计算机网络工程RBear|电子商务网络客户服务系统_在线营销

第一章计算机网络概述1.计算机网络基本概念(填空选择题)1>计算机网络定义*1.定义:1)计算机网络是互连的、自治的计算机的集合;互连:是指利用通信链路链接相互独立的计算机系统;自治:是指互连的计算机系统彼此独立,不存在主从或控制与被控制的关系;

2)一个计算机网络是由资源子网和通信子网构成的,资源子网负责信息的处理,通信子网负责全网中的信息传递;

*2.起源:从技术范畴来看,计算机网络是计算机技术与通信技术相融合的产物;

*3.互联网与因特网(了解)#1.互连网(internet):泛指由多个计算机网络互连而成的网络;#2.因特网(Internet):指当前全球最大的、应用最广泛的计算机网络;

*4.因特网服务提供商(InternetServiceProvider,ISP)

2>网络协议的定义(填空题)*1.网络协议:网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或约定(例如:HTTP,FTP等);*2.协议的三要素(填空题)#1.语法:定义实体之间交换信息的格式与结构;#2.语义:定义实体之间交换信息中的控制信息;#3.时序(同步):定义实体之间交换信息的顺序及如何匹配或适应彼此的速度;

3>计算机网络功能(选择)(软硬件信息资源共享)*0.是指在不同主机之间实现快速的信息交换,通过信息交换,计算机网络可实现资源共享这一核心功能;*1.硬件资源共享:计算资源(CPU)、存储资源、打印机与扫描仪I/O等共享;例如云存储,云计算;*2.软件资源共享:SaaS(SoftwareasaService,软件即服务)例如:大型办公软件、大型数据库系统等;*3.信息资源共享:信息检索,新闻浏览等,典型为计算机网络所支持的信息交换;

4>计算机网络的分类*1.按覆盖范围分类(选择题)#1.个域网(PAN,PersonalAreaNetwork):随身穿戴或便携设备,通过无线技术构成的小范围网络;1~10m#2.局域网(LAN,LocalAreaNetwork):通常部署在办公室,办公楼,厂区,校区等;10m~1Km#3.城域网(MAN,MetropolitanAreaNetwork):覆盖一个城市范围的网络;5~50Km#4.广域网(WAN,WideAreaNetwork):覆盖范围在几十到几千千米,可实现异地城域网的互连;

*2.按拓扑结构分类(选择题)1)按拓扑结构的形状分类#0.拓扑(topology)是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科;它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小;(星型,总线,环形,网状,树形,混合)

#1.星形拓扑结构(个域网(PAN)或局域网(LAN))包括一个中央结点,网络中的主机通过点对点通信链路与中央结点连接;●优点:易于监控管理,故障诊断,隔离;●-●-●缺点:中央结点一旦故障,全网瘫痪;●●受限制与中央结点的端口数量;

#2.总线型拓扑结构(早期局域网(LAN))网络采用一条广播信道作为公共传输介质,所有结点均与总线连接,结点间的通信均通过共享的总线进行;●●●优点:结构简单,电缆数量少,易于扩展.┴-┬-┴-┬-┴缺点:通信范围受限,故障诊断与隔离困难,容易产生冲突;●●

#4.网状拓扑结构(广域网(WAN)和核心网络)●--●网络中的结点通过多条链路与不同的结点直接相连接;/\/\优点:网络可靠性高,一条或多条链路故障时,网络仍然可以联通;●--╳--●缺点:网络结构复杂,成本高;\/\/●--●#5.树形拓扑结构(目前局域网LAN)●可以看作是总线型拓扑或星型拓扑结构网络的扩展;/\优点:易于扩展,故障易隔离;●●缺点:根结点要求高;/\/\●●●●●●●╲│╱#6.混合型拓扑结构(绝大多数实际网络)●○●由两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络;╲╱╲╱优点:易于扩散,可以构建不同规模的网络,根据需要优选网络结构;●──○────○──●缺点:结构复杂,管理与维护复杂;╱╲●●

2)按拓扑结构传输模式分类#1.点对点模式:星形拓扑结构、网状形拓扑结构、树形拓扑结构;#2.点与总线相连模式:总线形拓扑结构;

3)按采用信道的拓扑结构分类#1.采用广播信道的拓扑结构总线型拓扑结构;树形拓扑结构;环形拓扑结构;无限通信与卫星通信型;

#2.直接链路连接:网状形拓扑结构;

*3.按交换方式分类#1.电路交换网络;#2.报文交换网络;#3.分组交换网络;

*4.按网络用户属性#1.公用网:是指由国家或企业出资建立,面向公众提供收费或免费服务的网络(电信网络);#2.私有网:某个组织(政府或企业)出资建设,专门面向该组织内部提供网络传输服务,不向公众开放;(银行,军事,铁路)

2.计算机网络结构*大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘,接入网络与网络核心三部分;

1>网络边缘(上网使用的设备)连接到网络上的计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等称为主机或端系统,连接到网上的所有端系统构成了网络边缘;

2>接入网络(上网的途径)*0.是指实现网络边缘的端系统与网络核心连接与连入的网络;

*3.混合光纤共轴电缆HFC接入网络:#1.利用有线电视网络接入;#2.基于频分多路复用技术;#3.非对称(上行小,下行大);#4.共享式接入;

*4.局域网:典型的局域网技术是以太网,WIFI等;

*5.移动接入网络:利用移动通信网络,如3G/4G/5G网络,实现智能手机,移动终端等设备的网络接入;

3>网络核心(网络实现数据转发方式)是由通信链路互连的分组交换设备(路由器和交换机)构成的网络,作用:通过数据交换来实现网络边缘中主机之间的中继与转发;

3.数据交换技术0>数据交换的概念*1.交换设备:具有多通信端口,可同时连接多个通信结点;(交换设备互连构成网络核心)*2.数据交换:是实现在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础;*3.常见的数据交换技术包括:电路交换,报文交换,分组交换;

2>报文交换(消息交换)*1.报文:发送方把要发送的信息(数据)附加上接收主机的地址和控制信息(首部);*2.报文交换:发送方组装好报文,发给相邻报文交换机示意图如下:

源-----交换设备-----交换设备-----目的报文存储转发\/首部|数据交换设备

3>分组交换*1.分组交换(包交换):是目前计算机网络广泛采用的交换技术;

*2.分组交换需将待传输的数据(即报文)分割成较小的独立的数据块,(首部/数据)每个数据块附加地址、序号等控制信息构成数据分组,每个分组独立传输到目的地,到目的地将收到的分组重新组装,还原为报文,采用存储-转发交换方式;

*3.示意图:源----交换设备-----交换设备-----目的分组存储转发\/▌▌▌▌▌▌▌交换设备

*4.优点:#1.交换设备存储容量要求低;报文交换设备:分组交换设备:#2.交换速度快;1400MB1400MB#3.可靠传输效率高;(丢包少)首部|数据首部|数据首部|数据#4.更加公平;(效率高)报文1:1500MB(丢弃)分组1:100MB分组2:100MB

*5.缺点:有效传输效率降低(每组都附加地址)

*7.ARPAnet是第一个分组交换的计算机网络，也是当今因特网的祖先。(*****)

*8.因特网的标准都有一个(RequestForComments,RFC)编号,如著名的IP协议和TCP协议最早分别为RFC791和RFC793;

*2.速率单位转换:1Kbit/s=1000bit/s=103bit/s1Byte(字节)=8bit(位);1Mbit/s=1000000bit/s=10^6bit/s1bit=0/11Gbit/s=10^9bit/s速率的基本单位:bit/s(位每秒)1Tbit/s=10^12bit/s

*3.带宽在通信和信号处理领域,指的是信号的频带宽度(最高和最低频率之差),单位Hz(赫兹);在计算机网络中,指的是:一条链路或信道的最高数据速率,单位:bit/s(位每秒)

图1:一个简单的分组交换网络

-----------交换设备1--------------------交换设备2----------ABc\d:传播时延:dp/\/\/↘结点处理时延dc排队时延dq传输时延(发送时延)dt

图2:传输过程中产生的4类时延

4)传播时延,记为dp,/***D:物理链路长度,单位:m*V:信号传播速度,单位:m/s*传播时延=物理链路长度/信号传播速度*光速=3×10^8m/s*/dp=D/V;m/m/s=ms/m=s;

3>时延带宽积时延带宽积:是物理链路的传播时延与链路带宽的乘积,记为G;公式:G=传播时延×链路带宽=dpR=sbit/s=bit;//时延带宽积的单位:bit时延带宽积物理意义:一段链路可以容纳的数据位数,也称为以位为单位的链路长度;示例:设信号传播速度V=2500km/s,链路长度D=500m,链路带宽R=10Mbit/s,求该段链路的时延带宽积;V=2500000m/sD=500m,R(带宽)=10000000bit/sG=D/VR=(500/2500000)10000000=2000bitG=D/VR=(5×10^2)/(25×10^5)=1/(5×10^3)×10^7=2×10^3bit

例题2:设主机A和主机B由一条带宽为R=10^8bit/s、长度为D=100m的链路互连，信号传播速率为V=250000km/s。如果主机A从t=0时刻开始向主机B发送长度为L=1024bit的分组。1)求主机A和主机B间的链路传输时延dt;dt=L/R=1024/10^8=1.024×10^-5s;

2)求主机A发送该分组的传播时延dp;dp=D/V=100/250000000=4×10^-7s;

3)求该分组从主机A到主机B的延迟T。(忽略结点处理时延和排队时延)T=dt+dp=1.024×10-5s+4×10-7s=1.064×10-5s;

4)求主机A与主机B间链路的时延带宽积GG=dp×R=4×10^-7×0^8=40bit;

4>丢包率(选择,填空)作用:丢包率常被用于评价和衡量网络性能,在很大程度上反映网络拥塞程度;/***N1:丢失分组总数*Ns:发送分组总数*Nr:接收分组总数*/η=N1/Ns=Ns-Nr/Ns

例题:设主机A和主机B由一条宽带为R=10^8bit/s,长度为D=100m的链路互连,信号传播率为V=250000Km/s如果主机A从t=0时开始向主机B发送长度为L=1024bit的分组,试求:1>主机A和主机B间的链路传输延时dt;dt=L/R=1024/10^8=1.204×10^-5s2>主机A发送该分组的传播延迟dp;dp=D/V=100/(25×10^7)=4×10^-7s3>该分组从主机A到主机B的延时T;1.204×10^-5+4×10^-7=(1.024+0.04)×10^-5=1.064×10^-54>t=dt时,分组的第一位在何处;分组的第一位已经到达主机B,因为dt>dp0.124>0.04;5>主机A与主机B间链路时延带宽积G;G=dp×R=4×10^-7×10^8=40bit;

20Mbps▊→20Mbps▊→A----------┐40Mbps┌----------C¤-------------¤B----------┘└----------D20Mbps▊→20Mbps▊→

5.计算机网络体系结构1>计算机网络体系结构定义计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合就称为计算机网络体系结构;

*2.服务访问点(ServiceAccessPoint,SAP)相邻层的服务是通过其接口上的服务访问点进行的,每个SAP都有一个唯一的地址号码,N层SAP就是(N+1)层可以访问N层的地方;

*3.服务原语OSI参考模型中的每一层的真正功能是为其上一层服务的,第N层向(N+1)层N-PDU可表示为N-PC加上N-SDU,提供服务都通过一组原语描述的,包括四类:1)请求(Request):用户实体请求服务做某种工作;2)指示(Indication):用户实体被告知某件事发生;3)响应(Response):用户实体表示对某件事的响应;4)证实(Confirm):用户实体收到关于它的请求的答复;

4>TCP/IP参考模型应用层(报文):网络应用www服务:HTTP文件传输:FTP电子邮件:SMTP和POP3传输层(段):面向连接:提供可靠数据流传输的传输控制协议:TCP无连接:不提供可靠数据传输的用户数据协议:UDP网络互联层(数据报):TCP/IP参考模型核心,IP协议,ICMP(互联网控制报文协议);网络接口层(帧):提供给网络互联层一个访问接口

*Internet组织在长期运行因特网的实践中,提出了一个基于TCP/IP协议簇的网络管理标准协议SNMP,并得到众多支持,使之成为事实上的网络管理工业标准;

5>五层参考模型描述计算机网络中最常用、最接近实际网络的参考模型;应用层(报文)->传输层(段)->网络层(数据报)->链路层(帧)->物理层(比特流)

第二章应用层1.计算机网络应用体系结构(3种)1>客户/服务器(C/S)结构网络应用;(Client/Server)*1.C/S结构网络应用是最典型、最基本的网络应用(例如:www应用;文件传输;电子邮件;)*2.特点:#1.网络通信双方分为客户程序和服务器程序,客户与客户之间不进行直接通信;#2.服务器程序需先运行起来,做好接受通信的准备;#3.客户程序后运行,主动与服务器进行通信;

2>纯P2P结构网络应用;P2P(PeertoPeer(对等端))通信双方没有传统意义上的客户端服务器之分,地位对等,通信双方都具备客户端与服务器的特征;P2P与传统因特网C/S两者在传输层及以下各层的协议结构是相同的,差别在应用层;P2P网络是一种在IP网络上构建的覆盖网;

3>混合结构网络应用(选择);混合结构网络应用将C/S应用和P2P应用相结合;

2>网络应用编程接口典型的网络应用编程接口是套接字(Socket),对于一个传输层协议,需要为其接口的每个套接字分配特定的编号,标识该套接字,该编号称为端口号;

3.域名系统(DNS,DomainNamingSystem)1>域名系统*1.作用(选择题):将域名映射为IP地址,实现映射的过程,称为域名解析;域名解析域名:www.baidu.com<----------->IP地址:115.239.211.122;

*2.域名解析的原理(选择题)为了实现域名解析,域名系统会建立分布式数据库,存储域名与IP地址的映射关系数据;

2>层次化域名空间*1.域名的命名方式:层次树状结构命名方式,每个域名有不同级别的域名构成,各层域名间用点分割;四级域名.三级域名.二级域名.顶级域名.根例如www.baidu.com(顶二三)域名不区分大小写;(三级域名.二级域名.顶级域名)

我国二级域名划分为类别域名和行政区域名两大类;

*2.顶级域名的分类#1.国家顶级域名:cn,us,uk等;#2.通用顶级域名:com(公司),org(非盈利组织),gov(政府),edu(教育),net(网络组织),mil(军事组织),int(国际组织)等#3.基础结构域名:只有一个,arpa(反向域名解析);

3>域名服务器*0.区:一个服务器所负责管辖的范围;DNS服务器:管辖范围不以"域"为单位,而以"区"为单位;*1.作用:存储着自己所管辖范围内主机的域名到IP地址的映射*2.分类:根据其主要保存的域名信息以及在域名解析过程的作用分为:#1.根域名服务器:根域名服务器是最重要的服务器(a-m),全球有13个,保存所有顶级域名服务器的域名和IP;#2.顶级域名服务器:负责管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名;.com结尾的IP#3.权威域名服务器:保存该区中的所有主机的域名和IP地址的映射;#4.中间域名服务器:不是以上三种的域名服务器;#5.本地域名服务器:主机在网络地址配置是都会配置的,用于保存被查询域名信息;是主机进行域名查询时首先被查询的域名服务器。本地域名服务器->根域名服务器->顶级域名服务器->中间域名服务器->权威域名服务器;

4>域名解析过程(简答题)递归解析:主机进行域名查询时,本地域名服务器没有被查询域名信息,则本地域名服务器代理主机查询根域名服务器,根域名服务器代理本地域名服务器查询下一个域名服务,依次类推,直到得到被查询域名的IP地址,最后将解析结果发送给主机;本地->根->顶级->权威↑---根<-顶级←--┛迭代解析:主机进行域名查询时,本地域名服务器没有查询域名信息,则先求助根域名服务器,根域名服务器只是将下一步要查询的服务器告知查询主机的本地域名服务器,本地域名服务器继续查询下一个域名服务器,直到查询到被查询的域名的IP地址;本地->根本地->顶级本地->权威

4.万维网应用1>万维网应用结构*1.万维网应用主要包括浏览器、web服务器、HTTP协议;#1.浏览器:Web应用的客户代理;#2.web服务器:存储管理供用户请求浏览的Web页面(Web文档)#3.超文本传输协议(HTTP):客户和服务器间交换基于应用层的协议HTTP;

URL的寻址方式确保万维网上的每个Web页面或对象都有一个唯一的标识符;

*3.用户通常利用客户端软件来使用某个网络应用,例如,浏览器,邮件收发软件等这个软件被称为用户代理(useragent);

2>HTTP(HyperTextTransferProtocol,HTTP)(综合题)*1.HTTP(超文本传输协议)概述Web应用的应用层协议,定义浏览器如何向Web服务器发送请求,以及Web服务器如何向浏览器进行响应,目前主要使用HTTP/1.0和HTTP1.1,以HTTP/1.1为主流;

2)使用TCP策略不同分为:#1.非持久连接的HTTP;指客户与服务器建立TCP连接后,通过该连接发送HTTP请求报文,接收HTTP响应报文,然后断开连接;

#2.持久连接的HTTP;$1.非流水(管道)方式的持久连接:客户端收通过持久连接到响应报文后,不断开TCP连接,继续请求接下来的文档;

$2.流水(管道)方式持久连接(HTTP1.1):客户端在通过持久连接收到前一个响应报文后,不断开连接,继续并行请求所需文档;

①HTTP/1.0默认是非持久连接;②HTTP/1.1默认使用流水方式持久连接,HTTP/1.1持久连接默认是激活的;半双工③HTTP/1.1代理服务器不应该与HTTP/1.0客户端建立持久连接;

*2.请求方法:+------+----------------------------------------+|GET|请求读取由URL所标识的信息,是最常见的方法;|+------+----------------------------------------+|HEAD|请求读取由URL所标识的信息的首部;|+------+----------------------------------------+|POST|给服务器添加信息;|+------+----------------------------------------+|OPTION|请求一些选项的信息;|+------+----------------------------------------+|PUT|在指明的URL下存储一个文档;|+------+----------------------------------------+

*3.状态码:2位十进制数,利用第一位十进制数字区分5类状态码;+---------+---------+-------------+---------------------------------+|状态码类别|取值范围|作用|说明|+---------+---------+-------------+---------------------------------+|1××|100~199|信息提示|通告请求已接收,可能还需要进一步交互|+---------+---------+-------------+---------------------------------+|2××|200~299|成功|成功完成客户请求操作,并进行响应|+---------+---------+-------------+---------------------------------+|3××|300~399|重定向|表示资源已移走,需要向新URL发送请求|+---------+---------+-------------+---------------------------------+|4××|400~499|客户端错误|由于客户端错误无法成功响应|+---------+---------+-------------+---------------------------------+|5××|500~599|服务器错误|由于服务器错误,无法成功响应|+---------+---------+-------------+---------------------------------+

