计算机通信网络期末考试复习提纲.docx
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计算机通信网络期末考试复习提纲
通信工程本科课程
计算机通信网络
复习提纲与测试
编写:
2019-05-22
(*此文档采用大字体,建议使用电脑观看*)
●ChapterⅠ·概述
一、章节体系结构与要点
1、什么是计算机网络?
(对“自主”的理解)*P1
2、计算机网络的应用:
资源共享、信息交流……P2~4
3、计算机网络的分类*
从传输技术:
广播式、点到点式P12~13
从覆盖范围:
局域网、城域网、广域网……P14~17
4、什么是协议、协议的作用*P23
5、什么是协议体系*P23
垂直分层P23、协议栈P24、封装P25、解封P25、接口P23、服务访问点(教案)、实体P23
6、服务方式:
面向连接服务、无连接服务,服务质量P27(主要是特点和对比)
7、服务与协议的关系*P30
8、OSI模型*
七层结构和各层功能P32~33
互连设备:
中继器P231、桥P267、路由器P290(工作层次教案)
9、OSI模型与TCP/IP模型*
TCP/IP模型结构和各层功能P35~36
OSI与TCP/IP模型的关系P37~41(教案有很好的总结)
10、计算类型:
数据传输速率、与距离有关的(传播)延迟、位长、封装的开销等有关的计算。
二、术语和定义
1.计算机网络(ComputerNetwork):
自主计算机的互联集合。
·自主(Autonomous):
对等的行为模式(非主从式)。
·基本功能:
数据通信和资源共享
2.主机(Host):
网络上实现网络应用功能的计算机系统(信源和信宿)
节点(Node):
实现通信功能的计算机或网络设备,实现寻路和转发功能
信道(Channel):
物理层数据传输经过的线路
链路(Link):
数据链路层数据传输经过的线路
站点(Station):
网络上的主机和节点
3.网络的分类
计算机网络逻辑分类:
资源子网、通信子网
按传输距离分类:
个域网(PAN)、局域网(LAN)、家庭网(HNET)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、互联网(Internet)、无线网。
·广播通信:
由电台到用户的通信
·广播式通信:
局域网、无线网和总线型网络等一类计算机网络通信模式,由多台主机共享一条信道
4.异步传输(AsynchronousTransmission):
一次传输一个字符,每个字符之间有不确定的延时,用于网络状况较差的环境
同步传输(SynchronousTransmission):
一次传输一个数据块,用于信道质量较好的环境
5.多路复用技术
·频分多路(FDM)·时分多路(TDM)
·波分多路(WDM)(光纤)·码分多址(CDMA)(无线)
6.无线网络(fixedwireless):
表示接入网络无需网线
移动计算(mobilewireless):
表示可以随处使用网络(例如酒店网线),而不是固定在某处
7.协议(Protocol):
对等实体共同遵守的一组规则集,协议的三要素是
·语法:
表达方式(PDU格式)如:
手机号码为3+8格式
·语义:
表达含义(符号含义)如:
3表示区号,铃声是指提示
·时序同步:
完成过程如:
网络时序图
协议约定了对等实体之间如何进行通信。
8.协议体系
·计算机网络体系结构:
计算机网络各层次及其协议的集合
·协议栈(ProtocolStack):
一个特定系统所使用的一组协议、利用各层SAP产生协议间的关联组合称为协议栈。
通过SAP,在协议栈中形成了多个功能序列,为上层应用提供了多种可选通信方法。
·封装(encapsulation):
隐藏对象的属性和实现细节,仅公开接口
·解封装:
去掉传输过程中额外的添加信息
·协议数据单元(ProtocolDataUnit):
对等实体之间交换数据形成,由头部(Header,本层实体的控制信息)和数据(Data)构成。
填充时从后往前填充,避免数据搬移。
注:
PDU(N)=SDU(N-1);SDU(N)=PDU(N+1);SDU+Head=PDU
本层的PDU为下层的SDU
·实体(Entity):
执行协议和完成本层功能,可由硬件、软件实现,对等实体是指不同系统同层存在通信关系的实体。
注:
不同系统同层之间的实体如果不同心则不构成对等实体。
实体之间的通信模式:
有连接和无连接两种。
·服务(Service):
某层向其上层提供的功能集合,下层为服务提供者(ServiceProvider),上层为服务用户(ServiceUser)。
