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2017年9月全国计算机等级考试《四级计算机网络》【教材精讲＋真题解析】讲义与视频课程【23小时高清视频】试读：
视频讲解教师简介
谢俊峰，北京邮电大学信息与通信工程学院信息与通信工程专业硕士，研究方向为计算机网络，参与多个实验课 题的研究工作，具有丰富的计算机理论基础知识和实践经验。曾在多家教育辅导机构讲授计算机网络相关课程， 具备深厚的讲课辅导经验，能够帮助考生摸清考试重难点，全面备考轻松过关，深受学员们的喜爱。
授课特点：基础知识扎实，思路清晰，讲解生动丰富。
视频讲解教师简介
第一部分 教材精讲[视频讲解]
第1章 网络技术基础[视频讲解]
1．计算机网络的形成与发展。
2．计算机网络的基本概念。
3．分组交换技术。
4．网络体系结构与网络协议。
5．互联网应用的发展。
1.1 计算机网络的形成与发展
计算机网络是计算机技术与通信技术高度发展、紧密结合的产物，计算机网络技术的进步正在对当代社会发展产生重要的影响。纵观计算机网络的形成与发展历史，大致可以将它划分为4个阶段：
第一阶段可以追溯到20世纪50年代。那时，人们将彼此独立发展的计算机技术与通信技术结合起来，完成数据通信技术与计算机通信网络的研究，为计算机网络的产生做好理论与技术方面的准备。
重要事件：
1．1946年世界第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生。
2．20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统（SAGE）开始计算机与通信技术相结合的尝试。SAGE系统将远程雷达与其他测量设施通过电话线路、无线通信信道连接，使得观测到的防空信息通过总长度达2410000km的通信线路传输到一台位于美国本土的IBM计算机，以实现对分布的防空信息的集中处理与控制。
第二阶段从20世纪60年代美国的ARPANET与分组交换技术开始。ARPANET是计算机网络技术发展中的一个里程碑，它的研究成果对促进计算机网络技术发展和理论体系研究产生重要作用，并为互联网的形成奠定了基础。
重要事件：
1．美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）的ARPANET（通常称为ARPA网）。
随着计算机应用的快速发展，出现了多台计算机互联的需求。这种需求主要来自军事（美国与苏联的冷战）、科学研究、大型企业经营管理、地区与国家经济信息分析决策。他们希望将分布在不同地点的计算机通过通信线路互联成为计算机网络。网络用户可以通过本地终端使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，也可以使用联网的其他地方的计算机的软件、硬件与数据资源，以达到计算机资源共享的目的。
第三阶段可以从20世纪70年代中期算起。当时，国际上的各种广域网、局域网与公用分组交换网发展迅速，各计算机厂商纷纷发展各自的计算机网络系统，随之而来的是网络体系结构与网络协议的标准化问题。国际标准化组织（International Organization for Standar
Standardization，ISO）在推动开放系统参考模型与网络协议的研究方面做了大量的工作，对网络理论体系的形成起了重要的作用。
重要事件：
1．20世纪70年代后期，人们看到了计算机网络发展中的问题，网络体系结构与协议标准的不统一将限制计算机网络的发展和应用（各公司生产的设备之间不兼容）。因此，网络体系结构与网络协议必须走国际标准化的道路。在这个阶段，网络体系结构与协议标准化的研究取得重大进展。
理论上的标准：开放系统互联（Open System Interconnection，OSI）参考模型。生产实践的标准：TCP/IP体系结构。
第四阶段从20世纪90年代开始。这个阶段最有挑战性的是互联网（Internet）、高速通信网络、无线网络与网络安全技术。互联网作为国际性的网际网与大型信息系统，在经济、文化、科研、教育与社会生活等各方面发挥越来越重要的作用。
重要事件：
1．微机的出现促进了局域网技术的发展，从而使得计算机网络的规模迅速扩大。
2．由于人们的需求不断变化（高带宽、可移动等），促进了宽带网络（宽带城域网、高速局域网）、移动网络（蓝牙、WLAN等）的发展。
3．操作系统的发展（ Windows 、UNIX、Linux、iOS）。
4．各种新型应用的普及（web、即时通信、网络搜索等）。
5．网络安全技术的发展（网络攻击、计算机病毒、垃圾邮件与灰色软件成为了当前网络中的三大公害）。
我国互联网的发展
根据中国互联网信息中心CNNIC在2012年7月发布的《第30次中国互联网发展状态统计报告》的数据，可以看出我国目前仍处于互联网应用高速发展的阶段。（1）截至2012年6月底，中国网民数量达到5.38亿，互联网普及率为39.9％。（2）截至2012年6月底，我国手机网民规模达到3.88亿，较2011年年底增加约3270万人。（3）截至2012年6月底，我国IPv4地址数量为3.30亿，IPv4地址数量基本没有变化，而我国IPv6地址数量为12499块／32，半年增长率为33.0％，目前仅次于巴西（65728块／32）和美国（18694块／32）位居第三。
1.2 计算机网络的基本概念
1.2.1 计算机网络的定义
以能够相互共享资源（目的）的方式互联（遵守统一的标准）起来的分布在不同地理位置的自治计算机系统的集合。
