南邮计算机网络复习提纲复习-杨庚主编PPT课件.ppt

一 计算机网络发展阶段的划分 第一阶段 20世纪50年代 面向终端的计算机网络第一代 数据通信技术的研究与发展为网络的产生奠定了理论基础第二阶段 20世纪60年代 计算机 计算机网络第二代 ARPAnet与分组交换技术的研究与发展 ARPAnet为Internet的形成奠定了基础第三阶段 20世纪70年代 开放式标准化网络第三代 网络体系结构与协议标准化的研究第四阶段 20世纪90年代 网络计算新时代 1 二 计算机网络定义的基本内容资源共享观点的定义 以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合 网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享 互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的 自治计算机系统 联网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议 2 三 计算机网络的组成与结构 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能 早期计算机网络主要是广域网 它从逻辑功能上分为资源子网和通信子网两个部分 资源子网 负责数据处理的主计算机与终端 资源包括 计算机硬件 软件和数据通信子网 负责数据通信处理的通信控制处理机与通信线路 如路由器和光纤 3 四 实际网络系统中常用的三种交换比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 线路交换 电路交换 分组交换 t 4 数据报是分组存储转发的一种形式 不需要预先在源主机与目的主机之间建立 线路连接 报文传输延迟较大 适用于突发性通信 不适用于长报文 会话式通信 源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径 必须带有目的地址与源地址 每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机 可能出现乱序 重复与丢失现象 5 虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来 充分发挥两种方法的优点 数据报方式在分组发送之前 发送方与接收方之间不需要预先建立连接 虚电路方式在分组发送之前 需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路 虚电路方式与线路交换方式相同 整个通信过程分为以下三个阶段 连接建立 数据传输与连接释放阶段 报文分组不必带目的地址 源地址等辅助信息 分组到达目的结点时不会出现丢失 重复与乱序的现象 6 五 时延 delay或latency 数据经历的总时延就是发送时延 传播时延和处理时延之和 总时延 发送时延 传播时延 处理时延 处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间 7 三种时延所产生的地方 1011001 发送器 队列 结点B 结点A 数据 从结点A向结点B发送数据 链路 往返时延RTT Round TripTime 表示从发送端发送数据开始 到发送端收到来自接收端的确认 接收端收到数据后立即发送确认 总共经历的时延 8 网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构体系结构是抽象的 而实现是指能够运行的一些硬件和软件 网络协议的组成要素 语法数据与控制信息的结构或格式 语义需要发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种响应 时序事件实现顺序的详细说明 六 网络体系结构 9 OSI参考模型的结构 通信两端的对等层之间必须采用相同的协议 如传输层 10 TCP IP参考模型与OSI参考模型的对应关系 OSI模型和TCP IP协议族的层次结构和层次之间有着严格的单向依赖关系 上层依赖下层提供的服务来完成本层的工作并为自己的上层提供服务 11 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 应用程序数据 10100110100101比特流110101110101 注意加入或剥去首部 尾部 的层次 应用程序数据 12 数据是信息的载体 信号是数据的载体 是数据在传输过程中电信号的表示形式 模拟信号 analogsignal 的信号电平是连续变化的 数字信号 digitalsignal 是用两种不同的电平去表示0 1比特序列的电压脉冲信号表示 按照在传输介质上传输的信号类型 通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种 七 信号的概念 13 码元与信息量 码元是承载信息的基本信号单位 比如用脉冲信号表示数据有效值状态 一个单位脉冲就是一码元 一码元能承载多少信息量是由脉冲信号所能表示的数据有效值状态个数决定的 一个单位脉冲信号 当表示二进制代码0和1两个状态有效值时 一码元能携带1bit信息 即一位 