課時1 計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

1.1計算機網(wǎng)絡概述

計算機網(wǎng)絡的組成

從組成部分看：

一個完整的計算機網(wǎng)絡主要由硬件、軟件、協(xié)議三大部分組成，缺一不可。

硬件主要指：主機、通信鏈路、交換設備和通信設備等；

軟件主要指：用戶使用的各種軟件；

協(xié)議指：網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)時需遵循的規(guī)范。

從工作方式看：

可分為邊緣部分和核心部分。

邊緣部分由所有連接到因特網(wǎng)上供用戶使用的主機；

核心部分由大量的網(wǎng)絡和連接網(wǎng)絡的路由器組成。

例如我們使用的校園網(wǎng)，我的電腦就屬于邊緣部分，用戶基本上都是使用邊緣部分，而校園網(wǎng)的路由器屬于核心部分，為用戶提供服務屬于核心部分

從功能組成看：

計算機網(wǎng)絡由通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)組成。

通信子網(wǎng)由各種傳輸介質(zhì)、通信設備和響應的網(wǎng)絡協(xié)議組成；

資源子網(wǎng)是實現(xiàn)資源共享功能的設備及其軟件的集合，向網(wǎng)絡用戶提供服務。

通信子網(wǎng)：快遞運到中間傳輸站再運到我們手中，通信子網(wǎng)負責傳輸

資源子網(wǎng)：口紅、包裝帶、快遞盒，資源子網(wǎng)負責包裝

計算機網(wǎng)絡的功能

數(shù)據(jù)通信：網(wǎng)絡最基本和最重要的功能，用來實現(xiàn)信息的傳輸

資源共享：使計算機網(wǎng)絡分工協(xié)作，互通有無

分布式處理：將某個復雜任務分配給網(wǎng)絡中的其他計算機系統(tǒng)

提高可靠性：計算機網(wǎng)絡中各臺計算機可以通過網(wǎng)絡互為替代機

負載均衡：將工作均衡地分配給計算機網(wǎng)絡中的各臺計算機

計算機網(wǎng)絡的分類

按分布范圍分類：

• 廣域網(wǎng)，范圍通常幾十千米-幾千千米
• 城域網(wǎng)，幾個街區(qū)或整個城市
• 局域網(wǎng)，幾十米到幾千米
• 個人區(qū)域網(wǎng)，直徑約10m

按傳輸技術分類：

• 廣播式網(wǎng)絡，所有計算機共享一個公共通信信道

電視

• 點對點網(wǎng)絡，每條物理線路連接一對計算機

打電話

按拓撲結(jié)構(gòu)分類：?? ?

• 總線形網(wǎng)絡
• 星形網(wǎng)絡

7個節(jié)點、6條鏈路

• 環(huán)形網(wǎng)絡
• 網(wǎng)狀形網(wǎng)絡

按交換技術分類：

• 電路交換網(wǎng)絡，在發(fā)送、接收雙方建立一條專用的通路用于數(shù)據(jù)傳輸
• 報文交換網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)加上地址等信息，進行轉(zhuǎn)發(fā)，每個報文自行選擇路線
• 分組交換網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)分成較小的數(shù)據(jù)塊，類似報文交換，只是將報文分成更小的多個分組

按傳輸介質(zhì)分類：

• 分為有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡?

?計算機網(wǎng)絡的性能指標

時延：

• 發(fā)送時延：從發(fā)送分組的第一個比特算起，到該分組最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間 ?

發(fā)送完成時間-開始發(fā)送時間

• 傳播時延：一個比特從鏈路一端到另一端所需的時間

A的一個比特傳輸?shù)紹的時間

• 處理時延：分析地址部分、進行差錯檢驗等花費的時間

A信息到路由器處理的時間

• 排隊時延：在進入路由器后等待處理的時間

同一個路由器ABC都到了，BC在等待的時間

往返時延： 從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到來自接受端的確認，總共經(jīng)歷的時間

吞吐量：

單位時間通過某個網(wǎng)絡（或接口）的數(shù)據(jù)量

速率：

連接到計算機網(wǎng)絡上的主機在數(shù)字信道上傳送數(shù)據(jù)的速率，也稱數(shù)據(jù)率或比特率。通常，把最高數(shù)據(jù)率稱為帶寬

時延帶寬積：

指發(fā)送端第一個比特即將到達終點時，發(fā)送端已經(jīng)發(fā)出了多少個比特。時延帶寬積=傳播時延*信道帶寬

1.2分層結(jié)構(gòu)

基本原則：

每層都實現(xiàn)一種相對獨立的功能，降低大系統(tǒng)的復雜度各層之間界面自然清晰，易于理解，相互交流盡可能少

各層功能的精確定義獨立于具體的實現(xiàn)方法，可以采用最合適的技術來實現(xiàn)

保持下層對上層的獨立性，上層單向使用下層提供的服務整個分層結(jié)構(gòu)應能促進標準化工作

兩個主機通信時，同一層在邏輯上有一條直接信道，表現(xiàn)為不經(jīng)過下層就把信息傳送到對方

協(xié)議、接口與服務

協(xié)議：

協(xié)議即規(guī)則的集合，由語法、語義和同步三部分組成。

語法規(guī)定了傳輸數(shù)據(jù)的格式；

語義規(guī)定了所要完成的功能；

同步規(guī)定了執(zhí)行各種操作的時序關系等。

接口：

接口是相鄰兩層交換信息的連接點

服務：

服務是指下層為緊鄰的上層提供的功能調(diào)用

注意：協(xié)議和服務在概念上是不一樣的，只有本層協(xié)議的實現(xiàn)才能保證向上層提供服務

計算機網(wǎng)絡的服務可分為三種：

1、面向連接服務與無連接服務：

面向連接服務中，通信前雙方必須先建立連接，分配資源，再進行數(shù)據(jù)傳送，傳輸結(jié)束釋放連接

無連接服務中，通信雙方不需要先建立連接，需要發(fā)送數(shù)據(jù)時可直接發(fā)送，通常被稱為“盡最大努力交付”

2、可靠服務與不可靠服務：

可靠服務是指網(wǎng)絡具有糾錯、檢錯機制，保證數(shù)據(jù)正確可靠

不可靠服務是指網(wǎng)絡的正確性、可靠性由應用或用戶來保障

3、有應答服務和無應答服務：

有應答服務即接收方在收到數(shù)據(jù)后向發(fā)送方給出相應的應答

無應答服務即接收方在收到數(shù)據(jù)后不自動給出相應的應答

ISO/OSI模型

物理層：物理層的傳輸單位是比特，任務是透明的傳輸比特流，功能是在物理媒體上為數(shù)據(jù)端設備透明地傳輸原始比特流

數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸單位是幀，任務是將網(wǎng)絡層傳來的 IP 數(shù)據(jù)報組裝成幀。數(shù)據(jù)鏈路層的功能可以概括為成幀、差錯控制、流量控制和傳輸管理等

網(wǎng)絡層： 網(wǎng)絡層的傳輸單位是數(shù)據(jù)報，主要任務是把網(wǎng)絡層的分組從源端傳到目的端，為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信服務

傳輸層： 輸層也稱運輸層，傳輸單位是報文段（TCP）或用戶數(shù)據(jù)報（UDP），傳輸層負責主機中兩個進程之間的通信

會話層： 會話層允許不同主機上的各個進程之間進行會話。會話層利用傳輸層提供的端到端的服務，為表示層實體或用戶進程建立連接并在連接上有序地傳輸數(shù)據(jù)，這就是會話，也稱建立同步

表示層： 表示層主要處理在兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式，數(shù)據(jù)壓縮、加密和解密也是表示層可提供的數(shù)據(jù)表示變換功能。

應用層： 是用戶與網(wǎng)絡的界面

TCP/IP模型

二者的不同：

OSI模型定義了三個主要概念：服務、協(xié)議和接口

TCP/IP在這個三個概念上沒有明確區(qū)分

OSI模型在網(wǎng)絡層支持無連接和面向連接的通信，但在傳輸層僅有面向連接的通信

TCP/IP在網(wǎng)際層僅有一種無連接的通信模式，但在傳輸層支持無連接和面向連接兩種模式

課時2 物理層

2.1 基礎

通信基礎

概念

• 數(shù)據(jù)： 傳送信息的實體
• 信號： 數(shù)據(jù)的電氣或電磁表現(xiàn)
• 模擬信號：連續(xù)變化的數(shù)據(jù)或信號
• 數(shù)字信號：離散的
• 碼元： 指用一個固定時長的信號波形（數(shù)字脈沖）表示一位k進制數(shù)字，代表不同離散數(shù)值的基本【波形】

通信主題

• 信源： 產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù)的源頭
• 信道： 信號傳輸媒介
• 信宿： 接收數(shù)據(jù)的終點

交互方式

• 單工通道： 只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條信道。例如，無線電廣播、電視廣播就屬于這種類型

類似電視

• 半雙工通道： 通信的雙方都可以發(fā)送或接收信息，但任何一方都不能同時發(fā)送和接收信息，此時需要兩條信道。

類似打電話

• 全雙工通道： 通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息，也需要兩條信道。信道的極限容量是指信道的最高碼元傳輸速率或信道的極限信息傳輸速率

奈奎斯特定理

規(guī)定∶ 在理想低通（沒有噪聲、帶寬有限）的信道中，

為了避免碼間串擾【傳輸速率過快時，傳輸時前一個信號對后一個信號干擾或信號失真】，極限碼元傳輸速率為2W波特，

其中W是理想低通信道的帶寬【最高數(shù)據(jù)率】，V表示每個碼元離散電平的數(shù)目

公式：理想低通信道下的極限數(shù)據(jù)傳輸速率=(單位為b/s)

V：幾種不同的物理狀態(tài)

V=2???????? log2V=1

?V=4??????? log2V=2

可以得出以下結(jié)論：

在任何信道中，碼元傳輸速率是有上限的。

若傳輸速率超過此上限，就會出現(xiàn)嚴重的碼間串擾問題，使得接收端不可能完全正確識別碼元。

道的頻帶越寬【W(wǎng)越大】（即通過的信號高頻分量越多），就可用更高的速率進行碼元的有效傳輸

奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并未對信息傳輸速率給出限制，

即未對一個碼元可以對應多少個二進制位給出限制

香農(nóng)定理

香農(nóng)（Shannon）定理給出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率，

當用此速率進行傳輸時，可以做到不產(chǎn)生誤差

公式：信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率=(單位為b/s)

可以得出 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率越高

以下結(jié)論：對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限是確定的

只要信息傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就能找到某種方法來實現(xiàn)無差錯的傳輸