1.2.2 计算机网络的分类
按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为4类：局域网（一个实验室、大楼或校园）、城域网（覆盖一个城市，将多个局域网互联起来）、广域网（覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲）、个人区域网（通常为10m以内，连接平板电脑、笔记本、智能手机等）。
1.2.3 计算机网络的拓扑
网络拓扑是研究网络中元素的结构问题（计算机如何放置、计算机之间如何连接）。
按通信子网中的通信信道类型，网络拓扑可以分为两大类：广播信道通信子网的拓扑与点对点线路的通信子网的拓扑，在采用点对点线路的通信子网中，每条物理线路连接两个结点。对于采用点对点线路的通信子网，基本拓扑构型包括4种：星型、环型、树型与网状型。
1.2.4 描述计算机网络传输特性的参数
对于计算机网络来说，描述数据通信的基本技术参数有两个：数据传输速率与误码率。
数据传输速率是每秒钟传输构成数据的二进制比特数，在现代网络技术的讨论中，人们经常以“带宽”表示信道的数据传输速率。它们之间的关系是：Rmax=B×log2（1＋S／N）。
误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率。在理解误码率的定义时，应注意以下几个问题：（1）误码率是衡量数据传输系统在正常工作状态下的传输可靠性的参数。（2）对于实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，需要根据实际情况提出误码率要求。在数据传输速率确定后，误码率越低，传输系统设备越复杂、造价越高。
1.3 分组交换与包交换
数据交换方式可以分为两类：线路交换、存储转发交换。
1.3.1 线路交换
两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先需要在通信子网中建立一条实际的物理线路连接。线路交换的通信过程分为3个阶段：
线路建立
数据传输
线路释放
线路交换方式的优点：通信的实时性强，数据传输的时延很小，适用于交互式会话类通信。线路交换方式的缺点：不适应突发性通信，系统效率低；不具备存储数据能力，不能平滑通信量；不具备差错控制能力，无法发现与纠正传输中的差错。因此，在线路交换研究的基础上，人们提出了存储转发交换方式。
存储转发交换中，发送数据中包含目的地址、源地址与控制信息，按照一定格式组成一个数据单元（报文或分组）；通信子网中的交换节点负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路由选择和转发功能。
存储转发交换方式可以分为两类：报文交换与分组交换。区别是分组交换限制数据的最大长度，例如限定分组最大长度为1500B。源结点需要将一个长报文分为多个分组，由目的结点将多个分组按顺序重新组织成报文（由于分组的长度比较短，在传输出现差错时容易检测，并且重传需要花费的时间较少，这样就有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率，因此分组交换成为当前计算机网络中的基本交换技术）。
分组交换技术可以分为两类：数据报与虚电路。在数据报方式中，源主机发送的每个分组都可以独立选择一条传输路径，每个分组在通信子网中可能通过不同路径到达目的主机。
数据报方式主要有以下几个特点：（1）同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网。（2）同一报文的不同分组到达目的的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象。（3）每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址。（4）数据报方式的传输延迟较大，适用于突发性通信、不适用于长报文、会话式通信。
在研究数据报方式特点的基础上，人们进一步提出了虚电路交换方式。
虚电路方式试图将数据报与线路交换相结合，发挥这两种方法各自的优点，以达到最佳的数据交换效果。虚电路方式在发送分组之前，发送方和接收方需要建立一条逻辑连接的虚电路。虚电路方式的工作过程分为3个阶段：虚电路建立阶段、数据传输阶段与虚电路拆除阶段。
虚电路方式主要有以下几个特点：（1）在每次传输分组之前，在源结点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而不是需要去建立一条真实的物理链路。（2）一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传输，分组中不必携带目的地址、源地址等信息。分组到达目的结点时不会出现乱序、重复与丢失现象。（3）在分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要进行差错检测，而不需要进行路由选择。（4）通信子网中的每个结点可以与任何结点建立多条虚电路连接。
虚电路方式与线路交换方式的区别：虚电路是在传输分组之前建立的逻辑连接，称为“虚电路”是因为这种电路不是专用的。每个结点可以同时与多个结点之间建立虚电路，每条虚电路支持这两个结点之间的数据传输。由于虚电路方式具有分组交换与线路交换的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。
1.4 网络体系结构与网络协议