一个单位脉冲信号 当表示二进制代码00 01 10 11四个有效值时 一码元能携带2bit信息 即两位 一个单位脉冲信号 当表示二进制代码000 001 010 011 100 101 110 111八个有效值时 一码元能携带3bit信息 即三位 14 调制速率 或波特率 码元率 数据以代码形式传输 代码由码元组成 传输时码元可以用波形来表示 用一种波形来表示一个码元或几个码元的组合 波形的持续时间与它所代表的码元组合的时间长度一一对应 波形持续时间越短 单位时间内传输的波形数就越多 或者说传输的数据越多 数据传输速率就越高 调制速率就是单位时间传输的电信号个数 或码元 调制速率的单位是波特 baud 计算公式如下 B 1 T 一波特表示每秒传输一码元 其中T为一个电信号 脉冲 波形的持续时间 调制速率不等于数据传输速率 调制速率与数据传输速率的关系如下 S B Log2N 只有当脉冲信号只有两个状态 即N 2时 或二相调制时 这时比特率等于波特率 例如 已知某个信道的信号传输速率为128kb s 一个载波信号码元有16个有效离散值 则该信道的波特率为多少 答 128kb s B Log216 B 32KBaud 15 波特 Baud 和比特 bit 是两个不同的概念 波特是码元传输的速率单位 每秒传多少个码元 码元传输速率也称为调制速率 波形速率或符号速率 比特是信息量的单位 香农定理 在有随机热噪声的信道上传输数据信号时 数据传输速率Rmax与信道带宽B 以Hz为单位 信噪比S N的关系为Rmax B log2 1 S N S N为信噪比 无量纲 S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率 S N dB 10lg S N 16 数字数据编码方法 17 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码 曼彻斯特编码 ManchesterEncoding 为了自带位同步 或称比特同步 信号而采用的一种编码方法在曼彻斯特编码中每个比特持续时间分为两半 在发送比特1时 前一半时间电平为高 而后一半时间电平为低 在发送比特0时则正好相反 这样 在每个比特持续时间的中间肯定有一次电平的跳变 接收方可以通过检测该跳变来保持与发送方的比特同步 18 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码已被某些局域网的标准采用缺点是在每比特的持续时间内将可能出现多达两次跳变 编码效率只有50 19 八 多路复用技术 多路复用器的主要功能是结合来自两条或多条线路的传输 20 波分复用 频分复用 复用技术 时分复用 码分复用 21 九 数据链路层的主要功能 链路管理帧定界功能流量控制差错控制帧的透明传输寻址数据链路层协议 为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议 22 十 反馈重发机制的分类 停止等待方式 停止等待协议 是最简单但也是最基本的数据链路层协议 23 连续工作方式 拉回方式 Go back N连续ARQ协议 重传出错帧以后所有已传的帧选择重发方式 选择重传ARQ协议 只重传出错帧 滑动窗口方式中 确认采用的是捎带确认 如ACK5意味着期待接收5号帧 4号帧及以前各帧已正确接收 24 停止等待协议 发送窗口大小为 接收窗口大小为1 在发送一帧之前必须等待下一帧的确认 致使适应于短信道 对长信道效率很低 连续ARQ协议 发送窗口大小 1 接收窗口大小为1 引入了管道化技术 允许发送方发送n帧之前而不需要等待确认 但是 如果某一帧发生错误 必须从发生错误帧处开始重新传输 选择重传ARQ协议 发送窗口大小 1 接收窗口大小 1 引入管道化和否定性确认帧 对发生错误的帧单独重传 并缓存错误帧之后发送的帧与退后n帧arq相比 减少了出错帧之后所有帧都要重传的开销 25 十一 典型数据链路层面向比特型协议 HDLC HDLC的帧结构 F flag 固定格式 01111110作用 帧同步传输数据的透明性 0比特插入与删除 26 十二 介质访问控制方法 在共享介质的情况下需要带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA CD 非确定性随机访问控制方法令牌环tokenring 采用令牌的确定性访问控制方法 27 载波监听多点接入 碰撞检测CSMA CD协议 CSMA CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 多点接入 表示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 是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据 如果有 则暂时不要发送数据 以免发生碰撞 总线上并没有什么 载波 因此 载波监听 就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号 28 碰撞检测 碰撞检测 就是计算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 所谓 碰撞 就是发生了冲突 因此 