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计算机网络知识结构第1章 计算机网络概论1.1计算机网络概述1.网络关键词 1)知识经济：数字化，网络化，信息化2）GII,NII 3)三网融合：电话网，计算机网，有线电视网4）下一代网络5）移动互联网6）物联网、智慧城市、云计算7）网络安全（国家层面）注意：不仅是技术也是经济的驱动力2.计算机网络典型应用1)WWW应用2)聊天应用(及时通信)3)搜索引擎 目的：资源共享和相互通信发展方向：既综合又专业（特色）3.计算机网络的功能资源共享相互通信协同处理降低成本4.计算机网络的特点 数据通信的能力成本低、效益高易于分布处理系统灵活性、适应性强5.计算机网络系统组成1）计算机网络=通信子网+资源子网2）通信子网完成信息分组的传递工作，每个通信节点具有存储转发功能。公用网3）资源子网包含所有由通信子网连接的主机，向网络提供各种类型的资源。私用网4）通信子网和资源子网可分别建设6.计算机网络的定义把一些独立自主的计算机，通过传输介质连接起来，遵循统一的通信协议，实现相互通信和资源共享的系统。1.2 计算机网络的发展1.第一代计算机网络 40年代，诞生第一台计算机-主机，带终端，用户去机房上机. 50年代，计算机技术与通信技术相结合，终端通过通信线路连接主机，用户可以在自己的办公室里上机，构成面向终端的计算机网络，又称远程联机系统。IMP：接口报文处理机（节点机），提供主机间的通信服务，存储转发方式工作通信子网：IMP与它们之间的连线，负责通信任务，公用网资源子网：主机及所有连接终端，负责应用，私用网 通信子网和资源子网可分别建设3.第三代计算机网络 主机间通信时对信息的理解、表示形式、应答等需遵守共同的约定，即协议，计算机网络的协议分若干层次，各层协议的总和称体系结构. 第二代计算机网络的缺点是没有统一的体系结构，各网自行研制，互连困难. 70年代末，国际标准化组织（ISO）开始制定标准，1984年颁布了OSI开放系统互连标准，网络发展进入第三代计算机网络.4.第四代计算机网络 网络互联与高速网络。1.3计算机网络分类可按不同方式分类:距离传输速率传输媒体拓扑结构交换方式等划分1.按距离划分 1）局域网 (LAN，Local Area Network) 工作范围：10m -1km，同一个楼房、校园 2）城域网 (MAN，Metropolitan Area Network)工作范围：1km-几十km,同一城市3)广域网 (WAN，Wide Area Network)工作范围：几十km-几千km,同一国家全球 4)接入网、互联网2.按传输速率划分低速网络:传输速率为几十至10K bps 中速网络:传输速率为几万至几十M bps高速网络:传输速率为100M至几个G bps 3.按传输媒体划分 1)有线计算机网 传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤等2)无线计算机网 传输介质有:无线电波、微波、红外线、激光等4.按拓扑结构划分 网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构.总线、星形、环形、树形、网状形网状形5.按传输技术划分广播式网络：总线形网、环形网、微波卫星网等。 点到点传播网络：星形、树形、网形等。 6.按适用范围分公用网：如CHINAPAC 专用网：如微软公司的内部网络7.按交换方式划分 1)电路交换网 如电话系统2)报文交换 如电报 3)分组交换（信元交换） 如因特网、ATM网络8.分组交换网的原理随时发送存储转发方式共享线路报文划分成大小相等的分组各分组具有目的地址，独立传输1.4 计算机网络的主要性能指标 带宽和时延1.带宽(Bandwidth) 指信号具有的频带宽度,有时也指通信线路的的带宽,单位是赫（Hz) 在网络上，传输的是数字信号，带宽指的传送速率，单位b/s,bps(比特每秒）2.吞吐量（ Throughput）及和带宽的差别 吞吐量是实际值 带宽是理论值 吞吐量带宽3.时延(delay,latence) 报文从一端传到另一端所需的时间 =发送时延+传播时延+处理时延 发送时延=数据长度/传输速率 传播时延=信道长度/信号的传播速率 处理时延=转发，排队，处理的时间本章小结1.计算机网络的4个发展阶段2.计算机网络的支持技术：计算机技术和通信技术3.计算机网络的功能和目的：资源共享和相互通信4.计算机网络的组成：资源子网和通信子网5.计算机网络定义4要素：独立,介质,协议,目的6.分类：LAN,MAN,WAN,接入网,互联网7.拓扑结构：总线,星型,环形,树形,网形8.分组交换原理9.主要性能指标：带宽（吞吐量）,时延第2章 计算机网络体系结构2.1 OSI/RM 体系结构1.