计算机网络是由多个互联的结点组成，结点之间需要不断地交换数据和控制信息。为了在结点之间有条不紊地交换数据，每个结点必须遵守一些事先约定好的规则。这些为网络数据交换而制定的规则被称为网络协议。网络协议由3个要素组成：（1）语法，即用户数据与控制信息的结构和格式。（怎么说）（2）语义，即需要发送何种控制信息，以及完成的动作与所作的响应。（说什么）（3）时序，即对事件实现顺序的详细说明。（什么时间说）
一个功能完备的计算机网络需要制定一套复杂的协议集。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。我们将网络层次结构模型和各层协议的集合定义为网络体系结构。
在层次化的体系结构中，上层使用下层提供的服务，下层为上层提供服务。
层次多少要适当：若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。
计算机网络体系结构采用层次结构，可以获得以下这些好处：（1）各层之间相互独立。高层并不需要知道低层如何实现，只需知道该层通过接口提供的服务。（2）灵活性好。当任何一层发生变化时，只要该层的接口保持不变，则该层以上或以下各层均不受影响。当不需要某层提供的服务时，甚至可以取消该层。（3）各层都可以采用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他层。（4）易于实现和维护。整个系统已被分解为若干个易于处理的部分，这样使一个庞大而复杂的系统变得容易实现和维护。（5）有利于促进标准化。主要由于每层的功能和所提供的服务都已有精确的说明。
由于OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低，因此法律上的国际标准OSI并没有得到市场的认可，而非国际标准TCP/IP获得了最广泛的应用，成为事实上的国际标准。
OSI参考模型中的各层的主要功能如下：（1）物理层（Physical Layer）
物理层位于OSI参考模型的最低层。物理层的主要功能是利用物理传输介质，为数据链路层提供物理连接，以便透明地传输比特流。（2）数据链路层（Data Link Layer）
在物理层提供的比特流传输服务的基础上，在通信的实体之间建立数据链路连接，在该链路上传输以帧作为单位的数据，并采用差错控制与流量控制方法，将有差错的物理线路变成无差错的数据链路。（3）网络层（Network Layer）
网络层通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径。网络层需要实现路由选择、拥塞控制与网络互联等功能。（4）传输层（Transport Layer）
传输层的主要任务是向用户提供可靠的端到端（End-to-End）服务，以便透明地传输报文。传输层向高层屏蔽低层的数据通信细节，因此是网络体系结构中的关键层之一。（5）会话层（Session Layer）
会话层主要用于组织两个会话进程之间的通信，并且对数据交换进行管理。（6）表示层（Presentation Layer）
表示层处理在不同通信系统中交换的信息的表示方式，包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。（7）应用层（Application Layer）
应用层是OSI参考模型的最高层。
TCP/IP模型中的各层的主要功能如下：（1）主机-网络层负责数据的链路上的传输。（2）互联层负责将源主机生成的分组发送到目的主机，源主机与目的主机可以在同一网络中，也可以在不同的网络中。（3）传输层的主要功能是不同应用进程之间的端一端通信。TCP／IP模型的传输层定义了两种协议：传输控制协议（TCP）与用户数据报协议（UDP）。TCP协议是一种可靠的面向连接的协议。
TCP协议能将一台主机的字节流（Byte Stream）无差错地传输到目的主机。UDP协议是一种不可靠的无连接协议。UDP协议常用于不要求分组顺序到达的应用，分组传输顺序检查与排序由应用层来完成。（4）在TCP／IP参考模型的最高层是应用层，它包括所有的高层协议，并且不断有新的 协议加入。TCP／IP的应用层协议主要包括：Telnet、FTP、DNS、SMTP等等。
1.5 互联网应用的发展
互联网技术的发展推动了上层应用的发展，同时，上层应用的发展使得互联网的规模、使用人数等不断增加，又进一步促进了互联网技术的发展，因此互联网技术与上层应用之间是相辅相成的关系。主要的互联网应用主要有：
web应用（上网服务）
搜索引擎技术（从海量数据中搜索出需要的信息）
播客技术（基于互联网的数字广播服务）
博客技术（网络日志，以文章的形式共享信息）
网络电视（实现了用户的互动点播）
P2P技术的应用（P2P网络则淡化了服务提供者与服务使用者的界限，所有客户机同时身兼服务提供者与使用者的双重身份，以达到“进一步扩大网络资源共享范围和深度，提高网络资源利用率，使信息共享达到最大化”的目的。）
第2章 局域网基础[视频讲解]
1．局域网与城域网的基本概念。
2．共享式以太网。
3．高速局域网的工作原理。
4．交换式局域网与虚拟局域网。
5．无线局域网。
2.1 局域网和城域网的基本概念
2.1.1 决定局域网与城域网特点的三要素
应用需求是推动局域网与城域网技术发展的真正动力。近年来，局域网技术的发展非常迅速，已在企业、机关、学校的信息管理与服务领域得到广泛应用。将一个城市范围内的大量局域网互联起来的需求又推动了城域网技术的发展。
目前的局域网技术基本上指的就是以太网技术。以太网技术主要有：
