立的 灵活性好 结构上可分割开 易于实现和维护 能促进标准化工作 1 7 2协议与划分层次 网络协议 networkprotocol 简称为协议 是为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定 协议三要素 语法 语义 同步 1 7 3实体 协议 服务和服务访问点 实体 entity 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合 在协议的控制下 两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务 要实现本层协议 还需要使用下层所提供的服务 实体 协议 服务 协议 n 1 SAP服务访问点 SAP 交换原语 交换原语 实体 n 1 服务提供者 第n层 第n 1层 实体 n 1 服务用户 实体 n 实体 n 协议 n 服务 小结 下层的协议对上层的服务用户是透明的 协议是 水平的 即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 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方 称为服务访问点SAP ServiceAccessPoint 1 7 4计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构 architecture 是计算机网络的各层及其协议的集合 OSI参考模型 七层TCP IP参考模型 四层 TCP IP和OSI参考模型 位 bit 帧 frame 分组 packet 报文 message 数据 data 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 相同点采用分层的协议模型 层次的功能大体相同 两种参考模型的比较 重点 不同点服务 接口 协议概念的区分 层数 模型的通用性 通信服务类型 OSI 网络层上提供面向连接和无连接两种通信服务 而在传输层上只提供面向连接服务 TCP IP 网络层上只提供无连接服务 而在传输层上提供面向连接和无连接两种服务 两种参考模型的比较 续 Back 第2章物理层 2 1物理层的基本概念2 2数据通信的基础知识2 3物理层下面的传输媒体2 4信道复用技术2 5数字传输系统2 6宽带接入技术 主要知识点 物理层的基本概念数据通信基础知识信道的极限容量 Nyquist定理 Shannon定理传输介质信道复用技术数字传输系统与脉码调制PCM宽带接入技术 2 1物理层的基本概念 2 四个特性 机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸 引线数目和排列 固定和锁定装置等等 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的某一电平的电压表示何种意义 过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序 5 15表示二进制0 15 5表示二进制1 1 功能 完成相邻节点之间原始比特流的传输 2 2数据通信的基础知识2 2 1数据通信系统的模型 调制解调器 PC机 公用电话网 调制解调器 数字比特流 数字比特流 模拟信号 模拟信号 输入汉字 显示汉字 PC机 并行传输 同时传输一组比特 每个比特使用单独的一条线路 串行传输 使用一条线路 逐个地传输所有的比特 传输方式 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 双向交替通信 半双工通信 通信的双方都可以发送信息 但不能双方同时发送 当然也就不能同时接收 双向同时通信 全双工通信 通信的双方可以同时发送和接收信息 数据通信方式 2 数据传输方式 频带传输数字信号调制成音频模拟信号后再传送 接收方需要解调 例如 通过电话网络传输数据 基带传输数字信号以原来的 0 1 形式原封不动地在信道中传输 直接传输二进制数字信号的信道 对信号要进行编码 a 单极性不归零编码在每一码元时间内 有电流发出表示 1 无电流发出表示 0 每个码元的中心是取样时间 b 双极性不归零编码正脉冲表示 1 负脉冲表示 0 正负脉冲幅值相等 c 单极性归零编码 1 发正的窄脉冲 0 无电流发出 d 双极性归零编码 1 发正的窄脉冲 0 发负的窄脉冲 编码的方法 a 单极性不归零编码 b 双极性不归零编码 c 单极性归零编码 d 双极性归零编码 e 曼彻斯特编码将每个码元分成两个相等的间隔 码元 1 是由高至低电平转换 码元 0 则正好相反 由低至高电平转换 f 差分曼彻斯特编码在每一个码元的正中间有一次电平转换 表示 1 时 其前半个码元的电平与上一个码元的电平相同 表示 0 时 其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反 高 低的跳变代表1 低 高的跳变代表0 有跳变代表0 无跳变代表1 高 低的跳变代表0 低 高的跳变代表1 Exercise 请画出信息 001101 的单极性不归零码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码波形图 假设线路的初始状态为高电平 某8比特数据经 位填充 后在信道上用曼彻斯特编码发送 信道上的波形如下图所示 试求原8比特的数据 