碰撞检测 也称为 冲突检测 29 检测到碰撞后 在发生碰撞时 总线上传输的信号产生了严重的失真 无法从中恢复出有用的信息来 每一个正在发送数据的站 一旦发现总线上出现了碰撞 就要立即停止发送 免得继续浪费网络资源 然后等待一段随机时间后再次发送 30 CSMA CD的发送流程可以概括为 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据 如果有 则暂时不要发送数据 以免发生冲突 如没有 则发送 并且计算机在发送数据同时检测信道上是否有冲突发生 如果有则采用截断二进制指数类型退避算法来等待一段随机时间后再次发送 31 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 中随机地取出一个数 记为r 重传所需的时延就是r倍的基本退避时间 当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧 并向高层报告 32 冲突及处理方法 由于多个发送方同时检测到介质空闲 并且发送数据 因而产生冲突 冲突发生后 发送方各自延迟随机时间 再争用介质 随机时间采用二进制指数退避算法进行决定 当冲突产生后 会产生帧碎片 当接受到的数据帧长度小于最小帧长限制时 则认为是帧碎片 进行丢弃 33 传统以太网的连接方法 传统以太网可使用的传输媒体有四种 铜缆 粗缆或细缆 铜线 双绞线 光缆这样 以太网就有四种不同的物理层 34 十四 网桥的基本工作原理 网桥基本特征 网桥在数据链路层上实现局域网互连 网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议 不同传输介质与不同传输速率的网络 网桥以接收 存储 地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信 网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议 网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量 网桥的基本分类 透明网桥 可以即插即用 源路选网桥 35 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 十五 IP地址中的网络号字段和主机号字段 0 A类地址 host id16bit 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 11110 0 1 网络中的每一个主机或路由器至少有一个IP地址 在Internet中不允许有两个设备具有同样的IP地址 如果一台主机或路由器连接到两个或多个物理网络 那么它可以拥有两个或多个IP地址 36 A类IP地址 网络号长度为7位 从理论上可以有27 128个网络 网络号为全0和全1 用十进制表示为0与127 的两个地址保留用于特殊目的 实际允许有126个不同的A类网络 B类IP地址 由于网络IP长度为14位 因此允许有214 16384个不同的B类网络 C类IP地址 网络号长度为21位 因此允许有221 2097152个不同的C类网络 37 IP地址与硬件地址 TCP报文 IP数据报 MAC帧 应用层数据 首部 首部 尾部 首部 38 十六 子网的基本概念 子网IP地址是三层结构 netID subnetID hostID 掩码的概念 39 子网掩码表示方法 网络号与子网号置1 主机号置0 40 一个B类地址划分为64个子网的例子 例 掩码为255 255 0 0意味着什么 C类网络子网掩码为255 255 255 224 该网络最多能划分成几个子网 每一个子网最多能有多少个主机 8 30 41 十七 无类域间路由CIDR技术 CIDR用区别于传统标准分类的IP地址与划分子网的概念的 网络前缀 network prefix 代替 网络号 主机号 二层地址结构 形成新的无分类二层地址结构 CIDR使用网络前缀去代替了标准分类的IP地址的网络号与主机号 也不再使用子网的概念 CIDR地址采用 斜线记法 即 如200 16 23 0 20 CIDR将网络前缀相同的连续的IP地址组成一个 CIDR地址块 42 网络地址转换NAT 网络地址转换NAT方法于1994年提出 需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件 装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器 它至少有一个有效的外部全球地址IPG 网络地址转换NAT技术是通过将一个或多个全局IP地址映射为多个内部专用IP地址来实现地址重用的 43 十八 IP分组交付和路由选择 应用层运输层网络层数据链路层物理层 应用层运输层网络层数据链路层物理层 数据报服务 H1 H2 IP数据报 丢失 H1发送给H2的分组可能沿着不同路径传送 44 54321 主机H1 主机H2 R1 R4 R5 R2 R3 R1 R2 R3 H1 R5 H2 R4 间接交付 间接交付 间接交付 间接交付 间接交付 直接交付 分组在互联网中的传送 45 讨论路由选择算法涉及的主要参数 跳 步 数 hopcount 