计算机网络原理

计算机网络原理,第一章计算机网络概论,第一节计算机网络的产生和发展,网络的产生和发展1946年第一台电子计算机ENIAC在美国诞生。从只能亲自携带程序和数据，手工输入发展到批处理方法。增加了显示器。前置处理机。包交换的网络出现，如电话网络，缺点是全时占用网络资源。1966年，提出分组交换的概念，1969年，分组交换网ARPANET投入运行。1973年以后，英国建设了EPSS，美国建设了TELENET、TYMNET、COMPAC，欧洲建立了EURONET，法国建立了TRANSPAC，加拿大建立了DATAPAC。,第一节计算机网络的产生和发展,网络标准化网络体系结构与协议的不统一，限制了网络的发展和应用。ISO组织颁布了ISO/IEC7498国际标准。ISO与CCITT等组织制定了OSI基本协议集。IEEE制定了IEEE802标准，它是局域网的重要标准。美国国防部建立了一个非正式的委员会IAB，后来制定了著名的RFC（RequestForComment，请求评注）在线文档。标准化使网络发展成为可能因特网已经成为世界上规模最大和增长速度最快的计算机网络。,第2节计算机网络的功能和组成,计算机网络的定义在协议控制下，由若干计算机、终端设备、数据传输设备和通信控制处理机等组成的系统集合称为网络。计算机网络的基本特征：资源共享互连的计算机是“自治”的联网的计算机必须遵循统一的网络协议资源共享打印机、传真调制解调器、硬盘、软盘、CD-ROM、磁带备份设备、绘图仪、可以与计算机相连的其他设备,第2节计算机网络的功能和组成,计算机网络的功能通信在计算机之间传递信息资源共享在网络中互通有无，分工协作提高了可靠性和可用性各计算机可以通过网络彼此互为备份，提高了可靠性；网络可以平均分配计算机资源，提高了可用性易于分布式计算均衡的使用网络资源，实现分布式运算,第2节计算机网络的功能和组成,计算机网络的类型按交换功能分类电路交换、报文交换、分组交换、混合交换按网络拓朴结构分类集中式网络（星型网）、分散式网络（非集中式网络）、分布式网络（格状网）按网络的作用范围分类广域网、局域网、城域网按网络传输技术分类广播式网络和点对点式网络按网络的使用范围分类公用网和私有网,第3节网络的拓朴结构,拓朴的定义把实体抽象成点和线，进而研究点、线、面的关系计算机网络拓朴指网络中的线路和节点的几何关系。网络节点网络单元，包括通信控制器、通信处理机、前端处理机、集中器、多路选择器、主计算机、终端链路与通路链路：两个节点的链接。包括物理链路和逻辑链路。通路：从信息发出点到信息接收端的一串节点和链路。,第3节网络的拓朴结构,网络拓朴结构类型星型拓朴结构总线型拓朴结构环型拓朴结构树型拓朴结构网状拓朴结构,第4节网络体系结构和参考模型,网络协议网络中各个节点之间要不断的进行数据交换，必须遵守一定规则，包括数据的格式等，这就是协议。网络体系结构各层之间是独立的本层与下层无关灵活性好当一层变化时，各层不受影响结构上可以分割易于实现和维护能促进标准化工作IBM的SNA体系结构；Digital的DNA结构,第4节网络体系结构和参考模型,OSI参考模型共7层，物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表式层、应用层。前3层负责通信，称为通信子网层，后3层属功能范畴，称为资源子网层，传输层起衔接作用。,第4节网络体系结构和参考模型,各个层的功能应用层：与用户应用进程的接口，相当于：做什么；表示层：数据格式的转换，相当于：对方看起来什么样；会话层：会话的管理与数据传输的同步，相当于：轮到谁说话和从何处讲；传输层：从端到端经网络透明的传送报文，相当于：对方在何处；网络层：分组传送和路由选择，相当于：走哪条路可以到达该处；数据链路层：在链路上无差错的传送帧，,第4节网络体系结构和参考模型,TCP/IP参考模型共四层：应用层、传输层、互联网层、主机网络层。