计算机网络重点复习整理(谢希仁第五版)

计算机网络基础复习提纲

第一章概述 10分

1 五层协议的网络体系结构：各层功能、优缺点。

应用层

应用层是体系结构中的最高层。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要。这里的进程就是指正在运行的程序。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远地操作，而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理，来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能。应用层直接为用户的应用进程提供服务。

传输层

传输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信。因特网的传输层可使用两种不同协议：即面向连接的传输控制协议TCP，和无连接的用户数据报协议UDP。面向连接的服务能够提供可靠的交付，但无连接服务则不保证提供可靠的交付，它只是“尽最大努力交付”。这两种服务方式都很有用，备有其优缺点。在分组交换网内的各个交换结点机都没有传输层。

^

网络层

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。在发送数据时，网络层将运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。网络层的另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组能够交付到目的主机。

数据链路层

当发送数据时，数据链路层的任务是将在网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送以帧为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控

制信息（如同步信息、地址信息、差错控制、以及流量控制信息等）。控制信息

使接收端能够知道—个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。控制信息还使接收

端能够检测到所收到的帧中有无差错。

物理层

^

物理层的任务就是透明地传送比特流。在物理层上所传数据的单位是比特。传递

信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，并不在物理层之内

而是在物理层的下面。因此也有人把物理媒体当做第0层

2 计算机网络的发展趋势及应用前景。

习题

1、习题1-24；

2、根据你了解的计算机网络的发展现状，你预测未来计算机网络的发展趋势是

什么未来几年，哪些网络应用将会对我们的生活和工作产生深刻的影响

第二章物理层 12分

1 信道的极限容量：香农公式

信噪比（db）=10log10(s/n)

]

S表示信号的平均功率，n表示噪声的平均功率

香农公式：信道的极限信息速率c=w log2(1+s/n) (b/s) w代表信道的带宽

香农公式表明：信道的带宽或信道中的信道比越大，信息的极限输出速率就越高!

2 信道复用技术原理：CDMA

1.频分复用

2.时分复用

码元复用cdm

码元地址csma的每一个站被指派一个唯一的M bit码元序列，一个站如果要发送比特1，则发送它自己的Mbit码元序列。如果奥发送比特，则发送该码元序列的二进制反码。

>

SONET 标准定义了

四个光接口层

1.光子层处理跨越光缆的比特传送。

2.段层在光缆上传送 STS-N 帧。

3.线路层负责路径层的同步和复用。

4.路径层处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的

传输。

;

光的波长公式：v=l*f

F=v/l

所以带宽b=f1-f2=v/l1-v/l2

习题

1、2-8 2-9 2-16

)

2、E1=[00011011]，E2=[00101110]，E3=[01000010] ，若第1 站发1，第2站发0，第3站和其它站不发，问混合信号矢量X等于多少

3、E1-[00011011]，E2=[00101110]，E3=[01000010]，若收到的混合信号矢量 X：[ 0 0 -2 +2 0 -2 0 +2]。问第1、2和3 站发出的bit是什么

第三章数据链路层 25

1 数据链路层的基本功能

当发送数据时，数据链路层的任务是将在网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送以帧为单位的数据

数据链路层的3个基本问题是：1封装成帧

2透明传输

3差错检测

`

2 差错检测：CRC循环冗余检测

用二进制的模 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，余数R 比除数P 少1 位，即R 是n位。

帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)

1) 若得出的余数R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。

(2) 若余数R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。

只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的

差错的概率就很小很小。

—

FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯

一方法。

仅用循环冗余检验CRC 差错检测技术只能做到无差错接受

(accept)。

PPP 协议应满足的需求

简单——这是首要的要求

封装成帧

透明性

多种网络层协议

、

多种类型链路

差错检测

检测连接状态

最大传送单元

网络层地址协商

数据压缩协商

PPP 协议不需要的功能

纠错

…

流量控制

序号

多点线路

半双工或单工链路 ppp协议支持全双工链路

Ppp协议是不可靠传输协议

PPP 有一个 2 个字节的协议字段

Ppp的帧格式

当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。

：

若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。

若为 0x8021，则表示这是网络控制数据

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（和HDLC 的做法一样）。

当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

字节填充

将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。

^

若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。

若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

零比特填充

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。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，

Ppp协议的工作状态

当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。

。

PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。

这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。

通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

3 以太网工作原理

局域网具有如下的一些主要优点：

具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机

可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。

便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。

/

提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

局域网的拓扑

星状网

树状网

环形网

总线网

-

媒体共享技术

静态划分信道

频分复用

时分复用

波分复用

码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

随机接入

{

受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。

数据链路层的两个子层

逻辑链路控制

媒体接入控制

以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。

当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。

，

如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

4 CSMA/CD协议

CSMA/CD 表示Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。

“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

“载波监听”是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计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号

。

“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。

当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。

当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。

所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”

CSMA/CD 协议重要特性

使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。

这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率|

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。

二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)

确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。

定义重传次数k，k 10，即

k = Min[重传次数, 10]

