华科控制系考研复试资料

1、n计算机网络的基本概念n计算机网络中的数据交换方式n电路交换、存储转发交换(报文交换、分组交换、数据报、虚电路)n计算机网络的分类n计算机网络协议n定义、三要素、分层思路nOSI/RM参考模型的层次划分及各层的功能nTCP/IP 参考模型的层次划分及各层的功能nOSI/RM 和 TCP/IP 模型的比较 n混合模型第一章 概述网络边缘系统local ISPcompanynetworkregional ISProuterworkstationservermobilen网络端设备：网络端设备：n PC、工作站、移动设备、工作站、移动设备、n 智能电子产品等智能电子产品等n工作模式工作模式n 客户客

2、户-服务器模式：服务器模式：n 即即Client/Server方式方式 （C/S、B/S）n 对等模式：对等模式：n 即即 Peer-to-Peer方式方式 （P2P）n网络服务网络服务n面向连接的服务面向连接的服务n面向无连接的服务面向无连接的服务网络核心系统n数据“交换”定义 ：n从通信资源的分配角度来看，从通信资源的分配角度来看，“交换交换”就是按就是按照某种方式照某种方式动态地分配动态地分配传输线路的资源。传输线路的资源。n技术分类n 电路交换：电路交换：FDM、 TDMn 存储转发交换：报文交换和存储转发交换：报文交换和分组交换分组交换P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文

3、报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放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报文交换 VS 分组交换 VS 电路交换n定义n一组控制数据通信的规则。计算机网络中互相通信的对等实体间对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合规则的集合。n网络协议的基本要素n语法、语义、同步n网络体系结构n分层思路n定义n层协议服务访问点服务接口调用n+1层协议OSI/RM参考模型TCP/IP参考模型应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络 2网络 1应用层运输层网际层网络接口层网际

4、层网络接口层4321n混合模型nISO/OSI概念模型好，协议实现不好；nTCP/IP协议实现好，模型不好；n采用混合模型Application LayerTransport LayerNetwork LayerData Link LayerPhysical Layer第二章 物理层n物理层的功能及需要考虑的问题n物理层的四个重要特性n机械特性、电气特性、功能特性、规程特性n物理层协议的内容n数据通信中的若干基本概念n模拟传输、数字传输、模拟信道、数字信道等n信号编码、调制技术n多路复用技术n奈奎斯特定律和香农公式n常用的传输介质n物理层协议物理层协议n在两个网络设备之间提供透明的比特流传输n

5、在数据终端设备、数据通信和交换设备等设备之间完成对数据链路的建立、保持和拆除操作。n物理信道是模拟信道时：RS-232C、RS-449（与RS232兼容）、V系列（V.24、V.35） n物理信道是数字信道时：X.21等n奈奎斯特定律奈奎斯特定律:n(1) 理想低通信道下的最高码元传输速率 = 2W Baudn这里W是理想低通信道的频带宽，单位为赫(Hz)n即：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。n(2) 理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baudn即：每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元。n香农公式：香农公式：n 信道的极限信息传输速率C可表示为：)/

6、1 (log2NSHCnH-信道频带宽，以Hz为单位nS-信道内所传信号的平均功率nN-信道内部的高斯噪声功率nS/N-信噪比，单位：db（分贝）1010log/S N对单位db的说明：当 S/N = 10 时，信噪比为10db 当 S/N = 1000 时，信噪比为30db编码与调制n不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：种情况：数据：模拟数据 数字数据信号：模拟信号 数字信号 信道：模拟信道 数字信道模拟传输和数字传输所使用的技术话音话音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模

7、拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制调制宽带调制技术(数字模拟信号)010011100基带信号调幅调频调相脉冲编码调制PCMPCM编码过程举例编码过程举例数字信号编码技术(数字数字信号)n为什么要编码n数字数据为二进制数(0或1)，数字信号为高电平或低电平进行传输，所以需要将二进制数转换为高电平或低电平。n常用的编码技术：n不归零编码n曼彻斯特编码n差分曼彻斯特编码n块编码（4B/5B、8B/10B）n例：画出信息“001101”的不归零不归零码码、曼彻斯特编码曼彻斯特

