1、概述

OSI参考模型

  1. 物理层
  2. 数据链路层
  3. 网络层
  4. 运输层
  5. 会话层
  6. 表示层
  7. 应用层

TCP/IP 的体系结构

  1. 网络接口层
  2. 网际层IP
  3. 运输层（TCP 或 UDP）
  4. 应用层

五层协议的体系结构

  1. 物理层
  2. 数据链路层
  3. 网络层
  4. 运输层
  5. 应用层

计算机网络的分类

  1. 广域网：（Wide Area Network，WAN） 这种网络也称为远程网，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几百公里到几千公里。
  2. 城域网：（Metropolitan Area Network；MAN） 这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。
  3. 局域网：（Local Area Network；LAN） 通常我们常见的“LAN”就是指局域网，这是我们最常见、应用最广的一种网络。特点就是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。

计算机网络的性能指标和对应单位

速率，带宽，吞吐量，时延，时延带宽积，往返时间RTT，利用率

网络协议相关概念

  1. 概念：网络协议是计算机网络相互通信的对等层实体之间交换信息时必须遵守的规则或约定的集合。

  2. 网络体系结构：网络各层、层中协议和层间接口的集合，即网络层次结构模型和协议的集合称为网络体系结构。

  3. 网络协议的三个基本要素：语法、语义和同步

    语法：数据和控制信息的结构或格式

　　语义：用于协调和进行差错处理的控制信息

　　时序（同步）：是对事件实现顺序的详细说明

  1. ISO（International Organization for Standardization，国际标准化组织）：一个制定计算机网络标准的重要国际组织。

  2. OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）：ISO制定了OSI模型，该模型定义了不同计算机互联的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。

OSI模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

2、物理层

数据通信系统的组成

  • 源系统（或发送端、发送方）
  • 传输系统（或传输网络）
  • 目的系统（或接收端、接收方）

计算机网络的双工方式

  • 单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
  • 半双工通信：通信的双方都可以发送信息，但不能双发同时发送，一方发送另一方接收。
  • 全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息。

信道复用技术

  • 频分复用
  • 时分复用
  • 统计时分复用
  • 波分复用
  • 码分复用

3、数据链路层

数据链路层

使用的信道主要有：

  1. 点对点信道
  2. 广播信道

三个基本问题

  • 封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部和尾部。
  • 透明传输：表示无论什么样的比特组合的数据，都能按照原样没有差错地通过这个数据链路层。需要解决透明传输问题，在数据链路层在数据中出现的控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”，然后再接收端把数据中的转义字符删除。
  • 差错检测：防止比特再传输过程中出错（1变成0或0变成1），在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。目前在数据链路层中广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。

点对点协议PPP

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  • F 为标志位（7E）= 0111 1110

  • 零比特填充：

    PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输而不是异步传输。PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

    具体做法：

    • 在发送端先扫描整个信息字段，只要发现有5个连续的1，则立即填充一个0。

    • 在接收端接收到一个帧时，当发现5个连续的1时，就把这5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流。

    这样就保证了透明传输。

CSMA/CD 协议

载波监听多点接入/碰撞检测

CSMA/CD 协议的要点：

  • 多点接入
  • 载波监听
  • 碰撞检测

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显然，在使用CSMA/CD 协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但必须边发送边监听信道），所以只能进行半双工通信。

CSMA/CD 协议的要点归纳如下：

  1. 准备发送
  2. 检测信道
  3. 在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听：
    • 发送成功：在争用期内一直为检测到碰撞
    • 发送失败：在争用期内检测到碰撞，等待 r 倍 512 比特时间后，返回到步骤2，继续检测信道。如果重传达16次则通知重传而向上报错

4、网络层

TCP/IP

TCP/IP 体系中的网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据包服务。

两种服务

  • 面向连接
  • 面向无连接

网际协议IP

  • 地址解析协议 ARP
  • 网际控制报文协议 ICMP
  • 网际组管理协议 IGMP

IP地址分类

所谓的“分类的IP地址”就是将IP地址划分为若干个固定类，这里的A类、B类、C类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个时网络号（net-id），第二个字段为主机号（host-id）。

IP地址 ::= {<网络号>, <主机号>}

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IP地址和硬件地址MAC

  • 硬件地址：是数据链路层和物理层使用的地址
  • IP地址：网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（因为IP地址是用软件实现的）

在发送数据时，数据从高层下到底层，然后菜刀通信链路上传输，使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成MAC帧了。

MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址，这两个硬件地址都写在MAC帧的首部中。

地址解析协议ARP

用途：为了从网络层使用IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。

而逆地址解析协议RARP就是通过硬件地址找出对应的IP地址。

内部网关协议 RIP

路由信息协议：RIP时一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是互联网的标准协议，其最大优点就是简单。包含目的网络、距离（经过几跳）、下一跳路由器