3>cookie(选择,填空)*1.HTTP服务器不保存客户的任何信息,被称为无状态协议;*2.为了记录保存客户信息,引入Cookie机制,用于用户跟踪;*3.Cookie(小型文本文件):网站为了辨别用户身份,进行会话跟踪而存在用户本地终端上的数据;

*4.Cookie技术包括4部分内容(简答)1)HTTP响应报文中的Cookie头行:Set-Cookie用户的CookieID,用户偏好等;2)用户浏览器在本地存储、维护、和管理的Cookie文件;3)HTTP请求报文中的Cookie头行:用户已访问过的网站再次访问是,浏览器会检索本地Cookie文件;4)网站在后台数据中存储、维护Cookie信息:分配用户ID、每个ID用户在本网站的访问特征等;

*2.用户代理(电子邮件应用的客户端软件)Outlook,AppleMail,FoxMail等支持用户撰写、显示、处理和收发邮件,为用户阅读,回复,转发,保存和撰写邮件提供编辑与操作环境;

*3.简单邮件传输协议(SMTP)是核心应用层协议,实现邮件服务器之间或用户代理到邮件服务器间的邮件传输;

*4.邮件读取协议(POP3,IMAP,HTTP)第三版邮局协议PostOfficeProtocol-Version3POP3互联网邮件访问协议InternetMessageAccessProtocolIMAPWeb邮件系统的邮件读取协议HyperTextTransferProtocolHTTP

2>SMTP简单邮件传输协议(SimpleMailTransferProtocol)*1.通过3个阶段的应用层交互完成邮件传输:1)握手阶段2)邮件传输阶段3)关闭阶段

*2.定义了14条命令,每条命令用4个字母组成;例如:HELO:标识发件人身份;DATA:通知服务器准备开始发送邮件内容,QUIT:命令退出;

*3.SMTP定义了21种应答信息,一般只一行,由3位数字的代码开始,后面附上(可无)简单的文字说明;例如:220mail.abc.comSMTP服务器端口号25;

*4.SMTP的特点1)SMTP只能传送7位ASCII码文本内容,(包括SMTP命令,应答消息,以及邮件内容);2)SMTP传送的邮件内容中不能包含"CRLF.CRLF",(因为该信息用于标识邮件内容的结束);3)SMTP是"推动"协议(HTTP是"拉动"协议);4)SMTP使用TCP连接是持久的;

3>电子邮件格式与MIME*1.一封邮件的格式结构首部空白行主体

*2.邮件中常见的首部行内容:To后面收件人的电子邮件地址(必填)Subject邮件的主题╮Cc表示应给发送一个邮件副本|From表示发信人的电子邮件地址>可选Date发信日期|Reply-To对方回信所用的地址╯

*3.MIME互联网邮件扩展（MultipurposeInternetMailExtensions）0)用于传输非7位ASCII码文本内容时;1)有5个MIME邮件首部字段;MIME-Version(MIME版本),Content-Description(邮件概述),Content-Id(邮件唯一标识)Content-Transfer-Encoding(编码方式)Content-Type(主体内容类型和格式)2)定义了多种邮件内容的格式,对多媒体电子邮件的表示方法进行了标准化;3)定义了邮件传送编码,可对任何内容格式进行转换,从而适用于通过SMTP进行传送;

userxxxx:用于向服务器传送用户名passxxxx:用于向服务器发送用户密码list:用于请求所有的邮件序号和邮件长度retr邮件号:用于请求服务器传送第几封邮件dele邮件号:用于将邮件标记为删除quit:结束会话，并更新操作

*2.IMAP互联网邮件访问协议(InternetMessageAccessProtocol)IMAP服务器将每个邮件与一个文件夹进行关联，通过IMAP收件人可以对邮件进行移动、查询、阅读、删除等操作。IMAP允许用户代理只读邮件的部分内容;

IMAP与POP3的区别:对邮件的操作是否会反映在服务器上IMAP(会)POP3(不会)

*3.HTTP：Web邮件系统的邮件读取协议

6.FTP文件传输协议(FileTransferProtocol,FTP)*1.在互联网的两个主机间实现文件互传的网络应用,其应用层协议称为FTP;

*2.进程两大组成部分:#1.主进程:负责接受新的客户请求;#2.从属进程:负责处理单个客户请求,与具体客户进行交互;应用结构FTP<───控制连接(持久,端口号21)───>FTP客户端<---数据连接(临时,端口号20)--->服务器文件系统文件系统

*3.FTP控制信息的传送方式为带外控制;#0.由于FTP专门使用一个独立的控制连接传输控制信息,与传输文件信息进行分离,故将其传送方式称为"带外控制";#1.控制连接：客户和服务器之间传输控制信息。如用户标识、口令、改变远程目录，上传下载文件命令等。#2.数据连接：实际传送文件内容。*.控制连接服务器端口号为21;数据连接服务器端口号为20;

带内控制协议:命令、数据通过一个TCP连接传输的应用层协议,例如HTTP;带外控制协议:专门使用一个独立的控制连接传输控制信息,与传输文件信息进行分离,例如FTP;

*4.FTP是有状态的协议,FTP的命令是可读的例如:List(文件列表),RETR下载/STOR上传filename,USERusename,PASSpassword,

7.P2P应用*1.P2P:PeertoPeerP2P应用:BitTorrent、PPLive和PPstream等;

*2.P2P应用特点(选择,填空)#1.应用的对等方是用户的计算机;#2.很强的应用规模伸缩性;#3.应用都是动态地在对等方之间进行;#4.应用充分聚集利用了端系统的计算能力以及网络传输带宽;

8.Socket编程基础套接字(Socket):典型的网络应用编程接口端口号(Portnumber):标识套接字;

*1.常见的服务器端口号(选择,填空)20,21FTP文件传输协议端口号控制端口号21，数据端口号20;23Telnet远程终端协议的端口号;25SMTP简单邮件传输协议端口号;53DNS域名服务器端口号;69TFTP简单文件传送协议端口号;80HTTP超文本传输协议端口号;110POP3第三版的邮局协议端口号;161,162SNMP简单网络管理协议的端口号;520RIP路由信息协议的端口号;

*2.SocketAPI函数1)创建套接字:socket();参数:流式套接字:SOCK_STREAM;面向传输层:TCP接口;数据报套接字:SOCK_DGRAM;面向传输层:UDP接口;原始套接字:SOCK_RAW;面向网络层:如IP,ICMP等接口;2)绑定套接字的本机地址和端口号:bind();3)设置监听:listen();4)建立连接:TCP客户端:connect();TCP服务端:accept();5)发送数据:TCP:send();UDP:sendto6)接收数据:TCP:recv();UDP:recvfrom;7)关闭套接字:close();

*3.UDP及TCP的Socket#1.UDPSocket:UDP客户端UDP服务端1)创建套接字socket()1)创建套接字socket()2)发送数据sendto2)绑定地址和端口号bind()3)接收数据recvfrom3)接收数据recvfrom4)关闭套接字close()4)发送数据sendto5)关闭套接字close()

#2.TCPSocket:TCP客户端TCP服务端1)创建套接字socket()1)创建套接字socket()2)建立连接connect()2)绑定地址和端口号bind()3)发送数据send()3)设置监听listen();4)接收数据recv()4)建立连接accept()5)关闭套接字close()5)接收数据recv()6)发送数据send()7)关闭套接字close()WebSocket特点1.服务器可以主动向客户端推送消息,客户端也可以主动向服务器发送信息,是真正的双向平等对话;实现原理:客户端向WebSocket服务器通知(notify)一个带有所有接收者ID(recipientIDs)的事件(event),服务器接收后立即通知所有活跃的(active)客户端,只有ID在接收者ID序列中的客户端才会处理这个事件,WebSocket本身是基于TCP协议的;

2.WebSocket与Http区别HttpWebSocketClientServerClientServer|Request||Handshake|握手|------------>||----------------->||Response||Acknowledgement|确认|<------------||<-----------------||||<---------------->||Request||Bi-directionalmsg|双向通信(双全工模式)|------------>||<---------------->||Response||Connectionend|连接结束|<------------||<---------------->|↓↓↓↓ConnectionlifecycleConnectionlifecycle连接生命周期

*1.WebSocket是一个持久化协议,相对HTTP这种非持久的协议来说,Http的生命周期是通过Request来界定的,也就是一个Request,回应一个Response,Http请求结束(HTTP1.0);

*2.在HTTP1.1中有了改进,增加了一个keep-alive,也就是说,在一个HTTP连接中,可以发送多个Request,接收多个Response,但请记住Request=Response,也就是说,一个Request只能有一个Response,而且这个Response也是被动的,不能主动发起;

Server:接受到请求,成功建立WebSocket-------------------------------------------------------------------------------------------------HTTP/1.1101SwitchingProtocols//状态码101表示已经切换为WebSocket协议,后续的数据交互都按照新的协议来;Upgrade:websocketConnection:UpgradeSec-WebSocket-Protocol:chatSec-WebSocket-Accept:HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=//根据客户端的set-WebSocket-key,先SHA1算出摘要,//toBase64(sha1(Sec-WebSocket-Key+258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11)),再转成base64字符串-------------------------------------------------------------------------------------------------

3.WebSocket的特点*1.建立在TCP协议之上,服务器端实现比较容易;*2.与HTTP协议有着良好的兼容性,默认端口也是80和443,并且握手阶段采用HTTP协议,因此握手时不容易屏蔽,能通过各种HTTP代理服务器;*3.数据格式比较轻量,性能开销小,通信高效;*4.可以发送文本,也可以发送二进制数据;*5.没有同源限制,客户端可以与任意服务器通信;*6.协议标识符是ws(如果加密.则为wss),服务器网址就是URL;

4.数据帧WebSocket客户端,服务端通信的最小单位是帧(frame),由一个或多个帧组成一条完整的消息(message);*1.发送端:将消息切割成多个帧,并发送给服务端;*2.接收端:接收消息帧,并将关联的帧重新组装成完整的消息;

ping、pong的操作,对应的是WebSocket的两个控制帧,opcode分别是0x9,0xA;

6.关闭连接一旦发送或接收到Close控制帧,这就是说，_WebSocket关闭阶段握手已启动，且WebSocket连接处于CLOSING状态。当底层TCP连接已关闭，这就是说WebSocket连接已关闭且WebSocket连接处于CLOSED状态。如果TCP连接在WebSocket关闭阶段已经完成后被关闭，WebSocket连接被说成已经完全地关闭了。

7.关闭连接的原因状态码

8.ajax轮询与longpoll1>ajax轮询原理:让客户端隔个几秒就发送一次请求，询问服务器是否有新信息。

3>实现支持ajax轮询需要服务器有很快的处理速度和资源。（速度）longpoll需要有很高的并发，也就是说同时接待客户的能力。（场地大小）

4>WebSocket使用回调，即：你有信息了再来通知我，而不是我傻乎乎的每次跑来问你

第三章传输层(一)传输层的基本服务1.传输层功能1>传输层的核心任务:应用进程之间提供端到端的逻辑通信服务;只有主机(协议栈)才有传输层;(端口号到端口号)网络核心中的路由器、交换机、集线器等只用到下三层的功能;(网络层,数据链路层,物理层)从传输层的角度看,端到端的通信是应用进程之间的通信;

2>传输层功能*1.对应用层报文进行分段和重组;*2.面向应用层实现复用与分解;*3.实现端到端的流量控制;*4.拥塞控制*5.传输层寻址*6.对报文进行差错检测crc*7.实现进程间的端到端可靠数据传输控制;

助记:吩咐刘墉寻差错-可靠分复流拥寻差错-可靠传输

2.传输层寻址与端口1>一台计算机中,不同应用进程用进程标识符(进程ID,PID)来区分;

2>TCP/IP体系结构网络的解决方法:在传输层使用协议端口号,通常简称为端口(port),在全网范围内利用"IP地址+端口号"唯一标识一个通信端点;应用层和传输层间抽象的协议端口是软件端口;

3>传输层端口号:*0.传输层端口号为16位整数,可编号65536个(2的16次方)*1.服务器端使用的端口号:熟知端口号和登记端口号;例如FTP服务器默认端口号为21;HTTP服务器默认端口号为80

*3.客户端使用的端口号:临时性,在客户进程运行时由操作系统随机选取唯一的未被使用的端口;

端口号小于256的端口为常用端口;0——1023:熟知端口号\服务器端1024——49151:登记端口号/

49152——65535:客户端口号，或短暂端口号(*3)

(二)传输层的复用与分解(用)1.复用与分解1>多路复用:在源主机,传输层协议从不同的套接字收集应用进程发送的数据块,并为每个数据块封装上首部信息(包括用于分解的信息)构成报文段,然后将报文段传递给网络层;

2>多路分解在目的主机,传输层协议读取报文段中的字段,标识出接收套接字,进而通过该套接字,将传输层的报文段中的数据交付给正确的套接字;

3>作用传输层的多路复用与多路分解(分用)可支持众多应用进程共用同一个传输层协议,并能将接收的数据准确交付给不同应用进程,

2.UDP(用户数据报协议UserDatagramProtocol)Internet提供无连接服务的传输层协议;UDP将应用层的数据块封装成一个UDP报文段,包括应用数据,源端口号,目的端口号;UDP套接字二元组:<目的IP地址,目的端口号>

UDP套接字分配端口号的两种方法:1)自动为该套接字分配一个未被使用的端口号(通常从1024~65535中选一个分配);2)通过调用函数bind(),为该套接字绑定一个特定端口号;

3.TCP(传输控制协议TransferControlProtocol)Internet提供面向连接服务的传输层协议;TCP套接字四元组:<源IP地址,源端口号,目的IP地址,目的端口号>

4.传输层协议依据IP地址和端口号实现多路分解与多路复用;

(三)停等协议与滑动窗口协议1.可靠数据传输基本原理1>不可靠传输信道在不可靠性表现:*1.比特差错:1001-1000*2.乱序:数据块1,2,4,5,6,3,*3.数据丢失:数据块1,2,5

2>基于不可靠信道实现可靠数据传输采取的措施*1.差错检测:利用差错编码实现数据包传输过程中的比特差错检验;*2.确认:接收方向发送方反馈接收状态,ACK(肯定确认);NAK(否定确认)*3.重传:发送方重新发送接收方没有正确接收的数据;*4.序号:确保数据按序提交;(对数据进行编号,即便不按编号到达,可以按编号提交)*5.计时器:解决数据丢失问题;

3>传输层实现可靠数据传输的理论协议有等-停协议和滑动窗口协议;

2.停-等协议(自动重传请求协议ARQ)*1.工作流程:┌────────┐─────────①发送数据,等待确认───────>┌────────┐│发送方│<─────────②肯定确认/否定确认────────│接收方│└────────┘──────────③后续数据/重传数据──────>└────────┘

#1.发送方发送经过差错编码的报文段,等待接收方的确认;#2.接收方如果正确接收报文段,即差错检测无误且序号正确,则接收报文段,并向发送方发送ACK,否则丢弃报文段,并向发送方发送NAK;#3.发送方如果收到ACK,则继续发送后续报文段,否则重发刚刚发送的报文段;

*2.特点:所需缓冲空间小,但信道利用率低

3.滑动窗口协议1>流水线协议(管道协议)允许发送方在没有收到确认前,连续发送多个分组;最典型的流水线协议:滑动窗口协议;

2>流水线协议实现可靠传输需要:*1.增加分组序号;*2.协议的发送方和接收方可以缓存多个分组

3>滑动窗口协议*1.分组连续编号;*2.以流水线方式依次发送分组;*3.接收方接收分组,按分组序号向上有序提交;*4.通过确认,向发送方通告正确接收的分组序号;确认只采用ACK,例如,正确接收分组01,则返回ACK01;*5.发送方根据收到的ACK的序号以及计时器,重发或继续发送新的分组;

滑动窗口协议的窗口大小与接收窗口大小之和小于等于分组序号空间大小;即:Ws+Wr≤2^k;报文段的序号采用k位二进制位串进行编号,其编号空间为:0~2^K-1,共2^k个编号;

4>滑动窗口协议工作流程图发送窗口发送方①②③④|5|6|7|8|9|101112已发送↓↘已用下一个可用序号;1)发送窗口Ws=5;2)1,2,3,4(发送窗口左侧)收到ACK;3)5,6,7,8,9(发送窗口中)当前可以发送的;4)10,11,12(发送窗口右侧)当前不可以发送的;

接收窗口接收方①②③④⑤⑥|7|8|9|1011121)1,2,3,4,5,6(接收窗口左侧)正确接收,并提交给协议用户的序号;2)7,8,9期望接收但未收到;3)10,11,12暂时不能接收的;

注意事项:1)发送方的发送窗口(Ws):发送方可发送的未被确认分组的最大数量;2)接收方的接收窗口(Wr):接收方可缓存的正确到达的分组的最大数量;3)发送窗口内序号可能存在3种状态:*1.已用未被确认序号,如:5,6,7;*2.已用且已被确认序号,如:8*3.可用但尚未使用的序号,如:9;

5>分类(根据接收窗口的大小)*1.GBN协议(GO-Back-N)回退N步协议1)特点:#1.发送方(Ws≥1)缓存能力高,可以在没有得到确认前连续发送多个分组;

#2.接收方(Wr=1)缓存能力很低,只接收1个按序到达的分组,不能缓存未按序到达的分组,未按序到达的分组丢弃,并让发送方重传;

例如:要收0~7序号分组,现在收到0,1,4,7号分组,只接收0,1,再重发2~7;

2)GBN发送方响应的3类事件:#1.上层调用,请求发送数据

#2.收到1个ACKn,GBN采用累积确认方式,即当发送方收到ACKn时,表明接收方已正确接收序号为n以及序号小于n的所有分组;

#3.计时器超时时,发送方只使用一个计时器,且只对当前发送窗口的"基序号"指向的分组进行计时;

*2.SR协议(SelectiveRepeat)选择重传协议:1)特点发送方(Ws>1)缓存能力高,可以在未接到确认前连续发送多个分组;接收方(Wr>1)缓存能力高,对每个正确接收的分组进行逐个确认,让发送方仅重传那些未被确认接收的分组;