11111010 位填充 发送时 在数据的连续5个1后自动增加一个0 接收时 自动去掉连续5个1后的1个0 数据同步方式 异步传输特点 收 发双方没有统一时钟 但能同步 以字符为单位传输 实现方法 1位起始位 0 5 8位数据 1位校验位 1 2位停止位 0 特点 收 发双方有严格统一的时钟 接收端时钟靠提取所收到的数据位中的定时信息来形成 实现方法 面向字符的同步方式 SYN面向位的同步方式 01111110 同步传输 最基本的调制方法 调幅 AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 幅移键控ASK AmplitudeShiftKeying 调频 FM 载波的频率随基带数字信号而变化 频移键控FSK FrequencyShiftKeying 调相 PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 相移键控PSK PhaseShiftKeying 对基带数字信号的几种调制方法 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号 调幅 调频 调相 5 波特与比特率的关系 波特率信号每秒钟变化的次数用于描述载波 Carrier 信号比特率信号每秒钟传输的二进制位数与信号的状态数有关两者的关系 假设某个信道的最高码元传输速率为2000band 而且每一个码元携带2bit的信息 则该信道的最高信息传输速率为 A 2000bandB 2000bitC 4000band sD 4000bit s D 练习 网络的传输方式按信号传送方向和时间关系 信道可分为单工 和三种 通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1和0的方法称为 A ASKB FSKC PSKD ATM C 半双工 全双工 RS 232C的电气特性规定逻辑 1 的电平范围分别为 5 15表示二进制0 15 5表示二进制1A 5V至 15VB 5V至 15VC 0V至 5VD 0V至 5V 采用异步传输方式 设数据位为7位 1位校验位 1位停止位 则其通信效率为 A 30 B 70 C 80 D 20 B B Nyquist定理 奈奎斯特定理 用于无噪声理想低通信道Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据 2 2 3信道的极限容量 Shannon公式 用于有噪声干扰信道 Shannon定理 例 信道带宽W 3 1kHz S N 2000 则C 3100 log2 1 2000 34kb s即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb s 信噪比的单位也可用分贝 dB 表示 S NdB 10log10S N若S NdB 30dB 则S N 1000 练习 1 话音级线路的带宽约为3 1kHz 信号由2个离散等级组成 根据奈奎斯特定理计算的信道最大数据传输率为多少 2 若信道带宽W 3 1kHz S N 2000 则信道最大数据传输率为多少 6200b s 34kb s 3 Ifabinarysignalissentovera3 kHzchannelwhosesignal to noiseratiois20dB whatisthemaximumachievabledatarate 6kb s 2 3物理层下面的传输介质 有线传输介质双绞线 TwistedPair 同轴电缆 CoaxialCable 光纤 FiberOptics 无线传输介质微波卫星通信 线序标准 568A白绿 绿 白橙 兰 白兰 橙 白棕 棕568B白橙 橙 白绿 兰 白兰 绿 白棕 棕 双绞线的连接 在通常的工程实践中 T568B使用得较多 直连线两端都为EIA 568A或EIA 568B PC 路由器 交换机 HUB HUB HUB 级连端口 交叉线 一端为EIA 568A 另一端为EIA 568B 交换机 交换机 PC PC HUB HUB 标准端口 双绞线的连接 线序是不能随意改动的 否则导线的抗干扰能力就要下降 误码率就可能增大 常用传输介质的比较 2 4信道复用技术2 4 1频分复用 时分复用和统计时分复用 复用 multiplexing 是通信技术中的基本概念 a 不使用复用技术 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 用户在分配到一定的频带后 在通信过程中自始至终都占用这个频带 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 将一段时间划分成许多等长的时间片 即时分复用帧 TDM帧 每一个用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现 其周期就是TDM帧的长度 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 2 4 2波分复用WDM WavelengthDivisionMultiplexing 波分复用就是光的频分复用 2 4 3码分复用CDM CodeDivisionMultiplexing 常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 各用户使用经过特殊挑选的不同码型 