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1、计算机网络知识结构第 1 章 计算机网络概论1.1 计算机网络概述1.网络关键词 1)知识经济：数字化，网络化，信息化2）GII,NII 3)三网融合：电话网，计算机网，有线电视网4）下一代网络5）移动互联网6）物联网、智慧城市、云计算7）网络安全（国家层面）注意：不仅是技术也是经济的驱动力2.计算机网络典型应用1)WWW 应用2)聊天应用( 及时通信)3)搜索引擎 目的：资源共享和相互通信发展方向：既综合又专业（特色）3.计算机网络的功能资源共享相互通信协同处理降低成本4.计算机网络的特点 数据通信的能力成本低、效益高易于分布处理系统灵活性、适应性强5.计算机网络系统组成1）计算机网络=通信
2、子网+ 资源子网2）通信子网完成信息分组的传递工作，每个通信节点具有存储转发功能。公用网3）资源子网包含所有由通信子网连接的主机，向网络提供各种类型的资源。私用网4）通信子网和资源子网可分别建设6.计算机网络的定义把一些独立自主的计算机，通过传输介质连接起来，遵循统一的通信协议，实现相互通信和资源共享的系统。1.2 计算机网络的发展1.第一代计算机网络40 年代，诞生第一台计算机-主机，带终端，用户去机房上机 .50 年代，计算机技术与通信技术相结合，终端通过通信线路连接主机，用户可以在自己的办公室里上机，构成面向终端的计算机网络，又称远程联机系统。IMP：接口报文处理机（节点机） ，提供主机
3、间的通信服务，存储转发方式工作通信子网：IMP 与它们之间的连线，负责通信任务，公用网资源子网：主机及所有连接终端，负责应用，私用网通信子网和资源子网可分别建设3.第三代计算机网络 主机间通信时对信息的理解、表示形式、应答等需遵守共同的约定，即协议，计算机网络的协议分若干层次，各层协议的总和称体系结构.第二代计算机网络的缺点是没有统一的体系结构，各网自行研制，互连困难.70 年代末，国际标准化组织（ISO）开始制定标准，1984 年颁布了 OSI 开放系统互连标准，网络发展进入第三代计算机网络.4.第四代计算机网络网络互联与高速网络。1.3 计算机网络分类可按不同方式分类:距离传输速率传输媒体
4、拓扑结构交换方式等划分1.按距离划分1）局域网 (LAN，Local Area Network)工作范围：10m -1km，同一个楼房、校园2）城域网 (MAN，Metropolitan Area Network)工作范围：1km-几十 km,同一城市3)广域网 (WAN，Wide Area Network)工作范围：几十 km-几千 km,同一国家全球4)接入网、互联网2.按传输速率划分低速网络:传输速率为几十至 10K bps 中速网络:传输速率为几万至几十 M bps高速网络:传输速率为 100M 至几个 G bps 3.按传输媒体划分1)有线计算机网 传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光
5、纤等2)无线计算机网 传输介质有:无线电波、微波、红外线、激光等4.按拓扑结构划分网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构.总线、星形、环形、树形、网状形网状形5.按传输技术划分广播式网络：总线形网、环形网、微波卫星网等。 点到点传播网络：星形、树形、网形等。 6.按适用范围分公用网：如 CHINAPAC 专用网：如微软公司的内部网络7.按交换方式划分1)电路交换网如电话系统2)报文交换如电报 3)分组交换（信元交换） 如因特网、ATM 网络8.分组交换网的原理随时发送存储转发方式共享线路报文划分成大小相等的分组各分组具有目的地址，独立传输1.4 计算机网络的
6、主要性能指标带宽和时延1.带宽(Bandwidth) 指信号具有的频带宽度,有时也指通信线路的的带宽,单位是赫（Hz) 在网络上，传输的是数字信号，带宽指的传送速率，单位 b/s,bps(比特每秒）2.吞吐量（ Throughput）及和带宽的差别吞吐量是实际值带宽是理论值吞吐量0有错 生成多项式 G（X） ，常用的有：CRC-16=X16+X15+X2+1CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC 检错效率非常高CRC 由硬件实现，速度很快例子 设:K（X）=1010110011相当于 X9 + X7 + X5 + X4 + X1 + 1 G（X）=10101相当于 X4 + X2