2)SR发送方响应事件:#1.上层调用,请求发送数据#2.定时器超时,SR协议在发送方对每个已发送的分组进行计时;#3.接收确认:收到ACKn,SR协议采取逐个确认方式

发送窗口Ws>1,接收窗口Wr>1,发送方重传未被接收方确认的分组;发送方:|1|2|3|45678910接收方:①②③|4|5|6|78910只接收456返回ACK4,ACK5,AKC6发送方:①②③|4|5|6|78910向右滑动接收方:①②③④⑤⑥|7|8|9|10直接收789返回ACK7,ACK8,ACK9

(四)UDP(用户数据报协议UserDatagramProtocol)0.是Internet传输层协议:提供无连接、不可靠、数据报尽力传输服务;1.UDP特点1>应用进程容易控制发送什么数据及何时发送,会出现分组的丢失和重复;2>无需建立连接;3>无连接状态;4>首部开销小,只有8个字节;

2.UDP数据报结构01531|||----------------+-------------------+|源端口号|目的端口号|UDP首部+---------+----------+|长度|校验和|----------------+-------------------+UDP数据字段|应用层数据占用|------------------------------------+

UDP首部四个字段：每个字段长度都是2字节，共8个字节。源端口号和目的端口号：用于UDP实现复用和分解长度：指示UDP报文段中的字节数（首部和数据的总和）。首部(8个)+数据(应用数据长度);校验和：接收方使用来检测数据报是否出现差错,没有时全填0,求出校验和后替换;

3.UDP校验和1>作用:提供差错检测功能,即检测UDP报文段从源到目的地传送过程中,数据是否发生了改变;

2>UDP校验和计算的内容包括3部分:UDP伪首部、UDP首部、应用数据071531||||+---------+--------------------------------------------------+||源IP地址||UDP伪首部|--------------------------------------------------+|只用校验和|目的IP地址||不在报文段|--------------------------------------------------+||全0|协议号(17)|UDP长度|+---------+--------------------------------------------------+||源端口号|目的端口号||UDP首部|--------------------------------------------------+||长度|校验和|+-------------------------------------------------------------+|UDP数据字段|应用层数据,填充(没有全是0)16位对齐|--------------------------------------------------------------+

源IP地址、目的IP地址、协议号:对应封装UDP数据报的IP分组的字段;UDP长度字段:是该UDP数据报的字段,该字段参与计算两次(伪首部和首部);UDP协议号:17;

3>UDP校验和计算规则*1.所有参与运算的内容按16位对齐求和;(求数值和)

*2.求和过程中遇到溢出(即进位)都被回卷(即进位与和的最低位再相加),(溢出回卷)得到的和取反码(1,0互换),就是UDP的校验和,填入UDP数据报的校验和字段;(求反码)

*3.UDP在生成校验和时,校验和字段全取0,待算出校验和后赋值给UDP首部校验和字段

4>UDP计算校验和示例数值1:0110011001100000;数值2:0101010101010101;数值3:1000111100001100;

*1.第一步:求3个数的和(16位)0110011001100000+0101010101010101=1011101110110101+1000111100001100=10100101011000001

*2.第二步:溢出回卷0100101011000001+1=0100101011000010

*3.求反码(0变1,1变0)0100101011000010按位取反码:校验和:1011010100111101

(五)TCP(传输控制协议TransferControlProtocol)1.TCP报文结构(选择,填空)1>传输控制协议(TCP):Internet传输层协议,提供面向连接、可靠、有序、字节流传输服务;*1.应用进程先建立连接;(面向连接)*2.每一条TCP连接只有两个端点;*3.可靠交付:无差错,不丢失,不重复,按序到达;*4.全双工通信(全双工:通信双方可同时传输及接收数据;半双工(对讲机),单工(广播))*5.面向字节流;流:字节序列,应用程序和TCP的交互是一个个数据块,TCP把他们看做无结构字节流;

2>TCP报文结构

01531|||每行32位,4字节+---------+---------------------------------------------------+||源端口号│目的端口号|分解复用||--------------------------------------------------+\||序号(seq)(对每个应用层数据的每个字节进行编号)|||---------------------------------------------------+||确认序号(ack_seq)(接收方期望接收客户数据序号)|前5行|TCP首部|---------------------------------------------------+固定首部||首部|保留|U|A|P|R|S|F||20个字节||长度|占6位|R|C|S|S|Y|I|接收窗口|||单位4B|全取0|G|K|H|T|N|N||||---------------------------------------------------+||检验和|紧急指针|/||---------------------------------------------------+||选项(长度可变)|填充|可选首部+-------------------------------------------------------------+|TCP数据|应用层数据,填充(全是0)16位对齐|--------------------------------------------------------------+

1)源端口号字段,目的端口号字段:各占16位,用于分解和复用来自或送到上层应用的数据2)序号字段:TCP的序号是对每个应用层数据的每一个字节进行编号;占32位,3)确认序号字段:接收方期望从对方接收数据的字节,即该序号对应字节尚未收到;占32位,

4)首部长度:占4位(1111->15:5~15),用于指出TCP段的首部长度,以4字节为计算单位;例:首部长度为15,则TCP首部长度为15×4=60字节,固定长度为20字节,数据长度为40字节

5)保留字段:保留位今后使用,目前值为0;占6位,

6)标志位字段(各占1位,共6位,取值0或1)URG:紧急URG=1,紧急指针字段有效,优先传送;ACK:确认ACK=1,确认序号字段有效,ACK=0时,确认序号字段无效;PSH:推送PSH=1,尽快将报文段中的数据交付接收应用进程,不要等缓存满了在交付;RST:重置RST=1,TCP连接出现严重差错,释放连接,在重新建立TCP连接;SYN:同步SYN=1,建立新连接请求控制段或同意建立新连接的确认段;FIN:终止FIN=1,TCP报文段的发送端数据已经发送完毕,请求释放连接;

7)接收窗口字段:向对方通告我方接收窗口的大小,占16位;8)校验和字段:计算方法与UDP相同,协议号是6,占16位;9)紧急指针:URG=1时,才有效,指出在本TCP报文段中紧急数据共有多少个字节;10)选项字段(长度可变):最短为0字节,最长为40个字节;例如:发送方告诉接收方其缓存能够接收的数据段的最大长度是MSS个字节;//不包括首部最长报文长度(MaximumSegmentSize,MSS):报文段中封装的应用层数据的最大长度(1480);

11)填充字段:取值全为0,目的是为了整个首部长度是4字节的整数倍;

2.TCP连接管理(三次握手与四次挥手)以客户端的一个应用进程与服务器上的一个应用进程建立一条TCP连接为例;

1>连接建立(三次握手)

客户端服务器┌───────────┐│CLOSED│┌────────┐├───────────┤│CLOSED│SYN=1,seq=x│LISTEN│第一次握手(SYN段)└────────┘------------------>│(服务器独有)│┌────────┐<------------------├───────────┤│SYN_SENT│SYN=1,ACK=1││第二次握手(SYNACK段)└────────┘seq=y,ack_seq=x+1│││SYN_RCVD│┌───────────┐│││ESTABLISHED│ACK=1,seq=x+1>├───────────┤第三次握手(可携带数据)└───────────┘ack_seq=y+1│ESTABLISHED│└───────────┘

*1.第一次握手(发起连接请求):客户端向服务器发送连接请求报文:SYN报文段(SYN=1,seq=x);SYN=1:建立连接请求控制段,seq=x:表示传输的报文段的第1个数据字节的序号是x,并以此代表整个报文段的序号(sequencenumber,序号)客户端进度SYN_SEND(同步发送);此时服务器知道客户端能发

*2.第二次握手(返回确认,同意建立连接):服务器收到TCP连接请求后,如同意,则返回确认报文段:(SYN=1,ACK=1,seq=y,ack_seq=x+1)SYN=1：同意建立新连接的确认段ack_seq=x+1：表示已经收到了序列号为x的报文段，准备接收序列号为x+1的报文段。seq=y：服务器告诉客户确认报文段的第1个数据字节的序列号是y。服务器由LISTEN进入SYN_RCVD（同步收到）此时客户端知道服务器能发能收

*3.第三次握手(返回确认,建立连接):只有第三次握手可携带收据客户对服务器的同意连接报文段进行确认:(ACK=1,seq=x+1,ack_seq=y+1)seq=x+1：客户传输的报文段的第一个数据字节的序列号是x+1ack_seq=y+1：客户期望接收服务器序列号为y+1的报文段。当客户端发送ACK时,客户端进入ESTABLISHED(已连接)状态;当服务器收到ACK时,也进入ESTABLISHED(已连接)状态;此时服务器知道客户端能收;

*为什么需要三次握手？第一次握手：客户发送请求，此时服务器知道客户能发。第二次握手：服务器发送确认，此时客户知道服务器能发能收。第三次握手：客户发送确认，此时服务器知道客户能收

2>连接拆除(四次挥手)

客户端服务器┌───────────┐┌───────────┐│ESTABLISHED│FIN=1,seq=u││├───────────┤----------------------------->│ESTABLISHED││FIN_WAIT_1│ACK=1,seq=v,ack_seq=u+1││├───────────┤<-----------------------------├───────────┤│FIN_WAIT_2│FIN=1,ACK=1,seq=w,ack_seq=u+1│CLOSE_WAIT│├───────────┤<-----------------------------└───────────┘│TIME_WAIT│┌───────────┐├───────────┤│LAST_ACK││CLOSED│ACK=1,seq=u+1,ack_seq=w+1└───────────┘└───────────┘┌───────────┐│CLOSED│>└───────────┘*1.第一次挥手(客户端发送断开连接请求):客户端向服务器发送释放连接报文段:(FIN=1,seq=u)FIN=1:发送端数据发送完毕,请求释放连接;seq=u:传输的第一个数据字节的序号是u;客户端状态由ESTABLISHED进入FIN_WAIT_1(终止等待1状态)

*2.第二次挥手(服务器确认,数据还没传完,继续发送):服务器向客户端发送确认段:(ACK=1,seq=v,ack_seq=u+1);ACK=1:确认字号段有效;ack_seq=u+1:服务器期望收到数据序号u+1;seq=v:服务器传输的数据序号v;服务器状态由ESTABLISHED状态进入CLOSE_WAIT(等待关闭)客户端状态由FIN_WAIT_1进入FIN_WAIT_2;

*3.第三次挥手(服务器数据发送完毕,同意断连):服务器向客户端发送释放连接报文段:(FIN=1,ACK=1,seq=w,ack_seq=u+1);FIN=1:请求释放连接;ACK=1:确认字号段有效;ack_seq=u+1:服务器期望收到客户数据序号u+1;seq=w:表示服务器传输的第一个数据字节的序号是w;服务器状态由CLOSE_WAIT(等待关闭)进入LAST_ACK(最后确认状态);

3.TCP可靠数据传输1>TCP实现可靠数据传输服务的工作机制:1)应用层数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块;(因为数据链路层只能接收1500字节)2)TCP发出一个段后,启动一个计时器,等待目的端确认收到这个报文段;3)TCP首部中设有校验和字段,用于检测数据在传输过程中是否发生差错;4)TCP报文段到目的端可能会失序,TCP会重新排序;5)接收端收到重复的报文段,接收端根据序号把重复的报文段丢弃;6)TCP提供流量控制;

文件:654321121110987

TCP缓存654321TCP缓存|||||2|1|│2|1|首部|↑└─────────────────────────────────┘发送方接收方

$2.TCP生成ACK的策略*1.具有所期望序号的报文段按序到达,所有在期望序号以及之前的报文段都已被确认,TCP延迟500ms发送ACK;示例:接收方收到1,2,3,且返回对1,2,3的确认,此时4来了,则接收方等待500ms,再返回ACK5

*2.具有所期望序号的报文段按序到达,且另一个按序报文段在等待ACK传输,TCP接收方立即发送单个累计ACK,确认以上两个按序到达报文段;示例:接收方刚刚接收到4,正准备返回ACK5,此时5来了,则接收方返回ACK6;

*3.拥有序号大于期望序号的失序报文段到达,TCP接收方立即发送重复ACK(3次),指示下一个期望接收字节的序号;示例:接收方返回ACK5,但6到了,则接收方返回三次重复的ACK5;

*4.接收一个报文段,部分或完全填充接收数据间隔;接收方收到1,2,且返回对1,2的确认,后来又收到4,5,6,此时3来了,则接收方返回ACK7;

4.TCP流量控制(选择,填空)流量控制:*1.协调发送方与接收方的数据发送与接收速度;*2.在通信过程中,接收方设置报文段的接收窗口字段来将窗口大小通知给发送方,实现流量控制;

5.TCP拥塞控制(综合题)0>网络拥塞:太多的主机以太快的速度向网络中发送太多的数据,超出了网络处理能力,导致大量数据分组拥挤在中间设备队列中等待转发,网络性能显著下降的现象;

1>拥塞控制:通过合理调度,规范,调整向网络中发送数据的主机数量、发送速率、数据量以避免拥塞或消除已发生的拥塞;拥塞窗口:在连接建立时发送方一次可以发送几个分组,窗口大小随RTT的变化而变化;

2>拥塞控制的算法:*1.慢启动*2.拥塞避免*3.快速重传*4.快速恢复

3>拥塞判断与窗口调节1)三次重复确认(报文段丢失)*0.收到三次重复确认,可判定拥塞不严重;*1.快速重传:接收端收到3次重复确认,则推断被重复确认的报文段已丢失,则立即发送被重复确认的报文段;

*2.快速恢复:当发生3次重复确认时,不再重新从慢启动阶段开始,而是直接从新阈值开始,直接进入拥塞避免阶段;操作:新阈值(12)=当前窗口(24)的一半,新拥塞窗口=新阈值=12;从拥塞避免阶段开始增加窗口数量;

2)计时器超时(报文段丢失)计时器超时时,可判定发生拥塞,且拥塞严重;操作:发生计时器超时时,新阈值是当前拥塞窗口的一半;新拥塞窗口大小下降为1MSS;新阈值(12)=当前拥塞窗口(24)的一半,新拥塞窗口=1然后再从慢启动阶段、拥塞避免阶段增加窗口数量;慢启动:1~12:1,2,4,8,12;拥塞避免阶段:13,14,...;

3)窗口调整的基本策略AIMD(AdditiveIncrease,MultiplicativeDecrease)*1.网络未发生拥塞时,逐渐"加性"增大窗口;*2.网络拥塞时"乘性"减小窗口;

4)拥塞控制的分类*1.拥塞消除策略:先拥塞检测,再采取措施;*2.拥塞预防策略:流量整形技术,规范主机向网络发送数据的流量

例2.图展示了TCPReno拥塞控制算法中拥塞窗口的变化情况,请参照该示意图回答一下问题;

cwnd↑A|C|E||BG|SD|F└--------------------------------------------->time

1)图中SA、BC和FG分别是拥塞控制中的哪个阶段答:SA:慢启动阶段,BC:拥塞避免阶段,FG:慢启动阶段;

2)结点A、C、E、G处引起cwnd变化的原因分别是什么答:A和C:发生三次重复确认事件,分组丢失,执行快速恢复算法;E:发生计时器超时事件,未收到分组,执行慢启动算法;G:达到了拥塞窗口的阈值,改变阈值增大策略,即将开始执行拥塞避免算法;

3)若图中A和C处的高度是一样的,那么B和D两点的阈值有什么关系答:B点与D点阈值相等

4)假设这个网络中只存在一个TCP连接,这个TCP连接的速度是否仍要不停地改变答:需要不停改变,由于网络拥塞普遍存在,需要要实施拥塞控制,所以TCP连接的速度仍需视情况不断改变;

第四章网络层(一)网络层服务0.网络层是网络核心的最高层,是实现大型网络互连的关键,是网络体系结构中最重要的一层;

1.网络层核心任务将数据从源主机送达目的主机;

2.网络层主要功能(转路连)1>转发路由器在收到IP数据报时,会利用IP数据报的目的IP地址检索匹配路由表,如果路由表中没有匹配成功的路由项则通过默认路由对应的接口转发该IP数据报,如果除默认路由外,有一条路由项匹配成功,则选择该路由项对应的接口转发该IP数据报,如果除默认路由外,有多条路由项匹配成功,则选择网络前缀匹配成功位数最长的路由项,通过该路由项指定接口转发该IP数据报;

2>路由选择当分组从源主机流向目的主机时,必须通过某种方式决定分组经过的路由或路径;

3>连接建立网络层连接是从源主机到目的主机经过的一条路径,这条路径所经过的每个路由器等网络设备都要参与网络层连接的建立;

路由选择输入端口输入端口->|1|2|3|->转发表->|1|2|3|->目的地址|输出链路......地址13......地址41->|4|5|6|->路由器->|4|5|6|->转发

(二)数据报网络与虚电路网络0.根据是否在网络层提供连接服务,分组交换网络可分为:在网络层提供连接服务的虚电路网络(Virtual-Circuit,VC);在网络层提供无连接服务的数据报网络(datagramnetwork);

1.数据报网络(无连接服务)1>数据报网络是指按照目的主机地址进行路由选择的网络;源主机每发送一个分组,就为该分组加上目的主机地址,然后将该分组推进网络,每个路由器使用分组的目的主机地址来转发该分组;

2.虚电路网络1>虚电路(virtualcircuit,VC):是指源主机到目的主机的一条路径上建立的一条网络层逻辑连接;

2>虚电路网络:指在网络层提供面向连接的分组交换服务,双方通信前先虚电路建立连接,通信结束后在拆除连接;

4>数据报网络与虚电路网络对比表+-----------+-------------------------+---------------------------+|项目|虚电路网络|数据报网络|+-----------+-------------------------+---------------------------+|是否建立连接|先建立连接|不建立连接|+-----------+-------------------------+---------------------------+|地址|每个分组含有一个短的虚电路号|每个分组包含源地址和目的端地址|源IP地址,目的IP地址+-----------+-------------------------+---------------------------+|分组顺序|按序发送,按序接收|按序发送,不一定按序接收|+-----------+-------------------------+---------------------------+|路由选择|建立VC时需路由选择,之后|每个分组独立路由选择|||所有分组均沿此路由转发;||+-----------+-------------------------+---------------------------+|典型网络|X.25、帧中继、ATM|因特网(Internet)|+-----------+-------------------------+---------------------------+*.ATM网络在信元交换前必须建立虚拟连接;

(三)网络互连与网络互连设备1.异构网络互连1>异构网络:主要是指两个网络的通信技术和运行的协议不同,例如:WiFi和网线;

