计算机网络_重点梳理
1.计算机网络概述
1.1 计算机网络的概念、分类、发展和标准化工作
（1）计算机网络的概念
计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
（2）计算机网络的分类
1. 按分布范围，可分为：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN。局域网使用广播技术，广域网使用交换技术。
2. 按传输技术，可分为：广播式网络、点对点网络。二者的重要区别：是否采用分组存储转发与路由选择机制。
3. 按拓扑结构，可分为：总线型网络、星型网络、环形网络、网状网络。
4. 按使用者，可分为：公用网、专用网。
5. 按交换技术，可分为：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络。
6. 按传输介质，可分为：有线、无线。
（3）计算机网络的发展
互联网的前身：ARPANET
中国第一个公用分组交换网：CNPAC
（4）计算机网络的标准化工作
成为标准的4个阶段：因特网草案（还不是RFC文档） -> 建议标准（成为RFC文档） -> 草案标准 -> 因特网标准。
ISO：国际标准化组织
ITU：国际电信联盟
IEEE：国际电气电子工程师协会
1.2 计算机网络的组成
（1）计算机网络的组成可以分为如下几类
1. 从组成部分上，可分为：硬件、软件、协议
2. 从工作方式上，可分为：边缘部分、核心部分。边缘部分进行通信和资源共享，核心部分为边缘部分提供连通性和交换服务。
3. 从功能组成上，可分为：通信子网、资源子网。通信子网指下三层，资源子网指上三层。
1.3 计算机网络的性能
（1）计算机网络的7个性能指标
1. 带宽：网络的通信线路所能传送数据的能力。带宽指的是信道的“最高数据传输速率”。
2. 时延：数据从网络的一端传送到另一端所需要的总时间。时延包括发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。
【公式】发送时延 = 数据长度/带宽
【公式】传播时延 = 距离/速率
3. 时延带宽积：以比特为单位的链路长度。指发送端发送的第一个比特到达终点时，发送端在这段时间发出了多少比特。
【公式】时延带宽积 = 传播时延*带宽
4. 往返时间：简称RTT，从发送端发出第一个短分组，到收到来自接收端的确认，总共经历的时间。
5. 吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量。
【公式】吞吐量 = 并发数/平均响应时间；吞吐量 = 请求总数/总时长
6. 速率：主机在数字信道上发送数据的能力。
7. 信道利用率：某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的。
【公式】信道利用率 = 发送数据的时间/总时间
1.4 计算机网络的体系结构
我们把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。
1. 协议：协议三要素是语法、语义、同步。协议是水平的。
2. 接口：同一结点相邻两层的实体通过服务访问点SAP进行交互。
3. 服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。
❤️OSI七层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
❤️TCP/IP四层结构：网络接口层、网际层、传输层、应用层。
2.物理层
2.1 物理层的基本概念及主要任务
（1）物理层基本概念
物理层的传输单位是比特，功能是透明的传输比特流。
（2）物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性
1. 机械特性：接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
2. 电气特性：电压的范围。
3. 功能特性：电压表示的意义。
4. 规程特性：事件出现的顺序。
2.2 数据通信的基础知识
（1）基本概念
1. 码元：指用一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字。
2. 一个数据通信系统主要划分为：信源、信道、信宿三个部分。
