计算机网络教案2.docx
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计算机网络教案2
计算机网络
目的和要求
本课程考试主要是考查学生对计算机网络基本知识的掌握程度。
要求了解：
FTP、HTTP、SMTP和DNS等几种常用的应用层协议，UDP协议原理，网络层数据报网络的概念，路由器工作原理和IPv6技术，链路层差错检测和纠错技术，集线器和交换机基本原理；
要求掌握：
流量控制和拥塞控制等TCP运输层协议原理，IPV4编址，链路状态选路算法和距离矢量选路算法，ARP协议，链路层多址访问协议，链路层编址和CSMA/CD多址访问协议原理等。
二、试题组织原则
满分：
100分,其中:
判断题10题20分；简述题3题50分；5空10分；应用题1题20分。
考核方式：
考试为闭卷考试
三、考试范围
1、无连接服务和面向连接服务的区别；电路交换和分组交换的关系；分组交换中的时延类型；协议的概念。
2、FTP、HTTP、SMTP和DNS等应用层协议的基本工作过程。
3、多路复用概念；UDP和TCP协议报文段结构；可靠数据传输的基本原理；TCP流量控制原理；TCP拥塞控制原理。
4、转发与选路概念；IPv4编址；IPv4和IPv6的数据报格式；链路状态选路算法和距离矢量选路算法；广播和多播。
6、随机访问协议；MAC地址；地址解析协议和动态主机配置DHCP协议；CSMA/CD多址访问协议。
试题
一：
判断题（请在括号内，正确的划T，错误的划F）（每个2分，共20分）
1．由于IP地址是数字编码，不易记忆（T）
2．网络中机器的标准名称包括域名和主机名，采取多段表示方法，各段间用圆点分开。
（T）
3．网络域名地址一般都通俗易懂，大多采用英文名称的缩写来命名。
T）
4．Windows98具有个人Web功能。
（T）
5．Windows3.x联网功能较差，需另装联网软件。
（T）
6．Novell公司的Netware采用IPX／SPX协议。
（T）
7．UNIX和Linux操作系统均适合作网络服务器的基本平台工作。
（T）
8．NetBEUI是微软公司的主要网络协议。
（T）
9．CHINANET也就是163网。
（T）
10．ATM网络的“打包”最大特点是“小步快跑”。
（T）
二：
简述题（共60分）
1．什么是计算机网络?
并写出五层计算机网络体系结构。
参考答案：
a．为了方便用户，将分布在不同地理位置的计算机资源实现信息交流和资源的共享。
b.计算机资源主要指计算机硬件、软件与数据。
数据是信息的载体。
c．计算机网络的功能包括网络通信、资源管理、网络服务、网络管理和互动操作的能力。
d．计算机网络技术是计算机技术与通信技术的结合，形成计算机网络的雏形。
五层分别为：
应用层、运输层、网络层、链路层、物理层。
2．简要说明电路交换和存储器转发交换这两面种交换方式，并加以比较。
参考答案：
A.电路交换是一种直接的交换方式，它为一对需要进行通信的装置（站）之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，即可是物理通道又可是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。
这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路，例如，目前公用电话网广泛使用的交换方式是电路交换。
B．存储转发交换方式又可以分为报文存储转发交换与报文分组存储转发交换，报文分组存储转发交换方式又可以分为数据报与虚电路方式。
分组交换属于“存储转发”交换方式，但它不像报文交换那样以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的“报文分组”（packet）为单位进行交换传输。
