南邮计算机网络复习提纲复习_杨庚主编

1、一、计算机网络发展阶段的划分一、计算机网络发展阶段的划分 第一阶段：第一阶段：20世纪世纪50年代（年代（面向终端的计算机网络面向终端的计算机网络 第一第一 代）代） 数据通信技术的研究与发展数据通信技术的研究与发展 为网络的产生为网络的产生奠定了理论基础奠定了理论基础 第二阶段：第二阶段：20世纪世纪60年代（年代（计算机计算机计算机网络计算机网络 第二代）第二代） ARPAnet与分组交换技术的研究与发展与分组交换技术的研究与发展,ARPAnet 为为Internet的形成奠定了基础的形成奠定了基础 第三阶段：第三阶段：20世纪世纪70年代（年代（开放式标准化网络开放式标准化网络 第三代）

2、第三代） 网络体系结构与协议标准化的研究网络体系结构与协议标准化的研究 第四阶段：第四阶段：20世纪世纪90年代（年代（网络计算新时代网络计算新时代） 二、计算机网络定义的基本内容二、计算机网络定义的基本内容 资源共享观点资源共享观点的定义：的定义：以能够相互共享资源以能够相互共享资源 的方式互联起来的的方式互联起来的自治计算机系统自治计算机系统的集合。的集合。 网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享； 互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独 立的立的“自治计算机系统自治计算机系统”； 联网计算机在通信过程中

3、必须遵循相同的网络联网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络 协议。协议。 三、计算机网络的组成与结构三、计算机网络的组成与结构 计算机网络要完成计算机网络要完成两大基本功能；两大基本功能； 早期计算机网络主要是广域网，它从早期计算机网络主要是广域网，它从逻辑功能逻辑功能上上分为资源分为资源 子网和通信子网两个部分；子网和通信子网两个部分； 资源子网资源子网负责数据处理的主计算机与终端，负责数据处理的主计算机与终端， 资源包括：资源包括： 通信子网通信子网负责数据通信处理的负责数据通信处理的通信控制处理机通信控制处理机与与通通 信线路信线路 ，如路由器和光纤，如路由器和光纤 四、实际网络系统中常

4、用的三种交四、实际网络系统中常用的三种交 换比较换比较 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 报 文 报 文 报 文 A B C D A B C DA B C D t 连接建立 数据传送 报文 P2 P1 连接释放 数据报数据报是是分组存储转发分组存储转发的一种形式；的一种形式； 不需要预先在源主机与目的主机之间建立不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接线路连接”，报报 文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会 话式通信话式通信； 源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径，源主机所发送的每

5、一个分组都可以独立地选择一条传输路径， 必须必须带有目的地址与源地址带有目的地址与源地址； 每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的 主机，主机，可能出现乱序、重复与丢失现象；可能出现乱序、重复与丢失现象； 虚电路方式虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式试图将数据报方式与线路交换方式 结合起来，充分发挥两种方法的优点结合起来，充分发挥两种方法的优点; ; 数据报方式数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方在分组发送之前，发送方与接收方 之间不需要预先建立连接。虚电路方式在之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组分组 发送之前发

6、送之前，需要在发送方和接收方建立一条，需要在发送方和接收方建立一条逻逻 辑连接辑连接的虚电路的虚电路; ; 虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过 程分为以下三个阶段：程分为以下三个阶段：连接建立、数据传输与连接建立、数据传输与 连接释放阶段连接释放阶段； 报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。 分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱 序的现象。序的现象。 五、时延五、时延(delay 或或 latency) 数据经历的总时延总时延就是发送时延、传播 时延和处理时延

7、之和： 总时延总时延 = 发送时延发送时延 + 传播时延传播时延 + 处理时延处理时延 发送时延发送时延 = 数据块长度（数据块长度（比特比特） 信道带宽（信道带宽（比特比特/秒秒） 传播时延传播时延 = 信道长度（信道长度（米米） 信号在信道上的传播速率（信号在信道上的传播速率（米米/秒秒） 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的 时间。时间。 三种时延所产生的地方三种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1 发送器 队列 在链路上产生 传播时延 结点 B 结点 A 在发送器产生发送时延 (即传输时延) 在队列中产生 处理时延 数据

8、从结点 A 向结点 B 发送数据 链路 往返时延往返时延 RTT (Round-Trip Time) ：表示从发送端发表示从发送端发 送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收 端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。 网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系网络体系 结构结构 体系结构是体系结构是抽象的抽象的，而，而实现实现是指能够运行的一些硬是指能够运行的一些硬 件和软件。件和软件。 网络协议的组成要素网络协议的组成要素 语法语法 数据与控制信息的结构或