3. 码元传输速率（波特率）：单位时间内传输的码元个数。
4. 信息传输速率（比特率）：单位时间内传输的二进制码元个数。
5. 信道不等于电路，一条可双向通信的信道往往包含两个信道。
6. 利用模拟信道传输数字信号的方法：频带传输。
（2）奈氏准则
1. 定理：在没有噪声、带宽有限的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特。
2. 【公式】极限数据传输速率 = 2Wlog2V
3. 结论：奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制。所以要提高数据传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量。
（3）香农定理
1. 定理：给出了带宽受限且有噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当低于此速率时，可以做到不产生误差。
2. 【公式】极限数据传输速率 = Wlog2(1+S/N)
3. 结论：只要信息传输速率低于极限信息传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输。
❤️【重点】奈氏准则和香农定理的计算
（4）编码与调制
1. 以太网使用的编码方式是曼彻斯特编码。
2. 基本的数字调制方法有：调频、调幅、调相、正交振幅调制QAM（调幅+调相）。
3. 对音频信号（模拟数据）进行编码的脉冲编码调制PCM，主要包括三个步骤：采样、量化、编码。采样频率必须大于等于最大频率的两倍。
（5）电路交换、报文交换与分组交换
1. 电路交换的缺点是无法纠正传输过程中的数据差错。
2. 电路交换是传输时延最小的交换方式。
3. 分组交换对报文交换的主要改进是减少了传输时延。
4. 分组交换分为数据报方式和虚电路方式。
5. 在出错率很高的传输系统中，选用数据报方式分组交换更合适。
2.3 计算机网络的拓扑结构及传输媒体
（1）网络拓扑结构
1. 计算机网络的拓扑结构主要取决于它的通信子网。
2. 广域网的拓扑结构通常采用网状结构。
3. 在n个结点的星型拓扑中，有 n-1 条物理链路。
（2）传输媒体
1. 双绞线绞合的目的是减少干扰。
2. 利用一根同轴电缆互连主机构成以太网，主机间的通信方式为半双工。
3. 同轴电缆比双绞线的传输速率更快，得益于同轴电缆有更高的屏蔽线，同时有更好的抗噪声性。
4. 光纤不受电磁干扰和噪声影响。
5. 卫星通信的好处在于不受气候的影响，误码率很低。缺点是保密性差、时延长。
2.4 信道复用技术（信道划分介质访问控制-静态划分信道）
1. 频分多路复用FDM
2. 时分多路复用TDM
3. 统计时分多路复用STDM
4. 波分多路复用WDM
5. 码分多路复用CDM / 码分多址CDMA
❤️【重点】整个站点的码片序列相互正交，做规格化内积。
3.数据链路层
3.1 数据链路层的基本概念：数据链路层的基本信道类型和链路层协议要解决的基本问题
📮数据链路层使用的信道：点对点信道和广播式信道。
📮数据链路层要解决的基本问题是加强物理层传输比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。
📮数据链路层的功能：
（1）为网络层提供服务
有连接有确认、无连接有确认、无连接无确认。（有连接就一定要确认）
（2）链路管理
链路管理指的是连接的建立、维持和释放过程。
（3）帧定界、帧同步、透明传输
1）帧定界指的是在数据的前后增加首部和尾部，确定帧的开始和结束。
2）帧同步指的是接收方应能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止。
3）透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，能应当能在链路上传达。
这三个问题通过封装成帧解决，封装成帧的目的是为了在出错时只重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高效率。
组帧的方法：
1）字符计数法：在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。
2）字符填充的首尾定界符法：控制字符SOH表示帧的开始，控制字符EOT表示帧的结束，转义字符ESC区分特殊字符。
3）零比特填充的首尾标志法：遇到5个连续的1就自动在后面插入一个0，零比特填充法很容易由硬件实现，性能优于字符填充法。
4）违规编码法：采用没有赋予意义的数据方式来表示开始和结束。比如曼彻斯特编码只赋予了“低高”表示0，“高低”表示1，可以用“低低”和“高高”。这种方法只适合采用冗余编码的特殊编码环境。
（4）流量控制
流量控制是限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力。
流量控制的常见方式有：停止-等待协议、滑动窗口协议。
可靠传输机制包括：确认、超时重传。
自动重传ARQ分为：停止等待、后退N帧、选择重传。
停止等待：发送窗口1，接收窗口1。
后退N帧：发送窗口n，接收窗口1。采用n比特对帧编号，最大=2n-1。
选择重传：发送窗口n，接收窗口n。采用n比特对帧编号，最大=2n-1。
【公式】信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送速率
（5）差错控制
差错控制是使发送方确定接收方是否正确收到其发送的数据的方法。
位错指帧中某些位出现了差错。通过循环冗余校验CRC发现位错，通过自动重传请求ARQ重传出错的帧。
帧错指帧的丢失、重复、失序。引入定时器和编号机制。
通常利用编码技术进行差错控制，主要有两类：自动重传请求ARQ和前向纠错FEC。
在ARQ方式中，接收端检测到差错，就设法通知发送端，直到接收到正确的数据为止。
检错编码：
1）奇偶校验码：由n-1位信息元和1位校验元组成，如果是奇数校验，附加1位校验元之后为奇数；偶数校验，附加1位校验元之后是偶数。它只能检测奇数位错。
2）循环冗余码CRC：也叫多项式编码，生成一个帧检验序列FCS，计算看有无出错。CRC具有纠错功能，但链路层不使用。
❤️【重点】CRC的计算
纠错编码：
1）海明码：设n为信息位数，k为校验位数，则n+k <= 2k-1，检错d位需要d+1位，纠错d位需要2d+1位。
（6）介质访问控制MAC子层
介质访问控制的内容是，采取一定的措施，使得两对结点之间的通信不会发生互相干扰的情况。
信道划分介质访问控制：多路复用技术，在一条介质上同时携带多个传输信号的方法。见第二章。
随机访问介质访问控制：
1）纯ALOHA协议：需要发送数据，就直接发，收不到确认就认为冲突了，重发。
2）时隙ALOHA协议：将时间划分为一段段等长的时隙，规定只能在每个时隙开始时发送一个帧。
3）1-坚持CSMA：侦听信道，空闲的话就发出。忙的话就等待空闲。
4）非坚持CSMA：侦听信道，空闲的话就发出。忙的话就放弃，等待一个随机时间再侦听。
5）p-坚持CSMA：侦听信道，忙的话就继续侦听，空闲的话就以概率p发送数据。
6）CSMA/CD 载波侦听多路访问/碰撞检测：先听先发，边听边发，冲突停发，随机重发。采用CSMA/CD协议的以太网一定是半双工通信。
【公式】最小帧长 = 总传播时延 * 数据传输速率 * 2。以太网最小帧长是64B。
❤️有关最小帧长的计算题
【概念】争用期：端到端时延的两倍。以太网规定51.2微秒是争用期的长度。
【算法】二进制指数退避：重传参数k不超过10，退避时间是（0-2k-1）重传达16次仍然不能成功就放弃。
7）CSMA/CA载波侦听多路访问/碰撞避免：尽量降低碰撞发生的概率。
隐蔽站问题：A和B都在AP的范围内，但A和B彼此听不到对方。
暴露站问题：A和C都在B的范围内，D在范围外，其实A给B发送和C给D发生并不冲突。
帧间间隔：SIFS（最短）、PIFS（中等）、DIFS（最长）
【重点】解决隐蔽站问题：RTS帧和CTS帧。
CTS帧的两个目的：给源站明确的发送许可；指示其他站点在预约期内不要发送。
8）轮询访问：令牌传递协议：只有拿到令牌的站点才能发送。
【笔记】
1）数据链路层不必考虑为终端结点隐蔽物理传输的细节，这是物理层负责的内容。
2）为了避免帧丢失，采用的方法是计时器超时重发。
3）通过提高信噪比可以减弱其影响的是随机差错。热噪声是信道固有的，引起的是随机差错，可以提高信噪比去减弱它。冲击噪声是突发差错，无法减弱。
4）使用多项式编码，发送端和接收端必须预先商定一个生成多项式。
5）为了使信道利用率最高，要用最短帧长来计算。
6）TDM所用传输介质的特性是介质的位速率大于单个信号的位速率。