分组经过通信网络到达终点有2种方法：
虚电路和数据报。
C．与电路交换相比，报文交换方式不要求交换网为通信双方预先建立，条专用的数据通路，因此就不存在建立电路和拆除电路的过程。
3．什么是子网掩码？
255.255.255.0代表什么意思？
参考答案：
子网掩码能够表示IP地址中的主机地址段怎样划分成子网地址和主机号。
（IP）协议中规定了全“0”和全“1”的组合代表网络地址和广播地址。
掩码的制定规则是网络号各比特为全1，主机号的各比特全为0。
子网掩码255.255.255.0代表C类网络的缺省子网掩码。
三：
填空题（每个2分，共10分）
1．网络按地域分类，分以下三大类型：
局域网、城域网和____广域网_。
2．网络的传输方式按信号传送方向和时间关系，信道可分为三种：
单工、半双工和__双工_。
3．试列举四种主要的网络互连设备名称：
中断器、集线器、网桥和__网桥___。
4．结构化布线系统主要包含以下六个方面内容：
户外系统、垂直量竖井系统、平面楼层系统用户端子区、机房子系统、布线配线系统和______用户端子区______。
5．路由器在七层网络参考模型各层中涉及_网络_层。
四：
应用题
1．设M（x）=1101。
生成多项式G（x）是X3+X0,计算检验位，并写出CRC码。
参考答案：
X3+X0=1001
因为生成多项式是4位=k+1,所以检验位k=3位，将M（x）左移3位成为1101000。
检验位是100，CRC码是1101100。
循环冗余检验码CRC计算详解:
设被检验的数据信息代码M（x）是n位二进制信息，将M（x）左移k位后被一个约定的生成多项式G（x）相除，生成多项式是k+1位的二进制数，相除后得到的k位余数就是检验位。
检验位拼接到原n位数据信息后面形成n+k长的循环冗余检验码（CRC），也称（n+k,n）码。
第一章计算机网络和因特网
1.1面向连接服务与无连接服务
面向连接服务：
当应用程序使用面向连接服务时，在客户机和服务器程序（驻守在不同的端系统中）发送具有实际数据（例如电子邮件报文）的分组前，要彼此发送控制分组。
这种所谓的握手过程提醒该客户机和服务器，使他们对随后的分组的突然到来做好准备。
一旦握手结束，就可以说两个端系统之间创建了连接。
面向连接服务具有可靠数据传送、流控制和拥塞控制功能。
可靠数据传送是指一个用应用程序能够依赖该连接无差错地按序地传递其所有数据。
流控制确保连接的任何一方都不会过快地发送过量的分组而淹没另一方。
拥塞控制服务有助于防止因特网进入迟滞状态。
无连接服务：
在英特网中无连接服务不存在握手。
当应用程序的一方要向应用程序的另一方发送分组时，发送程序直接发送这些分组即可。
因为在数据分组传输之前没有握手过程，数据能被更快地传递。
这使得无连接服务更适合用于简单的面向事务应用程序，但数据也没有可靠性而言，因此源主机绝不可能确定哪些分组已经到了目的地。
而且，无连接服务没有流控制或拥塞控制功能。
1.2电路交换和分组交换
在电路交换的网络中，沿着端系统通信路径，为端系统之间通信所提供的资源（缓存、链路传输速率）在通信会话期间将会被预留。
在分组交换中，这些资源不被预留。
分组交换：
在现代计算机网络中，源主机将长报文划分为较小的数据块，并称之为分组。
在源和目的地之间，这些分组中的每一个都通过链路和分组交换机（交换机主要有两类：
路由器和链路层交换机）传送。
分组以等于该链路的最大传输速率传输通过通信链路。
多数分组交换机在链路的输入端使用存储转发传输机制。
存储转发机制是指在交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接受整个分组。
因此，存储转发式分组交换机沿着该分组的路径在每条链路的输入端引入储存转发延时。
这种延时与分组的长度成正比。
