计算机网络复习课件

计算机网络

复习主讲：方睿第

1

章计算机网络基础因特网的组成计算机网络的分类计算机网络的性能指标计算机网络的体系结构TCP/IP的体系结构7/26/20232网络工程系：方睿因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器1、因特网的组成7/26/20233网络工程系：方睿边缘部分——客户服务器方式客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。7/26/20234网络工程系：方睿边缘部分——对等连接方式对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。7/26/20235网络工程系：方睿因特网的核心部分网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packetswitching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。7/26/20236网络工程系：方睿三种交换的比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD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7/26/20237网络工程系：方睿电路交换、报文交换和分组交换比较连接策略优点缺点电路交换快速。适用于不允许传输延迟的情况由于网络线路是专用的，所以其他路由不能使用。和电话通话一样，通信双方必须同时参与报文交换路由是非专用的，完成一个报文传输后，可以立刻被重新使用。接收方无须立即接受报文通常报文需要用更长的时间，才能到达目的地。由于中间节点必须存储报文，所以报文过长，也会产生问题。报文尾部仍沿用原先设定的路由，而不管网络状况是否已经改变分组交换当发生阻塞时，分组交换网络的数据报方式会为报文的不同分组选择不同的路由，因此能更好地利用网络由于每个分组被单独传送，费用将相应增加。必须为每个分组选择路由。在数据报方式中，分组可能不按次序到达7/26/20238网络工程系：方睿2计算机网络的分类1.3.1计算机网络的不同定义最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。因特网(Internet)是“网络的网络”。计算机网络（Network）是将处在不同地理位置且相互独立的计算机或设备，通过通信介质和网络设备按照特定的网络协议相互连接起来，利用网络操作系统进行管理和控制。从而实现信息传输和资源共享的一种信息系统。7/26/20239网络工程系：方睿3计算机网络的性能指标速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit来源于binarydigit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。速率即数据率(datarate)或比特率(bitrate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等速率往往是指额定速率或标称速率。7/26/202310网络工程系：方睿带宽“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。7/26/202311网络工程系：方睿吞吐量吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。7/26/202312网络工程系：方睿时延四种时延所产生的地方1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点A中产生处理时延和排队时延数据从结点A向结点B发送数据链路7/26/202313网络工程系：方睿时延带宽积（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延带宽链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。时延带宽积7/26/202314网络工程系：方睿利用率信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。7/26/202315网络工程系：方睿4计算机网络的体系结构相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。7/26/202316网络工程系：方睿具有五层协议的体系结构TCP/IP是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合

OSI和

TCP/IP

的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。7/26/202317网络工程系：方睿五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层7/26/202318网络工程系：方睿实体、协议、服务和服务访问点协议(n+1)SAPSAP交换原语交换原语实体(n+1)服务提供者第n层第n+1层实体(n+1)服务用户实体(n)实体(n)协议(n)7/26/202319网络工程系：方睿5TCP/IP的体系结构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层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。7/26/202320网络工程系：方睿沙漏计时器形状的TCP/IP协议族

HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口

1网络接口

2网络接口

3EverythingoverIPIP可为各式各样的应用程序提供服务IPoverEverythingIP可应用到各式各样的网络上7/26/202321网络工程系：方睿第2章物理层编码信道的极限容量通信介质信道复用技术数字传输系统宽带接入技术7/26/202322网络工程系：方睿曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码

规则：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。

优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。差分曼彻斯特码（DifferentialManchester）

规则：若本码周期前半个码元电平与上一个码周期后半个 码元电平一样,则表示“1”；若两者电平相反，则表示“0”。

特点：每个码周期的1/2处，有电平跳变。便于时钟提取，抗干扰能力强。

1.几种编码方式7/26/202323网络工程系：方睿2信道的极限容量C=Wlog2(1+S/N)b/sW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。7/26/202324网络工程系：方睿3通信介质双绞线屏蔽双绞线STP无屏蔽双绞线UTP光缆7/26/202325网络工程系：方睿4信道复用频分复用时分复用统计时分复用波分复用WDM码分复用CDM7/26/202326网络工程系：方睿时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。7/26/202327网络工程系：方睿统计时分复用