2>实现异构网络互连的基本策略(协议转换和构建虚拟互联网络)*1.协议转换:采用一类支持异构网络之间协议转换的网络中间设备,来实现异构网络数据分组的转换与转发;例如:交换机或多协议路由器;

*2.构建虚拟互联网络在异构网络的基础上构建一个同构的虚拟互联网络;

3>实现同构网络互连的典型技术:隧道技术;

2.路由器1>最典型的网络层设备具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机,主要任务就是获取与维护路由信息以及转发分组;

2>路由器从功能体系结构角度(输入,输出,交换,处理):*1.输入端口:查找,转发,到达分组缓存排队功能;线路端接收信号->数据链路处理(协议封装)->查找,转发排队->交换结构;

*2.交换结构:完成具体的转发工作,将输入端口的IP数据报交换到指定的输出端口;主要包括:基于内存交换(性能低,价低),基于总线交换(独占式),基于网络交换(性能高,价高);

*3.输出端口:缓存排队,从队列中取出分组进行数据链路层数据帧的封装,发送;1.先到先服务(FCFS)调度策略;(通常)2.优先级调度,按IP数据报的服务类型调度;交换结构->排队,缓存管理->数据链路处理(协议封装)->线路端接->

*4.路由处理器:1)执行命令,2)路由协议运行,3)路由计算以及路由表的更新和维护

(四)网络层拥塞控制1.网络拥塞(选择,填空)1>拥塞:一种持续过载的网络状态,用户对网络资源(包括链路带宽、存储空间和处理器处理能力等)的总需求超过了网络固有的容量;

2>网络负载在膝点附近时,吞吐量和分组平均延迟达到理想的平衡,网络的使用率最高;(t1=t2,Q1(膝点)>Q2(崖点))

3>发生拥塞的原因(三有限,一故障)*1.缓冲区容量有限;*2.传输线路的带宽有限;*3.网络结点的处理能力有限;*4.网络中某些部分发生了故障;

4>网络层拥塞控制措施(4条)(选择填空)*1.流量感知路由:网络抽象为一张带权无向图,路由器抽象为图的结点,链路抽象为图的边,每一条链路有自己的链路费用权值根据网络负载动态调整,则可将网络流量引导到不同的链路上,均衡网络负载,从而延缓或避免拥塞的发生;区域一区域二┌───────────┐┌─────────┐│B.││││/|.│10│││/|│.│带权无向图│A|││.E│时延小=权值小│\|││/\││C---+--+--DF│└───────────┘20└─────────┘

*2.准入控制:是对新建虚电路审核,如果新建立的虚电路会导致网络变得拥塞,那么网络拒绝建立新虚电路;

*3.流量调节:在网络拥塞时,可以通过调整发送方的发送数据的速率来消除拥塞;ICMP报文↓抑制分组:感知到拥塞的路由选择一个被拥塞的数据报,给该数据报的源主机返回一个抑制分组;背压:抑制分组在从拥塞结点到源结点的路径上的每一跳(结点间直接链路),都发挥抑制作用;

*4.负载脱落:通过有选择地主动丢弃一些数据报,来减轻网络负载,从而缓解或消除拥塞;从最大的开始丢,例如|6|5|4|3|2|1|先丢6;简述网络拥塞解决的两个方面+--------------------+-----------------------------------------------------------------------+|增加网络资源(拥塞预防)|在网络出现拥塞前为网络中的各个结点分配更多可用的资源,从而降低拥塞出现的可能性|+--------------------+-----------------------------------------------------------------------+|减小网络负载(拥塞消除)|指在网络中已出现负载大于资源的情况下,通过减小当前网络的负载劳实现对拥塞的消除|+--------------------+-----------------------------------------------------------------------+

流量控制和拥塞控制的区别+-------+----------------------------------------------+--------------------------------------+|拥塞控制|考虑系统间的网络环境,使网络负载不超过网络传送能力|确保网络能够承载所到达的流量|+-------+----------------------------------------------+--------------------------------------+|流量控制|考虑接收端数据接收处理能力,使发送速率不超过接收能力|只与特定的发送方和接收方间的点到点流量有关|+-------+----------------------------------------------+--------------------------------------+

(五)Internet网络层0.Internet网络层主要协议1>网际协议(InternetProtocol,IP)2>路由协议3>互联网控制报文协议(InternetControlMessageProtocol,ICMP)

1.IPv4协议(网络层最核心的协议)1>定义了如何封装上层协议(如UDP、TCP)的报文段;定义了Internet网络层寻址(IP地址)以及如何转发IP数据报等内容;IP目前前两个版本:IPv4(32位)和IPv6(128位);

IP对输入数据报的处理分为主机对数据报的处理和网关对数据报的处理;

*12.标识(16位):标识一个IP数据报,每产生一个IP数据报,IP协议的计数器加1;1号IP数据报分片1分片2在IP数据报分片和重组过程中用于标识属于同一IP数据报,2号IP数据报分片1分片2该字段不可唯一标识一个IP数据报;要(主机IP+目的主机IP+标识位)*13.标志(3位):其结构如下:123┌-┬-┬-┐DF(Don'tFragment):禁止分片标志:DF=0,MF=0:是一个分片,且是最后一片,||D|M|DF=0,允许分片,DF=1,禁止分片;DF=0,MF=1;表示是一个分片,且不是最后一片;||F|F|MF(MoreFragment):更多分片标志;DF=1,MF=0;没有分片└-┴-┴-┘MF=0,未被分片或分片的最后一片,MF=1,一定是分片,且不是最后一个;

*14.片偏移量:以8B(8字节)为单位,表示一个IP数据报分片与原IP数据报数据的相对偏移量;该字段值为0时,且MF=1,则表示这是一个IP分片,且是第一个分片;

3>IP数据报分片*1.最大传输单元(MaximumTransmissionUnit,MTU):数据链路层帧能承载的最大数据量;(网络层要将传输层的数据报先分组再分片);

*2.IP数据报分片的原则#1.尽可能少分片;#2.一个最大分片可封装的数据字节数是8的倍数;每个分片的标识字段复制原IP数据报的标识字段MF标志位,除了最后一个分片为0外,其余分片全为1;

╭1,1≤i

通过PingPlotter工具发送一个总长度为3400字节的IP数据报,通过MTU=1500字节的链路转发,试求以下内容:第1步:每片最多可以封装多少字节的数据;分片包括两个部分内容(首部+数据):首部:20,数据:1500-20=1480字节第2步:分片数一片可封装的数据字节数为:1500-20=1480字节|首部|1|2|3|IP数据报的总长度:3400字节(首部+数据)/|\IP数据报的数据长度:3400-20=3380字节|首部|1||首部|2||首部|3|分片数:3380/1480=2.28向上取正,取3

第3步:标志位:DF:0分片,MF=0(最后一片)其余为1;

第4步:片偏移量(单位为8字节)第1片:0/8=0;第2片:1480/8=185;第3片:2960/8=370+-------+------------+-----+--------+-------------------------+|片|总长度/字节|偏移量|MF标志|封装原IP数据报中数据的字节流|+-------+------------+-----+--------+-------------------------+|第1片|1500|0|1|1480字节(0-1479)|+-------+------------+------+-------+-------------------------+|第2片|1500|185|1|1480字节(1480-2959)|+-------+------------+------+-------+-------------------------+|第3片|440|370|0|420字节(2960-3379)|+-------+------------+------+-------+-------------------------+3440=3个首部(20字节)+数据;3380

例2:发送一个总长度为5000字节的IP数据报,通过MTU=1500字节的链路转发,求:分片;每片总长度;DF、MF标志;封装原数据报中的字节数;片偏移量;1)一个分片可装的最大字节数:MTU-首部=1500-20=1480字节;IP数据报的数据总长度:5000-20=4980字节分片数:n=4980/1480=4;

2)每片总长度分别为:第1片:1500字节;第2片:1500字节;第3片:1500字节;第4片:560字节;

3)DF1=0,MF1=1;DF2=0;MF2=1;DF3=0,MF3=1;DF4=0,MF4=0;

4)每片封装原数据报中的字节数分别为:第1片:1480字节;第2片:1480字节;第3片:1480字节;第4片:540字节;

5)第1片偏移量:0/8=0;第2片偏移量:1480/8=185;第3片偏移量:2960/8=370;第4片:偏移量:4440/8=555;+-------+------------+-----+------+------+--------------------------+|片|总长度/字节|偏移量|DF标志|MF标志|封装原IP数据报中数据的字节流|+-------+------------+-----+------+------+--------------------------+|第1片|1500|0|0|1|1480字节(0-1479)|+-------+------------+-----+------+-------+-------------------------+|第2片|1500|185|0|1|1480字节(1480-2959)|+-------+------------+-----+------+-------+-------------------------+|第3片|1500|370|0|1|1480字节(2960-4439)|+-------+------------+-----+------+-------+-------------------------+|第4片|560|555|0|0|540字节(4440-4979)|+-------+------------+-----+------+-------+-------------------------+

*路由器进行IP数据报分片后,目的主机在重组分片时,用到的字段不包括首部长度字段*4.IP数据报分片在目的主机重组:1)根据各片首部的标识字段来判断这些分片是否属于同个IP数据报,同个IP数据报分出来的IP分片具有相同的标识字段;2)目的主机通过各分片首部的标志字段,可以判断某个分片是否是最后一个分片;3)目的主机根据各分片的片偏移字段,判断IP分片的先后顺序,综合每个IP分片首部的数据报长度字段,判断是否缺少分片;

例题:已知IPv4数据报第1个字节和数据报长度字段内容分别为16进制数45H和3FCH,求该数据报封装的数据长度;封装数据长度=数据报总长度-首部长度(20字节)=(3×162+15×16+12)-20=768+240+12-20=1200-20=1000字节2.IPv4编址1>IPv4地址的长度为32位,共有2^32个不同的IP地址,约为43亿个;

2>IPv4地址192.168.1.101的三种标记方式:+-------------------+-------------------------------------+|方法|表示方式|+-------------------+-------------------------------------+|二进制标记法|11000000101010000000000101100101|+-------------------+-------------------------------------+|点分十进制标记法|192.168.1.101|+-------------------+-------------------------------------+|十六进制标记法|0xC0A80165|+-------------------+-------------------------------------+

3>IP地址分配具有3个接口的路由器,通过两台交换机,互连了6台主机;IP子网:三台主机+路由器左侧接口;子网地址:203.1.1.0主机A:203.1.1.2───────────┐203.1.1.1路由器接口地址:203.1.1.1主机B:203.1.1.3──────────交换机───路由器主机地址:203.1.1.2主机C:203.1.1.4───────────┘203.1.1.3|IP前缀|203.1.1.4

主机划分为两个部分1)前缀(prefix):即网络部分(NetID)用于描述主机所归属的网络范围;分类地址:定长前缀,无类地址:前缀长度可变网络位(前缀)主机位(后缀)2)后缀(Postfix),即主机部分(HostID)用于表示主机在网络中的唯一地址;

3)分类地址(定长前缀)+----+----------+-------------------------------------+----------+-----------+|类|前缀长度|前缀|首字节|分类寻址|+----+----------+--------------------------------------+---------+-----------+|A|8位|0xxxxxxx|0-127|主机或路由器|+----+----------+--------------------------------------+---------+-----------+|B|16位|10xxxxxxxxxxxxxxx|128-191|主机或路由器|+----+----------+--------------------------------------+---------+-----------+|C|24位|110xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx|192-223|主机或路由器|+----+----------+--------------------------------------+---------+-----------+|D|不可用|1111xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx|224-239|组广播地址|+----+----------+--------------------------------------+---------+-----------+|E|不可用|1111xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx|240-255|保留||||xxxxxxxxx|||+----+----------+--------------------------------------+---------+-----------+

*1.IP地址中:前缀中的后几位:表示网络地址个数;(网络范围)后缀位数:表示这类网络中的IP地址总数(主机数)+--+-----+----+-------+--------+--------------------+|类|前缀|固定|前缀中后|网络地址|每个类网IP地址总数|+--+-----+----+-------+--------+--------------------+|A|8|0|7位|2^7=128个|2^24个(主机数)|+--+-----+----+-------+--------+--------------------+|B|16|10|14位|2^14个|2^16个(主机数)|+--+-----+----+-------+--------+--------------------+|C|24|110|21位|2^21个|2^8个(主机数)|+--+-----+----+-------+--------+--------------------+

*2.特殊地址(用途特殊的IP地址)+------+---------+---------+---------+-----------------------------+|NetID|HostID|作为IP数|作为IP数据|用途||||据报源地址|报目的地址||+------+---------+---------+--------+------------------------------+|全0|全0|可以|不可以|在本网范围表示主机,在路由表是路由|+------+---------+---------+--------+------------------------------+|全0|特定值|可以|不可以|表示本网内某个特定主机|+------+---------+---------+--------+------------------------------+|全1|全1|不可以|可以|本网广播地址|+------+---------+---------+--------+------------------------------+|特定值|全0|不可以|不可以|表示一个网络|+------+---------+---------+--------+------------------------------+|特定值|全1|不可以|可以|对特定网络上的所有主机进行广播|+------+---------+---------+--------+------------------------------+|127|非全0或非全1|可以|可以|用于本地软件环回测试，称为环回地址|+------+---------+---------+--------+------------------------------+

*3.私有地址:除特殊地址外,还有部分分类地址用于内部网络使用,但不能在公网上使用;+-------------+------------------------------------------------+|私有地址类别|范围|+-------------+------------------------------------------------+|A类|10.0.0.0——10.255.255.255（或10.0.0.0/8）|+-------------+------------------------------------------------+|B类|172.16.0.0——172.31.255.255（或172.16.0.0/12）|+-------------+------------------------------------------------+|C类|192.168.0.0——192.168.255.255（或192.168.0.0/16）|+-------------+------------------------------------------------+

4)无类地址(前缀长度可变)在无类寻址方案中,不存在如分类寻址中的网络类别,网络前缀不再被设计为定长的8位、16位、24位,而是变为可以是0-32位的任意值;网络书写形式:a.b.c.d/x;例如:203.1.1.0/24,(/24后缀)主机位有24个,这种地址形式称为无类域间路由(CIDR);例如:10.0.0.0/8表示的IP地址范围是10.0.0.0~10.255.255.2555)子网划分*1.子网化:将一个较大的子网划分为多个较小子网的过程;(大变小)大子网表示主机位(后缀)多*2.超网化:将具有较长前缀的相对较小的子网合并为一个具有稍短前缀的相对较大的子网;(小变大)*3.子网掩码:32位;对应网络前缀,全是1,其余位(主机部分),全是0;(超网化是子网化的逆过程)例如:子网213.111.0.0/24的子网掩码为:255.255.255.0;(子网掩码中1的个数,确定子网前缀是几位);

*4.综合题:已知子网中某主机地址和子网掩码,就可以计算出子网地址,子网广播地址,IP地址总数和可分配IP数#1.子网掩码和主机地址按位与运算可得出子网地址;与运算:0&0=00&1=0;1&0=0;1&1=1;

#2.子网掩码的反码与主机地址按位或运算可得出直接广播地址;反码:1────0;0────1;或运算:0|0=0;0|1=1;1|0=1;1|1=1;

#3.IP地址总数IPv4地址共32位,分为网络位(前缀)+主机位(后缀);通过子网掩码可以确定网络位(子网掩码中1的个数),则主机位=32-网络位,IP地址总数:2^(主机位);

#4.可分配IP地址总数┌────IP地址总数─────┐在IP地址总数中分配一个子网地址和一个直接广播地址|||所有可分配地址总数:IP地址总数-2;头可分配IP尾可分配地址范围:(子网地址+1)~(直接广播地址-1)子网地址(主机数-2)广播地址

例题:假设某子网中的一个主机的IP地址是203.123.1.135,子网掩码是:255.255.255.1921)求该子网的子网地址;(写出计算过程)子网掩码:11111111111111111111111111000000(子网掩码中1的个数,确定子网前缀是几位)IP主机地址:11001011011110110000000110000111进行&运算:11001011011110110000000110000000子网地址:203.123.1.128/26(子网掩码有26个1,代表子网前缀为26位)

2)求直接广播地址;子网掩码:11111111111111111111111111000000取反结果:00000000000000000000000000111111IP主机地址:11001011011110110000000110000111进行|运算:11001011011110110000000110111111直接广播地址:203.123.1.191

3)求子网IP的地址总数;主机位有32-26=6位,即2^6=64个;

4)求该子网的可分配IP地址数;64-2=62个(子网地址占1个,广播地址占1个,所以64-2=62);

5)求可分配地址范围;可分配IP地址范围:203.123.1.129~203.123.1.190(去掉头和尾)

题1.已知IP地址172.32.1.113对应的子网掩码为255.255.254.0;1)求该IP地址所在网络的网络地址;(子网地址)(写出计算过程)子网掩码:11111111111111111111111000000000IP主机地址:10101100001000000000000101110001进行&运算:10101100001000000000000000000000子网地址:172.32.0.0/23

2)求该网段的IP地址范围;IP地址范围:172.32.0.0~172.32.1.255;

3)求该网段可分配的IP地址范围(掐头去尾)IP地址可分配范围:172.32.0.1~172.32.1.254;

4)求该网段的广播地址子网掩码:11111111111111111111111000000000取反结果:00000000000000000000000111111111IP主机地址:10101100001000000000000101110001进行|运算:10101100001000000000000111111111直接广播地址:172.32.1.255

题2.某公司总部与其子公司A,B,C分别位于四个不同的地区,假设公司拥有子网地址是202.119.110.0/24,总部与子公司A、B、C联网的主机数分别是53、26、12、12、要求子公司B和子公司C的主机位于相邻的子网,请写出下表中序号处的IP地址和子网掩码;+---------+----------------------+-----------------+||主机IP地址范围|子网掩码|+---------+----------------------+-----------------+|总部|202.119.110.129~(1)|255.255.255.192|子网地址:主机位全是0;+---------+----------------------+-----------------+广播地址:主机位全是1;|子公司A|(2)~202.119.110.94|(3)|起始地址:主机位最后1位为1;(子网后)+---------+----------------------+-----------------+终止地址:主机位最后1位为0;(广播前)|子公司B|202.119.110.97~(4)|255.255.255.240|起始与最终地址网络位相同,主机位不同;+---------+----------------------+-----------------+|子公司C|(5)~(6)|255.255.255.240|+---------+----------------------+-----------------+