9、格式数据与控制信息的结构或格式 。 语义语义 需要发出何种控制信息，完成何种需要发出何种控制信息，完成何种 动作以及做出何种响应。动作以及做出何种响应。 时序时序 事件实现顺序的详细说明。事件实现顺序的详细说明。 六、网络体系结构六、网络体系结构 OSI参考模型的结构参考模型的结构 TCP/IP 参考模型与参考模型与 OSI 参考模型的对应关系参考模型的对应关系 计算机 1 向计算机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机 1 AP2 AP1 计算机 2 应 用 程 序 数 据 应用层首部 H5 10100110100101 比 特 流 110101110101 注意加入

10、或剥去首部（尾部）的层次 应 用 程 序 数 据 H5 应 用 程 序 数 据 H4H5 应 用 程 序 数 据 H3H4H5 应 用 程 序 数 据 H4 运输层首部 H3 网络层首部 H2 链路层 首部 T2 链路层 尾部 数据是信息的载体；数据是信息的载体； 信号是数据的载体，是数据在传输过程中电信信号是数据的载体，是数据在传输过程中电信 号的表示形式；号的表示形式； 模拟信号（模拟信号（analog signal）的信号电平是连续）的信号电平是连续 变化的；变化的； 数字信号（数字信号（digital signal）是用两种不同的电）是用两种不同的电 平去表示平去表示0、1比特序列的电

11、压脉冲信号表示；比特序列的电压脉冲信号表示； 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统 分为模拟通信系统与数字通信系统两种。分为模拟通信系统与数字通信系统两种。 码元与信息量码元与信息量 码元码元是承载信息的基本信号单位。比如用脉冲信号表是承载信息的基本信号单位。比如用脉冲信号表 示数据有效值状态，一个单位脉冲就是一码元。示数据有效值状态，一个单位脉冲就是一码元。 是由脉冲信号所能表示的是由脉冲信号所能表示的 决定的。决定的。 一个单位脉冲信号，当表示二进制代码一个单位脉冲信号，当表示二进制代码0和和1两个状两个状 态有效值时，一码元能携带态有效值时，一

12、码元能携带1bit信息，即一位。信息，即一位。 一个单位脉冲信号，当表示二进制代码一个单位脉冲信号，当表示二进制代码00、01、10、 11四个有效值时，一码元能携带四个有效值时，一码元能携带2bit信息，即两位。信息，即两位。 一个单位脉冲信号，当表示二进制代码一个单位脉冲信号，当表示二进制代码000、001、 010、011、100、101、110、111八个有效值时，一八个有效值时，一 码元能携带码元能携带3bit信息，即三位。信息，即三位。 调制速率（或波特率、码元率）调制速率（或波特率、码元率） 数据以代码形式传输，代码由码元组成。传输时码元可以用波形来表示，用一种数据以代码形式传输

13、，代码由码元组成。传输时码元可以用波形来表示，用一种 波形来表示一个码元或几个码元的组合。波形的持续时间与它所代表的码元组合波形来表示一个码元或几个码元的组合。波形的持续时间与它所代表的码元组合 的时间长度一一对应，波形持续时间越短，单位时间内传输的波形数就越多，或的时间长度一一对应，波形持续时间越短，单位时间内传输的波形数就越多，或 者说传输的数据越多，数据传输速率就越高。者说传输的数据越多，数据传输速率就越高。调制速率就是单位时间传输的电信调制速率就是单位时间传输的电信 号个数（或码元）号个数（或码元）。调制速率的单位是波特调制速率的单位是波特(baud)，计算公式如下：，计算公式如下：

14、B1T（一波特表示每秒传输一码元）（一波特表示每秒传输一码元） 其中其中T为一个电信号（脉冲）波形的持续时间。调制速率不等于数据传输速率。为一个电信号（脉冲）波形的持续时间。调制速率不等于数据传输速率。 调制速率与数据传输速率的关系如下：调制速率与数据传输速率的关系如下： SB(Log2N) 只有当脉冲信号只有两个状态，即只有当脉冲信号只有两个状态，即N=2时，或二相调制时，这时比特率等于波时，或二相调制时，这时比特率等于波 特率。特率。 例如：已知某个信道的信号传输速率为例如：已知某个信道的信号传输速率为128kb/s，一个载波信号码元，一个载波信号码元 有有16个有效离散值，则该信道的波特