互联网层的协议称为IP协议（即InternetProtocol，互联网）传输层的协议有两种，一种为TCP协议（即TransportControlProtocol，传输控制协议)，另一种为UDP协议（即UserDatagramProtocol，用户数据报协议）应用层包含如TELNET、FTP、SMTP、DNS、HTTP等协议主机-网络层包含Ethernet、TokenRing、X.25等分组交换网。,第2章物理层,第1节物理层的功能,物理层协议主要是确定与传输介质接口有关的一些特征机械特性电气特性功能特性规程特性,第2节数据传送的基本理论,周期信号的付里叶分析有限带宽信号信道传输容量,第3节信道传输容量,通信过程中有三种方式单向通信：又称单工通信，只向一个方向通信，如无线电广播。双向交替通信：又称半双工通信。双方都可以发送信息，但不能同时发送信息，要交替进行，如对讲机。双向同时通信：又称全双工通信。双方可同时发送消息。,第节传输介质,双绞线类线、类线、超类线非屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双绞线（STP）同轴电缆50，基带同轴电缆；75，有线电视；,第节传输介质,光纤多模光纤存在多条不同角度入射光线在同一光纤内传输单模光纤光纤直径小到光波波长的时候，只能直线传输无线传输无线电，微波蜂窝，卫星,第4节模拟传输和数字传输,数据通信模型调制器；调制解调器交换技术电路交换例如电话，传输时要建立一条点到点的通路报文交换例如电报，发送时，先发送到交换局，再由交换局发送到目的地。对于报文没有大小的规定分组交换例如计算机网络，它确定报文的大小。,第4节模拟传输和数字传输,模拟传输技术典型的模拟传输系统就是电话通信系统采用分级交换调制技术和调制解调器为了解决在模拟信道上传送数字信号，引入调制和解调技术调制分三类：调幅、调频和调相EIA-232接口RS-232-C标准上的接口标准典型设备如调制解调器数字传输技术为了解决一条中继线上传送多路电话而设计的有T1和E1两个标准,第4节模拟传输和数字传输,ISDN综合业务数字网，IntegratedServicesDigitalNetwork主要是语音服务共有6种标准化的信道A-4kHz模拟电话信道B-64kb/s数字PCM信道，用于语音和数字C-8kb/s或16kb/s数字信道D-16kb/s数字信道，用于带外信令E-64kb/s数字信道，用于ISDN内部信令H-384kb/s、1536kb/s或1920kb/s数字信道,第4节模拟传输和数字传输,ISDN三种标准化的组合基本速率：2B+1D=144kb/s，主要用于为家庭或小单位提供服务。一个通路讲话，另一个通路传送数据一次群速率：23B+1D（美国和日本）或30B+1D（欧洲），这里D为64kb/s。混合：1A+1C，称之为N-ISDN，窄带ISDN，支持2Mkb/s以下的业务。B-ISDN宽带ISDNN-ISDN采用电话网，用双绞线；B-ISDN用光纤N-ISDN使用电路交换；B-ISDN使用异步传输模式ATMN-ISDN的比特率是事先设置的；B-ISDN使用虚通路N-ISDN无法传送高速图像；而B-ISDN可以,第3章数据链路层,第节数据链路层的功能,数据链路和链路链路是一条无源的点到点的物理线路数据链路是一条逻辑链路链路层主要功能链路管理帧同步流量控制差错控制数据和控制信息区分功能透明传输寻址,第2节链路层的传输单位,帧（Frame）面向比特和面向字符的两类协议帧边界用于区分帧的开始和结束，主要由以下几种分类方法带填充字符的首位界符法带填充位的首尾标志法字符记数法帧同步帧的组织,第3节检错和差错控制,检错和纠错编码垂直冗余校验（VRC）水平冗余校验（LRC）水平垂直冗余校验（TRC）循环冗余校验（CRC）反馈重发纠错给帧编号，按号码进行校验GoBackn纠错处理跟随坏帧后的帧的方法选择重发纠错避免重复传送本来已经正确到达的帧,第4节流量控制,流量控制发送方的发送速率不能超过接收方的速率，否则会出错停等协议发送方发送完一个数据帧后处于停止发送状态，等待接收方的讯息，如果正确接收，继续发送下一帧滑动窗口协议,第5节面向比特的链路控制协议,HDLC运行模式非平衡配置点对点多点操作平衡配置三种数据传输的工作方式正常响应方式：主站发送数据，而从站只有响应用于非平衡方式异步响应方式：非平衡方式。