计算机网络原理

1、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

2、议的不统一，限制了网络的发展和应用。 ISO组织颁布了ISO/IEC 7498国际标准。 ISO与CCITT等组织制定了OSI基本协议集。 IEEE制定了IEEE 802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（Request For Comment，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网络。 计算机网络的基本特征： 资源共享 互

3、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 通信通信 在计算机之间传递信息 资源共享资源共享 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

4、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

5、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

6、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 Internet Protocol，互联网） 传输层的协议有两种，一种为TCP

7、协议（即Transport Control Protocol， 传输控制协议)，另一种为UDP协议 （即User Datagram Protocol，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

8、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

9、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，Integrated Services Di

10、gital Network 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。

11、 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ISDN N-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ATM N-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

12、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 Go Back n 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

13、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 标志序列 (F) 01111110 地址(A) 8比特 控制 (C) 比 特 信息 (I) 任意 帧校验序列 (PCS) 16比特 标志序列 (F) 01111110 第5节 面向比特的链路控制协议 HDLC中的帧

14、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

15、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IEEE8

16、02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 802.3 CSMA/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SAP LLC子层提供的服务 无确认

17、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IEEE802.3 1975年Xerox公司建造了一 个2.94Mbps的CDMA/CD系 统，称为以太网 IEEE 802.3的传输介质 802.3版本电缆最大区间长度(m)每段站点数(个)优点 10Base5粗同轴电缆500100适合用作主干 10Base2细同轴电缆20030便宜 10BaseT

18、双绞线1001024易于维护 10BaseF光纤20001024抗干扰性极好 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7 1 2或6 2或6 2 0-1500 0-46 4 先导字段目的地址源地址数据填充字段 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 802.3版本传输介质最大端长度（m） 优点 100Base-T4双绞线100使用3类双绞线 100Base-TX双绞

19、线100100Mb/s时全双工 100Base-F光纤2000100Mb/s时全双工， 长距离 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-T 100Base-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

20、略来选择路由 虚电路子网数据报子网 虚电路设置需要不需要 地址每个分组都含有一个短的虚电路号，开销小每个分组都含有源端和目的端 的完整地址，开销大 状态信息建立好的每条虚电路都会占用子网的路由表空间不存储状态信息 路由选择当虚电路建立好时，路由就已确定，某次通信的所 有分组都经过该路由 为每个分组独立选择路由 路由器失败 的影响 所有经过失效路由器的虚电路都要被终止仅影响在崩溃时丢失的分组， 健壮 拥塞控制如有足够的缓冲区分配给已建立的每条虚电路，则 容易控制 难 第1节 网络层提供的服务 连接的服务和无连接的服务 面向连接无连接 端到端的连接必须有没有 分组的顺序保证按照发送顺序依次 到达目

21、的地 到达顺序可能与发送顺 序无关 端到端的差错控制由通信子网负责由端系统负责 端到端的流量控制由通信子网负责由端系统负责 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

22、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

23、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 版本IHL服务类型总长 标识分段偏移 生命期协议号头校验和 源地址 目标地址 任选项补丁 DM 32bit IP

24、v4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BGP AS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

25、个协议，TCP和 UDP 第2节 TCP/IP体系的传输层 两个协议 TCP/UDP TCP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

26、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

27、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 状态说明 CLOSED无活动的连接，无正在进行的连接 LISTEN被动打开，服务器等待到来的连接请求 SYN RCVD已接收到连接请求 SYN SENT主动打开已发出连接请求 ESTABLISHED连接已建立，数据传输状态 FIN WAIT 1应用程序标示它已经结束数据发送 FIN WAIT 2另一端已同意关闭 TIMED WAIT等待所有报文分组从网中消失 CLOSING两端同时发起关闭

28、 CLOSE WAIT另一端已发起关闭 LAST ACK等待所有报文分组从网中消失 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，Simple Mail Transfer Protocol FTP 文件传输协议，File Transfer Protocol TELNET 远程登录协议 HTTP 超文本传输协议，Hypertext Transfer Protocol SNMP 简单网络管理协议，Simple Netwok Management Protocol ASN.1 抽象语法表示法，Abstract Syntax Notation On

29、e TFTP 简单文件传输协议，Trival File Transfer Protocol DHCP 动态主机配置协议，Dynamic Host Configuration Protocol 第1节 应用层概述 NFS 网络文件系统，Network File System XDR 外部数据表示法，External Data Represatation RPC 远程过程调用，Remote Procedure Call UDP 用户数据报协议，User Datagram Protocol ARP 地址解析协议，Address Resolution Protocol RARP 逆向地址解析协议，Re

30、verse Address Resolution Protocol ICMP Internet控制信息协议，Internet Control Messages Protocol IGMP Internet组广播协议，Internet Group Multicast Protocol 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

31、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

32、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 From To Date Subject CC BCC BODY 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

33、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MIME SMTP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BinHex MIME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