8、编码、差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码波形图。数字信号编码技术(数字数字信号) 多路复用技术n定义：n为了节省通信设备与费用，常常需要在一条物理通道上同时传送多路信息，这种技术称为多路复用(Multiplexing)或称为多路共传。n常用的方案有：n频分多路复用 (FDM); 时分多路复用 (TDM)n波分多路复用 (WDM); 码分多路复用（CDM） 数字载波标准nT1标准线路的带宽计算：n以Bell系统的T1载体为例，Bell系统将24个音频个音频通道一起多路传输。n按Nyquist定理，频带宽为频带宽为4KHz的音频通道，只要每秒采样每秒采样8000次次(即125us采一次)就能捕捉其全

9、部信息。n每次采样经量化编码产生一个量化编码产生一个7bit的数据的数据，24条音频通道的条音频通道的一次采样数据放进一个帧一次采样数据放进一个帧中，帧的长度为帧的长度为193bit，每条逻辑通道占8bit(7bit数据，1bit控制信号)，第193bit用于帧同步。nT1载体每秒传送每秒传送8000个个这样的帧，故要求物理通道的信道容量大于193*8000bit/s=1.544Mbit/snE1标准线路的带宽计算：n每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道 (供32个用户轮流使用) ，则每通道占用125us / 32 = 3.90625usn每通道一次传送8位二进制数据，即每个二进制

10、位占用3.90625 / 8 = 0.48828125usn所以 E1速率 = 1/0.48828125 = 2.048Mb/s 0 1 21631125 us , 32 时隙时隙 , 2.048 Mbps帧同步帧同步信令信道信令信道30 路话音数据信道路话音数据信道 + 2 路控制信路控制信道道同步光纤网 SONETn旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面： n速率标准不统一。n如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。 n不是同步传输。n在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。 n同步光纤网 SONET (Sy

11、nchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 n第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。n光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 93

12、3.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF S

13、HFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱第三章 数据链路层n数据链路层的基本概念(数据链路层的基本功能，帧的格式，形成帧的四种方法)n差错控制中的编码技术(海明纠错码，循环冗余码(CRC)n停止等待协议的原理(单工，双工停等协议)n连续ARQ协议n滑动窗口协议及分析方法n高级数据链路控制规程的相关概念nHDLC的帧格式及各字段的意义nHDLC的

14、三种帧类型nPPP协议的相关概念n半双工“点-点”数据传送n全双工“点-点”数据传送链路层的服务n成帧 : n将分组封装入帧, 加上帧头, 帧尾n物理地址 放在帧首用来确定信源、信宿 n链路访问:n媒体访问控制协议定义了帧在链路上传输的规则n如果是共享介质，则需实现信道的访问n点对点介质则协议很简单n在两台物理上连接的设备之间实现可靠传递链路层的服务n错误检测: n信号衰减和噪声会导致出错. n接收端检测到错误时: n给发送端信号要求重发或丢弃出错帧 n错误校正: n接受端检测某位错并加以校正 而无需要求发送端重发n流量控制: n保持收发双方的同步n形成帧的四种方法n带位填充的首尾标记定界法n

15、帧的起始和结束都用一个特殊的位串“01111110”，称为标记（flag）n“0”比特插入删除技术错误检测：错误检测：EDC= 错误检测校正（Error Detection and Correction (冗余数据)）位 错误检测不可能达到 100% 可靠! 协议算法可能会忽略了某些错误, 但比例极小 较大的 EDC 字段可以产生较好的检错和纠错效果差错控制加了它就可能加了它就可能知道？知道？差错控制的基本概念n差错出现的特点n随机，连续突发n计算机网络中处理差错的两种基本策略n使用纠错码（海明码）n发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，并能纠正错误。