7、+ 1R（X）=1011F（X）= 10101100111011发方发 F（X）收方做 F（X） / G（X）校验4.1.3 流量控制1.停止等待协议1）完全理想化的数据传输假定 1：链路是理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。假定 2：不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。这是不需要流量控制和差错控制，想发就发。2)具有最简单流量控制的链路层协议下面我们去掉假定 2，保留假定 1 讨论：这就需要流量控制了流量控制的基本方法是收方控制发方的发送速率在这里的方法是：发方每发送一帧就停下来等待收方的确认，然后发下一帧3)实用的停止等待协议现在去掉前面的
8、两个假定，讨论实用的数据链路层协议，这就是说：传输数据的信道不是可靠的(即不能保证所传的数据不产生差错)并且还需要对数据的发送端进行流量控制。协议要点：流量控制还是用发确认帧 ACK 的办法差错控制要复杂些1）若出错，收方向发方发送一个否认帧 NAK，发方重发上一帧2）若帧丢失，发方设置超时定时器，定时到，发方重发上一帧3）若 ACK 丢失，也是定时到，发方重发上一帧4）重复帧，用编号区分5）实际是帧出错和帧丢失统一，收方什么也不做2.连续 ARQ 协议1)为什么要使用连续 ARQ 协议停等协议效率低连续 ARQ 协议: 在发送完一个数据帧后，不是停下来等待应答帧，而是可以连续再发送若干个数据
9、帧。 2)连续 ARQ 协议的要点:数据帧要编号，应答帧本身也必须编号每个数据帧都要设置超时定时器ACKn 表示收到第 n-1 号帧，希望接收 n 号帧。接收端只按续接收数据帧,当帧出错或丢失时,就丢弃后面的帧,当出现差错必须重传时，要向回走 N 个帧，然后再开始重传。ARQ(Automatic Repeat reQuest)自动请求重传:发送端对出错的帧进行重传是自动的,所以停等协议称为 ARQ 协议.连续 ARQ 协议,因为可以连续发 N 帧.同时也称为退后 N 帧协议3)连续 ARQ 协议的特点连续 ARQ 协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率。但另一方面，在重传时又必须把原来已正确传
10、送过的数据帧进行重传，从而降低了效率。3.滑动窗口的概念连续 ARQ 协议在没有收到对方的确认信息情况下， 发送端实际上并不能无限制地发送其数据帧。 因为：(1)当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就可能有很多的数据帧需要重传。(2)为了对所发送出去的大量数据帧进行编号，每个数据帧的发送序号也要占用较多的比特数，这样又增加了一些不必要开销。停等协议只需 1 位编号就可以了,可以重复使用 0 和 1 两个序号同理,连续 ARQ 协议也只需要若干位来编号重复使用就可以了,但需要某种控制机制这就是滑动窗口技术,这就是要在发送端和接收端分别设定所谓的发送窗口和接收窗口发送窗口用来对发送
11、端进行流量控制，而发送窗口的大小 WT 就代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧接收窗口 WR 设置在接收端，是为了控制可以接收哪些数据帧而不可以接收哪些帧。只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。先讨论发送窗口,假定用 3 位编号,0,17,并假定 WT=5(1)发送窗口规则:发送窗口内的帧是允许发送的帧，右侧的帧是不允许发送的帧。收到对几个帧的确认，发送窗口就向右滑动几个帧的位置。允许发送的帧里包括已发送未确认的帧和未发送的帧发出的帧要暂时保存,缓冲器的大小等于 WT(2)接收窗口规则:只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该