网络体系结构分层：简化网络设计和分析网络体系结构：层次和各层协议总称 数据发送：由上层传到下层数据接收：由下层到上层层和层间：虚通信，最下层为实际通信对等层：peer layers源：source目标：destination2.OSI/RM 体系结构OSI/RM：开放系统互连/参考模型ISO7498:1983分7层：物理层，数据链路层，网络层， 传输层，会话层，表示层，应用层面向应用：高3层面向通信：低4层2.2 TCP/IP 体系结构1.TCP/IPTCP/IP:是两个著名协议TCP和IP分4层：应用层,传输层,网际层,网络接口层2 OSI和TCP/IP的比较3.本课程的重点层次4.数据分装和解分装分装：发送时逐层加头部解分装：接受时逐层去头部数据（流）：data(stream),高3层（分）段：segments,传输层分组：packets,网络层帧：frames,数据链路层比特流：bits,物理层本章小结1.网络体系结构的概念2.OSI/RM及各层功能，7层，中英文名称3.TCP/IP，4层，中英文名称，4.OSI/RM和TCP/IP对应关系5.分装和解分装，各层数据单元中英文名称第三章 物理层与传输介质本章内容物理层基本概念通信基础知识传输媒体 3.1 物理层的基本概念1.DTE和DCEDTE：数据终端设备，做数据处理的设备DCE: 数据电路端接设备，做通讯处理的设备2.物理层不包括传输介质3.物理层规范 可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，包括：机械特性：说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：说明在接口电缆的引线上出现的电压的范围（电压表示1或0）。 功能特性：说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性：说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。3.2 数据通信基本知识数据通信概念与模型数据传输方式信道速率数据的信号编码多路复用技术1.数据通信概念与模型(1) 相关概念信息:信息是指具有新内容、新知识的消息 “信息是消息中不定性的排除” 数据：运送信息的实体。信号：数据的光、磁等多种形式的表现。数据和信号都可以是模拟的或数字的模拟信号：连续变化的数字信号：离散的、有限的信道:信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的通路,不同于电缆(2) 一般数据传输系统(3)信号的转换模拟数据-模拟信号：放大器模拟数据-数字信号：编码器数字数据-数字信号：发送器数字数据-模拟信号：调制与解调(4)混合传输系统（P45：图3-2，家庭上网）(5)数字传输系统（P45：图3-3，局域网）2.数据传输方式(1)按传输方向1)单向通信: 又称为单工通信，即只能有一个 方向的通信而没有反方向的交互。 2)双向交替通信 又称为半双工通信，即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)。3)双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。注意: 单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(2)串行和并行方式(P47:图3-5）并行传输:一次同时传输N 位二进制数。串行传输:一位一位传输。(3)同步方式 为串行传输方式中，发送端和接受端保持一致1）异步传输(P48:图3-6）接受端和发送端时钟独立按字符传送传输效率低2）同步传输(P48:图3-7）时钟同步同步一次可传输大块数据传输效率高常用面向比特的同步传输适合于多媒体数据传输（4）传输信号类型 1)基带(baseband)信号 就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输 2)宽带(broadband)信号 则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 3)频带传输 模拟语音信道传输传输数字信号3.信道传输速率(1)理想信道的最大传输速率 奈氏准则（定律）： 理想低通信道的最高码元(波形)传输速率 B=2W（Baud），其中： W是信道的带宽，单位为赫 B是码元传输速率,单位为Baud（波特） 1波特为每秒传送1个码元 码元传输速率的单位是波特（ Baud），信息传输速率的单位为比特/秒一个码元可以携带多个Bit信息。 若一个码元带nBit信息的信息量，则： M Baud=M*nb/s若Baud=3b/s，则一个码元要有8种波形（状态） 结论：设法提高码元携带的Bit信息（2）信道的极限信息传输速率香农公式： 信道的极限信息传输速率 C=W*log2(1+S/N) ，其中： C为传输速率，单位为b/s W为信道的带宽(以Hz为单位) 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香农公式表明： 传输速率和信道的带宽成正比，信道中的信噪比S/N越大，极限传输速率就越高。