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计算机网络课程学习要点指导2008-03-25 09:29计算机网络课程学习要点指导 计算机网络课程是计算机应用专业的一门专业课。在学习本课程之前应当具备计算机组成原理、程序设计语言、微机接口技术以及计算机操作系统的基本知识。计算机网络课程讲述了计算机网络的基本概念、物理层、数据链路层、局域网、网络层、TCP/IP协议族、网络新技术和典型计算机网络应用介绍等内容。为了使课程的内容学习与计算机网络课程教学大纲要求一致，在这里以教学大纲中的知识点为基础，将课程的重要内容进行补充说明。一、 计算机网络的基本概念（一）、分组（又称包）交换网分组交换和线路交换的概念和比较。分组交换网的优点以及它与报文交换和线路交换的主要差别。注意分组交换网和报文交换网中的数据单元传到每个节点时，先存贮再转发，而报文交换网络和分组交换网络的主要区别是传送的数据单元不同。报文交换的数据单元长短可变；分组交换则对数据单元的长度有严格的规定，长的报文要分割成较短的分组后才发送出去。报文交换和分组交换，不需要预先分配传输带宽，因此提高了信道利用率。分组交换比报文交换有更小的迟延，但节点交换机必须具有更强的处理能力。对于计算机的突发式的数据传送，分组交换更为合适些。（二）、开放系统互连参考模型1 OSI/RM的目的或用途； 为了使世界上所有的通信设备能够十分方便地互连起来，国际标准化组织ISO的技术委员会于1977年成立了一个分委会专门研究“开放系统互连”。开放系统互连(Open Systems Interconnection)简称OSI。 所谓“开放”是指只要满足OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的，也遵循同一标准的其它任何系统进行通信。“系统”本来是指按一定关系或规则工作在一起的一组物体或一组部件。但是在OSI术语中，“系统”则有其特殊的涵义。用“实系统”(real system)表示在现实世界中能够进行信息处理和信息传送的自治整体，它可以是计算机，软件，外围设备，终端等的集合。如果这种实系统在和其它实系统通信时遵循OSI标准，则这个实系统称为开放实系统(real open system)。但是，一个开放实系统中的各种功能不一定都与互连有关，讨论的OSI参考模型中的系统，只是开放实系统中的OSI有关的各部分，因此将这部分称为开放系统。所以开放系统与OSI模型一样，都是抽象的概念。OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容，它并未确切地描述各层的协议和服务，它仅仅告诉每一层应该作什么。2 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层的主要功能。3 各层协议的头和数据单元的组成； 在不同节点的对等实体之间所交换的信息，都是按相应的协议进行的。因此，这样的信息传递单元称为PDU(Protocol Data Unit)，而第N层的协议数据单元记为(N)PDU。 (N)PDU由两部分组成：本层的用户数据，记为(N)用户数据；本层的协议控制信息，记为(N)PCI(Protocol Control Information)。PCI主要用于网络中不同站的同等实体之间交换信息时，命令一个实体执行一个服务功能。(N)PCI一般作为首标(Header)加在(N)用户数据的前面，也可以作为尾标(trailer)加在(N)用户数据的后面。七个层次中只有物理层没有PCI部分，它把数据链路层送来的数据不加解释地发送出去。4 通信子网的组成和作用； 在OSI 参考模型中，由物理层、数据链路层、网络层组成所谓的通信子网，用户计算机连接到此子网上。通信子网负责把一个地方的数据可靠地传送到另一个地方，但并未实现两个地方主机上进程之间的通信。因此，通信子网的主要功能是面向通信的。5 真实的数据传输路径；应用OSI模型时数据传输的例子。发送进程要发送数据给接收进程，它把数据交给应用层，应用程序在数据前面加上应用报头，再把结果交给表示层。表示层在前面加上表示层报头，然后把结果交给会话层。这一过程重复进行直到抵达物理层，通过物理介质到达接收方。在接收方，信息向上传递时，各个报头被一层一层地剥去。最后，数据到达接收进程。虽然数据的实际传输方向是垂直的，但每一层在编程时却像数据是水平传输的。6. OSI模型和协议的缺点。（三）、在计算机网络体系结构的形成1 计算机网络的发展历史可以概括地分成三个阶段：(1) 以单个计算机为中心的远程连机系统，构成面向终端的计算机网络；(2) 多个主计算机通过通信线路互连的计算机网络；(3) 具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络。2 ARPANET对计算机网络体系结构的形成的重要作用。