16、n使用检错码（奇偶校验、CRC）n发送方在每个数据块中加入必要的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，但不能判断哪里有错。海明纠错码n海明纠错码的格式海明纠错码的格式n码字的编号从左到右，最左边是第一位，其中2的幂数位是检的幂数位是检验位，其余是验位，其余是k个数据位个数据位(信息元)。n海明纠错码格式如下：n 20 21 22 23 24n p1 p2 * p3 * * * p4* * * * * * * p5 n *-信息元 P-校验位海明纠错码n将编码字写成串形式的一维向量11121112122212121121(p1 p2 * p3 * * * p4* * . )rrrrr

17、rKKKrKrb bbbb bbbl lllMb bbb其中，l1 =l2 =lr =1或0(l=0为偶校验，l=1为奇校验)； bij = 1 或 0 循环冗余码(CRC)n循环冗余码（CRC）n基本思想n收发双方约定一个生成多项式生成多项式G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1），发送方在帧的末尾加上校验序列，使带校验序列的帧的多项式能被G(x)整除；接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。n多项式码n将位串看成系数为0或1的多项式如：110001，表示成多项式 x5+x4+1 循环冗余码(CRC)n循环冗余码（CRC）nCRC的计算算法n差错控制n差错控制编码n检错码和纠

18、错码n差错控制技术n差错控制的基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。n流量控制n自动请求重传Automatic Repeat Request （ARQ）n停等协议（单工、双工）nARQnGo-back-N ARQn滑动窗口协议 差错控制和流量控制n点到点数据联络层案例n高级数据链路控制规程HDLC 高级数据链路控制规程n基本原则n面向比特的数据链路层协议(规程）n采用位填充法保证数据的透明传输nHDLC的组成n帧结构n规程元素n规程类型n使用HDLC的语法可以定义多种具有不同操作特点的链路层协议。 高级数据链路控制规程nHDLC涉及三种类型的站：n主站（Primary

19、 Station）n主要功能是发送命令（包括数据），接收响应，负责整个链路的控制（如系统的初始、流控、差错恢复等）；n从站（Secondary Station）n主要功能是接收命令，发送响应，配合主站完成链路的控制；n复合站（Combined Station）n同时具有主、从站功能，既发送又接收命令和响应，并负责整个链路的控制。 高级数据链路控制规程n原理图命令命令(B)响应响应(B)主站主站A从站从站B非平衡配置：点非平衡配置：点-点点命令命令(B/C/D)响应响应(B)响应响应(C)响应响应(D)主站主站A从站从站B从站从站C从站从站D非平衡配置：点非平衡配置：点-多点多点命令命令(B)命

20、令命令(A)响应响应(B)响应响应(A)复合站复合站A复合站复合站B平衡配置平衡配置 高级数据链路控制规程n帧的一般结构 高级数据链路控制规程n标志字段n以0111 1110作为起止的帧边界标记n零比特填充法n原因n避免数据信息字段与标志字段F相同，引起帧边界错误，达到透明传输。n采用方法n发送端：n利用硬件扫描数据信息字段，遇到5个1即添加一个0n接受端：n硬件扫描到连续5个1，因为发送端扫描填充过0，紧接的必然是0，去掉这个00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1

21、 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样的 8 比特组合发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除会被误认为是标志字段 F 发送端填入 0 比特接收端删除填入的 0 比特零比特填充实例 高级数据链路控制规程n地址字段n非平衡方式写入从站地址，平衡方式写入确认站地址n全1地址为广播方式，全0为无效地址，有效地址254个n地址字段可扩展 高级数据链路控制规程nHDLC的三种帧类型n信息帧（Information Frame）n监督帧（Supervisory Frame）n无编号帧（Unnumbered F

