同等学力申请硕士学位计算机网络辅导 PPT课件

1 同等学力人员申请硕士学位学科综合水平全国统一考试计算机网络辅导 北京理工大学计算机科学技术学院 2 名词术语 带宽通信信道允许通过信号频率的范围 体现为传输信道的最高频率和最低频率之差 单位是赫兹 Hz 标准电话话路300 3400Hz 3100Hz 理想 2400Hz码元承载信息的基本信号单位奈奎斯特 Nyguist H 准则理想低通信道 最高码元速率 2X带宽理想带通信道 最高码元速率 带宽信号传输率 调制速率 码元速率线路上单位时间内传送的波形个数 单位是波特 Baud 3 速率之间的关系 数据传输率单位时间内传送比特的位数 单位是位 秒 b s bps 速率之间的关系一个单位的码元能承载 代表 几个比特位一码元携带的信息量 log2 信号有效值状态数 数据率 波特率X一码元携带的信息量仙农 Shannon C E 公式把奈奎斯特结论扩展到受随机 热 噪声影响对于任何带宽为HHz 信躁比为S N的信道最大数据传输率 bit Hlog2 1 S N 10lgS N 分贝 dB 4 调制解调器 Modem 调制器 Modulator 和解调器 demodulator 为了达到更高的信息传输率 采用技术上更为复杂的多元制振幅相位混和调制方法 使每个码元能携带更多个比特的信息量当采用16元制时 一个码元可携带4个比特信息 2400Hz带宽 9600bps高速Modem 28 8 33 6kbpsITU TV 34标准 采用大量数字信号处理技术和专用VLSI3000Hz 30dB信道 30kbps 仙农公式 56kbpsV 90Modem通过减少A D变换和量化躁声来实现 5 Modems 正交移相键控法QPSK QuadraturePSK 正交幅度调制QAM QuadratureAM 星座图ConstellationDiagram a QPSK b QAM 16 c QAM 64 6 Modems TCM TrellisCodedModulation9600bpsV 3214400bpsV 32bis28800V 3433 6bpsV 34bis a V 32for9600bp b V32bisfor14 400bps 7 例题 2004年 假定一条线路每1 16s采样一次 传输信号共有16种状态 传输速率是 64kbps 2005年 采用8种相位 每种相位各有两种幅度的QAM调制方法 在2400Baud的信号传输速率下能达到的数据传输速率为 9600 bit s2005年使用电话线拨号方式传输1M字节大小的文件 其中Moden的数据传输率为2400bps 若以异步方式传送 采用1位起始位和1位停止位 则最少需要多少时间 以秒为单位 才能将该文件传输完毕 假设线路传播延迟 误码率 网络层以上开销均忽略不计 解答 信息传输速率 2400 8 1 1 24000b s 传输1M字节大小的文件需要时间 1024 1024 24000 43 69s 8 脉冲编码调制 模拟数据的数字化把模拟数据转换为数字信号 要使用编解码器设备 用编解码器把模拟数据变换为数字信号的过程叫做模拟数据数字化脉冲编码调制技术 PulseCodeModulation PCM 简称脉码调制采样 取样 取样频率大于模拟信号最高频率的2倍 则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号量化编码取样的速率由模拟信号的最高频率决定 量化的级别多少决定了取样的精度 实际过程中这些参数都取下限 9 10 数字传输系统 同步时分多路复用和PCM结合实现若干模拟话路时分复用数字主干 ch0 ch31 数字主干 2 048Mbps 125微秒 32X8 125 2 048Mbps 11 数字传输系统 贝尔系统的T1载波T1载波也叫一次群 24路话音信道时分多路复用在一条1 544Mb s的高速信道上轮流对24路话音PCM 一个取样周期 125 s 中得到7位一组的数字合成串 共7X24位 每个7位组后面插入一个信令位 变成8X24 192位 最后加入一个帧同步位 帧长为193位 每125 s传送一帧 数据传输率为193b 125 s 1 544Mbps多次群T1载波还可以多路复用到更高级的载波上4个T1合成一个T2信道 6 312Mb s 7个T2合成一个T3 44 736Mb s 6个T3合成一个T4 274 176Mb s 速率标准SONET SDH 12 例题 2006年 用PCM对语音进行数字化 如果将声音分成128个量化级 采样频率为8000次 秒 那么一路话音需要的数据传输率为 56 Kbit s 13 例题 其他 1 无线电天线通常在其直径等于无线电波长的情况下工作效果最好 