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内部网关协议 OSPF

开放最短路径优先，原理简单，但实现复杂

外部网关协议 BGP

IPv6

因为到2011年2月，IPv4的地址已经耗尽，ISP已经不能再申请到新的IP地址块了，我国在2014年至2015年也逐渐停止了向新用户和应用分配IPv4地址，同时全面开始商用部署IPv6。

IPv6的主要变化：

  1. 更大的空间（采用128位的地址）

  2. 灵活的首部格式

  3. 改进的选项

  4. 支持即插即用

  5. 支持资源的预分配

  6. IPv6首部改为8字节对齐

  7. 简化的包头

    IPv6中包括总长为40字节的8个字段(其中两个是源地址和目的地址)。它与IPv4包头的不同在于，IPv4中包含至少12个不同字段，且长度在没有选项时为20字节，但在包含选项时可达60字节。IPv6使用了固定格式的包头并减少了需要检查和处理的字段的数量，这将使得选路的效率更高。

  8. 对扩展和选项支持的改进

    在IPv4中可以在IP头的尾部加入选项，与此不同，IPv6中把选项加在单独的扩展头中。

  9. 流

    流指的是从一个特定源发向一个特定(单播或者是组播)目的地的包序列，源点希望中间路由器对这些包进行特殊处理。路由器需要对流进行跟踪并保持一定的信息，这些信息在流中的每个包中都是不变的

  10. 身份验证和保密

    RFC1825(IP的安全性体系结构)描述了IP的安全性体系结构，包括IPv4和IPv6。它发表于在1995年8月，目前正在进行修改和更新。1998年3月发表了一个更新版Internet草案。IP安全性的基本结构仍然很坚固，且已经进行了一些显著的改变和补充。IPv6使用了两种安全性扩展：IP身份验证头(AH)首先由RFC1826(IP身份验证头)描述，而IP封装安全性净荷(ESP)首先在RFC1827(IP封装安全性净荷(ESP))中描述。

5、运输层

两个主要协议

  1. 用户数据报协议UDP：不需要先建立连接，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。

  2. 传输控制协议TCP：提供面向连接的服务，在传送数据之前需要建立连接，数据传送结束后要释放连接。TCP不提供广播或多播服务。

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6、练习题

1-02 简述分组交换的要点。

答：（1）报文分组，加首部（2）经路由器储存转发（3）在目的地合并

1-14 计算机网络有哪些常用的性能指标？

答：速率，带宽，吞吐量，时延，时延带宽积，往返时间RTT，利用率

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2×108m/s。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100kb/s。
（2） 数据长度为103bit,数据发送速率为1Gb/s。
从上面的计算中可以得到什么样的结论？
解：

（1）发送时延：ts=107/105=100s传播时延tp=106/(2×108)=0.005s
（2）发送时延ts =103/109=1µs传播时延：tp=106/(2×108)=0.005s
结论：若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发送时延往往大于传播时延。但若数据长度短而发送速率高，则传播时延就可能是总时延中的主要成分。

1-24 论述具有五层协议的网络体系结构的要点，包括各层的主要功能。

答：综合OSI 和TCP/IP 的优点，采用一种原理体系结构。

各层的主要功能：

  • 物理层：物理层的任务就是透明地传送比特流。（注意：传递信息的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，是在物理层的下面，当做第0 层。） 物理层还要确定连接电缆插头的定义及连接法。
  • 数据链路层：数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。
  • 网络层：网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站的运输层。
  • 运输层：运输层的任务是向上一层的进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端服务，使它们看不见运输层以下的数据通信的细节。
  • 应用层：应用层直接为用户的应用进程提供服务。

2-10 常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

  1. 双绞线
  2. 屏蔽双绞线
  3. 无屏蔽双绞线
  4. STP (Shielded Twisted Pair)
  5. UTP (Unshielded Twisted Pair)
  6. 同轴电缆：50 W 同轴电缆、75 W 同轴电缆
  7. 光缆无线传输：短波通信/微波/卫星通信

3-07 要发送的数据为1101011011。采用CRC的生成多项式是P（X）=X4+X+1。试求应添加在数据后面的余数。数据在传输过程中最后一个1变成了0，问接收端能否发现？若数据在传输过程中最后两个1都变成了0，问接收端能否发现？采用CRC检验后，数据链路层的传输是否就变成了可靠的传输？

答：作二进制除法，1101011011 0000 10011 得余数1110 ，添加的检验序列是1110.作二进制除法，两种错误均可发展仅仅采用了CRC检验，缺重传机制，数据链路层的传输还不是可靠的传输。