（四）、Internet-世界上最大的计算机网络1 Internet的规模成指数增长的原因；2 Internet的主要应用（电子邮件、新闻、远程登录和文件传送）；3 WWW对Internet发展的巨大作用。（五）、分层次的体系结构1 网络分层、协议、对等实体、接口和接口数据单元、服务和服务数据单元、协议数据单元、服务提供者和服务访问点、网络体系结构的概念；分层次的体系结构遵循的主要原则如下：(1)根据不同层次的抽象分层；(2)每层应当实现一个明确定义的功能；(3)每层功能的选择应该有助于指定网络协议的国际标准；(4)各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量；(5)层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则过于庞大。 一个计算机网络有若干个相互连接的节点，在这些节点之间要不断地进行数据交换。要进行正确的数据传输，每个节点就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则就是网络协议。网络协议是在主机与主机之间或主机与子网之间或子网中各节点之间的通信而使用的，是通信双方必须遵守的，事先约定好的规则，标准或约定。更进一步讲，一个网络协议由语法、语义和时序三部分组成。掌握接口和接口数据单元、服务和服务数据单元、协议数据单元、服务提供者和服务访问点这些概念。层和协议的集合称为网络体系结构。体系结构的描述必须包含足够的信息，使实现者可以用来为每一层编写程序和设计硬件，并使之符合有关协议。协议实现的细节和接口的描述都不是体系结构的内容。2 多层通信原理； 掌握多层通信原理。每一层中的对等进程，从概念上认为它们的通信是水平方向地使用该层协议，但实际上跨过该层与下一层间的接口与下层通信，而不是与另一方通信。3 各层要解决的一般问题；一般来讲，计算机网络的某些关键问题在各个层的设计中都会出现。主要有：(1)每一层都需要识别发送方和接收方的机制；(2)数据传送规则；(3)提供差错控制；(4)提供流量控制；(5)提供报文分割、传送和重新组装功能；(6)提供多路复用和解多路复用功能；(7)提供路由选择功能。4 面向连接和无连接的服务的区别、优缺点、举例和适用场合；（上述两种服务的主要差别参见下表）项目面向连接面向无连接初始化设置，状态保持需要不需要目的地址仅在建立连接时需要每个包均需要包的顺序传送保证不保证差错控制提供不提供流量控制提供不提供 任选项协商提供不提供连接标识符使用不使用路由选择仅在建立连接时需要每个包均需要节点失效的影响严重不严重网内负载平衡不支持支持数据速率低高5服务原语分类、意义和用法； 当OSI模型中相邻两层的两个实体相互作用时，服务用户和服务提供者之间要进行一些交互。为此，OSI规定了在每一层中均可使用的4个服务原语，这些原语通知服务提供者采取某些行动或报告某个对等实体的活动。它们分别是： (1)request(请求)； (2) indication(指示)；(3)response(响应)；(4)confirm(confirmation)(证实)。 一个完整的原语由三部分组成，它包括原语名字，原语类型和原语参数。原语名字指出是哪一层提供的何种服务。例如：当传输层的用户(即对话实体)要利用传输服务建立传输连接时，它请求建立连接的原语为：TCONNECT. request(必要的原语参数)，其中T是传输层的缩写名。原语参数是在标准中预先规定好的，例如：目的地址，源地址，类型及服务质量等等。6协议和服务的区别。 在不同的开放系统中的对等实体之间，好像可以直接通信。通常将控制两个对等(N)实体进行通信的规则的集合称为(N)协议。 两个(N)实体间(在(N)协议的控制下)，使(N)层能够向上一层提供(N)服务。使用(N)服务的是上一层的实体，即为(N+1)实体，它们又称为(N)用户。这里需注意的是，虽然(N)实体借助于另一个(N)实体的通信向(N+1)实体提供(N)服务，但(N)实体要实现(N)协议还要使用(N-1)实体提供的(N-1)服务，至到物理层。 还应强调一点，即并非在(N)层内完成的全部功能都称为(N)服务。只有那些能够被高一层看得见的才能称之为“服务”。 (N)服务是由一个(N)实体作用在一个(N)服务访问点上来提供的。(N)服务访问点实际上就是(N)实体和(N+1)实体的逻辑接口。有时也称为端口(port)或媒介字，套接字，插座(socket)。（六）、TCP/IP体系结构1 ARPANET的发展过程及其主要特点；2 TCP/IP参考模型与OSI/RM的区别；TCP/IP参考模型与OSI/RM的主要差别是在TCP/IP参考模型中没有会话层和表示层。另外每层在功能上也有一定的差别。3 Internet层的功能；Internet层是TCP/IP体系结构的关键部分。它的功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立地传向目标。