香農(nóng)定理得出的是極限信息傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少

編碼與調(diào)制

編碼：數(shù)據(jù)變換為數(shù)字信號的過程

常見的幾種編碼：

歸零編碼：每個數(shù)字的末端都要歸零【低電平】

非歸零編碼：遇到1高電平，遇到0低電平

反向非歸零編碼：遇到1不變，遇到0反向

曼徹斯特編碼：高電平轉(zhuǎn)低電平為1，低電平轉(zhuǎn)高電平為0

差分曼徹斯特煽碼：遇到1不變，遇到0反向，中間轉(zhuǎn)換方向

調(diào)制：數(shù)據(jù)變換為模擬信號的過程

基帶信號：數(shù)字信號
2ASK：幅度調(diào)制
2FSK：調(diào)頻
2PSK：相位

幾種常見的調(diào)制：

幅移鍵控（ASK）

通過改變載波信號的振幅來表示數(shù)字信號1和0

頻移鍵控（FSK）

通過改變載波信號的頻率來表示數(shù)字信號1和 0

相移鍵控（PSK）

通過改變載波信號的相位來表示數(shù)字信號1和0

模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號： 主要包括 三個步驟，即采樣、量化和編碼

采樣定理

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時，假設原始信號中的最大頻率為f，那么采樣頻率f采樣必須大于等于最大頻率f的兩倍，才能保證采樣后的數(shù)字信號完整保留原始模擬信號的信息（只需記住結(jié)論）

量化

是把采樣取得的電平幅值按照一定的分級標度轉(zhuǎn)化為對應的數(shù)字值并取整數(shù)，這樣就把連續(xù)的電平幅值轉(zhuǎn)換為了離散的數(shù)字量

編碼

是把量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為與之對應的二進制編碼

交換

電路交換：

兩個結(jié)點之間必須先建立一條專用的物理通信路徑，直到通信結(jié)束后才被釋放

分為三個階段：連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。

優(yōu)點： 通信時延小，由于通信線路為通信雙方用戶專用，因此傳輸數(shù)據(jù)的時延非常小，當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大時，這一優(yōu)點非常明顯

有序傳輸，雙方通信時按發(fā)送順序傳送數(shù)據(jù)，不存在失序問題

優(yōu)點：沒有沖突，不同的通信雙方擁有不同的信道，不會出現(xiàn)爭用物理信道的問題

適用范圍廣，電路交換既適用于傳輸模擬信號，又適用于傳輸數(shù)字信號

實時性強，通信雙方之間的物理通路一旦建立，雙方就可以隨時通信

控制簡單，電路交換的交換設備（交換機等）及控制均較簡單

缺點：建立連接時間長；線路獨占，使用效率低；

靈活性差；難以規(guī)格化

報文交換：

數(shù)據(jù)交換的單位是報文，報文攜帶有目標地址、源地址等信息。報文交換在交換結(jié)點采用的 是存儲轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸方式

優(yōu)點：無須建立連接，報文交換不需要為通信雙方預先建立一條專用的通信線路，不存在建立連接時延，用戶可以隨時發(fā)送報文

動態(tài)分配線路，當發(fā)送方把報文交給交換設備時，交換設備先存儲整個報文，然后選擇條合適的空閑線路，將報文發(fā)送出去

?

優(yōu)點： 提高線路可靠性，如果某條傳輸路徑發(fā)生故障，那么可重新選擇另一條路徑傳輸數(shù)據(jù)，因此提高了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

提高線路利用率，通信雙方不是固定占有一條通信線路，而是在不同的時間一段一段地部分占有這條物理通道，因而大大提高了通信線路的利用率

缺點： 數(shù)據(jù)進入交換結(jié)點后要經(jīng)歷存儲、轉(zhuǎn)發(fā)這一過程，因此會引起轉(zhuǎn)發(fā)時延；

報文交換對報文的大小沒有限制，這就要求網(wǎng)絡結(jié)點需要有較大的緩存空間

分組交換

同報文交換一樣，分組交換也采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，

但限制了每次傳送的數(shù)據(jù)塊大小的上限，把大的數(shù)據(jù)塊劃分為合理的小數(shù)據(jù)塊

優(yōu)點： 簡化了存儲管理（相對于報文交換）

減少了出錯概率和重發(fā)數(shù)據(jù)量。因為分組較短，其出錯概率必然減小，即使出錯重發(fā)的數(shù)據(jù)量也大大減少，

缺點： 需要傳輸額外的信息量，每個小數(shù)據(jù)塊都要加上源地址、目的地址和分組編號等信息，從而構(gòu)成分組，一定程度上降低了通信效率

當分組交換采用數(shù)據(jù)報服務時，可能會出現(xiàn)失序、丟失或重復分組，分組到達目的結(jié)點時，要對分組按編號進行排序等工作

分組交換

分組交換根據(jù)其通信子網(wǎng)向端點系統(tǒng)提供的服務，還可進一步分為面向連接的虛電路方式和無連接的數(shù)據(jù)報方式

數(shù)據(jù)報

在網(wǎng)絡層加上地址等控制信息后形成的數(shù)據(jù)報分組，在中間結(jié)點存儲分組很短一段時間，找到最佳的路由后，盡快轉(zhuǎn)發(fā)每個分組。

不同的分組可以走不同的路徑，也可以按不同的順序到達目的結(jié)點

• 不需要建立連接
• 不保證可靠性
• 需要排隊等候處理
• 對故障的適應能力強
• 不獨占某條鏈路

虛電路

虛電路方式試圖將數(shù)據(jù)報方式與電路交換方式結(jié)合起來，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點，以達到最佳的數(shù)據(jù)交換效果

在分組發(fā)送之前，要求在發(fā)送方和接收方建立一條邏輯上相連的虛電路，

并且連接一旦建立，就固定了虛電路所對應的物理路徑。

與電路交換類似，整個通信過程分為三個階段∶ 虛電路建立、數(shù)據(jù)傳輸與虛電路釋放

• 建立和拆除需要時間開銷
• 提供了可靠的通信功能
• 虛電路易遭到破壞
• 分組首部只包含虛電路標識符

2.2傳輸介質(zhì)

雙絞線

• 屏蔽雙絞線
• 無屏蔽雙絞線

同軸電纜

• 基帶同軸電纜
• 寬帶同軸電纜

光纖

• 單模光纖
• 多模光纖

無線傳輸介質(zhì)

• 無線電波
• 微波、紅外線和激光

接口特性

機械特性。指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等

電氣特性。指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍

功能特性。指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義

過程特性?；蚍Q規(guī)程特性。指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序

物理層設備

中繼器

將信號整形并放大再轉(zhuǎn)發(fā)出去，以消除信號經(jīng)過一長段電纜后而產(chǎn)生的失真和衰減，使信號的波形和強度達到所需要的要求，進而擴大網(wǎng)絡傳輸?shù)木嚯x

其原理是信號再生（而非簡單地將衰減的信號放大）

集線器

集線器（Hub）實質(zhì)上是一個多端口的中繼器；如果同時有兩個或多個端口輸入，那么輸出時會發(fā)生沖突，致使這些數(shù)據(jù)都無效

2.3練習題

【題1】對于某帶寬為4000Hz的低通信道，采用16種不同的物理狀態(tài)來表示數(shù)據(jù)。按照奈奎斯特定理，信道的最大傳輸速率是（ ）

A. 4kb/s

B. 8kb/s

C.16kb/s

D.32kb/s

根據(jù)奈奎斯特定理，本題中W=4000Hz，最大碼元傳輸速率 =2W=8000Baud，

16種不同的物理狀態(tài)可表示 log16=4 比特數(shù)據(jù)，所以信道的最大傳輸速率 =8000×4=32kb/s

課時3 數(shù)據(jù)鏈路層

3.1 功能

數(shù)據(jù)鏈路層的功能：為網(wǎng)絡層提供服務

無確認的無連接服務

源機器發(fā)送數(shù)據(jù)幀時不需先建立鏈路連接，目的機器收到數(shù)據(jù)幀時不需發(fā)回確認。

對丟失的幀，數(shù)據(jù)鏈路層不負責重發(fā)，而交給上層處理

有確認的無連接服務

源機器發(fā)送數(shù)據(jù)幀時不需先建立鏈路連接，但目的機器收到數(shù)據(jù)幀時必須發(fā)回確認。

源機器在所規(guī)定的時間內(nèi)未收到確定信號時，就重傳丟失的幀，以提高傳輸?shù)目煽啃?/p>

有確認的面向連接服務

幀傳輸過程分為三個階段∶ 建立數(shù)據(jù)鏈路、傳輸幀、釋放數(shù)據(jù)鏈路。

目的機器對收到的每一幀都要給出確認，源機器收到確認后才能發(fā)送下一幀，

因而該服務的可靠性最高

連接就一定要有確認，即不存在無確認的面向連接的服務

幀定界、幀同步與透明傳輸

流量控制

差錯控制

3.2 組幀

字符計數(shù)法

字符計數(shù)法是指在幀頭部使用一個計數(shù)字段來標明幀內(nèi)字符數(shù)，

目的結(jié)點的數(shù)據(jù)鏈路層收到字節(jié)計數(shù)值時，就知道后面跟隨的字節(jié)數(shù)，從而可以確定幀結(jié)束的位置

字符填充的首尾定界符法

符填充法使用特定字符來定界一幀的開始與結(jié)束，在特殊字符前面填充一個轉(zhuǎn)義字符（ESC）來加以區(qū)分

零比特填充的首尾標志法

即使用01111110來標志一幀的開始和結(jié)束。

發(fā)送方的數(shù)據(jù)鏈路層在信息位中遇到5個連續(xù)的"1"時，將自動在其后插入一個"0";

而接收方做該過程的逆操作，即每收到 5 個連續(xù)的"1"時，自動刪除后面緊跟的"0"
?

違規(guī)編碼法

如，曼徹斯特編碼方法將數(shù)據(jù)比特"1"編碼成"高-低"電平對，將數(shù)據(jù)比特"0"編碼成"低-高"電平對，而"高-高"電平對和"低低"電平對在數(shù)據(jù)比特中是違規(guī)的

3.3 差錯控制

檢錯編碼

奇偶校驗碼

如果是奇校驗碼，那么在附加一個校驗元后，碼長為n的碼字中"1"的個數(shù)為奇數(shù)

如果是偶校驗碼，那么在附加一個校驗元以后，碼長為n的碼字中"1"的個數(shù)為偶數(shù)

循環(huán)冗余碼

任何一個由二進制數(shù)位串組成的代碼都可以與一個只含有0和1兩個系數(shù)的多項式建立一一對應關系

例如，1110011有7位，表示成多項式是X^6+X^5+X^4+X^1+1,而多項式X^5+X^4+X^2+X^1對應的位串是110110，其運算過程如圖

設G（x）=1101，待傳送數(shù)據(jù)M=101001（即m=6），經(jīng)模2除法運算后的結(jié)果是:

商Q=110101（這個商沒什么用），余數(shù)R=001，所以發(fā)送出去的數(shù)據(jù)為101001001

糾錯編碼（海明碼）

設n為有效信息的位數(shù)，k為校驗位的位數(shù)，則信息位n和校驗位k應滿足n+k≤2^k-1

規(guī)定校驗位P，在海明位號為2^?的位置上，其余各位為信息位

設信息位為D4D3D2D1（1010），共4位，校驗位為 P3P2P1共3位，對應的海明碼為H7H6H5H4H3H2H1

校驗原理

1010對應的海明碼為1010010?