4.数据的信号编码 编码：数据的原始形式变换成适合于信道传输特性的信号形式1）模拟数据的模拟信号调制 原始信号调制到另外的频段，并频分复用， 例子：电话系统，有线电视系统2）数字数据的模拟信号调制 例子：通过电话上网(P53:图3-9） 3种最基本的调制方法调幅(AM)：幅移健控 调频(FM)：频移健控 调相(PM)：相移健控 3种常见调制方法调制解调器(modem)： 调制器(Modulator)和解调器(DEModulator）。调制器：基带数字信号变换成模拟信号解调器：模拟信号变换成数字信号。3）模拟数据的数字信号编码电信的数字传输（编码）系统采用脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)体制PCM脉码调制的机制采样：频率8kHz、周期125微秒。量化：每个采样信号编为8位二进制码元，编码：1路PCM信号=64kb/s，多路PCM时分复用几个知识点标准话路4KHz(300-3400Hz),8KHz是2倍符合采样定律量化有误差PCM不是为传送计算机数据用的,是为一条中继线可以传送几十路的电话。E1(欧洲）32路PCM信号，速率2.048Mb/sT1（北美）24路PCM信号，速率1.544Mb/s可以进一步复用产生高次群我国采用E1系列4）数字数据的数字信号编码考虑时钟、同步、抗干扰、失真等。常见编码(P57:图3-14）单级不归零双级不归零单级归零双级归零这些编码的误差会积累Manchester1：又高变低；0：又低变高边界可变可不变频带宽度是NRZ的2倍主要用在早期以太网中差分Manchester中间必须变边界：1不变0变频带宽度是NRZ的2倍抗干扰能力更强5.多路复用技术把若干个彼此无关的信号合并为一个复合信号，并在一条共用信道上进行传输。频分复用FDM时分复用TDM统计时分复用STDM（statistic TDM)波分复用WDM 密集波分复用DWDM 码分复用CDM每一个比特时间划分为M个短的间隔，叫码片每一站指派一个唯一的m bit码片序列.要发送数据1，就发送自己的码片；要发送数据0，就发送自己的码片的反码各站分配的码片是不同的，并且是正交的。3.3 网络传输介质数据通过发送器编码形成一定形式的能量，可以是电、光、电磁波或声音。能量通过一定的介质（铜、玻璃或空气）进行传输。 在接收端将能量解码成数据。分有线和无线1.双绞线 双绞线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成。 1)分类非屏蔽双绞线（UTP） 外皮为塑料，不具有屏蔽能力。 屏蔽双绞线(STP) 外皮为金属，具有屏蔽能力。 2)LAN上常用UTP3类传10M-100m5类传10M/100M-100mRJ45头以太网使用RJ11头电话使用3)双绞线的特点结构简单，容易安装，普通UTP较便宜 有一定的传输速率 具有较高的容性阻抗，信号衰减较大，传输距离有限（100m） 有辐射，容易被窃听2.同轴电缆 同轴电缆由同心的内导体、电绝缘体、屏蔽层、保护外套组成。1)分类75欧姆,CATV,达500MHz,每6MHz一个信道 50欧姆，传输基带数字信号 细缆：10BASE-2，10M-200m，BNC接头 粗缆：10BASE-5，10M-500m，AUI接头2)特点频带较宽，传输率较高。 损耗较低，传输距离较远(200m,500m)。辐射低，保密性好，抗干扰能力强。 架设安装方便，容易分支。宽带电缆可实现多路复用传输。3.光纤 光纤材料为玻璃，外层有包层和缓冲涂覆层 1)原理 基于光在两种介质交界面上的全反射现象，把以光形式 出现的能量约束在波导内，并引导光沿着轴线平行的方向传播4.电磁波1）地面微波 收发两端使用抛物面天线 方向性强，直线传输（视距传输），距离远时使用中继站 常用频段：2G-6G 用于高速数据传输受天气影响较大 2）卫星微波 用卫星来连接多个地面收发站。一个卫星可工作在多个频段，工作频段一般在几G到几十G。 同步卫星：卫星与地球保持相对静止，三颗同步卫星即可覆盖全球 传播时延大，240ms-300ms3）超短波 无方向性，绕射能力强 频率范围：30M-1G 传输速率低10Kbps，距离近，几十公里 用于城市内无线组网、无线寻呼、遥测遥控 存在多径干扰本章小结1.物理层规程 (procedure)： (1) 机械特性 (2) 电气特性 (3) 功能特性 (4) 规程特性 2.物理层内容 信号、电平、速率、同步、复用、方式3.术语：DTE和DCE 4.数据通信概念与模型5.数据传输方式单工、半双工、全双工并行和串行同步和异步基带、频带和宽带6. 最大传输速率B=2W Baud 波特率，n 码元/s C=W log2(1+S/N) 比特率，n bit/s7.