10 Mbps的以太网（Ethernet）：广泛应用
100 Mbps的快速以太网（Fast Ethernet，FE）
1 Gbps的千兆以太网（Gigabit Ethernet，GE）
10 Gbps的万兆以太网（10GE）
注意：10GE的物理层使用两种不同协议，因此它既可以应用于局域网，又可以应用于城域网与广域网中。
由于应用需求的不同，导致局域网和城域网在使用技术和协议上存在差异。决定局域网与城域网特点的三要素是网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。
2.1.2 局域网拓扑结构类型
局域网的网络拓扑结构主要分为总线型、环型与星型。
在环型拓扑结构中，结点之间通过网卡利用点一点线路连接构成闭合的环型。环中数据沿着一个方向绕环逐站传输。在环型拓扑结构中，多个结点共享一条环通路。
总线型局域网的主要特点是：（1）所有结点都通过网卡连接到作为公共传输介质的总线上。（2）总线通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。（3）所有结点可以通过总线发送或接收数据，但在一段时间内只允许一个结点通过总线发送数据。当一个结点通过总线以“广播”方式发送数据时，其他结点只能以“收听”方式接收
数据。（4）由于总线作为公共传输介质被多个结点共享，可能出现同时有两个或两个以上结点通过总线发送数据的情况，因此会出现冲突（collision）而造成传输失败。（5）在总线型局域网的实现技术中，必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（Medium Access Control，MAC）问题。
环型和总线型网络拓扑都是采用共享介质的 技术，容易产生冲突，为了解决冲突问题，需要引入介质访问控制方法。
介质访问控制方法是指控制多个结点利用公共传输介质发送和接收数据的方法。
介质访问控制方法要解决三个问题：哪个结点发送数据？发送时是否会出现冲突？出现冲突时如何处理？
2.1.3 传输介质类型与介质访问控制方法
局域网常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线（目前广泛使用）、光缆与无线信道。
总线型局域网的介质访问控制控制方法：（1）带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）（2）令牌总线（Token Bus）
环型局域网的介质访问控制方法：
令牌环（Token Ring）
局域网领域有3种典型技术：Ethernet（目前使用的）、Token Bus和Token Ring。
局域网方面的标准主要是：IEEE 802参考模型。该模型主要制定数据链路层与物理层的协议。不同局域网在MAC子层和物理层可以采用不同协议，但是在LLC子层必须采用相同协议，这样可以向网络层提供统一的接口。
目前的局域网都采用以太网技术，因此LLC子层已经很少使用。
IEEE 802方面的标准有很多，但是随着技术的不断进步，目前使用较多的协议主要有以下几个。
注意以下三点：（1）在大型局域网系统中，桌面系统采用10 Mbps的Ethernet或100 Mbps的FE，主干网采用1 Gbps的GE技术，核心交换网采用10 Gbps的I0GE技术成为趋势。（2）GE与10GE技术已经发展成熟，并从局域网应用逐步扩大到城域网与广域网中。（3）无线局域网技术将成为下个阶段中的研究与应用的重点。
2.2 共享式以太网
2.2.1 Ethernet工作流程
1、数据发送流程：带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）“多路访问”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”是指每一个结点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。“冲突检测”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）。
当一个结点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结点同时在发送数据，表明产生了碰撞，即产生了冲突。
在发生冲突时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
每一个正在发送数据的结点，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源,然后等待一段随机时间后再次发送。
Ethernet协议规定一个帧的最大重发次数为16。如果重发次数超过16，则认为线路故障，进入“冲突过多”的结束状态。如果重发次数n≤16，则允许结点随机延迟再重发。
CSMA/CD的发送流程可以简单概括为四点：先听后发，边发边听，冲突停止，延迟重发。
注意：（1）载波侦听过程中如何判断总线是否空闲？
Ethernet的物理层协议规定发送的数据采用曼彻斯特编码方式。如果总线上已有数据在传输，总线电平将按曼彻斯特编码规律出现跳变，则可判定此时“总线忙”。如果总线上没有数据在传输，总线电平将不发生跳变，则可判定此时“总线空闲”。如果一个结点已准备好数据帧，并且总线此时处于空闲状态，则这个结点可以“启动发送”。（2）如何进行冲突检测
比较法和编码违例判决法