因此彼此不会造成干扰 信号有很强的抗干扰能力 其频谱类似于白噪声 不易被敌人发现 2 5数字传输系统1 脉码调制PCM体制 PCM有两个互不兼容的国际标准 T1 北美的24路PCM 1 544Mb sE1 欧洲的30路PCM 2 048Mb s当需要有更高的数据率时 可采用复用的方法 2 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 旧的数字传输系统存在着许多缺点 速率标准不统一 不是同步传输 采用准同步方式 同步光纤网SONET 同步光纤网SONET SynchronousOpticalNetwork 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟 第1级同步传送信号STS 1 SynchronousTransportSignal 的传输速率是51 84Mb s 光信号则称为第1级光载波OC 1 OC表示OpticalCarrier 同步数字系列SDH ITU T以美国标准SONET为基础 制订出国际标准同步数字系列SDH SynchronousDigitalHierarchy 一般可认为SDH与SONET是同义词 SDH的基本速率为155 52Mb s 称为第1级同步传递模块 SynchronousTransferModule 即STM 1 相当于SONET体系中的OC 3速率 SONET的OC级 STS级与SDH的STM级的对应关系 2 6宽带接入技术2 6 1xDSL技术 xDSL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 xDSL技术就把0 4kHz低端频谱留给传统电话使用 而把原来没有被利用的高端频谱留给上网用户使用 DSL就是数字用户线 DigitalSubscriberLine 的缩写 而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案 xDSL的几种类型 ADSL AsymmetricDigitalSubscriberLine 非对称数字用户线HDSL HighspeedDSL 高速数字用户线SDSL Single lineDSL 1对线的数字用户线VDSL VeryhighspeedDSL 甚高速数字用户线DSL ISDN用户线 RADSL Rate AdaptiveDSL 速率自适应DSL 是ADSL的一个子集 可自动调节线路速率 码片序列 chipsequence 每个站被指派一个唯一的mbit码片序列 如发送比特1 则发送自己的mbit码片序列 如发送比特0 则发送该码片序列的二进制反码 例如 S站的8bit码片序列是00011011 发送比特1时 就发送序列00011011 发送比特0时 就发送序列11100100 S站的码片序列 1 1 1 1 1 1 1 1 每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 CDMA的重要特点 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同 并且还必须互相正交 orthogonal 在实用的系统中是使用伪随机码序列 码片序列的正交关系 令向量S表示站S的码片向量 令T表示其他任何站的码片向量 两个不同站的码片序列正交 就是向量S和T的规格化内积 innerproduct 都是0 2 3 码片序列的正交关系举例 令向量S为 1 1 1 1 1 1 1 1 向量T为 1 1 1 1 1 1 1 1 把向量S和T的各分量值代入 2 3 式就可看出这两个码片序列是正交的 正交关系的另一个重要特性 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1 CDMA的工作原理 S站的码片序列S 1 1 0 t t t t t t m个码片 t S站发送的信号Sx T站发送的信号Tx 总的发送信号Sx Tx 规格化内积S Sx 规格化内积S Tx 数据码元比特 发送端 接收端 Exercise 有两个站进行码分多址CDMA通信 四个站的码片序列为 A 1 1 1 1 1 1 1 1 B 1 1 1 1 1 1 1 1 C 1 1 1 1 1 1 1 1 D 1 1 1 1 1 1 1 1 现收到这样的码片序列 1 1 3 1 1 3 1 1 问那个站发送了数据 发送的数据是1还是0 Answer 10无1 Back 主要知识点 数据链路层的基本问题差错检测 CRC检验点对点协议PPP共享信道分配与CSMA CD协议网络互连设备 集线器 网桥 交换机 路由器以太网的MAC层各种类型的以太网 第3章数据链路层 3 1使用点对点信道的数据链路层3 1 1数据链路和帧 链路 link 点到点的物理线路 数据链路 datalink 链路 通信协议 若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上 就构成了数据链路 现在最常用的方法是使用适配器 即网卡 来实现这些协议的硬件和软件 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能 3 1 2三个基本问题 1封装成帧2透明传输3差错控制 1 封装成帧 封装成帧 framing 在一段数据的前后分别添加首部和尾部 构成一个帧 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界 