第一章
- 1. 計算機網絡發展的三個階段:
-
遠程聯機系統(50年代中期-60年代中期)
- 計算機-計算機網絡(60年代末-70年代末)
- 以資源共享爲目標,在網絡協議的支持下,用戶使用遠方計算機系統的資源就好像使用本地計算機系統一樣方便,幾乎覺察不到地理位置的差別.缺點無法實現網絡的任意連接,拓展性差.
- 開放式標準化網絡(80年代-至今)
既有統一的網絡體系結構,遵守標準化協議,便於網絡互連,大規模生產,降低成本.
2. 網絡分類(數據與交換方式)
| 分類 | 特徵 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|
| 電路交換網 | 獨佔信道資源 | 實時性好 | 信道利用率低 |
| 分組交換網 | 化整爲零,存儲轉發 | 信道利用率高 | 傳輸延遲較大,實時性差 |
3.計算機網絡的主要功能
- A.遠程登錄:利用本地終端使用遠程主機的CPU,RAM,OS等
- B.文件傳輸:利用FTP在兩臺主機間傳輸文件
- C.電子郵件:利用SMTP發送郵件,利用POP3從郵件服務器接收電子郵件
- D.數據庫服務:以C/S方式訪問遠方數據庫系統
- E.WWW服務:通過HTTP瀏覽分佈在任何地方的網頁,並通過超級鏈接,繼續瀏覽系一個指定頁面.
第二章
1. OSI(open system interconnect )和internet參考模型
| OSI | Internet | |
|---|---|---|
| 應用層 | 應用層 | |
| 表示層 | ||
| 會話層 | ||
| 傳輸層 | 傳輸層 | |
| 網絡層 | 互聯網層 | |
| 數據鏈路層 | ||
| 物理層 | 子網層 |
第三章
1.模擬通信與數字通信
- 模擬信號:信號在傳輸過程中連續變化
- 數字信號:信號在傳輸過程中離散變化
- 模擬通信:利用模擬信號來傳輸數據
- 數字通信:利用數字信號來傳輸數據
- 數字通信的優點:
- 抗干擾能力強
- 適合遠距離傳輸
- 有利於安全性
- 適合多媒體信息傳輸
2.波特率
- 波特率又稱碼元速率,是指每秒鐘傳輸碼元的數目,單位爲波特(Baud).
- 碼元的離散取值數目爲L,波特率爲B,數據率爲C,則:C=B
log2L
3.信道帶寬與數據率的關係
- 奈奎斯特定理(無噪聲信道)
- C=2H
log2L (bps)
-C爲信道的數據率,H爲信道的帶寬(H=1τ ,τ 爲脈衝寬度),L爲數字信號離散取值數目
- C=2H
- 香農定理 (有噪聲信道,L不受限)
- C=H
log2(1+S/N) (bps)
-S爲信號功率,N爲噪音功率,S/N爲信噪比
- C=H
4.信道的通信方向
- 單工信道:只允許數據在信道上的單向傳輸
- 半雙工信道:數據信號可以在信道上雙向傳輸,但同一時刻只允許單項傳輸
- 全雙工信道:允許數據同時雙向傳輸
5.數字信號的編碼
- 非歸零編碼（NRE: Non-Return to Zero）
- 曼徹斯特編碼（Manchester Encoding）
- 每一位中間有一次跳變，既表示數據，又作爲同步信號。從高電平跳變到低電平表示“0”，從低電平跳變到高電平表示“1”；反之亦然。
- 每一位中間有一次跳變，既表示數據，又作爲同步信號。從高電平跳變到低電平表示“0”，從低電平跳變到高電平表示“1”；反之亦然。
- 差分曼徹斯特編碼（Differential Manchester Encoding）
- 每一位中間也有一次跳變，但這種跳變僅作爲同步信號，不表示數據。數據值通過每位開始時無跳變來表示；有跳變表示“0”，無跳變表示“1”；反之亦然。
- 每一位中間也有一次跳變，但這種跳變僅作爲同步信號，不表示數據。數據值通過每位開始時無跳變來表示；有跳變表示“0”，無跳變表示“1”；反之亦然。
6.脈碼調製（PCM：Pulse Code Modullation）
- 採樣
- 按照一定的時間間隔採樣測量模擬信號幅值 。
- 採樣定理 若模擬信號的帶寬爲H(Hz),則採用頻率B只要大於或等於2H就可以恢復原樣模擬信號。即： B≥2H.
