计算机网络第五版期末总复习.ppt

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1、计算机网络期末总复习,方诗虹,期末成绩组成,60%卷面成绩40%平时成绩课后作业上机报告考勤,期末试卷题型分布,单项选择题（2分*10题，共20分）判断对错（2分*5题，共10分）名词解释（5分*3题，共15分）计算题（5分*4题，共20分）问答题（4题，共35分）,本学期主要内容,计算机网络概述物理层数据链路层网络层运输层应用层下一代因特网,本学期主要内容,计算机网络概述物理层数据链路层网络层运输层应用层下一代因特网,计算机网络概述,计算机网络的定义以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。网络的不同类别广域网WAN城域网MAN局域网LAN,计算机网络概述,电路交换和分组交换电

2、路交换的特点：在通话的全部时间内，双方之中占用端到端的通信资源。数据报的分组交换采用存储转发技术：在每次数据传输前不必在发送方与接收方间建立一条逻辑连接，每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址，同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网络；同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序，丢失现象。,计算机网络性能指标,速率：比特每秒，b/s，bps，kb/s，Mb/s。带宽：计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，单位为“比特每秒”。吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量。时延发送时延、传播时延、处理时延、排队时延,计算机网络性能指标,时延带宽积往返时间RTT：从

3、发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认为止，总共经历的时间。利用率,五层协议的体系结构,应用层(application layer)运输层(transport layer)网络层(network layer)数据链路层(data link layer)物理层(physical layer),数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应 用 程 序 数 据,比 特 流,应 用 程 序 数 据,主机 2 接收数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2

4、,1,主机 1,AP2,AP1,主机 2,应 用 程 序 数 据,比 特 流,应 用 程 序 数 据,本学期主要内容,计算机网络概述物理层数据链路层网络层运输层应用层下一代因特网,五层协议的体系结构,比特流物理媒体,数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,把基带信号调制成带通信号的方法有：调幅：频率不变，幅值变；调频：幅值不变，频率变；调相：相位随基带信号变化。传输媒体：双绞线同轴电缆光纤无线传输,单模光纤（远距离）,多模光纤与单模光纤,多模光纤（近距离）,多路复用技术,频分多路复用FDM，其特点是：在一条通信线路设计多路通信信道；每路信道的信号以不同的载波

5、频率进行调制；各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。波分多路复用WDM，其特点是：在一根光纤上复用多路光载波信号。波分复用是光的频分多路复用。波分多路复用是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。,多路复用技术,时分多路复用TDM，其特点是：时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；每个用户分得一个时间片；在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。时分多路复用又分为：同步时分多路复用和统计时分多路复用。码分多路复用CDM，其特点是：每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，各个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各

6、用户之间不会造成干扰。,脉码调制PCM,脉码调制，可以通过采样、量化、编码三个步骤将模拟信号转换为数字信号。,宽带接入技术,xDSL光纤同轴混合网FTTx技术光纤到户FTTH光纤到办公室FTTO光纤到邻区FTTN光纤到门户FTTD光纤到楼层FTTF光纤到小区FTTZ,本学期主要内容,计算机网络概述物理层数据链路层网络层运输层应用层下一代因特网,五层协议的体系结构,封装成帧（包含数据和控制信息）负责在相邻结点间实现数据透明传输差错检验,数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,循环冗余检验CRC,假设待传送的一组数据 M=101001（现在 k=6）。用二进制的

7、模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R（R 是 n 位）。在 M 的后面再添加余数R进行发送（共k+n位）。,冗余码的计算举例,现在 k=6,M=101001。设 n=3,多项式G(X)=X3+X2+1，即除数 P=1101，被除数是 2nM=101001000。模 2 运算的结果是：商 Q=110101，余数 R=001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R 即：101001001，共(k+n)位。,110101 Q(

8、商)P(除数)1101 101001000 2nM(被除数)1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R(余数)，作为 FCS,循环冗余检验的原理说明,模2运算：加法不进位减法不退位,点对点协议PPP,PPP的帧格式异步传输：字节填充（转义字符）同步传输：零比特填充发送时，每遇到5个连续的1，就在后面插入一个0；接收时，每遇到5个连续的1，就去掉后面的一个0。,总线的特点和工作方式,总线的特点：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据，即广播。为了通信简便，以太网采取的措施：无连接的工作方式，不可靠