特别是，如果一个分组时L比特组成，并且该分组以Rbit/s速率向出站链路转发，则该交换机的存储转发时延是L/Rs。
电路交换与分组交换的对比：
分组交换因它的端到端时延是变动和不可预测的（主要是因为排队时延的变动和不可预测所致），故而不适合实时服务（例如，电话和视频会议），但它提供了比电路交换更好的宽带共享，比电路交换更简单，更有效，实现成本更低。
1.3分组交换网络中的时延类型
当分组从一个节点（主机或路由器）沿着路径到后继节点（主机或路由器），该分组在沿途的每个节点经历了几种不同类型的时延，分别是节点处理时延、排队时延、传输时延和传播时延。
处理时延：
检查分组首部和决定将该分组导向何处所需要的时间是处理时延的一部分。
处理时延也包括其他因素，如检查比特级差错所需要的时间，该差错出现在这些分组比特从上游节点向路由器A传输时。
排队时延：
在队列中，当分组等待在链路上准备传输时，它经历排队时延。
某个特定分组的排队时延将取决于先期到达的、正在排队等待向链路传输的分组的数量。
如果该队列为空，并且没有其他分组正在传输，则该分组的排队时延为0。
而另一方面，如果流量很大，并且很多其他分组也在等待传输，该排队时延将很大。
传输时延：
用L比特表示分组的长度，用Rbit/s表示从路由器A到路由器B的链路传输速率。
速率R由路由器的链路传输速率决定，则传输时延为L/R。
传播时延：
一旦一个比特被推向链路，该比特向路由器B传播。
从该链路的起点到路由器B传播所需要的时间是传播时延。
该比特以该链路的传播速率传播。
链路的传播速率取决于该链路的物理媒体。
1.4协议层次和它们的服务模型
为了给忘了协议的设计提供一个结构，网络设计者以分层的方式组织协议以及实现这些协议的网络硬件和软件。
每个协议属于一层，每层通过在该层中执行某种动作，或使用其直接下层的服务，来提供它的服务。
一个协议层能够使用软件、硬件、或两者的结合来实现。
应用层协议通常是在端系统中用软件实现，运输层协议也是如此。
因为物理层和是江湖局链路层负责处理跨特定链路的通信，它们通常在于给定链路相关的网络接口卡中实现。
网络层经常是硬件和软件的混合体。
协议分层具有概念化和结构化的优点。
分层提供了一种结构化方式讨论系统组件。
模块化使得更新系统组件更为容易。
然而，分层的一个潜在缺点是某层可能重复其较低层的功能，第二种缺点就是某层的功能可能需要仅在其他某层才出现的信息，这违法了层次分离的目标。
将这些综合起来，各层的所有协议被称为协议栈。
因特网的协议栈由五层组成：
物理层、链路层、网络层、运输层和应用层，如图1-1所示。
图1-1因特网协议栈
第二章应用层
2.1文件传输协议：
FTP
网络环境中的一项基本应用就是将文件从一台计算机中复制到另一台可能相距很远的计算机中。
初看起来，在两个主机之间传送文件是很简单的事情。
其实这往往非常困难。
原因是众多的计算机厂商研制出的文件系统多达数百种，且差别很大。
网络环境下复制文件的复杂性的原因：
1.计算机存储数据的格式不同。
2.文件的目录结构和文件命名的规定不同。
3.对于相同的文件存取功能，操作系统使用的命令不同。
4.访问控制方法不同。
FTP特点：
1.文件传送协议FTP只提供文件传送的一些基本的服务，它使用TCP可靠的运输服务。
2.FTP的主要功能是减少或消除在不同操作系统下处理文件的不兼容性。
3.FTP使用客户服务器方式。
一个FTP服务器进程可同时为多个客户进程提供服务。
FTP的服务器进程由两大部分组成：
一个主进程，负责接受新的请求；另外有若干个从属进程，负责处理单个请求。
主进程的工作步骤如下：
1.打开熟知端口（端口号为21），使客户进程能够连接上。
2.等待客户进程发出连接请求。
3.启动从属进程来处理客户进程发来的请求。
从属进程对客户进程的请求处理完毕后即终止，但从属进程在运行期间根据需要还可能创建其他一些子进程。
4.回到等待状态，继续接受其他客户进程发来的请求。
