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网络技术 顾军 张瑾计算机学院 1 主要教学内容 32学时 1计算机网络概论2计算机网络通信原理3局域网工作原理4TCP IP工作原理5网络互连技术 2 计算机网络的定义 多年来一直没有严格的定义 并且随着计算机技术和通信技术的发展而具有不同的内涵 一些互连的 自治的计算机的集合 计算机网络是利用通信手段 把地理上分散的相互独立的自主计算机系统 按照标准协议规范互连起来 以供用户充分自由地共享各种资源为目的而构成的系统 3 理解计算机网络 多机系统 两台以上的计算机每台计算机具有独立功能互连 任意两两之间都相通 都沟通物理相通 逻辑沟通 信号相通 数据沟通共享 彼此互享 公共分享资源的无限数量及无限形式 4 不同覆盖范围 广域网和局域网 城域网不同拓扑结构 总线 环型 星型 树型 网状型不同协议 以太网 令牌网 TCP IP不同操作系统 unix windows netware不同传输介质 有线 无线 卫星 计算机的分类 5 由局域网和广域网组成互联网 相距较远的局域网通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网 6 应用层 运输层 网络层 表示层 会话层 数据链路层 物理层 7654321 OSI的体系结构 应用层 网络接口层 网际层IP 各种应用层协议如TELNET FTP SMTP等 运输层 TCP或UDP TCP IP的体系结构 无连接分组交付服务 运输服务 可靠或不可靠 TCP IP的三个服务层次 计算机网络体系结构 7 网络协议 networkprotocol 为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定 网络协议主要由以下三个要素组成 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 同步 即事件实现顺序的详细说明 这里的同步是广义的 含有时序的意思 8 数据通信系统 9 数据通信主要技术指标 数据传输速率 数据传输速率也称为比特速率S 是指单位时间内传输的二进制位数 单位是位 秒 记为bit s b s或bps 信号传输速率 信号传输速率也称为码元速率 是指单位时间内通过信道传输的码元个数 单位是波特 记为Baud 以B表示 10 N 2时S BN 4时S 2B 00011011101101001001 波特率B和比特率S的比较 11 信道容量 表示一个信道传输数据的能力 通常用单位时间内可传输的最大比特数来表示 单位是位 秒 或记为bit s 误码率 在传输数据的过程中 由于受各种因素的影响 总会出现一些差错 通常把信号传输过程中的错误率称为误码率 它是衡量差错的指标 误码率 接收的错误比特数 传输的总比特数 12 信道带宽 在通信系统中 带宽是指在给定的范围内可用于传输的最高频率与最低频率的差值 在网络系统中 信道的带宽是指计算机通信通道的容量 以Mbps为单位 信道延迟 信道延迟是指信号从发送方发出经过信道到达接收方所需要的时间 13 几种媒体的传输频带 14 多模光纤与单模光纤 多模光纤 15 数据传输方式 16 通信双方的交互方式 17 18 同步传输与异步传输 同步传输以时钟来对传输进行同步以数据块 帧或分组 为单位传输适用于高速数据传输 19 异步传输独立时钟 无须同步以字符为单位进行传输发送两个字符之间的间隔是独立和随机的接收方依靠字符中的起始位来同步 20 数据交换技术 线路交换 电路交换 建立 独享 拆除报文交换 存储转发 容易丢失分组交换 存储转发 不易丢失数据报和虚电路 21 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 22 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 虚电路服务 H1 H2 虚电路 H1发送给H2的所有分组都沿着同一条虚电路传送 23 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 24 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 25 PCM PulseCodedModulation 信号 脉码调制信号 采样信号 基于nyquist理论 3 2 3 9 2 8 3 4 1 2 4 2 3 4 3 3 1 4 011 100 011 011 001 100 原始信号 PAM脉冲 采样 PCM脉冲 量化 有量化差错 011100011011001100 PCM输出 编码 26 数字数据编码 27 多路复用技术 多路复用 在一个物理信道上传输多路信号 共享信道资源 共享信道 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 信道 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 复用 分用 a 不使用复用技术 b 使用复用技术 28 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 29 D3 D2 D1 时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 30 波分复用WDM WavelengthDivisionMultiplexing 31 码分复用CDM CodeDivisionMultiplexing 