从整数集合[0,1,…, (2k1)]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。

|

争用期

以太网取s 为争用期的长度。

对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。

以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据

就不会发生冲突

Csma/cd主要要点归纳

1.适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组

成以太网帧，放入适配器的缓存中，准备发送

2.若适配器检测到信道控件（即在96比特时间内没有检测到信道

的信号），就发送这个帧。若检测信道忙，则继续检测并等待信

道转为空闲（加上96比特时间），然后发送这个帧。

3.在发送过程中继续检测信道，若一直未检测到碰撞，就顺利把

这个帧成功发送完毕。若检测到碰撞，则终止发送数据，并发

送人为的干扰信号。

4.《

5.在终止发送后，适配器就执行指数退避算法，等于R倍的512

比特时间后，返回第2步。

5 以太网的扩展：透明网桥的功能、自学习及转发算法

以太网的信道被占用的情况：

争用期长度为 2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰

信号。

帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L /C =

T 0 (s)。

，

要提高以太网的信道利用率，就必须减小

与 T 0 之比。在以太网中定义了参数 a ，

它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T 0 之比

a →0 表示一发生碰撞就立即可

以检测出来，

并立即停止发送，因而信道利用率很高。

a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发

生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

[

在理想化的情况下，以太网上的各站

T a τ=

发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD ，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。

发送一帧占用线路的时间是 T 0 + ，而帧本身的发送时间是 T 0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 S max

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； 》

用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；

数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。

对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 优点

集线器的优缺点

优点

使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 ！

扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点

碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。

a

T T S +=+=11

00max τ

如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们

互连起来。

网桥的优点

过滤通信量。

扩大了物理范围。

提高了可靠性。

、

可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。

网桥的缺点

存储转发增加了时延。

在MAC 子层并没有流量控制功能。

具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。

网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

透明网桥

目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。

|

“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 。

网桥应当按照以下自学习算法

处理收到的帧和建立转发表

若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。

网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的

一个项目。

在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。

在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。

/

快速以太网的特点

可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。

MAC 帧格式仍然是标准规定的。

保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。

帧间时间间隔从原来的s 改为现在的s

吉比特以太网

允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。

使用协议规定的帧格式。

《

在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。

与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

吉比特以太网的物理层

1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：

1000BASE-SX SX表示短波长

1000BASE-LX LX表示长波长

1000BASE-CX CX表示铜线

、

1000BASE-T

使用 4对 5 类线 UTP

端到端的以太网传输

10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企

业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。

这种工作方式的好处是：

成熟的技术

互操作性很好

{

在广域网中使用以太网时价格便宜。

统一的帧格式简化了操作和管理。

以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：

可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。

灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。

易于安装。

|

稳健性好。

以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。

以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。

采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。

习题

!

3-7 3-8 3-32 3-33

课堂作业

1 CRC

2 以太网工作原理

3 以太网桥转发表的建立

第四章网络层 30

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报服务

网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限

；

最大交付的好处

1 ARP协议：IP地址与MAC地址

网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有四个协议：

地址解析协议 ARP

(Address Resolution Protocol)

逆地址解析协议 RARP

《

(Reverse Address Resolution Protocol)

网际控制报文协议 ICMP

(Internet Control Message Protocol)

网际组管理协议 IGMP

(Internet Group Management Protocol)

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)

Ip的地址编码方法

分类的 IP 地址。这是最基本的编址方法，在 1981 年就通过了相应的标

准协议。

子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准[RFC 950]在 1985 年通过。

构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993 年提出后很快就得到推广应用(

最大网络数第一个网络号最后一个网络号主机数

A 126 (27 – 2) 1 126 16,777,214

B 16,383(214 1) 65,534

C 2,097,151 (221 1) 254

Ip地址的一些特点

(1) IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：

第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。

、

第二，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

(2) 实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。

当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机

(multihomed host)。

由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。

(3) 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。

(4) 所有分配到网络号 net-id 的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的

地址解址协议ARP

\

不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终

还是必须使用硬件地址。

每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。

当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其

ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。

ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。

从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。

只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器

进行通信，ARP 协议就会自动地将需要的硬件地址

使用ARP的4种典型情况

【

发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。

发送方是主机，要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用

ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。

发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机。这时用

ARP 找到目的主机的硬件地址。

发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时

用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由

器来完成。

要点强调

IP 数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳路由器的 IP 地址”。

】

当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的 IP 地址填入 IP 数据报，而是送交下层的网络接口软件。

网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。

分组转发算法

(1) 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址D, 得出目的网络地址为

N。

(2) 若网络N 与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机D；

否则是间接交付，执行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址为D 的特定主机路由，则把数据报传送给路

由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。

(4) 若路由表中有到达网络N 的路由，则把数据报传送给路由表指明的

下一跳路由器；否则，执行(5)。

(5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默

认路由器；否则，执行(6)。

《

(6) 报告转发分组出错

2 子网划分与超网构造，子网掩码与CIDR

在划分子网的情况下路由器转发分组的算法

(1) 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址D。

(2) 先用各网络的子网掩码和D 逐位相“与”，看是否和

相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。

否则就是间接交付，执行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址为D 的特定主机路由，则将

-

分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。

(4) 对路由表中的每一行的子网掩码和D 逐位相“与”，

若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送

给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。

(5) 若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表

中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。

(6) 报告转发分组出错。

，

构造超网

前缀长度不超过 23 位的 CIDR 地址块都包含了多个 C 类地址。

这些 C 类地址合起来就构成了超网。

CIDR 地址块中的地址数一定是 2 的整数次幂。

网络前缀越短，其地址块所包含的地址数就越多。而在三级结构的IP地址中，划分子网是使网络前缀变长

—

使用二叉线索查找路由表