15、率为多少？个有效离散值，则该信道的波特率为多少？ 答：答：128kb/s=B(Log216) B=32KBaud 波特波特(Baud)(Baud)和和比特比特(bit)(bit)是两个不同的概念。是两个不同的概念。 波特波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。 码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速 率。 比特是信息量的单位。 香农定理香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时， 数据传输速率数据传输速率Rmax与信道带宽与信道带宽B （以（以 Hz 为单位）为单位），信，信 噪比噪比S/N的关系为的关系

16、为 Rmax = Blog2（1+S/N） S/N为信噪比为信噪比(无量纲）；无量纲）； S 为信道内所传信号的平均功率；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。为信道内部的高斯噪声功率。 S/N(dB)=10lg(S/N) 数字数据编码方法数字数据编码方法 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编 码码 曼彻斯特编码（曼彻斯特编码（Manchester Encoding） 为了自带位同步（或称比特同步）信号而采用为了自带位同步（或称比特同步）信号而采用 的一种编码方法的一种编码方法 在曼彻斯特编码中每个比特持续时间分为两半，在曼彻斯特编码中每个比特持续时间

17、分为两半， 在发送比特在发送比特1时，前一半时间电平为高，而后时，前一半时间电平为高，而后 一半时间电平为低；在发送比特一半时间电平为低；在发送比特0时则正好相时则正好相 反。这样，在每个比特持续时间的中间肯定有反。这样，在每个比特持续时间的中间肯定有 一次电平的跳变，接收方可以通过检测该跳变一次电平的跳变，接收方可以通过检测该跳变 来保持与发送方的比特同步来保持与发送方的比特同步。 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码已被某些局曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码已被某些局 域网的标准采用域网的标准采用 缺点是在每比特的持续时间内将可能出现多达缺点是在每比特的持续时间内将可能出现多达 两次跳变，编码效率

18、只有两次跳变，编码效率只有50%。 波分复用波分复用频分复用频分复用 复用技术复用技术 异步异步同步同步 时分复用时分复用码分复用码分复用 九、九、 数据链路层的主要功能数据链路层的主要功能 链路管理链路管理 帧定界功能帧定界功能 流量控制流量控制 差错控制差错控制 帧的透明传输帧的透明传输 寻址寻址 数据链路层协议数据链路层协议 为实现数据链路控制功能而为实现数据链路控制功能而 制定的规程或协议。制定的规程或协议。 十、反馈重发机制的分类十、反馈重发机制的分类 停止等待方式停止等待方式 (停止等待协议停止等待协议) 是最简单但也是最基本的数据链路层协议是最简单但也是最基本的数据链路层协议 接

19、接收收端端 发发送送端端 ACKNAKACK 1223 1223 拉回方式拉回方式 (Go-back-N(Go-back-N 连续连续ARQARQ协议协议) ) 重传出错帧以后重传出错帧以后 所有已传的帧所有已传的帧 选择重发方式选择重发方式 ( (选择重传选择重传ARQARQ协议协议) ) 只重传出错帧只重传出错帧 发送端发送端 接收端接收端 ACK0 ACK1 NAKACK2 ACK3 (a) ACK0 ACK1 NAKACK2 ACK6 (b) ACK3 ACK4 ACK5 丢弃丢弃 重传重传 重传重传 01234523456 01234523456 01234526789 012345

20、26789 发送端发送端 接收端接收端 丢弃丢弃 停止等待协议停止等待协议, ,：发送窗口大小为，接收窗口大：发送窗口大小为，接收窗口大 小为小为1 1，在发送一帧之前必须等待下一帧的确认，在发送一帧之前必须等待下一帧的确认， 致使适应于短信道，对长信道效率很低。致使适应于短信道，对长信道效率很低。 连续连续ARQARQ协议：发送窗口大小协议：发送窗口大小11，接收窗口大小为，接收窗口大小为 1 1，引入了管道化技术，允许发送方发送，引入了管道化技术，允许发送方发送n n帧之前帧之前 而不需要等待确认，但是，如果某一帧发生错误，而不需要等待确认，但是，如果某一帧发生错误， 必须从发生错误帧处开

21、始重新传输必须从发生错误帧处开始重新传输; ; 选择重传选择重传ARQARQ协议：发送窗口大小协议：发送窗口大小11，接收窗口大，接收窗口大 小小11，引入管道化和否定性确认帧，对发生错误，引入管道化和否定性确认帧，对发生错误 的帧单独重传，并缓存错误帧之后发送的帧与退的帧单独重传，并缓存错误帧之后发送的帧与退 后后n n帧帧arqarq相比，减少了出错帧之后所有帧都要重相比，减少了出错帧之后所有帧都要重 传的开销。传的开销。 HDLC的帧结构的帧结构 F（flag） ：固定格式固定格式 01111110 作用作用 帧同步帧同步 传输数据的透明性（传输数据的透明性（0比特插入与删除）比特插入与