帧结束 帧首部 IP数据报 帧的数据部分 帧尾部 MTU 数据链路层的帧长 开始发送 帧开始 2 透明传输 SOH EOT 出现了 EOT 被接收端当作无效帧而丢弃 被接收端误认为是一个帧 数据部分 EOT 完整的帧 发送在前 解决透明传输的方法 字符计数法字符填充法位填充 字符计数法 字符填充法 字符填充 bytestuffing发送端 在数据中出现控制字符 SOH 或 EOT 的前面插入一个转义字符 ESC 1BH 接收端 在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符 如果转义字符也出现数据当中 那么应在转义字符前面插入一个转义字符 当接收端收到连续的两个转义字符时 就删除其中前面的一个 SOH SOH EOT SOH ESC ESC EOT ESC SOH ESC ESC ESC SOH 原始数据 EOT EOT 经过字节填充后发送的数据 字节填充 字节填充 字节填充 字节填充 发送在前 帧开始符 帧结束符 用字节填充法解决透明传输的问题 SOH 零比特 位 填充法 在发送端 只要发现有5个连续1 则立即填入一个0 接收端对帧中的比特流进行扫描 每当发现5个连续1时 就把这5个连续1后的一个0删除 在HDLC协议中 比特序列01111101111110101经过位插入后的序列是 A 011111011111010101B 011111001111010101C 01111100111110101D 0111110111110101 练习 B 3 差错检测 在传输过程中可能会产生比特差错 1可能会变成0 而0也可能变成1 为了保证数据传输的可靠性 在计算机网络传输数据时 必须采用各种差错检测和差错纠正措施 常用的差错检测方法 CRC检验 常用的差错纠正方法 汉明编码 循环冗余检验的原理 循环冗余检验 CyclicRedundancyCheck CRC 在发送端 先把数据划分为组 假定每组k个比特 假设待传送的一组数据M 101001 现在k 6 我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送 冗余码的计算 若生成多项式为n阶多项式 则其对应的 n 1 位二进制为除数P 用二进制的模2运算进行2n乘M的运算 即在数据M后添加n个0 用 k n 位的数除以 n 1 位的除数P 得出商是Q而余数是R R取n位 冗余码的计算举例 现在k 6 M 101001 设G x x3 x2 1 则除数P 1101 被除数2nM 101001000 模2运算的结果是 商Q 110101 余数R 001 把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去 发送的数据是 2nM R即 101001001 共 k n 位 110101 Q 商 P 除数 1101101001000 2nM 被除数 11011110110101110000111011010110000011001101001 R 余数 作为FCS 循环冗余检验的原理说明 帧检验序列FCS 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS FrameCheckSequence 循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同 CRC是一种常用的检错方法 而FCS是添加在数据后面的冗余码 FCS可以用CRC这种方法得出 但CRC并非用来获得FCS的唯一方法 接收端对收到的每一帧进行CRC检验 1 若得出的余数R 0 则判定这个帧没有差错 就接受 accept 2 若余数R 0 则判定这个帧有差错 就丢弃 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错 生成多项式 CRC 4X4 X 1CRC 8X8 X5 X4 1CRC 12X12 X11 X3 X 1CRC 16X16 X15 X2 1CRC 16 CCITTX16 X12 X5 1CRC32X32 X26 X23 X22 X16 X12 X11 X10 X8 X7 X5 X4 X2 X 1 要发送的数据为1101011011 采用CRC的生成多项式是G x x4 x2 1 试求应添加在数据后面的余数 在数据传输过程中 若接收方收到发送方送来的信息为10110011011 生成多项式为G x x4 x3 1 接收方收到的数据是否正确 若想发送的一段信息为10110011 则在线路上传输的码字是怎样的 不正确 101100110100 1111 误码控制基本原理 Thebitsthatarepowersof2 1 2 4 8 16 etc arecheckbits Therest 3 5 6 7 9 etc arefilledupwiththemdatabits Eachcheckbitforcestheparityofsomecollectionofbits includingitself tobeeven orodd Hammingcode Correctsingleerrors 练习 An8 bitbytewithbinaryvalue10101111istobeencodedusinganeven parityHammingcode Whatisthebinaryvalueafterencoding 