- 量化
- 將採樣點測得的信號幅值分級取整。
- 編碼
- 將量化後的整數值用二進制數表示
7.數據同步方式
1.字符同步：僅針對一個字符內所含的二進制位進行同步。
- 優點
- 時鐘飄移被限制在一個字符內，不會產生積累誤差。因此對同步精度要求不高。
- 缺點
- 每個字符均有起始/停止位，因而傳輸效率較低。
- 適用
- 低速通信。
- 字符同步方式又稱異步通信。
2.位同步 （同步通信）：針對每個數據塊內的每位進行同步
實現位同步的兩種方法：
- 內同步：不單獨發同步位號，而是將同步位號嵌入數據編碼內部。例如曼徹斯特編碼。
- 外同步：在發送端和接收端之間提供專門的時鐘信號。
優點
- 傳輸效率高。
- 缺點
- 易產生時鐘漂移積累誤差而導致數據出錯，同步困難。
例設一個數據塊爲1K字節，那麼每次要連續發送1024x8=8192位。
- 易產生時鐘漂移積累誤差而導致數據出錯，同步困難。
- 適用
- 高速通信。
3.多路複用:將多個信道複用在一條物理線路上，使一條物理線路能夠同時傳輸多路數據信號。
- 頻分多路複用（FDM）
- 時分多路複用（TDM）
- 統計時分多路複用（統計TDM）
第四章
1.差錯控制
1.差錯控制編碼
檢錯碼：能夠發現差錯，但無法自動糾正差錯，通過發送方重傳來 獲得正確的數據。
糾錯碼：不但能過發現差錯，而且知道哪些位出錯，從而能夠自動 糾正差錯。
2.兩個碼字的距離: 兩個等長碼字的不同位數稱爲這兩個碼字的距離，簡稱碼距。
如: 10001001
10110001
則這兩個碼字的距離爲3。
3.海明距離
- 給定某種編碼規則，就能夠造出包含全部合法碼字的碼字表（編碼系統）；該碼字表中必存在着兩個碼字，使得這兩個碼字的距離最小；該最小距離稱爲該碼字表（編碼系統）的海明距離。
- 海明距離決定了編碼系統的檢錯和糾錯能力
4.編碼的檢錯和糾錯能力
- 若要檢測d位出錯，則海明距離至少爲d+1。
2.循環冗餘碼（CRC碼）
1.循環冗餘碼（CRC碼） 是目前計算機網絡中使用最廣泛的一種檢錯碼。CRC碼又稱多項式碼，每個碼字對應於一個多項式。
- 設碼字爲
a1a2a3….an ，則對應的多項式爲：
A(x)=a1xn−1+a2xn−2+a3xn−3+.…+an - 如： 110001
→x5+x4+1 - 設信息位串爲
a1a2a3….am ，則對應的多項式爲：
M(x)=a1xm−1+a2xm−2+a3xm−3+.…+am
2.編碼原理（發送端）
- 選擇一個r次多項式G(x)作爲生成多項式，按下面步驟生成校驗串：
在信息位串後補r個0，對應的多項式爲xrM(x) 用模2不借位除法，計算餘數R(x)：
R(x)=MOD(xrM(x)/G(x)) 幾個標準G(x)
- CRC-12 =
x12+x11+x3+x2+x+1 - CRC-16 =
x16+x15+x2+1 - CRC-CCITT =
x16+x12+x5+1
- CRC-12 =
3.流量控制
1.停—等協議
- 發送端發送一幀後，等待對方的應答。
- 接收端收到一幀後，檢查校驗位串，若出錯，則返回“否認”；若無錯，則返回“確認”信息。
- 發送端收到“確認”後，立即發送下一幀；收到“否認”，則重發該幀。
- 發送端發送一幀後，立即啓動超時計時器。若超時，則重發該幀。
- 接收端應保存最近收到的幀序號，若下一個到達幀的序號與該序號相同，則丟棄該幀，並返回“確認”信息。
1. 缺點：信道利用率低
2. 優點：簡單
3. 信道最大利用率
4.