12、数据帧收下。否则一律将其丢弃。收到一个序号正确的帧，接收窗口即向前移动一个帧的位置，同时向发送端发送对该号帧的确认信息。(3)接收窗口发送窗口的关系:只有在接收窗口向前移动时，发送窗口才有可能向前移动。正因为收发两端的窗口按照以上的规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。(4)发送序号的长度与发送窗口大小的关系当数据帧的发送序号所占用的比特数一定时，发送窗口的最大值是多少？可以证明，当用 n 个比特进行编号时，若接收窗口的大小为 1，则只有在发送窗口的大小WT2n-1 时，连续 ARQ 协议才能正确运行。(5)典型协议的 WT 和 WR停等协议:WT=1 ，WR=1连续 ARQ(G
13、o-back-N ARQ) :WR=1WT2n-1,若编号为 n 位4.选择重传 ARQ 协议只重传出现差错的数据帧或者是定时器超时的数据帧,这就是选择重传 ARQ 协议出错帧后的正确帧不需重传必须加大接收窗口,不影响发送窗口接收端要设置具有相当容量的缓存空间WT=WR=2n2,若 n=3,则 WT=WR=4适用于内存便宜的情况6.连续 ARQ(Go-back-N ARQ)小结发方可连续发,但超时重传出错后的所有帧收方收到错误帧什么也不做发出的帧要暂时保存若编号为 n 位，则 WT2n-1, WR=1用队列存放已发的、未确认的帧适用质量好的信道4.2 局域网（链路层和物理层）4.2.1 局域网
14、概述1.局域网的特点（1）为一个单位所拥有（2）地理范围有限 （3）速率高2.局域网的拓扑结构（物理拓扑结构）（1）星形（2）环形 （3）总线形（4）树形3.广播式通信局域网共享通信媒体，称为多点接入4.2.2 IEEE 802 标准1.局域网的结构局域网定义了链路层、物理层和传输介质数据链路层又分 2 个子层：LLC 逻辑链路控制MAC 媒体访问控制（1）物理层的主要功能信号的编码与译码； 为进行同步用的前同步码(preamble)的产生与去除；比特的传输与接收。（2）LLC 子层的功能数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在逻辑链路控制 LLC 子层。建立和释放数据链路层的逻辑连接；提供与
15、高层的接口；差错控制；给帧加上序号（4）网络接口卡 NIC：数据的封装与解封 发送时将 LLC 子层交下来的 LLC PDU 加上 MAC 子层的首部和尾部，成为 MAC 帧。接收时将 MAC 帧剥去首部和尾部，然后送交 LLC 子层；链路管理 主要是 CSMA/CD 协议的实现；编码与译码 即曼彻斯特编码与译码；串行、并行数据转换4.2.3 以太网1.传统以太网基本特点传统以太网一般指 10Mb/s 以太网总线和星形以太网的两个标准： DIX Ethernet V2 802.3以太网采用无连接工作方式。不编号，不确认所以，以太网是提供的是不可靠服务使用 CSMA/CD 时，只能进行半双工通信
16、2.CSMA/CDCSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测多点接入：总线型网络载波监听：每一站在发送数据前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：边发送数据边检测信道上是否发生碰撞，一旦信道发生冲突，立即停止发送，然后根据退避算放等待一段随机时间再次发送。从发送数据开始，经过特定的一段时间如果没有发生冲突，就不会发生冲突了，这段时间叫争用期3.退避算法：设基本退避时间为 t=（=51.2)K=重传次数，k,共 32 位,4 个字节表示方法：点分十进制,202.207.80.12. IP 地址的作用IP 地址的作用就是标识网络中的主机 为每个物理网络分配一个特定的网络号 net-id 。这样，同一网络的主机具有相同的网络号，但有不同的主机号。在寻址时，先按 IP 地址中的网络号 net-id 把网络找到，再按主机号 host-id 把主机找到。所以 IP 地址
