导图社区 通信网络基础考点总结
通信网络基础考点总结,包括常见的思考题、一些概念和矩阵和生成树等内容,复习必备~
编辑于2022-11-27 20:57:28 重庆第一部分
第一章思考题
通信网络的基本问题:如何以尽可能低的成本有效地进行信息交换
通信网络的定义
一些设备,设施组成的集合,可以提供特定的服务,可以实现任意地点不同用户间信息传递的网络
通信网络的构成
用户通信终端,物理传输节点,网络节点组成
数据传输链路分类
分成接入链路(用户到网络端)和网络链路(路由器和路由器之间)
数据传输网络的基本功能
基本功能:通过交换机或路由器运载用户业务的分组,选择合适的传输链路,从而使这些分组迅速可靠地传送到目的用户
数据传输网络中传输的基本内容
消息
分组交换网络的三个基本过程
1.分段和重装
2.选择传输路径(确定路由)过程
3.网络节点的交换过程
路由器区别于交换机的关键特征是什么
多个(不同传输和交换方式的子网要互联互通构成一个更大网络时,需要路由器
路由器的基本功能是什么
1.根据路由表,将报文发送到正确的目的地
2.维持和更新决定报文传输路径的路由表
什么是通信协议
关于信息的表示方式,传输顺序,格式内容的约定
为什么采用分层设计
设计简单,可懂性好,标准化,互换性好,有大量现存的模块可用
模块可以嵌套组成更大的模块
对等层通信是什么含义
由于信息的交换必须在双方进行,通信的双方必须有相同的功能块,才能完成给定的功能,因此每一层双方两个功能相对应的模块就称为对等模块
OSI包括几层?每一层功能是什么?
应用层
表示层
会话层
运输层
从运输层包括本层以上都是高级高级功能部分了
网络层
数据链路层
物理层
网络功能协议和高层服务协议的区别
高层服务协议比如TCP/IP重点强调应用层,运输层,互联网层,而对网络接入层只要求能够使用某种协议来传输互联网层的分组
通信网络的可靠性指标
可靠度:系统在时间间隔t内不发生故障运行的概率
不可靠度 :1-可靠度
平均故障间隔时间:两个相邻故障发生的平均值
平均故障修复时间
第二章概念
欧拉图的充分必要条件
无向连通图每个节点的度数均为偶数
N个用户相互之间彼此要联通,大约需要N²条线路
一个图只与它的节点集V,边集E,点与边的关系所确定,而与节点位置和边长度以及形状无关
重边
无向图情况下:表示同一对节点关联的两条或者两条以上的边
有向图情况下:同一对节点关联且方向相同的两条或者两条以上的边
重边在实际问题中一般可以合成一条边
没有自环和重边的图称为简单图
节点度数
与某节点关联的边数定义为节点的度数
边序列
衔尾的序列,可以有重复边和重复节点
链
没有重复边但是可以重复点的边序列;分为开链和比链,一般指前者
径
无重复边和重复点的边序列
除了起点和终点度数为1,其他点度数都是2
回路
起点和终点重合的径
每个点的度数都是2;是连通图;回路是最小闭链
环路
不重边的回路的并集称为环路。可以连通或者不连通
连通环路
为一单一回路
非连通环路
分离的回路的并集
每个端点的度数为偶数
闭链和回路都是环路(连通的),但环路不一定是闭链和回路
连通图
任意两个节点之间至少存在一条路径则称为连通图,反之则为非连通图
非连通图的都可以划分成原图的一个最大连通子图;所谓的最大就是再加上原来图的任意一个元素都将使子图变成非连通图
子图
从原图中适当删除一些边点以后得到子图,可以删0个,那么也是自己的子图
真子图
删除的边的数目至少为1,点不限
生成子图
点不删,只删除边,删除边数不限
割集(要求不高)
割端
割端
就是去除一个点,删除与其关联的边,回导致图分裂成几部分
不可分图
除去任意一个端和其关联的关,图的部分都不变
割端集
选择几个端删除其和其关联的边,能够使图分裂成多个部分(可以只有点)
最小割端集
端数最小的割端集
割边
割边
去除图中一条边,图会分裂
割边集
选择几个边删除(不删点),那么这几个边的集合就是割边集,设集合为S
最小割边集
若S的任何真子集都不是割边集
最小割集
边数最小的割集称为最小割集
树
定义
任意两节点间只有一条径的图称为树,边称树枝
树枝的两个点至少与两条边关联则是树干; 若树枝只有一个节点与此边关联,则称该树枝为树尖,称该点为树叶; 若指定数的一个点为根,那么就是有根树
性质
树是无环连通图,但增加一条边就会得到一个环
树是最小连通图
若树有m条边和n个节点,则m=n-1;也就是有n个节点的树共有n-1个树枝;其实很好理解,因为两个节点才能构成一条边
任何一颗树都至少有两片树叶
第二章的矩阵和生成树
矩阵优点
最大优点就是可以存入计算机,并进行所需的运算
图常用的两种矩阵
邻接矩阵
表示n个节点到n个节点的距离
对于有向图
对于无向图
特点
1.无自环时候对角线元素为0,反之为1
2.有向图中每行上1的个数为该节点对应的出度,列则表示入度;无向图则行列一致,即是出度和入度。
3.无向简单图图邻接矩阵对称,且对角线上元素为0;有向图则无一定对称的性质
权值矩阵
特点
1.无向简单图的矩阵是对称的,对角线元素全为0
2.有向简单图的权值矩阵不一定对称,但是对角线一定为0
图的生成树
连通图才有生成树,有生成树的图必为连通图
具有n个节点,m条边的连通图,生成树T有n-1条树枝和m-n+1条连枝
生成树的求法
破圈法
拆除所有回路并保持连通
避圈法
慢慢选边将所有点都连起来
最小生成树算法
无约束条件下的情况(只考察概念性
KrusKal(K算法)--顺序取边,是避圈法的推广
1.将G中所有边按照权值的递增顺序排列
2.选取权值最小的边为树枝,然后重新排列选择
3.n个点的图选出n-1条边,结束
4.算法的复杂性主要决定于把各边排列成有序的队列
例子
Prim(Point算法)--顺序取端(不考使用,只考察概念
1.写出G的权值矩阵
2.从v1开始从行1找到最小元素w1j
3.在1,j行中删去列1,j的元素,然后在1和j行中寻找最小元素,比如找wjk
4.在1,j,k行中删去列1,j,k的元素,然后在1,j,k行中寻找最小元素
5.反复直到所有元素被删除
例子
1
有约束条件下的情况
一般使用穷举法
路径算法
首选路由
最短路径(这两个要考所以着重看一下)
a.指定端到其他各端的最短路径
D算法要画
优点:实现简单,计算点到点之间的最短路径效率高,但是计算速度比较慢, 缺点:计算速度比较慢,尤其是在节点比较多的时候
例子:一般都是针对某个点而言使用该算法
b.任意两端间的最短径
F算法
多源最短路径算法,求的是每两对节点之间的最短路径
需要两个矩阵,一个距离矩阵W,一个路由矩阵R
距离矩阵
直接根据图构造
路由矩阵
首先默认第k列的元都是k,如果距离矩阵对应的是0或者∞,那么将其对应处改为0
具体实现
以v1,v2,...v7作为中间节点,修改W和R矩阵
aij元素是否更新取决于a1i+aj1<aij,否则不更新
如果更改了,那么对应的路由矩阵的对应位置就更改为此次循环所对应的基数,比如这是第一轮循环,那么对应的是1,就将其改为1
例子
可以通过路由矩阵的元素反推路由:
迂回路由
次短径或可用径
Dijkstra算法
第k条最短路径的选择问题
如果最短路径业务量溢出或者发生故障,就要找迂回路由
两类情况
1.两点之间边分离的第K条最短路径
求法:将最短路径中的所有边删去,用D算法在剩下图中求出次最短路径,然后反复可以求得第三....条次最短路径
2.两点之间点分离的第K条最短路径
求法:将最短路径中所有节点删去,在剩下的图中求出次最短路径,当两点之间不存在路径时结束
第二部分
网络流量分配及其算法
流量分配
网络的作用是将业务流从信源送至信宿
要求从源到宿的流量尽可能大,传输代价尽可能小
定义
网络;函数C称为N的容量函数,函数C在边eij的值叫做eij的容量
单源单宿网络:只有一个源和宿
流:通过网络N的(i,j)的实际流量;各边的流的集合叫做网络N的流,从源出发的实际流量叫做网络的总流量
可行流
(1)对所有e∈E(N),有0≤f(e)≤C(e)
(2)对所有的中间节点i,有f(i,V)=f(V,i);即流入等于流出
满足1,2则为一个可行流;每条边的第一个数是边的容量,第二个数边的流
每一个网至少有一个零流,称为运输网络
最大流
字面意思,整个网络中最大的流f
可增广路
x到y的一条路中,所有前向边都未饱和,所有反向边都是非零流量
不可增广路
前向边饱和,反向边为0流量
多源多宿网络
节点容量问题
有向图
当节点的转接能力有限时,可以把该节点分成两个节点,一个与所有射入边相连,另一个与所有射出边相连,再再这两节点间加入一条有向边,边容量即节点容量
无向图
双通路,因此将一条无向边换成两条有向边,一条正向一条反向
网络最大流算法——标号法主要了解
基本思想
从某初始可行流出发,在网络寻找可增广路,然后在满足可行流的条件下增加可增加的最大流量,直到网络中不再存在可曾广路
最大流最小割定理
基本要素
(来处,方向,可增流量的最小值)
针对某个原点出发,先要到达该原点的所有后路,然后在进行下一步
可增流量的最小值是和上一个对比得到的,比如经过第一条路的时候最多增加3,但是下一步最多加1,那么就变成1
反向边只要非零流也要用上
最终割裂的是
第三章思考题
网络中的时延由哪几部分组成?
处理时延
分组到达一个节点的输入端与该分组达到该节点输出端之间的时延
排队时延
节点的传输队列在节点的输出端,则排队时延是分组进入传输队列到该分组实际进入传输的时延
节点的输入端有一个等待队列,则排队时延是指分组进入等待队列到分组进入节点进行处理的时延
传输时延(分组输出:条状)
发送节点在传输链路上开始发送分组的第一个比特到发完该分组最后一个比特所需要的时间
传播时延(单个播撒:点状)
发送节点在传输链路上发送第一个比特的时刻到该比特到达接收节点的时延
特别说明
1与电磁波在媒质中的传播速度有关 2.与通信距离有关 3.与信道容量本身无关
传输时延和传输数据量的长度有关吗?如果有关有什么关系?
有关,在其他条件一定时,数据长度越长,传输时延越长
描述一个排队模型通常需要从哪几个方面进行描述
m:窗口数,表征系统的资源量,表示系统中有多少服务设施可以同时向顾客提供服务
λ:顾客平均到达率或者系统到达率,表示单位时间内到达系统的平均顾客数。反映了顾客到达系统的快慢程度。到达过程,
μ:一个服务员(窗口)的服务速率,即单位时间内由一个服务员或者窗口进行服务并离开系统的平均顾客数;1/μ表示的是服务时间服务过程
:排队强度或者稳定性参数,ρ<1说明平均到达小于平均离开,系统可以确保稳定,ρ≥1,平均顾客到达小于平均离开系统。排队过程,
Little定理描述了一个排队系统哪几个量之间的关系
N:系统稳态时的平均顾客数
T:稳态平均顾客时延
描述了N关于λ和T的关系
最简单流的三个特性
平稳性,无后效性,稀疏性
M/M/1/m排队系统中最长的排队队长是多少?
最长为m-1
在M/M/1排队系统中,若系统的繁忙程度为ρ,则用户到系统必须等待的概率是?
ρ=λ/μ,因为μ表示的服务的速率,λ表示的客户到达的速率
在什么条件下使用统计复接的高速服务系统可以获得好的系统性能
传输时延的减少大于用户等待时间和时延变化的增加量时;用户较少的系统
M/M/m/m排队系统中最大的排队队长是多少?
0
对于相同到达流的情况,如果系统负载较重,用m个服务能力为u的排队系统还是用一个服务能力用mu的排队系统好?
效果几乎一样,但是后者其实好一点
对于一个M/G/1型排队系统,用使平均等待时延是有限的,要注意那些因素
1.注意平均剩余服务时间R 2.注意繁忙程度指数ρ
顾客到达的分布是泊松分布
服务时间的概率分布 M表示的是指数分布 G表示的是一般分布 D表示的是确定分布
Erlang B针对的是呼损制系统 Erlang C针对的时等待制系统
要求给出λ和μ求另外四个量 到达率为λ,服务速率为u
平均用户数
平均时延
平均队长
系统繁忙程度
第三章概念性知识
M/M/m排队系统
含义
第一个M:表示达到达过程的特征
M表示无记忆的泊松分布
第二个M:表示服务时间的概率分布
M表示指数分布,G表示一般分布
第三个m:表示服务员个数
有时还有第四个字母
表示系统容量大小,如果无那说明系统容量无穷大
有时还有第五个字母
表示服务规则,无则表示先来先服务
M/M/1系统
顾客到来过程是泊松分布,到达率为λ,队长无限,服务过程为指数分布,服务速率为u(平均服务时间为1/u),服务员为1
图例表示
状态转移特性及其稳态分布
可以得到对任意一个状态i而言有
状态转移图
系统稳态概率
必须满足这个式子,否则不满足稳态需求
系统稳态概率
ρ=λ/μ是到达率与服务速率之比,反应了系统的繁忙程度;如果ρ增加,那么N也会变大
ρ=1-p0世纪是用户等待的概率;ρ>1,则系统来不及服务,系统的用户数将变为无穷大
平均时延
利用little定理可以得到平均时延
平均用户数/平均分组数
平均队长
相关例题
统计复接性能分析
设一个分组传输系统,到达率为λ的poisson过程,组长度服从指数分布,其均值为1/μ
将k个这样的分组流统计复接在一个高速信道上传输,那么服务时间变成1/kμ,服务的客户数量也变成kλ
分合结论
将k个低速信道合成一个高速信道后,系统的平均时延降低到原平均时延的1/k
缺点
各用户的等待时间和时延变化都会增加
优点
传输时延减小
反过来,将一个高速信道分解成k个低俗信道后,每个低俗信道的平均时延增加k倍
好处
子信道的容量和用户达到匹配时,各信道没有等待时延和等待队列
缺点
低速信道到达率不同时,出现忙闲不均的情况
M/M/m排队系统
服务员变成了m个,达到率λ,服务速率μ
用户数设为n,如果n>m,用户离开速率为mμ 如果n≤m,用户离开的速率为nμ
M/M/m/n型排队系统,最大排队队长为n-m(容量减去服务员数目)
M/M/m排队的统计复接性能分析
一个服务速率为μ的M/M/m排队系统 一个服务速率为mμ的M/M/1排队系统
结论
轻负荷情况下ρ<<1,分组的时延主要由分组的传输时延决定,这时候前者的传输时延是后者的m倍
重负荷情况下ρ接近于1,分组的时延主要由等待时延决定,这时候两者的时延基本相等
拓展:M/M/∞
排队队长为0
M/M/m/m排队系统
使用呼叫损制系统,就是发现线路全忙就直接离开系统
M/G/1型排队系统
P-K公式
M/G/1排队系统的平均等待时间为,式子ρ=λ/μ=ρ=λX
证明思路:基于平均剩余服务时间求解
第四章思考题
能否通过判断的方式(if连续六位为"1",则插入比特“0”,否则不插入比特
不能,因为在接收端不能正确判断接收。
组帧技术解决的问题是什么?
标识高层送下来的数据块(分组)的起止位置
面向字符,面向比特,采用长度计数的组帧技术如何标识一帧的开始和结束
面向字符:采用字符END标识,如果数据报中出现END,那么利用转义字符ESC 即 C0—DB DC ,如果数据报中出现ESC,那么就用 DB—DB DD
面向比特:采用连续6个1标识帧头尾;如果数据报中出现连续5个1,那么就插入一个0,接收端发现连续5个1后的0就删去该0
采用长度计数:利用帧长度指示一帧何时结束
差错检测技术发现传输错误的基本原理是什么
发端按照某种给定规则,在K个信息比特后面增加L个按照某种规则计算的校验比特;在接收端对收到的信息比特重新计算L个校验比特。如果接收到的校验比较和本地重新计算的的校验比特,如果相同则认为传输无误,否则认为有错
停等式ARQ协议的基本思想和传送过程是什么
基本思想:在开始下一帧传送以前,必须确保当前帧已被正确接收
传送过程:A发,B收。A发送一帧后,B接收正确,则B向A发送一个ACK;如果错误,发送一个NAK。A必须收到B的ACK后才会发送下一帧。如果A发送一帧后,规定时间内没有收到ACK,则重发该帧,如果收到NAK,也重发该帧
在停等式ARQ协议中,为什么要在传输的帧中加入发送序号和接收序号
如果不加入发送序号,当接收端发送的ACK时延较长时,将无法判断发送端发送的是新数据还是重发数据,但是加入了发送和接收序号可以解决该问题
为什么返回n—ARQ的序号需要采用模m表示时必须满足m>n
若m<n,接收端明显无法判断发送的是哪个帧; 当m=n,假设n=8,当发端发完8帧后,收到了对方的所有确认,将发送新的8帧,序号为0-7;当发送发送8帧后,收端发送的应答未能到达发端,发端将重发这8帧,编号还是0-7.因此接收端无法区分这两种情况,所以要求m>n
选择重发式ARQ的基本思想和实现方法是什么?
基本思想:发端在没收到应答的情况下,可以连续发送n帧。收端接收正确的帧,发端仅重发错误的帧。
实现方法:要求接收节点具有:分组排序能力(接收到的分组是乱序的)和帧存储能力(需要缓存传输正确但是顺序不连续的帧); 接收序号RN:RN序号是最小的没有正确接收到的帧序号,用RN+k个比特进行应答RN后面i个帧的接收状态
选择重发式ARQ的序号如果用模m来表示,为什么必须满足m≥2n?
m<2n的时候会引起接收数据的序号混淆。根本原因:返回n-ARQ收端不接收正确但顺序不连续的帧,而选择重发式ARQ的收端会接收正确但顺序不连续的帧
ARPANET ARQ与停等式ARQ,返回n-ARQ以及选择重发式ARQ有什么区别和联系
ARPANET ARQ采用八个并行等待式ARQ,每个队列都相当与一个停等式ARQ
发端在没有应答的情况下可以连续发送八个数据帧,相当于长度为8的滑动窗口,具有n-ARQ的特点
只需重发出错的帧,具有选择重发的优点
不同点
每个队列的数据帧定时由轮询一轮的时间决定,因此无需设置定时器
ARPANET ARQ不具有和选择重发ARQ一样的分组排序功能
第五章思考题
流量控制和拥塞控制
拥塞控制和流量控制异同
拥塞控制
防止过多的报文注入当网络中,使路由器和链路不会过载,防止平均时延激增
目的
拥塞控制是一个全局性过程,设计到所有的主机,路由器,以及降低网络传输性能的所有因素,保证子网能运载所提交给网络的业务
性质
主要集中在网络层。具有一个必要前提:网络能够承受现有的网络负载
流量控制
对网络上的两个节点之间的数据流量施家限制,满足接收端接收能力,防止过载
目的
仅涉及发送节点对对应接收节点通信业务量的控制; 总流量小,发送拥塞的概率低;反之总流量高,发送拥塞的概率大
性质
主要在运输层,称为全局流控
设计准则
公平性准则
业务流之间的公平性准则
吞吐量准则
控制吞吐量逼近网络容量
第四章和第五章概念性
组帧技术
面向字符
物理层传输单元是一个字符
采用字符END(十六进制COH,H表示十六进制)表示一帧的开始和结束
透明传输:使用转意字符ESC 十六进制DBH
转换规则;当数据报中出现END(C0)或者ESC(DB)时,进行如下转化C0—DB DC;DB—DB DD
透明传输的核心思想:用特殊字符表示一帧的开始和结束,利用字符转义
优点:帧结构处理时简单
缺点:插入了许多转义字符,效率低; 数据长度必须以字节为单位,灵活性差
面向比特
物理层传输单元是比特
采用6个1表示帧头和帧尾
透明传输:采用每出现连续5个1就插入一个0的方法,这样接收端收到5个1后如果收到0就会删去0
透明传输核心思想:用特殊比特串表示一帧的开始和结束;比特插入技术
优点:1比特插入开销小,效率较高 2数据传输以比特为单位,灵活性好,可传输任意长度的数据 3灵活的比特组合可以表示不同信息
采用长度计数
组成方法:长度+分组数据
差错检测技术
目的:判断一帧数据比特经过物理信道传输以后是否出错,尽可能降低漏检概率
常用方法:
奇偶校验
循环冗余校验
消除错误的方法
自动请求发端重发技术(ARQ)
前提假设
1.物理信道上传输的帧达到接收端前被时延了一个任意可变的时间
2.帧在传输过程中可能会丢失,会出错
3.帧到达的顺序与发送的顺序相同
停等式-ARQ
基本思想:在开始下一帧传送以前,必须确保当前帧已被正确接收
传送过程:A发,B收。A发送一帧后,B接收正确,则B向A发送一个ACK;如果错误,发送一个NAK。A必须收到B的ACK后才会发送下一帧。如果A发送一帧后,规定时间内没有收到ACK,则重发该帧,如果收到NAK,也重发该帧
问题:A,B的双向链路都可能出错则上述协议无法正常工作 解决:发送端在传输帧中增加发送序号(SN)和接收序号(RN),对于停等式进行编号采用模2即可
返回n-ARQ
基本思想:发端在没收到应答的情况下,可以连续发送n帧。收端仅接收正确且顺序连续的帧,其应答中的RN标识RN以前的所有帧都已正确接收
优点:减少了等待时间,提高了传输效率
缺点:在未收到应答的情况下,直到发完当前窗口所有帧才会进入超时重发阶段;如果正向传输出错,将导致从出错帧开始的整个窗口内的n个帧全部重传
选择重发式ARQ
基本思想:发端在没收到应答的情况下,可以连续发送n帧。收端接收正确的帧,发端仅重发错误的帧。
实现方法:要求接收节点具有:分组排序能力(接收到的分组是乱序的)和帧存储能力(需要缓存传输正确但是顺序不连续的帧); 接收序号RN:RN序号是最小的没有正确接收到的帧序号,用RN+k个比特进行应答RN后面i个帧的接收状态
并行等待式ARQ