允许从站向主站发送数据异步平衡方式：用于平衡方式，每个站都可以平等的发出数据,第5节面向比特的链路控制协议,HDLC帧结构帧的类型信息帧监督帧无编号帧,第5节面向比特的链路控制协议,HDLC中的帧的交互在HDLC控制下的数据传输半双工“点点”数据传输全双工“点点”数据传输,第4章介质访问子层,第1节共享信道的分配,信道的静态分配利用频分或时分多路复用技术平均时延较长信道的动态分配多路访问技术谁有数据要传输，便考虑让谁使用信道，但在任何时刻只允许一个用户使用信道，有适当的措施避免冲突多路访问技术可分为受控访问和随机访问两类,第2节信道随机访问技术,纯ALOHA发送站只要有数据发送，就让它们发送。如果发送帧遭到破坏，发送站将等待一段随机时间后重发该帧。开槽ALOHA把时间分割成离散的时隙，每个时隙对应一帧。生成的信息帧不是马上发送，而是等到下一个时隙开始的时候才发送CSMA/CD载波侦听：当有数据发送时，检测信道是否占用，来避免冲突冲突检测：发送数据帧的时候继续监听信道，一旦检测到冲突就等待下一个时间发送,第3节局域网和IEEE802标准,局域网概述局域网是指处于同一单位、方圆不超过几公里的专用网络，常常被用于连接单位里的计算机和工作站。覆盖范围较小通常使用信道共享技术，传输介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤甚至是无线。最长见的是CSMA/CD和令牌。具有多种物理拓朴结构，如星型、总线型和环型局域网参考模型局域网的参考模型只相当于最低两层数据链路层又划分为介质访问控制子层和逻辑链路控制子层,第3节局域网和IEEE802标准,IEEE802标准802.1概述、体系结构、网络互连、网络管理和性能测量802.2逻辑链路控制。它提供OSI数据链路层中上一个子层的功能802.3CSMA/CD。它定义CSMA/CD总线网的介质接入控制和物理层规范802.4令牌总线网。它定义了令牌传递总线网的介质接入控制和物理层规范802.5令牌环网。它定义了令牌传递环型网的介质接入控制和物理层规范。802.7宽带技术802.8光纤技术802.10可互操作的局域网安全802.11无线局域网,第3节局域网和IEEE802标准,逻辑链路控制子层LLC子层的SAPLLC子层提供的服务无确认的无连接服务（LLC1）面向连接的服务（LLC2）带确认的无连接服务（LLC3）服务原语IEEE802标准也为局域网制定了四钟类型的服务原语：请求、指示、响应、和证实LLC的帧结构介质访问控制（MAC）子层采用48位地址来表示MAC地址,第3节局域网和IEEE802标准,以太网和IEEE802.31975年Xerox公司建造了一个2.94Mbps的CDMA/CD系统，称为以太网IEEE802.3的传输介质,第3节局域网和IEEE802标准,曼彻斯特编码每个比特为两个码元，“1“对应10，“0”对应01。所需带宽较大。802.3MAC子层协议字节数712或62或620-15000-464,帧开始标志,数据字段长度,校验和,第3节局域网和IEEE802标准,快速以太网1995年，IEEE802.3进行了追加，推出了802.3u，又称为快速以太网,第3节局域网和IEEE802标准,100Base-T4采用3类双绞线，需要4对双绞线，采用三元码100Base-TX采用5类双绞线，只需2对双绞线，采用4B5B编码100Base-T4和100Base-TX统称为100Base-T100Base-F使用2束多模光纤，每束可用于两个方向,第5章网络层,第1节网络层提供的服务,通信子网虚电路和数据报虚电路：发送数据先申请一个虚电路，然后按照这个线路进行发送数据报：每个数据分组都携带完整的目标地址信息，因此各个节点可以独立的根据策略来选择路由,第1节网络层提供的服务,连接的服务和无连接的服务,第2节路由算法,路由选择的一般原理