?S3S2S1

流量控制與可靠傳輸機制

滑動窗口機制

停止-等待流量控制基本原理

發(fā)送方每發(fā)送一幀，都要等待接收方的應答信號，之后才能發(fā)送下一幀；

接收方每接收一幀，都要反饋一個應答信號，表示可接收下一幀，如果接收方不反饋應答信號，那么發(fā)送方必須一直等待

多幀滑動窗口與后退N幀協(xié)議（GBN）

當接收方檢測出失序的信息幀后，要求發(fā)送方重發(fā)最后一個正確接收的信息幀之后的所有未被確認的幀

?多幀滑動窗口與選擇重傳協(xié)議（SR）

接收窗口WR+發(fā)送窗口WT≤2^n?

幀序列號為16??????? 4個二進制就能表示??????? n=4

3.4 介質(zhì)訪問控制

信道劃分介質(zhì)訪問控制

頻分多路復用（FDM）

將多路基帶信號調(diào)制到不同頻率載波上，再疊加形成一個復合信號的多路復用技術

一個高速公路分成多個道路

時分多路復用（TDM）

時分多路復用是將一條物理信道按時間分成若干時間片，輪流地分配給多個信號使用。每個時間片由復用的一個信號占用，而不像 FDM那樣，同一時間同時發(fā)送多路信號

時間片

波分多路復用（WDM）

分多路復用即光的頻分多路復用，它在一根光纖中傳輸多種不同波長（頻率）的光信號，由于波長（頻率）不同，各路光信號互不干擾，最后再用波長分解復用器將各路波長分解出來

碼分多路復用（CDM）

碼分多路復用是采用不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復用方式

如站點A的碼片序列被指派為 00011011，則A站發(fā)送00011011 就表示發(fā)送比特1，發(fā)送11100100就表示發(fā)送比特0。為了方便，按慣例將碼片中的0寫為-1，將1寫為+1，因此A站的碼片序列是向量S=(-1-1-1+1+1-1+1+1)

T表示B站的碼片向量，令向量 T=(-1 -1+1 -1+1+1+1-1)，其中T與S正交

S=(-1-1-1+1+1-1+1+1)

T=(-1-1+1-1+1+1+1-1)

當A站向C站發(fā)送數(shù)據(jù)1時，就發(fā)送了向量（-1-1-1+1+1-1+1+1）

當B站向C 站發(fā)送數(shù)據(jù)0時，就發(fā)送了向量（+1+1-1+1-1-1-1+1）

兩個向量到了公共信道上就進行疊加，實際上就是線性相加

S-T=(0 0 -2 2 0 -2 0 2)

A站發(fā)送的信號：S*(S-T)=1，所以A發(fā)送的是1

B站發(fā)送的信號：T*(S-T)=-1，所以B發(fā)送的是0

S-T=(0 0 -2 2 0 -2 0 2)

S=(-1-1-1+1+1-1+1+1)

S-T=(0 0 -2 2 0 -2 0 2)

T=(-1-1+1-1+1+1+1-1)

隨機訪問介質(zhì)訪問控制

ALOHA 協(xié)議

1.純ALOHA 協(xié)議：網(wǎng)絡中的任何一個站點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以不進行任何檢測就發(fā)送數(shù)據(jù)，

在一段時間內(nèi)未確認，那么該站點就認為傳輸過程中發(fā)生了沖突。發(fā)送站點需要等待一段時間后再發(fā)送數(shù)據(jù)，直至發(fā)送成功

2.時隙ALOHA 協(xié)議：規(guī)定只能在每個時隙開始時才能發(fā)送一個幀。從而避免了用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的隨意性，減少了數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突的可能性，提高了信道的利用率

CSMA 協(xié)議

一個結(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先幀聽信道

CSMA/CD協(xié)議

載波偵聽多路訪問/碰撞檢測

“先聽后發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停發(fā)，隨機重發(fā)”

1.配器從網(wǎng)絡層獲得一個分組，封裝成以太網(wǎng)幀，放入適配器的緩存，準備發(fā)送

2.如果適配器偵聽到信道空閑，那么它開始發(fā)送該幀。如果適配器偵聽到信道忙，那么它持續(xù)偵聽直至信道上沒有信號能量，然后開始發(fā)送該幀

3.在發(fā)送過程中，適配器持續(xù)檢測信道。若一直未檢測到碰撞，則順利地把這個幀發(fā)送完畢。若檢測到碰撞，則中止數(shù)據(jù)的發(fā)送，并發(fā)送一個擁塞信號，以讓所有用戶都知

4.在中止發(fā)送后，適配器就執(zhí)行指數(shù)退避算法，等待一段隨機時間后返回到步驟2.

站A在發(fā)送幀后至多經(jīng)過時間 2τ（端到端傳播時延的2倍）就能知道所發(fā)送的幀有沒有發(fā)生碰撞（當δ→0時）。

因此把以太網(wǎng)端到端往返時間2τ稱為爭用期（又稱沖突窗口或碰撞窗口）

為了確保發(fā)送站在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時能檢測到可能存在的碰撞，

需要在發(fā)送完幀之前就能收到自己發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，

即幀的傳輸時延至少要兩倍于信號在總線中的傳播時延，

所以 CSMA/CD 總線網(wǎng)中的所有數(shù)據(jù)幀都必須要大于一個最小幀長

最小幀長 = 總線傳播時延×數(shù)據(jù)傳輸速率×2

以太網(wǎng)規(guī)定取 51.2μs為爭用期的長度

?一旦發(fā)生了沖突，參與沖突的兩個站點緊接著再次發(fā)送是沒有意義的，

如果它們這樣做，那么將會導致無休止的沖突。

CSMA/CD采用二進制指數(shù)退避算法來解決碰撞問題

1.確定基本退避時間，一般取兩倍的總線端到端傳播時延 2τ（即爭用期）

2.定義參數(shù)k，它等于重傳次數(shù)，但k不超過10，即k=min[重傳次數(shù) ,10]。

當重傳次數(shù)不 超過10時，k等于重傳次數(shù)；

當重傳次數(shù)大于10時，k就不再增大而一直等于10

3.從離散的整數(shù)集合[0，1，...?? ?，2k-1]中隨機取出一個數(shù)r，重傳所需要退避的時間就是r倍的基本退避時間，即2rτ。

4.當重傳達16次仍不能成功時，說明網(wǎng)絡太擁擠，認為此幀永遠無法正確發(fā)出，拋棄此幀并向高層報告出錯

CSMA/CD 協(xié)議已成功應用于使用有線連接的局域網(wǎng)，但在無線局域網(wǎng)環(huán)境下，卻不能簡單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議，特別是碰撞檢測部分。主要有兩個原因：

1、接收信號的強度往往會遠小于發(fā)送信號的強度，且在無線介質(zhì)上信號強度的動態(tài)變化范圍很大，因此若要實現(xiàn)碰撞檢測，則硬件上的花費就會過大（不好檢測）

2、在無線通信中，并非所有的站點都能夠聽見對方，即存在“隱蔽站”問題（檢測不到）

算法歸納如下

1、若站點最初有數(shù)據(jù)要發(fā)送（而不是發(fā)送不成功再進行重傳），且檢測到信道空閑，在等待一小段時間后，就發(fā)送整個數(shù)據(jù)幀

2、否則，站點執(zhí)行 CSMA/CA 退避算法，選取一個隨機回退值。一旦檢測到信道忙，退避計時器就保持不變。只要信道空閑，退避計時器就進行倒計時

3、當退避計時器減到0時（這時信道只可能是空閑的），站點就發(fā)送整個幀并等待確認

4、發(fā)送站若收到確認，就知道已發(fā)送的幀被目的站正確接收。這時如果要發(fā)送第二幀，就要從步驟 2、開始

若發(fā)送站在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到確認幀ACK（由重傳計時器控制），就必須重傳該幀，再次使用 CSMA/CA 協(xié)議爭用該信道，直到收到確認，或經(jīng)過若干次重傳失敗后放棄發(fā)送

輪詢訪問介質(zhì)訪問控制：令牌傳遞協(xié)議

在輪詢訪問中，用戶不能隨機地發(fā)送信息，而要通過一個集中控制的監(jiān)控站，以循環(huán)方式輪詢每個結(jié)點，再決定信道的分配。當某結(jié)點使用信道時，其他結(jié)點都不能使用信道。典型的輪詢訪問介質(zhì)訪問控制協(xié)議是令牌傳遞協(xié)議，它主要用在令牌環(huán)局域網(wǎng)中在令牌傳遞協(xié)議中，一個令牌在各結(jié)點間以某個固定次序交換令牌是由一組特殊的比特組合而成的幀

計算機都不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，令牌就在環(huán)形網(wǎng)上游蕩，而需要發(fā)送數(shù)據(jù)的計算機只有在拿到該令牌后才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀，因此不會發(fā)送沖突

輪詢介質(zhì)訪問控制非常適合負載很高的廣播信道

3.5 局域網(wǎng)

局域網(wǎng)的基本概念和體系結(jié)構(gòu)

常見的局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)主要有以下4大類∶

①星形結(jié)構(gòu)；②環(huán)形結(jié)構(gòu)；③總線形結(jié)構(gòu)；

④星形和總線形結(jié)合的復合型結(jié)構(gòu)

局域網(wǎng)可以使用雙絞線、銅纜和光纖等多種傳輸介質(zhì)，其中雙絞線為主流傳輸介質(zhì)

局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方法主要有 CSMA/CD、令牌總線和令牌環(huán)，

其中前兩種方法主要用于總線形局域網(wǎng)，令牌環(huán)主要用于環(huán)形局域網(wǎng)

以太網(wǎng)與IEEE 802.3

以太網(wǎng)邏輯上采用總線形拓撲結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)中的所有計算機共享同一條總線，

信息以廣播方式發(fā)送。為了保證數(shù)據(jù)通信的方便性和可靠性，

以太網(wǎng)簡化了通信流程并使用了CSMA/CD方式對總線進行訪問控制

嚴格來說，以太網(wǎng)應當是指符合DIXEthermetV2標準的局域網(wǎng)，

但DIXEthermetV2標準與IEE 802.3 標準只有很小的差別，

因此通常將802.3 局域網(wǎng)簡稱為以太網(wǎng)

以太網(wǎng)采用兩項措施以簡化通信：

① 采用無連接的工作方式，不對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀編號，也不要求接收方發(fā)送確認，

即以太網(wǎng)盡最大努力交付數(shù)據(jù)，提供的是不可靠服務，對于差錯的糾正則由高層完成

② 發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用曼徹斯特編碼的信號，每個碼元的中間出現(xiàn)一次電壓轉(zhuǎn)換，

接收端利用這種電壓轉(zhuǎn)換方便地把位同步信號提取出來

以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)與網(wǎng)卡

計算機與外界局域網(wǎng)的連接是通過主機箱內(nèi)插入的一塊網(wǎng)絡接口板

【又稱網(wǎng)絡適配器(Adapter)或網(wǎng)絡接口卡(Network Interface Card，NIC)】實現(xiàn)的

世界的每塊網(wǎng)卡在出廠時都有一個唯一的代碼，

稱為介質(zhì)訪問控制（MAC）地址，這個地址用于控制主機在網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)通信