数据的信号编码 模拟数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码8.多路复用技术 时分、频分、波分和码分9.传输介质1）双绞线（双扭线）屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线UTP(Unshielded twisted Pair)EIA/TIA-568-AUTP 3和UTP 52）同轴电缆分为两类 50 和75 （CATV）3）光纤的原理和特点4）电磁波地面微波、卫星微波和超短波 第4章 数据链路层 4.1 数据链路层的功能和基本概念链路和数据链路：数据链路层协议是建立在物理层基础上的，通过一些数据链路层协议，在邻接节点之间，不太可靠的物理链路上实现透明的、可靠的数据传输，为网络层提供服务。数据链路层传输的单位称为帧。数据链路层的基本功能：链路管理帧同步流量控制差错控制透明传输数据信息和控制信息分开寻址4.1.1差错控制传输差错：干扰引起传输数据的丢失或改变 。差错控制：在数据通信过程中，发现、检测差错，对差错进行纠正，从而把差错限制在数据传输所允许的尽可能范围内的技术和方法。差错控制方法自动检错重发法：采用具有检错能力的校验码，发现有错后控制重传。向前纠错：采用具有纠错能力的编码，在接收端不仅能检错，而且能纠错。混合纠错差错控制编码： 为了检错纠错，通常随数据一起发送一小部分附加信息。发送计算机从数据中计算附加信息的值，接收计算机进行同样的计算来核对结果。4.1.2差错控制举例1.奇偶校验 在每个字符后面附加一位，使得字符中包含1的个数为奇/偶数个2.CRC校验 把数据看成二进制整数序列并且计算他们的和。大多数网络应用16位或32位校验和。CRC(Cyclic Redundancy Check 若要发送的信息位为K位，其多项式为（K-1）次多项式，用一个特定的r次生成多项式G（X）去除xrK（X）所得到的余式就是循环冗余校验和R（X），即R（X）=xrK（X） MODG（X）发送端 CRC校验码通常附加到数据位序列后面，构成编码多项式F（X）， 然后发送，即： F（X）= xrK（X） + R（X）接收端 接收编码多项式F（X），并按如下操作进行校验： F（X） MOD G（X）=0无错 0有错生成多项式G（X），常用的有： CRC-16=X16+X15+X2+1 CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC检错效率非常高CRC由硬件实现，速度很快例子 设:K（X）=1010110011 相当于X9 + X7 + X5 + X4 + X1 + 1 G（X）=10101 相当于X4 + X2 + 1 R（X）=1011 F（X）= 10101100111011发方发F（X）收方做F（X）/ G（X）校验4.1.3流量控制1.停止等待协议1）完全理想化的数据传输假定1：链路是理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。假定2：不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。这是不需要流量控制和差错控制，想发就发。2)具有最简单流量控制的链路层协议下面我们去掉假定2，保留假定1讨论：这就需要流量控制了流量控制的基本方法是收方控制发方的发送速率在这里的方法是：发方每发送一帧就停下来等待收方的确认，然后发下一帧3)实用的停止等待协议现在去掉前面的两个假定，讨论实用的数据链路层协议，这就是说：传输数据的信道不是可靠的(即不能保证所传的数据不产生差错)并且还需要对数据的发送端进行流量控制。协议要点：流量控制还是用发确认帧ACK的办法差错控制要复杂些1）若出错，收方向发方发送一个否认帧NAK，发方重发上一帧2）若帧丢失，发方设置超时定时器，定时到，发方重发上一帧3）若ACK丢失，也是定时到，发方重发上一帧4）重复帧，用编号区分5）实际是帧出错和帧丢失统一，收方什么也不做2.连续ARQ协议1)为什么要使用连续ARQ协议停等协议效率低连续ARQ协议: 在发送完一个数据帧后，不是停下来等待应答帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。 2)连续ARQ协议的要点:数据帧要编号，应答帧本身也必须编号每个数据帧都要设置超时定时器ACKn表示收到第n-1号帧，希望接收n号帧。接收端只按续接收数据帧,当帧出错或丢失时,就丢弃后面的帧,当出现差错必须重传时，要向回走N个帧，然后再开始重传。ARQ(Automatic Repeat reQuest) 自动请求重传: 发送端对出错的帧进行重传是自动的,所以停等协议称为ARQ协议.连续ARQ协议,因为可以连续发N帧.