合理的天线直径范围是从1cm到5cm 所覆盖的频率范围是多少 解答 波长 速度 频率1cm 3 108m s 100 f 5cm 即60MHz 30GHz 2 在50kHz线路上使用T1载波需要多大的信躁比 解答 50 log2 1 s n 1 544 1000 s n 231 1 即10lg 231 1 93dB 3 T1线路的开销比例有多大 即1 544Mb s中有多少比例没有投递给端用户 解答 由于在一个帧中 端点用户使用193位中的168 7X24 位 开销占25 193 168 位 因此开销比例等于25 193 13 14 循环冗余校验 CRC 又称多项式编码将位串看成是系数为0或1的多项式k位的帧看成k 1次多项式例如 110001 x5 x4 x0收发双方事先预定一个生成多项式G x 最高和最低位为1 计算m位的帧M x 的校验和基本思想 将校验和加在帧的末尾 使带校验和的帧的多项式能被G x 除尽接收方收到校验和的帧时 用G x 去除它 如果有余数 则传输出错 15 计算校验和的算法 设G x 为r次 在帧的末尾附加r个0 使帧为m r位 则相应的多项式为xrM x 按模2除法用对应于G x 的位串去除对应于xrM x 的位串按模2减法从对应于xrM x 的位串中减去余数 结果就是要传送带校验和的帧 叫多项式T x 生成多项式的国际标准CRC 12 x12 x11 x3 x2 x 1CRC 16 x16 x15 x2 1CRC CCITT x16 x12 x5 1 16 HDLC协议 HDLC站的类型主站 控制链路从站 受控复合站 主 从站HDLC链路结构不平衡结构 主 从平衡结构 复合 复合HDLC的操作模式正常响应模式 NRM 不平衡配置 主站发起向从站的数据传输异步响应模式 ARM 不平衡配置 次站发起传输异步平衡模式 ABM 平衡配置 双方均可发起传输 主站 从站 主站 从站 从站 复合站 复合站 响应 命令 命令 响应 命令 响应 响应 命令 17 HDLC的帧格式 标志字段 8位 作为帧的边界 取值为01111110 两个标志之间为透明传输区 如果中间出现连续五个1发送时插入一个0 地址字段 8位 从站或应答站的地址 全1 广播 全0 无效 控制字段 8位 根据其最前面两个位的取值 HDLC帧分成三类 信息帧 监督帧和无编号帧 信息字段 若干8位 发送的实际数据 帧校验序列 16位 CRC校验 生成多项式 x16 x12 x5 1 即CRC CCITT 校验范围 地址 控制和信息字段 18 HDLC控制字段 信息帧 发送帧序号询问 终止期望接收帧序号 监督帧 监视和控制N R 1已经接收 无编号帧 五位M 32种组合命令 提供附加的链路控制 建立工作模式 SABM 拆除链路 DISC 报告特别情况 UA 当S位为00 称为RR帧 表示准备接收下一帧 确认序号为N R 1及其以前的帧 为01 REJ 表示拒绝N R 开始的所有帧 但确认N R 1及其以前的各帧 为10 RNR 表示暂停接收下一帧 确认N R 1及其以前的各帧 为11 SREJ 表示只拒绝N R 帧但确认N R 1及其以前的各帧 19 操作过程 系统A 系统B 协议操作 网络层 链路层 链路层 网络层 SABM UA 信息帧 响应帧 DISC UA Connectrequest Connectindication Connectconfirm Connectresponse Datarequest disconnectrequest Dataconfirm disconnectconfirm Dataindication disconnectindication Dataresponse disconnectresponse 20 站A 站B B SABM P B UA F B DISC P B UA F B I00 P B I10 B I20 A I00 B I31 F A I10 P A RR2 F 21 例题 2004年 若HDLC的数据域中出现比特串 010111110101 为解决透明传输 则比特填充后的输出为 0101111100101 22 流量控制 在收发数据的速度上取得一致 获得最高的传输效率 提高传输的可靠性应答式停止 等待流量控制最简单的流量控制技术 适用于单工或半双工通信 发送方发送一帧信息帧后 要等待对方收妥应答后才继续发送下一帧 滑动窗口流量控制比较完善的流量控制技术 适用于全双工通信 连续发送若干帧 不等待对方应答 23 滑动窗口法 每个发出的帧都包含一个序列号发送进程允许连续发送 不等待应答 的帧序号表发送窗口接收进程允许接收的帧序号表接收窗口发送窗口和接收窗口有一个上限和下限发送和接收窗口大小不必相同发送和接收窗口的上限和下限不必相同某些协议中窗口大小固定 