以太網(wǎng)的 MAC 幀

地址∶ 通常使用 6 字節(jié)（48bit）地址（MAC地址）

數(shù)據(jù)∶ 46～1500字節(jié)，包含高層的協(xié)議消息。

由于CSMA/CD算法的限制，以太網(wǎng)幀必須滿足最小長度要求 64 字節(jié)，

數(shù)據(jù)較少時必須加以填充（0～46 字節(jié)）

高速以太網(wǎng)

1、100BASE-T 以太網(wǎng)

支持全雙工方式，又支持半雙工方式，可在全雙工方式下工作而 無沖突發(fā)生。

因此，在全雙工方式下不使用 CSMA/CD 協(xié)議。

2、吉比特以太網(wǎng)

在半雙工方式下使用CSMA/CD協(xié)議（全雙工方式不需要使用CSMA/CD協(xié)議）

3、10吉比特以太網(wǎng)

只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用CSMA/CD 協(xié)議

3.6 廣域網(wǎng)

廣域網(wǎng)的基本概念

廣域網(wǎng)通常是指覆蓋范圍很廣（遠超一個城市的范圍）的長距離網(wǎng)絡，

局域網(wǎng)可以通過廣域網(wǎng)與另一個相隔很遠的局域網(wǎng)通信

廣域網(wǎng)由一些結(jié)點交換機及連接這些交換機的鏈路組成

局域網(wǎng)使用的協(xié)議主要在數(shù)據(jù)鏈路層（還有少量在物理層），而廣域網(wǎng)使用的協(xié)議主要在網(wǎng)絡層

廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)的區(qū)別與聯(lián)系

廣域網(wǎng)中的一個重要問題是路由選擇和分組轉(zhuǎn)發(fā)。

PPP 協(xié)議和HDLC 協(xié)議是目前最常用的兩種廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層控制協(xié)議

PPP 協(xié)議

組成部分：

1、鏈路控制協(xié)議（LCP）。一種擴展鏈路控制協(xié)議，用于建立、配置、測試和管理數(shù)據(jù)鏈路

2、網(wǎng)絡控制協(xié)議（NCP）。PPP協(xié)議允許同時采用多種網(wǎng)絡層協(xié)議，每個不同的網(wǎng)絡層協(xié)議要用一個相應的 NCP 來配置，為網(wǎng)絡層協(xié)議建立和配置邏輯連接

3、一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。IP數(shù)據(jù)報在PPP幀中就是其信息部分，這個信息部分的長度受最大傳送單元（MTU）的限制。

PPP是面向字節(jié)的，當信息字段出現(xiàn)和標志字段一致的比特組合時，采用字節(jié)填充法

狀態(tài)：

當線路處于靜止狀態(tài)時，不存在物理層連接

當線路檢測到載波信號時，建立物理連接，線路變?yōu)榻顟B(tài)

LCP開始選項商定，商定成功后就進入身份驗證狀態(tài)

雙方身份驗證通過后，進入網(wǎng)絡狀態(tài)

采用NCP配置網(wǎng)絡層，配置成功后，進入打開狀態(tài)，然后就可進行數(shù)據(jù)傳輸

當數(shù)據(jù)傳輸完成后，線路轉(zhuǎn)為終止狀態(tài)。載波停止后則回到靜止狀態(tài)。

HDLC協(xié)議

HDLC 有 3 種站類型∶主站、從站和復合站

主站負責控制鏈路的操作，主站發(fā)出的幀稱為命令幀

從站受控于主站，按主站的命令進行操作;發(fā)出的幀稱為響應幀

既具有主站的功能，又具有從站的功能，這類站稱為復合站，它可以發(fā)出命令幀和響應幀

數(shù)據(jù)操作方式

正常響應方式。這是一種非平衡結(jié)構(gòu)操作方式，即主站向從站傳輸數(shù)據(jù)，從站響應傳輸，但從站只有在收到主站的許可后，才可進行響應

異步平衡方式。這是一種平衡結(jié)構(gòu)操作方式。在這種方式中，每個復合站都可以進行對另一站的數(shù)據(jù)傳輸

異步響應方式。這是一種非平衡結(jié)構(gòu)操作方式。在這種方式中，從站即使未受到主站的允許，也可進行傳輸

PPP與HDLC的區(qū)別

PPP 協(xié)議是面向字節(jié)的，HDLC 協(xié)議是面向比特的

PPP 協(xié)議不使用序號和確認機制，只保證無差錯接收（通過硬件進行CRC 檢驗），而端到端差錯檢測由高層協(xié)議負責

HDLC 協(xié)議的信息幀使用了編號和確認機制，能夠提供可靠傳輸

3.7 設備

數(shù)據(jù)鏈路層設備

網(wǎng)橋

兩個或多個以太網(wǎng)通過網(wǎng)橋連接后，就成為一個覆蓋范圍更大的以太網(wǎng)，

而原來的每個以太網(wǎng)就稱為一個網(wǎng)段(LAN)。網(wǎng)橋工作在鏈路層的MAC子層，可以使以太網(wǎng)各網(wǎng)段成為隔離開的碰撞域

網(wǎng)絡1和網(wǎng)絡2通過網(wǎng)橋連接后，網(wǎng)橋接收網(wǎng)絡1發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，檢查數(shù)據(jù)幀中的地址：

如果是網(wǎng)絡2的地址，那么就轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡2

如果是網(wǎng)絡1的地址，那么就將其丟棄，因為源站和目的站處在同一個網(wǎng)段，目的站能夠直接收到這個幀而不需要借助網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)

網(wǎng)橋的基本特點

①網(wǎng)橋必須具備尋址和路徑選擇能力，以確定幀的傳輸方向

②從源網(wǎng)絡接收幀，以目的網(wǎng)絡的介質(zhì)訪問控制協(xié)議向目的網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)該幀

③可使用不同的物理層， 可互聯(lián)不同類型的局域網(wǎng)

透明網(wǎng)橋（選擇的不是最佳路由）

①如果源LAN和目的LAN相同，那么丟棄該幀

②如果源LAN和目的LAN不同，那么轉(zhuǎn)發(fā)該幀

③如果目的LAN未知，那么擴散該幀

當網(wǎng)橋剛連接到以太網(wǎng)時，其轉(zhuǎn)發(fā)表是空的，網(wǎng)橋按照自學習算法處理收到的幀。

該算法的基本思想是∶若從站A發(fā)出的幀從某端口進入網(wǎng)橋，那么從這個端口出發(fā)沿相反方向一定可把一個幀傳送到站A

源路由網(wǎng)橋（選擇的是最佳路由）

路由選擇由發(fā)送幀的源站負責

源路由的生成過程是∶

在未知路徑前，源站要先發(fā)送一個發(fā)現(xiàn)幀

途中的每個網(wǎng)橋都轉(zhuǎn)發(fā)此幀，最終該發(fā)現(xiàn)幀可能從多個途徑到達

目的站

目的站也將一一發(fā)送應答幀;每個應答幀將通過原路徑返回，途經(jīng)的網(wǎng)橋把自己的標志記錄在應答幀中

源站選擇出一個最佳路由

局域網(wǎng)交換機及其工作原理

以太網(wǎng)交換機是一個多端口的網(wǎng)橋

特點：

以太網(wǎng)交換機的每個端口都直接與單臺主機相連

以太網(wǎng)交換機也是一種即插即用設備（和透明網(wǎng)橋一樣），其內(nèi)部的幀的轉(zhuǎn)發(fā)表也是通過自學習算法自動地逐漸建立起來的

以太網(wǎng)交換機主要采用兩種交換模式：

直通式交換機只檢查幀的目的地址，這使得幀在接收后幾乎能馬上被傳出去。

這種方式速度快，但缺乏智能性和安全性，也無法支持具有不同速率的端口的存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換機先將接收到的幀緩存到高速緩存器中，并檢查數(shù)據(jù)是否正確，確認無誤后通過查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口將該幀發(fā)送出去。如果發(fā)現(xiàn)幀有錯，那么就將其丟棄。存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的優(yōu)點是可靠性高，并能支持不同速率端口間的轉(zhuǎn)換，缺點是延遲較大

課時4 網(wǎng)絡層

4.1 概述

網(wǎng)絡層的功能

異構(gòu)網(wǎng)絡互聯(lián)：異構(gòu)網(wǎng)絡之間使用相同網(wǎng)絡協(xié)議，可看為虛擬ip網(wǎng)絡

TCP/IP 體系在網(wǎng)絡互聯(lián)上采用的做法是在網(wǎng)絡層（即 IP 層）采用標準化協(xié)議，但相互連接的網(wǎng)絡可以是異構(gòu)的

圖 a 表示用許多計算機網(wǎng)絡通過一些路由器進行互聯(lián)。

由于參加互聯(lián)的計算機網(wǎng)絡都使用相同的網(wǎng)際協(xié)議，因此可以把互聯(lián)后的計算機網(wǎng)絡視為如圖 b 所示的一個虛擬IP網(wǎng)絡

路由與轉(zhuǎn)發(fā)：路由器的兩個功能：路徑選擇和分組轉(zhuǎn)發(fā)

路由器主要完成兩個功能∶一是路由選擇（確定哪一條路徑），二是分組轉(zhuǎn)發(fā)（當一個分組到達時所采取的動作）

前者是根據(jù)特定的路由選擇協(xié)議構(gòu)造出路由表，同時經(jīng)常或定期地和相鄰路由器交換路由信息而不斷地更新和維護路由表

后者處理通過路由器的數(shù)據(jù)流，關鍵操作是轉(zhuǎn)發(fā)表查詢、轉(zhuǎn)發(fā)及相關的隊列管理和任務調(diào)度等

擁塞控制：確保子網(wǎng)可以承受所達到的流量

擁塞控制的作用是確保子網(wǎng)能夠承載所達到的流量，這是一個全局性的過程，涉及各方面的行為

4.2 路由算法

靜態(tài)路由與動態(tài)路由

靜態(tài)路由算法（又稱非自適應路由算法）：人工

指由網(wǎng)絡管理員手工配置的路由信息，當網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)或鏈路的狀態(tài)發(fā)生變化時，網(wǎng)絡管理員需要手工去修改路由表中相關的靜態(tài)路由信息

它不能及時適應網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，對于簡單的小型網(wǎng)絡，可以采用靜態(tài)路由

動態(tài)路由算法（又稱自適應路由算法）：算法自動

指路由器上的路由表項是通過相互連接的路由器之間彼此交換信息，

然后按照一定的算法優(yōu)化出來的這些路由信息會在一定時間間隙里不斷更新，以適應不斷變化的網(wǎng)絡，隨時獲得最優(yōu)的尋路效果

距離-向量路由算法：所有結(jié)點上傳每條路徑的目的地和代價，所有結(jié)點監(jiān)聽并在有新或更短路徑更新

所有結(jié)點都定期地將它們的整個路由選擇表傳送給所有與之直接相鄰的結(jié)點

這種路由選擇表包含∶每條路徑的目的地（另一結(jié)點）；路徑的代價（也稱距離）

在這種算法中，所有結(jié)點都必須參與距離向量交換，以保證路由的有效性和一致性，

也就是說，所有的結(jié)點都監(jiān)聽從其他結(jié)點傳來的路由選擇更新信息，

并在下列情況下更新它們的路由選擇表∶

1、被通告一條新的路由，該路由在本結(jié)點的路由表中不存在，此時本地系統(tǒng)加入這條新的路由

2、發(fā)來的路由信息中有一條到達某個目的地的路由，該路由與當前使用的路由相比，有較短的距離

鏈路狀態(tài)路由算法：主動測試，定期發(fā)