正确性简单性自适应性稳定性公平性最优性,第2节路由算法,非自适应的路由选择最短路由选择寻找最短路径扩散法当一个节点收到一个不是发送给它的分组时，向所有相邻的路由器发送该分组，在这些并行的线路中，总有一条是最优的比较健壮，但容易造成网络拥堵分散通信量法即考虑网络的拓朴结构，又考虑网络的负载,第2节路由算法,自适应路由选择距离矢量路由选择每个节点维护一张路由表路由信息协议，RIP缺点：未考虑带宽；理论可行，但实际有很大缺陷链路状态路由选择发现其邻居节点，并知道相应的网络地址测量其到各邻节点的延迟或者开销将其刚知道的所有信息组装成一个分组将这个分组发送到所有的其他节点计算到所有其他节点的最短路径,第3节拥塞控制算法,拥塞控制的意义主要原因是通信流量突然增大，处理器速度较慢等拥塞控制与流量控制的区别拥塞是全局的流量是发送者和接收端之间的控制的策略拥塞控制方案分两类：开环和闭环开环的功能：何时通信；何时丢弃分组；丢弃哪些分组；在网络不同点作计划表闭环的功能监视系统，检测何时何地发生拥塞；将此类信息传送到可能采取行动的地方调整系统操作以减少拥塞,第4节网络互连,网络互连的目的互连技术中继器：物理层，放大或再生弱信号网桥：数据链路层，连接不同类型的局域网多协议路由器：网络层，连接不同类型的网络，但类型和协议可能不同桥路器：组合了网桥和路由器的功能网关：网络层以上交换机,第4节网络互连,局域网的互连局域网互连中的网关局域网互连中的网桥过滤通信量扩大物理范围增加的站点的最大数目使用不同的物理介质连接不同类型的局域网提高可靠性改善性能有利于安全管理交换式局域网,第4节网络互连,因特网的网络层IP协议,DM,32bit,IPv4数据报头格式,第4节网络互连,因特网的网络层IPv4的5类地址,第4节网络互连,因特网的网络层IPv4中的特殊地址,第4节网络互连,因特网控制协议ICMP，互联网控制消息协议ARP，地址解析协议，把IP地址转换为数据链路层地址RARP，反向地址解析协议内部网关路由选择协议OSPF自治系统AS内部的路由选择算法称为内部网关协议开放最短路径优先协议，OSPF外部网关路由选择协议BGPAS之间的路由选择协议使用的边界网关协议BGP,第6章传输层,第1节传输层的作用和一般原理,传输层是极其关键的一层前层为一个部分，后层为另一个部分TCP/IP结构中在传输层定义了两个协议，TCP和UDP,第2节TCP/IP体系的传输层,两个协议TCP/UDPTCP是面向连接的，UDP是无连接的端口Port传输层提供寻址能力，确定把数据传给那个主机；还要有地址用来确定把数据传给计算机的那个进程，这个地址就是端口端口分类保留端口，0-1023注册端口，1024-49151自由使用的端口，49152-65535,第3节用户数据报协议UDP,UDP的报文格式UDP校验和,第4节传输控制协议TCP,TCP协议机制概述数据被分割成段，segment发送一个段后，启动一个定时器，如果没有收到确认，重发这个段TCP接收到一个段后，对该报文段发送一个确认TCP协议头部带有校验和字段，如果校验不正确，接收端丢弃该段，这样发送端就重发该段到达的TCP段可能会次序错乱，TCP可以正确的重新排序IP协议可能会造成分组重复，因此接收的数据段可能会重复，若有，TCP将丢弃该重复的报文段TCP以滑动窗口的方式进行流量控制，防止较快的主机造成较慢主机的接收缓冲区溢出,第4节传输控制协议TCP,TCP的报文段格式,第4节传输控制协议TCP,TCP的重传机制定义一个重传定时器设置合适的超时值TCP采用自适应算法自动的动态的调节超时值一般采用Karn算法TCP的流量控制和拥塞控制在头部设立窗口大小字段来进行流量控制慢启动算法和拥塞避免算法,第4节传输控制协议TCP,TCP的传输连接管理连接的建立和连接的撤除建立连接采用三次握手的方法TCP连接是全双工的撤销是分开进行的,第4节传输控制协议TCP,TCP的连接管理有限状态机,TCP连接管理有限状态机的状态,第7章应用层,第1节应用层概述,SMTP简单邮件传输协议，SimpleMailTransferProtocolFTP文件传输协议，FileTransferProtocolTELNET远程登录协议HTTP超文本传输协议，HypertextTransferProtocolSNMP简单网络管理协议，SimpleNetwokManagementProtocolASN.1抽象语法表示法，AbstractSyntaxNotationOneTFTP简单文件传输协议，TrivalFileTransferProtocolDHCP动态主机配置协议，DynamicHostConfigurationProtocol,第1节应用层概述,NFS网络文件系统，NetworkFileSystemXDR外部数据表示法，ExternalDataRepresatationRPC远程过程调用，RemoteProcedureCallUDP用户数据报协议，UserDatagramProtocolARP地址解析协议，AddressResolutionProtocolRARP逆向地址解析协议，ReverseAddressResolutionProtocolICMPInternet控制信息协议，InternetControlMessagesProtocolIGMPInternet组广播协议，InternetGroupMulticastProtocol,第2节域名系统DNS,域名系统概述数字形式的IP地址不方便记忆，因此用有特殊意义的字符来标示主机，这就是DNS的初衷。Internet域名结构分布式的层次式的命名规则从右到左依次降低,第2节域名系统DNS,Internet域名结构,第2节域名系统DNS,常见最高域Com公司单位mil美国军事部门Net网络支持中心edu美国大专院校Org非盈利性组织gov美国征服部门Int根据国际条约建立的组织Au澳大利亚fr法国it意大利cn中国Kr韩国jp日本de德国uk英国Ru俄罗斯dk丹麦fi芬兰,第2节域名系统DNS,域名解析域名系统由一组相互独立又协同工作的域名服务器组成这些服务器有一定的层次结构，最高级为根域名服务器，依次向下，上一层服务器上有关于他的子域的域名记录，每个服务器上都有根服务器的地址，因此，可以互相协助完成域名解析DNS通常工作在UDP的53端口当进行域名解析的过程时，先查找本地缓冲区中是否有该记录，如果有直接返回，如果没有，则向其他的域名服务器发出申请，直到找到该域名分为递归解析和反复解析，解析器用递归解析，名字服务器使用反复解析,第3节电子函件,电子邮件系统原理用户端代理：撰写、阅读和处理邮件传输代理：邮件的传输和报告,第3节电子函件,电子邮件的格式信头和信体FromToDateSubjectCCBCCBODY,第3节电子函件,简单邮件传输协议SMTP发送端与接收端进行若干次确认后，才发送邮件扩展的邮件传输协议ESMTP与SMTP不同的是，开始发送EHLO，而SMTP发送HELO邮局协议POP3客户端从邮件服务器上接收邮件使用pop3协议互联网消息访问协议IMAP提供了在服务器上创建、删除、更名等邮件和邮箱的操作,第3节电子函件,多用途互联网邮件扩展MIMESMTP只能传送7位的ASCI字符，为了传送更丰富的信息，必须编码曾经出现的编码方式有Uuencode/Uudecode和BinHexMIME定义了一套编码标准，只要用户代理端支持该协议，就可以互相传送邮件，而不需要对邮件传输代理端进行修改电子邮件的安全标准安全：不被其他人看到邮件内容；不被冒用身份进行发信标准：PEM、PGP、PGP/MIME、S/MIME功能保密和加密信息完整性验证非欺骗其他,第4节文件传输,文件传输协议两个TCP连接，一个是控制连接，一个是数据传输连接控制连接使用端口21数据连接使用临时的端口FTP交互命令：LIST、PORT、RETR、STOR、QUIT、PASS、USER简单文件传输协议使用UDP使用端口69以512字节为一个传输单位通常用于无盘工作站A,第4节文件传输,文件传输协议,第5节万维网,概述WorldWideWeb，WWWHyperTextMarkupLan