另一些协议中可变 24 滑动窗口协议的工作过程 发送方窗口中的序列号代表已发送但尚未确认的帧网络层分组到达后 给它分配下一个最高的序号 发送窗口上限加1当确认到来时 发送窗口的下限加1接收端对落在接收窗口以外的帧进行丢弃当序列号等于接收窗口下限的帧收到后 把它交给网络层 产生一个确认 且接收窗口整个向前移动一个位置 25 滑动窗口状态 滑动窗口大小为1 帧序列号采用3位 a 初始状态 接收窗口张开 b 第0帧已经发送 c 第0帧已经接收 应答已经发送 d 第0帧的应答已经接收 26 滑动窗口协议的窗口大小 问题采用滑动窗口协议 一次可以连续发出多少个帧 即发送窗口的最大尺寸应为多少 需要考虑以下两种情况 顺序接收 连续ARQ 又称Go BackN 乱序接收 选择重传ARQ 27 顺序接收 连续ARQ 序号为n位 序号范围 0 2n 1最大窗口尺寸w为多少 2n或2n 1 设n 3 取w 8 工作情况下图所示由于各组帧的序号范围相同 所以无法识别重复帧所以 当w 2n 协议不能正确工作 28 顺序接收 29 顺序接收 设n 3 取w 23 1 7 工作情况下图所示由于各组帧的序号范围不同 所以可以识别重复帧所以 当w 2n 1 协议可以正确工作因此 在顺序接收情况下 最大窗口尺寸w 2n 1 30 顺序接收 31 乱序接收 选择重传 实际上 由于各种因素的影响 如传播延迟 重发等 可能会出现序号大的帧先到达 而序号小的帧延迟到达的情况 所以 应该允许接收方乱序接收此时 若最大窗口尺寸w 2n 1 仍然可能出错设n 3 取w 23 1 7 工作情况下图所示由于乱序接收 对于7 0 4帧 接收方不知道它们是重发帧 当作正常帧接收 从而造成帧重复 导致协议失败 32 乱序接收 正确接收第二组 允许接收 6 7 0 4 33 乱序接收 可以看出 帧重复主要是因为接收方无法区分两组帧的帧序号 即最大窗口尺寸w 2n 1太大了选择最大窗口尺寸w 2n 1 即可以解决上述问题设n 3 取w 23 1 4 工作情况下图所示因此 在乱序接收情况下 最大窗口尺寸w 2n 1 34 乱序接收 正确接收第二组 允许接收 0 3 35 例题 2004年对于选择重传ARQ协议 若序号位为3位 则最大发送窗口Wt为 4 2006年数据链路层采用Go back N方式进行流量和差错控制 发送方已经发送了编号为0 6的帧 当计数器超时 除1号帧外 其他各帧的确认均已返回时 发送方需要重发 6 帧 36 例题 2004年假定卫星信道的数据率为100kbps 卫星信道的单程 发送方通过卫星到接受方 传播延时为250ms 每个数据帧长均为2000bit 并且不考虑误码 确认帧长 头部和处理时间等开销 为达到最大的效率 试问帧的顺序号应为多少位 此时信道的利用率是多少 解答 2000bit帧占用信道时间2000b 100kbps 20ms 往返传播时间500ms 需要窗口大小为500 20 25帧才能保持信道繁忙 序号为5位 信道利用率 25 20 500 20 96 37 载波侦听 多路访问 冲突检测 CSMA CD 38 载波侦听 多路访问 冲突检测 CSMA CD CSMA CD有三种状态 争用 传输 空闲 39 冲突检测时间的估算 对于基带总线而言 检测到冲突的时间等于两个站点之间最大传播延迟 的2倍 40 冲突检测时间的估算 图最长需要2 时间检测到冲突 41 退避算法 检测到冲突 并发送完阻塞信号后 为降低再次冲突的概率 需要等待一个随机时间 然后再使用CSMA算法发送随机时间的确定通常采用二进制指数退避算法基本思想首先从离散的整数集合 0 1 2k 1 随机选取一个数r其中 K Min 重发次数 10 重发时间 r 2 传播延迟帧每发生一次冲突 r加倍最大传输次数不超过16可以看出 冲突次数多的站等待时间长 42 性能 Metcalfe Boggs 1976CSMA CD将介质时间分割成一系列时间槽每个槽的长度为传输延迟的两倍 2 显然 电缆越长 争用期就越长802 3规定电缆最大长度为2 5km 任意两个收发器之间最多有4个中继器 则往返传播延迟不超过51 2 s 在10Mbps下为512位 即64字节 43 例题 长度为1公里 数据传输率为10Mbps的CSMA CD以太网 信号传播速度为200m s 试求能够使该网络正常运行的最小帧长 解答 对于1公里电缆 单程传播时间为1 0 2 5 s 5 10 6秒 来回路程传播时间为2 10 s 为了能够按照CSMA CD工作 最小帧的发射时间不能小于10 s 以10Mbps速率工作 10微秒可以发送的比特数等于 10 10 6 1 10 7 因此 最小帧是100比特 44 例题 45 IP地址 