鏈路狀態(tài)路由算法要求每個參與該算法的結(jié)點都具有完全的網(wǎng)絡拓撲信息，它們執(zhí)行下述兩項任務

第一，主動測試所有鄰接結(jié)點的狀態(tài)。兩個共享一條鏈接的結(jié)點是相鄰結(jié)點，它們連接到同一條鏈路，或者連接到同一廣播型物理網(wǎng)絡

第二，定期地將鏈路狀態(tài)傳播給所有其他結(jié)點（或稱路由結(jié)點）

鏈路狀態(tài)路由算法主要有三個特征：網(wǎng)狀遍歷發(fā)送，發(fā)相鄰結(jié)點的狀態(tài)和度量，變化才發(fā)

1、向本自治系統(tǒng)中所有路由器發(fā)送信息，路由器通過所有端口向所有相鄰的路由器發(fā)送信息。

而每個相鄰路由器又將此信息發(fā)往其所有相鄰路由器（但不再發(fā)送給剛剛發(fā)來信息的那個路由器）

2、發(fā)送的信息是與路由器相鄰的所有路由器的鏈路狀態(tài)，但這只是路由器所知道的部分信息所謂"鏈路狀態(tài)"，是指說明本路由器與哪些路由器相鄰及該鏈路的"度量"

3、只有當鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，路由器才向所有路由器發(fā)送此信息

層次路由：路由內(nèi)，路由間的路由選擇協(xié)議

特網(wǎng)將整個互聯(lián)網(wǎng)劃分為許多較小的自治系統(tǒng)（注意一個自治系統(tǒng)中包含很多局域網(wǎng)），每個自治系統(tǒng)有權(quán)自主地決定本系統(tǒng)內(nèi)應采用何種路由選擇協(xié)議。

如果兩個自治系統(tǒng)需要通信， 那么就需要一種在兩個自治系統(tǒng)之間的協(xié)議來屏蔽這些差異

因特網(wǎng)把路由選擇協(xié)議劃分為兩大類∶

一個自治系統(tǒng)內(nèi)部所使用的路由選擇協(xié)議稱為內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議（IGP），也稱域內(nèi)路由選擇

具體的協(xié)議有 RIP 和 OSPF 等

自治系統(tǒng)之間所使用的路由選擇協(xié)議稱為外部網(wǎng)關協(xié)議（EGP），也稱城間路由選擇，

用在不同自治系統(tǒng)的路由器之間交換路由信息，并負責為分組在不同自治系統(tǒng)之間選擇最優(yōu)的路徑

具體的協(xié)議有 BGP

4.3 IPv4

IPv4分組的格式

首部長度

占4位，可以表示的最大十進制數(shù)是 15。

以32位為單位，最大值為 60B（15×4B）。

最常用的首部長度是20B，此時不使用任何選項（即可選字段）

總長度

占16 位。指首部和數(shù)據(jù)之和的長度，單位為字節(jié)，因此數(shù)據(jù)報的最大長度為65535B。

以太網(wǎng)幀的最大傳送單元（MTU）為1500B，因此當一個IP數(shù)據(jù)報封裝成幀時，數(shù)據(jù)報的總長度（首部加數(shù)據(jù)）一定不能超過下面的數(shù)據(jù)鏈路層的MTU 值

標識

每產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)報就加1，當一個數(shù)據(jù)報的長度超過網(wǎng)絡的MTU時，

必須分片，此時每個數(shù)據(jù)報片都復制一次標識號，以便能正確重裝成原來的數(shù)據(jù)報

標志

占3位。標志字段的最低位為MF，MF=1表示后面還有分片；

標志字段中間的一位是DF，只有當DF=0時才允許分片偏移。

分片偏移

它指出較長的分組在分片后，某片在原分組中的相對位置。

片偏移以8 個字節(jié)為偏移單位，即每個分片的長度一定是 8B的整數(shù)倍

IP 數(shù)據(jù)報分片

一個數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)報能承載的最大數(shù)據(jù)量稱為最大傳送單元（MTU）。

因為IP數(shù)據(jù)報被封裝在數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)報中，

因此數(shù)據(jù)鏈路層的 MTU 嚴格地限制著 IP 數(shù)據(jù)報的長度，

而且在 IP數(shù)據(jù)報的源與目的地路徑上的各段鏈路可能使用不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，有不同的 MTU

IP分片涉及一定的計算。

例如，一個長 4000B 的IP數(shù)據(jù)報（首部 20B，數(shù)據(jù)部分3980B）到達一個路由器，需要轉(zhuǎn)發(fā)到一條 MTU為1500B的鏈路上

這意味著原始數(shù)據(jù)報中的3980B數(shù)據(jù)必須被分配到3個獨立的片中（每片也是一個IP 數(shù)據(jù)報）。

假定原始數(shù)據(jù)報的標識號為77，如圖所示。

可以看出，由于偏移值的單位是8B，

所以除最后一個片外，其他所有片中的有效數(shù)據(jù)載荷都是8的倍數(shù)

網(wǎng)絡層轉(zhuǎn)發(fā)分組的流程：相鄰直接傳，否則查表傳，特定>到達>默認，否則出錯

1、從數(shù)據(jù)報的首部提取目的主機的IP地址D，得出目的網(wǎng)絡地址N

2、若網(wǎng)絡N與此路由器直接相連，則把數(shù)據(jù)報直接交付給目的主機 D，這稱為路由器的直接交付；否則是間接交付，執(zhí)行步驟 3

3、若路由表中有目的地址為D的特定主機路由（對特定的目的主機指明一個特定的路由，通常是為了控制或測試網(wǎng)絡，或出于安全考慮才采用的），

則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表中所指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行步驟 4。

4、若路由表中有到達網(wǎng)絡N的路由，則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表指明的下一跳路由器∶ 否則，執(zhí)行步驟 5

5、路由表中有一個默認路由，則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表中所指明的默認路由器;否則， 執(zhí)行步驟6

6、報告轉(zhuǎn)發(fā)分組出錯

IPv4地址與 NAT

分類的IP 地址如圖

主機號全為0表示本網(wǎng)絡本身；

主機號全為1表示本網(wǎng)絡的廣播地址，又稱直接廣播地址；

127.0.0.0保留為環(huán)回自檢（LoopbackTest）地址，此地址表示任意主機本身，目的地址為環(huán)回地址的 IP 數(shù)據(jù)報永遠不會出現(xiàn)在任何網(wǎng)絡上；

32 位全為0，即 0.0.0.0 表示本網(wǎng)絡上的本主機；

32 位全為1，即255.255.255.255 表示整個TCP/IP網(wǎng)絡的廣播地址，又稱受限廣播地址。

實際使用時，由于路由器對廣播域的隔離，255.255.255.255 等效為本網(wǎng)絡的廣播地址

網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換

網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（NAT）是指通過將專用網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換為公用地址，從而對外隱藏內(nèi)部管理的IP地址。

私有 IP 地址網(wǎng)段如下∶

A類：1個A類網(wǎng)段，即10.0.0.0~10.255.255.255。

B類：16個B類網(wǎng)段，即172.16.0.0~172.31.255.255。

C類：256個C類網(wǎng)段，即192.168.0.0~192.168.255.255。

用NAT時需要在專用網(wǎng)連接到因特網(wǎng)的路由器上安裝 NAT軟件，NAT路由器至少有一個有效的外部全球地址

使用本地地址的主機和外界通信時，NAT 路由器使用 NAT 轉(zhuǎn)換表將本地地址轉(zhuǎn)換成全球地址，或?qū)⑷虻刂忿D(zhuǎn)換成本地地址

NAT轉(zhuǎn)換表中存放著{本地IP地址∶ 端口）到{全球IP地址∶ 端口}的映射，通過{ip地址∶ 端口}這樣的映射方式，可讓多個私有IP地址映射到同一個全球 IP地址

子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼、CIDR

子網(wǎng)劃分：內(nèi)部網(wǎng)絡

子網(wǎng)劃分的基本思路如下：

子網(wǎng)劃分純屬一個單位內(nèi)部的事情。單位對外仍然表現(xiàn)為沒有劃分子網(wǎng)的網(wǎng)絡

從主機號借用若干比特作為子網(wǎng)號，當然主機號也就相應減少了相同的比特。

三級IP地址的結(jié)構(gòu)如下∶ IP地址 ={<網(wǎng)絡號>，<子網(wǎng)號>，<主機號>}

凡是從其他網(wǎng)絡發(fā)送給本單位某臺主機的IP數(shù)據(jù)報，仍然是根據(jù)IP數(shù)據(jù)報的目的網(wǎng)絡號，先找到連接到本單位網(wǎng)絡上的路由器。

然后該路由器在收到 IP數(shù)據(jù)報后，按目的網(wǎng)絡號和子網(wǎng)號找到目的子網(wǎng)。最后把IP 數(shù)據(jù)報直接交付給目的主機

子網(wǎng)掩碼：和IP地址邏輯AND得到子網(wǎng)地址

子網(wǎng)掩碼是一個與IP地址相對應的、長32bit的二進制串，它由一串1和跟隨的一串0組成

其中，1對應于IP地址中的網(wǎng)絡號及子網(wǎng)號，而0對應于主機號

計算機只需將IP地址和其對應的子網(wǎng)掩碼逐位"與"（邏輯 AND運算），就可得出相應子網(wǎng)的網(wǎng)絡地址

主機的IP地址為 180.80.77.55，子網(wǎng)掩碼為 255.255.252.0。若該主機向其所在子網(wǎng)發(fā)送廣播分組，則目的地址：

主機：1011 0100 . 0101 0000 . 0100 1101 .? 0011 0111

掩碼：1111 1111 . 1111 1111. 1111 1100 . 0000 0000

目的：1011 0100 . 0101 0000 . 0100 1100 . 0000 0000

無分類域間路由選擇（CIDR）

消除了傳統(tǒng)A、B、C 類地址及劃分子網(wǎng)的概念，因而可以更有效地分配IPv4 的地址空間

CIDR使用"網(wǎng)絡前綴"的概念代替子網(wǎng)絡的概念。因此，IP地址的無分類兩級編址為

IP= {<網(wǎng)絡前綴>，<主機號>}。

例如，對于 128.14.32.5/20這個地址，它的掩碼是 20個連續(xù)的1和后續(xù)12個連續(xù)的0，通過逐位相"與"的方法可以得到該地址的網(wǎng)絡前綴（或直接截取前20 位）

?