其中，B爲信道速率，L爲幀長，R爲信號的單程傳播延時，U爲信道的最大利用率。
2.滑動窗口協議
- 基本思想：爲提高信道利用率，允許發送方連續發送若干幀，然後再等待對方應答。
滑動窗口協議的基本規則
- 只有幀序號落入當前窗口的幀纔有資格發送；發送方收到對方確認信息後，發送窗口向前滑動（順序改變當前窗號）。
- 只有幀序號落入當前窗口的幀才接收，否則丟棄；接收窗口中的幀遞交給主機後，接收窗口向前滑動（順序改變當前窗號）。
順序接收管道協議 （回退n協議）
發送方連續發送n幀而無需對方應答，但需要將已發出但尚未得到確認的幀保存在發送窗口中，以備重發。 接收方將正確的且幀序號落入當前接收窗口的幀存入接收窗口，同時按序將接收窗口的幀送交給主機（網絡層）。出錯或幀序號未落入當前窗口的幀予以丟棄。 當某幀丟失或出錯時，則其後到達的幀均丟棄，並返回否認信息，請求對方從出錯幀開始重發。 發送方設置一個超時計時器，當連續發送n幀後，立即啓動超時計時器；若超時且未收到應答，則重發這n幀。- 缺點：僅需一個接收緩衝區
- 優點：當信道誤碼率較高時，會產生大量重發幀
- 信道最大利用率
U=nL/BnL/B+2R
選擇重傳協議
發送窗口尺寸WT= n >1， 接收窗口尺寸WR=m >1 。 若某一幀出錯，後面正確到達的幀雖然不能立即送網絡層，但可將其保存在接收窗口；因此，僅需重傳出錯幀。- 優點：僅需重傳出錯幀，不會產生大量重發幀。
- 缺點：需要多個接收緩衝區。
| 協議 | 發送窗口 | 接收窗口 |
|---|---|---|
| 停—等 | 1 | 1 |
| 回退n | >1 | 1 |
| 選擇重傳 | >1 | >1 |
第五章
1. 概述
網絡層功能
在數據鏈路層的支持下，將報文分組從源節點傳輸到目的節點。報文分組
一份完整的信息稱爲一個報文。 分組交換技術將報文劃分爲若干個較小的格式化信息單位獨立傳輸，這樣的格式化信息單位稱爲報文分組，簡稱“分組”。“分組”是網絡層的協議數據單元（NPDU)。 分組作爲數據幀的數據部分。
2. 虛電路和數據報
- 分組交換的基本原理
- 將一份完整的報文劃分爲若干個分組，每個分組以存儲/轉發方式，獨立地從源節點傳輸到目的節點，目的節點收到這些分組重新組裝成原報文。
- 分組交換技術特徵：化整爲零，存儲轉發。
- 優點
- 使多路數據能夠複用一條鏈路，提高鏈路的利用率。
- 有利於差錯控制。
- 有利於安全性。
- 缺點
- 當網絡擁塞時，會導致分組傳輸延遲增加，對流媒體影響較大。
- 分組交換技術的兩種實現方式：虛電路和數據報。
1.虛電路
- 1.特點
- 通信前,發送方和接收方之間必須建立連接（虛電路），所以虛電路是面向連接的網絡服務。
- 虛電路只是一種邏輯電路，而不是真正的物理電路。報文分組在虛電路上傳輸不像在物理電路上那樣中暢通無阻,而是要經過節點的“存儲轉發”。
- 一旦虛電路建立完畢，所有分組必須經過該虛電路進行。因此，虛電路能夠保證分組的順序到達。
- 僅當建立虛電路時需要源/目的節點地址，數據分組只需分配一個虛電路號而無需攜帶完整的源/目的節點地址。
- 一條鏈路上允許建立多個虛電路。
- 2.固定虛電路號
- 建立虛電路時，由發起方選擇一個固定的虛電路號。
- 每個節點維護一張虛電路表，記錄前一個節點、下一個節點、虛電路號等信息
- 3.動態虛電路號
- 當有多條虛電路時，不同的發起方可能會選擇相同的虛電路號。爲避免這種情況，常採用動態虛電路號，不同的節點對同一條虛電路可使用不同的虛電路號。
- 每個節點的虛電路表記錄兩個虛電路號：前一節點選擇的虛電路號，本節點選擇的虛電路號。
2.數據報
- 數據報無需建立連接，每個分組攜帶完整的源/目的地址，獨立的選擇路徑，通過不同的路徑到達目的主機
- 數據報的特點
- 無需建立連接就可傳輸報文分組，因此數據報稱爲非面向連接的網絡服務。
- 不同的分組可以通過不同的路由到達目的主機，先發出的分組未必先到；因此數據報不能保證分組的順序到達。
- 每個分組攜帶完整的源/目的地址，獨立的選擇路徑。
3.虛電路與數據報比較
| 分類 | 數據報 | 虛電路 |
|---|---|---|
| 延時 | 分組傳輸延時 | 虛電路建立延時，分組傳輸延時 |