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 这种系统发送的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 3G的技术基础 CDMA2000 WCDMA TD SCDMA WIMAX每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 通常m是64或者128 32 CDMA的工作原理 m 8 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 S Sx Tx S Sx S Tx 33 数据经过模拟传输系统后会出现差错 差错控制技术 34 循环冗余检验码 在数据链路层传送的帧中 广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术 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 35 冗余码的计算 用二进制的模2运算进行2n乘M的运算 这相当于在M后面添加n个0 得到的 k n 位的数除以事先选定好的长度为 n 1 位的除数P 得出商是Q而余数是R 余数R比除数P少1位 即R是n位 36 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 只要经过严格的挑选 并使用位数足够多的除数P 那么出现检测不到的差错的概率就很小很小 37 局域网的拓扑 匹配电阻 集线器 干线耦合器 总线网 星形网 树形网 环形网 38 39 CSMA CD协议 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上 当初认为这样的连接方法既简单又可靠 因为总线上没有有源器件 B向D发送数据 C D A E 匹配电阻 用来吸收总线上传播的信号 匹配电阻 不接受 不接受 不接受 接受 B 只有D接受B发送的数据 40 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 载波监听多点接入 碰撞检测 多点接入 说明这是总线型网络 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电子技术检测一下总线上是否有其他计算机发送的数据信号 如果有 则暂时不要发送数据 以免发生碰撞 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 由信号电压摆动值的大小来判断是否发生了碰撞 正常发送时 计算机发送的数据都是使用曼彻斯特编码的信号 发生碰撞时 信号会产生严重的失真 一旦发生碰撞 就立即停止发送 41 某大学有三个系 各自有一个局域网 用多个集线器可连成更大的局域网 三个独立的碰撞域 一系 二系 三系 碰撞域 碰撞域 碰撞域 42 用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中 一系 三系 二系 主干集线器 一个更大的碰撞域 碰撞域 43 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连 并且一般都工作在全双工方式 交换机能同时连通许多对的接口 使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样 进行无碰撞地传输数据 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片 其交换速率就较高 支持存储转发和直通交换两种方式 以太网交换机的特点 44 结点A交换到结点C的过程 45 以太网交换机 A4 B1 以太网交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网交换机 以太网交换机 三个虚拟局域网VLAN1 VLAN2和VLAN3的构成 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数 使得网络不会因传播过多的广播信息 即 广播风暴 而引起性能恶化 46 互连网络与虚拟互连网络 网络 网络 网络 网络 网络 a 互连网络 b 虚拟互连网络 路由器 虚拟互连网络 互联网 47 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 48 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 49 IP地址的编址方法 分类的IP地址 这是最基本的编址方法 在1981年就通过了相应的标准协议 子网的划分 这是对最基本的编址方法的改进 其标准 RFC950 在1985年通过 构成超网 这是比较新的无分类编址方法 1993年提出后很快就得到推广应用 50 网110 0 0 0 网440 0 0 0 网330 0 0 0 网220 0 0 0 10 0 0 4 40 0 0 4 30 0 0 2 20 0 0 9 20 0 0 7 目的主机所在的网络 下一跳地址 20 0 0 0 30 0 0 0 10 0 0 0 40 0 0 0 20 0 0 7 30 0 0 1 直接交付 接口1 直接交付 接口0 路由器R2的路由表 30 0 0 1 10 0 0 4 40 0 0 4 30 0 0 2 20 0 0 9 20 0 0 7 30 0 0 1 链路4 链路3 链路2 链路1 R2 R3 R1 0 1 R2 R3 R1 在路由表中 