22、rame）第四章 局域网n介质访问技术nALOHA、时隙ALOHA、 CSMA、CSMA/CDn局域网的基本组成n局域网的特点n局域网的分类n局域网的体系结构nIEEE802标准系列中的主要标准标准系列中的主要标准n802.3标准n局域网的扩展n物理层、数据链路层、网络层n常用设备链路和协议n有三种类型的 “链路”:n点对点点对点 ( e.g. PPP, SLIP,HDLC)n共享线路或介质共享线路或介质( e.g, 以太网, 无线网, etc.)n交换式交换式 (e.g., 交换式以太网, ATM etc)介质访问控制方法n介质访问技术是局域网的关键技术之一。n介质访问技术:n就是研究如何有

23、效地利用通道(介质)的问题，目的是如何适应数据传输的间歇(突发性)特点，采用适当的复用策略，以提高通道的利用率，减少数据传输中的时延，提高网络的吞吐率。n分类：n点对点介质访问控制方法n多点介质访问控制方法n网络性能在很大程度上与所采用的介质访问技术有关。n多点介质访问技术的中心问题是解决通道复用问题。n一条共享的通信信道 n两个或多个结点可同时发送信号: 相互干扰 n在某一时刻只有一个结点可以成功地发送信号 n多点访问协议多点访问协议:n分布式的算法来决定如何共享信道, 决定工作站何时可以发送n有关共享通道的通信协商也必须在该通道自身上解决 n多点访问协议需要解决的问题: n同步还是异步 n

24、了解其他站点的信息 n健壮性 (e.g.如何对待信道错误) n性能介质访问控制方法信道共享技术分类信道共享技术分类信道共享技术信道共享技术TDMFDMSTDMATDM随机访问随机访问受控访问受控访问CSMACSMA/CD集中控制集中控制分散控制分散控制轮询轮询令牌令牌静态分配静态分配动态分配动态分配以太网以太网令牌环网令牌环网WDMCDM随机访问MAC协议纯ALOHAn工作原理n站点可在任意时刻发送帧n检测到冲突，等待一个随机时间后重发（注：如等待时间不随机，会因再次冲突而死锁）n缺点：极容易冲突n性能n网络负载G=0.5时，吞吐率Smax=0.184n时隙Aloha（slotted aloh

25、a）n工作原理n将时间划分成等长的时隙，站点只在时间片到来的瞬间发送帧n信道利用率提高一倍n重发策略：同纯ALOHAn性能：网络负载G=1时，吞吐率Smax=0. 368n代价：需要全网同步；可设置一个特殊站点，由该站点发送时钟信号n帧发送成功的条件：没有其他帧在同一时隙内到达随机访问MAC协议时隙ALOHA随机访问MAC协议CSMAn思想：n如果某一站点在发报前已知道通道上有报文在传送，它就不必再发报，以免产生冲突。n载波监听（carrier sense）n站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突n多路访问（multipl

26、e Access）n多个用户共用一条线路n坚持CSMAn1-坚持CSMA（1-persistent CSMA）n原理n若站点有数据发送，先监听信道；n若站点发现信道空闲，则发送；n若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后立刻（以n 概率1）开始发送数据；n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。n优点n减少了信道空闲时间；n缺点n增加了发生冲突的概率；n传播延迟对协议性能的影响？传播延迟对协议性能的影响？n传播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差；随机访问MAC协议CSMAn坚持CSMAnp-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）n适用于分时隙信道n原理n若站

27、点有数据发送，先监听信道；n若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据（即以概率q=1-p延迟至下一个时隙发送）。若下一个时隙仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时隙被其他站点所占用；n若信道忙，则等待下一个时隙，重新开始发送；n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。随机访问MAC协议CSMAn非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）n原理n若站点有数据发送，先监听信道；n若站点发现信道空闲，则立刻发送数据；n若信道忙，等待一随机时间，然后再监听信道；n若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。n优点n减少了冲突的概率；n缺点n增加了信道空闲时间，数据发送延迟增大；n