7）多路复用器的主要功能是结合来自两条或更多条线路的传输。
3.2 使用点对点信道的数据链路层：点对点协议 PPP
1. 广域网数据链路层的常用协议是PPP协议和HDLC协议。
2. 局域网强调数据传输，广域网强调资源共享。
3. PPP协议有三个组成部分：链路控制协议LCP、网络控制协议NCP、将ip数据报封装到串行链路的方法。
❤️4. PPP帧格式
5. PPP协议是面向字节的，HDLC协议是面向比特的。
【笔记】
1. 广域网所采用的传输方式是存储转发式。
2. PPP协议，具有差错控制能力、支持动态分配ip地址、支持身份验证、可以支持多种协议（SLIP只支持ip协议）
3. HDLC操作方法中，传输过程只能由主站启动的是正常响应模式。
4. HDLC帧分为三种：无编号帧U、信息帧I、监督帧S
3.3 使用广播信道的数据链路层：局域网
1. 局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式（最重要）。
2. 三种特殊的局域网拓扑实现：
（1）以太网（使用范围最广的局域网）：物理星型，逻辑总线。
（2）令牌环（IEEE 802.5）：物理星型，逻辑环形。
（3）FDDI（光纤分布数字接口，802.8）：物理双环，逻辑环形。
3. IEEE 802标准定义，将数据链路层拆分为两个子层：
（1）媒体介入控制MAC子层：封装成帧、透明传输、差错检测
（2）逻辑链路控制LLC子层：连接问题、加序号
4. 网卡最重要的功能是进行数据的串并转换。
❤️5. 以太网帧格式
6. 无线局域网
802.11帧共有三种类型：数据帧、控制帧、管理帧
3.4 以太网在不同层上的扩展及虚拟局域网
在物理层扩展以太网：集线器
在链路层扩展以太网：交换机
虚拟局域网VLAN：每个vlan是一个较小的广播域。
❤️802.1q帧格式：插入了4字节的vlan tag
【笔记】
1. 以太网为了简化通信：无连接；不编号，也不要求确认。
2. 以太网采用基带传输，中继器可以加强基带信号（数字信号）。放大器可以加强宽带信号（模拟信号）。
3. 同一局域网中的两个设备具有相同的MAC地址时，二者都不能正常通信。
4. IEEE 802.3规定，无中继的情况下，同轴电缆的最长距离为粗缆500m，细缆185m。
5. 给帧加序号的功能层次是逻辑链路控制LLC子层。
6. 无线局域网不使用CSMA/CD而使用CSMA/CA的原因是，无线局域网不需要在发送过程中进行冲突检测。
7. 千兆以太网物理层有两个标准，使用光纤或者4对5类线。
8. vlan中的计算机可以处于不同的局域网中。
9. 划分vlan的方式：基于端口、基于mac、基于ip
10. 链路聚合是交换机的问题，与vlan无关。
11. 快速以太网使用的导向传输介质是双绞线。
3.5 物理层设备（中继器、集线器）与数据链路层设备（以太网交换机）原理及特点
1. 物理层设备 - 中继器
功能是再生数字信号。4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，“543”规则。
2. 物理层设备 - 集线器
集线器本质上是一个多端口的中继器。
3. 数据链路层设备 - 网桥
以太网通过网桥连接，隔离冲突域。
4. 数据链路层设备 - 交换机
交换机本质上是一个多端口的网桥。
交换机的两种交换模式：
（1）直通式交换机。只检查目的地址，速度快，但不智能不安全。
（2）存储转发式交换机。先缓存检查正确，再转发出去，可靠性高，但延迟大。
交换机的自学习功能：A向B发送一帧，从接口1进入交换机，交换机查表查不到，把这个帧的源mac和接口1的对应关系写入交换表，然后将这个帧广播给除1外的所有接口。收到是发给自己的就单播回去。
【笔记】
1. 交换机比集线器能提供更好的网络性能的原因是交换机支持多对用户同时通信。
2. 24个10M口的半双工交换机，每个连接点可以获得10M，总共可以获得120M。
4.网络层
4.1 网络层的基本概念：虚电路服务与数据报服务，虚拟互连概念
📮网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
📮网络互联是指将两个以上的计算机网络，通过一定的方法，用一些中间设备相互连接起来，以构成更大的网络系统。
📮虚拟互联网络：由于参加互连的计算机网络都使用相同的网际协议IP，因此可以把互连以后的计算机网络看出一个虚拟互连网络。当互联网上 的主机进行通信时，就好像在一个单个网络上通信一样，而看不见互联的各网络的具体异构细节。