服务数据单元(SDU)构成PDU的数据字段,最终传递给对等实体
·接口(Interface):
上下层实体边界(交流地点)
·服务访问点(SAP):
n层SAP是n+1层可以访问n层服务的地方(上层访问下层)。
每个实体对自己提供的SAP进行编号以区分不同对应关系,实体通过SAP联系上层(无需知道上层是谁)
地址是同层实体之间用于区分网络设备的标示,注意区分地址和SAP的区别
FTP
WWW
SAPs
TCP
·服务原语(ServicePrimitive):
定义上层实体与下层实体的接口模型,提供上层实体使用下层服务
Req:
Request,请求
Ind:
Indication,指示
Resp:
Response,响应
Conf:
Confirm,证实
·有证实服务:
要求确认
无证实服务:
不确认
·面向连接的服务
建立连接->通信->拆除连接,可靠(不丢失不重复按序到达)
·无连接服务
直接发送报文,不事先通知
·实通信与虚通信
实通信:
数据在线路上的传输过程(垂直过程)
虚通信:
对等层通信,数据经由下层转交(水平过程)
·服务(Service):
下层提供给上层的功能集合(垂直)
协议(Protocol):
对等实体之间通信共同遵守的规则集(水平)
9.OSI七层模型
Application
(Message)
(Segment)
(Packet)
(Frame)
Application
Presentation
Presentation
Session
Session
Transport
Transport
Network
Network
Datalink
Datalink
Physical(Bit)
各层概述:
Layer
Service
Function
Protocol
Physical
传输Bit流
比特信号表示、同步、收发、通信协调、物理介质
机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
Datalink
传输帧
形成帧、差错检测、处理和流量控制
802.3
PPP
Network
传输段
路由计算、选择、报文分段和重组、拥塞控制、网络互联和组网
IP
X.25
CLNP等
Transport
屏蔽网络层细节和差异,为上层提供服务
网络适配、网络通信的分流与复用、多个并发通信的管理、流量控制
TCP
UDP
TP4
Session
传输层在实现端到端通信的基础上提供增强通信功能
会话管理:
决定何时何人可以通话
NFS
SQL
RPC
Presentation
为应用层传输的信息提供语法语义
加密、压缩、各种数据和文字的表示、ASCII、GB103等
HTML
ASN.1
Application
网络通信应用
10.OSI/RM网络互联
模型:
“端系统(7)-中继系统(3)-端系统(7)”
中继系统:
·物理层采用中继器(RPRepeater)实现信号的再生与放大
·数据链路层采用桥(Bridge)实现不同媒体的访问
·网络层采用路由器(Router)实现不同网络的互联
11.TCP/IP模型
OSI
TCP/IP
Function(TCP/IP)
Application
Application
Presentation
Session
Transport
Transport
Network
Network
Datalink
Link
Physical
OSI与TCP/IP的对比:
·特点
OSI:
OSI更容易进行协议替换、OSI先有模型再有协议、OSI更倾向面向连接、通用性强,但是协议复杂,且忽视无连接服务和协议及计算机软件工作方式
TCP/IP:
先有协议、提供两种服务方式、实用性强,但通用性差、替换协议时产生影响较大
三、测试
1.系统具有X层结构,从最底层传出Y字节数据。
假设除了最底层外,每层需要封装M字节的Header,请计算开销比例(开销占总量的比例)。
2.假设一个报文分为10帧传输,误帧率为0.1。
分别对以下两种重传策略,计算平均传输的帧数量。
(1)接收方对每一帧进行确认,并请求重传错误帧;
(2)接收方接收完全部帧以后确认,并请求全部重发。
3.一个人的速度假设为18km/h,他身上有24GB的信息。
请问在什么距离范围内,人的数据传输速率能够超过150Mbps的WiFi网络?
4.假设某组网采用广播式,共有n台主机,每台主机在相同的时间间隔内访问信道的概率为p。
求因冲突被浪费的时间占比。
5.一幅图像的分辨率为1024×768,每个像素3Bytes。
通过56kbps的调制解调器传输这张图像需要多长时间?
通过10Mbps的以太网呢?