9、交付，尽最大努力传输；曼彻斯特编码便于接收端和发送端的同步。同一时间只能允许一台计算机发送信息，故需要协调总线上计算机的工作。,曼彻斯特编码,基带数字信号,曼彻斯特编码,码元,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,调幅,出现电平转换：1从低跳变到高，0从高跳变到低。,CSMA/CD,载波监听多点接入/碰撞检测CDMA/CD工作过程：先听后发：判断总线是否忙碌，不忙则开始发送；边听边发：检测总线中是否已出现冲突；冲突停止：发现冲突，进一步发送冲突加强信号，随后停止发送数据；延迟重发：采用特定的后退延迟算法进行延迟的数据重发；,最短有效帧长,总线上单程端到端的传播时延，则往返传播时延为2（即争用

10、期）。线路长度Sm，数据率xbit/s。信号在线路上传播速率vm/s，即=S/v。则最短有效帧长（bit）：,MAC地址,又称为硬件地址，可以唯一区别每一台计算机。数据链路层设备利用MAC地址来寻址，决定将数据发送至何处。,数据链路层的设备,网桥网桥设备维护一个转发表，表中保存了网络设备的MAC地址和网桥所连接口的对应关系。网桥依靠转发表来转发帧。网桥的优点：过滤通信量，增大吞吐量；扩大物理范围；提高网络可靠性；可互联不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。交换机是多接口的网桥。,本学期主要内容,计算机网络概述物理层数据链路层网络层运输层应用层下一代因特网,五层协议的体系结构,IP数据报

11、（分组或包）选择合适的路由。,数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,沙漏计时器形状的TCP/IP协议族,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口 1,网络接口 2,网络接口 3,Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务,IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上,网络层主要协议,各种应用层协议,网络接口层,(HTTP,FTP,SMTP 等),物理硬件,运输层,TCP,UDP,应用层,ICMP,IP,RARP,ARP,与各种网络接口,网络

12、层（网际层）,IGMP,网际协议IP,网际协议在网络层尽最大努力转发数据报。网络层设备根据IP地址来转发数据。IP地址是逻辑地址，一个IP地址在整个因特网范围内是唯一的。IP地址由32位二进制组成，常用表示方法为“点分十进制”表示法。,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据

13、报,从协议栈的层次上看数据的流动,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,从虚拟的 IP 层上看 IP 数据报的流动,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP

14、1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,在链路上看 MAC 帧的流动,地址解析协议ARP,主机A在网络上广播ARP请求。对应主机B对主机A作出ARP响应。其余主机丢弃ARP请求数据包，不作响应。,IP 地址,物理地址,ARP,网际控制报文协议ICMP,差错报告报文终点不可达报文源点抑制报文时间超过报文参数问题报文改变路由（重定向）报文询问报文回送请求/应答报文时间戳请求/应答报文,IP地址的编址,IP地址的编址方法经历的三

15、个阶段：分类的IP地址子网的划分无分类编址,分类的IP地址,两级的 IP 地址可以记为：IP 地址:=,网络号net-id标志主机（或路由器）所连接到的网络；主机号host-id标志网络上的主机。,分类的IP地址,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,分类的IP地址,路由表项的组成：（目的网络地址，下一跳地址）路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑

16、目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。,划分子网,在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。IP地址:=,子网划分只是把主机号再划分，而网络号并不发生变化。,子网号,子网掩码,为了判断一个IP地址中，有多少位表示网络，有多少位表示子网，有多少位表示主机，需要使用子网掩码。子网掩码是将IP地址的网络号和子网号对应位置为1，主机号对应为置为0得到的。,网络地址,A类地址,默认子网掩码,网络地址,B类地址

17、,默认子网掩码,网络地址,C类地址,默认子网掩码,默认子网掩码,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,net-id,net-id,host-id 为全 0,net-id,host-id 为全 0,host-id 为全 0,划分子网后的子网掩码,例如，假设

