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。

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  • 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

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  • 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

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  • 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。

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    • 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

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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。

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    • 示意图

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    • 优缺点：

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    • 交换对比：

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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：

    1. 速率
    2. 带宽
    3. 吞吐量
    4. 时延
      • 发送时延
      • 传播时延
      • 处理时延
      • 排队时延
    5. 时延带宽积
    6. 往返时间RTT
    7. 利用率

  • 非性能特征：

    1. 费用
    2. 质量
    3. 标准化
    4. 可靠性
    5. 可拓展性和可升级性
    6. 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

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具有五层协议的体系结构

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  • 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。

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TCP/IP 的体系结构

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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。

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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

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基本带通调制方法

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物理层下的传输媒介

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  • 导引型传输媒体：

    1. 双绞线
    2. 同轴电缆
    3. 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。

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信道复用技术

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频分复用 FDM

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing）

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时分复用 TDM

时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)

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统计时分复用 STDM

统计时分复用 STDM(Statistic TDM)

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波分复用 WDM

波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

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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

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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）

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  • 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)。

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      • 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)

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      • 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。

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      • “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）

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    • 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)

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点对点协议PPP（重要，待补充）

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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

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  • 协议字段:0x0021,IP数据报；0xC021，LCP数据

  • 字节填充

  • 零比特填充

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PPP协议的工作状态

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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：

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  • 两个层面：

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  • 软件定义网络 SDN（Software Defined Network）

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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)

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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)。

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IP地址

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  • IP地址：｛＜网络号＞，＜主机号＞｝

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  • 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:

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    • 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。

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  • 无分类编 址 CIDR

    • 网络前缀
    • 地址块
    • 地址掩码（子网掩码）

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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。

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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。

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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。

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  • 工作原理：

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  • 四种典型情况：

    • H主机，N网络，R路由器

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    1. H1到H2
    2. H1到H3
    3. R1到H3
    4. R1到H4

IP数据报格式

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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)

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