| 路由選擇 | 每個分組單獨選擇路由 | 建立虛電路時選擇路由，以後所有分組都使用該路由 |
| 狀態信息 | 子網無需保存狀態信息 | 每個結點要保存一張虛電路表 |
| 地址 | 每個分組攜帶完整的源/目的地址 | 每個分組分配一個較短的虛電路號 |
| 節點失敗的影響 | 除了崩潰時正在該節點處理的分組都丟失外，無其他影響 | 所有經過失效節點的虛電路都要被終止 |
| 擁塞控制 | 難 | 容易 |
3. 路由選擇算法
1.路由選擇
- 路由選擇：根據某種策略，選擇一條到達目的主機的最佳路徑。
- 路由選擇由路由器完成；對單個路由器而言，路由選擇實質上是選擇最佳輸出鏈路（端口），多個路由器協作選擇一條最佳路由。
- 路由選擇是網絡層最重要功能，無論是虛電路，還是數據報都要進行路由選擇。虛電路需要一次路由選擇，數據報需要爲每個分組選擇路由。
2.路由分類
- 靜態路由：按照某種固定的規則進行路由選擇，不隨網絡流量和拓 撲結構變化而變化。
- 動態路由：根據當前拓撲結構和流量的變化來動態改變路由，又稱 爲自適應路由。
3.靜態路由算法
- 擴散法（洪泛法）
- 當節點收到一個分組後，向除進來的鏈路外的所有其他鏈路轉發（擴散），其結果是至少有一個分組以最快的速度到達目的節點。
- 問題：擴散過程產生大量重複分組(就像洪水氾濫一樣），導致網絡無法 運行。
- 解決措施：每個分組設置一個下跳數字段，每經過一個節點下跳數減1； 當下跳數爲0時，丟棄該分組。
- 固定式路由選擇
- 每個結點保存一張固定的路由表，當某一分組到達時，根據分組的目的地址，在路由表中找到其對應的輸出鏈路。
- 網絡管理員爲每個路由器配置固定路由表，固定路由表一旦生成，就不再改變，除非網絡管理員重新配置。
- 靜態路由特點
- 優點：簡單，路由算法開銷小。
- 缺點：不能適應網絡流量和拓撲結構的變化。
- 適用：小規模網絡。
4.動態路由算法
熱土豆算法
- 基本思想:當節點收到一個分組後，選擇一條輸出隊列最短的鏈路儘快的將其轉發出去，而不管目的節點位於何方。
- 優點：儘量提高鏈路的利用率。
- 缺點：盲目性。
改進：與固定式路由算法混合使用。
首先根據固定路由算法選擇可能的輸出鏈路，並給這些鏈路賦上一定權值； 再根據鏈路隊列長度，賦上一定權值； 選擇這兩個權值之和最小的鏈路。
- 逆向自學習算法
距離向量路由算法 (D-V算法)
- 基本思想:每個節點都保存一張動態路由表，路由表包括目的節點地址，最短距離、最佳輸出鏈路。與固定式路由選擇不同的是：相鄰結點之間定期交換路由信息（如每隔30秒），並根據最新路由信息，刷新路由表。
初始化
當節點加入網絡時，獲取直接相連的鏈路情況（無需知道網絡全局拓撲）； 構建初始路由表，初始路由表中的目的節點僅包含直接相連的節點，“距離”值置爲0； 將初始路由表發給直接相連的節點。- 路由信息更新
D-V算法特點
- 優點：由於僅相鄰節點交換路由信息，所以運算量和交換的信息量較小。
- 缺點：收斂速度慢，對網絡變化需經若干週期才能作出反應。特別是對好消 息反應快，對壞消息反應遲鈍。
無窮計數問題的解決
規定一個足夠大的數作爲∞ ，如RIP規定爲16；缺點是限制了網絡規模。 水平分割法，即不允許將從相鄰節點獲得的路由信息再提供給該相鄰節點。
- 鏈路狀態路由選擇算法（L-S算法）
- 基本思想:所有節點相互交換路由信息，並根據最新路由信息刷新路由表。
- 描述:
- 發現鄰居結點
當一個路由器啓動以後，通過向每個端口發送特殊的HELLO分組來發現鄰居結點；收到HELLO分組的路由器應返回一個應答來說明它的網絡地址。 - 測量相鄰鏈路開銷
通過發送特殊的ECHO分組來實現，測量其往返時間，再除以2。
- 發現鄰居結點
- 特點:
- 優點：對網絡變化反應迅速（只需一個週期）。
- 缺點：廣播L-S分組佔用信道帶寬大。
- 應用： Internet的內部網關協議採用L-S算法。
- 算法比較 D-V pk L-S
| 分類 | D-V | L-S |
|---|---|---|
| 交換路由信息 | 定期 | 網絡拓撲發生改變 |
| 交換範圍 | 相鄰結點 | 全網 |
| 路由更新 | 緩慢 | 迅速 |
| 適用範圍 | 變化緩慢的網絡 | 變化較激烈的網絡 |