18、B类IP地址要划分20个子网，则需要再增加一些位数作为子网号。可以用其主机号的前5个二进制位表示子网号（24=16个子网，不够用；25=32，够用）。,11111111 11111111 11111000 00000000即子网掩码为,网络号,子网号,主机号,子网掩码的表示,可以用点分十进制表示，也可以简单的表示为“IP地址/x”。“/”后的值表示掩码中二进制高位连续为1的位数，即当前网络号+子网号一共占多少个二进制位。例如：/21表示当前网络号占16位（B类地址），子网号5位，主机号11位。,子网掩码的应用1,根据IP地址和子网掩码求网络地址。IP地址和子网掩码进行逐位的与运算（AND），得

19、到的结果即当前IP地址所处网络的网络地址。路由器将目的地址和路由表中表项的子网掩码进行与运算，将得到的网络地址与表项的网络地址相比较。如果两个网络地址一致，则表示数据报应发往该网络。,子网掩码的应用2,根据子网掩码判断当前网络的主机数。对于给出的子网掩码，为0的位即主机号，可根据主机号的位数计算主机数。请注意：主机号全0表示网络地址，全1表示该网络的广播，所以在计算主机数时应当减去2个特殊地址。例如，主机位为8位，主机数为28-2=254。,子网掩码的应用3,根据子网掩码判断某一类网络的子网数。对于指明类别的IP地址，其网络号位数是固定的，则从子网掩码上体现出来的多于网络号的位数（为1的位数）

20、，则表示子网。例如，一个A类IP地址的子网掩码为，而A类地址默认的子网掩码为，则第916位表示在该A类网络中划分的子网，子网数为28=256个。,无分类编址CIDR,不再考虑网络类别，将所有地址连续排列，使用时可选择从A地址开始到B地址结束的地址块。无分类的两级编址的记法是：IP地址:=,无分类编址CIDR,CIDR 还使用“斜线记法”，即在 IP 地址面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数（这个数值相当于有类别地址的网络号+子网号位数，即子网掩码中 1 的个数）。CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”。,无分类编址的应用1,根据地址块前缀，判断当前地

21、址块的地址总数。32位地址中，除去前缀所占的位数，剩下即表示主机数。例如，主机位10位，故主机数为210-2=1022。,无分类编址的应用2,根据地址块主机总数，决定网络前缀长度。例如，一个网络中有25台主机，则需要5位主机位才够用，故网络前缀长度为32-5=27位。,无分类编址的应用3,根据网络需求划分地址块，可得到该地址块中的最小地址和最大地址。网络前缀固定的情况下，主机位全0+1表示最小地址，主机位全1-1表示最大地址。例如，将地址转换为二进制。主机位占4位，则最小主机号位0001，最大主机号为1110。28位前缀+4位主机位，转换成十进制，即可得到该地址块的最小地址和最大地址。,最长前

22、缀匹配,在CIDR中查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果，应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由。最长前缀匹配的计算将给定IP地址化成二进制，找出前缀部分；将需要匹配的地址化成二进制，与给定地址进行比较；如果有多个需要匹配的地址，则哪一个地址与给定地址前缀部分一致，该地址即与给定地址匹配；在匹配的前提下，哪个地址与给定地址匹配位数最多即为符合最长前缀匹配条件的地址。,路由协议,RIPRIP为路由信息协议，是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，通过固定的时间间隔和相邻路由器交换当前路由器所知道的全部信息，使在自治系统中的所有路由器知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器

23、的地址。RIP实现简单，但是限制了一条路径最多只能包含15个路由器。,路由协议,OSPFOSPF为开放最短路径优先协议，每个路由器通过洪泛法向自治系统中的所有路由器发送本路由器相邻的所有路由器的链路状态，最终在所有路由器中建立全网的拓扑结构图，并通过最短路径算法来决定到达每个网络的路由路径。,本学期主要内容,计算机网络概述物理层数据链路层网络层运输层应用层下一代因特网,五层协议的体系结构,TCP报文段，UDP用户数据报负责两个主机中进程之间的通信。TCP协议还负责差错控制。,数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,运输层的主要功能,运输层为应用进程之间提供端

24、到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。运输层还要对收到的报文进行差错检测。运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP，应用层的各种服务是分别建立在这两种服务之上的。,TCP 与 UDP,UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。对方的运输层在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认。虽然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下 UDP 是一种最有效的工作方式。TCP 则提供面向连接的服务。TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多的开销。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机