6.请解释互联网和互连网的区别。
7.写出以下协议对应的网络类型。
1802.11
2802.3
●Chapter2·物理层
一、章节体系结构与要点
1、物理层功能*P76
2、傅立叶级数与数据传输速率的限制(不要求傅立叶级数公式及推导)P72~73教案
3、奈奎斯特定理和香农公式(要求公式和计算)*P75
4、传输介质:
分类、特点(带宽、距离、应用特点等)*P75
5、电话系统:
结构:
(本地回路、交换局、干线)P100
干线上的多路复用技术(分类:
FDM、TDM、SDH等)P115~117
6、交换技术:
电路交换、分组交换(原理、特点、对比)*P123~126
7、物理层接口的基本类型及四大特性(教案)
8、计算类型:
与采样、编码有关的波特率、采样速率、数据传输速率。
与复用技术有关数据传输速率,与交换技术有关的延迟等。
二、术语和定义
1.物理层(Physical)
·服务:
提供BitStream传输
·协议:
物理接口四大特性①机械②电器③功能④规程特性
2.数据传输速率的傅立叶级数分析:
3.奈奎斯特(Nyquist)定律(无噪声信道):
(单位:
bit/s)
其中,B为带宽,V为信号电平级数量(如果是二进制信号,则V=2,log2V表示一个信号变化可以表示多少位数据的变化)。
可以通过提高编码效率,在有限的带宽中多传数据,以提高数据传输速率。
4.香农(Shannon)定理(随机噪声信道)
(单位:
bit/s)
其中,S/N为SNR(信噪比)。
要提高信道速率,在无噪声信道中不能无限制增加信号数量(接收方难以区别细微差别信号),在有噪声信道中不能无限制增加带宽(噪声能量与信道带宽成正比)。
由上可以得到数据在信道的传输速率受
·带宽
·编码效率
·SNR
的影响。
5.物理层参数:
·BitRate(比特速率)
·TransmissionTime(传输时间):
从开始发送到发送完毕的时间。
(将Nbit送上信道所需的时间)
设传输速率为R,则传输时间:
·TransmissionDelay(传播延迟):
从开始发送到开始接收的时间。
信号在信道上的传输时间
设信道长D,信号传播速度为V,则
从开始传输到接收完毕所花的时间为
图解法示意如下:
·BitErrorRate(误比特率BER):
bit出错的概率
6.传输介质
·双绞线:
一股四对八根,一对线单向信道,两对线双向传输,分为UTP和STP(屏蔽双绞线,外加金属抗干扰),特征抗阻100Ω,传输距离<100m,成本低且安装维护简单,多用于星型组网。
典型带宽与传输速率:
1类STP:
10M/100M以太网;3类UTP:
10Mbps;
5类UTP:
10M/100Mbps
·同轴电缆:
成本低,安装维护难
基带同轴电缆:
50Ω,典型带宽:
10Mbps,传输距离500m~2km
宽带同轴电缆:
75Ω,典型带宽:
几十Mbps,传输距离几十km
·光纤(单向):
单模光纤速率高、传播远(10Gbps,100km)
多模光纤速率低、传播近(100Mbps,2km)
注:
光纤传输速率受光电转换频率的限制。
光纤常用于骨干网或无源星型
·无线传输:
可移动、低成本
7.传输体制(TransmissionScheme)
·全双工(FullDuplex)、半双工(HalfDuplex)、单工(Simplex)
·同步传输(SynchronousTransmission):
Bit数据以均匀时间间隔T传播,持续不断,特点:
高速、稳定传播,需要独立时钟保持收发同步,多用于传输系统、PSTN(电话系统)、SDH(同步数字体系)。
·异步传输(AsynchronousTransmission):
字节为单位传输,字节间隔长度可变,特点:
不需要专门的时钟电路、低速,多用于计算机直连、外设连接、低速短距传输
·块传输(BlockTransmission):
以数据块为单位传输,块长度不定,相当于增强型异步传输,传输速率高。
多用于以太网信道。
8.电话系统(PSTN)
·传输特点:
误码率高
·本地回路:
从用户到交换端局之间。
传输损害:
衰减、噪声、延时变形、回声(回声抑制[半双工]和回声消除[全双工]);
电话信道:
带宽300Hz~3400Hz,数据传输通过调制解调,传输速率56k/33.6kbps
调制解调:
数模转换器接口RS-232-C(20kbps,15m),RS-449-A(2Mbps,60m)
用户数字线ADSL:
将数据信号与语音信号分离,调制技术采用DMT(离散多音频调制技术),将信道划分为32kHz宽度的很多子信道。
频谱划分:
0~4kHz语音信号,25kHz~140kHz上行信号和140kHz~1140kHz下行信号。
ADSL特点:
数话同传、上下行不对称、速率可调、速率较高
·干线(多路复用技术)
·交换技术:
电路交换、分组交换、交换机
SONET(同步光纤网络)多路复用
SDH(同步数字系列)线路复用
(*其余详细内容格式不便移植,查看PPT59~81页*)
9.接口规范:
·接口特性:
机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
·
特性
接口
RS232-C
特点
低速短距
速度/距离
115.2Kbps/15m
应用
异步传输
机械特性
EIA574(9Pins)
EIA232(25Pins)
电气特性
-3V~-25V为逻辑“1”
功能特性
设备接口
·DTE(用户)
·DCE(网络)
规程特性
通信过程:
·准备:
DTR、DSR=1
·请求/指示
RTS=1:
请求
CTS=1:
允许
·发送/接收
RJ45:
10Mbps~10Gbps、100m、全双工块传输
V.35:
2.048Mbps、15m、全双工
G.703:
2.048Mbps、1.5km、全双工
Fiber:
单模-10Gbps、100km、全双工同步传输
多模-100Mbps、2km、全双工同步传输
三、测试
1.