对每一条路由 最主要的是 目的网络地址 下一跳地址 51 分组转发算法 1 从数据报的首部提取目的主机的IP地址D 得出目的网络地址为N 2 若网络N与此路由器直接相连 则把数据报直接交付目的主机D 否则是间接交付 执行 3 3 若路由表中有目的地址为D的特定主机路由 则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器 否则 执行 4 4 若路由表中有到达网络N的路由 则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器 否则 执行 5 5 若路由表中有一个默认路由 则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器 否则 执行 6 6 报告转发分组出错 52 TCP报文 IP数据报 MAC帧 应用层数据 首部 首部 尾部 首部 IP地址与硬件地址的区别 53 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 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 从协议栈的层次上看数据的流动 54 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 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 从虚拟的IP层上看IP数据报的流动 55 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 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 在链路上看MAC帧的流动 56 地址解析和逆地址解析 IP地址 物理地址 ARP 物理地址 IP地址 RARP 57 ARP请求作为广播发送 以太网地址 FFFFFFFFFFFF 作为广播地址 58 59 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 60 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报 仍然是根据IP数据报的目的网络号net id 先找到连接在本单位网络上的路由器 然后此路由器在收到IP数据报后 再按目的网络号net id和子网号subnet id找到目的子网 最后就将IP数据报直接交付目的主机 划分子网的基本思路 续 61 在划分子网的情况下路由器转发分组的算法 1 从收到的分组的首部提取目的IP地址D 2 先用各网络的子网掩码和D逐位相 与 看是否和相应的网络地址匹配 若匹配 则将分组直接交付 否则就是间接交付 执行 3 3 若路由表中有目的地址为D的特定主机路由 则将分组传送给指明的下一跳路由器 否则 执行 4 4 对路由表中的每一行的子网掩码和D逐位相 与 若其结果与该行的目的网络地址匹配 则将分组传送给该行指明的下一跳路由器 否则 执行 5 5 若路由表中有一个默认路由 则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器 否则 执行 6 6 报告转发分组出错 62 无分类的两级编址的记法是 IP地址 CIDR还使用 斜线记法 slashnotation 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比特数 这个数值对应于三级编址中子网掩码中比特1的个数 CIDR将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 63 最长前缀匹配 使用CIDR时 路由表中的每个项目由 网络前缀 和 下一跳地址 组成 在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果 应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由 最长前缀匹配 longest prefixmatching 网络前缀越长 其地址块就越小 因而路由就越具体 最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配 64 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 以减少分组的丢失 65 ICMP差错报告报文的数据字段的内容 首部 IP数据报 ICMP的前8字节 装入ICMP报文的IP数据报 IP数据报首部 ICMP差错报告报文 8字节 收到的IP数据报 IP数据报首部 8字节 ICMP差错报告报文 IP数据报的数据字段 66 ICMP报文被分成两类 差错报告报文和询问报文 67 运输层 54321 运输层提供应用进程间的逻辑通信 主机A 主机B 应用进程 应用进程 路由器1 路由器2 AP1 LAN2 WAN AP2 AP3 AP4 IP层 LAN1 AP1 AP2 AP4 端口 端口 54321 IP协议的作用范围 运输层协议TCP和UDP的作用范围 AP3 68 运输层协议和网络层协议的主要区别 应用进程 应用进程 IP协议的作用范围 提供主机之间的逻辑通信 TCP和UDP协议的作用范围 提供进程之间的逻辑通信 因特网 69 TCP IP体系中的运输层 TCP UDP IP 应用层 与各种网络接口 运输层 70 熟知 公认 端口常用的应用服务的端口 0 1023 71 