计算机网络
计算机网络(第八版)
概述
计算机网络 ( 简称为网络 ) 由 若干节点(node) 和 连接这些节点 的**链路(link)**组成 。
网络中的节点可以是计算机、集线器 、交换机或路由器等
网络相连的计算机常称为主机(host) 。 在互连网中不可缺少的路由器 ,是一种特殊的计算机(有中央处理器 、存储器 、操作系统等 ),但不能称为主机。
- 网络把许多计算机连接在一起 , 而互连网则把许多网络通过一些路由 器 连接在一起 。与网络相连的计算机常称为主机
互联网服务提供者/供应商 ISP (Internet Service Provider) 。例如, 中国电信、 中国联通和中国移动等公司 都是我国最有名的ISP 。
互联网交换点IXP (Internet eXchange Point):更快地转发分组 ,更加有效和更加经济地利用网络资源
- 互联网协会(Internet Society , 简称为ISOC) [W-ISOC]
- 其下技术组织叫作互联网体系结构委员会 IAB (Internet Architecture Board) , 负责管理互联网有关协议的开发
- IAB 下面又 设有两个工程部:
- (1) 互联网工程部 IETF (Internet Engineering Task Force)
- (2) 互联网研究部 IRTF (Internet Research Task Force)
- **RFC (Request For Comments)**的意思就是 “ 请求评论 ” 。所有的 RFC 文档都可从互联网上免费下载[W-RFC],而且任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议
互联网的组成
边缘部分
由所有连接在互联网上的主机组成。 这部分是用户直接使用的 ,用来进行通信(传送数据 、音 频或视频)和资源共享。
这些主机又称为端系统(end system) ,可大可小,(摄像头、手机、平板、笔记本、服务器等)
我们说 : “ 主机 A 和主机 B 进 行通信 “ , 实际上是指: ” 运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另 一个程序进行通信 ” 。 由于 “ 进程 ” 就是 “ 运行着的程序 “ , 因此这也就是指: “ 主机 A 的 某个进程和主机 B 上的 另一个进程进行通信 ” 。这种 比较严密的说法通常可 以简称为 “计算机之间通信” 。
网络边缘的通信方式
客户 —服务器方式 ( C/S 方式 )
主机 A 运行客户程序而主机 B 运行服务器程序 。 在 这种情况下 , A 是客户而 B 是服务器。 客 户 A 向服务器 B 发出请求服务 ,而服务器 B 向客 户 A 提供服务 。 这里最主要 的特征就是:
客户是服务请求方 , 服务器是服务提供方。
对等方式 ( P2P 方式)
peer-to-peer, 简写为 P2P。是指两台主机在通信时 , 并不区分哪一个是服务请求方和哪一 个是服务提供方 。 只要两台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 。 这时, 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档 。 因此这种工作方式也称为 P2P 方式
在图l-6中,主机C,D,E和F都运行了P2P程序,因此这几台主机都可进行对等通信(如C和D,E和F,以及C和F)。实际上,对等连接方式从本质上看仍然使用客户-服务器方式,只是对等连接中的每一台主机既是客户同时又是服务器。例如主机C,当C请求D的服务时,C是客户,D是服务器。但如果C又同时向F提供服务,那么C又同时起着服务器的作用
对等连接工作方式可支持大量对等用户(如上百万个)同时工作
核心部分
由大量网络和连接这些网络的路由器组成。 这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)。
在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router),它是一种专用计算机(但不叫作主机)。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
分组交换的特点:
分组交换则采用存储转发技术:
例如,每个数据段为1024bit气在每一个数据段前面,加上一些必要的控制信息组成的首部(header)后,就构成了一个分组(packet)。分组又称为**“包”,而分组的首部也可称为“包头”**。分组是在互联网中传送的数据单元。
示意图
优缺点:
交换对比:
计算机网络的类别
- 作用范围:
- 广域网 WAN (Wide Area Network)
- 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)
- 局域网 LAN (Local Area Network)
- 个人区域网 PAN (Personal Area Network) 、无线个人区域网 WPAN (Wireless PAN)
计算机的性能(很重要,还未补充)