(1)电视信道带宽6MHz。
如果使用4级数字信号,每秒可以发送几个bit?
假设电视信号没有噪声
(2)假设在一条3kHz的信道上发送一个二进制信号,该信道的信噪比为20dB,最大传输速率是多大?
2.有10个信号,每个需要4000Hz带宽,现在用FDM将它们复用在一条信道上。
求该信道的最小带宽。
假设保护带宽为400Hz。
3.比较在一个电路交换网络和一个负载较轻的包交换网络中,沿着k跳路径发送一个x位长度的消息延迟。
假设电路建立时间为s秒,每一跳的传播延迟为d,数据包的大小为p位,数据传输率为bbps。
在什么条件下数据包网络延迟较小?
4.一个有线电视公司决定为一个有5000住户的小区提供Internet接入服务。
该公司使用一根同轴电缆,它的频谱分配方案允许每根电缆有100Mbps的下行带宽。
为吸引客户,公司决定在任何时候都保证每个用户至少有2Mbps的下行宽带。
如何实现?
5.从协议的要素出发,对应物理层规范的四大特性。
6.设无线信道误码率为5×10-5,信道速率为54Mbps,出现比特错误的平均时间间隔为多少?
7.以太网标准中,典型数传速率为100Mbps,使用块传输(同步传输),一次连续传输一块数据,一块数据最大为1500字节,最小为64字节,块与块之间的间隔最小为传输960bit的时间,那么这个信道上的最大有效传输速率是多少,最大帧速率是多少(每秒钟最多的块数)
●Chapter3·介质访问控制子层(MAC)
一、章节体系结构与要点
1、介质访问子层的功能*
广播式信道P208
广播信道的分配:
静态分配、动态分配P208~209
2、竞争式协议的原理和特点P212~218
3、竞争协议、无冲突协议、有限竞争协议
竞争协议和无冲突协议的比较(高负载、低负载)P220
有限竞争协议的思想P220
4、桥、交换机的基本工作原理
二、术语与定义
1.介质访问控制子层(MediaAccessControl)是数据链路层的底层,功能是控制广播信道分配,指定数据收发规则。
2.静态分配(多路复用技术):
将广播信道分为多个信道,并将这些信道分配给多个用户。
静态分配存在较大延迟和较多的资源浪费,且多路访问困难。
·FDMBand{f_1,f_2,…,f_N},子频段速率r=R/N,全时工作
·TDMT{T_1,T_2,…,T_N},时隙平均速率r=R/N,分时工作
静态分配的三个巨大问题:
·传输性能:
传输利用率低
·延迟:
设信道容量为C,帧到达率为λ,帧长为1/μ位(服务率为μC),则平均延时为
而划分N个子信道后,延迟为原来的N倍:
·多路访问难以实现(不能指定接收目的)
3.动态分配:
假设站点流量独立(IndependentTraffic,即一次发送一帧直至发送结束)、单信道(SingleChannel)、冲突可检测(ObservableCollision,所有站都能检测信道信号是否冲突)、时间连续或分槽(ContinuousorSlottedTime)、载波侦听或不听(CarrierSenseorNoCarrierSense,站点可以检查信道状态),动态分配可以利用广播共享信道的特点:
一发多收,无需频道转换,且对猝发性适应力强,但是需要解决冲突问题,可以通过以下方法:
·竞争信道(无序抢占,允许冲突)
·有序访问(有序使用)
·有限竞争(轻负载-无序,重负载-有序)
4.多路访问信道协议——竞争访问信道协议
·PUREALOHA
规程
发送:
任何时刻有数据时立刻发送数据、启动定时、等待确认(否则重发或丢弃报文)
接收:
接收方接收到报文,校验并返回确认
问题:
冲突严重(发送随意、不监听信道)
性能:
按照PPT21页的说明,PUREALOHA的吞吐率为
其中,G~λt为负载,即在时间T内需要传输的总帧数。
·SlottedALOHA
规程
将信道的使用分为离散的时槽,发送帧只能在时槽起始处进行,冲突要么不发生,要么重叠。
性能:
·CMSA(载波侦听多路访问)
在发送帧前检查信道状态。
如果线路空闲则立即发送,如果线路忙则等待。