使用 CIDR 時，路由表中的每個項目由"網(wǎng)絡前綴"和"下一跳地址"組成。

在查找路由表時可能會得到不止一個匹配結(jié)果。

此時，應當從匹配結(jié)果中選擇具有最長網(wǎng)絡前綴的路由，因為網(wǎng)絡前綴越長，其地址塊就越小，因而路由就越具體

ARP、DHCP 與 ICMP

IP地址與硬件地址：IP是網(wǎng)絡層玩的，硬件是鏈路層玩的，鏈路層看不到IP地址

IP 地址是網(wǎng)絡層使用的地址，它是分層次等級的

硬件地址是數(shù)據(jù)鏈路層使用的地址，在網(wǎng)絡層及網(wǎng)絡層之上使用IP 地址，IP地址放在IP數(shù)據(jù)報的首部，而 MAC 地址放在 MAC幀的首部

通過數(shù)據(jù)封裝，把IP數(shù)據(jù)報分組封裝為 MAC幀后，數(shù)據(jù)鏈路層看不見數(shù)據(jù)報分組中的 IP 地址

地址解析協(xié)議（ARP）：發(fā)數(shù)據(jù)報前查ARP，有將MAC發(fā)硬件地址，無廣播寫緩存發(fā)MAC

IP 工作在網(wǎng)絡層，其工作原理如下∶ 主機 A欲向本局域網(wǎng)上的某臺主機B發(fā)送IP數(shù)據(jù)報時，先在其 ARP高速緩存中查看有無主機B的IP地址

如有，就可查出其對應的硬件地址，再將此硬件地址寫入 MAC 幀，然后通過局域網(wǎng)將該 MAC 幀發(fā)往此硬件地址

如果沒有，那么就通過使用目的 MAC地址為 FF-FF-FF-FF-FF-FF 的幀來封裝并廣播ARP請求分組，使同一個局域網(wǎng)里的所有主機收到ARP請求

主機B收到該ARP請求后，向主機A發(fā)出響應ARP分組，

分組中包含主機B的 IP與MAC 地址的映射關系，主機A在收到后將此映射寫入ARP緩存，然后按查詢到的硬件地址發(fā)送 MAC幀

動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）：應用層協(xié)議，基于UDP，自動分配IP地址

動態(tài)主機配置協(xié)議常用于給主機動態(tài)地分配IP 地址，

它提供了即插即用的聯(lián)網(wǎng)機制，這種機制允許一臺計算機加入新的網(wǎng)絡和獲取 IP 地址 而不用手工參與

DHCP 是應用層協(xié)議，它是基于 UDP 的

DHCP 服務器聚合 DHCP 客戶端的交換過程如下∶

1. DHCP客戶機廣播"DHCP發(fā)現(xiàn)"消息，試圖找到網(wǎng)絡中的DHCP服務器，以便從DHCP服務器獲得一個 IP地址
2. DHCP服務器收到"DHCP發(fā)現(xiàn)"消息后，向網(wǎng)絡中廣播"DHCP提供"消息，其中包括提供 DHCP客戶機的IP地址和相關配置信息
3. DHCP客戶機收到"DHCP提供"消息，如果接收 DHCP 服務器所提供的相關參數(shù)，那么通過廣播"DHCP 請求"消息向 DHCP 服務器請求提供IP地址。
4. DHCP服務器廣播"DHCP確認"消息，將IP地址分配給 DHCP客戶機

網(wǎng)際控制報文協(xié)議（ICMP）

ICMP 報文的種類有兩種，即 ICMP 差錯報告報文和ICMP 詢問報文

ICMP 差錯報告報文：向源主機報告差錯：包括終點不可達、擁塞丟棄、時間超過

用于目標主機或到目標主機路徑上的路由器向源主機報告差錯和異常情況

• 終點不可達。當路由器或主機不能交付數(shù)據(jù)報時，就向源點發(fā)送終點不可達報文
• 源點抑制。當路由器或主機由于擁塞而丟棄數(shù)據(jù)報時，就向源點發(fā)送源點抑制報文
• 時間超過。當路由器收到生存時間為零的數(shù)據(jù)報時，除丟棄該數(shù)據(jù)報外還要向源點發(fā)送時間超過報文

不應發(fā)送 ICMP差錯報告報文的幾種情況如下

• 對ICMP差錯報告報文不再發(fā)送 ICMP 差錯報告報文
• 第一個分片的數(shù)據(jù)報片的所有后續(xù)數(shù)據(jù)報片都不發(fā)送ICMP 差錯報告報文
• 對具有組播地址的數(shù)據(jù)報都不發(fā)送 ICMP 差錯報告報文

4.4 IPv6

IPv6 的主要特點

更大的地址空間。IPv6將地址從IPv4的32位增大到了128位

支持即插即用（即自動配置）

IPv6 只有在包的源結(jié)點才能分片，是端到端的，傳輸路徑中的路由器不能分片

IPv6 首部長度必須是 8B的整數(shù)倍，而IPv4 首部是 4B 的整數(shù)倍

從根本上解決了IP 地址的耗盡問題

4.5 路由協(xié)議

路由信息協(xié)議（RIP）

RIP 規(guī)定：記錄自身到每個目的網(wǎng)絡的距離記錄

網(wǎng)絡中的每個路由器都要維護從它自身到其他每個目的網(wǎng)絡的距離記錄

距離也稱跳數(shù)（Hop Count），規(guī)定從一個路由器到直接連接網(wǎng)絡的距離（跳數(shù)）為1。而每經(jīng)過一個路由器，距離（跳數(shù)）加1

RIP認為好的路由就是它通過的路由器的數(shù)目少，即優(yōu)先選擇跳數(shù)少的路徑

RIP允許一條路徑最多只能包含 15個路由器（即最多允許15 跳）

因此距離等于16時，它表示網(wǎng)絡不可達

RIP默認在任意兩個使用 RIP 的路由器之間每 30秒廣播一次RIP 路由更新信息，以便自動建立并維護路由表（動態(tài)維護）

RIP 的特點：相鄰交換，全部交換，固定時間

僅和相鄰路由器交換信息

路由器交換的信息是當前路由器所知道的全部信息，即自己的路由表

按固定的時間間隔交換路由信息，如每隔 30 秒

距離向量算法：沒有則加，下跳替換，非則短換，慢收斂

當原來的路由表中沒有目的網(wǎng)絡N時，把該項目添加到路由表中

當原來的路由表中有目的網(wǎng)絡 N，且下一跳路由器的地址是X時，用收到的項目替換 原路由表中的項目

當原來的路由表中有目的網(wǎng)絡N，且下一跳路由器的地址不是X時，如果收到的項目中的距離d小于路由表中的距離，那么就用收到的項目替換原路由表中的項目；否則什么也不做

缺點

網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，會出現(xiàn)慢收斂現(xiàn)象（即需要較長時間才能將此信息傳送到所有路由器），俗稱"壞消息傳得慢"，使更新過程的收斂時間長

開放最短路徑優(yōu)先（OSPF）協(xié)議：網(wǎng)絡層協(xié)議，變化則洪泛發(fā)送

基本特點

向本自治系統(tǒng)中的所有路由器發(fā)送信息，這里使用的方法是洪泛法發(fā)送的信息是與本路由器相鄰的所有路由器的鏈路狀態(tài)，但這只是路由器所知道的部分信息

只有當鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，路由器才用洪泛法向所有路由器發(fā)送此信息，并且更新過程收斂得快

OSPF 是網(wǎng)絡層協(xié)議，它不使用UDP或 TCP，而直接用 IP數(shù)據(jù)報傳送（其IP數(shù)據(jù)報首部的協(xié)議字段為 89）；而 RIP 是應用層協(xié)議，它在傳輸層使用 UDP

路由表

由于各路由器之間頻繁地交換鏈路狀態(tài)信息，

因此所有路由器最終都能建立一個鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。

這個數(shù)據(jù)庫實際上就是全網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，

它在全網(wǎng)范圍內(nèi)是一致的（稱為鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的同步）。

然后，每個路由器根據(jù)這個全網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖，

使用Dijkstra最短路徑算法計算從自己到各目的網(wǎng)絡的最優(yōu)路徑，以此構(gòu)造自己的路由表

邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP）：外部網(wǎng)關

是不同自治系統(tǒng)的路由器之間交換路由信息的協(xié)議，是一種外部網(wǎng)關協(xié)議。

邊界網(wǎng)關協(xié)議常用于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關之間。

路由表包含已知路由器的列表、路由器能夠達到的地址及到達每個路由器的路徑的跳數(shù)

邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP）只能力求尋找一條能夠到達目的網(wǎng)絡且比較好的路由（不能兜圈子），而并非尋找一條最佳路由。

BGP采用的是路徑向量路由選擇協(xié)議，它與距離向量協(xié)議和鏈路狀態(tài)協(xié)議有很大的區(qū)別。

BGP 是應用層協(xié)議，它是基于 TCP 的

每個自治系統(tǒng)的管理員要選擇至少一個路由器（可以有多個）作為該自治系統(tǒng)的"BGP發(fā)言人"

三種路由協(xié)議的比較?

4.6 IP組播

組播的概念

用組播的緣由是，有的應用程序要把一個分組發(fā)送給多個目的地主機。

不是讓源主機給每個目的地主機都發(fā)送一個單獨的分組，

而是讓源主機把單個分組發(fā)送給一個組播地址，該組播地址標識一組地址

主機使用一個稱為 IGMP（因特網(wǎng)組管理協(xié)議）的協(xié)議加入組播組。

它們使用該協(xié)議通知本地網(wǎng)絡上的路由器關于要接收發(fā)送給某個組播組的分組的愿望。

通過擴展路由器的路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以在許多路由器互聯(lián)的支持硬件組播的網(wǎng)絡上面實現(xiàn)因特網(wǎng)組播?

IP 組播地址

P 組播使用D類地址格式。D類地址的前四位是 1110，因此D類地址范圍是224.0.0.0～239.255.255.255。每個D類IP地址標志一個組播組

IP 組播可以分為兩種∶

一種只在本局域網(wǎng)上進行硬件組播；

另一種則在因特網(wǎng)的范圍內(nèi)進行組播。

在因特網(wǎng)上進行組播的最后階段，還是要把組播數(shù)據(jù)報在局域網(wǎng)上用硬件組播交付給組播組的所有成員

下面討論這種硬件組播

D類 IP 地址與以太網(wǎng)組播地址的映射關系：

以太網(wǎng)組播地址的范圍是從01-00-5E-00-00-00到 01-00-5E-7F-FF-FF

IGMP 與組播路由算法

第一階段∶ 當某臺主機加入新的組播組時，該主機應向組播組的組播地址發(fā)送一個IGMP報文，聲明自己要成為該組的成員。本地的組播路由器收到IGMP報文后，將組成員關系轉(zhuǎn)發(fā)給因特網(wǎng)上的其他組播路由器

第二階段∶ 因為組成員關系是動態(tài)的，本地組播路由器要周期性地探詢本地局域網(wǎng)上的主機，以便知道這些主機是否仍繼續(xù)是組的成員。只要對某個組有一臺主機響應，那么組播路由器就認為這個組是活躍的。但一個組在經(jīng)過幾次的探詢后仍然沒有一臺主機響應時，則不再將該組的成員關系轉(zhuǎn)發(fā)給其他的組播路由器

4.7移動IP

移動IP概念

基于IPv4的移動 IP 定義三種功能實體∶ 移動結(jié)點、歸屬代理（也稱本地代理）和外埠代理（也稱外部代理）。歸屬代理和外埠代理又統(tǒng)稱為移動代理。