这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此需要按顺序发送和接收时，高层必须对分组排序。分组路由和避免拥塞是该层的主要设计问题。4 TCP/IP参考模型中的网络和协议。在TCP/IP层次模型中，第二层是TCP/IP实现的基础，它包含IEEE802.3的CSMA/CD，IEEE802.4的Token Bus，以及IEEE802.5的Token Ring。在第三层网络层中，IP为网际协议(Internet Protocol)、ICMP为网际控制报文协议(Internet Control Message Protocol)、ARP为地址转换协议(Address Resolution Protocol)、RARP为反向地址转换协议(Reverse ARP)。第四层为传输层，其中TCP为传输控制协议(Transmission Control Protocol)、UDP为用户数据报协议(User Datagram Protocol)、NVP为网络语音协议(Network Voice Protocol)。第五至七层中，SMTP为简单邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol)、DNS为域名服务(Domain Name Service)、NSP为名字服务协议(Name Service Protocol)、FTP为文件传输协议(File Transfer Protocol)等等。（七）、计算机网络分类1 广播网络和点到点网络的区别和优缺点；广播网络仅有一条通信信道，由网络上的所有主机共享。按某种语法组织的分组或包可以被任何机器发送并被其它所有的机器接收。分组的地址字段指明此分组应被哪台机器接收。一旦收到分组，各机器将检查它的地址字段。如果是发送给它的，则接收该分组，否则将它丢弃。与此相反，点到点网络由一对机器之间的多条连接构成。为了能从源到达目的地，这种网络上的分组可能必须通过一台或多台中间机器，因此在点到点网络中路由算法十分重要。一般来讲，小的、地理上处于本地的网络采用广播方式，而大的网络则采用点到点方式。2 按作用的地理范围计算机网络可分为局域网、城域网、广域网、无线网和网际网，要掌握它们所使用的技术、作用的地理范围、适应的场合和例子。思考习题一 1.1计算机网络的发展可划分为几个阶段？每个阶段各有什么特点？1.2在OSI参考模型中，一个(N)实体向上一层所提供的服务由哪几部分组成？1.3试比较线路交换、报文交换和分组交换的主要优缺点。1.4计算机网络可以从哪几个方面进行分类？1.5试说明网络协议的分层处理方法的优缺点。1.6什么是网络体系结构？它与具体的实现有何关系？1.7什么是网络协议？它由几部分组成？1.8按照OSI标准，用户信息是如何传递的，说明其过程。1.9在OSI标准中一个完整的原语由哪三部分组成？说明它们的含义。1.10在OSI标准中包含哪四种服务原语？说明每种原语的含义。1.11在OSI标准中面向无连接服务主要包括哪三种类型？分别说明它们的特点。1.12试从多方面比较面向连接服务和面向无连接服务的主要差别。 二、 物理层 物理层是计算机网络体系结构中的最低层，它要处理的是实际的物理传输。要求熟练掌握物理层的基本概念。要求掌握的部分有传输媒体（双绞线、同轴电缆、光缆、无线等）、模拟传输和数字传输、调制解调器、数字传输系统和物理层标准RS-232-C。对本科生还要求掌握信道上的极限数据传输速率。（一）、物理层的基本概念、物理层的目的和功能物理层解决原始位信号(比特)如何在通信信道上从一个主机正确传送到另一个主机的问题，即原发送的信号为“1”，接收到的也应为“1”而不应为“0”。为此，要规定逻辑电平“1”代表多高的电压，“0”代表多高的电压；每一位占多少微秒的时间宽度；能否进行双向传送。以及如何为上一层提供检错服务等问题。 物理层的接口有四个方面的特性要反映在物理层协议中，即机械的，电气的，功能的和规程的特性。机械的特性说明接口的插头尺寸，插头各管脚的位置等。和各种标准电源插头都有固定尺寸一样。电压的特性说明传输线上出现的电压应在什么范围。功能的特性说明某根线上出现的某一电平的电压代表何种意义。规程的特性则说明对于不同的功能各种可能事件的出现先后顺序。物理连接可以工作在半双工或全双工方式。在物理连接上传输的信号一般是串行比特，也可以是n比特并行传输。物理连接可以是点到点的，也可以是多点连接或广播连接。要求掌握双绞线、同轴电缆、光缆和无线传输媒体在带宽、信号延迟、价格、安装维护和应用场合方面的比较。（二）、数字传输相对于模拟传输的优点利用脉冲编码调制技术将模拟信号转换为数字信号后直接传输，称为数字传输。数字传输有很多优点，主要有：(1)其电平信号只有两个值1和0，因此传输设备简单。(2)具有通用性，声音、图像和数据可以使用同一设备传输。(3)传输过程畸变小，无积累误差，容易利用数字再生器恢复其原始电平值。