STDM用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用7/26/202328网络工程系：方睿CDMA的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是07/26/202329网络工程系：方睿CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttttm个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积S

Sx规格化内积S

Tx数据码元比特发送端接收端7/26/202330网络工程系：方睿5数字传输系统PCM的过程：采样、量化、编码7/26/202331网络工程系：方睿数字传输系统

PCM转换过程及波形示意图模拟信号采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化信号PCM原理框图0111000110110011003.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100

原始信号

PAM脉冲

PCM脉冲有量化差错

PCM输出波形示意图7/26/202332网络工程系：方睿6宽带接入技术ADSL——离散多音调DMT光纤同轴混合网HFC

FTTx技术…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…~40~138~11007/26/202333网络工程系：方睿第3章数据链路层数据链路层的三个基本问题点对点协议PPP使用广播信道的数据链路层CSMA/CD协议局域网的扩展7/26/202334网络工程系：方睿1三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制7/26/202335网络工程系：方睿2PPP协议的帧格式PPP有一个2个字节的协议字段。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。若为0x8021，则表示这是网络控制数据。

IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部7/26/202336网络工程系：方睿3载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”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，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。7/26/202337网络工程系：方睿MAC帧物理层MAC层IP层目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报以太网V2的MAC帧格式1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节7/26/202338网络工程系：方睿4局域网的扩展共享式局域网交换式局域网虚拟局域网7/26/202339网络工程系：方睿透明网桥工作原理归纳为学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。生成树STPSTPRSTPMSTP7/26/202340网络工程系：方睿虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。虚拟局域网使用的

以太网帧格式802.3MAC帧字节66246~15004MAC帧目地地址源地址长度/类型数据FCS长度/类型=802.1Q标记类型标记控制信息1000000100000000VID2字节2字节插入4字节的VLAN标记4用户优先级CFI7/26/202341网络工程系：方睿第4章网络层网络层提供的两种服务网际协议IP

地址解析协议ARP逆地址解析协议RARPIP数据报的格式IP层转发分组的流程划分子网和构造超网网际控制报文协议ICMP因特网的路由选择协议

内部网关协议RIP 内部网关协议OSPF 外部网关协议BGPIP多播虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT7/26/202342网络工程系：方睿虚电路服务与数据报服务的对比对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保证连接的建立必须有不需要终点地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号每个分组都有终点的完整地址分组的转发属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发每个分组独立选择路由进行转发当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化分组的顺序总是按发送顺序到达终点到达终点时不一定按发送顺序端到端的差错处理和流量控制可以由网络负责，也可以由用户主机负责由用户主机负责7/26/202343网络工程系：方睿网际层的IP协议及配套协议各种应用层协议网络接口层(HTTP,FTP,SMTP等)物理硬件运输层TCP,UDP应用层ICMPIPRARPARP与各种网络接口网络层（网际层）IGMP7/26/202344网络工程系：方睿地址解析协议ARP和

逆地址解析协议RARPIP地址物理地址ARP物理地址IP地址RARP7/26/202345网络工程系：方睿HA1HA5HA4HA3HA6主机H1主机H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1到HA3从HA4到HA5从HA6到HA2MAC帧MAC帧IP数据报从协议栈的层次上看数据的流动7/26/202346网络工程系：方睿固定部分可变部分04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分数据部分首部IP数据报首部发送在前7/26/202347网络工程系：方睿子网和超网路由聚合也称为构成超网(supernetting)。CIDR虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（但不叫子网掩码）。使用CIDR时，路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由：最长前缀匹配(longest-prefixmatching)。网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(morespecific)