1)由总子网掩码255.255.255.192得出网络位26位,主机位:6位主机IP起始地址:202.119.110.129起始地址后6位主机位10|000001终止地址后6位主机位10|111110255-65=190;所以总部广播地址是:202.119.110.190;(1)

2)由子公司A主机的主机数量为26台,2^4=16<26;(不够)可得:子公司A的主机位为5即2^5=32>26;(可用)可得:子公司A的网络位为27,111111111111111111100000可得:子网掩码为255.255.224;(3)主机位:5位由终止地址202.119.110.94得终止后8位为:010|11110可得:起始地址为:202.119.110.65;起始后8位为:010|00001(2)

3)由255.255.255.240可知主机位为:4位由起始地址202.119.110.97得起始后8位为:0110|0001可得:终止地址为:202.119.110.110;终止后8位为:0110|1110(4)

4)B的广播地址:202.119.110.111,因为BC相邻,故子公司C的子网地址为202.119.110.112的IP起始地址为:202.119.110.113;起始后8位0111|0001;(5)主机位4位(由子网掩码得)的IP终止地址为:202.119.110.126;终止后8位0111|1110;(6)

4>路由聚合1)用途:减少路由表项数,提高路由效率,将可以聚集在一起的子网聚合成一个大的子网;+-------------------+---------+------+|网络地址|下一跳地址|接口|+-------------------+---------+------+后两位是连续的四个数|15.65.154.0/26|A|S1|00000000+-------------------+---------+------+01000000|15.65.154.64/26|A|S1|10000000+-------------------+---------+------+11000000|15.65.154.128/26|A|S1|+-------------------+---------+------+|15.65.154.192/26|A|S1|聚合->网络地址下一跳接口+-------------------+---------+------+15.65.154.0/24AS1前24位一样

3.动态主机配置协议(DynamicHostConfigurationProtocol,DHCP)1>当组织分配到一个网络地址块后,就可以为该组织内的主机和路由器接口分配IP地址;静态分配:手动配置;DHCP客户端DHCP服务器动态分配:动态主机配置协议来分配;|DHCPDiscover|DHCP服务器发现:广播方式|------------------->|2>动态主机配置协议(DHCP)端口号|DHCPOffer|DHCP服务器提供:广播方式DHCP服务器端口号:67;|<-------------------|DHCP客户端口号:68;|DHCPRequest|DHCP请求:广播方式|------------------->||DHCPACK|DHCP确认|<-------------------|

4.NAT(网络地址转换,NotworkAddressTranslation)(解答题)1>NAT用途:使私有地址的主机能在公共Internet上进行正常通信的技术;2>网络地址转换(NAT)工作原理1)从内网出去的IP数据报,将其IP地址替换为NAT服务器拥有的合法的公共IP地址,同时替换源端口号,并将替换关系记录到NAT转换表中;

2)从公共互联网返回的IP数据,依据其目的IP地址与目的端口号检索NAT转换表,并利用检索到的内部私有IP地址和对应的端口号替换目的IP地址和目的端口号,将IP数据报转发到内部网络;3>基于UPnP(UniversalPlugandPlay,即插即用)协议可通过动态配置的方法事先建立NAT映射实现NAT穿透技术;5.ICMP(互联网控制报文协议,InternetControlMessageProtocol)1>ICMP用途:在主机或路由器间实现网络层差错报告与信息探测;ping域名

2>ICMP结构:071531||||+-----------+-----------------------------------+|类型|代码|校验和|+-----------------------------------------------+|由ICMP报文的类型决定|+-----------------------------------------------+|ICMP的数据部分|+-----------------------------------------------+

2>IPv6地址表示方法:1)8组冒号分隔的十六进制数：8000:0000:0000:0000:4321:0501:AB96:56CD0000:0000:0000==>::(::只能出现一次)8000::4321:0501:AB96:56CD(字母最大为F)

2)在IPv6地址中嵌入IPv4的点分十进制:6700:89A1:0321:206.36.45.19;

3>IPv6地址分类(单任组)*1.单播地址(源地址和目的地址)(可标识一个主机或路由器接口)*2.任播地址(目的地址)(某)(该任播地址标识的某个主机可收到该IP数据报)*3.组播地址(目的地址)(都)(该组播地址标识的所有主机都能收到该IP数据报)

4>IPv4到IPv6的迁移方法(选择、填空)1)双协议栈:网络结点同时具备发送IPv4与IPv6数据报的能力;IPv4\IPv6--路由器1---DNS--->路由器2(使用DNS判断是IPv4还是IPv6)

2)隧道:很好的解决IPv6通信中经过IPv4路由器的问题,同时也不会出现信息丢失的问题给IPV6加一层IPv4的封装,IPv6IPv4(v6)IPv6源主机-------路由器1---------->路由2--------->目的主机

(六)路由算法与路由协议1.路由选择算法分类0>路由选择:选择转发IP分组的通路的过程称为"路由选择"路由选择的核心是路由选择算法;

2.链路状态路由选择算法(LS算法)链路状态路由选择算法是一种全局式路由选择算法,每个路由器在计算路由时,需构建整个网络拓扑图(利用Dijkstra(迪杰斯特拉算法)求最短路径)┌--------+-----------------------------------------------------------+|D(v)|到本次迭代为止,源结点(计算结点)到目的结点v的当前路径距离|+--------+-----------------------------------------------------------+|P(v)|到本次迭代为止,在源结点到目的结点v的当前路径上,结点v的前序结点|+--------+-----------------------------------------------------------+|C(x.y)|结点x与结点y之间直接链路的费用,若x和y之间没有链路相连,则c(x,y)=∞|+--------+-----------------------------------------------------------+|S|是存储从源结点到该结点已求出的最短路径的结点集合,初值:源结点本身|+--------+-----------------------------------------------------------+

例题:如下图从X结点出发,分别求到达Y,U,V,W的最短路径;

3.距离向量路由选择算法(DV算法)1>距离向量路由选择算法的基础是Bellman-Ford方程(简称B-F方程);令dx(y)表示结点x到结点y的路径的最低费用,根据B-F方程,有以下公式:dx(y)=min{c(x,v)+dv(y)}v∈{x的邻居}Y---3---Zx到z,z到zx到YY到Z\/dx(z)=min{c(x,z)+dz(z),C(x,y)+dy(z)}27=min(7+0,2+3)\/=min(7,5)X=5所以得到结点x到结点y的最短路径是{x,y,z}

2>网络中每个结点x,估计自己到网络中结点y的最短距离,记为Dx(y)称为结点x的距离向量;

3>适用网络规模范围:需要在邻居路由器之间交换距离向量;*1.路由器分别维护自己的转发表(Dv),并收到邻居的通告;*2.收到通告会进行对比更新;

4.层次化路由选择1>作用:实现大规模路由选择最有效、可行的解决方案

2>自治系统(autonomoussystem,AS)互联网按组织边界、管理边界、网络技术边界或功能划分为多个自治系统,每个自治系统由运行相同路由协议和路由选择算法的路由器组成;

3>网关路由器:每个AS存在至少一个与其他AS互连的路由器(例如:3C,2C1A);3B----3A2B--3A网关路由器过滤路由的规则:\AS3/\AS2/1)本地偏好值属性,这个属性由AS网络管理员来设定,具有最高偏好值的路由被选择3C2c2)若多条路由具有相同的本地偏好值,那么具有最短AS-PATH的路由将被选择;\/3)若多条路由具有相同的本地偏好值即相同长度的AS-PATH,那么具有最近NEXT-HOP的路由将被选择;1B---1A\AS1/1C

4>层次化路由选择原理将大规模互联网的路由划分为两层:1.自治系统内路由选择:计算到达自治系统内目的网络的路由;2.自治系统间路由选择:负责其他自治系统网络的可达性信息;(通过网关路由器转发表)↓5>路由器转发表:由自治系统内路由选择协议和自治系统间路由选择协议共同设置转发表包含的主要信息有网络地址、子网掩码、下一跳地址以及路由器接口;

2)例题设网络中路由器使用RIP协议,路由器B的当前路由表如表1所示,B收到从路由器C发来的路由信息,如表2所示,试给出路由器B更新后的路由表;

B的路由表C的路由信息+---------+------+-----------++---------+------+|目的网络|距离|下一跳路由||目的网络|距离|+---------+------+-----------++---------+------+|N1|7|A||N2|4|+---------+------+-----------++---------+------+|N2|2|C||N3|8|+---------+------+-----------++---------+------+|N6|8|F||N6|4|+---------+------+-----------++---------+------+|N8|4|E||N8|3|+---------+------+-----------++---------+------+|N9|4|F||N9|5|+---------+------+-----------++---------+------+

路由B更新后的路由表(相邻代表隔1跳)+---------+------+-----------+|目的网络|距离|下一跳路由|+---------+------+-----------+|N1|7|A|表C中没有达到N1的信息,所以不变+---------+------+-----------+|N2|5|C|B-1->CC-4->N2=>B->N2=4+1=5+---------+------+-----------+|N3|9|C|B-1->CC-8->N3=>B->N3=1+8=9+---------+------+-----------+|N6|5|C|B-1-CC-4->N6=>B->N6=1+4=5+---------+------+-----------+|N8|4|E|B->C->N8等于B->E->N8不变+---------+------+-----------+|N9|4|F|B->F->N9小于B-C->N9不变+---------+------+-----------+

2)开放最短路径优先协议(OSPF,OpenShortestPathFirst)*1.OSPF的优点:#1.安全#2.支持多条相同费用路径;#3.支持区别化费用度量;#4.支持单播路由与多播路由;#5.分层路由;

*2.OSPF分类|AS边界路由器/\主干区主干路由器\/区域边界路由器1区域3区域1区域边界路由器1\/区域边界路由器2区域边界路由器22>Internet自治系统间路由选择协议称为:外部网关协议(EGP,ExteriorGatewayProtocol);1)边界网关协议(BGP,BorderGatewayProtocol)实现跨自治系统的路由信息交换,典型版本是BGP4BGP应用进程实现的,传输层使用TCP;每个AS可以通过BGP实现如下功能:*1.从相邻AS获取某子网的可达性信息;*2.向本AS内部的所有路由传播跨AS的某子网可达性信息;*3.基于某子网可达信息和AS路由策略,决定到达该子网的最佳路由;

2)BGP主要有4种报文*1.OPEN(打开)报文:用于与BGP对等方建立BGP会话;*2.UPDATE(更新)报文:用于通告某一路由可达性信息,或撤销已有路由;*3.KEEPALIVE(保活)报文:用于打开报文的确认,或周期性地证实会话的有效;*4.NOTIFICATION(通知)报文:用来通告差错;3)比较重要的路由属性*1.AS-PATH即AS路径,是到达前缀需要经过的AS路径,该属性包含一条路由已经通知过的AS,可预防重复通告;*2.NEXT-HOP一个开始AS-PATH的路由器接口3>Internet路由选择协议+-----------+----------------+-----------------+|协议名称|封装|适用范围|+-----------+----------------+-----------------+IGP|RIP|UDP数据报|较小规模AS内|+-----------+----------------+-----------------+|OSPF|IP数据报|大规模AS内|+-----------+----------------+-----------------+|BGP|TCP|跨AS|EGP+-----------+----------------+-----------------+

第5章数据链路层与局域网(一)数据链路层服务1.数据链路层提供的服务内容1)结点:主机、路由器;2)链路:网络中两个结点之间的物理通道;3)数据链路:网络中两个结点之间的逻辑通道,把实现控制数据传输协议(TCP协议)的硬件和软件加到链路上就构成数据链路;4)数据链路层:负责通过一条链路,从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点,传送网络数据报,中间不经过任何其他交换结点;

5)数据链路在物理链路之上,基于通信协议来控制数据帧传输的逻辑数据通路,

6)实现数据链路层协议的典型硬件实体是:网络适配器(NIC,网卡);

7)数据链路层的传输单元是:帧;

8)数据链路层提供的服务(4条):组帧、链路接入、可靠交付、差错控制*1.组帧(成帧)帧头(帧首):发送结点和接收结点的地址信息、定界字符(区分帧头);帧尾:用于差错检测的差错编码,定界字符(区分帧尾);01111110

发送结点接收结点│数据报││数据报│↓↑|帧头(帧首)|数据报|帧尾|----->|帧头(帧首)|数据报|帧尾|加加减减

*2.链路接入物理链路可分为点对点链路和广播链路两大类;点对点链路:发送结点和接收结点独占信道;广播链路:通信链路多被多个结点共享;采用分组存储转发和路由选择机制是点对点式链路和广播式链路的重要区别之一;*3.可靠交付无线链路(出错率高):支持可靠数据传输;(电磁波)光纤,双绞线(出错率低):不提供可靠数据传输服务;

*4.差错控制数据链路层帧在物理媒介上的传播过程,可能会出现比特翻转的差错;误比特率:出现差错的比特数/传输比特总数;

2>差错控制(4种)通过差错编码技术,实现对信息传输差错的检验,并基于某种机制运行差错纠正和处理;具体措施:(检错重发,前向纠错,反馈校验,检错丢弃)*1.检错重发(利用差错编码)发送端:待发送数据进行差错编码,然后发送;接收端:利用差错编码检测数据是否出错,若出错,接收端请求发送端重发数据加以纠正;

*2.前向纠错(FEC,ForwardErrorCorrection)(利用纠错编码)发送端:对数据进行纠错编码,然后发送;接收端:收到数据,利用纠错编码进行差错检测,且纠错;适用:单工链路或对实时性要求比较高的应用;

*3.反馈校验接收端:将收到的数据原封不动发回发送端;发送端:通过对比接收端反馈的收据与发送的数据确认接收端是否正确接收已发送数据,若有不同,立即重传数据;

优点:原理简单,易于实现,无须差错编码缺点:需要相同传输能力的反向信道,传输效率低,实时性差;

*4.检错丢弃:网络应用对可靠性要求不高,可采用不纠正出错数据,直接丢弃错误数据,适用于实时性较高的系统;

+-------------------+-----------------+|差错控制基本方法|特点|+-------------------+-----------------+|检错重发|重发数据加以纠正|+-------------------+-----------------+|前向纠正|检错、定位、纠正|+-------------------+-----------------+|反馈校验|数据返回|+-------------------+-----------------+|检错丢弃|实时性较高的系统|+-------------------+-----------------+

2.差错编码的基本原理香农信道编码定理指出:对于一个给定的有干扰信道,只要发送端以低于信道容量C的数据速率R发送信息,则一定存在一种编码方法,使得编码错误概率P随着码长n的增加而按指数下降至任意小的值;

在待传输(或待保护)数据信息基础上,附加一定的冗余信息,该冗余信息与数据信息建立某种关联关系(复制一次等);将数据信息以及附加的冗余信息一同发送到接收端,接收端可以检测冗余信息表征的数据信息的关联关系是否存在,如果存在则没有错误,否则有错误;例如:发送端向接收端发送2位数据信息,如果不进行差错编码,则接收端可能收到:00、01、10、11、如果进行差错编码:增加两位冗余信息:对数据进行一次复制,经过差错编码后,4个码字分别为:0000,0101,1010,1111;接收端收到码字后,如果发生了1位差错,比如收到1011,10和11不满足复制关系,则断定出现差错,

3.差错编码的检错与纠错能力1>不同差错编码的检错和纠错能力不同;差错编码的检错或纠错能力与编码集的汉明距离有关;*1.编码集:差错编码的所有有效码字的集合;*2.编码集的汉明距离:编码集中任意两个码字之间汉明距离的最小值;记为ds;编码集{1010,0101,1111,0000}汉明距离:表示两个(相同长度)字对应位不同的数量,我们以d(x,y)表示两个字x,y之间的汉明距离,对两个字符串进行异或运算(同假异真),其结果为1的个数即汉明距离;就是两个等长码字之间,对应位数不同的位数;例如:01011101⊕01001001汉明距离dc=2编码集{1010，0101，1111，0000}1010⊕0101=4;1010⊕1111=2;1010⊕0000=2;0101⊕1111=2;0101⊕0000=2;1111⊕0000=4;编码集的汉明距离：ds=min{4，2，2，2，2，4}编码集的汉明距离:ds=2;//最小汉明距离越大,码组越具有抗干扰能力;

2>检错编码对于检错编码,若编码集的汉明距离ds=r+1,则该差错编码可以检测r位的差错;例:发送2位数据信息,冗余信息是数据的一次复制编码集{0000，0101，1010，1111}ds=r+1=2=1+1,r=1,因此可以检测出1位差错

3>纠错编码对于纠错编码,若编码集的汉明距离ds=2r+1,则该差错编码可以纠正r为差错;例如:发送2位数据信息,冗余信息是数据的两次复制;编码集{000000，010101，101010，111111}ds=3=2*1+1,因此可以纠正出1位差错;

若发生1位差错,则错码距离发生错误的有效码字的汉明距离最近,可恢复为有效码字;若收到码字为100010,下列码字那个为有效码字;100010与000000，010101，101010，111111的汉明距离分别为:2514则有效码字为101010,用有效码字替换收到码字;

4.典型的差错编码典型的差错编码:奇偶校验码、循环冗余码;异或逻辑运算;符号:⊕,1⊕1=0;1⊕0=1;0⊕0=0;0⊕1=1;(同假异真)

1>奇偶校验码*0.最简单的检验码,利用1位冗余信息实现差错检测,分为奇校验码、偶校验码;*1.奇校验码1位冗余位的取值为0或1,使得编码后的码字中1的个数为奇数;例如:数据10110111,采用奇校验码编码后的码字为:10110111|17个1;数据10110110,采用奇校验码编码后的码字为:10110110|05个1;

*2.偶校验码1位冗余位的取值为0或1,使得编码后的码字中1的个数为偶数数;例如:数据10110111,采用偶校验码编码后的码字为:10110111|06个1;数据10110110,采用偶校验码编码后的码字为:10110110|16个1;

*3.优点:编码简单、编码效率高、开销最小的检错编码;*4.缺点:检错率不高;

2>循环冗余码(CRC码,CyclicRedundancyCheck)*0.地位:在数据链路层广泛应用的差错编码;(检错码)*1.基本思想将二进制位串看成是系数为0或1的多项式的系数;例如:100101有6位,写一个多项式,位串的数字就是每个多项式的系数+-----------+------+--------+------+-------+--------+------+|多项式拆解|X^5|X^4|X^3|X^2|X^1|X^0|+-----------+------+--------+------+-------+--------+------+|位串|1|0|0|1|0|1|+-----------+------+--------+------+-------+--------+------+|相乘|1*X^5|0*X^4|0*X^3|1*X^2|0*X^1|1*X^0|+-----------+------+--------+------+-------+--------+------+多项式:X^5+X^2+1;//任何数的0次方都为1;第0位,第2位第5位为1;