性能特征:
- 速率
- 带宽
- 吞吐量
- 时延
- 发送时延
- 传播时延
- 处理时延
- 排队时延
- 时延带宽积
- 往返时间RTT
- 利用率
非性能特征:
- 费用
- 质量
- 标准化
- 可靠性
- 可拓展性和可升级性
- 易于管理与维护
计算机网络体系结构
协议与划分层次
在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据,就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。这里所说的同步不是狭义的(即同频或同频同相)而是广义的,即在视频讲解一定的条件下应当发生什么事件(例如,应当发送一个应答信息),因而同步含有时序的意思。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议(network protocol)。网络协议也可简称为协议。
网络协议主要由以下三个要素组成:
语法,即数据与控制信息的结构或格式;
语义,即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应;
同步,即事件实现顺序的详细说明。
或称“语法,语义, 动作,时序”
划分层次
具有五层协议的体系结构
- 服务访问点SAP (Service Access Point)
- OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)
- OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU(Service Data Unit),它可以与PDU不一样。例如,可以是多个SDU合成为一个PDU,也可以是一个SDU划分为几个PDU。
TCP/IP 的体系结构
物理层
数据通信基础知识
- 数据通信系统的模型
- 模拟信号,或连续信号 ,代表消息的参数的取值是连续的。
- 数字信号,或离散信号 ,代表消息的参数的取伯是离散的。
常见编码方式
在使用二进制编码时,只有两种不同的码元,一种代表0状态而另 一种代表1状态
基本带通调制方法
物理层下的传输媒介
导引型传输媒体:
- 双绞线
- 同轴电缆
- 光缆(光纤)
非导引型传输媒体:自由空间
信道的极限容量
- 数字通信的优点就是:虽然在信道上传输时会不可避免地产生失真,但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号,那么这种失真对通信质量就可视为无影响。
信道复用技术
频分复用 FDM
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
时分复用 TDM
时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)
统计时分复用 STDM
统计时分复用 STDM(Statistic TDM)
波分复用 WDM
波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
码分复用 CDM
码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)
宽带接入技术(待补充)
FTTx 技术(重要)
光纤同轴混合 网 ( HFC 网 )
ADSL 技术
数据链路层
- 数据链路层使用的信道主要类型:点对点信道、广播信道。
- 局域网虽然是个网络,但我们并不把局域网放在网络层讨论,这是因为网络层要讨论的问题是多个网络互连的问题,是讨论分组怎样从一个网络,通过路由器,转发到另一个网络。
- 在本章中我们研究的是在同一个局域网中,分组怎样从一主机传送到另一台主机,但并不经过路由器转发。从整个的互联网来看,局域网仍属于数据链路层的范围
数据链路层的几个共同问题
- 链路(Link)就是从一个节点到相邻节点的一段物理线路(有线或无线),而中间没有其他交换节点。
- 数据链路(data link)除了必须有一条物理线路外,还必须要有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用网络适配器(既有硬件,也包括软件)来实现这些协议。
- 早期的数据通信协议曾叫作通信规程( procedure)。 因此在数据链路层, 规程和协议是同义语。
- 点对点信道的数据链路层的协议数据单元一一帧
- 网络层协议数据单元就是 IP 数据报(或简称为数据报、分组或包)
三个基本问题:
封装成帧( framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部, 这样就构成 了一个帧。每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit)。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧界定(即确定帧的界限),首部和尾部还包括许多必要的控制信息。
控制字符(0x01)SOH(Start Of Header),(0x04)EOT ( End Of Transmission)