101001001111 思考题 一个8位二进制的信息10101111使用奇校验的海明编码 试问编码后的二进制数据是什么 011101011111 3 2点对点协议PPP 现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP Point to PointProtocol 用户使用拨号电话线接入因特网时 一般都是使用PPP协议 3 3 1特点 PPP协议的组成 1992年制订了PPP协议 经过1993年和1994年的修订 现在的PPP协议已成为因特网的正式标准 RFC1661 PPP协议有三个组成部分一个将IP数据报封装成帧 链路控制协议LCP LinkControlProtocol 网络控制协议NCP NetworkControlProtocol 3 3使用广播信道的数据链路层 局域网最主要的特点 网络为一个单位所拥有 且地理范围和站点数目均有限 局域网具有如下的一些主要优点 具有广播功能 从一个站点可很方便地访问全网 便于系统的扩展和逐渐地演变 各设备的位置可灵活调整和改变 提高了系统的可靠性 可用性和残存性 3 3 1局域网的数据链路层 数据链路层的两个子层 为了更好地适应多种局域网标准 数据链路层分成两个子层 逻辑链路控制LLC LogicalLinkControl 子层媒体接入控制MAC MediumAccessControl 子层 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层 而LLC子层则与传输媒体无关 局域网对LLC子层是透明的 局域网 网络层 物理层 站点1 网络层 物理层 数据链路层 站点2 LLC子层看不见下面的局域网 媒体接入控制 局域网中常用的传输控制方式有 冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 令牌环 TokenRing 令牌总线 TokenBus 等 802 1 概述 体系结构和网络互连 以及网络管理和性能测量 802 2 逻辑链路控制 这是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口 802 3 CSMA CD 定义CSMA CD总线网的MAC子层和物理层的规约 802 4 令牌总线网 定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规约 802 5 令牌环形网 定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规约 802 6 城域网MAN 定义城域网的MAC子层和物理层的规约 802 7 宽带技术 802 8 光纤技术 802 9 综合话音数据局域网 802 10 可互操作的局域网的安全 802 11 无线局域网 802 14 电缆电视 Cable TV 802 16 无线宽带网络 共享信道分配方案 静态分配信道频分复用时分复用波分复用码分复用动态分配信道随机接入 如CSMA CD协议受控接入 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 多点接入 多台主机以多点接入方式连接在一根总线上 载波监听 每一个站在发送数据前要先检测总线上是否有其它主机在发送数据 如果有 则暂时不发送数据 以免发生碰撞 3 3 2CSMA CD协议 碰撞检测 碰撞检测 主机边发送数据边检测信道上的信号电压大小 当几个站同时在总线上发送数据时 总线上的信号电压摆动值将会增大 互相叠加 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时 就认为总线上至少有两个站同时在发送数据 表明产生了碰撞 检测到碰撞后 一旦发现总线上出现了碰撞 每一个正在发送数据的站 就要立即停止发送 然后等待一段随机时间后再次发送 使用CSMA CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行半双工通信 每个站在发送数据之后的一小段时间内 存在着遭遇碰撞的可能性 争用期 最先发送数据帧的站 在发送数据帧后至多经过时间2 两倍的端到端往返时延 就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞 称2 为争用期 或碰撞窗口 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞 才能肯定这次发送不会发生碰撞 二进制指数类型退避算法 truncatedbinaryexponentialtype 发生碰撞的站在停止发送数据后 要推迟 退避 一个随机时间才能再发送数据 确定基本退避时间 一般是取为争用期2 定义重传次数k k 10 即k Min 重传次数 10 从整数集合 0 1 2k 1 中随机取一个数r 重传时延为r 2 当10 k 16时 重传时延为 1023 2 当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧 并向高层报告 争用期的长度 以太网取51 2 s为争用期的长度 对于10Mb s以太网 在争用期内可发送512bit 即64字节 以太网规定了最短有效帧长为64字节 凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧 以太网对总线的控制方式为CSMA CD方式 发送前监听信道 信道忙则坚持监听 直至信道空闲 一旦发现信道空闲 立即发送 发送时继续监听信道 若检测到冲突立即停止传送帧 并发送一个阻塞信号 进入指数退避 exponentialbackoff 阶段 随机等待一段时间 重新监听信道 CSMA CD小结 冲突解决 二进制指数退避算法 1 i 16向网络层报告出错 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 DIXEthernetV2标准IEEE的802 3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式 以太网的两个标准 以太网MAC帧 物理层 MAC层 1010101010101010101010101010101011 前同步码 帧开始定界符 7字节 1字节 8字节 插入 IP层 目的地址 源地址 类型 数据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 MAC帧 以太网的MAC帧格式 MAC地址 每一块网络适配器 网卡 有一个地址 称为MAC地址 也称物理地址 MAC地址长6个字节 一般用由冒号分隔的6个十六进制数表示 如8 0 2b e4 b1 2 全局地址和局部地址局部地址 地址次高比特为1 由网管分配且只在本网内有效 全局地址 地址次高比特为0 由IEEE统一分配 目的地址的类型 单播地址 地址最高比特为0 多播地址 地址最高比特为1 其余不全为1 广播地址 48位全是1 1 互连设备 中继器集线器网桥交换机路由器网关 网络设备的功能层次 高速以太网 100BASE T以太网吉比特以太网10吉比特以太网 Back 主要知识点 虚电路服务和数据报服务IPv4地址 IPv4协议 IP层分组转发划分子网 构造超网CIDR IPv6ARP RARP ICMP IP多播与IGMP路由选择协议 OSPF BGPVPN 第4章网络层 RIP NAT 4 1网络层提供的两种服务 无连接服务每个分组携带源地址和目的地址 被直接发送与接收 面向连接服务连接建立 数据传输和连接释放 每个分组只携带虚电路号沿着建立好的虚电路进行传输 虚电路服务与数据报服务的对比 4 2网际协议IP 网际协议IP是TCP IP体系中两个最主要的协议之一 与IP协议配套使用的还有四个协议 地址解析协议ARP AddressResolutionProtocol 逆地址解析协议RARP ReverseAddressResolutionProtocol 网际控制报文协议ICMP InternetControlMessageProtocol 网际组管理协议IGMP InternetGroupManagementProtocol 网际层的IP协议及配套协议 各种应用层协议 网络接口层 HTTP FTP SMTP等 物理硬件 运输层 TCP UDP 应用层 ICMP IP RARP ARP 与各种网络接口 网络层 网际层 IGMP 4 2 2分类的IP地址1 IP地址及其表示方法 IP地址就是给每个连接在因特网上的主机 或路由器 分配一个在全球唯一的32位的标识符 IP地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers 进行分配 net id24位 host id24位 net id16位 net id8位 IP地址中的网络号字段和主机号字段 0 A类地址 host id16位 B类地址 C类地址 0 1 1 D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 1111 0 1 4 2 3IP地址与硬件地址 网络层 LLC MAC 物理层 数据链路层 A Y X B Z 主机B向A发送ARP响应分组 主机A广播发送ARP请求分组 ARP请求 ARP请求 ARP请求 209 0 0 5 209 0 0 6 00 00 C0 15 AD 18 08 00 2B 00 EE 0A 我是209 0 0 5 硬件地址是00 00 C0 15 AD 18我想知道主机209 0 0 6的硬件地址 我是209 0 0 6硬件地址是08 00 2B 00 EE 0A A Y X B Z 209 0 0 5 209 0 0 6 00 00 C0 15 AD 18 逆地址解析协议RARP 逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址 这种主机往往是无盘工作站 因此RARP协议目前已很少使用 网络正常时 运行如下命令 可以查看主机ARP缓存中的IP地址及其对应的MAC地址 c arp 8 8 A sB dC allD a 当发现主机ARP缓存中的MAC地址不正确时 可以执行如下命令清除ARP缓存 c arp 9 之后 重新绑定MAC地址 命令如下 c arp s 10 11 9 A sB dC allD a D B 主机正确的IP地址和MAC地址 4 2 5IP数据报的格式 一个IP数据报由首部和数据两部分组成 首部的前一部分是固定长度 共20字节 是所有IP数据报必须具有的 在首部的固定部分的后面是一些可选字段 其长度是可变的 固定部分 可变部分 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 区分服务 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 数据部分 首部 IP数据报 运输层 网络层 首部 TCP UDP ICMP IGMP OSPF 数据部分 IP数据报 IP地址 10 0 0 0到10 255 255 255172 16 0 0到172 31 255 255192 168 0 0到192 168 255 255 私有地址 二级的IP地址 A B C D E五类 4 3划分子网和构造超网4 3 1划分子网 1 从两级IP地址到三级IP地址在ARPANET的早期 IP地址的设计确实不够合理 IP地址空间的利用率有时很低 给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏 两级的IP地址不够灵活 划分子网纯属一个单位内部的事情 单位对外仍然表现为没有划分子网的网络 从主机号借用若干个位作为子网号subnet id 而主机号host id也就相应减少了若干个位 IP地址 划分子网的基本思路 IP地址 AND 子网掩码 网络地址 网络号net id 主机号host id 两级IP地址 网络号 三级IP地址 主机号 子网号 子网掩码 子网的网络地址 net id subnet id 0 逐位进行AND运算 1 设某路由器建立了如下路由表 这三列分别是目的网络 子网掩码和下一跳路由器 若直接交互则最后一列表示应该从哪一个接口转发出去 128 96 39 0255 255 255 128接口0128 96 39 128255 255 255 128接口1128 96 40 0255 255 255 128R2192 4 153 0255 255 255 192R3 默认 R4现共收到3个分组 其目的站IP地址分别为 1 128 96 39 10 2 128 96 40 12 3 128 96 40 151试分别计算其下一跳 练习 1 目的地址128 96 39 10与路由表中第一项中子网掩码255 255 255 128进行与 and 运算 得到网络号为128 96 39 0 与其目的网络匹配 所以目的地址128 96 39 10的下一跳为接口0 2 目的地址128 96 40 12与路由表中第一项中子网掩码进行与 and 运算 得到网络号为128 96 39 128 与第一项中的目的网络不匹配 继续查看路由表中第二项 相同道理 与路由表中第三项中的目的网络匹配 所以 目的地址128 96 39 128的下一跳为R2 3 相同道理 目的地址128 96 40 151的下一跳为R4 一个单位申请了一个201 96 68 0的C类网址 试将其划分为6个逻辑子网 并完成如下要求 1 写出子网的子网掩码 2 写出各个子网的开始与结束IP地址 3 计算划分子网后共损失的IP地址个数 练习 要将201 96 68 0的C类网址划分成6个子网 则需要3位来表示子网号 即IP地址的最后8位中 前3位为子网号 后5位为主机号 除全0和全1外 所以 1 每个子网的掩码都为 255 255 255 224 2 各子网有效IP地址范围分别为 子网1 201 96 68 1 201 96 68 30子网2 201 96 68 33 201 96 68 62子网3 201 96 68 65 201 96 68 94子网4 201 96 68 97 201 96 68 126子网5 201 96 68 129 201 96 68 158子网6 201 96 68 161 201 96 68 190 3 划分子网后共损失的IP地址个数为74个 从计算机本身发展以及从因特网规模和网络传输速率来看 现在IPv4已很不适用 最主要的问题就是32位的IP地址不够用 要解决IP地址耗尽的问题的措施 采用无分类编址CIDR 使IP地址的分配更加合理 采用网络地址转换NAT方法以节省全球IP地址 采用具有更大地址空间的新版本的IP协议IPv6 解决IP地址耗尽的措施 4 3 3无分类编址CIDR CIDR消除了传统的A类 B类和C类地址以及划分子网的概念 因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间 CIDR使用各种长度的 网络前缀 network prefix 来代替分类地址中的网络号和子网号 IP地址从三级编址 使用子网掩码 又回到了两级编址 CIDR最主要的特点 无分类的两级编址的记法是 IP地址 4 3 CIDR还使用 斜线记法 它又称为CIDR记法 即在IP地址后面加上一个斜线 然后写上网络前缀所占的位数 这个数值对应于三级编址中子网掩码中1的个数 CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成 CIDR地址块 无分类的两级编址 1 网络前缀 CIDR地址块 128 14 32 0 20 斜线后面的20是网络前缀的位数 表示地址块共有212个地址 即用12位表示主机号 这个地址块的起始地址是128 14 32 0 在不需要指出地址块的起始地址时 也可将这样的地址块简称为 20地址块 128 14 32 0 20地址块的最小地址 128 14 32 0128 14 32 0 20地址块的最大地址 128 14 47 255全0和全1的主机号地址一般不使用 使用 51 协议远程配置交换机 51 A TelnetB FTPC HTTPD PPP一个B类网络的子网掩码为255 255 192 0 则这个网络被划分成了 52 个子网 52 A 2B 4C 6D 