computer networksTanenbaum第1章 概述.docx
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computernetworksTanenbaum第1章概述
computernetworks
要补充的:
1、令牌网
2、《计算机网络习题与解析》:
鲁士文编清华大学出版社
第一章概述
计算机网络:
计算机与通讯的组合。
分布式系统与计算机网络区别:
1、计算机网络的特征:
A、网上的每一台计算机都是独立的、自主、地位是平等的
B、网上的每一台计算机都可以为别的计算机提供服务
C、计算机之间的通讯是将数据分为不同厂度的分组进行传输和处理。
D、计算机之间通过不同的通讯媒体连接在一起(互联)
E、任一台计算机都链接到网络的通讯子网(传输网络:
负责数据的传输)的某个节点设备上,而通讯子网上的设备是相互连
通的。
2、分布式系统:
通常也基于自主计算机的互联,但有一个操作系统统一管理,对用户来说具有高度的整体性和透明性。
A、虚拟计算机,可能是多台计算机的有机组合
B、用户向虚拟系统提交任务,由操作系统对该任务进行分割,安排不同计算机计算不同的子任务,最后由系统综合各个计算
机的计算结果,把最终答案提交用户
C、一个分部系统中的各个计算机是有机组成在一起的
企业网络与公众网络
1、企业网络(一般是局域网):
实现资源共享、高可靠性(任何资源可以有多个副本)、节约经费,组织方式:
以太网。
企业
通过自己企业网的路由器与ISP的路由器(通讯子网的某个节点)相连,从而使企业网内部的计算机可以访问internet。
通
过在企业网的路由器后连一个防火墙,通过防火墙检验进出信息的授权,从而控制internet用户访问本企业的数据信息,这
样便产生企业的内网和外网。
2、公众网络(互联网):
提供公共服务
网络分类
1、按技术:
广播式网络:
网络上任意设备发声其他的设备都可以听见,小的网络用,如:
局域网
点到点网络:
数据信息是一个节点一个节点的交换传递,大的网络用
2、按规模:
局域网:
城域网:
广域网:
在该网络中采用同一种网络传输技术,通常采用点对点技术,可以分为通讯子网和资源子网(网上的主机)
互联网:
最经典的例子是internet,在该网络中采用的网络传输技术不同。
如:
互联网其中的一部分采用ATM、另外一部
分采用以太网。
互联网通常有路由器连接的LAN组成,互联网的通讯子网通常是点到点网络,各个LAN通常采
用广播式网络,在通讯子网上数据的传输采用分组交换,机理为存储-转发
3、按传输介质:
有线网:
无线网:
4、按拓扑结构:
总线:
采用广播式的传输技术
环形:
如:
令牌环(P7)
网状:
星形:
如:
ATM网络,所有计算机节点都连接到中心交换机节点,所有的通讯都通过中心交换机节点转发
5、按使用范围:
专用网:
如:
企业网
公共网:
局域网
最经典的局域网有这样一些结构和技术:
总线型:
工业标准为IEEE802.3(如:
以太网),主机之间通讯存在信道争夺的问题:
采用CSMA/CD技术解决
CSMA/CD技术:
每一台要发言的主机在发言之前先侦听一下,看有没有人发言,若没人发言,就可发言,并在开
始发言时继续侦听,看有没有人和自己同时发言,若有人也要发言,就停下来,随机的延迟一段
时间后,再开始发言;若当前正有人发言,就停下来。
工业标准IEEE802.4(令牌总线):
拓扑结构为总线型,但信道共享方式采用令牌环的令牌的方式(很少用)
环型:
工业标准IEEE802.5,如:
IBM令牌环(很少用)
传输技术:
环上有一个令牌,在环上传递。
某个主机要发送信息,得先要持有该令牌,在得到令牌后才能发送信息,
发完信息后,把令牌交给下一个节点(解决信道冲突的问题)
通讯子网
负责计算机之间的数据通讯,由传输线和交换单元组成
传输线:
线路、干线、信道