比较法是指发送结点在发送帧的同时，将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。当发送结点发现这两个信号波形不一致时，表示总线上有多个结点同时发送数据，冲突已经发生。编码违例判决法是指检查从总线上接收的信号波形，若接收的信号波形不符合曼彻斯特编码规律，就说明已经出现冲突。（3）冲突窗口
冲突窗口是一个时间，超过这个时间如果还没有检测出冲突，说明该结点已经获得了总线的访问权，后续的数据传输就不会有冲突了。
在Ethernet协议标准中，规定的冲突窗口长度为51.2μs。Ethernet的数据传输速率为10 Mbps，冲突窗口的51.2μs可以发送512 bit（64 B）数据。64B是Ethernet的最短帧的长度。这意味着当结点发送一个最短帧或一个长帧的前64个字节都没有发现冲突时，则表示该结点已经获得总线发送权，并可以继续发送后续的字节。（4）遇到冲突后延迟多长时间
CSMA/CD采用的是截止二进制指数后退延迟（Truncated Binary Exponential Backoff）算法。该算法可以表示为：
其中，τ为重新发送所需的后退延迟时间，a为冲突窗口值，R为随机数。如果一个结点需要计算后退延迟时间，则需要以其地址为初始值产生一个随机数R。冲突窗口a值是确定的。
从计算公式可以看出，冲突次数越多，延迟的时间越长。为了避免延迟过长，截止二进制指数后退延迟算法限定了二进制指数k的范围，它定义k=min（n，10）。如果重发次数n<10，则k取值为n；如果重发次数n≥10时，则k取值为10。
综上所述：任何结点发送数据都要通过CSMA/CD方法争取总线使用权，从它准备发送到成功发送的等待延迟时间不确定。因此，CSMA/CD方法是一种随机争用型介质访问控制方法。
2、数据接收流程
如果一个结点成功利用总线发送数据，则其他结点都应处于接收状态。所有结点只要不发送数据，就应处于接收状态。
当某个结点接收到一个帧后，首先要判断接收帧长度，这是由于IEEE 802.3协议规定帧的最小长度。如果接收帧长度小于规定的帧最小长度，则表明有冲突发生，应该丢弃该帧，结点重新进入等待接收状态。
如果没有发生冲突，则结点在接收一个帧之后，首先需要检查帧的目的地址。如果目的地址为单播地址，并与本结点的物理地址匹配，则接收该帧；如果目的地址是组播地址，并且本结点属于该组，则接收该帧；如果目的地址是广播地址，则接收该帧；否则，丢弃该帧。
接收结点进行地址匹配之后，如果确认是应该接收的帧，下一步则进行CRC校验。
2.2.2 Ethernet帧结构
帧结构方面有很多标准，目前，局域网基本都采用Ethernet V2.0规定的帧结构。
Ethernet帧结构由以下5个部分组成：（1）前导码与帧前定界符字段
前导码由56位（7 B）的10101010…101010比特序列组成。帧前定界符是8位（1 B）的10101011。前导码与帧前定界符用于接收同步阶段。由于曼彻斯特解码需要采用锁相电路实现同步，锁相电路达到稳定状态需要10～20μs时间，因此设计前导码与帧前定界符是为了保证接收电路在目的地址字段到达之前进入稳定状态。（2）目的地址和源地址字段
目的地址与源地址分别表示帧的接收结点地址与发送结点的硬件地址。硬件地址一般称为MAC地址、物理地址或Ethernet地址。地址长度为48位（6 B）。目的地址可以分为3类：单播地址、多播地址与广播地址。目的地址第1位为0表示单播地址，该帧只被目的地址所在的结点接收。目的地址第1位为1表示多播地址，该帧将被一组结点接收。目的地址为全1表示是广播地址，该帧将被所有结点接收。（3）类型字段
类型字段表示网络层使用的协议类型。例如，类型字段值等于0x0800，表示网络层使用IP协议；类型字段值等于0x8137，表示网络层使用NetWare的IPX协议。（4）数据字段
数据字段是高层待发送的数据部分。数据字段的最小长度为46 B，最大长度为1500 B。由于帧头部分包括6 B的目的地址、6 B的源地址字段、2 B的类型字段与4 B的帧校验字段，因此帧头部分的长度为18 B。Ethernet帧的最小长度为64 B，最大长度为1518 B。（5）帧校验字段
帧校验字段采用32位的CRC校验。CRC校验的范围包括：目的地址、源地址、长度、数据等字段。
循环冗余校验的原理
假设待传送的一组数据M=101001。我们在M的后面再添加供差错检测用的n位（假设n=3）冗余码一起发送。首先，在M后面添加n个0（101001000）。然后，除以事先选定好的长度为(n ＋ 1)位的除数 P（假设为P= 1101），得出商是Q而余数是R（R=001），余数R比除数P少1位，即R是n位。最后，把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去，即发送的数据是101001001
2.2.3 Ethernet实现方法
Ethernet连接设备包括：网络接口卡（简称网卡）、收发器和收发器电缆。
收发器实现结点与同轴电缆的电信号连接，完成数据发送与接收、冲突检测功能。收发器电缆完成收发器与网卡的信号连接。
网卡的一端通过收发器与传输介质连接，另一端通过主机接口电路与主机连接。网卡实现发送数据的编码、接收数据的解码、CRC产生与校验、帧装配与拆封，以及CSMA/CD介质访问控制等功能。
2.2.4 Ethernet物理地址
Ethernet物理地址总共有48位，即6个字节。其中前三个字节是公司标识，是由IEEE注册管理委员会分配给每个网卡生产商，后面的3字节由生产网卡的厂商自行分配。