TCP面向流的概念 发送TCP报文段 发送方 接收方 把字节写入发送缓存 从接收缓存读取字节 应用进程 应用进程 18 17 16 15 14 H 加上TCP首部构成TCP报文段 TCP TCP 字节流 字节流 H 表示TCP报文段的首部 x 表示序号为x的数据字节 TCP连接 72 TCP的连接 TCP使用 连接 而不仅仅是 端口 作为最基本的抽象 同时将TCP连接的端点称为插口 socket 或套接字 套接口 插口和端口 IP地址的关系是 73 TCP首部 20字节固定首部 目的端口 数据偏移 检验和 选项 长度可变 源端口 序号 紧急指针 窗口 确认号 保留 FIN SYN RST PSH ACK URG 比特08162431 填充 74 运输连接就有三个阶段 即 连接建立 数据传送和连接释放 运输连接的管理就是使运输连接的建立和释放都能正常地进行 连接建立过程中要解决以下三个问题 要使每一方能够确知对方的存在 要允许双方协商一些参数 如最大报文段长度 最大窗口大小 服务质量等 能够对运输实体资源 如缓存大小 连接表中的项目等 进行分配 运输连接的三个阶段 75 CLOSED CLOSED A B 客户 服务器 A的TCP向B发出连接请求报文段 其首部中的同步位SYN 1 并选择序号seq x 表明传送数据时的第一个数据字节的序号是x 1 TCP的连接建立 76 CLOSED CLOSED A B 客户 服务器 B的TCP收到连接请求报文段后 如同意 则发回确认 B在确认报文段中应使SYN 1 使ACK 1 其确认号ack x 1 自己选择的序号seq y 77 CLOSED CLOSED A B 客户 服务器 A收到此报文段后向B给出确认 其ACK 1 确认号ack y 1 A的TCP通知上层应用进程 连接已经建立 78 CLOSED CLOSED A B 客户 服务器 B的TCP收到主机A的确认后 也通知其上层应用进程 TCP连接已经建立 79 2 TCP的数据传输 连续发送累积确认超时重传 80 数据传送 ESTAB LISHED ESTAB LISHED A B 客户 服务器 数据传送 ACK 1 seq u 1 ack w 1 3 TCP的连接释放 81 一般说来 我们总是希望数据传输得更快一些 但如果发送方把数据发送得过快 接收方就可能来不及接收 这就会造成数据的丢失 流量控制 flowcontrol 就是让发送方的发送速率不要太快 既要让接收方来得及接收 也不要使网络发生拥塞 利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现流量控制 TCP的流量控制 82 在某段时间 若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分 网络的性能就要变坏 产生拥塞 congestion 出现资源拥塞的条件 对资源需求的总和 可用资源若网络中有许多资源同时产生拥塞 网络的性能就要明显变坏 整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降 拥塞控制 83 VPN和NAT技术 VPN和NAT主要用于解决因特网上的网络安全和IPv4地址紧缺的问题 本地地址 仅在机构内部使用的IP地址 可以由本机构自行分配 而不需要向因特网的管理机构申请 全球地址 全球唯一的IP地址 必须向因特网的管理机构申请 84 数据链路层 物理层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 应用层 因特网 以后就逐级使用下层提供的服务 使用TCP和IP 应用层 85 Telnet Ethernet TokenRing FDDI PPP SLIP X 25 HTTP NFS FTP XWin TFTP RPC DNS TCP UDP ICMP IP IGMP ARP RARP SMTP REXEC SNMP 应用层针对不同应用 传输层 网络层 数据链路层针对不同硬件 TCP IP协议族中的应用层协议 86 IPv6数据报的一般形式 基本首部 扩展首部1 扩展首部N 数据部分 选项 IPv6数据报 有效载荷 87 0 4 16 31 版本 位 目的地址 源地址 下一个首部 流标号 12 通信量类 128位 128位 有效载荷长度 跳数限制 24 有效载荷 扩展首部 数据 IPv6的基本首部 40B IPv6的有效载荷 至64KB 88 将网络互相连接起来的设备 称为中继 relay 系统 根据中继系统所处的层次的不同 可有以下五种中继系统 物理层中继系统 转发器 repeater 数据链路层中继系统 网桥或桥接器 bridge 网络层中继系统 路由器 router 网桥和路由器的混合物 桥路器 brouter 兼有网桥和路由器的功能 在网络层以上的中继系统 网关 gateway 主要实现高层协议的转换 网络互连层次及设备 89 路由选择算法 静态路由路由选择器不共享路由信息手工构造路由表静态路由选择器没有跟踪信息静态路由优先级最高动态路由路由选择器自动共享路由信息自动构造路由表需要一个路由协议 如RIP或OSPF需要第三方路由选择器 90 AutonomousSystem 1 AS 3 AS 2 BorderGateways 每个自治系统有一个唯一的16bit标识符 自治系统 91 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 目前这类路由选择协议使用得最多 如RIP和OSPF协议 外部网关协议EGP ExternalGatewayProtocol 若源站和目的站处在不同的自治