主进程与从属进程的处理是并发地进行。
控制连接在整个会话期间一直保持打开，FTP客户发出的传送请求通过控制连接发送给服务器端的控制进程，但控制连接不用来传送文件。
实际用于传输文件的是“数据连接”。
服务器端的控制进程在接收到FTP客户发送来的文件传输请求后就创建“数据传送进程”和“数据连接”，用来连接客户端和服务器端的数据传送进程。
数据传送进程实际完成文件的传送，在传送完毕后关闭“数据传送连接”并结束运行。
两个不同的端口号：
当客户进程向服务器进程发出建立连接请求时，要寻找连接服务器进程的熟知端口（21），同时还要告诉服务器进程自己的另一个端口号码，用于建立数据传送连接。
接着，服务器进程用自己传送数据的熟知端口（20）与客户进程所提供的端口号码建立数据传送连接。
由于FTP使用了两个不同的端口号，所以数据连接与控制连接不会发生混乱。
使用两个独立的连接的主要好处是：
使用两个独立的连接的主要好处是在传输文件时还可以利用控制连接（例如，客户发送请求终止传输）。
2.2万维网WWW
2.2.1概述
万维网WWW（WorldWideWeb）并非某种特殊的计算机网络，是一个大规模的、联机式的信息储藏所，用链接的方法能非常方便地从因特网上的一个站点访问另一个站点，从而主动地按需获取丰富的信息，这种访问方式称为“链接”。
万维网提供分布式服务如图2-1所示
图2-1万维网的分布式服务
万维网的工作方式
1.万维网以客户服务器方式工作。
2.浏览器就是在用户计算机上的万维网客户程序。
万维网文档所驻留的计算机则运行服务器程序，因此这个计算机也称为万维网服务器。
3.客户程序向服务器程序发出请求，服务器程序向客户程序送回客户所要的万维网文档。
4.在一个客户程序主窗口上显示出的万维网文档称为页面（page）。
2.2.2超文本传送协议HTTP
HTTP的操作过程
1.为了使超文本的链接能够高效率地完成，需要用HTTP协议来传送一切必须的信息。
2.从层次的角度看，HTTP是面向事务的（transaction-oriented）应用层协议，它是万维网上能够可靠地交换文件（包括文本、声音、图像等各种多媒体文件）的重要基础。
3.万维网的工作过程如图2-2所示
图2-2万维网的工作过程
HTTP的主要特点
1.HTTP是面向事务的客户服务器协议。
2.HTTP1.0协议是无状态的（stateless）。
3.HTTP协议本身也是无连接的，虽然它使用了面向连接的TCP向上提供的服务。
4.万维网浏览器就是一个HTTP客户，而在万维网服务器等待HTTP请求的进程常称为HTTPdaemon，有的文献将它缩写为HTTPD。
5.HTTPdaemon在收到HTTP客户的请求后，把所需的文件返回给HTTP客户。
HTTP的报文结构
1.HTTP的报文结构（请求报文）
2.HTTP的报文结构（响应报文）
2.2.3HTTP协议
Http使用TCP作为底层运输协议。
HTTP客户机发起一个与服务器的TCP连接，一旦连接建立，浏览器和服务器进程就可以通过套接字访问TCP。
在客户机端的套接字接口是客户机进程与TCP连接之间的“门户”，在服务器的套接字接口则是服务器进程与TCP连接之间的“门户”。
客户机从套接字发送HTTP请求报文和接受HTTP响应报文，同样，服务器也是从套接字口接受HTTP请求报文和接受HTTP响应报文。
一旦客户机发送一个HTTP请求报文，该报文就“脱离客户机的控制”并“进入TCP的控制”。
HTTP协议支持持久连接和非持久连接。
1．非持久连接：
在这种连接情况下，浏览器在浏览器和Web服务器之间发起一个TCP连接，这涉及到一个“三次握手”的过程，即客户机发送一个小TCP报文段到服务器，服务器用一个小TCP报文段做出确认和响应，最后客户机向服务器返回确认。
一个RTT等于三次握手中前两个部分所耗费的时间。
