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计算机网络复习主讲：主讲：方睿方睿第 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1/31/20232 2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1/31/20233 3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。1/31/20234 4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。1/31/20235 5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(packet switching)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。1/31/20236 6网络工程系：方睿三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组 分组 分组存储转发存储转发存储转发存储转发1/31/20237 7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1/31/20238 8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u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。u因特网(Internet)是“网络的网络”。uu计算机网络计算机网络计算机网络计算机网络（Network）是将处在是将处在不同地理不同地理位置位置且且相互独立相互独立的的计算机或设备计算机或设备，通过，通过通信通信介质介质和和网络设备网络设备按照特定的按照特定的网络协议网络协议相互连相互连接起来，利用接起来，利用网络操作系统网络操作系统进行管理和控制。进行管理和控制。从而实现从而实现信息传输和资源共享信息传输和资源共享的一种信息系的一种信息系统。统。1/31/20239 9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 binary digit，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(data rate)或比特率(bit rate)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。1/31/20231010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)。1/31/20231111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。1/31/20231212网络工程系：方睿时延 四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1/31/20231313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1/31/20231414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。1/31/20231515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。1/31/20231616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。1/31/20231717网络工程系：方睿五层协议的体系结构 应用层(application layer)运输层(transport layer)网络层(network layer)数据链路层(data link layer)物理层(physical layer)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1/31/20231818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)1/31/20231919网络工程系：方睿5 TCP/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。1/31/20232020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 3Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上1/31/20232121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1/31/20232222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（Differential Manchester）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1/31/20232323网络工程系：方睿2 信道的极限容量C=W log2(1+S/N)b/s uW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；uS 为信道内所传信号的平均功率；uN 为信道内部的高斯噪声功率。1/31/20232424网络工程系：方睿3 通信介质双绞线u屏蔽双绞线 STPu无屏蔽双绞线 UTP光缆1/31/20232525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 CDM1/31/20232626网络工程系：方睿时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd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。1/31/20232727网络工程系：方睿统计时分复用 STDM用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用1/31/20232828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(inner product)都是 01/31/20232929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1/31/20233030网络工程系：方睿5 数字传输系统PCM的过程：采样、量化、编码1/31/20233131网络工程系：方睿5数字传输系统PCM转换过程及波形示意图模拟信号模拟信号采样时钟采样时钟PAM 信号信号PCM 信号信号采样电路采样电路量化和编码量化和编码数字化信号数字化信号PCM原理框图原理框图0111000110110011003.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100 原始信号原始信号 PAM脉冲脉冲 PCM 脉冲脉冲 有量化差错有量化差错 PCM 输出输出波形示意图波形示意图1/31/20233232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4013811001/31/20233333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1/31/20233434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 1/31/20233535网络工程系：方睿2 PPP 协议的帧格式PPP 有一个 2 个字节的协议字段。u当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。u若为 0 xC021,则信息字段是 PPP 链路控制数据。u若为 0 x8021，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1/31/20233636网络工程系：方睿3 载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“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。1/31/20233737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10101010101010 10101010101010101011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1/31/20233838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1/31/20233939网络工程系：方睿透明网桥工作原理归纳为透明网桥工作原理归纳为学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。