CMSA使冲突的概率明显下降。
假设数据传输速率为10Mbps,平均帧长为12kb,距离为1km,则冲突时间
(注:
CMSA的冲突延时为传播延时)
11-坚持CMSA:
监听信道,一旦空闲立即发送,如果多个信道则必然发生冲突;
2P-坚持CMSA:
监听信道,信道空闲时以p的概率发送或以(1-p)的概率随机延时后发送;
30-坚持CMSA:
监听信道,信道空闲后进行随机延时后发送;
几种协议的效率如下:
·CMSA/CD:
CMSA协议冲突发生后会继续发送。
CMSA/CD一旦发生冲突,立即停止发送,以避免信道浪费。
(CD:
CollisionDetect)
检测方法:
冲突时,信号电平因叠加变高(电平检测),或集线器上有两个以上端口活动(逻辑检测)。
若传输延迟为t,则发送经过2t后不必再进行冲突检测。
5.多路访问协议——无冲突协议
设:
数据长度为d,每一帧额外开销为N
·预订协议:
先申请信道,然后按序访问(基本位图法)
信道利用率:
·自定协议:
利用站点自带信息决定使用信道的顺序(二进制地址倒计数法)
信道利用率:
·特定信息指挥:
由监控站指定站发送令牌,有令牌才能发送,令牌沿环传递
6.多路访问协议——有限竞争协议
轻负载时,竞争协议具有低延迟的优点,而重负载时,无竞争协议具有较高的信道利用率,于是产生了有限竞争协议:
给分组,组间采用竞争协议,组内采用无冲突协议,轻载时增加组成员数量,重载时增加组数量
7.共享式以太网:
采用集线器(Hub,物理层设备),一个集线器连接所有站点,采用共享电缆,多个站点同时发送就会产生冲突
8.交换式以太网:
采用交换机(Switch,数据链路层设备),交换机仅仅把数据放至目的站所在的端口,提供独享信道,多站同时发送时,只要目的不同就不会冲突
共享式和交换式以太网可以结合使用。
9.网桥:
用于局域网之间的互连,工作于数据链路层,采用存储转发技术,接收局域网上的所有帧,并按地址转发。
不同LAN之间可能会进行协议转换。
核心技术:
·存储转发,便于速率匹配、协议或信号转换
·按址转发,只转发跨LAN数据,实现网间隔离,允许多端口同时收发,而集线器不允许多个端口同时转发,且一个端口收到数据要向所有端口发送
·协议转换
常用的网桥技术:
透明网桥(TransparentBridge):
收集所有数据帧,根据MAC地址查表转发。
地址表维护方式有逆向学习法、生成树算法。
逆向学习法通过接收帧掌握站点信息,生成树法在反向地址学习中形成环路时裁剪分支破坏环路。
注意:
网桥接收所有的数据--透明性
用户站点并不知道网桥的存在,因此以为目的站是直接相连的。
网桥对未知目的地数据采用扩散方式,一定要送到目的。
对于广播帧,网桥要将其转发到各个端口
(注意与路由器相比)
网桥隔离了冲突域
存储转发的机制使桥两端可以同时有数据在线
(注意与集线器相对比)
无论如何,网桥在数据链路层互连,其结果就是实现所有的站点“直接相连”。
其互连规模有限,隔离性也有限
10.交换机:
全硬件实现网桥的功能(生成树除外),交换机在相同类型的LAN下交换数据,交换机采用部分存储转发形式,只存储目的地址后即开始转发。
三、测试
1.写出介质访问控制子层的主要功能。
2.求经典10Mbps以太网的波特率。
3.N个站共享一个56kbps的纯ALOHA信道,每个站平均每100秒输出一个1000位长的帧,既是前面的帧还没有被发送出去。
求N的最大值。
4.一群ALOHA用户每秒钟产生50个请求,包括原始请求和重传请求。
时间槽单位为40ms。
求:
(1)第一次发送成功的机会
(2)恰好k次冲突后发送成功的概率
(3)传输次数的期望
●Chapter4·数据链路层
一、章节体系结构与要点
1、链路层功能:
*
对象:
直接相连的机器之间P154
功能:
成帧、差错控制、流量控制、链路管理P154~161
三种服务:
无确认无连接、有确认无连接
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