28、信道效率比1-坚持CSMA高，传输延迟比1-坚持CSMA大。随机访问MAC协议CSMA随机访问MAC协议CSMA/CDnCSMA/CD: (Collision Detection，冲突检测)n在冲突发生后，短时间内可探测到n立即中断传输, 减少信道的时间浪费 n坚持性或非坚持性重传n冲突检测冲突检测: n在有线 LAN中简便易行: 检测信号强度, 比较收、发的信号n在无线 LAN比较困难: 传输时接收器是关闭的n争用期争用期n最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。n端到端往返时延 2 称为争用期。n经过争用期这段时间还没

29、有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。 随机访问MAC协议CSMA/CD1 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 局域网的体系结构n局域网参考模型n 对应于OSI参考模型最低两层：n物理层：透明传输位流，规定信号编码、传输媒体、拓扑结构及数据率n数据链路层(802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层)n介

30、质访问控制子层 MAC（Medium Access Control）n逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）局域网的体系结构n局域网参考模型数据链路层数据链路层物理层物理层网络层网络层媒体访问控制媒体访问控制MAC逻辑链路控制逻辑链路控制LLCLogical Link Control Media Access Control 向上层提供向上层提供 连接环境连接环境对下层提供对下层提供 媒体访问方媒体访问方法法局域网的体系结构nMAC子层子层：n 数据链路层中与接入各种传输媒体有关的问题。还负责在物理层的基础上进行无差错的通信。n更具体些讲，MAC子层的主要功能是：

31、n将上层交下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，将帧拆卸)n实现和维护MAC协议n比特差错检测n寻址IEEE802标准系列中的主要标准标准系列中的主要标准n802.2 - 逻辑链路控制逻辑链路控制n802.3 - n802.4 - n802.5 - n802.6 - n802.8 n802.11 WLAN（无线局域网）（无线局域网） CSMA/CD协议的提出n以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议，即以太网采用的协调方法是使用一种特殊的协议，即 (载波监听多点接入/碰撞检测)nIEEE定义了采用1-坚持CSMA/CD技术的802.3局域网标准，速率从1M到10Mbps，802.3

32、标准与以太网协议略有差别。n原理原理n站点使用站点使用CSMA协议进行数据发送；协议进行数据发送；n在发送期间如果检测到冲突在发送期间如果检测到冲突(CD)，立即终止发送，并发，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突；n在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。CSMA/CD的要点n“载波监听载波监听”n指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他指每一个站在发送数据之前先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

33、发计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。以太网使用曼彻斯特编码信号。生碰撞。以太网使用曼彻斯特编码信号。n“多点接入多点接入”n许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。n“碰撞检测碰撞检测”n计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，如果检测计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，如果检测到电压超过一定的门限值，就认为发生了碰撞。到电压超过一定的门限值，就认为发生了碰撞。媒体忙？媒体忙？发送发送帧帧碰撞？碰撞？发发送送完？完？发送发送JamJamN16?N16?YesYesNoNoNoNoYesYes发送成功发送成功Y

34、esYes发送失败发送失败NoNo延迟随机时间延迟随机时间NoNoYesYes发送发送碰撞次数碰撞次数N+1N+1802.3/Ethernet v2帧格式FCSSATypePADADataPadFCSPA SALENSFDDALLC PDUPad最小帧长计算n设信号在介质上端点到端点的传播延时为t秒，数据传输速率为R b/s，则在最坏情况下能使任何站监听到冲突的最小帧长为2tR bits。截断二进制指数类型的退避算法n以太网中随机等待时间采用二进制指数后退算法BEB（Binary Exponential Backoff）：n设退让时间片数为R，取值范围k（的k次方），其中n K=min (n,

35、i)n式中，n为冲突次数，i为退让极限（Back off limit）。n当ni时，K=n；当ni时，K=i；当n=j时，其中j为尝试极限（Attempt limit），放弃发送，并通知高层。n确定基本退避时间，一般是取争用期 2tn定义参数K，它等于重传次数，但一般不超过退避极限值（如10）。故K=MIN重传次数，退避极限值。n随机地取退让时间片数，退避时间即为2t 以太网的物理层选项与标识方法以太网的物理层选项与标识方法 速率、信号方式、介质类型速率、信号方式、介质类型速率（速率（Mb/s）基带或宽带基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位每段最大长度（单位:百米）或百米）或介质类