*3.编码过程:1)在帧的低位端加上r个0位,使该帧扩展为m+r位(相当于左移r位).对应多项式为X^rM(x);2)用G(x)系数对应的位串,去除(模2除法)X^rM(x)系数对应的位串,求的r为余数R;3)用XrM(x)系数对应的位串,减(模2减法)去余数R,结果就是完成CRC编码的帧;

*4.方法总结:用编码多项式G(x),对为串进行CRC编码;第1步:写出多项式对应的位串,并确定有r位(r=多项式x的最高指数幂+1,x^r);第2步:r-1的值是需要在待编码为串后面添加0的个数:添加(r-1)个0;第3步:用得到的新的待编码位串除以多项式对应的比特串;第4步:求得的余数添加在待编码位串后,即为CRC编码后的码;

例:假设CRC编码采用的生成多项式G(x)=x^4+x+1,请为位串10111001进行CRC编码;第1步:写出多项式对应的位串+-----------+--------+------+-------+--------+------+|多项式拆解|X^4|X^3|X^2|X^1|X^0|+-----------+--------+------+-------+--------+------+|位串|1|0|0|1|1|(5位)+-----------+--------+------+-------+--------+------+第2步:5-1的值是需要在待编码为串后面添加0的个数:添加4个0,r=4;//x^4待编码位串:10111001------101110010000

第3步：用得到的新的待编码位串(101110010000)除以多项式对应的比特串(10011);1010011110011√1011100100001001110000模2减法运算为：1-1=0，0-1=1，1-0=1，0-0=0//无进位，无借位10011相当于异或运算;同0异1;同假异真;1110010011111101001111010100111001(最终余数)第4步:求得的余数(1001)添加在待编码位串后,即为CRC编码后的码:10111001|1001

题1.设生产多项式G(X)=X^4+X^2+X+1,求对位串100111011101进行CRC编码后的结果;1>将多项式转换成对应的位串:+-----------+--------+------+-------+--------+------+|多项式拆解|X^4|X^3|X^2|X^1|X^0|+-----------+--------+------+-------+--------+------+|位串|1|0|1|1|1|(5位)+-----------+--------+------+-------+--------+------+2>待编码位串:100111011101补4位0得新待编码位串10011101110100003>新待编码位串/以多项式对应的比特串得余数为1100;(过程如下)101000000010111√100111011101000010111模2减法运算为：1-1=0，0-1=1，1-0=1，0-0=010010相当于异或运算;同0异1;同假异真;//无进位，无借位101111011110111101001011111004>待编码位串+上步余数=100111011101|1100

*5.接收方在收到带校验和的帧后,怎样判断是否有错收到的串除以多项式对应的比特串;余数为0,无错,余数不为0,有错,丢弃;

*6.优选的典型G(x)+----------------+----------------------------------------------------+|名称|生成多项式|+----------------+----------------------------------------------------+|CRC-12|x12+x11+x3+x2+x+1|+----------------+----------------------------------------------------+|CRC-16|x16+x15+x2+1|+----------------+----------------------------------------------------+|CRC-CCITT|x16+x12+x5+1|+----------------+----------------------------------------------------+|CRC-32-IEEE802.3|x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1|+----------------+----------------------------------------------------+|CRC-64-ISO|x64+x4+x3+x+1|+----------------+----------------------------------------------------+

(三)多路访问控制协议0.数据链路层使用的信道1>点对点信道,一对一通信方式,信道被双方独享;如拨号上网;2>广播信道(共享介质),一对多通信方式,信道上连接的点很多,信道被结点共享;如总线以太网,WIFI↓两个或两个以上结点同时传输数据:冲突->接收失败;↓多路访问控制(MultipleAccessControl,MAC)协议;↓MAC协议的根本任务:解决信道的共享问题(填空选择);

1.信道划分MAC协议0>信道划分MAC协议:利用多路复用技术实现信道共享的MAC;多路复用的基本思想:将信道资源划分后,分配给不同的结点,各结点通信时只使用其分配到的资源,避免多结点通信时的相互干扰;

1>频分多路复用(FDM,Frequency-divisionmultiplexing)在频域内将信道带宽划分为多个子信道,将原始信号调制到对应的某个子信道的载波信号上,使同时传输的多路信号在整个物理信道带宽的允许范围内波谱不重叠,从而共用一个信道;

信号1->|信号1└-------------------\信号2->|信号2信号1信号2信号3└-------------------->└-------------------->信号3->|信号3└-------------------/频率/HZ频率/HZ频分多路复用后调制前调制后

*1.优点:分路简单,目前模拟通信中常采用,特别是有线和微波通信;*2.缺点:信号之间相互干扰,即串扰;所需设备输入路数增大而增多;不提供差错检测,不便于性能监测;

2>时分多路复用(TDM,Time-DivisionMultiplexing)在时域内将通信信道的传输信号划分为多个等长的时隙,每路信号占用不同的时隙,使多路信号合用单一的通信信道在时域上不重叠,从而实现信道共享;

*1.同步时分多路复用(STDM,SynchronismTime-DivisionMultiplexing)按照固定顺序把时隙分配给各路信号;

*2.异步时分多路复用(ATDM,AsynchronismTime-DivisionMultiplexing)统计时分多路复用(STDM,StatisticTime-DivisionMultiplexing)时隙和用户间没有固定的对应关系;ATM采用的就是异步时分复用方式

3>波分多路复用(WDM,WaveDivisionMultiplexing)广泛用于光纤通信,在光纤通信中,光载波频率很高,通常用光的波长代替频率讨论;在光纤通信中,为了实现长距离的高速传输,通常采用波分多路复用和光纤放大器;

4>码分多路复用(CDM,CodeDivisionMultiplexing)通过利用更长的相互正交的码组分别编码各路原始信息的每个码元(比如1位),使得编码后的信号(已调信号)在同一信道中混合传输,接收端利用码组的正交特性分离各路信号,从而实现信道的共享,是一种扩频的通信形式;相互正交:码组1:{1,0,1}码组2:{0,1,0}1×0+0×1+1×0=0

*2.性能:网络负载不能大于1;//G≤1

2>载波监听多路访问协议(CSMA,CarrierSenseMultipleAccess)*1.工作原理(先听后说)通过硬件装置(载波监听装置),在通信站发送数据之前,先监听信道上其他站点是否在发送数据,如果在发送,则暂时不发送;

2)1-坚持CSMA:若信道站有数据发送,先侦听信道,若发现信道空闲,则立即发送数据,若发现信道忙,则继续侦听信道直至发现信道空闲,然后立即发送数据;

*2.CSMA/CD的工作状态分为:传输周期、竞争周期、空闲周期;信道有3中状态:传输状态、竞争状态、空闲状态;

例1:在一个采用CSMA/CD协议的网络中,传输介质是一根完整的电缆,数据传输速率为1Gbit/s,电缆中的信号传播速度是200000Km/s,若最小数据帧长度减少800bit,则最远的两个站点之间的距离至少需要减少多少;L=800bitV=200000Km/sR=1Gbit/sD=[(L/R)V]/2=(800×200000000/1000000000)/2=160/2=80m

例2.设有长度为1km,数据传输速率为10Mbps的以太网,信号传播速度为200m/μs,求MAC帧的最小帧长度;D=1×10^3mR=1×10^7bit/s;V=200×10^6=2×10^8m/s由L/R=2D/V得:L/1×10^7=2×10^3/2×10^8;L=1×10^(-5)×10^7=100bit

3.受控接入MAC协议各个用户不能随意的接入信道而必须服从一定的控制;分类:集中式控制、分散式控制;

1>集中式控制:系统有一个主机负责调度其他通信站接入信道.从而避免冲突;方法:轮询(轮叫轮询和传递轮询)12...N-1N↙███←███←███←███传递轮询收↓↑↑↓↑↑↓↑↑↓↑↑██<----------┘┘↑------┘┘↑-----┘┘↑-------┘↑↑轮叫轮询〓-----------┘--------┘-------┘--------┘↑主机---------------------------------------┘发

2>分散式控制(令牌技术)令牌是一种特殊的帧,代表了通信站使用信道的许可,在信道空闲时一直在信道上传输,一个通信站想要发送数据就必须首先获得令牌;██↗|↖令牌↗|↖██─────◎─────██↘环形|信道↗↘|↗██

3>令牌环的操作过程:*1.网络空闲时,只有一个令牌在环路上绕行;

*2.当一个站点要发送数据时,必须等待并获取一个令牌,将令牌的标志位置为"1",随后便可发送数据;(空令牌:标志位置为"0",被占用:标志位置为"1");

*3.环路中的每个站点边转发数据,边检测数据帧中的目的地址,若为本站点的地址,便读取其中所携带的数据;

*4.数据帧环绕一周返回时,发送站将其从环路撤销,即"自生自灭";

*5.发送站点完成数据发送后,重新产生一个令牌传至下一个站点,以使其它站点获得发送数据帧的许可;

4>令牌丢失和数据帧无法撤销是环网上最严重的两种错误;

(四)局域网(LAN)1.数据链路层与ARP寻址1>局域网(LAN):一般采用广播的方式,局部区域网络,覆盖面积小,网络传输速率高,传输的误码率低;2>为了使数据链路层更好的适应多种局域网标准,IEEE802委员会将局域网的数据链路层拆分为两个子层:*1.逻辑链路控制(LogicalLinkControl,LLC)子层(面向网络层,名存实亡)*2.介质访问控制MAC子层;//在数据链路层子层中,与介质访问控制有关的子层;

3>MAC地址(物理地址、局域网地址)MAC地址具有唯一性,每个接口(网络适配器,NIC)对应一个MAC地址;*1.以太网和IEEE802.11无线局域网,使用的MAC地址长度为6字节,共2^48个可能的MAC地址;48位的MAC地址通常采用十六进制表示法,每个字节表示一个十六进制,用-或:连接起来;例如:00-2A-E1-76-8C-39或00:2A:E1:76:8C:39补充:十六进制:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F;

*2.MAC地址空间的分配由电器和电子工程协会(IEEE,InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)统一管理;MAC共48位,IEEE负责分配MAC地址前24位的MAC地址块,厂商自己分配后24位;

*3.MAC广播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF;

4>地址解析协议(ARP,AddressResolutionProtocol)ARP是根据本网内目的主机或默认网关的IP地址获取其MAC地址;(IP地址到MAC地址的映射)*1.ARP的基本思想:在每一台主机中设置专用内存区域,称为ARP高速缓存(也称为ARP表),存储该主机所在局域网中,其他主机和路由器的IP地址与MAC地址的映射关系;*2.ARP协议内容1)ARP查询分组是通过一个广播帧发送的,而ARP响应分组是通过一个标准的单播帧发送的;2)ARP是即插即用的,一个ARP表是自动建立的,他不需要系统管理员来配置;一般存放20min;3)即可认为是网络层协议(IP)也可认为是数据链路层协议(MAC);

+--------------+-------------------+----------+|IP地址|MAC地址|TTL|+--------------+-------------------+----------+|178.169.1.96|00-53-2B-49-1A-1F|13:45:00|+--------------+-------------------+----------+|178.169.1.94|00-BD-2A-90-17-C2|13:52:00|+--------------+-------------------+----------+

2.以太网1>以太网(IEEE802.3):目前最流行的有线局域网技术,无连接不可靠服务;IEEE802.3MAC帧的起始定界符SFD字段的比特模式为:10101011

4>以太网帧结构6字节6字节2字节46-1500字节4字节|目的地址|源地址|类型|数据|CRC|MAC地址MAC地址*1.目的地址和源地址:MAC地址;*2.类型:标识上层协议,例如:0x0800=IP数据报*3.数据:封装的上层协议的分组;*4.CRC:校验采用循环冗余校验;*5.以太网最短帧长64字节(首部+数据),18字节(首部长度),46字节(数据字段长度);

5>以太网技术+-----------+----------------------+---------+-------------------+|分类|传输介质|传输速率|标准|+-----------+----------------------+---------+-------------------+|10Base-5|粗同轴电缆|10Mbit/s||+-----------+----------------------+---------+-------------------+|10Base-T|非屏蔽双绞线(UTP)|10Mbit/s|IEEE802.3|+-----------+----------------------+---------+-------------------+|100Base-T|UTP|100Mbit/s|IEEE802.3u||(快速以太网)||||+-----------+----------------------+---------+-------------------+|千兆位以太网|光纤,UTP,屏蔽双绞线(STP)|1000Mb/s|IEEE802.3标准的扩展|+-----------+----------------------+---------+-------------------+|万兆位以太网||10Gbit/s|IEEE802.3ae|+-----------+----------------------+---------+-------------------+

3.交换机1>交换机:应用最广泛的数据链路层设备;实现帧的转发;(实现存储-转发)

网桥:和交换机功能类似,对数据帧实现存储-转发,交换机可以认为是多端口的网桥

集线器(Hub):物理层:转发数据;

2>以太网交换机转发和过滤*1.交换机的基本工作原理当一帧达到时,交换机首先需要决策将该帧丢弃还是转发,如果是转发,还必须进一步决策应该将该帧转发到哪个/些端口去,决策依据是,以目的MAC为主键查询内部转发表;转发表:通过自学算法建立起来;

*2.以太网交换机的自学习(建立转发表)1)以太网交换机有4个端口,各连接一台计算机,其MAC地址分别是A,B,C,D;2)一开始,以太网交换机里面的转发表是空白的;3)A向B发送一个帧,从端口1进入交换机;4)交换机查询转发表,没找到往哪里转发该帧;5)交换机把这个帧的源MAC地址A和端口1写入交换表,完成第一次学习;6)除向端口1以外所有端口泛洪(广播)这个帧;7)C和D丢失该帧,B收下该帧;

3>以太网交换机的优点1)消除冲突(*1)//交换机可以隔离冲突域,但不能隔离广播域2)支持异质链路;3)易于进行网络管理;

*1.冲突域:早期所有主机共享总线的一个网络范围,现在在以太网中,CSMA/CD能检测到冲突的网络范围;

4.虚拟局域网(VLAN,VirtualLocalAreaNetwork)1)虚拟局域网:是一种基于交换机(必须支持VLAN功能)逻辑分割(或限制)广播域的局域网应用形式,以软件的方式划分和管理局域网中的工作组,限制接收广播信息的主机数,不会因传播过多的广播信号而引起性能的恶化;端口交换(PortSwitch)帧交换(FrameSwitch),信元交换(CellSwitch)2)划分虚拟局域网的方法(3种)*1.基于交换机端口划分;*2.基于MAC地址划分;*3.基于上层协议类型或地址划分;

(五)点对点链路协议1.点对点协议(PPP协议,PointtoPointProtocol)1>是全世界使用得最多的点对点链路协议,适合单个发送方和单个接收方的点对点链路;

2>PPP主要提供3类功能1)成帧:确定一帧的开始和结束,支持错误检测开始标志字节：01111110结束标志字节：01111110

1字节1字节1字节1或2字节可变长度2和4字节1字节|标志|地址|控制|协议|信息|校验和|标志||01111110|11111111|00000011||||01111110|

2)链路控制协议(LCP,LinkControlProtocol)启动线路、检测线路、协商参数、关闭线路;

3)网络控制协议(NCP,NetWorkControlProtocol)协商网络层选项;初始网络参数;

3>PPP是面向字节的PPP帧的长度都是整数字节;遇到数据中有标志位01111110时,使用字节填充技术在01111110标志位后,插入特殊的控制转义字节01111101;传输数据为Byte101111110Byte2PPP帧:Byte10111111001111101Byte2;控制字段是00000011字节填充技术

2.高级数据链路控制协议(HDLC协议,High-levelDataLinkControl)1>应用于点对点链路和点对多点链路;无站地址不分配给任何站,仅做测试;

2>HDLC帧格式(6字节)

1字节1字节1字节≥0字节2字节1字节|01111110|地址|控制|数据|校验和|01111110|

3>根据控制位的不同,HDLC有3种类型的帧1)信息帧(I格式):传送数据;2)管理帧(监控帧)(S格式):差错控制,流量控制3)无序号帧(U格式):链路的建立,拆除S帧第1,2位为"10"来标志,第3,4字段为S帧类型编码00(接收就绪),01(拒绝),10(接收未就绪),11(选择拒绝);4>HDLC协议是面向位的使用位填充技术;数据字段出现与标志字段相同的比特流100|01111110|010010

发送端:发现5个连续的1后插入0100011111010010010↑发送数据只要连续出现5个1发送端插入0接收端:发现5个连续的1后删除其后的010001111110010010↑接收数据只要连续出现5个1,接收端删除0

5>HDLC中常用的操作方式:(3种)1)正常响应方式(NormalResponsesMode,NRM)2)异步响应方式(AsynchronousResponseMode,ARM)3)异步平衡方式(AsynchronousBalancedMod,ABM)

第六章物理层(一)数据通信基础1.数据通信基本概念1)信息与消息*1.消息:人类能够感知的描述;文字/图像/声音/气味,消息是信息的载体;*2.信息:对事物状态或存在方式的不确定性表述;消息中包含的有意义的内容;

2)通信:在一点精确或近似地再生另一点的信息;3)通信系统:能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体;4)信号:在通信系统中,传递信息需要合适的载体在传输道中传播,这个载体就是信号;5)数据:对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记录的符号及其组合,(数字、文字、图像/抽象符号)6)信道:信息传输的介质2.数据通信系统模型1>数据通信系统的构成(通信系统的一般模型):6个部分1.信源-->2.发送设备-->3.信道-->4.接收设备-->5.信宿↓6.噪声源101010101)信源:将消息转换为信号的设备;▁|▔|▁|▔|▁|▔|▁|▔|▁信源↓▁╱╲╱╲▁╱╲╱╲▁发送设备2)发送设备(进行编码和调制)╲╱╲╱╲╱╲╱将信源产生的信号进行适当变换的装置;|↓||↓|信道3)信道:传输信号的媒介;|↓|噪声源|↓|4)接收设备(进行译码和解调)▁|▔|▁|▔|▁|▔|▁|▔|▁接收设备完成发送设备的反变换↓10101010信宿5)信宿:信号的终点,将信号转换为功人们识别的消息;

6)噪声源:自然界和通信设备所固有的,对通信信号产生干扰和影响的各种信号;