移動結(jié)點。具有永久IP地址的移動結(jié)點

本地代理。在一個網(wǎng)絡環(huán)境中，一個移動結(jié)點的永久"居所"被稱為歸屬網(wǎng)絡，在歸屬網(wǎng)絡中代表移動結(jié)點執(zhí)行移動管理功能的實體稱為歸屬代理（本地代理），它根據(jù)移動用戶的轉(zhuǎn)交地址，采用隧道技術轉(zhuǎn)交移動結(jié)點的數(shù)據(jù)包

外部代理。在外部網(wǎng)絡中幫助移動結(jié)點完成移動管理功能的實體稱為外部代理

移動IP 通信過程

基本流程

移動結(jié)點漫游到一個外地網(wǎng)絡時，仍然使用固定的P地址進行通信。為了能夠收到通信對端發(fā)給它的IP 分組，移動結(jié)點需要向本地代理注冊當前的位置地址，這個位置地址就是轉(zhuǎn)交地址

本地代理接收來自轉(zhuǎn)交地址的注冊后，會構(gòu)建一條通向轉(zhuǎn)交地址的隧道，將截獲的發(fā)給移動結(jié)點的 IP 分組通過隧道送到轉(zhuǎn)交地址處

在轉(zhuǎn)交地址處解除隧道封裝，恢復原始的IP分組，最后送到移動結(jié)點，這樣移動結(jié)點在外網(wǎng)就能夠收到這些發(fā)送給它的IP分組

4.8 網(wǎng)絡層設備

路由器的組成和功能

路由表和路由轉(zhuǎn)發(fā)

課時5 傳輸層

5.1傳輸層提供的服務

傳輸層的功能

從通信和信息處理的角度看，傳輸層向它上面的應用層提供通信服務，它屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層

傳輸層位于網(wǎng)絡層之上，它為運行在不同主機上的進程之間提供了邏輯通信，而網(wǎng)絡層提供主機之間的邏輯通信。

顯然，即使網(wǎng)絡層協(xié)議不可靠（網(wǎng)絡層協(xié)議使分組丟失、混亂或重復），傳輸層同樣能為應用程序提供可靠的服務

傳輸層提供應用進程之間的邏輯通信（即端到端的通信）。

與網(wǎng)絡層的區(qū)別是，網(wǎng)絡層提供的是主機之間的邏輯通信復用和分用。

復用是指發(fā)送方不同的應用進程都可使用同一個傳輸層協(xié)議傳送數(shù)據(jù)；

分用是指接收方的傳輸層在剝?nèi)笪牡氖撞亢?/strong>能夠把這些數(shù)據(jù)正確交付到目的應用進程

TCP 是在不可靠的 IP 層之上實現(xiàn)的可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它主要解決傳輸?shù)?strong>可靠、有序、無丟失和不重復問題。

TCP 是TCP/IP 體系中非常復雜的一個協(xié)議，主要特點如下∶

1、TCP是面向連接的傳輸層協(xié)議，每條 TCP連接只能有兩個端點，每條 TCP 連接只能是點對點的（一對一）

2、TCP提供可靠的交付服務，保證傳送的數(shù)據(jù)無差錯、不丟失、不重復且有序

3、TCP提供全雙工通信，允許通信雙方的應用進程在任何時候都能發(fā)送數(shù)據(jù)，為此 TCP連接的兩端都設有發(fā)送緩存和接收緩存，用來臨時存放雙向通信的數(shù)據(jù)

4、TCP 是面向字節(jié)流的，雖然應用程序和 TCP的交互是一次一個數(shù)據(jù)塊（大小不等），但TCP把應用程序交下來的數(shù)據(jù)僅視為一連串的無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流

TCP 報文段

TCP 傳送的數(shù)據(jù)單元稱為報文段。TCP報文段既可以用來運載數(shù)據(jù)，又可以用來建立連接、釋放連接和應答

一個 TCP報文段分為首部和數(shù)據(jù)兩部分，

整個 TCP報文段作為 IP數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分封裝在 IP數(shù)據(jù)報中，其首部的前 20B 是固定的。

TCP報文段的首部最短為 20B，后面有 4N字節(jié)是根據(jù)需要而增加的選項，通常長度為 4B 的整數(shù)倍

確認號

占4B，是期望收到對方下一個報文段的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號。

若確認號為N， 則表明到序號 N-1為止的所有數(shù)據(jù)都已正確收到。

數(shù)據(jù)偏移（即首部長度）

占4位，它指出 TCP報文段的數(shù)據(jù)起始處距離TCP報文段的起始處有多遠。

"數(shù)據(jù)偏移"的單位是32位（以4B為計算單位）。

因此當此字段的值為 15 時，達到 TCP 首部的最大長度 60B

急位 URG

URG=1時，表明緊急指針字段有效。它告訴系統(tǒng)此報文段中有緊急數(shù)據(jù)，應盡快傳送（相當于高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)）

確認位ACK

僅當ACK=1時確認號字段才有效。

當ACK=0時，確認號無效。

TCP規(guī)定，在連接建立后所有傳送的報文段都必須把 ACK 置 1

推送位PSH（Push）

接收方TCP收到PSH=1的報文段，就盡快地交付給接收應用進程，

而不再等到整個緩存都填滿后再向上交付

同步位 SYN

同步 SYN=1表示這是一個連接請求或連接接受報

終止位 FIN（Finish）

用來釋放一個連接。當 FIN = 1時，表明此報文段的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，并要求釋放傳輸連接。

TCP 連接管理

每個 TCP 連接都有三個階段∶ 連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放。

TCP 連接的管理就是使運輸連接的建立和釋放都能正常進行

TCP 連接的建立采用客戶/服務器方式

主動發(fā)起連接建立的應用進程稱為客戶（Client），

而被動等待連接建立的應用進程稱為服務器（Server）

TCP 連接的建立

連接的建立經(jīng)歷以下3個步驟，通常稱為三次握手

第一步∶ 客戶機的TCP首先向服務器的TCP發(fā)送連接請求報文段。

這個特殊報文段的首部中的同步位SYN置1，同時選擇一個初始序號 seq=x 。

TCP 規(guī) 定 ，SYN報文段不能攜帶數(shù)據(jù)，但要消耗掉一個序號

第二步∶ 服務器的TCP 收到連接請求報文段后，

如同意建立連接，則向客戶機發(fā)回確認，并為該TCP連接分配緩存和變量。

在確認報文段中，把SYN位和ACK位都置1 ， 確認號是 ack=x +1 ，

同時也為自己選擇一個初始序號 scq=y 。 注 意 ， 確認報文段不能攜帶數(shù)據(jù)，但也要消耗掉一個序號

第三步 ∶ 當客戶機收到確認報文段后，還要向服務器給出確 認，并為該TCP連接分配緩存和變量 。

確認報文段的ACK位置1，確認號 ack=y+1 ，序號seq=x+1。

該報文段可以攜帶數(shù)據(jù)， 若不攜帶數(shù)據(jù)則不消耗序號

TCP 連接的釋放 通常稱為四次揮手

第一步：客戶機打算關閉連接時，向其TCP發(fā)送連接釋放報文段，并停止發(fā)送數(shù)據(jù)，主動關閉TCP連接，

該報文段的終止位 FIN 置 1 ， 序 號 seq=u ，它等于前面已傳送過的數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號加1，

FIN報文段即使不攜帶數(shù)據(jù)，也消耗掉一個序號

第二步：服務器收到連接釋放報文段后即發(fā)出確認，

確認號ack=u+1 ， 序 號 seq=w ， 等于它前面已傳送過的數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號加1

此時，從客戶機到服務器這個方向的連接就釋放了

第三步

第四步

對上述 TCP連接建立和釋放的總結(jié)如下∶

1）連接建立。分為3步∶

① SYN=1,seq=x。

②SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1。

③ACK=1,seq=x+1,ack=y+1。

2）釋放連接。分為 4步∶

①FIN=1,seq =u。

②ACK=1,seq=v, ack=u+1。

③FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1。

④ACK=1,seq=u+1,ack=w+1。

TCP可靠傳輸

序號

TCP首部的序號字段用來保證數(shù)據(jù)能有序提交給應用層，

TCP 把數(shù)據(jù)視為一個無結(jié)構(gòu)但有序的字節(jié)流，序號建立在傳送的字節(jié)流之上，而不建立在報文段之上

確認

TCP首部的確認號是期望收到對方的下一個報文段的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號

TCP默認使用累計確認，即 TCP 只確認數(shù)據(jù)流中至第一個丟失字節(jié)為止的字節(jié)

重傳

兩種事件會導致 TCP 對報文段進行重傳∶ 超時和冗余 ACK

超時：TCP每發(fā)送一個報文段，就對這個報文段設置一次計時器。計時器設置的重傳時間到期但還未收到確認時，就要重傳這一報文段

冗余ACK（冗余確認）：冗余 ACK 就是再次確認某個報文段的 ACK，而發(fā)送方先前已經(jīng)收到過該報文段的確認

TCP流量控制

輸層和數(shù)據(jù)鏈路層的流量控制的區(qū)別是∶傳輸層定義端到端用戶之間的流量控制，

數(shù)據(jù)鏈路層定義兩個中間的相鄰結(jié)點的流量控制。

另外，數(shù)據(jù)鏈路層的滑動窗口協(xié)議的窗口大小不能動態(tài)變化，傳輸層的則可以動態(tài)變化

TCP 擁塞控制

擁塞控制是指防止過多的數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡，保證網(wǎng)絡中的路由器或鏈路不致過載

擁塞控制與流量控制的區(qū)別：

擁塞控制是讓網(wǎng)絡能夠承受現(xiàn)有的網(wǎng)絡負荷，是一個全局性的過程，涉及所有的主機、所有的路由器，以及與降低網(wǎng)絡傳輸性能有關的所有因素。

相反，流量控制往往是指點對點的通信量的控制，是個端到端的問題（接收端控制發(fā)送端），它所要做的是抑制發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以便使接收端來得及接收

接收窗口rwnd

接收方根據(jù)目前接收緩存大小所許諾的最新窗口值，反映接收方的容量。

由接收方根據(jù)其放在 TCP 報文的首部的窗口字段通知發(fā)送方

擁塞窗口cwnd

發(fā)送方根據(jù)自己估算的網(wǎng)絡擁塞程度而設置的窗口值，反映網(wǎng)絡的當前容量。

只要網(wǎng)絡未出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些，以便把更多的分組發(fā)送出去。

但只要網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入網(wǎng)絡的分組數(shù)。

發(fā)送窗口的上限值 = min[rwnd，cwnd]