36、型（介质类型（T，F，X）10 Base 5传统以太网传统以太网10Base5 粗同轴粗同轴10Base2 细同轴细同轴10Base-T UTP 10Base-F MMF快速以太网和千兆以太网快速以太网和千兆以太网100Base-T UTP100Base-F MMF/SMF1000Base-X STP/MMF/SMF1000Base-T UTP局域网扩展局域网扩展n 什么情况下需要扩展？n网络范围扩大n更多的站点加入网络n多个独立的局域网进行互联n如何扩展？n主要在三个层次上n物理层 ：信号中继n数据链路层：帧转发n网络层： 报文转发扩展的局域网：集线器（Hubs）n物理层设备: 本质上是工作

37、在位流层面上的中继器: 将接收到的位流在所有其他接口上复制发送n集线器不隔离碰撞域: 任意LAN网段中的结点都可能与其他网段中的结点发生冲突n每个被连接的 LAN称为 LAN网段n集线器的优点:n简单,廉价设备n多层结构提供了一个性能略微降低较大的互联LAN: 即使一个集线器故障，部分 LAN结点仍可以继续工作n扩展了结点间的距离 (每个Hub 100m)n单一的冲突域导致了最大吞吐量不可能增加n多层结构的吞吐量实际与单个网段相同n对单个 LAN中同样的冲突域的限制也强加到了所有新近加入到这个互联LAN的结点上n不能连接不同类型的以太网 (e.g., 10BaseT 和 100baseT)扩展

38、的局域网：网桥(Bridge)n链路层设备: 使用以太网帧工作, 检查帧的首部的信宿地址后，选择性的进行转发n由于网桥可以缓存帧，网桥可以隔离碰撞域 n当在网段间转发帧时,网桥使用 CSMA/CD方式访问网段并进行传输 n网桥优点:n隔离冲突域使得网络的最大总吞吐量提高, 对接入的结点数和地理覆盖的范围没有限制n由于是存储转发设备，所以可以连接不同的以太网n透明: 不需要改变主机的LAN网络接口适配器n多端口网桥：交换机n在网络层上进行局域网扩展n设备：n路由器n特点：n一个网络网络上的分组分组有条件地被转发转发到另一个网络网络；n扩展后的网络被路由器分隔成多个子网子网。n优缺点：n隔离广播域

39、，限制了广播帧的泛滥；n地域范围可以任意扩展；n能根据最佳路由转发分组；n可以互联不同类型的网络；n转发速度低，成本较高，维护复杂。第五章 网络层n网络层在ISO/RM和TCP/IP模型中的地位n数据报和虚电路的比较n几种路由算法：n最短路径、泛洪算法、距离向量路由算法、链路状态算法nIPV4协议n功能、特性、数据报格式n数据报分段和重组n地址分类编址规则、寻址规则n子网掩码、组网过程nICMP的功能和报文格式nARP协议和RARP协议的作用nIPV6协议n功能、特性、数据报格式n地址编址规则、寻址规则nIPV4向IPV6的过渡技术n最短路径路由算法（Shortest Path Routing

40、）nDijkstra算法举例1243561225331152n最短路径路由算法（Shortest Path Routing）nDijkstra算法举例)(vDvn最短路径路由算法（Shortest Path Routing）nDijkstra算法举例n最短路径路由算法（Shortest Path Routing）nDijkstra算法举例n最短路径路由算法（Shortest Path Routing）nDijkstra算法举例n最短通路树(汇集树)及对应路由表124356目的节点后继节点2 23 44 45 46 4D-V（距离矢量）算法（Distance Vector Routing） n是

41、动态、分布式算法。n实现分布式算法的三要素： The measurement process（测量）（测量）The update protocol（更新邻接点距离矢量）（更新邻接点距离矢量）The calculation（计算）（计算） D-V算法的工作原理 n每个路由器用两个向量Di和Si来表示该节点到网上所有节点的路径距离及其下一个节点n相邻路由器之间交换路径信息n各节点根据路径信息更新路由表 di1：从节点从节点i 到节点到节点1 的时延向量的时延向量di2：从节点从节点i 到节点到节点2 的时延向量的时延向量 Di =di1di2di3dinSi =si1si2si3sinsi1：从节

42、点从节点i到节点到节点1的一条最小时延路径上的下一个节点的一条最小时延路径上的下一个节点si2：从节点从节点i到节点到节点2的一条最小时延路径上的下一个节点的一条最小时延路径上的下一个节点其中：n 网络中的节点数网络中的节点数Di节点节点i的时延向量的时延向量dij节点节点i到到j的最小时延的当前估计值的最小时延的当前估计值Si节点节点i的后继节点向量的后继节点向量sij从节点从节点i到到j的最小时延路径上的下一节点的最小时延路径上的下一节点 路由表的更新ndij = min(dix + dxj) ( x A )n（从i到j的时延取途经每个节点时的时延的最小值） nSij = x（从i到j途经

43、的下一个节点为x） 其中：其中：A与与i相邻的所有节点的集合相邻的所有节点的集合diji到到j 的最短距离的最短距离dixi到到x的距离的距离dxjx到到j 的最短距离的最短距离 To通过A 通过I 通过H 通过KA0242021B12363128C25181936D4027824E1473022F23201940G1831631H1720019I2101422J911710K2422220L293399J到A延时为8 J到I延时为10 J到H延时为12 J到K延时为6 线路8A20A28I20H17I30I18H12H10I0-6K15K节点J的新路由表AEIHGFDCBLKJJ重新重新估计

44、估计的延时的延时注意：注意：AI为为21；IA为为24因为：节点因为：节点A和和I都是各自测都是各自测得的距离，且不一定是同一得的距离，且不一定是同一时刻测得的，线路状态是动时刻测得的，线路状态是动态变化的态变化的当前节点为当前节点为JL-S（链路状态）算法（Link State Routing） n基本思想 发现它的邻接节点，并得到其网络地址发现它的邻接节点，并得到其网络地址 测量它到各邻接节点的延迟或开销测量它到各邻接节点的延迟或开销 组装一个分组以告知它刚知道的所有信息组装一个分组以告知它刚知道的所有信息 将这个分组发给所有其他路由器将这个分组发给所有其他路由器 计算到每个其他路由器的最

45、短路径计算到每个其他路由器的最短路径发现邻接节点 n当一个路由器启动后，向每个点到点线路发送HELLO分组，另一端的路由器发送回来一个应答来说明它是谁 测量线路开销 n发送一个ECHO分组要求对方立即响应，通过测量一个来回时间再除以2，发送方就可以得到一个延迟估计值，想要更精确些，可以重复这一过程，取其平均值 构造分组子网及其节点到其邻节点（路由器）的线路开销测量值（即延时，假设以ms计）ABCDEF序号序号序号序号序号序号年龄年龄年龄年龄年龄年龄B4A4B2C3A5B6E5C2D3 F7 C1 D7F6E1F8E8AE324FDCB56187子网的链路、状态及分组情况：子网的链路、状态及分组

46、情况： 节点节点A仅与节点仅与节点B和和E相邻相邻A B的时延为的时延为4msA E的时延为的时延为5ms 计算新路由 n用Dijstra算法计算到每个节点的路由 n得到该节点到每个节点的最短路径因特网网络层routingtableRouting protocolspath selectionRIP, OSPF, BGPIP protocoladdressing conventionsdatagram formatpacket handling conventionsICMP protocolerror reportingrouter “signaling”Transport layer: T