帧，广播未知帧。生成树生成树STPuSTPuRSTPuMSTP1/31/20234040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 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节2 字节插入 4 字节的 VLAN 标记4用户优先级CFI1/31/20234141网络工程系：方睿第第 4 章章 网络层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 NAT1/31/20234242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1/31/20234343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）IGMP1/31/20234444网络工程系：方睿地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP IP 地址物理地址ARP物理地址IP 地址RARP1/31/20234545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 R2 IP1 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1/31/20234646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1/31/20234747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-prefix matching)。网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(more specific)。最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。1/31/20234848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）1/31/20234949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1/31/20235050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1/31/20235151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 16 2 1BGP 报文主体部分类 型长 度标 记TCP首部IP 首部BGP 报文TCP 报文1/31/20235252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，1/31/20235353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 M1 个1 个1 个1 个1 个发送 1 次多播复制1/31/20235454网络工程系：方睿X10.1.0.1用隧道技术实现虚拟专用网 部门 A因特网部门 BR1R2隧道125.1.2.3194.4.5.6Y10.2.0.3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：125.1.2.3目的地址：194.4.5.6数据报首部部门 A部门 BXYR1R2125.1.2.3194.4.5.610.1.0.110.2.0.3虚拟专用网 VPN1/31/20235555网络工程系：方睿第第 5 章章 运输层运输层用户数据报协议 UDP传输控制协议 TCP1/31/20235656网络工程系：方睿1 UDP 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1/31/20235757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 0 8 16 24 31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 1/31/20235858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。1/31/20235959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1/31/20236060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=y 1CLOSEDCLOSED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=x 11/31/20236161网络工程系：方睿CLOSEDACK=1,seq=u+1,ack=w 1FIN=1,seq=uACK=1,seq=v,ack=u 1FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u 1FIN-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CLOSED5.9.2 TCP 的连接释放 TCP 连接必须经过时间 2MSL 后才真正释放掉。1/31/20236262网络工程系：方睿第第 6 章章 应用层应用层域名系统 DNS文件传送协议FTP万维网 WWW电子邮件动态主机配置协议 DHCP1/31/20236363网络工程系：方睿本地域名服务器采用迭代查询 顶级域名服务器权限域名服务本地域名服务器根域名服务器迭代查询 的 IP 地址 递归查询需要查找 的 IP 地址1/31/20236464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1/31/20236565网络工程系：方睿万维网提供分布式服务 万维网站点 A万维网站点 C万维网站点 E万维网站点 D万维网站点 B链接到链接到链接到链接到链接到链接到1/31/20236666网络工程系：方睿万维网的工作过程 因特网服务器链接到URL的超链HTTP 使用此 TCP 连接浏览器 程序服务器 程序HTTP客户清华大学院系设置建立 TCP 连接释放 TCP 连接HTTP 响应报文 响应文档HTTP 请求报文 请求文档1/31/20236767网络工程系：方睿电子邮件的最主要的组成构件 发送方邮件缓存 接收端邮件服务器用户代理SMTPSMTPPOP3 发送端邮件服务器用户代理用户邮箱接收方(发送邮件)（发送邮件）(读取邮件)因特网SMTPPOP3发送邮件发送邮件 SMTP读取邮件TCP连接TCP连接发送方邮件服务器SMTP客户POP3客户发件人用户代理接收方邮件服务器SMTP服务器POP3服务器SMTP服务器SMTP客户收件人用户代理TCP 连接1/31/20236868网络工程系：方睿DHCP服务的工作原理服务的工作原理vDHCP工作站第一次登录网络时工作站第一次登录网络时，它主要通过它主要通过四个四个阶段与阶段与DHCP服务器建立联系：服务器建立联系：DHCPDHCP服务器收服务器收到到DHCPDHCP客户端客户端的要求的要求IPIP地址地址的的DHCPRequestDHCPRequest信息后，利用信息后，利用广播方式给客广播方式给客户端送出户端送出DHCPackDHCPack确认信确认信息。息。当当DHCPDHCP客户端挑客户端挑选好第一个收到选好第一个收到的的DHCPofferDHCPoffer信信息后，利用广播息后，利用广播方式响应一个方式响应一个DHCPRepuestDHCPRepuest信信息给服务器。息给服务器。DHCP客户端会发出一个DHCPDiscover的广播信息到网络，以便查找一台能够提供IP地址的DHCP服务器当网络中的当网络中的DHCPDHCP服务器收服务器收到客户端的到客户端的DHCPDiscoverDHCPDiscover信息后，它就信息后，它就由由IPIP池中选择池中选择一个没有出租一个没有出租的的IPIP地址，利地址，利用广播发送给用广播发送给客户端客户端（DHCPOfferDHCPOffer）1/31/20236969网络工程系：方睿第第 7 章章 无线网络无线网络无线局域网 WLAN无线个人区域网 WPAN无线城域网 WMAN1/31/20237070网络工程系：方睿覆盖范围几种无线网络的比较 1 Gb/s100 Mb/s10 Mb/s1 Mb/s100 kb/s10 kb/s用户数据率PAN LAN MAN WAN802.15.4ZigBee802.15.1蓝牙802.15.3超宽带802.11g,a802.11b802.162G移动通信3G移动通信4G移动通信Wi-FiWiMAX1/31/20237171网络工程系：方睿