例如，IEEE分配给3Com公司的前3字节地址可能有多个，其中一个是006008；3Com公司可以为生产的每个网卡分配后3字节的地址值（例如00-A6-38），则这个网卡的物理地址为00-60-08-00-A6-38。
十六进制表示中，一个字节（8位）可以用2个十六进制数表示。
2.3 高速局域网的工作原理
2.3.1 高速局域网的研究方法
个人计算机的广泛应用是推动局域网发展的直接原因。推动高速局域网发展的因素主要有以下两方面：（1）在过去20年中，计算机的处理速度提高了百万倍，网络的数据传输速率只提高了上千倍。从理论上来说，一台微型机能产生250 Mbps的流量，如果Ethernet仍保持10 Mbps的传输速率，显然是不能够适应的。（2）网络规模与性能之间的矛盾。Ethernet的数据传输速率为10 Mbps，如果局域网中有N个结点，则每个结点平均分配的带宽为10/N Mbps。显然，随着局域网规模的不断扩大，结点数N的不断增加，每个结点平均分配的带宽将越来越少。而且，随着网络结点数量的增加，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会急剧下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会随之下降。
为了克服网络规模与性能之间的矛盾，人们提出了以下几种解决方案：（1）将Ethernet的传输速率从10 Mbps提高到100 Mbps，甚至1 Gbps、10 Gbps，这就导致了高速局域网技术的研究。（2）将大型局域网划分成多个用网桥或路由器互联的子网，这就导致局域网互联技术的发展。每个子网作为一个独立的小型局域网，可以隔离子网之间的交通量，并提高网络的安全性。通过减少每个子网内部结点数量的方法，使每个子网的网络性能得到改善。（3）将共享介质方式改为交换方式，这就导致交换式局域网技术的发展。交换式局域网的核心设备是局域网交换机，它可以在多个端口之间建立多个并发连接。在交换方式出现后，局域网开始被分为两种类型：共享式局域网（Shared LAN）和交换式局域网（Switched LAN）。
2.3.2 Fast Ethernet /Gigabit Ethernet
为了保护用户的投资，并与现有的Ethernet 设备相兼容，Fast Ethernet /Gigabit Ethernet均是在保持传统的局域网帧结构与介质访问控制方法不变的情况下，设法提高局域网的传输速率。
Fast Ethernet使用的物理层标准是100Base-T。100 Base-T有关传输介质的标准主要有三种：（1）100 Base-TX：支持2对5类非屏蔽双绞线或2对1类屏蔽双绞线。其中，一对双绞线用于发送，另一对双绞线用于接收。（2）100 Base-T4：支持4对3类非屏蔽双绞 线UTP，其中3对用于数据传输，1对用于冲突检测。（3）100 Base-FX：支持2芯的多模或单模光纤。
Gigabit Ethernet使用的物理层标准1000 Base-T。100 Base-T有关传输介质的标准主要有四种：（1）1000 Base-T：使用5类非屏蔽双绞线，双绞线长度可达100 m。（2）1000 Base-CX：使用屏蔽双绞线，双绞线长度可达25 m。（3）1000 Base-LX：使用波长为1300 nm的单模光纤，光纤长度可达3000 m。（4）1000 Base-SX：使用波长为850 nm的多模光纤，光纤长度可达300～550113。
2.3.3 10 Gigabit Ethernet
10 Gigabit Ethernet并非将Gigabit Ethernet速率简单提高到10倍，其中有很多复杂的技术问题需要解决。10 Gigabit Ethernet主要有以下几个特点：（1）10 Gigabit Ethernet与10 Mbps、100 Mbps和1 Gbps Ethernet的帧格式相同。（2）10 Gigabit Ethernet保持IEEE 802.3对Ethernet最小和最大帧长度的规定。（3）10 Gigabit Ethernet不再使用双绞线，而是使用光纤作为传输介质。（4）10 Gigabit Ethernet只有全双工工作方式，不存在介质访问控制的问题。由于不使用CSMA/CD介质访问控制方法，网络传输距离不受冲突检测的限制。
10 Gigabit Ethernet 技术不仅可以应用于局域网，还可以应用于广域网，因此其物理层标准有两种，分别是：（1）局域网物理层标准，传输速率为10 Gbps 。（2）广域网物理层标准，传输速率是9.95328 Gbps ，而不是精确的10 Gbps。
2.3.4 40/100 Gigabit Ethernet
随着用户对有线和无线接入带宽要求的不断提升，移动互联网应用、三网融合、高清视频业务的增长，以及云计算、物联网应用的兴起，城域网与广域网的核心交换网的传输带宽面临巨大的挑战，现有的10 Gigabit Ethernet技术已难以应对日益增长的需求，因此出现了更高速率的40 Gbps与100 Gbps的Ethernet技术。
100 Gigabit Ethernet物理接口主要有以下三种类型：（1）10×10 Gbps短距离互联的LAN接口技术
该方案是采用并行的10根光纤，每根光纤速率为10 Gbps，以实现100 Gbps的传输速率。这种方案的优点是可沿用现有的10 Gigabit Ethernet设备，技术比较成熟。（2）4×25 Gbps中短距离互联的LAN接口技术