完成了三次握手的前两个部分后，客户机将一个HTTP请求报文与三次握手的第三个部分结合起来发送到该TCP连接，一旦请求报文到达服务器，服务器向该TCP连接发送HTML文件。
该HTTP请求/响应又耗掉一个RTT。
具体过程如图2-3所示。
图2-3请求一个HTML文件所需要的时间
缺点：
首先，必须为每一个请求对象建立和维护一个全新的连接。
每一个这样的连接，在客户机和服务器都要分配TCP的缓冲区和变量，这给服务器带来了严重的负担，因为一个Web服务器可能同时是服务于数以百计的不同的客户机请求。
第二，就像我们刚描述的一样，每一个对象的传输时延承受两个RTT，即一个RTT用于TCP建立，另一个用于请求好接受对象。
2．持久连接：
在这种情况下，服务器在发送响应后保持该TCP连接，在相同的客户机与服务器之间的后续请求和响应报文可通过的连接进行传送。
特别是一个完成的Web页可以用单个持久TCP连接进行传送。
持久连接有非流水线方式和流水线方式。
2.3电子邮件
2.3.1概述
电子邮件（e-mail）是因特网上使用得最多的和最受用户欢迎的一种应用。
电子邮件把邮件发送到ISP的邮件服务器，并放在其中的收信人邮箱中，收信人可随时上网到ISP的邮件服务器进行读取。
电子邮件不仅使用方便，而且还具有传递迅速和费用低廉的优点。
现在电子邮件不仅可传送文字信息，而且还可附上声音和图像。
在1982年制定出简单邮件传送协议SMTP（SimpleMailTransferProtocol）和因特网文本报文格式，它们都已成为因特网的正式标准。
1993年提出了通用因特网邮件扩充MIME（MultipurposeInternetMailExtensions）。
MIME在其邮件首部中说明了邮件的数据类型（如文本、声音、图像、视像等）。
在MIME邮件中可同时传送多种类型的数据。
电子邮件的最主要的组成构件如图2-4所示
图2-4电子邮件的主要构件
用户代理UA（UserAgent）就是用户与电子邮件系统的接口。
它的功能是：
撰写、显示和处理。
邮件服务器的功能是发送和接收邮件，同时还要向发信人报告邮件传送的情况（已交付、被拒绝、丢失等）。
邮件服务器按照客户服务器方式工作并且需要使用两个不同的协议。
SMTP协议用于发送邮件，邮局协议POP（PostOfficeProtocol）用于接收邮件。
注意点：
1.一个邮件服务器既可以作为客户，也可以作为服务器。
2.例如，当邮件服务器A向另一个邮件服务器B发送邮件时，邮件服务器A就作为SMTP客户，而B是SMTP服务器。
3.当邮件服务器A从另一个邮件服务器B接收邮件时，邮件服务器A就作为SMTP服务器，而B是SMTP客户。
电子邮件的发送和接收过程如图2-5所示
图2-5电子邮件的发送和接收过程
1.发信人调用用户代理来编辑要发送的邮件。
用户代理用SMTP把邮件传送给发送端邮件服务器。
2.发送端邮件服务器将邮件放入邮件缓存队列中，等待发送。
3.运行在发送端邮件服务器的SMTP客户进程，发现在邮件缓存中有待发送的邮件，就向运行在接收端邮件服务器的SMTP服务器进程发起TCP连接的建立。
4.TCP连接建立后，SMTP客户进程开始向远程的SMTP服务器进程发送邮件。
当所有的待发送邮件发完了，SMTP就关闭所建立的TCP连接。
5.运行在接收端邮件服务器中的SMTP服务器进程收到邮件后，将邮件放入收信人的用户邮箱中，等待收信人在方便时进行读取。
6.收信人在打算收信时，调用用户代理，使用POP3（或IMAP）协议将自己的邮件从接收端邮件服务器的用户邮箱中的取回（如果邮箱中有来信的话）。
电子邮件由信封（envelope）和内容（content）两部分组成。
电子邮件的传输程序根据邮件信封上的信息来传送邮件。
用户在从自己的邮箱中读取邮件时才能见到邮件的内容。
在邮件的信封上，最重要的就是收信人的地址。
TCP/IP体系的电子邮件系统规定电子邮件地址的格式如下：
