计算机网络_第五版_知识整理

网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。

网络向用户提供功能:连通性,共享.
网络由若干结点和连接这些结点的链路组成。

电路交换的三个阶段：建立,连接通信,释放连接.
分组交换的优点:
高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

灵活以分组为传送单位和查找路由。

迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组。

可靠保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性
分组交换带来的问题:分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。

分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

三种交换:电路交换,报文交换,分组交换
不同作用范围的网络: 广域网W AN 局域网LAN 城域网MAN 个人区域网PAN
从网络的使用者进行分类: 公用网专用网
接入网AN ，它又称为本地接入网或居民接入网。

计算机网络的性能指标: 速率带宽吞吐量时延利用率
计算机网络的非性能特征:费用质量标准化可靠性可扩展性和可升级性易于管理和维护
网络协议，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

网络协议的组成要素: 语法数据与控制信息的结构或格式。

语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

同步事件实现顺序的详细说明。

体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。

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。

五层协议的体系结构:应用层运输层网络层数据链路层物理层
协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。

服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，命令便是服务原语言。

物理层特性
机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

信息交互方式：单向通信（单工通信）双向交替通信（半双工通信）双向同时通信（全双工通信）
调制方法：调幅(AM) 调频(FM) 调相(PM)
光纤：多模（近距离）单模（远近都可）
信道复用技术
频分复用、时分复用和统计时分复用（波分复用码分复用）
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

波分复用WDM：波分复用就是光的频分复用
码分复用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(orthogonal)。

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

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0
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。

数据链接层三个基本问题：(1) 封装成帧(2) 透明传输(3) 差错控制
这时PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

在发送端，只要发现有5 个连续1，则立即填入一个0。

接收端对帧中的比特流进行扫描。

每当发现 5 个连续1时，就把这5 个连续1 后的一个0 删除，还原原来的信息。

CSMA/CD协议总线特点：总线上的每一个工作的计算机都能检测到B 发送的数据信号。

由于只有计算机D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D 才接收这个数据帧。

其他所有的计算机（A, C 和E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。

具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD
截断二进制指数类型退避算法：
确定基本退避时间，一般是取为争用期2 。

从整数集合[0,1,…, (2k 1)]中随机地取出一个数，记为r。

重传所需的时延就是r 倍的基本退避时间。

当重传达16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

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
IP地址分类：
A：首位为0；1.0.0.0~126.0.0.0；主机号24位
B：前两位为10；128.1.0.0~191.255.0.0；主机号16位
C：前三位为110；192.0.1.0~223.255.255.0；主机号8位
主机号为0的网络地址，表示网络本身。

例如202.120.95.0表示一个C类网络。

主机号全为1的地址保留做为定向广播。

例如202.120.95.255表示一个广播地址。

127.0.0.0保留用于环回用来测试TCP/IP以及本机进程间的通信。

ARP，即地址解析协议，实现通过IP地址得知其物理地址。

工作流程：
1、ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组；
2、在本局域网上所有主机上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组；
3、主机B在ARP分组中见到自己的IP地址，就向主机A发送ARP响应分组，并写入自己的硬件地址；
4、主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。

RIP：路由信息协议，是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的标准协议，最大优点就是简单。

是一种在网关与主机之间交换路由选择信息的标准。

收到相邻路由器（其地址为X）的一个RIP 报文：
(1) 先修改此RIP 报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址都改为X，并把所有的“距离”字段的值加1。

(2) 对修改后的RIP 报文中的每一个项目，重复以下步骤：
若项目中的目的网络不在路由表中，则把该项目加到路由表中。

否则，若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则把收到的项目替换原路由表中的项目。

否则，若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新，否则，什么也不做。

(3) 若3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由器，即将距离置为16（距离为16表示不可达）。

(4) 返回。

OSPF 协议的基本特点
“开放”表明OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。

“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra 提出的最短路径算法SPF
OSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是“最短路径优先”。

是分布式的链路状态协议。

UDP 的主要特点:UDP 是无连接的,UDP 使用尽最大努力交付，UDP 是面向报文的。

UDP 没有拥塞控制，很适合多媒体通信的要求。

UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP 的首部开销小，只有8 个字节。

TCP 最主要的特点：TCP 是面向连接的运输层协议。

每一条TCP 连接只能有两个端点(endpoint)，每一条TCP 连接只能是点对点的（一对一）。

TCP 提供可靠交付的服务。

TCP 提供全双工通信。

面向字节流。

几种拥塞控制方法：慢开始和拥塞避免，快重传，快恢复。

慢开始算法的原理：在主机刚刚开始发送报文段时可先设置拥塞窗口cwnd = 1，即设置为一个最大报文段MSS 的数值。

在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口加1，即增加一个MSS 的数值。

用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口cwnd，可以使分组注入到网络的速率更加合理。

计算机网络上的通信面临以下的四种威胁：
(1) 截获——从网络上窃听他人的通信内容。

(2) 中断——有意中断他人在网络上的通信。

(3) 篡改——故意篡改网络上传送的报文。

(4) 伪造——伪造信息在网络上传送。

所谓常规密钥密码体制，即加密密钥与解密密钥是相同的密码体制。

公钥密码体制使用不同的加密密钥与解密密钥，是一种“由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上是不可行的”密码体制。

1-17收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2.3×108。

试计算以下两种情况的发送时延和传播时延：（1）数据长度为107bit，数据发送速率为100kbit/s，传播距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2×108m/s。

（2）数据长度为103bit，数据发送速率为1Gbit/s，传输距离和信号在媒体上的传播速率同上。

答：（1）：发送延迟=107/（100×1000）=100s传播延迟=1000×1000/（2×108）=5×10-3s=5ms （2）：发送延迟=103/（109）=10-6s=1us传播延迟=1000×1000/（2×108）=5×10-3s=5ms
1-18、假设信号在媒体上的传播速率为 2.3×108m/s。

媒体长度l分别为：(1)10cm(网卡)(2)100m(局域网)(3)100km(城域网)(4)5000km(广域网)
试计算当数据率为Mb/s1和10Gb/s时在以上媒体中正在传播的比特数。

答：传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率时延带宽积=传播时延*带宽
（1）0.1m/2.3/108×1×108b/s=0.000435bit（2）100m/2.3/108×1×108b/s=0.435bit（3）100000/2.3/108×1×108=435bit（4）5×106/2.3/108×1×108=21739bit
3-08．要发送的数据为101110。

采用CRC的生成多项式是P(X)=X3+1。

试求应添加在数据后面的余数。

解：余数是011。

2-16共有4个站进行码分多址CDMA通信。

4个站的码片序列为：A：（-1–1–1+1+1–1+1+1）B：（-1–1+1-1+1+1+1-1）C：（-1+1–1+1+1+1-1-1）D：（-1+1–1–1-1–1+1-1）
现收到这样的码片序列：（-1+1–3+1-1–3+1+1）。

问哪个站发送数据了？发送数据
的站发送的1还是0？
答：S·A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1，A发送1S·B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1，B发送0S·C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0，C无发送S·D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1，D发送1
3-20假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s。

设信号在网络上的传播速率为200000km/s。

求能够使用此协议的最短帧长。

答：对于1km电缆，单程传播时间为1÷200000=5×10-6s，即5us，来回路程传播时间为10us。

为了能够按照CSMA/CD工作，最短帧的发射时间不能小于10us。

以1Gb/s速率工作，10us 可以发送的比特数等于：10000
因此，最短帧是10000位或1250字节长。

设置慢开始门限状态变量ssthresh
慢开始门限ssthresh 的用法如下：
当cwnd < ssthresh 时，使用慢开始算法。

当cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。

当cwnd = ssthresh 时，既可使用慢开始算法，也可使用拥塞避免算法。

拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口cwnd 缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT 就把发送方的拥塞窗口cwnd 加1，而不是加倍，使拥塞窗口cwnd 按线性规律缓慢增长。

当网络出现拥塞时
无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有按时收到确认），就要把慢开始门限ssthresh 设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半（但不能小于2）。

然后把拥塞窗口cwnd 重新设置为1，执行慢开始算法。

这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。

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。

发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口cwnd 和接收端窗口rwnd 中的最小值。

我们假定接收端窗口足够大，因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。

在执行慢开始算法时，拥塞窗口cwnd 的初始值为1，发送第一个报文段M0。

发送端每收到一个确认，就把cwnd 加1。

于是发送端可以接着发送M1 和M2 两个报文段。

接收端共发回两个确认。

发送端每收到一个对新报文段的确认，就把发送端的cwnd 加1。

现在cwnd 从2 增大到4，并可接着发送后面的4 个报文段。

发送端每收到一个对新报文段的确认，就把发送端的拥塞窗口加1，因此拥塞窗口cwnd 随着传输轮次按指数规律增长。

当拥塞窗口cwnd 增长到慢开始门限值ssthresh 时（即当cwnd = 16 时），就改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。

假定拥塞窗口的数值增长到24 时，网络出现超时，表明网络拥塞了。

更新后的ssthresh 值变为12（即发送窗口数值24 的一半），拥塞窗口再重新设置为1，并执行慢开始算法。

当cwnd = 12 时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按按线性规律增长，每经过一个往返时延就增加一个MSS 的大小。