同时也称为退后N帧协议3)连续ARQ协议的特点连续ARQ协议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正确传送过的数据帧进行重传，从而降低了效率。3.滑动窗口的概念 连续ARQ协议在没有收到对方的确认信息情况下， 发送端实际上并不能无限制地发送其数据帧。 因为： (1)当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就可能有很多的数据帧需要重传。 (2)为了对所发送出去的大量数据帧进行编号，每个数据帧的发送序号也要占用较多的比特数，这样又增加了一些不必要开销。停等协议只需1位编号就可以了,可以重复使用0和1两个序号同理,连续ARQ协议也只需要若干位来编号重复使用就可以了,但需要某种控制机制这就是滑动窗口技术,这就是要在发送端和接收端分别设定所谓的发送窗口和接收窗口发送窗口用来对发送端进行流量控制，而发送窗口的大小WT就代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧接收窗口WR设置在接收端，是为了控制可以接收哪些数据帧而不可以接收哪些帧。只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。先讨论发送窗口,假定用3位编号,0,17,并假定WT=5(1)发送窗口规则:发送窗口内的帧是允许发送的帧，右侧的帧是不允许发送的帧。收到对几个帧的确认，发送窗口就向右滑动几个帧的位置。允许发送的帧里包括已发送未确认的帧和未发送的帧发出的帧要暂时保存,缓冲器的大小等于WT(2)接收窗口规则:只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。否则一律将其丢弃。收到一个序号正确的帧，接收窗口即向前移动一个帧的位置，同时向发送端发送对该号帧的确认信息。(3)接收窗口发送窗口的关系:只有在接收窗口向前移动时，发送窗口才有可能向前移动。正因为收发两端的窗口按照以上的规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。(4)发送序号的长度与发送窗口大小的关系当数据帧的发送序号所占用的比特数一定时，发送窗口的最大值是多少？可以证明，当用n个比特进行编号时，若接收窗口的大小为1，则只有在发送窗口的大小WT2n-1时，连续ARQ协议才能正确运行。(5)典型协议的WT和WR停等协议: WT=1 ，WR=1连续ARQ(Go-back-N ARQ) : WR=1 WT2n-1,若编号为n位4.选择重传ARQ协议只重传出现差错的数据帧或者是定时器超时的数据帧,这就是选择重传ARQ协议出错帧后的正确帧不需重传必须加大接收窗口,不影响发送窗口接收端要设置具有相当容量的缓存空间WT=WR=2n2,若n=3,则WT=WR=4适用于内存便宜的情况6.连续ARQ(Go-back-N ARQ)小结发方可连续发,但超时重传出错后的所有帧收方收到错误帧什么也不做发出的帧要暂时保存若编号为n位，则WT2n-1, WR=1用队列存放已发的、未确认的帧适用质量好的信道4.2 局域网（链路层和物理层）4.2.1局域网概述 1.局域网的特点 （1）为一个单位所拥有 （2）地理范围有限 （3）速率高 2.局域网的拓扑结构（物理拓扑结构） （1）星形 （2）环形 （3）总线形 （4）树形3.广播式通信 局域网共享通信媒体，称为多点接入4.2.2 IEEE 802标准1.局域网的结构局域网定义了链路层、物理层和传输介质数据链路层又分2个子层：LLC逻辑链路控制MAC媒体访问控制（1）物理层的主要功能信号的编码与译码； 为进行同步用的前同步码(preamble)的产生与去除；比特的传输与接收。（2）LLC子层的功能数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在逻辑链路控制LLC子层。建立和释放数据链路层的逻辑连接；提供与高层的接口；差错控制；给帧加上序号（4）网络接口卡NIC：数据的封装与解封 发送时将LLC子层交下来的LLC PDU加上MAC子层的首部和尾部，成为MAC帧。接收时将MAC帧剥去首部和尾部，然后送交LLC子层；链路管理 主要是CSMA/CD协议的实现；编码与译码 即曼彻斯特编码与译码；串行、并行数据转换4.2.3 以太网1.传统以太网基本特点传统以太网一般指10Mb/s以太网总线和星形以太网的两个标准： DIX Ethernet V2 802.3以太网采用无连接工作方式。不编号，不确认所以，以太网是提供的是不可靠服务使用CSMA/CD时，只能进行半双工通信2.CSMA/CDCSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测多点接入：总线型网络载波监听：每一站在发送数据前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。