分组从源结点到达目的结点经过的路由器的个数带宽 bandwidth 链路的传输速率延时 delay 分组从源结点到达目的结点花费的时间负载 load 通过路由器或线路的单位时间通信量可靠性 reliability 传输过程中的误码率开销 overhead 传输过程中的耗费 与所使用的链路带宽相关 从路由选择算法对网络拓扑和通信量变化的自适应角度划分 可以分为静态路由选择算法与动态路由选择算法两大类 46 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 主机H1 主机H2 路由器R1 硬件地址 路由器R2 HA2 IP1 IP2 局域网 局域网 局域网 查找路由表 查找路由表 IP1 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 HA2 IP6 主机H1 主机H2 路由器R1 IP层上的互联网 MAC帧 IP2 IP4 IP3 IP5 路由器R2 MAC帧 MAC帧 IP数据报 路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择 47 R1 H1 H2 内部网关协议IGP 例如 RIP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP EGP EGP EGP 内部网关协议IGP 例如 OSPF 外部网关协议EGP 例如 BGP 4 IGP R3 R2 自治系统和内部网关协议 外部网关协议 48 内部网关协议RIP 1 工作原理路由信息协议RIP是内部网关协议IGP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 49 从一路由器到直接连接的网络的距离定义为1或者0 从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加1 RIP协议中的 距离 也称为 跳数 hopcount 因为每经过一个路由器 跳数就加1 距离 的定义 50 RIP协议的三个要点 仅和相邻路由器交换信息 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息 即自己的路由表 按固定的时间间隔交换路由信息 例如 每隔30秒 51 距离向量算法 收到相邻路由器 其地址为X 的一个RIP报文 1 先修改此RIP报文中的所有项目 将 下一跳 字段中的地址都改为X 并将所有的 距离 字段的值加1 2 对修改后的RIP报文中的每一个项目 重复以下步骤 若项目中的目的网络不在路由表中 则将该项目加到路由表中 否则若下一跳字段给出的路由器地址是同样的 则将收到的项目替换原路由表中的项目 否则若收到项目中的距离小于路由表中的距离 则进行更新 否则 什么也不做 3 若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表 则将此相邻路由器记为不可达的路由器 即将距离置为16 距离为16表示不可达 4 返回 52 例题 假定网络中路由器B和路由器C相邻 都选用RIP协议作为路由选择协议 路由器B的路由表为图1所示 现在B收到从C发来的路由信息 如图2所示 请求出路由器B更新后的路由表 图1图2 53 最短路径优先协议OSPF OSPF协议的基本特点 最短路径优先 是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF是分布式的链路状态协议 54 OSPF协议的主要特点每个路由器维护它自己的本地链路状态信息 并且通过扩散的办法把更新了的本地链路状态信息广播给自治系统中的每个路由器 这样每个路由器都知道自治系统内部的拓扑结构和链路状态信息 路由器根据这个链路状态库计算出到每个目的地的最短路径 是一种动态的路由算法 能够自动而快速的适应拓扑结构的变化 路由器发送的信息是本路由器与哪些路由器相邻 以及链路状态 距离 时延 带宽等 信息 当链路状态发生变化时用洪泛法向所有路由器发送 所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库 55 三个要点 向本自治系统中所有路由器发送信息 这里使用的方法是洪泛法 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态 但这只是路由器所知道的部分信息 链路状态 就是说明本路由器都和哪些路由器相邻 以及该链路的 度量 metric 只有当链路状态发生变化时 路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息 56 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 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 典型外部网关协议BGP 57 十九 Internet网络层的附属协议 地址解析协议 地址解析ARP 从已知的IP地址找出对应物理地址的映射过程 反向地址解析RARP 从已知的物理地址找出对应IP地址的映射过程 58 Internet控制报文协议 ICMP的特点ICMP本身是网络层的一个协议 