（三）、调制解调器的目的和工作原理对于远程通信，为了节省费用，经常使用现有的电话线。由于电话线原来是设计供模拟信号使用，因此基带数字信号直接在其上传输会产生很大畸变，因此经常采用调制技术，把基带信号调到高频载波上，再在电话线上传输。因此现在的远程通信系统较多采用调制解调器设备。调制技术主要有三种：(1)幅度调制：使载波幅度随基带信号而变化。(2)频率调制：使载波信号的频率随基带信号而变化。(3)相位调制：使载波的相位角随基带信号而变化。（四）、数字传输系统现在的数字传输系统是采用脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)体制。由于历史原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称T1，速率是1.544Mb/s）和欧洲的30路PCM（简称E1，速率是2.048Mb/s）。我国采用的是E1标准。脉码调制PCM技术是将模拟电话信号转变为数字信号，必须首先对电话信号进行取样。根据取样定理“只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从取样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号”，标准的电话信号最高频率为3.4kHz，通常取样频率定为8kHz，相当于取样周期为125s。连续的电话信号经取样后成为离散的脉冲信号，其振幅对应于取样时刻电话信号的数值。下一步就是进行编码。在我国PCM体制中，电话信号采用8位编码，即将取样后的模拟的电话信号量化为256个不同等级中的一个。模拟信号转换为数字信号后就进行传输。这样，一个话路的模拟电话信号，经模数变换后，就变成为每秒8000个脉冲信号，每个脉冲信号再编为8位二进制码元。因此一个话路的PCM信号速率为64kb/s。为了有效地利用传输线路，通常是将许多个话路的PCM信号用时分复用的方法装成帧（即时分复用帧），然后再送往线路上一帧接一帧地传输。（五）、物理层标准RS-232-C物理层标准RS-232-C的内容和用途。接口的连线、各信号线的含义及其电平范围。（六）、信道上的最高码元传输速率任何实际的信道带宽都是有限的，在传输信号时带来的各种失真以及存在的多种干扰，使得信道上的码元传输速率有一个上限。1924年奈奎斯特推导出在具有理想低通矩形特性的信道的情况下的最高码元传输速率公式：理想低通信道的最高码元传输速率=2W BaudW ：理想低通信道的带宽，单位为赫；Baud：波特，码元传输速率单位，1波特为每秒传送1个码元。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒传送2个码元。对于具有理想带通矩形特性的信道（带宽为W），奈氏准则就变为理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒传送1个码元。（七）、信道上的最高数据传输速率数据传输速率是以信道每秒钟能传送的比特为单位的。信道上的极限数据传输率受信道的带宽限制。对于无热噪声的信道，下面的奈奎斯特公式给出了这种限制关系：C=2Hlog2L其中，H是低通信道的带宽，而L表示某给定时刻数字信号可能取的离散值的个数，C则是该信道的最大数据速率。例如，若某信道带宽为 4KHz，任何时刻数字信号可取0、1、2、3四种电平值之一，则最大数据速率为16kbps。对于二进制信号则为8kps。有噪声信道上数据的极限传输速率为C=Hlog2（1+S/N）bps其中H为信道带宽，S/N为信号噪声比。思考习题二2.1物理层包含什么内容？2.2 名词解释：1信道的极限数据传输速率2数据通信3信噪比4波特率2.3 无限传输媒体除通常的无线电波外，通过空间直线传输的还有三种技术，他们分别是什么？2.4 RS-232C的电气特性是怎样规定逻辑电平的？2.5 请给出异步串行传输方式下采用1位起始位、7位数据位、1位奇校验和1位停止位传送值“22H”时的编码波形(逻辑“0”为低电平)。2.6 用速率为1200bps的调制解调器通信(无校验，一位停止位)。1分钟内最多能传输多少个汉字(双字节)？ 2.7 给出比特流011000101101的基本曼彻斯特编码波形图，以及差分曼彻斯特编码波形图。 2.8 如果采用异步通信，1个起始位，2个终止位，1个奇偶校验位，7个数据位，对于下列信号(波特)率，试推出相应的信息传输速率(bps):(1) 300(2) 600(3) 1200(4) 9600 2.9在速率为2400bps的异步传输规程通信适配器中，用8位数据位、无校验位、1位停止位时的数据传输效率为百分之几？ 2.11在一分钟内需要传输3600个汉字(双字节)，所用的调制解调器(无校验、1位停止位)至少应采用多大的传输速率？绞线、同轴电缆、光缆的主要适用场合和性能指标。 