4-03 作为中间设备，转发器、网桥、路由器和网关有何区别？

答：中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。

  • 物理层中继系统：转发器(repeater)。
  • 数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。
  • 网络层中继系统：路由器(router)。
  • 网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。
  • 网络层以上的中继系统：网关(gateway)。

4-09

（1）子网掩码为255.255.255.0代表什么意思？

有三种含义

  1. 是一个A类网的子网掩码，对于A类网络的IP地址，前8位表示网络号，后24位表示主机号，使用子网掩码255.255.255.0表示前8位为网络号，中间16位用于子网段的划分，最后8位为主机号。
  2. 第二种情况为一个B类网，对于B类网络的IP地址，前16位表示网络号，后16位表示主机号，使用子网掩码255.255.255.0表示前16位为网络号，中间8位用于子网段的划分，最后8位为主机号。
  3. 第三种情况为一个C类网，这个子网掩码为C类网的默认子网掩码。

（2）一网络的现在掩码为255.255.255.248，问该网络能够连接多少个主机？

255.255.255.248即11111111.11111111.11111111.11111000. 每一个子网上的主机为(2^3)-2=6 台 掩码位数29，该网络能够连接8个主机，扣除全1和全0后为6台。

（3）一A类网络和一B网络的子网号subnet-id分别为16个1和8个1，问这两个子网掩码有何不同？

A类网络：11111111 11111111 11111111 00000000 给定子网号（16位“1”）则子网掩码为255.255.255.0

B类网络 11111111 11111111 11111111 00000000 给定子网号（8位“1”）则子网掩码为255.255.255.0但子网数目不同

（4）一个B类地址的子网掩码是255.255.240.0。试问在其中每一个子网上的主机数最多是多少？

（240）10=（128+64+32+16）10=（11110000）2

Host-id的位数为4+8=12，因此，最大主机数为： 2^12-2=4096-2=4094

(5)一A类网络的子网掩码为255.255.0.255；它是否为一个有效的子网掩码？

是 10111111 11111111 00000000 11111111

(6)某个IP地址的十六进制表示C2.2F.14.81，试将其转化为点分十进制的形式。这个地址是哪一类IP地址？

11000010.00101111.00010100.10000001

110开头的为C类地址

(7)C类网络使用子网掩码有无实际意义？为什么？

有实际意义.C类子网IP地址的32位中,前24位用于确定网络号,后8位用于确定主机号.如果划分子网,可以选择后8位中的高位,这样做可以进一步划分网络,并且不增加路由表的内容,但是代价是主机数相应减少.

4-20.设某路由器建立了如下路由表：

目的网络 子网掩码 下一跳

128.96.39.0 255.255.255.128 接口m0

128.96.39.128 255.255.255.128 接口m1

128.96.40.0 255.255.255.128 R2

192.4.153.0 255.255.255.192 R3

*（默认） —— R4

现共收到5个分组，其目的地址分别为：

（1）128.96.39.10

（2）128.96.40.12

（3）128.96.40.151

（4）192.153.17

（5）192.4.153.90

答：

（1）分组的目的站IP地址为：128.96.39.10。先与子网掩码255.255.255.128相与，得128.96.39.0，可见该分组经接口0转发。

（2）分组的目的IP地址为：128.96.40.12。①与子网掩码255.255.255.128相与得128.96.40.0，不等于128.96.39.0。②与子网掩码255.255.255.128相与得128.96.40.0，经查路由表可知，该项分组经R2转发。

（3）分组的目的IP地址为：128.96.40.151，与子网掩码255.255.255.128相与后得128.96.40.128，与子网掩码255.255.255.192相与后得128.96.40.128，经查路由表知，该分组转发选择默认路由，经R4转发。

（4）分组的目的IP地址为：192.4.153.17。与子网掩码255.255.255.128相与后得192.4.153.0。与子网掩码255.255.255.192相与后得192.4.153.0，经查路由表知，该分组经R3转发。

（5）分组的目的IP地址为：192.4.153.90，与子网掩码255.255.255.128相与后得192.4.153.0。与子网掩码255.255.255.192相与后得192.4.153.64，经查路由表知，该分组转发选择默认路由，经R4转发。

4-42假定网络中的路由器A的路由表有如下的项目（格式同上题）：

​ N1 4 B

​ N2 2 C

​ N3 1 F

​ N4 5 G

现将A收到从C发来的路由信息（格式同上题）：

​ N1 2

​ N2 1

​ N3 3

​ N4 7

试求出路由器A更新后的路由表（详细说明每一个步骤）。

答：路由器A更新后的路由表如下：

N1 3 C 不同的下一跳，距离更短，改变

N2 2 C 不同的下一跳，距离一样，不变

N3 1 F 不同的下一跳，距离更大，不改变

N4 5 G 无新信息，不改变