25、资源。,运输层的端口,进程是动态的，而我们往往也不需要知道实现这个功能的进程，只需要利用端口号来识别通信的终点。端口用一个 16 位端口号进行标志。端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程。在因特网中不同计算机的相同端口号是没有联系的。,三类端口,熟知端口，数值一般为 01023。登记端口号，数值为102449151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在 IANA 登记，以防止重复。客户端口号或短暂端口号，数值为4915265535，留给客户进程选择暂时使用。当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后，这个

26、端口号可供其他客户进程以后使用。,TCP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。,TCP首部,20 字节的固定首部,目 的 端 口,数据偏移,检 验 和,选 项（长 度 可 变）,源 端 口,序 号,紧 急 指 针,窗 口,确 认 号,保 留,FIN,32 位,SYN,RST,PSH,ACK,URG,位 0 8 16 24 31,填 充,TCP 数据部分,TCP 首部,TCP 报文段,IP 数据部分,IP 首部,发送在前,TCP

27、报文段的首部格式,TCP建立连接,CLOSED,CLOSED,A,B,客户,服务器,TCP释放连接,数据传送,ESTAB-LISHED,ESTAB-LISHED,A,B,客户,服务器,数据传送,ACK=1,seq=u+1,ack=w 1,TCP流量控制,TCP通过滑动窗口实现流量控制。流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，既要让接收方来得及接收，也不要使网络发生拥塞。接收方窗口大小决定发送方窗口大小。,TCP拥塞控制,在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏，即产生拥塞。出现资源拥塞的条件：对资源需求的总和 可用资源,拥塞控制与流量控制的关系,拥塞

28、控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。,TCP的拥塞控制方法,慢开始和拥塞避免,22,16,“乘法减小”,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,0,0,4,8,12,20,24,拥塞窗口 cwnd,新的 ssthresh 值,网络拥塞,指数规律增长,ssthresh 的初始值,慢开始,慢开始,慢开始,拥塞避免“加法增大”,拥塞避免“加

29、法增大”,传输轮次,TCP的拥塞控制方法,快重传和快恢复,24,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,传输轮次,拥塞窗口 cwnd,收到 3 个重复的确认执行快重传算法,慢开始,“乘法减小”,拥塞避免“加法增大”,TCP Reno版本,TCP Tahoe 版本(已废弃不用）,ssthresh 的初始值,拥塞避免“加法增大”,新的 ssthresh 值,慢开始,快恢复,发送窗口的上限值,发送方的发送窗口的上限值应当取为接收方窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 这两个变量中较小的一个，即应按以下公式确定：发送窗口的上限值 Min rwnd,c

30、wnd 当 rwnd cwnd 时，是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值。当 cwnd rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值。,随机早期检测RED,RED的主要作用是避免全局同步。,从队首发送,最小门限 THmin,最大门限 THmin,分组到达,平均队列长度 Lav,排队,丢弃,以概率 p 丢弃,本学期主要内容,计算机网络概述物理层数据链路层网络层运输层应用层下一代因特网,五层协议的体系结构,进程为用户提供服务，直接面向用户。,数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,域名系统DNS,域名的结构由标号序列组成，各标号之间用点隔开：.三级域名.二

31、级域名.顶级域名各标号分别代表不同级别的域名。,(1)国家顶级域名：如:.cn 表示中国，.us 表示美国，.uk 表示英国，等等。(2)通用顶级域名：.com（公司和企业）.net（网络服务机构）.org（非赢利性组织）.edu（美国专用的教育机构）.gov（美国专用的政府部门）.mil（美国专用的军事部门）.int（国际组织）,顶级域名 TLD,本学期主要内容,计算机网络概述物理层数据链路层网络层运输层应用层下一代因特网,IPv6地址的表示,128位的IPv6地址用冒号十六进制记法表示。每个 16 位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF以段为单位，每一段最前面的零可以省略，例如008A可以记为8A。,IPv6地址的表示,使用零压缩表示法，以段为单位，连续的零段可以为一对冒号所取代。12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60可以简写为：12AB:CD30:0:0:0:0/60或12AB:0:0:CD30:/60一个地址中，只能压缩一次连续0段，否则将无法判断到底有多少个0段被压缩。,祝各位同学考试顺利！,