碰撞检测：边发送数据边检测信道上是否发生碰撞，一旦信道发生冲突，立即停止发送，然后根据退避算放等待一段随机时间再次发送。从发送数据开始，经过特定的一段时间如果没有发生冲突，就不会发生冲突了，这段时间叫争用期3.退避算法：设基本退避时间为t=（=51.2)K=重传次数，k=10从0,1,(2k-1)中随机取一个数设为r,重传的时延就是rt当重传次数达16次时，向上层报告4.传统以太网的参数：传输速率=10Mbps比特宽度100ns以太网的争用期为51.2微秒以太网的最短帧长：64字节(512比特）5. CSMA/CD的特点（1）优点：简单（2）缺点：无优先权重负载效率低6.传统以太网标准粗缆以太网10BASE5细缆以太网10BASE2双绞线以太网10BASET光纤以太网10BASEF10=10M, BASE=基带,5=500m,2=185mT=双绞线F=光纤7.集线器一个集线器有许多端口，每个端口相当于一个转发器集线器的每个端口都具有发送和接收数据的功能。某个端口接收到有效数据帧时，向各端口发送，有冲突，发干扰串。集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消数据在转发之前还要进行再生整形并重新定时便宜、可靠、易布线星型以太网在物理上是星型网，在逻辑上是总线网，各站仍执行CSMA/CD8.5-4-3-2-1原则:5段,最长2500m4个转发器3段有机器2段没有机器1个冲突域4.2.4 以太网的MAC子层1.MAC地址每个站都有唯一的硬件地址（MAC地址、物理地址）地址是每个站的标识符，固化在网卡的ROM中局域网地址标准化为6字节，48位IEEE的注册管理委员会RAC是局域网地址的法定管理机构，负责分配地址字段的6个字节中的前三个字节(即高24位),它又称为“地址块”，或“厂商代码”后3个字节厂商自己定义，一般是序号2.MAC地址的作用1)硬件地址的作用就是用来找到我们所要进行通信的计算机。2)网卡从网上每收到一个MAC帧就首先检查其硬件地址。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。这样就可不浪费主机的处理机和内存资源。“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧:即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同； 广播(broadcast)帧：即发送给所有站点的帧(全1地址)； 多播(multicast)帧：即发送给一部分站点的帧。3. MAC帧格式前同步码1010101010101011(前导码和帧首定界）MAC帧的长度:最长1500,最短46无效的MAC帧:802.3标准规定下列情况之一的即为无效的MAC帧： (1)帧的长度与数据长度字段不一致； (2)帧的长度不是整数个字节； (3)用收到的帧校验序列FCS查出有差错； (4)收到的帧的长度过大过小,对于效的MAC帧就丢弃，不负责重传丢弃的帧4.3.1 广域网的概念1.广域网的特点覆盖广大地理范围的计算机网络,由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。结点交换机执行分组路由选择和存储转发的功能。网状结构，点到点最高层是网络层使用物理层地址4.3.2 面向比特的链路控制规程HDLC1.HDLC协议概述规程就是数据链路层的协议，分为： （1）面向字符就是说在链路上所传送的数据及控制信息必须是由规定字符集(例如ASCII码)中的字符所组成。（2）面向比特的规程：在链路上所传送的数据及控制信息可以是任意比特。面向字符的缺点：(1)通信线路的利用率低，因为它采用的是停止等待协议，收发双方交替地工作。(2)所有通信的设备必须使用同样字符代码，而不同版本的BSC规程要求使用不同的代码。(3)只对数据部分进行差错控制，若控制部分出错就无法控制，因而可靠性较差。(4)不易扩展。每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符。1974年，IBM公司推出了著名的体系结构SNA。在SNA的数据链路层规程采用了面向比特的规程SDLC 。后来国际标准化为HDLC(High-level Data Link Control)，译为高级数据链路控制规程主站、从站（次站）、复合站（组合站）等概念2种配置，3种模式功能强大 2. HDLC的帧结构 数据链路层的数据传送是以帧为单位的。从网络层交下来的分组，变成为数据链路层的数据。 一个帧的结构具有固定的格式：帧同步（标志F): 标志宇段F= 01111110 ，作为一个帧的边界。透明传输：零比特填充法在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0,在接收一个帧时，先找到F宇段以确定帧的边界。