三、 数据链路层（一）、数据链路层的基本概念 数据链路层的任务是提供两个相邻的网络节点之间，或者主机和节点之间的可靠通信。数据链路层提供的主要服务功能是差错控制和流量控制。 数据链路层的信息传送单位是帧(frame)。在数据链路层，发送端将数据报文分为帧发送，待数据帧到达接收端后，根据校验结果向发送端发应答帧，发送端根据收到的应答帧的内容来决定是继续发送还是重新发送。采用这种校验应答重发的模式可以进行差错控制。但也可能出现数据帧的重复和乱序问题，这还需要相应措施来解决。数据链路层的另一个功能是提供流量控制。它的目的是防止因发送端的发送速度超过接收端的处理速度而造成数据丢失或信道拥挤。流量控制的功能常和差错控制结合在一起实现。（二）、停止等待协议无限制的单工协议、单工停-等协议、有噪声信道的单工协议和停-等协议算法。停止等待协议是最简单，最基本的数据链路层协议。 先来考察单向通信的情况。主机A把一帧数据交给节点A，接着通过链路发到节点B。在无差错时，节点B就把收到的数据帧交给主机B，然后向节点A发一个确认帧ACK。节点A收到ACK后，再从主机A取下一个帧。然后重复上述过程。这里不必考虑更高层的问题，而直接把数据链路层的用户(网络实体)用主机来代替，同时也不考虑物理层的问题。 如果在数据帧传送过程中出现了差错, 由于通常在数据帧中加上循环冗余码校验CRC，所以节点B很容易校验出传送过来的帧有错误(硬件), 于是向节点A发送否认帧NAK。节点A收到否认帧NAK后，就知道刚才发送的帧出了差错, 于是重发比帧。(可见在发送端必须暂存已发送的数据帧的副本)，直到收到节点B发来的确认帧为止。 若线路质量太差，则节点A在重发若干次后(重发次数事先设定，8次或16次)，即不再重发，并向上一层报告。 有时链路上的干扰太重，或由于其他原因，节点B收不到A发来的帧，这种情况称为帧丢失。这时，节点B当然不会向A发送任何应答帧。如果节点A要等待B的应答信息，那么将永远等待。同理，若B的应答帧丢失，也会出现这种死锁现象。 要解决死锁问题，可在节点A设置一个超时定时器，若超时时间tout到了，仍收不到节点B的任何应答帧，则节点A就认为原来发送的数据帧已丢失，因而重传这一数据帧。显然，超时时间tout要选择适当。 若数据帧正确无误地传送到节点B，但B发送的确认帧ACK丢失了，则经过时间tout后，超时定时器起作用，使节点A重传这一数据帧。这样就解决了死锁问题。但应注意到，节点B收到了两份完全相同的数据帧，即重复帧，这也是一个不允许的差错。要解决重复帧问题，必须使每一个数据帧带上一个编号。若收到编号相同的帧，就表明出现了重复帧。这时应当丢弃这一重复帧。另一方面还应向节点A发送确认帧ACK(因为B已知道上一次发的ACK，节点A未收到)。 因为节点A一次只发送一个数据帧，因此只要增加1比特作为编号信息即可。在正常工作时，编号信息(记为N(s)以0，1交替的方式出现在数据帧中。每发送一个新的数据帧，编号信息和上次发送的不一样。这样就可以使收方能区分开新的或重复的数据帧。 停止等待协议的算法： 发送节点： (1)从主机取一数据帧。 (2)V(s)0，发送状态变量置初值。 (3)N(s)V(s)，同时把数据帧送缓冲区。 (4)发送缓冲区中的数据帧。 (5)置超时定时器选择适当Tout。 (6)等待等待下面三个事先最先出现的。 (7)若收到ACK则： 从主机取一新的数据帧， V(s)1-V(s),状态序号改变 转到(3)。 (8)若收到NAK，则转到(4)。 (9)若Tout时间到，则转到(4)。 接收节点： (1)V(R)0接收变量置初值。 (2)等待。 (3)若收到一帧，则硬件自动检查CRC。若正确，则执行后续算法，否则转到(8)。 (4)若N(s)=V(R)则执行后序算法。否则转到(7)。V(R)为欲接收帧之序号。 (5)将收到的帧的数据部分，送主机。 (6)V(R)1-V(R)。 (7)发确认帧ACK，转(2)。 (8)发否认帧NAK转(2)。 从算法不难看出，停止等待协议的一个要点是在收发两端设置状态变量(1比特变量)。每发送一个数据帧，要将发送状态变量V(S)的值(0，1)写到发送序号N(S)上。在接收端，要将收到的帧上的N(S)与接收状态变量V(R)相比较。二者相符合才是新的数据帧，否则就是重复帧。在发送端，每收到一个确认帧ACK，就更新V(S)一次，在接收端，则每收到的N(S)与V(R)一致时，才更新V(R)一次。 另外，发端在发送完一帧数据时，必须在其缓冲区内保留此数据帧的副本。这样才能在出差错时进行重发。只有在收到对方发来的ACK时，副本才失去保留的价值。大 由于发端对出错的数据帧进行重发是自动进行的，所以这种差错控制体制常称为ARQ(Automatic Repeat request)，译为自动请求重发。以上讨论的停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率不高。（三）、连续ARQ协议包括1比特滑动窗口协议、后退n协议的工作原理和滑动窗口的概念。