交换单元:
分组交换节点(通常为路由器)
ISO/OSI参考模型
计算机网络的参考模型就是介绍应用于计算机网络通讯的软件时如何设计。
OSI的参考模型就提出了网络上一台主机中的一个进程要和另外一台主机上的一个进程进行通讯到底应该做哪些工作。
把网络通讯分解为7大部分的工作,分别对应7层,每一层都完成网络通讯的一个独立的工作。
在计算机网络中,不管是在哪一层,信息的传递都是分为一段一段的,在每一种协议当中,它传递的数据的组织被称为该层的数据协议单元,在数据链路层为帧,在网络层为分组,在传输层为数据段。
1、物理层:
解决bit串能够从源节点传递到目的节点的问题
在两计算机节点之间已有物理连接的情况下,确保如何将二进制的字符串010101000111.。
。
。
从节点A传递到节点B。
物理层的协议在于在两个节点之间商定,0、1分别用什么样的电信号来表示以及信号持续的时间,具体就是计算机上的
插口。
物理接口发送和接受的是一串以某种规则表示的二进制的数据。
作用:
提供与传输媒体的接口,完成传输媒体上的信号和二进制bit串之间的转换。
物理层协议具体来讲就是反映到我们计算机
上的一些物理的接口,如:
串行、并行接口,所以物理层的协议一般要定义一些机械特性(如:
插口的形状、长度、宽
度)、电气特性(如:
信号的编码方式【如:
0是用什么样的电频来表示,每一个bit持续的时间有多长】)、功能以及过
程特性(如:
发送信息的时候,前面应该有一个什么样的一个交互过程,同步有同步的交互过程,异步有异步的交互过
程)
2、数据链路层:
解决bit串传输正确性的问题
但物理层不能保证传递的二进制字符串是完全正确的到达目的节点,数据链路层用于确保节点A上的二进制字符串到达
节点B是完全正确的,它把要传递的bit串分为一段一段的(即:
帧),为了确保传递的每一个帧的正确性,为每一个帧
进行一类的计算,并将计算的结果与数据帧一起发送出去,到了接受方,接收方再进行相同的计算,若计算的结果与原
来计算的结果相同,则认为接受的数据是正确的,否则,认为不正确。
这样就能保证数据的正确传输。
数据链路层的协议在于在两个节点之间约定,我是如何对原始信息进行运算的,你也应该对收到的信息进行相同的运算
功能:
提供点到点的可靠传输,通常将数据分帧,并确保帧的正确接收。
要解决如下的问题:
1)识别帧的标志,标识一段数据是一个帧。
2)帧的接受,效验(即:
计算,发送方的计算结果是一个效验码与数据一起发送,接收方进行同样的计算,并把计算的结果与效验码比较,如果不同,则认为数据在传输过程中出错,接收方就会丢弃接收到的帧,发送方重发)、确认
3)发送方在超时或收到否定性确定后,要重发
4)重复的帧(由于接收方发回的确认信息丢失,造成发送方对一个帧的多次发送)要丢弃【解决重复帧的问题】
5)在共享网络中。
需要解决信道共享的问题(MAC层的工作)
3、网络层:
解决bit串在网上传递的路径以及确定目的节点的网上位置问题
以上两层这能确保数据能够传递,且能够正确接受,但不能确定信息到底该发送到网络中的哪个节点,网络层用于确定信
息的接受节点以及到达接受节点的路径。
功能:
提供主机到主机的通路,期间可能存在多条通路,网络层将实现的功能包括:
1)路由选择
2)拥塞控制
3)协议转换:
路由器一边连接的局域网是以太网,另一边连接的局域网是FDDI,当以太网的某台主机要与FDDI这边
的某台主机通讯,此时该路由器就要承担协议翻译的任务(协议的转换)
4)分段和重组:
每一种协议所容许传递的数据的长度是不同的,如:
以太网和令牌环,它们所能够组织的帧的长度就不
一样,当一个长帧的网络把数据传递给一个短帧的网络时,就需要把长帧分割为一个一个短的帧
5)对用户的分组、字符等计数:
有些网络是要收费的,可以根据传递或接受的数据多少进行收费,所以网络层要统计用
户的分组或字符的数量
4、传输层:
解决源节点的哪个进程和目的节点的哪个进程进行信息交流的问题
但网络上的数据通讯是不同主机的应用进程之间的数据交换,所以还要确定数据是从哪个进程发出的以及应该由目的主机
上的哪个应用进程接受,这个工作由传输层来完成,它标识了当前请求是由谁发出,该由谁响应
功能:
提供真正的端到端的通路(应用进程到应用进程的通路)。
将上层应用进程传递下来的大量数据分为一段一段,在
每一段上加上头部,比如:
我是那个主机的哪个应用进程,要把数据交到哪个主机的哪个应用进程,这些信息都要
传输层来加上去。
1)传输层将高层要求传输的数据分为若干个报文
2)报文与帧不一样,帧只有帧标志(起始标志、结束标志),而报文有信源和信宿的地址及端口、报文的顺序号、确认号等等。
3)低三层的通讯对象通常是路由器,传输层是端到端的,必须考虑该报文怎样才能从源端正确的传递到目的端,而源端和目的端通常是主机
5、会话层:
使通讯的两个进程在进行通讯前做好准备工作
为网络数据通讯做好准备工作,为双方建立有关会话的机制,如:
会话是单向的还是双向的。
该层功能现在用的很少
以上这些层关心的是信息的传送,信息怎样从源端传递到目的端,而表示和应用层关心的是信息的理解。
表示层关心的是语法和语义,我的信息是如何组织的,使用怎样的抽象的方式来表示的。
应用层是关于一个应用系统和另外一个应用系统之间请求消息和应答消息之间的约定。
6、表示层:
解决源节点和目的节点对相同字符、数字的表示方式(信息的编码)不一致的问题
以上这些层的工作能保证我说话,你能听到,但是不能保证你能明白我说的意思,这相当于我向一个只能听懂英语的人说
普通话。
每台计算机都有自己的语言,自己的信息表示方法,如:
不同的计算机采用的字符编码可能是不一样的,一台主
机上字符“A”,到了另外一台计算机上可能就不是“A”了,因此必须要有一个翻译,以保证字符“A”到了目的主机上
仍然能被理解为“A”,那么表示层就充当了这样的翻译,担当了对信息进行正确理解的工作。
功能:
1)关心语法和语义
2)对相关数据的描述采用抽象的定义,如:
浮点数都用科学表示法
3)相关数据的表示法转换
4)抽象数据结构的转换
7、应用层:
以上这些层处理完信息以后还有问题,就是说A向B发送了一则消息,消息在路上被完全正确的传送了,且也发送到了
正确的信息接受者那里,而且还翻译成了接受者能够懂得语言,但是接受者仍然不一定能读懂收到的信息,比如:
接受者
是学化学的,不具备物理学的知识,但接受者却接受了一则关于量子力学的信息,那么接受者仍然看不懂发来的信息内容,
要理解某个专业的信息必须要有某个专业方面的知识基础。
对于计算机,每一个应用都有一个该应用特定的表示方式,这
样两者之间还应该有一个学习的过程,这就是应用层的工作。
功能:
1)包括所有应用方面的协议
2)不同系统之间的文件传输的方式不同。
但表示的形式必须一致
说明:
1、每一层都和它的下一层都有一个接口,每一层都会提供一些接口供它的上一层来调用。
2、分层设计的好处:
1)通过每一层实现一种相对独立的功能来简化问题
2)每一层的设计都是独立的,它不必关心下一层如何实现,只需知道下一层为我提供的服务,和我必须为上一层提供哪些服务。
3)但由于技术变化需要修改某一层的实现时,不影响其它层次。
8、实例:
网上存在很多的航空订票系统,这些航空订票系统之间可以互相订航班。
有一个客户订票发送进程,要订另外一个航空订票系统的航班,这两个航空订票系统要能相互订机票,则两者之间要有一个约定,就是说如果要订一张机票的话,这个信息如何来表示,比如可以这样来表示:
信息的前头有一个动作码,a表示要查询航班,b表示要定一个机票,后面可能有航班号,有日期等等,双方对这个信息格式有一个约定,这个约定就是这两个应用的应用层的协议。
客户订票发送进程通过与客户交互的接口,把要订的机票的信息接收进来,该进程识别客户输入的订票信息,发现不是要在当前的航空订票系统订票,而是要到另外一个航空订票系统订票,这样它就把信息传递给应用层,应用层把得到的信息用前面提到的两个航空订票系统之间的约定把订票信息组装起来,即:
在订票信息前面加一个头,如:
我是哪个公司的,要定哪个航班的机票等等,这就是应用层协议的一个头部,这个过程就叫做应用层的封装。
数据部分(订票信息)叫做SDU(服务数据单元),加上头部之后形成的整个数据叫做这个层次的协议数据单元(PDU)。
表示层会将应用层传递过来的数据(PDU)作为本层的SDU,并在前面加上自己这层的头部:
如:
我这台机器是ASCII码的,我的数据中整型数据用两位表示等等,这个过程就叫做表示层的封装,加上头部之后形成的整个数据叫做表示层的协议数据单元(PDU)。
会话层对由表示层传递过来的数据加上一个头部,一般是一个会话层的编号,形成会话层的PDU。
传输层对接到的数据,在其前面加上一个标识指示我是哪个应用进程的,要发到哪个应用进程。
网络层加的头部信息包括:
我是哪台主机,要发往对方的哪台主机。
网络层在找到下一条路径后,把信息交给数据链路层
数据链路层加上帧头和帧尾,发给物理层。
物理层将数据发往下一台机器。
下一台机器接收到数据后将数据由物理层传递到数据链路层,在传递到网络层,网络层根据信息的目的节点来判断,该信息应发往哪个下一个节点。
。
。
。
。
直到目的节点。
目的节点在收到信息后,对收到的信息一层一层的解封装,最后传递给另一个航空订票系统的接受进程处理。
接收方的传输层查看头部信息,获悉当前信息应该交到本节点上的哪个进程,表示层做一些语义的翻译,比如:
你是ASCII码的,我是GB2312的,再在表示层做一个ASCII码到GB2312的转换,转换后交给应用层,应用层根据数据格式得知这是要订一张机票,再把订票信息抽取出来交给接受进程处理。
TCP\IP参考模型
OSI参考模型是一个完整的网络的协议,它把网络到底要做什么工作完全讲清楚了,而TCP\IP参考模型是一个网络互联的协议,它解决的问题首先是不同的网络如何互通起来,它只有4层。
其中OSI参考模型的表示层的功能在TCP\IP参考模型中被并到了应用层,如:
加密、解密以及数据的表示等等。
OSI参考模型的会话层的功能被并到了TCP\IP参考模型的传输层。
TCP\IP参考模型的互联网层对OSI参考模型的网络层增加了协议转换的功能,以解决不同网络的互联而产生的协议转换问题。
互联网是如何互联起来的关键就是互联网层。
由于TCP\IP参考模型主要考虑的是如何将网络互联起来,到了下面每一个网络内部,数据的传递就由当前的网络负责,因此TCP\IP参考模型没有OSI参考模型的下面两层,它只有接口,比如:
当前网络是一个以太网,互联网层就会把数据交给该以太网,数据在该以太网内部如何传输,由该以太网自己决定,TCP\IP参考模型不管;又如:
当前网络是一个FDDI的,互联网层就会把数据交给FDDI,数据传输就由该FDDI网络负责。
互联网层:
基于分组交换的传递方式,如何实现不同网络互联:
不同网络有不同的格式,这造成了数据在不同网络上传递的困难,TCP\IP参考模型提供了一种公共模式(即:
IP协议:
定义了一个在网络层分组的格式,一个数据包要在网上传递必须装成该格式),所有数据在需要的时候都被转化为该格式。
1、这里的互联网是基于无连接的分组交换网络
2、互联网层定义了正式的分组格式和协议,即:
IP协议,每个IP包的路由问题是互联网层要解决的问题
3、一个报文的各个分组(即:
IP包),可以通过不同的路径到达目的地,其到达的顺序与发送的顺序可能不一致。
传输层:
使源端和目的端主机的对等实体进行对话
1、TCP协议:
为应用层提供的是可靠的服务
2、UDP协议:
为应用层提供的是不可靠的服务
应用层:
提供了计算机网络一些标准应用的格式,如:
FTP:
定义文件上传和下载的对话格式
接口层(最下面一层:
主机至网络层):
对于不同的物理网络提供不同的接口(协议),包括:
不同的局域网、分组无线网、卫星网等等。
1、在互联网层以下,TCP\IP参考模型没有定义,互联网是网络的互联,不认为是一个协议层
2、TCP\IP参考模型面向的是网络,而不是主机
数据通讯:
以下几节介绍物理层如何实现将计算机的数据发送出去(到多路复用技术至)
1、数字信号的Fourier分析
傅里叶级数:
任何正常周期为T的函数g(t),都可以由(无限个)正弦和余弦合成(P57)
2、对于现在的任意一条物理的媒体而言,不是任意频率的信号都能够通过的,能够通过的只是某一个带宽范围内的频率。
比
如:
3000HZ以内的,超过3000HZ的正、余弦波其实在接收方是收不到的。
所以对于任一个周期性的信号,在到达接收方
时,都不可能像和发送方一样是由无穷多个正、余弦波组成的,这就产生了信号的失真(高次的谐波都被滤掉了)。
因此在
一条物理的媒体上,它传输的信号的质量与它能够通过的谐波数多少有关,能通过的谐波数越多,信号的质量就越好。
3、为什么在一条物理的媒体上数据的传输速率不可能是无限高的(即:
对指定的最高频率,传输带宽是有限的):
数据传输速率:
在一条信道上每秒能发送多少bit,单位:
bps,也即:
比特率
波特率:
码源的速率,信号到达的速率。
即:
每秒钟能够得到多少个信号,对计算机而言也是对某条物理媒体,我的采样
的速率是多少。
波特率与比特率相关,一般而言波特率越高,比特率也就越高。
可以对信号进行等级划分
如果信号分为2级:
0、1,则比特率=波特率
如果信号分为8级:
0、1、2、3、4、5、6、7,则比特率=3*波特率(P58)
(以上信号等级的0、1、2、3、4、5、6、7,这8个等级,用二进制来表示则为:
000、001、010、011、100、101、110、
111。
每采样到一个信号,就把它量化到0~7这8个等级中的一个,比如说:
得到一个等级为6的信号,用二进制表示就是
110,这样一个信号就运载了3个比特,即:
一次信号变化【一次采样】可表示3bit,每收到一个信号就收到3个bit)
若信号分为V级,则比特率=log2V*波特率
以下例子解释为什么在一条物理的媒体上数据传输的速率是有限的
设:
在一条物理媒体上,其截止频率为F,数据传输的速率为:
比特率=bbps(信号分为两个等级:
0、1,比特率=波特率)
则:
把一个字节看成是一个周期函数,发送一个字节(8bit)需要T=8/b秒,因此基频f=1/T=b/8Hz,在该物理媒体上可以
通过的最大谐波次数n为:
nf<=F,即:
n<=F/f=8F/b(nf为n次谐波的频率)
若F=3000Hz,b=300bps,则n=80(表示在该物理媒体上可以通过80个谐波,也即通过的最大谐波次数为80),此时
信号的传输质量很好。
若F=3000Hz,b=4800bps,则n=5,当一条物理线路上能通过4个谐波,信号的质量就差不多,若n小于4,则信号的
传输质量就比较差。
若F=3000Hz,b=9600bps,则n=2,此时信号质量就很差。
所以,对于一条F=3000Hz的物理线路,数据传输速率最高为4800bps。
数据传输的速率与信号的等级划分有关,还与
频率有关,可以通过增加信号的等级划分来提高数据的传输速率。
比如:
在该例子中,若将信号的等级划分为4个等
级,则最大的传输速率就变为9600bps。
数字与信号
数据:
信息的表示方法。
可分为模拟的和数字的
模拟数据:
对时间是连续的,如:
声音、视频、温度等,是时间的连续函数
数字数据:
对时间是离散的,如:
文本信息、整数
信号:
数据在物理的媒体上的表示形式,或称为数据的电磁或电子编码,它使数据能一是党的形式在介质上传输。
如:
在计
算机内部,用高电频表示1,低电平表示0(正逻辑),同样,数据要在计算机网络上传播,若两台计算机之间是用电
介质连接起来的,就把数据变为电信号,如果使用光介质连接起来的,就变为光信号。