22、删除） 十二、介质访问控制方法十二、介质访问控制方法: 在共享介质的情况下需要在共享介质的情况下需要 带有冲突检测的载波侦听多路访问带有冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA/CD 非确定性随机访问控制方法非确定性随机访问控制方法 令牌环令牌环 token ring 采用令牌的确定性访问控制方法采用令牌的确定性访问控制方法 载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测 CSMA/CD 协议协议 CSMA/CD 表示表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多点接入多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式表示许多计

23、算机以多点接入的方式 连接在一根总线上。连接在一根总线上。 “载波监听载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要是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，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。如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么总线上并没有什么“载波载波”。因此，。因此， “载波监听载波监听” 就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发 送的数据信号。送的数据信号。 碰撞检测碰撞检测 “碰撞检测碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上就是计算机边发送

24、数据边检测信道上 的信号电压大小。的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信 号电压摆动值将会增大（互相叠加）。号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门 限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送 数据，表明产生了碰撞。数据，表明产生了碰撞。 所谓所谓“碰撞碰撞”就是发生了冲突。因此就是发生了冲突。因此“碰撞检测碰撞检测” 也称为也称为“冲突检测冲突检测”。 检测到碰撞后检测到碰撞后 在发生碰撞时，总线上传输的信号

25、产生了在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了 严重的失真，无法从中恢复出有用的信息严重的失真，无法从中恢复出有用的信息 来。来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线每一个正在发送数据的站，一旦发现总线 上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得 继续浪费网络资源，然后等待一段随机时继续浪费网络资源，然后等待一段随机时 间后再次发送间后再次发送。 CSMA/CD的发送流程可以概括为的发送流程可以概括为 先听后发先听后发 、边听边发、冲突停止、边听边发、冲突停止、 延延 迟重发迟重发 每一个站在发送数据之前先要检测一下总每一个站在发送数据之前先要检测一下总 线上是否有

26、其他计算机在发送数据，如果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，以免发生冲突；有，则暂时不要发送数据，以免发生冲突； 如没有，则发送。并且计算机在发送数据如没有，则发送。并且计算机在发送数据 同时检测信道上是否有冲突发生，如果有同时检测信道上是否有冲突发生，如果有 则采用截断二进制指数类型退避算法来等则采用截断二进制指数类型退避算法来等 待一段随机时间后再次发送。待一段随机时间后再次发送。 二进制指数类型退避算法二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟发生碰撞的站在停止发送数据后

27、，要推迟 （退避）一个随机时间才能再发送数据。（退避）一个随机时间才能再发送数据。 确定基本退避时间，一般是取为争用期确定基本退避时间，一般是取为争用期 2 。 定义重传次数定义重传次数 k ，k 10，即，即 k = Min重传次数重传次数, 10 从整数集合从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个中随机地取出一个 数，记为数，记为 r。重传所需的时延就是。重传所需的时延就是 r 倍的基本倍的基本 退避时间。退避时间。 当重传达当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并次仍不能成功时即丢弃该帧，并 向高层报告向高层报告。 冲突及处理方法冲突及处理方法 由于多个发送方同时检测到介质空

28、闲，并由于多个发送方同时检测到介质空闲，并 且发送数据，因而产生冲突且发送数据，因而产生冲突; 冲突发生后，冲突发生后， 发送方各自延迟随机时间，再争用介质，发送方各自延迟随机时间，再争用介质， 随机时间采用二进制指数退避算法进行决随机时间采用二进制指数退避算法进行决 定。定。 当冲突产生后，会产生帧碎片当冲突产生后，会产生帧碎片; 当接受到的当接受到的 数据帧长度小于最小帧长限制时，则认为数据帧长度小于最小帧长限制时，则认为 是帧碎片，进行丢弃。是帧碎片，进行丢弃。 传统以太网的连接方法传统以太网的连接方法 传统以太网可使用的传输媒体有四种：传统以太网可使用的传输媒体有四种： 铜缆（粗缆或细

29、缆）铜缆（粗缆或细缆） 铜线（双绞线）铜线（双绞线） 光缆光缆 这样，以太网就有四种不同的物理层。这样，以太网就有四种不同的物理层。 10BASE5 粗缆 10BASE2 细缆 10BASE-T 双绞线 10BASE-F 光缆 以太网媒体接入控制 MAC 网桥基本特征网桥基本特征： 网桥在数据链路层上实现局域网互连；网桥在数据链路层上实现局域网互连； 网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输 介质与不同传输速率的网络；介质与不同传输速率的网络； 网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连