假设节点A向B发数据帧，当节点A发完O号帧后，不是停止等待，而是继续发送后续的1号帧，2号帧等。由于连续发送许多帧，所以必须对每一帧编上序号。节点B在应答时，也应指出是对哪一帧确认或否认。现在设2号帧出了差错，于是节点B发送NAK2，它到达节点A时，节点A正在发送5号帧。节点A知道应当重发2号帧，但应在5号帧发送完毕后才能进行2号帧的重发。 这里要注意两点： (1)节点B必须按序号接收。对2号帧，节点B应答了NAK2，接着又接到了3，4，5号帧。这些帧都正确传到，但却必须被丢弃，因为序号都不是所期待的2号。 (2)节点A在重传2号帧时，已发完了5号帧，这时必须向后走，从2号帧起进行重传。正因如此，连续ARQ又称为Go-back-N ARQ。即当出现差错必须重传时，要向后走N个帧，然后开始重传。 从上不难看出，连续ARQ一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方面，在重传时又必须把原来已经正确传送过的帧重传一次，这点又使效率降低。由此可见，若信道传输质量很差，误码较大时，连续ARQ协议未必比停止等待协议强。 另一种情况是2号帧丢失，3至5号帧虽正确传送到节点B，但不能不被丢弃。当节点A发送5号帧的过程中，超时定时器时间到。因此在5号帧发完后回到2号帧进行重传。 为了给数据帧编上序号，就要在控制信息中留出若干比特作为编号用。 从停止等待协议中已经得到启发，在这个协议中，无论发送多少帧，使用1比特来编号就足够了。因此在连续ARQ协议下，也采用了同样的原理，即循环重复使用已收到确认的那些帧的编号。这样，只需很少几个比特用于编号就够了。但在这种情况下，要在发端进行适当的控制。为进一步阐明这个原理，引入滑动窗口概念。 假定用3个比特进行编号，于是发端从0号帧起按序发送。当7号帧发完后，序号开始循环，发送0号和1号帧，现在考虑下述情况。 假定发端一开始发送的8帧(07号)均正确到达收端，但收端所发出的确认信息全部丢失。由于发端每发一帧都要置超时定时器，所以经过一定的时间发端会重发未收到确认信息的帧。假定发端在发完7号帧时，即重发0号和1号帧。现在的问题是：收端怎样判断后面收到的0号和1号帧是超时重发的还是新的两个帧? 要解决这个问题并不困难。只要对发端发出去的未经确认的帧的数目加以限制即可。这个受限制的数目即称为发送窗口。 例如：设定发送窗口为5，这就表明，允许发端发送出5个数据帧而不必考虑对方的应答。设编号采用3比特，而WT为发送窗口。 发端发完了5个帧时(0号和4号帧等5个帧)，发送窗口已填满，这时必须停止发送，进入等待状态。假定不久0号帧的确认信息收到了，那么发送窗口就沿顺时针方向旋转1个号，使窗口后沿再次与一个未被确认的帧号相邻。这时，发端还可以发送一个5号帧，因为现在5号帧的位置已在新的发送窗口之内。设又有3个帧(1，2，3号)的确认信息到达发端，于是发送窗口又可顺时针旋转3个号，而继续可以发送的帧号是6、7和0号。 需要注意的是：为减少开销，收端不一定每收到一个正确帧就发回一个确认帧。当一连收到好几个正确的帧时，只需对最后一个帧发确认信息就够了。因为这就表示：该帧及该帧以前所有的帧，均已正确无误地收到了。这样做显然是方便的。窗口的概念也可用于收端。即所谓接收窗口WR，就是只有当接收的帧号落入接收窗口内才允许将该帧收下，在接收窗口之外的帧一律丢弃。显然，在连续ARQ协议中，WR=1。由于序号是循环使用的，所以接收窗口的“前面”或“后面”是含糊不清的。因为收发两端的窗口按照以上规律而不断向前旋转，也就是向前滑动，因此前面所讲的协议又称为滑动窗口协议。可以发现，当发送窗口WT=1时，就得出停止等待协议。为了保证连续ARQ协议正确运行，接收窗口和发送窗口必须满足的关系 WT+WR2n 对于陆地链路n=3足够用；对于卫星链路n=7足够用。（四）、面向比特的链路控制规程-HDLC的格式和工作原理 HDLC的帧结构及各字段的意义。控制字段C是最复杂的，HDLC的许多功能都由控制字段实现。因此该字段是整个HDLC的关键。HDLC帧的控制字段C共8个比特，根据第1比特或第1，2比特的取值，可将HDLC帧分为3大类，即信息帧、监督帧和无编号帧。这3类帧的格式和功能。 信息帧。比特24为发送序号N(S)而比特68为接收序号N(R)。N(S)表示当前发送的信息帧的序号。而N(R)表示该站所期望接收的帧的发送序号。 注意，由于是全双工通信，所以有两个N(S)和两个N(R)。发送的信息帧有N(S)和N(R)，而接收的帧也有不同的序号N(S)和N(R)。这里特别要注意N(R)含有确认的信息，因为它表示序号N(R)1(mod8)的帧以及这以前的各帧都已正确接收，所以才期望接收序号为N(R)的帧。 为了保证协议正常工作，在全双工通信的双方各设置两个状态变量V(S)和V(R)。在采用连续ARQ协议时，每从主机取一新帧就要将当前的V(S)和V(R)值分别写入N(S)和N(R)。