每个连接到Internet中的主机分配一个地址全球范围保证地址唯一32位的逻辑地址IP地址由Internet网络信息中心 InterNIC 负责分配采用4个3位十进制数中间用点进行分割表示 点分十进制记法IP地址包含网络号和主机号两部分根据两部分所占的比特位数不同分成不同的地址类 46 IP地址分类 8 24 A类 第一字节取值范围 0XXXXXXX0 127例如 10 1 1 10 16 16 B类 10XXXXXX128 191例如 169 9 1 10 24 8 C类 110XXXXX192 223例如 211 68 9 1 D类 E类 47 子网掩码 用于区分IP地址中哪部分是网络号 哪部分是主机号网络号部分取全 1 主机号部分取全 0 缺省的子网掩码A类地址 8个 1 24个 0 255 0 0 010 1 1 10与255 0 0 0 10 0 0 0 网络号 B类地址 16个 1 16个 0 255 255 0 0168 9 5 4与255 255 0 0 168 9 0 0 网络号 C类地址 24个 1 8个 0 255 255 255 0211 68 9 1与255 255 255 0 211 68 9 0 48 特殊的IP地址 A类地址中第一字节有效范围1 126127 0 0 1作为回环地址使用 对应的主机名通常为localhost0 255在许多情况下不用 49 划分子网 为何要划分子网对主机号部分进行进一步划分 分成子网号和新主机号两部分IP地址 网络号 子网号 主机号例如 168 9 0 0 从InterNIC分配得到 假设子网号取3位168 9 000XXXXX XXXXXXXX 不用 168 9 001XXXXX XXXXXXXX IP 168 9 32 1 168 9 63 254 168 9 110XXXXX XXXXXXXX IP 168 9 192 1 168 9 223 254168 9 111XXXXX XXXXXXXX 不用 子网掩码255 255 11100000 00000000 255 255 224 0 IP 19 网络号 168 9 32 0 168 9 192 0 50 可变长子网掩码 可变长子网掩码 VariableLengthSubnetMask VLSM 编址方案虽然子网划分是对网络编址的有益补充 但是还存在着一些缺陷出现了VLSM 可以避免任何可能的地址浪费VLSM用直观的IP地址后面加上 网络及子网号比特数 来表示例如 202 117 125 0 27 表示前27位是网络号和子网号 即子网掩码长27位 主机地址为5位长 51 CIDR 无类别域间路由选择为了解决IP地址不够分配的问题借助网络ID中的位数作为主机ID进行寻址 称为超网 Supernet 例如 InterNIC如何给拥有2000台主机的组织分配IP地址 分配一个B类地址 浪费分配8个C类地址 路由表太大8个C类地址 220 78 168 0 24 220 78 175 0 24路由表中需要8个表项改为记录起始地址 220 78 168 0 21220 78 10101XXX 0与255 255 248 0 52 例题 2004年一个B类地址的子网掩码是255 255 255 224 可以得出 2048 个子网 不考虑特殊地址 解答 255 255 11111111 1110000011位子网掩码共有2048个子网2005年在某一个子网中给以下四台主机分配IP地址 子网掩码均为255 255 255 244 其中一台因IP地址分配不当而存在通信故障 这台主机IP地址为 A A 200 10 1 60B 200 10 1 65C 200 10 1 70D 200 10 1 75解答 60 32 16 8 4 0011110065 64 1 0100000170 64 4 2 0100011075 64 8 2 1 01001011 53 例题 某单位内有4个局域网通过一台四个端口的路由器 支持可变长子网掩码VLSM 连接 一个端口连接一个局域网 每个局域网的主机数分别是120台 60台 26台 25台 该单位已拥有一个C类IP地址198 101 116 0 255 255 255 0 试合理分配IP地址并给出每一个局域网的IP地址范围和子网掩码 解答 每个部门分配一个子网 名义上部门A B C D的子网大小分别是 128 64 32 和 32 IP地址的最高位是0表示子网A 最高两位是10表示子网B 最高三位是110表示子网C 最高三位是111表示子网D 显然这里采用了可变长子网掩码 涉及3种子网掩码 分别是255 255 255 128 255 255 255 192 255 255 255 224因此IP地址范围和子网掩码分配方式如下 192 101 116 1 126 