30、的 网络之间的通信；网络之间的通信； 网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议； 网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量。网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量。 透明网桥（可以即插即用）透明网桥（可以即插即用） 源路选网桥源路选网桥 net-id 24 bit host-id 24 bit net-id 16 bit net-id 8 bit 十五、十五、IP 地址中的网络号字段和主机号字段地址中的网络号字段和主机号字段 0 A 类地址 host-id 16 bit B 类地址 C 类地址01 1 host-id 8 bit D 类地址

31、1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1 0 01 A类类IP地址地址：网络号长度为网络号长度为7位，从理论上可以有位，从理论上可以有27=128个网络；个网络； 网络号为全网络号为全0和全和全1（用十进制表示为（用十进制表示为0与与127）的两个地址）的两个地址保留保留用用 于特殊目的，于特殊目的，实际允许有实际允许有126个个不同的不同的A类网络；类网络； B类类IP地址地址：由于网络由于网络IP长度为长度为14位，因此允许有位，因此允许有214=16384个不个不 同的同的B类网络；类网络； C类类IP地址地址：网络号长度为网络号长度为21位，因

32、此允许有位，因此允许有221=2097152个个 不同的不同的C类网络；类网络； IP 地址与硬件地址 TCP 报文 IP 数据报 MAC 帧 应用层数据首部 首部 尾部首部 链路层及以下 使用硬件地址 硬件地址 网络层及以上 使用 IP 地址 IP 地址 十六、子网的基本概念十六、子网的基本概念 子网子网IP地址是三层结构：地址是三层结构： net ID-subnet ID-host ID 掩码的概念掩码的概念 子网掩码表示方法：网络号与子网号置子网掩码表示方法：网络号与子网号置1，主机号置，主机号置0。 一个一个B类地址划分为类地址划分为64个子网的例子个子网的例子 十七、十七、无无类域间

33、路由类域间路由CIDR技术技术 CIDR用区别于传统标准分类的用区别于传统标准分类的IP地址与划分地址与划分 子网的概念的子网的概念的“网络前缀网络前缀（network - prefix）”，代替，代替“网络号网络号+主机号主机号” 二层地二层地 址结构，形成新的无分类二层地址结构。址结构，形成新的无分类二层地址结构。 CIDR使用网络前缀去代替了标准分类的使用网络前缀去代替了标准分类的IP地地 址的网络号与主机号，也不再使用子网的概念。址的网络号与主机号，也不再使用子网的概念。 CIDR地址采用地址采用“斜线记法斜线记法”，即：，即： ，如，如200.16.23.0/20; CIDR将将组成

34、一组成一 个个“CIDR地址块地址块”。 网络地址转换网络地址转换 NAT 网络地址转换网络地址转换 NAT 方法于方法于1994年提出。年提出。 需要在专用网连接到因特网的路由器上安需要在专用网连接到因特网的路由器上安 装装 NAT 软件。装有软件。装有 NAT 软件的路由器叫软件的路由器叫 做做 NAT路由器，它至少有一个有效的外部路由器，它至少有一个有效的外部 全球地址全球地址 IPG。 网络地址转换网络地址转换NAT技术是通过将一个或多技术是通过将一个或多 个全局个全局IP地址映射为多个内部专用地址映射为多个内部专用IP地址地址 来实现地址重用的。来实现地址重用的。 十八、十八、IP分

35、组交付和路由选择分组交付和路由选择 应用层应用层 运输层运输层 网络层网络层 数据链路层数据链路层 物理层物理层 应用层应用层 运输层运输层 网络层网络层 数据链路层数据链路层 物理层物理层 数据报服务数据报服务 H1 H2 IP 数据报数据报 丢失丢失 H1 发送给发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送的分组可能沿着不同路径传送 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机主机 H1 主机主机 H2 R1 R4 R5 R2 R3 R1 R2 R3 H1 R5 H2 R4 间接交付间接交付 间接交付间接交付 间接交付间接交付 间接交付间接交付 间接交付间接交付 直接交付直接交付 3 2 2

36、1 1 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 分组在互联网中的传送分组在互联网中的传送 讨论路由选择算法涉及的主要参数讨论路由选择算法涉及的主要参数： 跳（步）数（跳（步）数（hop count） 分组从源结点到达目的结分组从源结点到达目的结 点经过的路由器的个数点经过的路由器的个数 带宽（带宽（bandwidth） 链路的传输速率链路的传输速率 延时（延时（delay） 分组从源结点到达目的结点花费的时间分组从源结点到达目的结点花费的时间 负载（负载（load） 通过路由器或线路的单位时间通信量通过路由器或线路的单位时间通信量 可靠性（可靠性（rel