每当发现5个连续1时，就将这5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的比特流地址字段A: 也是8个比特。在使用非平衡方式传送数据时，地址字段总是写入次站的地址。但在平衡方式时(采用ABM),地址字段总是填入应答站的地址。帧校验序列FCS字段: 共占16bit。它采用的生成多项式是x16+x12+x5+l，即CRC-CCITT。所校验的范围是从地址字段的第1个比特起，到信息字段的最末1个比特为止。控制字段:标记帧类型，并附加控制信息,根据其最前面两个比特的取值，可将HDLC帧划分为三大类，即信息帧I 、监督帧S和无编号帧U。(2)无编号帧定义了15种，起控制作用 建立数据链路： 正常响应方式，置正常响应方式SNRM 异步平衡方式，置异步平衡方式SABM拆除数据链路：断连命令DISC对命令的确认：无编号确认UA数据链路连接建立和拆除4.3.3 Internet的点对点协议PPP1.PPP的原理接入Internet的两种方法： 拨号接入Internet 专线接入 在链路层使用PPP协议，点到点协议对SLIP的改进，Internet的正式标准，支持差错检测、多种协议、允许连接时协商IP地址、允许身份验证.2.PPP的帧结构PPP是面向字节的，因而所有的PPP帧的长度都是整数个字节。PPP帧的前3个字段和最后两个字段和HDLC的格式是一样的。比HDLC多了一个2个字节的协议字段： 当协议字段为0x0021时，信息字段就是IP数据报。 若为0xC021，则信息字段是链路控制数据LCP。 而0x8021表示这是网络控制数据NCP。字符填充法：将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D，0x5E)。若信息字段中出现一个0x7D的字节，则将其转变成为2字节序列(0x7D，0x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节。PPP不提供使用序号和确认的可靠传输。但保证无差错接受（差错检验）。在数据链路层差错率较低的时，使用比较简单的PPP协议较为合理。Internet环境下，IP是不可靠的，数据链路层没有必要提供可靠传输。最大净荷1500字节LCP的功能：管理链路协商参数 如：最大传输单元、验证协议等NCP的功能：建立配置不同的网络层协议，如：IP协商数据包的格式和类型，包括IP地址小结：数据链路层的基本功能差错控制：校验、确认、序号、重发流量控制：滑动窗口成帧透明传输帧格式广域网的概念HDLCPPP第5章 网络层5.1 网络层基本概念1.网络层的功能网络层的基本功能是寻址和路径选择.是广域网中通信子网的最上层需要进行拥塞控制提供数据报和虚电路2种服务网络互联也放在网络层2.互联网与因特网网络互连：将多个独立的物理网络相互连接起来. Internetwork：互联网、互连网，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。Internet(因特网)：指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族，且其前身是美国的ARPANET。3.广域网与互联网的区别:广域网：使用同一地址方案、同一技术的同一物理网络。互联网：将多个物理网络互连而成的网络，每个物理网络可以使用独立的地址方案、独立的技术4.网络互连的主要问题：不同的寻址方式不同的最大分组长度不同的超时控制不同的服务(面向连接服务和无连接服务)5.网络设备中继(relay)系统： 将网络互相连接起来要使用一些中间设备(或中间系统)，ISO的术语称之为中继(relay)系统。根据中继系统所在的层次，可以有五种继系统：(1)物理层中继系统，即转发器(repeater)。(2)数据链路层中继系统，即网桥或桥接器(bridge)或交换机。(3)网络层中继系统，即路由器(router)。 (4)网桥和路由器的混合物桥路器(brouter)。 (5)在网络层以上的中继系统，即称为网关(gateway)5.2 因特网网际协议IP网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一,与IP协议配套使用的网际协议还有四个协议：地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)；逆地址解析协议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)；Internet控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)。Internet组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)。