该方案采用波分复用的方法，在一根光纤上复用4路25 Gbps的信号，以达到100 Gbps的传输速率。（3）10 m的铜缆接口和1 m的系统背板互联技术
2.4 交换式局域网与虚拟局域网
2.4.1 交换式局域网的基本结构
交换式局域网的核心设备是局域网交换机，它可以在多个端口之间建立多个并发连接。
以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以与一个结点连接，也可以与一个共享介质的集线器（Hub）连接。如果一个端口只连接一个结点，则这个结点独占10 Mbps的带宽，这类端口通常称为“专用10 Mbps的端口”；如果一个端口连接一个10 Mbps Ethernet，则这个端口被Ethernet中的多个结点共享，这类端口称为“共享10 Mbps的端口”。
局域网交换机主要有以下几个技术特点：（1）低交换延迟
如果交换机为几十μs，则网桥为几百μs，路由器为几千μs。（2）支持不同的传输速率和工作模式
交换机的端口可以支持不同的传输速率，例如10 Mbps、100 Mbps与1 Gbps。交换机的端口也可以支持两种工作模式：半双工与全双工模式。交换机可以完成不同端口速率之间的转换。（3）支持虚拟局域网服务
交换式局域网是虚拟局域网的基础，当前的交换机基本都支持虚拟局域网。
2.4.2 局域网交换机的工作原理
交换机的结构与工作过程。图中的交换机包括6个端口，端口1、5、6分别直接连接结点A、C、D，端口4连接一个集线器中的结点B。交换机的“端口/MAC地址映射表”根据以上端口号与结点MAC地址建立对应关系。如果结点A与D要同时发送数据，它们在自己的Ethernet帧的目的地址字段（DA）中填写相应的目的地址。
如果交换机的端口4连接一个集线器，而结点B与E都连接在集线器上，则端口4就是一个共享端口。如果结点B要向E发送一个帧，根据“端口号/MAC地址映射表”，交换机发现结点B与E在同一个端口，则交换机在接收到该数据帧时，它不转发而是丢弃该帧，从而避免网络上不必要的数据流动。
端口号/MAC地址映射表的建立和维护
交换机的“地址学习”是通过读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口，在得到端口与 MAC地址的对应关系之后，交换机检查地址映射表中是否已存在该关系。如果不存在，交换机将该对应关系加入地址映射表中；如果已存在，交换机将更新表中的对应关系。
在每次加入或更新地址映射表中的表项时，加入或更改的该表项会被赋予一个计时器，该端口与MAC地址的对应关系能存储一段时间。如果在计时器到达时，没有再次得到该表项的对应关系，交换机删除该表项。通过删除过时的表项，交换机能维护一个精确、有用的地址映射表。
Ethernet交换机的帧转发方式可以分为如下3类。（1）直接交换方式
在直接交换方式中，交换机只要接收一个帧并检测到目的地址，就立即转发该帧，而不检测这个帧是否出错。帧出错检测任务由接收结点完成。这种交换方式的优点是交换延迟短；缺点是缺乏差错检测能力，不支持不同速率端口之间的帧转发。（2）存储转发交换方式
在存储转发方式中，交换机需要完整接收一个帧并进行差错检测。如果接收的帧正确，则根据目的地址确定输出端口，然后转发该帧。这种交换方式的优点是具有差错检测能力，并支持不同速率端口之间的帧转发；缺点是交换延迟将会增大。（3）改进的直接交换方式
改进的直接交换方式则将上述两种方式相结合。在接收到一个帧的前64字节之后，检测帧头字段是否正确，如果正确则转发。
总结交换机的自学习和转发帧的步骤：
自学习：交换机收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。
转发帧：查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。
如没有，则通过所有其他接口（但进入交换机的接口除外）按进行转发。
如有，则按转发表中给出的接口进行转发。若转发表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过交换机进行转发）。
2.4.3 虚拟局域网的工作原理
虚拟局域网：VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。
这些网段具有某些共同的需求。
每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符（VLAN ID），指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。
虚拟局域网的组网（划分虚网）方法主要有以下四种：（1）用交换机端口定义虚拟局域网
不允许不同虚拟局域网包含相同的端口，也就是说一个端口最多只能属于一个虚网。（2）用MAC地址定义虚拟局域网（3）用网络层地址定义虚拟局域网（4）基于广播组的虚拟局域网
基于广播组的虚拟局域网是动态建立的。
在这种虚拟局域网中，由代理对虚拟局域网成员进行管理。当有广播包要发送到多个目的结点时，就需要动态建立虚拟局域网的代理。代理通过广播信息通知各个结点，如果结点响应信息就可以加入广播组，并成为基于广播组的虚拟局域网成员。广播组中的所有结点属于同一虚拟局域网，但它们只是特定时间内、特定广播组的成员。这种虚拟局域网的优点是：可以根据服务灵活地组建虚拟局域网。
虚拟局域网的优点：（1）方便网络用户管理，减少网络管理开销
虚拟局域网可以灵活的对网络进行调整。（2）提供更好的安全性