37、iability） 传输过程中的误码率传输过程中的误码率 开销（开销（overhead） 传输过程中的耗费，与所使用的链传输过程中的耗费，与所使用的链 路带宽相关路带宽相关 HA1HA5HA4HA3HA6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 硬件地址 路由器 R2 HA2 IP1IP2 局域网局域网局域网 查找路由表 查找路由表 IP1 HA1 HA5HA4HA3HA6HA2 IP6 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 IP 层上的互联网 MAC 帧 IP2 IP4IP3IP5 路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2 从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6

38、 到 HA2 MAC 帧MAC 帧 IP 数据报 路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择 R1 H1 H2 内部网关协议 IGP （例如，RIP） 自治系统 A 自治系统 B 自治系统 C IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP EGP EGP EGP 内部网关协议 IGP （例如，OSPF） 外部网关协议 EGP （例如，BGP-4） IGP R3 R2 自治系统和 内部网关协议、外部网关协议 内部网关协议内部网关协议 RIP 1. 工作原理工作原理 路由信息协议路由信息协议 RIP 是内部网关协议是内部网关协议 IGP

39、中最先得到广泛使用的协议。中最先得到广泛使用的协议。 RIP 是一种分布式的基于是一种分布式的基于的路的路 由选择协议。由选择协议。 RIP 协议要求网络中的每一个路由器都协议要求网络中的每一个路由器都 要维护从它自己到其他每一个目的网络要维护从它自己到其他每一个目的网络 的距离记录。的距离记录。 从一路由器到从一路由器到直接连接直接连接的网络的距离定的网络的距离定 义为义为 1或者或者0。 从一个路由器到非直接连接的网络的距从一个路由器到非直接连接的网络的距 离定义为所经过的路由器数加离定义为所经过的路由器数加 1。 RIP 协议中的协议中的“距离距离”也称为也称为“跳跳 数数”(hop c

40、ount)，因为每经过一个路，因为每经过一个路 由器，跳数就加由器，跳数就加 1。 “距离”的定义 RIP 协议的三个要点协议的三个要点 仅和仅和相邻路由器相邻路由器交换信息。交换信息。 交换交换的信息是当前本路由器所知道的全的信息是当前本路由器所知道的全 部信息，即部信息，即自己的路由表自己的路由表。 按按固定的时间间隔固定的时间间隔交换路由信息，例如，交换路由信息，例如， 每隔每隔 30 秒。秒。 距离向量算法距离向量算法 收到相邻路由器（其地址为收到相邻路由器（其地址为 X）的一个）的一个 RIP 报文：报文： (1) 先修改此先修改此 RIP 报文中的所有项目：将报文中的所有项目：将“

41、下一跳下一跳”字段中的地字段中的地 址都改为址都改为 X，并将所有的，并将所有的“距离距离”字段的值加字段的值加 1。 (2) 对修改后的对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，重复以下步骤：报文中的每一个项目，重复以下步骤： 若项目中的目的网络不在路由表中，则将该项目加到路由表中。若项目中的目的网络不在路由表中，则将该项目加到路由表中。 否则否则 若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则将收到的项若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则将收到的项 目目替换原路由表中的项目。替换原路由表中的项目。 否则否则 若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新，若收到项目中的距离小于路由表中的距离

42、，则进行更新， 否则，什么也不做。否则，什么也不做。 (3) 若若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则将此相邻分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则将此相邻 路路由器记为不可达的路由器，即将距离置为由器记为不可达的路由器，即将距离置为16（距离为（距离为16表表 示不可达）。示不可达）。 (4) 返回。返回。 例题：假定网络中路由器例题：假定网络中路由器B和路由器和路由器C相邻，都选用相邻，都选用RIP协议作协议作 为路由选择协议。路由器为路由选择协议。路由器B的路由表为图的路由表为图1所示。现在所示。现在B收到从收到从 C发来的路由信息，如图发来的路由信息，如图2所示。请求出路由

43、器所示。请求出路由器B更新后的路由更新后的路由 表。表。 目的目的 网络网络 距离距离下一跳路下一跳路 由器由器 N17A N22C N68F N84E N94F 目的目的 网络网络 距离距离 N24 N38 N64 N83 N95 最短路径优先协议最短路径优先协议OSPF OSPF 协议的基本特点协议的基本特点 “最短路径优先最短路径优先”是因为使用了是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法提出的最短路径算法SPF 是分布式的是分布式的链路状态协议链路状态协议。 OSPF协议的主要特点协议的主要特点 每个路由器维护它自己的本地链路状态信息，并且通过每个路由器维护它自己的本地链路状态