1.慢開始和擁塞避免

慢開始算法

在 TCP 剛剛連接好并開始發(fā)送TCP報文段時，先令擁塞窗口cwnd=1，即一個最大報文段長度MSS。

每收到一個對新報文段的確認后，將cwnd加1，即增大一個MSS。

用這樣的方法逐步增大發(fā)送方的 cwnd，可使分組注入網(wǎng)絡的速率更加合理

例如，A向B發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送方先置擁塞窗口cwnd=1，

A發(fā)送第一個報文段，A收到B對第一個報文段的確認后，把cwnd從1增大到2；

于是A接著發(fā)送兩個報文段，A收到B對這兩個報文段的確認后，把 cwnd從2 增大到4，

下次就可一次發(fā)送4個報文段。

慢開始一直把 cwnd增大到一個規(guī)定的慢開始門限 sstresh（閾值），然后改用擁塞避免算法

擁塞避免算法

每經(jīng)過一個往返時延 RTT 就把發(fā)送方的擁塞窗口cwnd加1，而不是加倍，

使擁塞窗口cwnd按線性規(guī)律緩慢增長（即加法增大），這比慢開始算法的擁塞窗口增長速率要緩慢得多

網(wǎng)絡擁塞的處理

無論在慢開始階段還是在擁塞避免階段，

只要發(fā)送方判斷網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞（未按時收到確認），

就要把慢開始門限ssthresh 設置為出現(xiàn)擁塞時的發(fā)送方的 cwnd值的一半（但不能小于2）。

然后把擁塞窗口cwnd 重新設置為1，執(zhí)行慢開始算法

2.快重傳和快恢復

快重傳

當發(fā)送方連續(xù)收到三個重復的 ACK 報文時，直接重傳對方尚未收到的報文段，而不必等待那個報文段設置的重傳計時器超時

快恢復

當發(fā)送方連續(xù)收到三個冗余 ACK（即重復確認）時，

把慢開始門限ssthresh 設置為此時發(fā)送方cwnd 的一半。

與慢開始不同之處是它把cwnd 值設置為慢開始門限 ssthresh 改變后的數(shù)值，

然后開始執(zhí)行擁塞避免算法（"加法增大"），使擁塞窗口緩慢地線性增大

課時6 應用層

6.1 網(wǎng)絡應用模型

客戶/服務器模型

客戶/服務器（Client/Server，C/S）模型中，有一個總是打開的主機稱為服務器，

它服務于許多來自其他稱為客戶機的主機請求。其工作流程如下∶

1. 服務器處于接收請求的狀態(tài)
2. 客戶機發(fā)出服務請求，并等待接收結(jié)果
3. 服務器收到請求后，分析請求，進行必要的處理，得到結(jié)果并發(fā)送給客戶

客戶/服務器模型最主要的特征是∶客戶是服務請求方，服務器是服務提供

P2P模型

C/S 模型中服務器性能的好壞決定了整個系統(tǒng)的性能，

當大量用戶請求服務時，服務器就必然成為系統(tǒng)的瓶頸。

P2P 模型的思想是整個網(wǎng)絡中的傳輸內(nèi)容不再被保存在中心服務器上，

每個結(jié)點都同時具有下載、上傳的功能，其權(quán)利和義務都是大體對等的

6.2 域名系統(tǒng)（DNS）

層次域名空間

因特網(wǎng)采用層次樹狀結(jié)構(gòu)的命名方法。

采用這種命名方法，任何一個連接到因特網(wǎng)的主機或路由器，都有一個唯一的層次結(jié)構(gòu)名稱，即域名。

域是名字空間中一個可被管理的劃分?

?

?關于域名中的標號有以下幾點需要注意：

標號中的英文不區(qū)分大小寫

標號中除連字符（-）外不能使用其他的標點符號

每個標號不超過63個字符，多標號組成的完整域名最長不超過255個字符

級別最低的域名寫在最左邊，級別最高的頂級域名寫在最右邊

域名服務器

因特網(wǎng)的域名系統(tǒng)被設計成一個聯(lián)機分布式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并采用客戶/服務器模型。

域名到IP 地址的解析是由運行在域名服務器上的程序完成的

主要有 4 種類型的域名服務器：

• 根域名服務器
• 頂級域名服務器
• 權(quán)域名服務器（權(quán)限域名服務器）
• 本地域名服務器

域名解析過程

域名解析是指把域名映射成為IP地址或把 IP地址映射成域名的過程。

前者稱為正向解析，后者稱為反向解析。

當客戶端需要域名解析時，通過本機的DNS客戶端構(gòu)造一個DNS 請求報文， 以 UDP 數(shù)據(jù)報方式發(fā)往本地域名服務器

域名解析有兩種方式∶ 遞歸查詢和遞歸與迭代相結(jié)合的查詢

6.3 文件傳輸協(xié)議（FTP）

FTP 的工作原理

文件傳輸協(xié)議是因特網(wǎng)上使用得最廣泛的文件傳輸協(xié)議。

FTP提供交互式的訪問，允許客戶指明文件的類型與格式，并允許文件具有存取權(quán)限

FTP采用客戶/服務器的工作方式，它使用 TCP可靠的傳輸服務。

一個FTP服務器進程可同時為多個客戶進程提供服務。

FTP 的服務器進程由兩大部分組成∶ 一個主進程，負責接收新的請求；另外有若干從屬進程，負責處理單個請求

其工作步驟如下

開熟知端口 21（控制端口），使客戶進程能夠連接

等待客戶進程發(fā)連接請求

啟動從屬進程來處理客戶進程發(fā)來的請求。主進程與從屬進程并發(fā)執(zhí)行，

從屬進程對客戶進程的請求處理完畢后即終止

回到等待狀態(tài)，繼續(xù)接收其他客戶進程的請求

控制連接與數(shù)據(jù)連接

FTP在工作時使用兩個并行的TCP連接：一個是控制連接（端口號21），一個是數(shù)據(jù)連接（端口號 20）

控制連接：控制連接用來傳輸控制信息（如連接請求、傳送請求等），在整個會話期間一直保持打開狀態(tài)（21端口）

數(shù)據(jù)連接：有兩種傳輸模式，主動模式傳送數(shù)據(jù)是“服務器”連接到“客戶端”的端口；

被動模式傳送數(shù)據(jù)是“客戶端”連接到“服務器”的端口（20端口）

6.3 電子郵件

電子郵件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

一個電子郵件系統(tǒng)應具有三個最主要的組成構(gòu)件，即用戶代理、郵件服務器和電子郵件使用的協(xié)議

用戶代理（UA）∶

用戶與電子郵件系統(tǒng)的接口。

用戶代理向用戶提供一個很友好的接口來發(fā)送和接收郵件，用戶代理至少應當具有撰寫、顯示和郵件處理的功能

郵件服務器∶

它的功能是發(fā)送和接收郵件，同時還要向發(fā)信人報告郵件傳送的情況（已交付、被拒絕、丟失等）。

郵件服務器采用客戶/服務器方式工作，

但它必須能夠同時充當客戶和服務器郵件發(fā)送協(xié)議和讀取協(xié)議∶

郵件發(fā)送協(xié)議用于用戶代理向郵件服務器發(fā)送郵件或在郵件服務器之間發(fā)送郵件，如SMTP;

郵件讀取協(xié)議用于用戶代理從郵件服務器讀取郵件，如POP3

SMTP用的是“推”（Push）的通信方式，POP3用的是“拉”（Pull）的通信方式

電子郵件格式與 MIME

電子郵件格式

多用途網(wǎng)際郵件擴充（MIME）

由于SMTP只能傳送一定長度的ASCII碼，

許多其他非英語國家的文字（如中文、俄文，甚至帶重音符號的法文或德文）就無法傳送，

且無法傳送可執(zhí)行文件及其他二進制對象，因此提出了用途網(wǎng)絡郵件擴充

SMTP

SMTP用的是 TCP 連接，端口號為 25。

SMTP 通信有以下三個階段

連接建立：

發(fā)件人的郵件發(fā)送到發(fā)送方郵件服務器的郵件緩存中后，

SMTP客戶就每隔一定時間對郵件緩存掃描一次。如發(fā)現(xiàn)有郵件，建立TCP連接

郵件傳送：

連接建立后，就可開始傳送郵件。郵件的傳送從 MAIL 命令開始，MAIL 命令后面有發(fā)件人的地址

連接釋放：

郵件發(fā)送完畢后，SMTP 客戶應發(fā)送 QUIT 命令。

SMTP 服務器返回的信息是 221（服務關閉），表示 SMTP 同意釋放TCP 連接

POP3和IMAP

POP也使用客戶/服務器的工作方式，在傳輸層使用TCP，端口號為110。

POP有兩種工作方式：

"下載并保留"和"下載并刪除"

6.4 萬維網(wǎng)（WWW）

WWW 的概念與組成結(jié)構(gòu)

萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）是一個分布式、聯(lián)機式的信息存儲空間，

在這個空間中：一樣有用的事物稱為一樣“資源”，并由一個全域“統(tǒng)一資源定位符”（URL）標識。

這些資源通過超文本傳輸協(xié)議（HTTP）傳送給使用者，而后者通過單擊鏈接來獲取資源

萬維網(wǎng)的內(nèi)核部分是由三個標準構(gòu)成的：

統(tǒng)一資源定位符（URL）

負責標識萬維網(wǎng)上的各種文檔，并使每個文檔在整個萬維網(wǎng)的范圍內(nèi)具有唯一的標識符 URL

超文本傳輸協(xié)議（HTTP）

一個應用層協(xié)議，它使用 TCP 連接進行可靠的傳輸，HTTP是萬維網(wǎng)客戶程序和服務器程序之間交互所必須嚴格遵守的協(xié)議

超文本標記語言（HTML）

一種文檔結(jié)構(gòu)的標記語言，它使用一些約定的標記對頁面上的各種信息（包括文字、聲音、圖像、視頻等）格式進行描述

工作流程：

Web 用戶使用瀏覽器（指定 URL）與Web 服務器建立連接，并發(fā)送瀏覽請求；

Web 服務器把URL 轉(zhuǎn)換為文件路徑，并返回信息給 Web瀏覽器；通信完成，關閉連接

超文本傳輸協(xié)議（HTTP）

HTTP的操作過程

用戶單擊鼠標后所發(fā)生的事件按順序如下

1. 瀏覽器分析鏈接指向頁面的 URL
2. 瀏覽器向 DNS 請求解析 IP 地址
3. 域名系統(tǒng) DNS 解析出該網(wǎng)站服務器的IP地址
4. 瀏覽器與該服務器建立 TCP 連接
5. 瀏覽器發(fā)出HTTP 請求
6. 服務器通過 HTTP 響應把文件發(fā)送給瀏覽器
7. 釋放 TCP 連接
8. 瀏覽器解釋文件，并將 Web 頁顯示給用戶

HTTP 的特點

HTTP使用 TCP作為運輸層協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。HTTP不必考慮數(shù)據(jù)在傳輸過程中被丟棄后又怎樣被重傳

HTTP是無狀態(tài)的。也就是說，同一個客戶第二次訪問同一個服務器上的頁面時，服務器的響應與第一次被訪問時的相同

HTTP 既可以使用非持久連接，也可以使用持久連接

對于非持久連接，每個網(wǎng)頁元素對象（如JPEG圖形、Flash等）的傳輸都需要單獨建立一個TCP 連接

持久連接，是指萬維網(wǎng)服務器在發(fā)送響應后仍然保持這條連接，使同一個客戶（瀏覽器）和該服務器可以繼續(xù)在這條連接上傳送后續(xù)的HTTP請求和響應報文

?

6.5常見應用層協(xié)議小結(jié)

到了這里，關于《計算機網(wǎng)絡》速成的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！