。最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。7/26/202348网络工程系：方睿ICMP报文的格式首部ICMP报文0数据部分检验和类型代码（这4个字节取决于ICMP报文的类型）81631IP数据报前4个字节都是一样的ICMP的数据部分（长度取决于类型）7/26/202349网络工程系：方睿4字节RIP报文3.RIP2协议的报文格式路由信息（20字节/路由）可重复出现最多25个IP数据报路由标记网络地址地址族标识符距离(1-16)IP首部UDP首部首部路由部分必为0版本命令4字节子网掩码下一跳路由器地址UDP用户数据报7/26/202350网络工程系：方睿IP数据报OSPF分组IP数据报首部OSPF分组OSPF分组首部类型1至类型5的OSPF分组24字节081631版本路由器标识符类型分组长度检验和鉴别位鉴别区域标识符鉴别类型7/26/202351网络工程系：方睿BGP报文具有通用的首部BGP报文通用首部字节1621BGP报文主体部分类型长度标记TCP首部IP首部BGP报文TCP报文7/26/202352网络工程系：方睿“转发”和“路由选择”的区别“转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去。“路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别，7/26/202353网络工程系：方睿多播1个1个多播多播多播可明显地减少

网络中资源的消耗多播组成员共有90个R1R3R4R2视频服务器M………1个1个1个1个1个发送1次多播复制7/26/202354网络工程系：方睿X用隧道技术实现虚拟专用网部门A因特网部门BR1R2隧道Y使用隧道技术加密的从

X

到

Y

的内部数据报外部数据报的数据部分源地址：目的地址：数据报首部部门A部门BXYR1R2虚拟专用网VPN7/26/202355网络工程系：方睿第5章运输层用户数据报协议UDP传输控制协议TCP7/26/202356网络工程系：方睿1UDP的首部格式伪首部源端口目的端口长度检验和数据首部UDP长度源IP地址目的IP地址017IP数据报字节44112122222字节发送在前数据首部UDP用户数据报7/26/202357网络工程系：方睿TCP首部20字节的固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FIN32位SYNRSTPSHACKURG位08162431填充TCP数据部分TCP首部TCP报文段IP数据部分IP首部发送在前TCP报文段的首部格式7/26/202358网络工程系：方睿拥塞控制与流量控制的关系拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。7/26/202359网络工程系：方睿2216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。慢开始门限的初始值设置为16个报文段，即ssthresh=16。“乘法减小”24681012141618200048122024拥塞窗口cwnd新的ssthresh值网络拥塞指数规律增长ssthresh的初始值慢开始慢开始慢开始拥塞避免“加法增大”拥塞避免“加法增大”传输轮次7/26/202360网络工程系：方睿SYN-SENTESTAB-LISHEDSYN-RCVDLISTENESTAB-LISHED

用三次握手建立TCP连接的各状态

SYN=1,seq=xACK=1,seq=x+1,ack=y1CLOSEDCLOSED数据传送主动打开被动打开AB客户服务器TCP的连接建立SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x17/26/202361网络工程系：方睿CLOSEDACK=1,seq=u+1,ack=w1FIN=1,seq=uACK=1,seq=v,ack=u1FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u1FIN-WAIT-1CLOSE-WAITFIN-WAIT-2LAST-ACK等待2MSLTIME-WAIT主动关闭被动关闭数据传送通知应用进程ESTAB-LISHEDESTAB-LISHEDAB客户服务器数据传送CLOSED5.9.2TCP

的连接释放TCP连接必须经过时间2MSL后才真正释放掉。7/26/202362网络工程系：方睿第6章应用层域名系统DNS文件传送协议FTP万维网WWW电子邮件动态主机配置协议DHCP7/26/202363网络工程系：方睿本地域名服务器采用迭代查询顶级域名服务器dns权限域名服务dns.abc本地域名服务器dns.xyz根域名服务器迭代查询y.abc

的

IP

地址m.xyz递归查询需要查找y.abc的IP地址7/26/202364网络工程系：方睿FTP使用的两个TCP连接控制进程FTP客户端FTP服务器端因特网TCP控制连接TCP数据连接用户界面控制进程数据传送进程数据传送进程7/26/202365网络工程系：方睿万维网提供分布式服务万