44、信息，并且通过 扩散的办法把更新了的本地链路状态信息广播给自治系扩散的办法把更新了的本地链路状态信息广播给自治系 统中的每个路由器，这样每个路由器都知道自治系统内统中的每个路由器，这样每个路由器都知道自治系统内 部的拓扑结构和链路状态信息。路由器根据这个链路状部的拓扑结构和链路状态信息。路由器根据这个链路状 态库计算出到每个目的地的最短路径；态库计算出到每个目的地的最短路径； 是一种是一种动态动态的路由算法，能够自动而快速的适应拓扑结的路由算法，能够自动而快速的适应拓扑结 构的变化；构的变化； 路由器发送的信息是本路由器与哪些路由器相邻，以及路由器发送的信息是本路由器与哪些路由器相邻，以及 链

45、路状态（距离、时延、带宽等）信息；链路状态（距离、时延、带宽等）信息； 当当链路状态发生变化链路状态发生变化时用时用洪泛法洪泛法向所有路由器发送；向所有路由器发送； 所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库 ； 三个要点 向本自治系统中所有路由器发送信息向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使，这里使 用的方法是洪泛法。用的方法是洪泛法。 发送的信息就是与本路由器发送的信息就是与本路由器相邻相邻的所有路由器的所有路由器 的链路状态，但这只是路由器所知道的的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信部分信 息息。 “链路状态链路状态”就是说明本路由器都和哪

46、些路由器就是说明本路由器都和哪些路由器 相邻，以及该链路的相邻，以及该链路的“度量度量”(metric)。 只有当链路状态只有当链路状态发生变化发生变化时，路由器才用洪泛时，路由器才用洪泛 法向所有路由器发送此信息。法向所有路由器发送此信息。 BGP 是不同自治系统的路由器之间交换路由是不同自治系统的路由器之间交换路由 信息的协议。信息的协议。 BGP 较新版本是较新版本是 2006 年年 1 月发表的月发表的 BGP-4 （BGP 第第 4 个版本），即个版本），即 RFC 4271 4278。 可以将可以将 BGP-4 简写为简写为 BGP。 边界网关协议边界网关协议 BGP 只能是力求寻

47、找一条能够只能是力求寻找一条能够 到达目的网络且到达目的网络且比较好的路由比较好的路由（不能兜圈（不能兜圈 子），而子），而并非要寻找一条最佳路由并非要寻找一条最佳路由。 典型外部网关协议典型外部网关协议BGP 地址解析协议地址解析协议 地址解析地址解析ARP： 从已知的从已知的IP地地 址址找出找出对应物对应物 理地址理地址的映射的映射 过程；过程； 反向地址解析反向地址解析 RARP：从已：从已 知的知的物理地址物理地址 找出对应找出对应IP地地 址址的映射过程。的映射过程。 Internet控制报文协议控制报文协议 ICMP的特点的特点 ICMP本身是网络层本身是网络层 的一个协议；的一

48、个协议； ICMP差错报告采用差错报告采用 路由器路由器-源主机的模源主机的模 式，路由器在发现式，路由器在发现 数据报传输出现错数据报传输出现错 误时只向源主机报误时只向源主机报 告差错原因；告差错原因； 差错处理需要由高差错处理需要由高 层协议去完成。层协议去完成。 客户与并发服务器建立传输连接的过程客户与并发服务器建立传输连接的过程 二十、传输层的基本功能二十、传输层的基本功能 传输层的端传输层的端-端通信端通信 二十一、二十一、 用户报文协议用户报文协议UDP UDP协议的主要特点协议的主要特点 UDP是一种无连接的、不可靠的传输层协议；是一种无连接的、不可靠的传输层协议； 在完成进程

49、到进程的通信中提供了有限的差错在完成进程到进程的通信中提供了有限的差错 检验功能；检验功能； 设计比较简单的设计比较简单的UDP协议的目的是希望以最小协议的目的是希望以最小 的开销来达到网络环境中的进程通信目的；的开销来达到网络环境中的进程通信目的； 进程发送的报文较短，同时对报文的可靠性要进程发送的报文较短，同时对报文的可靠性要 求不高，那么可以使用求不高，那么可以使用UDP协议。协议。 UDP用户数据报传输过程中的封装与拆封用户数据报传输过程中的封装与拆封 UDP报文传输队列报文传输队列 UDP的复用和分用的复用和分用 伪首部源端口目的端口长 度检验和 数 据首 部 UDP长度源 IP 地