ICMP差错报告采用路由器 源主机的模式 路由器在发现数据报传输出现错误时只向源主机报告差错原因 差错处理需要由高层协议去完成 59 客户与并发服务器建立传输连接的过程 二十 传输层的基本功能 60 传输层的端 端通信 61 二十一 用户报文协议UDP UDP协议的主要特点UDP是一种无连接的 不可靠的传输层协议 在完成进程到进程的通信中提供了有限的差错检验功能 设计比较简单的UDP协议的目的是希望以最小的开销来达到网络环境中的进程通信目的 进程发送的报文较短 同时对报文的可靠性要求不高 那么可以使用UDP协议 62 UDP用户数据报传输过程中的封装与拆封 63 UDP报文传输队列 64 UDP的复用和分用 IP分组包含IP地址 该地址指定一个目的地机器 一旦这样的分组到达了目的地机器 网络控制程序如何知道该把它交给哪个进程呢 UDP分组包含一个目的地端口 这一信息是必需的 因为有了它 分组才能被投递给正确的进程 65 伪首部 源端口 目的端口 长度 检验和 数据 首部 UDP长度 源IP地址 目的IP地址 0 17 IP数据报 字节 4 4 1 1 2 12 2 2 2 2 字节 发送在前 数据 首部 UDP用户数据报 在计算检验和时 临时把 伪首部 和UDP用户数据报连接在一起 伪首部仅仅是为了计算检验和 UDP校验和的校验范围包括伪头部 UDP报头和应用层的数据 66 二十二 传输控制协议TCP TCP协议的主要特点TCP是一种面向连接的 可靠的传输层协议 TCP协议建立在不可靠的网络层IP协议之上 IP不能提供任何可靠性机制 TCP的可靠性完全由自己实现 TCP采用的最基本的可靠性技术是 确认与超时重传流量控制 67 TCP传输连接建立过程示意图 三次握手过程 1 A请求建立到B的连接 2 B对连接请求进行确认 并请求建立B到A的连接 3 A对反向连接进行确认 功能 三次握手可以解决被延迟的分组问题 从而可以保证数据交换的安全和可靠 68 TCP在传输连接释放过程中4次握手过程 69 TCP窗口概念 二十三 TCP流量与拥塞控制 70 慢开始和拥塞避免 发送端的主机在确定发送报文段的速率时 既要根据接收端的接收能力 又要从全局考虑不要使网络发生拥塞 因此 每一个TCP连接需要有以下两个状态变量 接收端窗口rwnd receiverwindow 又称为通知窗口 advertisedwindow 拥塞窗口cwnd congestionwindow 71 发送窗口的上限值 发送端的发送窗口的上限值应当取为接收端窗口rwnd和拥塞窗口cwnd这两个变量中较小的一个 即应按以下公式确定 发送窗口的上限值 Min rwnd cwnd 7 1 当rwnd cwnd时 是接收端的接收能力限制发送窗口的最大值 当cwnd rwnd时 则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值 72 慢开始算法的原理 在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口cwnd设置为一个最大报文段MSS的数值 在每收到一个对新的报文段的确认后 将拥塞窗口增加至多一个MSS的数值 用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口cwnd 可以使分组注入到网络的速率更加合理 73 慢开始和拥塞避免算法的实现举例 当TCP连接进行初始化时 将拥塞窗口置为1 图中的窗口单位不使用字节而使用报文段 慢开始门限的初始值设置为16个报文段 即ssthresh 16 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 0 4 8 12 16 20 24 传输次数 ssthresh 16 慢开始 慢开始 拥塞避免 拥塞避免 更新后的ssthresh 12 74 慢开始和拥塞避免算法的实现举例 发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口cwnd和接收端窗口rwnd中的最小值 我们假定接收端窗口足够大 因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 0 4 8 12 16 20 24 传输次数 ssthresh 16 慢开始 慢开始 拥塞避免 拥塞避免 75 慢开始和拥塞避免算法的实现举例 在执行慢开始算法时 拥塞窗口cwnd的初始值为1 发送第一个报文段M0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 0 4 8 12 16 20 24 传输次数 ssthresh 16 慢开始 慢开始 拥塞避免 拥塞避免 76 慢开始和拥塞避免算法的实现举例 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 0 4 8 12 16 20 24 传输次数 ssthresh 16 慢开始 慢开始 拥塞避免 拥塞避免 发送端收到ACK1 确认M0 期望收到M1 后 将cwnd从1增大到2 于是发送端可以接着发送M1和M2两个报文段 77 慢开始和拥塞避免算法的实现举例 接收端发回ACK2和ACK3 发送端每收到一个对新报文段的确认ACK 就把发