发送后即将V(S)加1(mod8)。 每当需要向后走N个帧进行重发时，只需要从缓存队列中依次取出这些已发送过的旧帧发送出去其序号N(S)仍为原序号，与当前V(S)之值无关。例：重发2，3两帧，N(S)分别为2，3。但是，在重发旧帧时，其接收序号N(R)应更新到与接收状态变量V(R)的当前值一致。这是因为每接收到一个无差错的按序的I帧(信息帧)，V(R)值要随之加1(mod8)。因此，在重发旧帧时，V(R)的值可能有变动。 在信息帧中设置接收序号N(R)，表示不必专门为收到的信息帧发确认应答。可以在本站发送信息帧时，即将此确认信息对应的接收序号N(R)放在待发的信息帧中捎带走。例如，在一连收到N(S)=0，1，2，3的4个信息帧后，可在待发送的信息帧中将接收序号N(R)置为4，表示3号帧及其以前的各帧均已正确收到，待接收的是发送序号N(R)=4的信息帧。采用这种方法可以提高信道的利用率。 根据3，4比特的组合，监督帧分为四种，分别为接收准备就绪、接收未准备就绪、拒绝和选择拒绝。所有的监督帧都不包含要传送的数据信息，因此它只有48比特长。显然，监督帧不需要有发送序号N(S)。但监督帧中的接收序号N(R)却是至关重要的。在前两种监督帧中的N(R)都具有同样的含义，因此这两种帧都相当于前面提到过的确认帧ACK。然而这两种监督帧同时还具有流量控制的作用。接收准备就绪帧表示希望对方继续发送，而接收未准备就绪帧则因某种原因(如来不及处理到达的帧，缓冲器已满等)希望对方停止继续发送。拒绝则相当于以前提到过的否认帧NAK，而N(R)就表示所否认的帧号。不过这种否认帧还带有某种程度的确认，即确认序号为N(R)-1和它以前的各帧均已正确收到。 无编号帧本身不带编号，即无N(S)和N(R)，而是用5个比特来表示不同的无编号帧(共32种组合)。无编号帧主要起控制作用，它可以在任何需要的时刻发出，而不影响带序号的信息帧的交换顺序。 在链路管理中，在数据传输之前有一个建立数据链路的阶段，而在数据传送完毕后，必须有数据链路释放阶段，这两个阶段使用无编号帧来实现。主站A次站B次站C响应命令AB CB,RR0,PB,I00B,I10B,I20B,I30,PB,RR4C,RR0,PC,RR0,F 图3-1 P/F比特的功能 注意HDLC的帧中P/F比特的作用。 上图中主站A与次站B，C连成多点链路，并将所传送的帧简记为：地址，帧名和序号，P/F”。地址是指地址字段中应填入的地址，序号是N(S)和N(R)(当传的是信息帧)或N(R)(当传的是监督帧)，而P/F为1时才写上P或F，表明此时控制字段的第5比特为1。 主站A先询问B站“B站，若有信息，可发送”。这时A发送RR监督帧，并将N(R)置0，表示期望收到对方的0号帧。对主站的这一命令，B站响应以连续4个信息帧，其N(S)从0到3。最后结束时，将P/F比特置1，表示“我要发送的均已发出”。需要指出，在图中的一帧的最后出现P或F时，在实际传送的帧中，都是控制字段的第5比特为1。这里P代表轮询，而F代表最终，这就是P/F比特名称的来源。 但是，在其它一些情况下，意思就变了。在命令帧中P=1表示“问”，而在对应的响应帧中F=1表示“答”。同时，这样的问带有强制性质，即对方(不一定是次站，如在复合站通信的情况)必须立即回答。如上图，A站收到B站发来的4个帧后，发回确认RR4(这时N(R)=4)。这时，P/F比特并未置1，所以B站收到后不必应答。相反，接下去A站轮询C站，P=1。虽然这时C站没有数据发送，但也必须立即应答。C站应答也是RR帧，表示目前没有信息帧发送。F=1表明这是回答对方命令的一个响应。 有了P/F比特，使HDLC规程使用起来更加灵活。在两个复合站全双工通信时，一方可随时使P=1。这时对方就要立即回答RR帧，并置F=1。这样做可以更早地收到对方的确认。如果不使用P/F比特，那么收方不一定马上给出确认帧。收方可在发送自己的信息帧时，在某个帧中捎带把确认信息发出(利用N(R)。 HDLC协议中使用比特填充的目的及其使用方法。为了确保在一帧中只有头尾两处出现如F字段规定的比特组合，HDLC规定采用比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连1。具体的方法是：用硬件扫描整个帧(除标志字段外)。若发现有5个连1，则立即插入一个0，在接收时，进行反变换，即每发现5个连1时，则将此5个连1后面的一个0删除。这样就保证了两个标志字段之间不会出现与F字段相同的比特组合，从而实现透明传输。（五）、CRC的工作原理 CRC码(循环冗余码)原理是将特定的某多项式(称为生成式)去除由信息码所表示的多项式，除得的余数作为校验码。发送时，发完信息码后接着发校验码(把信息码减去余数所得的码称为编码信息，因为二进制的多项式，加法不产生进位，减法不借位，两者都相当于“异或”运算，所以加法与减法结果相同，故发送时，直接将余数附于信息后发送)。接收器将收到的编码信息除以原多项式，若除得的余数为0，证明所传送的信息正确。做除法时要注意下面两点：(1)数据信息除以生成式之前，在数据信息后加r个“0”，r是生成式的最高阶数。(2)相减时，用对位加操作。思考习题三3.1试比较数据链路和链路的主要区别。3.2链路控制包含哪些功能？3.3试写出停止等待协议的算法。3.4在连续ARQ协议中，设编号为3比特，而发送窗口WT=8。试找出一种情况，使得在此情况出现时，协议不能正确工作。3.5设信道速率为4kb/s，采用停止等待协议。传播延迟tp=20ms。确认帧长度和处理时间均忽略。问帧长为多少时才能使信道利用率至少为50%。3.6试比较BSC和HDLC协议的优缺点。3.7试说明链路的两种配置和三种数据传输方式。3.8在HDLC协议中，主要包含三种帧，它们分别是什么？它们的主要作用是什么？3.9若某面向比特同步协议的信息字段出现下列比特串，问比特填充后输出什么？ “010000011111010111110”3.10采用正常模式的HDLC传送国标汉字时，若已知总的帧长度为48字节，问其中信息字段占多少字节？含多少汉字？3.11检错码和纠错码有什么差别？试比较在网络通信中使用时各自的优缺点。3.12利用生成多项式X4+X2+X+1计算报文11001010101的校验序列。3.13利用生成多项式X5+X4+X+1校验接收到的报文1010110001101是否正确？3.14试简要说明循环冗余码的原理，并计算当发送的数据信息为1000100111，生成多项式为X4+X+1时，发送的编码信息是什么？3.15试说明连续ARQ协议的工作原理。3.16试说明滑动窗口的基本原理。若规定帧序号采用3位二进制编码表示时，问可用的最大帧序号为多少？请写出所有可用的帧序号。3.17采用XON/XOFF方案进行链路流量控制时，问这种方案是否为面向比特的控制方案？若希望发送方暂停发送数据，接受方应该发送什么控制字符？3.18HDLC帧格式中的第三字段是什么？若该字段的第一比特为0，问该帧是什么帧？ 四、 局域网基础 局域网是一个通信网，它在一个较小的区域内将许多数据设备互相连接起来，实现数据设备之间的通信。在本章中，要求熟练掌握IEEE802.3标准：CSMA/CD中的CSMA/CD的工作原理、802.3局域网、802.3局域网的MAC子层和802.3局域网的几种常用传输介质。掌握的内容有局域网的参考模型中的逻辑链路控制LLC子层和媒体接入控制MAC子层、交换式集线器、802.4局域网和802.5局域网。了解高速局域网。（一）、IEEE802.3标准和CSMA/CD1、 CSMA/CD的工作原理；CSMA/CD是用竞争的方法来决定对媒体的访问权。而这种竞争协议一般用于总线网。在总线系统中，每个站都能独立地决定帧的发送，如果两个或多个站同时发送，就会产生冲突，同时发送的所有帧都会出错。因此一个用户发信息成功与否在很大程度上取决于总线是否空闲的算法以及当两个不同节点同时发送的分组发生冲突时所使用的中断传输的方法。由于通道的传播延迟，当两个站点监听到总线上没有存在信号而发送帧时，仍会发生冲突。CSMA/CD使站点在传输时间继续监听媒体，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已发生，这样通道容量不会因白白传送已受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率。 CSMA/CD使用二进制指数退避算法按后进先出的次序控制的，即未发生冲突，或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率，而发生过多次冲突的帧，发送成功的概率反而小。Ethernet网就是采用CSMA/CD算法，并用二进制指数退避和1-坚持算法。这种算法在低负荷时，如媒体空闲时，要发送帧的站点能立即发送。在重负荷时，仍能保证系统稳定。它是基带系统，采用曼彻斯特编码，通过检测总线上的信号存在与否来实现载波监听。发送站的收发器同时检测冲突，如果发生冲突，收发器的电缆上的信号超过收发器本身发送信号的幅度，就判断出冲突。由于在媒体上传播的信号会衰减，为了正确地检测出冲突信号，Ethernet网限制电缆的最大长度为500米。2、 802.3局域网； IEEE802.3是一个使用CSMA/CD媒体访问控制方法的LAN的综合性标准。CSMA/CD总线的实现模型从逻辑上可以划分为两大部分：数据链路层的媒体访问控制子层(MAC)和物理层。它严格对应于ISO开放系统互连模式的最低两层。LLC子层和MAC子层在一起完成OSI模式的数据链路层的功能。在物理层中把依赖于媒体的特性分离出来，使得LLC子层和MAC子层能适用于一系列媒体。MAC子层和LLC子层之间的接口，包括发送和接收帧的设施，并提供每个操作的状态信息，以供高一层差错恢复规程之用。MAC子层和物理层之间的接口，包括成帧、载波监听、起动传输和解决争用(冲突控制)的信号，在两层间传送一