255 255 255 128192 101 116 129 190 255 255 255 192192 101 116 193 222 255 255 255 224192 101 116 225 254 255 255 255 224 54 例题 一个网段的网络号为198 90 10 0 27 子网掩码固定为255 255 255 224 最多可以分成 8 个子网 而每个子网最多具有 30 个有效的IP地址 解答 198 90 10 000 xxxxx255 255 255 11100000 55 实现IP路由 IP路由器的每个端口至少配置唯一的IP地址每个端口连接一个网段每个网段中主机的IP地址中网络号 子网号 相同 网段之间的主机IP地址中网络号 子网号 不同每台主机必须配置默认网关默认网关的IP地址为该网段路由器端口的地址 56 路由器 192 32 17 0 24 201 8 20 0 24 192 32 22 0 24 192 32 17 1 201 8 20 1 192 32 22 1 57 ARP 地址解析是一个将主机IP地址映射到硬件地址的过程地址解析的过程包括 ARP请求 发送方硬件地址 发送方IP地址 目标方的硬件地址 目标方的IP地址 本地广播 ARP响应ARP高速缓冲 Cache 减少广播的数量生存期 58 ARP RARP分组格式 硬件类型 网络接口硬件的类型 对以太网此值为1协议类型 发送方使用的协议 0800H表示IP协议硬件地址长度 对以太网 地址长度为6字节协议地址长度 对IP地址 地址长度为4字节操作 1 ARP请求3 RARP请求2 ARP响应4 RARP响应 59 IP层传输算法 w source IP addressW source MAC addressx destination IP addressX destination MAC addressy source subnet maskz source default router IP addressZ source default router MAC addressif wandy xandy then 源主机和目的主机在一个子网lookup MAC x iffoundthensend packet X x elsesend ARP x send packet X x endifelse 源主机和目的主机在不同的子网lookup MAC z iffoundthensend packet Z x elsesend ARP z send packet Z x endifendif 60 IP分组的格式 61 分段和重装配 每个网络可能规定了不同的最大分组长度 当分组在互联网络中传送时可能要进入一个最大分组长度较小的网络 这时需要对它进行分段在哪里对分段进行重装配 一种办法是在目的地再行装配把数据报越分越小另一种办法是允许中间的路由器进行组装路由器提供重装配缓冲区 避免重装配死锁一个数据报分出的小段必须经过同一出口路由器IP协议解决策略 62 分段 63 IP数据报分段和重装 IP协议使用4个字段处理分段和重装问题数据报标识字段 惟一标识数据报数据长度 总字节数段偏移 以8个字节 64位 的倍数计数M标志 是否为最后一个分段 数据报分段形成新的数据报 64 例题 某一网络的一台主机产生了一个IP数据报 头部长度为20字节 数据部分长度为2000字节 该数据报需要经过两个网络到达目的主机 这两个网络所允许的最大传输单元MTU分别为1500字节和576字节 请问原IP数据报到达目的主机时分成了几个小IP数据报 每个报文的数据部分长度分别为多少 解答 经过第一个网络后分成两个IP数据报 数据部分长度为 1500 20 1480和2000 1480 520 其中第一个IP数据报经过第二个网络后分成三个IP数据报 数据部分长度为 576 20 556 取552 8的倍数 552和1480 552 2 1460 1104 356 65 TCP TCP采用一些机制保证数据传送可靠 按序 无丢失和无重复TCP的编号和确认将传送的所有报文看成字节流 对每一个字节进行编号建立连接时 双方商定初始序号每次传送时报文段第一字节序号在TCP首部 发送序号已接收到对方数据最高序号 1 接收序号TCP的流量控制可变发送窗口的方式进行流量控制 单位为字节TCP报文段首部的窗口字段 当前设定的接收窗口发送窗口在连接建立时由双方商定 通信过程中接收端控制发送端 66 TCP报文段的格式 32位 67 首部字段的含义 数据偏移 占4位 TCP报文段首部长度 单位是32位保留 占6位紧急比特URG 1表示尽快进行传送确认比特ACK 1确认序号字段有意义紧迫比特PSH 1请求远地TCP将本报文段立即传