由于使用了帧定界符,接收端就知道前面收到的数据是个不完整的帧(只有首部开始符SOH而没有传输结束符EOT),必须丢弃。而后面收到的数据有明确的帧定界符(SOH和EOT),因此这是一个完整的帧,应当收下。
透明传输
由于帧的开始和结束的标记使用专门指明的控制字符,因此,所传输的数据中的任何8比特的组合一定不允许和用作帧界定的控制字符的比特编码一样,否则就会出现帧界定的错误。
“透明”具体的方法是:发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)
差错检测(重要)
- 可分为两大类:有比特差错(1变0,0变1);无比特差错,但却出现了帧丢失、帧重复或帧失序。
在一段时间内,传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER(Bit Error Rate)。例如,误码率为10^-10^时,表示平均每传送10^10^个比特就会出现一个比特的差错。
误码率与信噪比有很大的关系。如果设法提高信噪比,就可以使误码率减小。实际的通信链路并非是理想的,它不可能使误码率下降到零。因此,为了保证数据传输的可靠性,必须采用各种差错检测措施。目前在数据链路层广泛使用了**循环冗余检验CRC(Cyclic Redundancy Check)**的检错技术。
循环冗余检验 CRC,帧检验序列 FCS(Frame Check Sequence)
点对点协议PPP(重要,待补充)
PPP协议的特点
应满足的需求:
简单、封装成帧、透明性、多层网络协议、多种类型链路、差错检测、检测链接状态、最大传送单元、网络层地址协商、数据压缩协商
组成:
- 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
- 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP(Link Control Protocol)。
- 一套网络控制协议NCP(Network Control Protocol),其中的每一个协议支持不同的网络层协议,如IP、OSI的网络层、DECnet和AppleTalk等。
PPP协议的帧格式
协议字段:0x0021,IP数据报;0xC021,LCP数据
字节填充
零比特填充
PPP协议的工作状态
使用广播信道的数据链路层(重要,待补充)
拓展的以太网
高速以太网
网络层
网络层不提供服务质量的承诺。
- 两个服务:
两个层面:
软件定义网络 SDN(Software Defined Network)
网际协议 IP
网际协议 IP (Internet Protocol)是TCP/IP体系中两个最主要的协议之,也是最重要的互联网标准协议之一。
与协议 IP 配套使 用的还有 三个协议:
地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)
网际控制 报文协议 ICMP ( Internet Control Message Protocol)
网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)
虚拟互联网络
- 将网络互相连接起来要使用一些中间设备。
- 物理层使用的中间设备叫作转发器(repeater)。
- 数据链路层使用的中间设备叫作网桥或桥接器(bridge),以及交换机(switch)。
- 网络层使用的中间设备叫作路由器(router)
- 在网络层以上使用的中间设备叫作网关(gateway)。
IP地址
IP地址:{<网络号>,<主机号>}
IP地址指明了连接到某个网络上的一个主机(或路由器)。
分类:
第一,网络号为全0的IP地叮有特殊的用途,它表示**“本网络”**;
第二,网络号为127(即01111111)保留作为本地软件**环回测试(loopback test)**本主机的进程之间的通信之用。
无分类编 址 CIDR
- 网络前缀
- 地址块
- 地址掩码(子网掩码)
A类网络,地址掩码为255.0.0.0或255.0.0.0/8
B类网络,地址掩码为255.255.0.0或255.255.0.0/16
C类网络,地址掩码为255.255.255.0或255.255.255.0/24
网络前缀越短的地址块所包含的地址数就越多。
IP地址与MAC地址
在局域网中,由于MAC地址已固化在网卡上的ROM中,因此常常将MAC地址称为硬件地址或物理地址。
地址解析协议 ARP
已经知道了一个机器(主机或路由器)的IP地址,需要找出其相应的MAC地址。
- 工作原理:
四种典型情况:
- H主机,N网络,R路由器
- H1到H2
- H1到H3
- R1到H3
- R1到H4
IP数据报格式
IP层转发分组的过程
网际控制报文协议 ICMP
IPV6
传输层
应用层
网络安全
互联网上的音频/视频服务
无线网络和移动网络
英文缩写
国际标准化组织ISO
开放系统互连基本参考模型OSI/RM(Open Systems Interconnection Reference Model),简称为OSI。
帧检验序列 FCS(Frame Check Sequence)
[COME0 6]: