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计算机网络(期末复习1~3章)

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丶禁飞 发表于 2021-1-1 10:34:25 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
文章目次



第一章 概述

一、盘算机网络概念、分类
盘算机网络是将地理位置差异的具有独建功能的多台盘算机及其外部设备,通过通信线路毗连,在网络使用系统,网络管理软件及网络通信协议管理和协调下,实现资源共享和信息传递的盘算机系统。
按照网络的作用范围举行分类:

  • 广域网WAN:作用范围通常为几十到几千公里
  • 城域网MAN:作用隔断约5~公里
  • 局域网LAN:范围在较小的范围
  • 个人局域网PAN:范围很小,大约在10米左右
按照网络的使用者举行分类:
       公用网(按规定缴纳费用)和专用网(免费试用)
二、两种通信方式(C/S P2P)
C/S: 服务器-客户机,C/S布局通常接纳两层布局。服务器负责数据的管理,客户机完成与用户的交互任务。
P2P:对等毗连。又称点对点通信,指两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求放哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等毗连软件,它们就可以举行同等的、对等毗连通信。
三、互联网的组成、分组互换技能的优点和要点
互联网具有两个重要根本特点:连通性和共享性
因特网的焦点部门由大量网络和路由器组成,为边沿部门提供连通性和互换服务。
  
  分组互换技能 在分组互换网络中,采用存储转发方式工作,数据以短的分组形式传送。如果一个源站有一个长的报文要发送,该报文就会被分割成一系列的分组。每个分组包含用户数据的一部门加上一些控制信息。控制信息至少要包罗网络为了把分组送到目标地做路由选择所需要的信息。在路径上的每个结点,分组被吸收,短时间存储,然后传递给下一结点。
分组互换奇数的优点:高效,机动,迅速,可靠。
电路互换 —— 整个报文的比特流一连的从源点直达终点,似乎在一个管道中传送
报文互换 —— 整个报文先传送到相邻结点,全部存储下来后查找转发表,转发到下一个结点
分组互换 —— 单个分组传送到相邻接点,存储下来后查找转发表,转发到下一个结点
四、协议的概念、三要素
网络协议,简称为协议,是为举行网络中的数据互换而创建的规则、标准或约定。
协议的三个组成要素:

  • 语法:数据与控制信息的布局或格式
  • 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
五、网络的主要性能指标的寄义、盘算机相关应用(带宽、时延、往返时延、使用率等)

  • 速率
    速率是盘算机网络中最重要的一个性能指标,指的是数据的传送速率,也称为数据率或比特率。单位为bit/s 或 kbit/s、Mbits/s、Gbit/s等。
  • 带宽
    用来表现网络中某通道所传送数据的本领。表现在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”,单位是bit/s。在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄
  • 吞吐量
    表现单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。吞吐受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
  • 时延
    时延是指数据(一个报文或分组,甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。
    网络中的时延:发送时延、传播时延、处置惩罚时延、列队时延
(1)发送时延
  
(2)传播时延
  

(3)总时延
  
例:
  
带宽的变革会引起发送时延的变革;上网时感觉网络时快时慢,主要是(列队时延)引起的;

  • 时延带宽积
    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 = 传播时延 X 带宽
  • 往返时间RTT
    往返时间表现从发送方发送数据开始,到发送方收到来自吸收方简直认,总共履历的时间。
  • 使用率
    分为信道使用率和网络使用率
    信道使用率:指出某信道有百分之几的时间是被使用的(有数据通过)
    网络使用率:全网络的信道使用率的加权均匀值
信道使用率并非越高越好。当某信道的使用率增大时,该信道引起的时延也就迅速增加。
六、体系布局的概念、标准,OSI和TCP/IP的条理模子
  盘算机系统布局 盘算机网络的体系布局是盘算机网络的各层及其协议的聚集,体系布局就是这个盘算机网络及其部件所应完成的功能的准确定义。
  
  具有五层协议的体系布局  
  TCP/IP体系布局的另一种表达方法   
  例题:
1-10、试在下列条件下比较电路互换和分组互换。要传送的报文共x(bit),从源站到目标站共经过k段链路,每段链路的传播时延为d(s),数据率为C(bit/s)。在电路互换时电路的创建时间为s(s)。在分组互换时分组长度为p(bit),且各结点的列队等候时间可忽略不计。问在怎样的条件下,分组互换的时延比电路互换的要小?
解:

1-11、在上题的分组互换网中,设报文长度和分组长度分别为x和(p+h)(bit),此中p为分组的数据部门的长度,而h为每个分组所带的控制信息固定长度,与p的巨细无关。通信的两头共经过k段链路。链路的数据率为b(bit/s),但传播时延和结点的列队时间均可忽略不计。若计划使总的时延为最小,问分组的数据部门长度p应取为多大?
解:

第二章 物理层

功能:透明地传送比特流
数据单位:比特
一、 物理层接口的根本特性
机器特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和分列、固定和锁定装置等(语法)
电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围(语义)
功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表现何种意义
过程特性:指明对于差异功能的各种大概时间的出现顺序(同步)
二、香农公式,信道中的极限信息传输速率和带宽及信噪比的关系
码元:承载信息量的根本信号单位
限制码元在信道上的传输速率的因素有:信道可以大概通过的频率范围、信噪比
在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,否则就会出现码间串扰的问题,使吸收端对码元的讯断成为不大概。如果信道的频带越宽,也就是可以大概通过的信号高频分量越多,那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
信噪比就是信号的均匀功率和噪声的均匀功率之比,常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位
  
香农公式
信道的极限信息传输速率C可表达为:
  
注:

W为信道的带宽(以Hz为单位);
S为信道内所传信号的均匀功率;
N为信道内部的高斯噪声功率;

信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。实际信道上可以大概到达的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
三、 物理传输介质的分类(导引、非导引)及导引型传输介质的特性
传输媒体可分为两大类:

  • 导引型传输媒体:电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播;举例:排挤明线、双绞线、同轴电缆、光纤
  • 非导引型传输媒体:指自由空间。电磁波的传输常被称为无线传输;举例:短波通信、无线电微波通信、卫星通信
导引型传输介质的特性:
排挤明线
是指平行且相互分离或绝缘的排挤裸线线路,通常采用铜线或铝线等金属导线
双绞线
两根相互绝缘的铜线并排绞和在一起,减少对相邻导线的电磁干扰。(STP)屏蔽双绞线(UTP)非屏蔽双绞线
同轴电缆
抗电磁干扰性能好,安装复杂,本钱低;现在主要用于频带传输,如有线电视
光纤
根本原理是使用光的全反射;传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种;通信容量大、低损耗、宽频带、高数据传输速率、低误码率、安全保密性好、体积小;多模光纤和单模光纤(性能更好)
四、 通信的三种根本方式(单向通信、双向互换通信、双向同时通信)
信道:一般用来表现向某一个方向传送信息的媒体

  • 单向通信(单工通信)—— 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
  • 双向瓜代通信(半双工通信)—— 通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送、吸收
  • 双向同时通信(全双工通信)—— 通信的双方可以同时发送和吸收信息
五、信道复用技能的分类及其主要特征(FDM、TDM、 WDM、 CDMS等)
复用是通信技能中的根本概念,它允许用户使用一个共享信道举行通信,降低本钱,提高使用率。
频分复用(FDM)
频分复用的所有用户在同样的时间占用差异的带宽(频率带宽而不是数据的发送速率)资源
  
时分复用(TDM)
时分复用则是将时间分别为一段段等长的时分复用帧。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现。时分复用的所有用户是在差异的时间占用相同的频带宽度。
  
时分复用大概会造成线路资源的浪费。
统计时分复用(STDM)—— 不太重要
STDM不是固定分配时隙,而是按需分配时隙,可提高线路的使用率。
波分复用(WDM)
波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。
  
码分复用(CDM)
常用的名词是码分多址CSMA,个用户使用经过特殊挑选的码型,因此相互不会造成干扰。
每一个比特时间分别为m个短的隔断,称为码片。
每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。


  • 如发送比特1,则发送自己的m bit码片序列
  • 如发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码
六、CDMA的简朴应用
特点:

  • 每个站分配的码片序列不但必须各不相同,并且还必须相互正交
  • 在实用的系统中是使用伪随机码序列
码片序列的正交关系
令向量S表现站S的码片向量,令T表现其他任何站的码片向量。两个差异站的码片序列正交,就是向量S和T的规格化内积便是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
  • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值时-1
CDMA的工作原理
  
探究问题:

  • 光纤的带宽很宽,能不能同时传送多路信号?
    答:能。多模光纤有多路信息通道,同时可以传输多路信号。
  • 自由空间同时有很多电磁波信号在传输,为什么能正常通信?
    没有找到答案,希望看到的人可以解答。谢谢!
例题:

  • 通信系统的一般模子中,(发送器、吸收器)是无关紧要的
  • 用香农公式盘算一下,假定信道带宽为为3100Hz,最大信道传输速率为35Kb/s,那么若想使最大信道传输速率增加60%,问信噪比S/N应增大到多少倍?如果在刚才盘算出的基础上将信噪比S/N应增大到多少倍?如果在刚才盘算出的基础上将信噪比S/N再增大到十倍,问最大信息速率可否再增加20%?
    解:
         
      
  • 共有四个站举行码分多址CDMA通信。四个站的码片序列为: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照旧0
    A:(+1-1+3+1-1+3+1+1)/ 8 = 1,A发送1;
    B:(+1-1-3-1-1-3+1-1)/ 8 = -1,B发送0;
    C:(+1+1+3+1-1-3-1-1)/ 8 = 0,C没有发送;
    D:(+1+!+3-1+1+3+1-1)/ 8 = 1,D发送1;
第三章 数据链路层

  
数据链路层使用的信道主要有以下两种范例:

  • 点对点信道
  • 广播信道
  数据链路层的简朴模子   
  链路:是一条无源的点到点的物理线路段,中间没有任何其他的互换结点
数据链路:除了物理线路外,还必须有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。
一、数据链路层的三个根本问题
为什么这三个问题都必须加以管理?
答:封装成帧就是在一段数据前后分别添加首部和尾部。吸收端以便从收到的比特流中识别帧的开始与结束,帧定界是分组互换的一定要求;透明传输制止消息符号与帧定界符号相混淆;不对检测防止不对的无效数据帧,浪费网络资源。

  • 封装成帧
  • 透明传输
    管理透明传输问题:字节填充或字符填充
  

  • 不对检测
二、点对点协议PPP及其透明传输的实现(同步传输)
PPP协议应满足的需求:


  • 简朴
  • 封装成帧
  • 透明性
  • 多种网络层协议
  • 多种范例链路
  • 不对检测
  • 检测毗连状态
  • 最大传送单位
  • 网络层所在协商
  • 数据压缩协商
PPP协议三个组成部门:

  • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
  • 链路控制协议LCP
  • 网络控制协议NCP
PPP协议的帧格式:
PPP帧的首部和尾部门别为4个字段和2个字段;PPP是面向字节的,所有的PPP帧的长度都是整数字节
  
透明传输问题:


  • 当PPP用在同步传输链路时,协议规定采用硬件来完成比特填充
  • 当PPP用在异步传输时,就使用一种特殊的字符填充法
字符填充:
  
零比特填充:


  • 在发送端,只要发现有5个一连1,则立即添加一个0;
  • 吸收端对帧中的比特流举行扫描。每当发现5个一连1时,就把这5个一连1后的一个0删除
PPP协议已不是纯粹的数据链路层的协议,它还包含了物理层和网络层的内容
三、不对检测技能(CRC)
被除数除数商余数M(k + 1位)P(n + 1位)QR(n位)则:M - R = P * Q 模2除法: M + R = P * Q M * 2n + R’ = P * Q’
循环冗余查验的原理

  • 在发送端,先把数据分别为组。假定每组k个比特,用M表现;
  • 用二进制的模2运算举行 2n 乘M的运算,这相当于在M背面添加几个0;
  • 得到的(k + n)位的数除以实现选定好的长度为(n + 1)位的除数P,得出商是Q,而余数为R,余数R比除数P少1位,即R是n位
  • 将余数R作为冗余码拼接在数据M背面发送出去
例题:
  
   
  吸收端对收到的每一帧举行CRC查验


  • 若得出的余数R = 0,则判断这个帧没有不对,就接受
  • 若余数R ≠ 0,则判断这个帧由不对,就扬弃。
仅用循环冗余查验CRC不对检测技能只能做到无不对吸收,要做到“可靠传输”就必须再加上确认和重传机制
四、局域网的拓扑范例、特点等
局域网拓扑布局有:星形网、总线网、环形网
  
适配器(网卡)的作用:


  • 举行串行 / 并行转换
  • 对数据举行缓存
  • 在盘算机的使用系统安装设备驱动步伐
  • 实现以太网协议
  盘算机通过适配器和局域网举行通信   
  集线器:


  • 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行
  • 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的照旧CSMA/CD协议,并共享逻辑上的总线。
  • 集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层
  • 集线器采用了专门的芯片,举行自适应串音回波抵消,减少了近端串音
五、CSMA/CD协议的工作过程,征用期、最短帧长等概念和应用
CSMA/CD寄义:载波监听多点接入 / 碰撞检测
载波监听: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盘算机在发送数据,如果有,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞。
多点接入:表现许多盘算机以多点接入的方式毗连在一根总线上
碰撞检测:盘算机边发送数据边检测信道上的信号电压巨细
CSMA/CD协议工作流程:
  
信号传播时延对载波监听的影响:
  
CSMA/CD重要特性:


  • 使用CSMA/CD协议的以太网不能举行全双工通信而只能举行双向瓜代通信
  • 每个站在发送数据后的一段时间内,存在着遭遇碰撞的大概性
  • 这种发送的不确定性使整个以太网的均匀通信两远小于以太网的最高数据率
征用期:以太网的端到端往返时延2τ称为征用期,或碰撞窗口。经过征用期这段时间还没有检测到碰撞,才气肯定这次发送不会发生碰撞。
  二进制指数范例退避算法   
  征用期的长度:


  • 10Mbit/s以太网取51.2μs为征用期的长度
  • 对于10Mbit/s以太网,在征用期可发送512bit,即64字节。以太网在发送数据时,若前64字节没有发生辩论,则后续的数据就不会发生辩论)
最短有效帧长:以太网规定了最短有效正常为64字节,凡长度小于64字节的帧都是由于辩论而异常终止的无效帧。
例一:假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s。设信号在网络上的传输速率为200000km/s.求可以大概使用此协议的最短帧长
解:比特数(时延带宽积)= 传播时延 * 带宽
单程传播时延 = 1 / 200000 = 5μs,往返路程传播时间为10μs,则最小帧的发射时间不能小于10微秒。带宽为 1Gbit/s。
则10微秒可发送的比特数:10 * 10-6 * 10 9 = 10000,即最短帧是10000位或1250字节长。
例二:在一个采用CSMA/CD协议的网络中,传输介质是一根电缆,传输速率为1Gbps,电缆中的信号传播速度是200000km/s。若最小数据帧长度减少800位,则最远的两个站点之间的隔断应至少__减少80m__才气包管网络正常工作。
解:设电缆减少的长度为xm,则信号往返减少的路程长度为2xm,因此有 2x/(200000×1000) ≥800/109,得到x≥80。
  10BASE-T以太网在局域网中的统治职位   
  以太网信道被占用的情况:
一个站在发送帧时出现了碰撞。经过一个征用期2τ后,大概又出现了碰撞。这样经过若干个征用期后,一个站发送乐成了。假定发送帧需要的时间是T0.
  


  • 乐成发送一个帧需要占用信道的时间是T0 + τ,比这个帧的发送时间要多一个单程端到端时延τ
要提高以太网的信道使用率,就必须减少τ与T0之比。在一台网中定义了参数α。它是以太网单程端到端时延τ与帧的发送时间T0之比:
  α = τ / T0 对以太网参数α的要求:


  • 当数据率一定时,以太网的连线的长度受到限制,否则τ的数值会太大
  • 以太网的帧长不能太短,否则T0的值会太小,使α值太大
理想情况下的极限信道使用率Smax为:
  
六、以太网的MAC所在及帧格式中各个字段的作用
在局域网中,硬件所在又称为物理所在,或MAC所在。
  
IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配所在字段6个字节中的前三个字节;所在字段6个字节中的后三个字节有厂家自行指派,必须包管生产出的适配器没有重复所在。
一个所在块可以生出224个差异的所在。生产适配器时,6字节的MAC所在已被固化在适配器的ROM。
“发往本站的帧”包罗以下三种帧:


  • 单播帧(一对一)
  • 广播帧(一对全体)
  • 多播帧(一对多)
只有目标所在才气使用广播所在和多播所在;以稠浊方式工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都吸收下来。
MAC帧的格式

  • 常用的以太网MAC帧格式有两种标准
    ① DIX Ethernet V2标准
    ② IEEE的802.3标准
  • 最常用的MAC帧是以太网V2的格式
  


  • 范例字段:用来标记上一层使用的是什么协议
  • 数据字段的最小长度 = 最小长度64字节 - 18字节的首部和尾部(46字节),当数据字段的长度小于46字节时,应在数据字段的背面加上证书字节的填充字段。
无效的MAC帧:


  • 数据字段的长度与长度字段的值不一致;
  • 帧的长度不是整数个字节
  • 用收到的帧查验序列FCS查出有不对
  • 数据字段的长度不再46~1500字节之间
  • 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间
帧间最小隔断为9.6μs,相当于96bit的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后,还要等候9.6μs才气再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的吸收缓存来得及清理,做好吸收下一帧的准备。
课后探究:
  

  • PPOE是什么?
    答:PPPoE的全称是Point to Point Protocol over Ethernet(基于局域网的点对点通讯协议),它通过简朴桥接接入设备把一个网络的多个主机毗连到远程接入集线器的功能。使用该模子,每一个主机使用自己的PPP协议栈,出现给用户的照旧熟悉的用户接口。
  • "E"的寄义是什么?
    答:以太网(Ethernet)
  

  • 每个接入站点在发送前都先“载波监听”了,为什么发送时还要举行“碰撞检测”?
    答:
         
      
  • 要连网的盘算机太多,一台集线器不敷怎么办?
    答:使用集线器扩展,使用多个集线器可以练连成更大的、多级星形布局的以太网。
课后例题:
  

  • 假定站点A 和B 在同一个10Mb/s 以太网网段上。这两个站点之间的时延为225 比特时间。现假定A 开始发送一帧, 并且在A 发送结束之前B 也发送一帧。如果A 发送的是以太网所容许的最短的帧,那么A 在检测到和B 发生碰撞之前可否把自己的数据发送完毕?换言之,如果A 在发送完毕之前并没有检测到碰撞,那么可否肯定A 所发送的帧不会和B发送的帧发生碰撞?
    答:答案见链接
  • 当t=255比特时间,A和B同时检测到发生了碰撞,并且在t=255+48=273比特时间完成了干扰信号的传输。A和B在CSMA/CD算法中选择差异的r值退避。假定A和B选择的随机数分别是rA=0和rB=1。试问A和B各在什么时间开始重传其数据帧?A重传的数据帧在什么时间到达B?A重传的数据会不会和B重传的数据再次发生碰撞?B会不会在预定的重传时间停止发送数据?
    解:
          

  
解:


  • NRZ(Non Return Zero)编码称为不归零编码,在码元时间内不会出现零电平。NRZ又分为单极性NRZ和双极性NRZ。对于单极性NRZ,无电压(也就是无电流)用来表现0,而恒定的正电压用来表现1;对于双极性NRZ,正电压表现1,负电压表现0。
  • NRZI(Non Return Zero Inverted)编码称为反向不归零编码,在码元时间内不会出现零电平。若后一个码元时间内所连续的电平与前一个码元时间内所连续的电平差异(也称为电平翻转)则表现0,若电平保持稳定则表现1
  • 曼彻斯特编码的特点是将码元时间分成两个相等的隔断,前半个码元与后半个码元在码元中点时刻必须跳变,比方上跳变可以表现0,下跳变可以表现1,但也可反过来定义
  • 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进(编码变革要少),与其原理根本相同,也是将码元时间分成两个相等的隔断,前半个码元与后半个码元在码元中点时刻必须跳变。但是,与曼彻斯特编码差异的是:表现0或1并不是依据码元中点时刻出现的是上跳变照旧下跳变,而是码元边界出现了跳变则表现0,码元边界没有跳变则表现1

来源:https://blog.csdn.net/qq_43372862/article/details/111728801
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