5.2.1 IP地址1.IP地址的特征和结构IP协议是TCP/IP协议的互联网层协议，负责把IP分组从信源结点送到信宿结点，为此，所有主机必须使用统一编址方案我们把整个Internet看成为一个单一的、抽象的网络。IP地址就是给每一个连接在Internet上的主机分配一个在全世界范围是唯一的32bit地址。IP地址的结构被设计成便于在Internet上寻址。IP地址必须独立于物理网络技术IP地址是层次式地址，分为网络号字段、主机号字段两部分，结构如下： ,共32位,4个字节表示方法：点分十进制,2. IP地址的作用IP地址的作用就是标识网络中的主机 为每个物理网络分配一个特定的网络号net-id 。这样，同一网络的主机具有相同的网络号，但有不同的主机号。 在寻址时，先按IP地址中的网络号net-id把网络找到，再按主机号host-id把主机找到。 所以IP地址并不只是一个计算机的号，而是指出了连接到某个网络上的某个计算机3.分类IP地址IP地址是分类的，共分为A、B、C、D、E五类：A、B、C类地址为常用地址D类为组播地址E类用于科研4为什么要对IP进行分类: 考虑到接入互联网的网络的主机数目差别是很大的，计划分别将A、B、C三类IP地址分配给大型、中型、小型网络。5.保留的私有IP地址6.IP地址申请和分配按层次申请，最高ICANN当某个单位申请IP地址时，实际上只是获得了一个网络号net-id。具体的各个主机号host-id则由该单位自行分配，只要做到在该单位管辖的范围内无重复的主机号即可。7.IP地址的重要特点(1)IP地址是一种分等级的地址结构： net-idHost - id。从而可以减小路由表规模。(2) IP地址不能反映主机的地理位置信息。(3) IP地址标识的是网络接口，而非计算机。(4)按照Internet的观点，用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，这些局域网都具有同样的网络号net-id。(5)在IP地址中，所有分配到网络号net-id的网络(不管是局域网还是广域网)都是平等的。2. IP地址与硬件地址IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层及以上使用的是IP地址，而链路层及以下使用的是硬件地址。 在IP层抽象的互连网上，我们看到的只是IP数据报。虽然在IP数据报的首部有源站的IP地址，但路由器只根据目的站的IP地址进行选路。 在具体的物理网络的链路层，我们看到的只是MAC帧 尽管互连在一起的网络的硬件地址体系各不相同，但IP层抽象的互连网却屏蔽了下层的这些很复杂的细节，并使我们能够使用统一的、抽象的IP地址进行通信。 还有两个重要问题还没有解决： (1)如何知道某一个主机或路由器的硬件地址? (2)IP数据报如何找到下一站路由器?2. ARP报文B 类地址固定长度子网划分选择例：1个C类地址：3个物理网络，划分3个子网借3位，6个子网，用3个子网掩码：24子网号：2， 4 6 28 60 92设前3个子网号分别作为子网1，子网2，子网3R的路由表如：目的地址是8，则”与”结果是 6，应该发送到接口3 5.3 ICMP报文格式类型 描述0 回送应答（Ping应答，与类型8的Ping请求一起使用） 目的不可达 源抑制 重定向 回送请求（Ping请求，与类型8的Ping应答一起使用） 路由器公告（与类型10一起使用） 路由器请求（与类型9一起使用） 超时 参数问题 时间戳请求（与类型14一起使用） 时间戳应答（与类型13一起使用） 地址掩码请求（与类型18一起使用） 地址掩码应答（与类型17一起使用）5.4 因特网路由选择协议5.4.1 路由选择协议概述1.路由选择基本原则算法必须是正确的算法在计算上应简单算法应能适应通信量和网络拓扑的变化算法应具有稳定性算法应是公平的算法应是最佳的（综合最佳）2.路由选择协议的设计原则分层次的路由选择协议自治系统：其最重要的特点就是它有权自主地决定在本系统内应采用何种路由选择协议一个自治系统就是一个互联网内部网关协议IGP(Interior Gateway Protocol)：在一个自治系统内部使用的路由选择协议。外部网关协议EGP(External Gateway Protocol)：自治系统间使用的路由选择协议。3. 路由选择策略路由选择协议的核心是路由算法路由算法：生成路由表的算法路由算法：按照是否随网络拓扑和通信量进行自适应划分，可分为两大类: 静态路由选择协议 动态路由选择协议5.4.2 路由信息协议RIP1.RIP原理（1）路由协议的要点：基本工作机制和哪些路由器交换信息交换什么信息在什么时候交换信息（2）RIP要点RIP(Routing Information Protocol)是内部网关协议IGP中使用得最广泛的一个。RIP是一个基于距离向量的分布式路由选择协议，它的最大优点就简单。RIP协议定义“距离”为到目的网络所经过的路由器数。“距离”也称为“跳数”(hop count)，每经