不同网络用户对数据与信息资源有不同的要求和权限。在一个企业中，财务、人事、采购等部门有不同的需求。例如，财务部门的数据不允许其他部门查看。虚拟局域网可将不同部门的用户划分到不同的逻辑用户组，同组用户之间的数据可以只在虚拟局域网中传输。（3）改善网络服务质量
传统局域网的广播风暴对网络性能与服务 质量影响很大。基于交换技术的虚拟局域网可以隔离不同用户组，将同类用户的通信控制在一个虚拟局域网内部，相对减少潜在的广播风暴的危害，有利于改善网络服务质量。
TCP协议能将一台主机的字节流（Byte Stream）无差错地传输到目的主机。UDP协议是一种。
2.5 无线局域网
2.5.1 无线局域网的应用
无线局域网不仅能满足移动和特殊的应用要求，还能覆盖有线网络难以涉及的范围，因此无线局域网的发展速度相当快。目前，传输速率为2 Mbps的系统已经成熟，传输速率为40-80 Mbps的系统正在研究中。
无线局域网的应用领域主要在以下四个方面：（1）传统局域网的扩充
不能布线的历史古建筑，临时性的小型办公室等特殊的环境中，无线局域网是一种更有效的联网方式。（2）建筑物之间的互联（3）漫游访问
演讲者为听众作报告时，通过笔记本电脑访问办公室服务器中的文件。（4）特殊无线网络的结构
无线自组网（Ad hoc）是一些无线设备临时自组织起来的一个无线网络，已在军事领域获得广泛应用。
2.5.2 无线局域网的分类
无线局域网使用的是无线传输介质，按采用的传输技术可以分为3类：红外线局域网、扩频局域网和窄带微波局域网。（1）红外线局域网是利用红外线按视距方式传播信息，也就是说发送点必须能直接看到接收点，中间没有阻挡。红外线不会穿过墙壁或其他的不透明物体。
红外无线局域网的优点是：通信的安全性好，抗干扰性强，系统安装简单，易于管理。但是，它的传输距离受到一定的限制。（2）扩频局域网是将数据基带信号频谱扩展几倍或几十倍，以牺牲通信频带宽度为代价，来提高无线通信系统的抗干扰性与安全性。
无线局域网采用的扩频技术主要有以下两种：
跳频扩频通信是将可利用的频带划分成多个子频带,子频带称为信道；每个信道的带宽相同，不同的时刻可以选择不同的信道发送数据，随机产生的频率值称为跳跃系列；发送端与接收端采用相同的跳跃系列。
直接序列扩频是将发送数据经过伪随机数发生器产生的伪随机码进行异或操作，再将异或操作结果的数据调制后发送。图中a（t）是发送数据，c（t）是发送端产生的一个伪随机码。系统实际发送的信号d（t）是a（t）与c（t）模二加的结果。d（t）是与c（t）速率相同的扩频序列信号。接收端使用与发送端相同的伪随机码c（t），将发送数据从扩频序列信号提取出来。直接序列扩频通信具有很强的抗干扰能力。（3）窄带微波无线局域网
窄带微波是指使用微波无线电频带进行数据传输，其带宽刚好能容纳信号。
2.5.3 无线局域网的工作原理
一个基本服务集BSS包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信时 ，都要通过本BSS的基站。
基本服务集内的基站叫做接入点AP(Access Point)，其作用和交换机相似。
当网络管理员安装 AP 时，必须为该AP分配一个服务集标识符SSID。
一个移动站若要加入到一个基本服务集BSS，就必须先选择一个接入点AP，并与此接入点建立关联。
建立关联就表示这个移动站加入了选定的AP所属的子网，并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路。
只有关联的AP才向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的AP才能向其他站点发送数据帧。
无线局域网标准IEEE 802.11的MAC主要功能是对无线环境的访问控制，即移动站在什么时间能发送数据或接收数据。
MAC层支持无争用服务与争用服务两种访问方式。无争用服务的系统中存在着中心控制结点，中心控制结点具有点协调功能（PCF）。争用服务方式类似于Ethernet随机争用访问控制方式，又被称为分布协调功能（DCF）。MAC层采用冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）方法。
无线局域网却不能简单地搬用CSMA/CD协议。这里主要有两个原因。
(1)CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。
(2)即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。
当A和C检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)
无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA协议。改进的办法是把CSMA增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。
所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔IFS (InterFrame Space)。
帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。
若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减
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