收信人邮箱名@邮箱所在主机的域名符号“@”读作“at”，表示“在”的意思。
例如，电子邮件地址xiexiren@。
2.3.2简单邮件传送协议SMTP
SMTP所规定的就是在两个相互通信的SMTP进程之间应如何交换信息。
由于SMTP使用客户服务器方式，因此负责发送邮件的SMTP进程就是SMTP客户，而负责接收邮件的SMTP进程就是SMTP服务器。
SMTP规定了14条命令和21种应答信息。
每条命令用4个字母组成，而每一种应答信息一般只有一行信息，由一个3位数字的代码开始，后面附上（也可不附上）很简单的文字说明。
RFC2821给出了SMTP的定义。
SMTP是因特网电子邮件应用的核心，用于从发送方的邮件服务器发送邮件到接收方的服务器。
SMTP通信的三个阶段
1.连接建立：
连接是在发送主机的SMTP客户和接收主机的SMTP服务器之间建立的。
SMTP不使用中间的邮件服务器。
2.邮件传送
3.连接释放：
邮件发送完毕后，SMTP应释放TCP连接。
一个电子邮件分为信封和内容两大部分。
[RFC822]只规定了邮件内容中的首部（header）格式，而对邮件的主体（body）部分则让用户自由撰写。
用户写好首部后，邮件系统将自动地将信封所需的信息提取出来并写在信封上。
所以用户不需要填写电子邮件信封上的信息。
用户写好首部后，邮件系统将自动地将信封所需的信息提取出来并写在信封上。
所以用户不需要填写电子邮件信封上的信息。
在邮件内容的首部，“To:
”后面填入一个或多个收信人的电子邮件地址。
用户只需打开地址簿，点击收信人名字，收信人的电子邮件地址就会自动地填入到合适的位置上。
“Subject:
”是邮件的主题。
它反映了邮件的主要内容，便于用户查找邮件。
抄送“Cc:
”表示应给某某人发送一个邮件副本。
“From”和“Date”表示发信人的电子邮件地址和发信日期。
“Reply-To”是对方回信所用的地址。
2.3.4域名系统DNS
许多应用层软件经常直接使用域名系统DNS（DomainNameSystem），但计算机的用户只是间接而不是直接使用域名系统。
因特网采用层次结构的命名树作为主机的名字，并使用分布式的域名系统DNS。
名字到域名的解析是由若干个域名服务器程序完成的。
域名服务器程序在专设的结点上运行，运行该程序的机器称为域名服务器。
因特网的域名结构因特网采用了层次树状结构的命名方法。
任何一个连接在因特网上的主机或路由器，都有一个惟一的层次结构的名字，即域名。
域名的结构由若干个分量组成，各分量之间用点隔开：
….三级域名.二级域名.顶级域名各分量分别代表不同级别的域名。
递归查询如图2-6所示。
图2-6DNS的递归查询
递归与迭代相结合的查询如图2-7所示。
图2-7DNS递归与迭代相结合的查询
DNS提供主机名到IP地址的转换、主机别名、邮件服务器别名、负载分配服务。
DNS工作机制：
假设运行在用户主机上的某些应用程序需要将主机名转换为IP地址。
这些应用程序将调用DNS的客户端，并知名需要被转换的主机名。
用户主机上的DNS接收后，向网络中发送一个DNS查询报文。
所有的DNS请求和回答报文使用UDP数据报经端口53发送。
经过若干毫秒到若干秒后，用户主机的DNS接受到一个提供所希望映射的DNS回答报文。
这个查询结果被传递到调用DNS的应用程序。
举例：
主机cis.poly.edu想知道gaia.cs.umass.edu的IP地址，如图2-8所示
图2-8各种DNS服务器的交互
这里利用了递归查询和迭代查询。
从cis.poly.edu到dns.poly.edu发出的查询时递归查询，接下来的3个查询时迭代查询。
第三章运输层
3.1运输层协议概述
多路复用：
在源主机的不同套接字中收集数据块
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