可分为:
模拟信号:
连续的信号,一般为sin或cos波形。
数字信号:
脉冲信号
传输信号的信道也可以分为:
模拟信道:
数字信道:
模拟传输:
指传输的数据信号是连续的,是指模拟数据的传输,长距离传输时,采用信号放大器,放大被衰减的信号,但同
时也放大了信号中的噪声,多次使用放大器会产生噪声累积效应。
数字传输:
指传输的数据信号是离散的(不管原始数据是连续的还是离散的,在传输时都离散的0、1、0、1形式传递),是
指数字数据的传输。
可以数字信号传输,也可以模拟信号传输,长距离传输采用转发器(其中有一个信号重生的
过程),可消除噪声的累积。
如:
打电话,在电话机到电话局之间,是把声音变为相应的电信号,是模拟传输;到了电话局后,就把该信号变为一连串的
0、1、0、1的表示方法,再传到另一个电话局,这就是数字传输。
长距离传输时,通常采用数字传输。
信道
信道:
信息传输的通道,如:
一条光线、电缆
带宽:
信道能够通过的频率宽度,也即:
数据传输速率(在计算机中两个是一个概念,数据传输速率决定了数据传输周期,
从而决定了基频,而每一条信道都有自己的截止频率,从而决定了在该信道上最大能通过几次谐波【带宽】)
信号传输的速率:
相当于车子在高速公路上跑起来后,车子的速度
数据传输速率:
在一条高速公路上,在任一点的截面上,单位时间内通过的车子数量,与信号传输速率以及公路的宽度有关。
载波频率:
在一条物理的媒体上,可以根据该媒体的频率宽度,划分为多个不同的信道,每个信道的频率范围是媒体频率宽
度的子集。
在一条物理媒体上给使用者指定的该媒体多条信道中的一个,信道位置的指定就是根据载波频率,我
这段频率是给他的,另外一段频率是给别人的,那么被指定的频率段就是载波频率。
采样频率:
采样用于将一个连续的信号转化为数字信号,采样的速率。
量化:
对采到的一个信号,我对它量化为多少个等级,信道传输的信号可以量化为几个等级与信道的噪声有关。
噪声越小,
可以量化的等级就可以越多。
尼奎斯特定理【Nyquist】:
前提信道无噪声(P60)
在无噪声的信道中,当带宽为HHz,信号电平分为V级,则有Nyquist定理
2H是信号到达的最高速率,也是采样的最高速率
香农定理:
在一条有噪声的信道中,带宽为HHz,信噪比为S/N,则有香农定理。
香农定理说明了,在一条有噪声的信道中,
对信号的等级划分是有限,不可能是无限的。
在很多情况下信噪比用分贝(dB)来表示,在用香农定理时需要将分贝转换为定理中的信噪比:
S/N
如:
信噪比【分贝表示(dB)】=10*log10S/N,若信噪比为30分贝。
则S/N=1000
信道工作方式:
1、单工
2、半双工
3、全双工:
双方可以同时发送和接受信息,全双工需要两条信道
数据要在物理的媒体上传输,需要把它变成物理的信号。
模拟或数字的数据都可以用数字信号,也可以用模拟的信号传递;
数字数据的传递:
1、用模拟信号传输:
把0、1都变成不同的连续的波形(正、余弦)进行传递,基本调制方式有:
调幅的、调频、调相
以上三种调制方式相当于将信号分为了2个等级,每收到一个信号就收到了一个比特。
目前广泛使用的调制技术是正交调相:
45度【00】、-45度【01】、45+90度【10】、45+180度【11】,
这样每个信号就表示了2个比特
QMA-16综合了正交调幅和正交调相:
每个信号表示4个比特
2、用数字信号传递:
数字的编码方式:
用两种不同的电平来表示0或1,正逻辑:
高电平表示1,低电平表示0;负逻辑:
高电平表示0,低电平表示1。
正逻辑:
在1的地方发一个高电平的脉冲,在0的地方发一个低电平的
脉冲(计算机内部)。
3、数字信号编码:
1)不归零编码【NRZ】:
正电平表示1,0电平表示0,并且在表
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