8使用CIDR技术把4个网络100 100 0 0 18 100 100 64 0 18 100 100 128 0 18和100 100 192 0 18汇聚成一个超网 得到的地址是 53 53 A 100 100 0 0 16B 100 100 0 0 18C 100 100 128 0 18D 100 100 64 0 18 A B A 练习 4 4网际控制报文协议ICMP ICMP InternetControlMessageProtocol 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告 ICMP不是高层协议 而是IP层的协议 ICMP报文作为IP层数据报的数据 加上数据报的首部 组成IP数据报发送出去 ICMP差错报告报文共有5种 终点不可达源点抑制 Sourcequench 时间超过参数问题改变路由 重定向 Redirect 4 5因特网的路由选择协议4 5 1有关路由选择协议的几个基本概念 1 理想的路由算法正确性和完整性简单性自适应性稳定性公平性最优性 最佳路由 从路由算法的自适应性考虑 静态路由 即非自适应路由选择 其特点是简单和开销较小 但不能及时适应网络状态的变化 如Dijskstra路由算法 动态路由 即自适应路由选择 其特点是能较好地适应网络状态的变化 但实现起来较为复杂 开销也比较大 如距离矢量路由 链路状态路由 自治系统AS AutonomousSystem 自治系统AS的定义 在单一的技术管理下的一组路由器 尽管一个AS使用了多种内部路由选择协议和度量 但重要的是一个AS对其他AS表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略 因特网有两大类路由选择协议 内部网关协议IGP InteriorGatewayProtocol 即在一个自治系统内部使用的路由选择协议 如RIP和OSPF协议 外部网关协议EGP ExternalGatewayProtocol 即自治系统之间的协议 在外部网关协议中目前使用最多的是BGP 4 Internet的结构 自治系统之间的路由选择也叫做域间路由选择 interdomainrouting 在自治系统内部的路由选择叫做域内路由选择 intradomainrouting RIP 4 5 2内部网关协议RIP RoutingInformationProtocol 1 工作原理RIP是内部网关协议中最先得到广泛使用的协议 RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议 RIP协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录 RIP允许一条路径最多只能包含15个路由器 距离 的最大值为16时即相当于不可达 可见RIP只适用于小型互联网 4 5 3内部网关协议OSPF OpenShortestPathFirst 1 OSPF协议的基本特点 开放 表明OSPF协议不是受某一家厂商控制 而是公开发表的 最短路径优先 是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPFOSPF只是一个协议的名字 它并不表示其他的路由选择协议不是 最短路径优先 是分布式的链路状态协议 OSPF应用实例 下图是一个子网的拓扑结构及其相邻结点之间的传输延迟 请采用链路状态路由协议 基于Dijkstra算法 进行路由计算 给出结点A的路由表 包括目的地 距离 下一跳 4 5 4外部网关协议BGP BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议 BGP较新版本是2006年1月发表的BGP 4 BGP第4个版本 即RFC4271 4278 可以将BGP 4简写为BGP BGP使用的环境却不同 因特网的规模太大 使得自治系统之间路由选择非常困难 对于自治系统之间的路由选择 要寻找最佳路由是很不现实的 自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略 因此 边界网关协议BGP只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由 不能兜圈子 而并非要寻找一条最佳路由 RIP是一种基于 24 的路由协议 RIP规定 通路上经过的最大路由器数是 25 24 A 链路状态算法B 距离矢量算法C 最短路径算法D 最小费用算法 25 A 1024B 512C 15D 8 ICMP协议有多种控制报文 当网络中出现拥塞时 路由器发出 27 报文 27 A 路由重定向B 目标不可到达C 源抑制D 子网掩码请求 B C C 练习 ARP协议数据单元封装在 20 中发送 ICMP协议数据单元封装在 21 中发送 20 A IP数据报B TCP报文C 以太帧D UDP报文 21 A IP数据报B TCP报文C 以太帧D UDP报文 C A 以下IP地址中 为B类地址的是 A 112 213 12 23B 210 123 23 12C 23 123 23 12D 156 123 32 12 D 把一个A类网络地址划分30个子网 其子网掩码为 255 248 0 0 IP地址132 166 64 10中 代表网络号的部分是 A 132B 132 166C 132 166 64D 10 B 把网络202 112 78 0划分为多个子网