2>模拟通信和数字通信1)模拟信号信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号;①自变量:可以是连续的,可以是离散的;②因变量:一定是连续的(不可列举);

y(t)↑|||||└---------------------------------------->0模拟信号t

2)数字信号①自变量:离散的(可列举);②因变量:离散的;③离散数据是连续数据的采样;

y(t)↑||1011001├──┐┌─────┐┌───┐||||||||||||||||||└--┘-----└-----┘-----└---┘---------->0数字信号t

3>数据通信方式1)数据传输方向:单向通信(单工)、双向交替通信(半双工)和双向同时通信(全双工);2)数据传输时空顺序:并行通信和串行通信;1并行通信00|1|0|0|1|1

串行通信1001

3)数据同步技术异步通信:发送字符,不需建立同步时钟,实现简单,适用低速网络;同步通信:发送数据块,双方建立同步时钟,实现复杂,适用高速网络;

4)数据通信系统的功能*1.信道的利用;*2.接口及信号产生;*3.同步;*4.差错检测与纠正;*5.寻址与路由;*6.网络管理;*7.安全保证;

(二)物理介质1.导引型传输介质(有线信道)以导线为传输介质,信号沿导线进行传输,信号的能量集中在导线附近,因此传输效率高,但部署不够灵活;(架空明线,双绞线,同轴电缆,光纤)

1>架空明线优点:传输损耗较低;缺点:易受天气和外界电磁干扰;对外界噪声敏感;带宽有限;

2>双绞线将两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起,可以减少对相邻导线的电磁干扰,这样的一对线称为双绞线;(STP屏蔽双绞线和UTP非屏蔽双绞线)

1)屏蔽双绞线(STP):(性能好,价格高,安装工艺复杂)(聚氯乙烯套层(屏蔽层(绝缘体(铜线))))

2)非屏蔽双绞线(UTP)(适用更普遍)(聚氯乙烯套层(绝缘体(铜线)))

3>同轴电缆对外界干扰具有较好的屏蔽作用,具有较好的抗电磁干扰性能,目前多用于有线电视网络;(绝缘保护外套(绝缘保护套层(绝缘层(内导体))))

4>光纤1)基本原理是利用了光的全反射现象;(包层(纤芯[入射角,折射角])↓↘低折射率的媒体高折射率的媒体

2)按光纤内光波传输模式的不同:单模光纤;多模光纤;

3)光纤优点*1.光纤通信容量非常大,最高可达100Gbit/s*2.传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济;*3.抗雷电和电磁干扰性好;*4.无串音干扰,保密性好,也不易被窃听或截取数据;*5.体积小,重量轻;

4)缺点:易脆断;

(三)信道与信道容量1.信道分类与模型1>信道:通信系统中连接发送端与接收端的通信设备,实现从发送端到接收端的信号传送。1)狭义信道:仅指信号的传输介质;2)广义信道:包括传输介质和通信系统中的一些变换装置;(调制信道(连续信道)和编码信道(离散信道))3)广义信道的分类与组成信源->编码器->调制器->发射设备->传输介质->接收设备->解调器->译码器->信宿;||----------调制信道---------|||-----------------编码信道-----------------|

*1.编码信道:数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分;输入/出信号离散离散信道*2.调制信道:从调制器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分;输入/出信号连续连续信道

2>连续信道容量(调制信道)1)奈奎斯特理想的,无噪音的信道容量/***C:信道容量单位bit/s;*B:信道带宽,单位Hz;*M:进制数,信号状态数;*/C=2BlogM;//信道容量=2(信道带宽)log信号状态数最大信号传输速率=2B;//2倍带宽(最大频带利用率)示例.利用带宽为4000Hz的无噪声信道传输二进制基带信号,求最大的数据传输速率(信道容量);C=2×4000log2=8000bps;(M=2;//二进制)

2)香农有噪声连续信道容量/***C:信道容量单位bit/s;*B:信道带宽,单位Hz;*S:输入信号功率*N:高斯白噪音的功率*S/N:信噪比;*/C=Blog(1+S/N);//信道容量=带宽log(1+信噪比)

信噪比的单位为功率,但题目中一般给到的是分贝(dB)分贝和功率的换算公式:(S/N)dB=10log10(S/N)功率<=>(S/N)功率=10^(dB/10)

示例:已知某信道带宽为8kHz,信噪比为30dB,试求该信道的信道容量C;解(S/N)dB=10log10(S/N)功率;30=10log10(S/N)功率简化得3=log10(S/N)功率可得:S/N=1000;C=Blog(1+S/N)=8×103log(1+1000)=8×103×log(1001)≈80kbit/s

数字基带信号再生数字基带信号----------->信号形成器->信道->接收过滤器->抽样判决器--------------->↓↓↑噪声同步提取-┘

2)单极归零码(ReturntoZero,RZ)每个正脉冲持续期的中间时刻,电平要由正电平回到零电平;二进制0:零电平表示,1:正电平表示;例如:1100100111y(t)↑||1|1|0|0|1|0|0|1|1|1|+E├──┐├──┐||├──┐||├──┐├──┐|──┐|||||||||||||||||||||||||||||||||||└--┴--├--┴--|-----├-----├--┴--|-----|-----├--┴--├--┴--├--┴--|-->0单极归零码信号波形t

3)双极不归零码每个正、负脉冲持续期的中间时刻,电平都要回到零电平;二进制0:负电平表示,1:正电平表示;例如:1100100111y(t)↑||1|1|0|0|1|0|0|1|1|1|+E├───┼───┐|├───┐|├───┼───┼───┤||||||||||||||||||||||0|---┴---┼---┼---┼---┼---|---┼---|---|---|---->||||||||||t||||||||||-E|└───┼───┘└───┼───┘|||

双极不归零码信号波形4)双极归零码每个正、负脉冲持续期的中间时刻,电平都要回到零电平;二进制0:负电平表示,1:正电平表示;例如:1100100111y(t)↑||1|1|0|0|1|0|0|1|1|1|+E├──┐├──┐||├──┐||├──┐├──┐|──┐|||||||||||||||||||||||||||||||||||0|--┴--|--┴--┼--┐--┼--┐--|--┴--┼--┐--┼--┐--┼--┴--|--┴--|--┴--|-->|||||||||||||||t|||||||||||||||-E||└──┘└──┘|└──┘└──┘||||

双极不归零码信号波形

2>将数字基带信号的基本码型变换为合适传输的数字传输基带传输码型AMI码;双相码;米勒码;CMI码;nBmB码;nBmT码;1)信号交替反转码(AlternativeMarkInversion,AMI码)用3中电平(正电平、负电平、零电平)进行编码;0:零电平表示;1与-1:交替用正电平和负电平表示;例如:1100100111(默认初始为零电平)|1|1|0|0|1|0|0|1|1|1||+1|-1|0|0|+1|0|0|-1|+1|-1|y(t)↑||1|1|0|0|1|0|0|1|1|1|+E├──┤||├──┐||├──┐|||||||||||||||||||||||0|--|--┼--┴--└--┴--┴--┼--┼--┼--|----->|||||||t|||||||-E|└──┘└──┘└──┘AMI(RZ)码信号波

2-1)差分双相码(差分曼彻斯特码)1:相邻电平有跳变(和前一个电平的落脚点不同,前一个落脚到负,当前从正开始,反之从负开始)0:相邻电平无跳变(和前一个电平的落脚点相同,前一个落脚到负,当前从负开始,反之从正开始)例如:11001001(默认初始为零电平)

y(t)↑||1|1|0|0|1|0|0|1+E├──┐├──┐|┌──┼──┐├──┐|┌──┼──┐├──┐|||||||||||||||||||||||||||||||||||0|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|----->|||||||||||||||||t|||||||||||||||||-E|└──┘└──┼──┘|└──┘└──┼──┘|└──┘└──┘差分双相码信号波形

3)米勒码(MillerCode):延迟调制码1：正负或负正。11：交替编码。前面正，后面负；前面负，后面正;0：延续前面1的电平，正或负。脉冲期间不跳变。00：交替编码,前面正，后面负；前面负，后面正;01：延续0的电平，正负或负正10:延续前面1的电平,脉冲期间不跳变;

1100101101

y(t)↑||1|1|0|0|1|0|1|1|0|1|+E├──┐|┌──┼─────┤|┌──┼─────┼──┐|┌──┼─────┼──┐|||||||||||||||||||||||||||||||||||0|--|--|--|--|----|-----|--|--|-----|--|--|--|--|-----|--|--|->|||||||||||||||||t|||||||||||||||||-E|└──┼──┘|└─────┼──┘||└──┼──┘||└──┤CMI码信号波形

4)传号反转码(CodedMakInversion,CMI码)1：正、负，交替编码。0：负正。y(t)↑|正负负正|1|1|0|0|1|0|0|1|+E├────┤|┌──┤┌──┼────┤┌──┤┌──┤|||||||||||||||||||||||||||0|----|----|--|--|--|--|----|--|--|--|--|----|-------->|||||||||||||t|||||||||||||-E|└────┼──┘└──┘|└──┘└──┘└────┘CMI码信号波形

例题:下图为曼彻斯特编码和差分曼城斯特编码的脉冲波形,试给出对应的比特串(假定差分曼彻斯特编码的初始信号为高电平)//表示初始值停在+Ey(t)↑1:正电平跳到负电平(1:正负);0:负电平跳到正电平(0:负正);||0|1|1|0|0|0|1|1|+E|┌──┼──┐┌──┐|┌──┐┌──┐┌──┼──┐┌──┐|||||||||||||||||||||||||||||||||||0|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|-->|||||||||||||||||t|||||||||||||||||-E└──┘|└──┘└──┼──┘└──┘└──┘|└──┘└──┘曼彻斯特信号波形

y(t)↑当前电平起点和前一个电平的落脚点相比,不同电平为1,相同为0;||1|0|1|0|0|1|0|1|+E|┌──┼──┐┌──┐|┌──┼──┐┌──┐|┌──┐┌──┐||||||||||||||||||||||||||||||||||0|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--|--->|||||||||||||||||t|||||||||||||||||-E└──┘|└──┘└──┼──┘|└──┘└──┼──┘└──┘|初始信号为高电平,差分曼彻斯特信号波形

(五)频带传输1.频带传输基本概念1>基带信号,具有低通特性(低频信号可通过),可用在低通特性的信道(有线信道)中进行传输;无线信道,是带通特性(对频率有要求),因此只能利用基带信号去调制与对应信道传输特性相匹配的载波信号;

2>数字调制利用数字基带信号控制载波信号的特征参量,使载波信号的这些参量的变化反映数字基带信号的信息,进而将数字基带信号转为数字通带信号的过程;

3>数字解调是指在接收数据端需将调制到载波信号中的数字基带信号卸载下来,还原为数字基带信号的过程;

4>数字频带传输系统:实现调制、传输与解调的传输系统;//将慢波载到快波上

5>数字调制系统基本结构噪音幅值相位数字基带信号↓数字基带信号↑↑------------>调制器--->信道-->解调器------------>y(t)=acos(2πft+φ)↑↑载波频率

幅值:最高点到x的距离;频率:快1;慢0;相位:左右平移;

6>数字调制的基本方法:利用数字基带信号控制载波信号的某个(或某些)参数的变化,(利用0或1控制或选择载波的不同幅值、频率或相位);1)如果调制载波的幅值:幅移键控(ASK);2)如果调制载波的频率:频移键控(FSK);3)如果调制载波的相位:相移键控(PSK);

2.频带传输中三种调制方式;1>二进制数字调制:数字通信系统频带传输的基本方式1)数字基带信号:_|﹋|_|﹋|_|﹋|_|﹋|_|﹋|_|﹋|_|﹋|_

2)二进制数字调制方式:通过数字调制将慢波的信号特征表现在载它的快波上(3种+1个变种);二进制幅移键控二进制频移键控二进制相移键控二进制差分相移键控(2ASK)(2FSK)(2PSK)(2DPSK)福啊频发橡皮2D橡皮高(1)矮(0)疏(0)密(1)x下(1)x上(0)重叠(0)不重叠(1)10100111101/\/\//\/\/\/\/W_W__WWWW\/\/W\/\\/\/\\/\\/\\/

+-----------------------+-------------+--------------+|调制方式|1|0|_|﹋|_|﹋|_数字信号+-----------------------+-------------+--------------+|二进制幅移键控(2ASK)|有波形|无波形|_/\/\_+------------------------+-------------+--------------+\/\/|二进制频移键控(2FSK)|频率不同|WW\/\/W+------------------------+----------------------------+|二进制相移键控(2PSK)|1和0相位不同||/\/\|/\/\+------------------------+----------------------------+|\/\/|\/\/|二进制差分相移键控(2DPSK)|看前一个周期波形|/\/\/\/\/+------------------------+----------------------------+\/\\/\\/\\/

3)二进制数字调制性能主要体现*1.频带利用率:2FSK(二进制频移键控)最低;*2.误码率:2ASK(二进制幅移键控)最高;2PSK(二进制相移键控)最低;*3.对信道特性的敏感性:2ASK(二进制幅移键控)变化敏感;

3)数据传输速率Rb(bit/s)与码元传输速率RB(Baud)以及进制数M间的关系为:Rb=RBlogM示例:若采用4进制数字调制方式使数据传输速率达到4800bit/s,求码元速率;4800=RBlog4;=>4800=2RB;可得RB=4800/2=2400Baud;

3>正交幅值调制QAM,也称为幅值相位联合键控(APK)1)基本思想:二维调制技术,对载波信号的幅值和相位同时进行调制的联合调制技术;2)优点:频带利用率高;抗噪声能力强;调制解调系统简单;

2.物理层接口特性(4个)1)机械特性:指明通信实体间硬件连接口的机械特点:例如:常用的电源插头的尺寸有严格规定;2)电气特性:规定了物理连接上,导线的电气连接及有关电路特性;例如:接收器和发送器电路特性的说明;3)功能特性:指明物理接口各条信号线的用途等;例如:数据信号线、控制信号线;4)规程特性:通信协议,指明利用接口传输比特流的全过程;例如:事件执行顺序;

第七章无线与移动网络(一)无线网络1.无线网络基本结构1)无线主机2)无线链路3)基站(basestation)蜂窝网络中的蜂窝塔(celltower)IEEE802.11无线局域网中的接入点(AccessPoint,AP)4)网络基础设施

2.无线网络模式1)基础设施模式:无线主机与基站关联;2)自组织网络(ADHoc网络,特定网络):无线主机不通过基站而直接与其他无线主机通信;自组织网络:由一组用户群构成,不需要基站、没有固定的路由器的移动通信模式;自组织网络中的每个结点都兼有路由器和主机两种功能;

3.无线链路与无线网络特性1>无线链路的特点(3条):1)信号强度的衰减:路径损耗(大多数无线链路为随参信道);2)干扰;3)多径传播;(出现信号反射)

2>隐藏站现象1)站点A、C都向站点B发送数据;2)站点A、C之间有物理阻挡,双方都无法检测出对方发送的信号;3)站点A、C都向站点B发送数据时,发生碰撞,站点B无法正确接收任何一方的数据;

(二)移动网络1.移动网络基本原理1>原理内容(3条)1)从网络层的角度分析用户的移动性;2)移动结点的地址始终保持不变的重要性;3)可用的有线基础设施的支持;

2>移动网络的术语1)移动结点的永久居所:归属网络,家网;2)在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体:归属管理,家代理;3)移动结点当前所在非归属网络:外部网络,被访网络;4)在外部网络中帮助移动结点做移动管理功能的实体:外部代理;5)通信者:与该移动结点通信的实体;

2.寻址1>移动寻址:当某移动结点位于一个外部网络时,所有指向此结点永久地址的流量需要导向外部网络;

2>保持地址不变的解决办法1)外部网络通过向所有其他网络发通告,告诉它们盖移动结点正在它的网络中(不适用于大规模网络);2)将移动性功能从网络核心搬到网络边缘,由该移动结点的归属网络来实现(实际上移动网络采取的做法);*1.将外部代理放置在外部网络路由器上,外部代理为归属网络被访网络移动结点创造一个转交地址(Care-OfAddress,COA);永久地址:永久地址▆转交地址:*2.移动结点与永久地址和COA都连接;127.198.6.7127.198.6.7╱79.168.14.2*3.外部代理告诉归属代理该移动结点的COA;▆---------●●归属代理╲╱3>移动结点的路由选择|-互联网-|数据报寻址并转发的方法:间接路由选择和直接路由选择╲1)移动结点的间接路由选择:通信者将数据报寻址到移动结点的永久地址■通信者网络层新功能:*1.移动结点到外部代理的协议:注册,取消;*2.外部代理到归属代理的注册协议:外部代理告诉归属代理COA;*3.归属代理数据报封装协议:归属代理封装原始数据报,转发;*4.外部代理拆封协议:从封装好的数据宝报中提取原始数据报转发;三角路由问题通信者和移动结点之间存在一条更有效的路由,发往移动结点的数据也要先发给归属代理,然后再发送到被访网络;

2)移动结点的直接路由选择通信者所在网络中的通信者代理先获取移动结点的COA,通信者代理将数据报发往移动结点的COA;引入的两个问题*1.需要一个移动用户定位协议,以便通信者代理向归属代理查询获得移动结点的COA;*2.归属代理仅在会话开始时被通信代理询问一次COA;

(三)无线局域网IEEE802.111.IEEE802家族由一系列局域网(LAN)技术规范组成IEEE802.11发表于1997年,是原始标准,频率:2.4GHz,支持速率2Mbit/s;+--------------+-------------+-------------------+|标准|频率范围/GHz|数据率|+--------------+-------------+-------------------+|IEEE802.11b|2.4|最高为11Mbit/s|b11+--------------+-------------+-------------------+|IEEE802.11a|5|最高为54Mbit/s|a54+--------------+-------------+-------------------+|IEEE802.11g|2.4|最高为54Mbit/s|g54+--------------+-------------+-------------------+|IEEE802.11n|2.4/5|最高为600Mbit/s|n600+--------------+-------------+-------------------+

2.共同点:1)都是使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA(冲突避免)2)链路层帧使用相同的帧格式;3)都具有降低传输速率以传输更远距离的能力;4)都支持"基础设施模式"和"自组织模式"两种模式;

3.IEEE802.11体系结构的基本构建:1)基站:接入点(AccessPoint,AP)2)基本服务集(BasicServiceSet,BSS)BSS包含:一个接入点,一个或多个无线站点;

4.AP发现(无线主机怎么找到AP)1)被动扫描:无线主机扫描信道和监听信标帧;2)主动扫描:无线主机向其范围内的所有AP广播探测帧;