47、CP, UDPLink layerphysical layerNetworklayer网际协议IPnIP协议是整个TCP/IP协议的核心,主要功能包括:n定义数据报,这是Internet中最基本的传输单位n定义寻址方式,即IP地址n在网络访问层和主机到主机之间传输数据n将数据报传送到远端主机,包括路由选择n进行数据报的分解和重组,例如IP和X.25数据交换IP包格式 04816 31版本头部长服务类型总长标识标志段偏移生存时间类型头部校验和源IP地址目的IP地址IP可选项（可以省略）充填域数据开始 v版本为版本为4（Ipv4）v头部长以头部长以32位字长为单位位字长为单位 IP包格式（续）n类

48、型或协议 n头部校验和：按16位相加，结果求反 n源和目的地址：32位 nIP可选项：用于控制和测试 n充填域：凑成32位的整倍数 TCP6UDP17ICMP1OSPF89通过标志、标识和段偏移实现 n标识（identifier）：16位n标志（flag）：3位n段偏移（fragmentation offset）：13位 发送方每发送一个报文编号加一发送方每发送一个报文编号加一 各分段的标识相同各分段的标识相同 源地址加标识来区分各个分段源地址加标识来区分各个分段 012保留DFMFDF = 0 允许分段允许分段 = 1 不允许分段不允许分段 如刚起动时，即如刚起动时，即Boot时不允许分段时

49、不允许分段 MF = 0 最后一段最后一段 = 1 段未结束段未结束 实际偏移量实际偏移量 = 段偏移值段偏移值 x 8 Byte IP地址的层次结构和分类 nIP地址分为A、B、C、D、E类031NetIDHostID0前缀后缀0816311 0前缀后缀1 1 0前缀后缀1 1 1 0多址传送地址1 1 1 1保留将来使用A类类B类类C类类D类类E类类大规模网络大规模网络中规模网络中规模网络小规模网络小规模网络地址类别网络数主机数A0127（126）16777216-2B128191（16384）65536-2C192223（2097152）256-2IP地址的表示 n点分十进制表示 如：2

50、02.120.1.154n特殊IP地址 前缀后缀地址类型用途全0全0本机启动时使用网络ID全0网络标识一个网络网络ID全1直接广播在指定网上广播全1全1有限广播在本地网上广播127任意回送测试（127.0.0.1）无盘工作站在启动时尚不知道自己所处的网络ID，所以用32为全1地址 在本网段内广播，请求回答子网划分-划分子网的原因n一个路由器端口的连接（一个物理网段）至少组成一个网络n按原来的地址结构（二维结构），一个网络至少需要一个C类地址，因为一个网络需要有一个唯一的网络地址nIP地址的紧缺和地址分配中的浪费形成一对矛盾子网划分-三维地址结构n原有地址结构是二维的（网络地址，主机地址），增加

51、地址结构的维数，可提高地址分配的灵活性和可用性n三维结构：网络地址，子网地址，主机地址n在一个C类地址中仅主机地址可由网管人员自主分配n向主机地址域借位组成子网地址n以形成三维地址结构子网掩码n子网掩码的作用n因为子网地址的位数不是固定的，所以必须告知主机地址中哪一部分是子网的网络地址段，哪一部分是主机地址段n子网掩码使用与IP编址相同格式n子网掩码的网络地址部分和子网地址部分全为1，它的主机部分全为0n一个缺省C类IP地址的掩码为n255.255.255.0ICMP使用举例 n测试报文的可达性 n路由跟踪命令 n得到路径中最小的MTU ping命令命令 tracert（Unix下为下为traceroute）命令）命令 041631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（40 B）IPv6 的有效载荷（至 64 KB）六种扩展首部 n在 RFC 2460 中定义了六种扩展首部：n 逐跳选项n 路由选择n 分片n 鉴别n 封装安全有效载荷n 目的站选项 有效载荷有效载荷IPv6 的扩展首部 基本首部下一个首部= TCP/UDP基本