50、址目的 IP 地址017 IP 数据报 字节44112 122222字节 发送在前 数 据首 部UDP 用户数据报 在计算检验和时，临时把在计算检验和时，临时把“伪首部伪首部”和和 UDP 用户数据报连接在一起。伪用户数据报连接在一起。伪 首部仅仅是为了计算检验和。首部仅仅是为了计算检验和。 UDP校验和的校验范围包括伪头部校验和的校验范围包括伪头部 、UDP报头和应用层的数据报头和应用层的数据 二十二、二十二、 传输控制协议传输控制协议TCP TCP协议的主要特点协议的主要特点 TCP是一种面向连接的、可靠的传输层协议；是一种面向连接的、可靠的传输层协议； TCP协议建立在不可靠的网络层协议

51、建立在不可靠的网络层IP协议之上，协议之上， IP不能提供任何可靠性机制，不能提供任何可靠性机制，TCP的可靠性完的可靠性完 全由自己实现；全由自己实现； TCP采用的最基本的可靠性技术是：采用的最基本的可靠性技术是： 确认与超时重传确认与超时重传 流量控制流量控制 TCP传输连接建立过程示意图传输连接建立过程示意图 A请求建立到请求建立到B的连接。的连接。 （2）B对连接请求进行确认，并请求建立对连接请求进行确认，并请求建立B到到A的连接。的连接。 （3） A对反向连接进行确认。对反向连接进行确认。 功能：三次握手可以解决被延迟的分组问题，从而可以保证数据交换的安全和功能：三次握手可以解决被

52、延迟的分组问题，从而可以保证数据交换的安全和 可靠。可靠。 TCP在传输连接释放过程中在传输连接释放过程中4次握手过程次握手过程 TCP窗窗 口概念口概念 二十三、二十三、TCP流量与拥塞控制流量与拥塞控制 慢开始和拥塞避免慢开始和拥塞避免 发送端的主机在确定发送报文段的速率时，既要发送端的主机在确定发送报文段的速率时，既要 根据接收端的接收能力，又要从全局考虑不要使根据接收端的接收能力，又要从全局考虑不要使 网络发生拥塞。网络发生拥塞。 因此，每一个因此，每一个 TCP 连接需要有以下两个状态变连接需要有以下两个状态变 量：量： 接收端窗口接收端窗口 rwnd (receiver windo

53、w) 又称为又称为 通知窗口通知窗口(advertised window)。 拥塞窗口拥塞窗口 cwnd (congestion window)。 发送窗口的上限值发送窗口的上限值 发送端的发送窗口的上限值应当取为接收端窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 这两个变量中较小的一个， 即应按以下公式确定： 发送窗口的上限值发送窗口的上限值 Min rwnd, cwnd (7-1) 当当 rwnd cwnd 时，是接收端的接收能力限制发送时，是接收端的接收能力限制发送 窗口的最大值。窗口的最大值。 当当 cwnd rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口时，则是网络的拥塞限制发送窗口 的最大值。的

54、最大值。 慢开始算法的原理慢开始算法的原理 在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口 cwnd 设置为设置为一个最大报文段一个最大报文段 MSS 的数值。的数值。 在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞 窗口增加窗口增加至多一个至多一个 MSS 的数值。的数值。 用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口 cwnd，可以使分组注入到网络的速率更加合，可以使分组注入到网络的速率更加合 理理。 慢开始和拥塞避免算法的实现举例慢开始和拥塞避免算法的实现举例 当 TCP 连接进行初始化时，将

55、拥塞窗口置为 1。图中 的窗口单位不使用字节而使用报文段报文段。 慢开始门限的初始值设置为 16 个报文段， 即 ssthresh = 16。 2468101214161820220 0 4 8 12 16 20 24 传输次数 进入拥塞避免 发生超时 指数规律增长 线性规律增长 ssthresh = 16 慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免 更新后的 ssthresh = 12 进入拥塞避免 慢开始和拥塞避免算法的实现举例慢开始和拥塞避免算法的实现举例 发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口 cwnd 和接收端 窗口 rwnd 中的最小值。我们假定接收端窗口足够大， 因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。 2468101214161820220 0 4 8 12 16 20 24 传输次数 进入拥塞避免 发生超时 指数规律增长 线性规律增长 ssthresh = 16 慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免 进入拥塞避免 慢开始和拥塞避免算法的实现举例慢开始和拥塞避免算法的实现举例 在执行慢开始算法时，拥塞窗口在执行慢开始算法时，拥塞窗口 cwnd 的初始值为的初始值为 1， 发送第一个报文段发送第一个报文段 M0。 2468101214161820220 0 4 8 12 16 20 24 传输次数 进入拥塞避免 发