5.IEEE802.11的MAC协议1>IEEE802.11的MAC协议采用CSMA/CA协议CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance带碰撞避免的载波监听多路访问协议;

2>CSMA/CA协议工作原理(简答题)通过请求发送(RTS)帧和允许发送(CTS)帧的交换,实现信道预约占用,避免数据帧传送过程中的冲突;

6.IEEE802.11帧类型(3种:控制帧;数据帧;管理帧)

2>帧主体:帧的数据部分,不超过2312字节;通常IEEE802.11帧长都小于1500字节;3>尾部:帧检验序列FCS,共4字节;MAC首部(30字节)╭------------------------^--------------------------╮MAC尾部字节22666260-23124|帧控制|持续期|地址1|地址2|地址3|序号控制|地址4|帧主体|FCS|╭----^----------------------------------------------╮位|2|2|4|1|1|1|1|1|1|1|1|协议类型子类型去往来自更多重试功率更多顺序版本↘↙APAP分片管理数据↓用于区分RTS帧、CTS帧、ACK帧和数据帧;

+--------+-------+--------+--------+-------+------+|去往AP|来自AP|地址1|地址2|地址3|地址4|+--------+-------+--------+--------+-------+------+|0|1|目的地址|AP地址|源地址||+--------+-------+--------+--------+-------+------+|1|0|AP地址|源地址|目的地址||+--------+-------+--------+--------+-------+------+

(四)蜂窝网络0.小区(cell):蜂窝网覆盖的区域分成的六边形的区域;1.蜂窝网络体系结构:0>蜂窝:小区的地理覆盖区域;1>基站系统(BSS,BaseStationSystem)1)收发基站(BTS,BaseTransceiverStation):负责小区内的移动站点发送或接收信号;2)基站控制器(BSC):服务于收发基站,为用户分配BTS无线信道、执行寻呼,执行移动用户的切换;3)移动交换中心(MSC):管理5个基站控制器,在用户鉴别和账号管理以及呼叫建立和切换中起着决定作用;

4.移动通信2G/3G/4G/5G网络1>第一代蜂窝移动通信(1G)淘汰

3>第三代移动通信系统(3G)1)国际电信联盟(ITU)提出并研究WCDMA(欧洲)、CDMA2000(美国)、TD-SCDMA(中国)三大技术标准;2)3G是采用CDMA(码分多路复用)技术的通信系统;3)关键技术:无线传输技术;

4>4G/LTE1)3GPP组织在2004年开始长期演迚(LTE)标准化项目,在2008年9月开使LTE-Advanced项目。2)4G特点:高速率传输、智能化、业务多样化、无缝接入、后向兼容、经济;3)LTE系统:*1.核心网(EPC):#1.移动管理实体(MME):负责移动性控制;#2.服务网关(S-GW):负责数据分组的路由与转发;*2.接入网(E-UTRAN):基站(E-NodeB);

*3.接入网中e-NodeB与e-NodeB之间X2的接口;LTE核心网与接入网之间是S1的接口;5>5G1)5G技术目的:构建网络社会2)5G特点:超高速率传输,超高容量、超可靠性、随时随地可接入性;

(五)移动IP网络1.移动IP(MobileIP)因特网工程任务组(IETF,theInternetEngineeringTaskForce)允许计算机移动到外地时,任然保持其原来的IP地址;╭代理发现(代理通告,代理请求);移动IP标准<向归属代理注册;╰数据报的间接路由选择;

移动代理通告扩展包含了该移动结点所需的附加信息:包括归属代理位(H),注册要求为(R),转交地址(COA)字段;

2.代理发现当移动IP站点到达一个新网络时,移动结点都必须知道相应的外部代理或归属代理身份;代理发现的实现方式:1)代理通告:代理周期性的广播一个类型字段为9(路由器发现)的ICMP报文;2)代理请求:移动结点广播ICMP报文;

3.向归属代理注册移动IP定义了外部代理向一个移动结点的归属代理注册或注销COA所使用的的协议;一旦某个移动IP结点收到一个COA,则该地址必须要向归属代理注册,这可通过外部代理来完成,共涉及4个步骤:1)当收到一个外部代理通告后,移动结点立即向外部代理发送一个移动IP注册报文;2)外部代理收到注册报文并记录移动结点的永久IP地址,分配一个COA;3)外部代理把注册请求发送给归属代理,归属代理接收注册请求并检查真实性和正确性;4)外部代理接收注册应答,然后将其转发给移动结点;

(六)其他典型无线网络简介(WiMax蓝牙ZigBee)1.全球微波互联接入(WiMax,WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess)又名IEEE802.16标准,宽带无线标准;

1>WiMax优势:1)更远的传输距离(可达50Km),2)更高速的带宽接入(最高300Mbit/s);

2>WiMax劣势:1)不支持用户在移动过程中无缝切换;2)产业基础薄弱;3)和传统的蜂窝网络无法完全兼容;

2.蓝牙(BlueTooth)1)IEEE802.15.1标准,无线个人区局域网(WPAN)标准;2)工作在全球通用的2.4GHz的频段;3)特点:小范围,低功率,低速率,低成本运行;(一小三低)

3.ZigBee1)IEEE802.15.4标准,第二个个人区域网络标准;2)特点:低功率,低数据速率,低工作周期;(三低);

第八章网络安全(一)网络安全概述0>网络安全概念网络安全是指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护,不因偶然的或恶意的原因而遭受到破坏、更改、泄漏,系统连续可靠正常地运行,网络服务不中断;

*相对性是指网络永远只有相对的安全,没有绝对的安全;

1>典型的网络安全威胁1)报文传输:传输过程面临窃听、插入、假冒、劫持等安全威胁;2)拒绝服务DoS、分布式拒绝服务DDoS(利用多个源主机协同淹没接收方);3)映射:先探路,再攻击;4)分组"嗅探";(Wireshark是一个典型的分组嗅探软件);5)IP欺骗;

(二)数据加密1.通信加密模型0>密码学包括:密码编码学和密码分析学两部分;密码技术是保障信息安全的核心基础;密码分析学:研究密码变化客观规律中的固有缺陷,并应用于破译密码以获取通信情报;密码编码学:是指将密码变化的客观规律应用于编制密码来保守通信秘密;

1>通信加密流程:

密钥Ke━━━━━━━━━━━密钥Kd明文M->加密C=E(MKe)->密文C信道>密文->解密M=D(CKd)->明文▔▔▔▔▔▔+-------+-------+--------+--------+--------+|M|C|K|E|D|+-------+-------+--------+--------+--------+|明文空间|密文空间|密钥空间|加密算法|解密算法|+-------+-------+--------+--------+--------+

2.传统密码算法1>替代密码包括:移位加密,乘数加密,仿射密码等;凯撒密码是替代密码的典型应用;例:对明文"bob,IloveyouAlice",利用k=3的凯撒密码加密,得到密文;abcdefghigklmnopqrstuvwxyzk=3的含义就是明文的每个字母表顺序推后3位;bob,IloveyouAlice加密后(字母后移3位)ere,LoryhbrxDolfh

2>换位密码(置换密码):列置换密码包括列置换密码,周期置换密码;1)加密原则:根据一定规则重新排列明文,以便打破明文的结构特性,只改变明文结构,不改变内容;

2)列置换密码加密过程:*1.首先将明文P按密钥K的长度n进行分组,并每组一行安行排列,即每行有n个字符;*2.若明文长度不是n的整数倍,则不足部分用双方约定的方式填充,如双方约定用字母"x"替代空缺处;*3.设最后得到的字符矩阵为Mmn,m为明文划分的行数,然后,按照密钥规定的次序将Mmn对应的列输出,即可得到密文序列C;

示例:假设采用密钥K=nice的列置换密码,对明文"bobiloveyou"进行加密;求得到的密文;1)密钥k=nice密钥长度:n=4;密钥字母顺序:n(4)i(3)c(1)e(2);2)将明文按密钥长度分组,每组一行,按行排列;4312bobi密文按数字顺序,按列输出字母love========================>bvuiexoooblyyoux(双方约定x为填充字母)

示例2key=code,密钥长度n=4,故加密过程分4列,每列24/6=6个字母,即把密文分为4段每段6个字母;密文:cunorimetknlprwpceoterip;求明文;c(1)o(4)d(2)e(3)按行输出得到明文为:cunori第一列compcomputernetworkprinciple;metknl第二列uterprwpce第三列netwoterip第四列orkprinciple

3.对称密钥加密╭DES╭分组密码

2>AES加密算法(AdvancedEncryptionStandard)1)密钥长度:128/192/256位2)AES加密算法的特点*1.分组长度和密钥长度均可变;*2.循环次数允许在一定范围内根据安全要求进行修正;*3.安全、效率、易用、灵活;*4.抗线性攻击和抗差分攻击的能力大大增强;*5.如果1秒暴力破解DES,则需要149万亿年破解AES;

3)AES加密过程涉及4种操作:字节替代、行位移、列混淆、轮密钥加;

3>IDEA加密算法(InternationalDataEncryptionAlgorithm)密钥长度:128位;

4>对称密钥加密算法面临的一个最大的问题是密钥分发问题;

4.非对称/公开密钥加密1>非对称密钥加密(公开密钥加密)1)通信双方都有两个密钥:公钥:任何人都可以得到;私钥:只有自己知道;2)典型的公开密钥加密算法:Diffie-Hellman算法和RSA算法;3)Diffie=Hellman算法:基于数学中素数理论;RSA算法:基于数论设计,安全性建立在大数分解的难度上,应用比较广泛,安全性高;4)利用公开密钥加密在报文传输中,分别用接收方的公钥和接收方的私钥来加密和解密报文;

2>非对称密钥加密过程Alice给Bob写信:1)Alice用Bob的公钥加密明文,发送;2)Bob收到密文后,用自己的私钥解密得到明文;3)加密用私钥,解密用公钥也是可以的;公钥KB+私钥KB-KB-(KB+(m))=m=KB+(KB-(m));

1.消息完整性检测方法:用散列函数,对报文m进行散列化;1>典型的散列函数1)MD5(Message-DigestAlgorithm5):128位散列值;2)SHA-1:160位散列值;

2>散列函数的特性1)一般的散列函数算法公开;2)能够快速计算;3)对任意长度报文进行散列产生定长输出;MD5:128位SHA-1:160位;4)对任意报文无法预知其散列值;5)不同报文不产生相同的散列值;6)单向性,抗弱碰撞性,抗强碰撞性;

2.报文认证1>消息完整性检测一个重要目的:完成报文认证的任务;报文认证:消息的接受者能够检验收到的消息是否是真实的方法;报文认证要完成消息源的认证和消息的认证;

2>消息完整性检测重要目的:报文认证;对报文m应用散列函数H,得到固定长度的散列码,称为报文摘要,记为H(m);报文摘要可以作为报文m的数字指纹(fingerprint);报文m---->H:散列函数--->H(m)密码散列函数

3>简单报文验证1)发送方对报文m应用散列函数H,得到固定长度的散列码,获得报文摘要h,将扩展报文(m,h)发送给接收方;|报文m|报文摘要h|

2)接收方收到扩展报文后,提取报文m和报文摘要h,同样对报文m应用散列函数H,获得新的报文摘要H(m),将H(m)和H进行比较;

3)若相同,报文认证成功,否则报文认证失败;

*简单报文认证不足:无法达到对消息源认证;

4>报文认证码MAC(MessageAuthenticationCode)1)发送方和接收方共享一个认证密钥s,发送方对报文m和认证密钥s应用散列函数H得到报文认证码h,将扩展报文(m,h)发送给接收方;

2)接收方收到扩展报文后,提取出报文m和报文认证码h,对报文m和认证密钥s应用散列函数H获得新的报文认证码H(m+s),将H(m+s)与h进行比较;|密钥s|报文m|报文认证码h3)若相同,报文认证成功,否则报文认证失败;散列化↓新报文认证码H(m+s)*报文认证码MAC不足:无法保证消息在接收方没有被篡改;

3.数字签名1>数字签名原理:在非对称密码体制中,一个主体使用自己的私钥加密消息,得到密文,密文可使用该主体公钥解密来恢复成原来的消息,如此生成的"密文"对该消息提供认证服务;

应用广泛的数字签名方法主要有三种:RSA签名、DSS签名、Hash签名等;

2>数字签名应满足1)接收方能确认发送方的签名,但不能伪造;2)发送方发出签名的消息给接收方后,就不能再否认他所签发的消息;3)接收方对已收到的签名消息不能否认,即有收报认证;4)第三者可以确认收发双方之间的消息传送,但不能伪造这一过程;

3>简单的数字签名私钥加密1)Bob利用自己的私钥对报文m加密,创建签名报文,报文m--------->签名报文将扩展报文(报文、签名报文)发送给Alice;|报文m|签名报文|

2)Alice收到扩展报文,利用Bob的公钥解密签名报文,报文m签名报文并检验解密后的签名报文和报文m是否一致;是否一致\↓公钥解密解密后的报文3)若一致,则签名报文m的一定是Bob的私钥;

4>签名报文摘要1)Bob对报文m应用散列函数H生成报文摘要H(m),然后Bob通过其私钥对报文摘要进行加密生成加密的报文摘要,将扩展报文(报文,加密的报文摘要)发送给Alice;

2)Alice收到报文m及加密的报文摘要,Alice利用Bob的公钥解密加密的报文摘要,并对m应用散列函数生成新的报文摘要;报文m加密的报文摘要↓散列化比较↓公钥解密新的报文摘要<-------->报文摘要3)若一致,则签名报文m的一定是Bob的私钥;

(四)身份认证0.作用:身份认证(身份鉴别)是一个实体经过计算机网络向另一个实体证明其身份的过程;

3)Bob解密,获得会话密钥,并得知期望和自己通信的是Alice;

2.证书认证机构1>证书认证机构用途要使公钥密码有效,需要证实你拥有的公钥,实际上就是要与你通信的实体公钥;将公钥与特定的实体绑定,通常由认证中心(CertificationAuthority,CA)完成;

2>认证中心(CA)的作用:1)CA可以证实一个实体的真实身份;2)一旦CA验证了某个实体的身份,CA会生成一个把其身份和实体的公钥绑定起来的证书,其中包含该实体的公钥及其全局唯一的身份识别信息等,并由CA对证书进行数字签名;Bob获取个人数字证书(如图)↓

Bob的公钥K+B---->数字签名--->由CA签发的Bob的公钥证书↖(加密)↖↑_↖|CA的私钥KCABob的识别信息---->认证中心(CA)

(六)防火墙与入侵检测系统1.防火墙基本概念防火墙是能够隔离组织内部网络与公共互联网,允许某些分组通过,而阻止其他分组进行或离开内部网络的软件、硬件或软件硬件结合的一种设施;

2.防火墙的分类1)无状态分组过滤器典型部署在内部网络和网络边缘路由器上的防火墙,路由器逐个检查数据报,根据访问控制表(AccessControlList,ACL)实现防火墙规则;

2)有状态分组过滤器跟踪每个TCP连接建立、拆除、根据状态确定是否允许分组通过;

3.入侵检测系统(IDS,IntrusionDetectionSystem)是当观察到潜在的恶意流量时,能够产生警告的设备或系统;

2>安全电子邮件标准:PGP标准(PrettyGoodPrivacy)

3>PGP提供的服务1)邮件加密;报文完整性;数字签名;2)加密算法:公钥加密算法(如RSA)、对称加密算法(如3DES)、散列算法(如SHA-1);

2.安全套接字层SSL(传输层)1>SSL使用原因1)一般Web服务器越强大,包含安全漏洞的概率越高;2)Web浏览器也会遇到各种各样的安全威胁;3)普通Web应用的应用层数据,在传输过程中都以明文形式传输,可能受到攻击;

2>在电子背景下,提出HTTP安全电子商务交易协议;在传输层之上构建一个安全层:安全套接字层(SecureSocketLayer,SSL)传输层安全(TransportLayerSecurity,TLS)

3>SSL可以提供的服务机密性,完整性、身份认证等安全服务;

用到的加密算法:公开密钥加密算法,对称密钥加密算法,MAC算法;

4>SSL协议栈(协议的总和)SSL是介于TCP传输层和HTTP等应用层协议之间的一个可选层,大多数应用层协议直接建立在SSL协议之上,SSL是两层协议;+-------------+----------------+------------+|SSL握手协议|SSL更改密码协议|SSL警告协议|+-------------+----------------+------------+|SSL记录协议|+-------------------------------------------+|TCP|+-------------------------------------------+|IP|+-------------------------------------------+

1)SSL握手协议:在握手过程中需要用到SSL握手协议、SSL更改密码协议,SSL警告协议;作用:协商密码组和建立密码组;服务器认证与鉴别和客户认证与鉴别;

3)SSL警告协议:在发生出错或异常时,为对等实体传递SSL警告或终止当前连接;包含两个字段:警告级别和警告代码;

4)SSL记录协议:描述信息交换过程中的消息格式,前3个协议需要记录协议进行封装与传输;

3.虚拟专用网VPN和IP安全协议IPSec(网络层)1>虚拟专用网VPN建立在公共网络上的安全通道,是用户通过公用网络建立的临时的、安全的连接实现远程用户、分支机构、业务伙伴等与机构总部网络的安全连接,从而构建针对特定组织机构的专用网络,虚拟专用网络最重点的特点就是虚拟;虚拟专用网一般指构建在Internet上能够自我管理的专用网络;关键技术:隧道技术(IPSec),数据加密;身份认证;密钥管理;访问控制;网络管理;

2>隧道:通过Internet提供的点对点的数据传输的安全通道;通过数据加密保证安全,数据进入隧道时,由VPN封装成IP数据报,通过隧道在Internet上传输;离开隧道后,进行解装,数据便不受VPN保护;

3>IPSec体系IPSec是网络层使用的最广泛的安全协议,待IPSec不是一个单一的协议,1)主要包括的协议:封装安全荷载协议(ESP),认证头(AH)协议;2)IPSec传输模式:传输模式和隧道模式*1.传输模式:主机模式,IPSec数据报的发送和接收都是由端系统完成;*2.隧道模式:将IPSec的功能部署在网络边缘的路由器上,路由器之间建立安全隧道,数据报在其中封装装传输;

4>传输模式和协议组合1)传输模式AH;2)隧道模式AH;3)传输模式ESP;4)隧道模式ESP:最广泛和最重要的IPSec形式;//隧道式安全荷载协议

THE END

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