📮路由器的两个主要功能：路由选择和分组转发。路由表是根据路由算法得出的，转发表是根据路由表得出的。转发表的结构应当使查找过程最优化，路由表则需要对网络拓扑的变化最优化。
📮网络层拥塞控制：
（1）拥塞指的是在通信子网中，因出现过量的分组而引起的网络性能下降的现象。
（2）判断拥塞的方法：观察网络的吞吐量与网络负载的关系，如果随着网络负载的增加，网络的吞吐量明显小于正常的吞吐量，就是发生了拥塞。
（3）拥塞控制的作用是确保子网能够承载所达到的流量，这是一个全局性的过程。
（4）拥塞控制的方法：开环控制（静态的，事先考虑，中途再不修改，这种方法在做决定时不考虑当前网络状态），闭环控制（动态，给予反馈）
【笔记】
1. 在路由器互联的多个局域网的结构中，要求每个局域网，物理层、链路层、网络层协议可以不同，网络层以上的协议必须相同。
4.2 IPv4 地址编址方式：
① 分类的 IP 地址
A类地址：0xx（1到126）
B类地址：10xx（128到191）
C类地址：110xx（192到223）
D类地址：1110xx（224到239）：多播地址
E类地址：1111xx（240到255）：保留地址
② 无分类编址 CIDR
CIDR是在变长子网掩码的基础上提出的一种消除传统A、B、C类网络划分，并且可以在软件的支持下实现超网构造的一种ip地址的划分方法。
最长前缀匹配原则：从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由，因为网络前缀越长，其地址块就越小，路由就越具体。
③ 网络地址转换NAT
私有地址：
10.0.0.0～10.255.255.255
172.16.0.0～172.31.255.255
192.168.0.0～192.168.255.255
4.3 互联网的路由选择协议：
① 路由算法概念
② 路由选择协议分类：静态路由与动态路由、内部网关协议与外部网关协议
③ RIP 协议
④ OSPF 协议
⑤ BGP 协议
4.4 路由表的基本概念和形式：与不同网络编址方式和路由协议对应下的路由表
4.5 网络层的分组转发
📮 路由器的分组转发算法：
（1）从收到的数据包首部提取目的地址。
（2）若查表找到了，就按照路由的下一跳进行转发。将子网掩码与目的地址按位与运算，得到的结果与网段相同就转发。
（3）若转发表中有一个默认路由，就把分组传递给默认路由。
（4）否则，报告转发分组出错。
4.6 IP 数据报格式
4.7 网络层配套协议：基本作用、与 IP 协议关系及其应用
① ARP 协议
（1） ARP地址解析协议：完成ip地址到mac地址的映射。
（2）ARP工作原理：当主机A想要向主机B发送数据包时，先查看其ARP缓存中有没有主机B的ip地址，如果有的话，就可以查出对应的mac地址，然后直接发送。如果没有缓存，主机A就发送一个目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧来广播ARP请求分组，同一个局域网内的所有主机都收到此ARP请求。主机B收到该ARP请求后，就向主机A单播ARP响应分组，主机A收到后将映射关系写入ARP缓存，然后按照查到的地址发送数据包。
② ICMP 协议
（1）ICMP网际控制报文协议：让主机或路由器报告差错和异常情况。
（2）ICMP报文分为两种：ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。
差错报告5类：终点不可达、源点抑制、超时、参数问题、重定向
询问报文4种：回送请求和回答、时间戳请求和回答、地址掩码请求和回答、路由器询问和通告
③ DHCP协议
（1）DHCP动态主机配置协议：给主机动态的分配ip地址，实现即插即用。
（2）DHCP工作原理：需要ip地址的主机在启动时就会向DHCP服务器广播发送发现报文，本局域网所有主机都能收到，但只有DHCP服务器才会回答此报文，DHCP服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息，如果找不到的话就从服务器的ip地址池拿一个，分配给该计算机。
（3）DHCP工作流程：客户机广播“DHCP发现”，服务器广播“DHCP提供”，客户机广播“DHCP请求”，服务器广播“DHCP确认”。
【笔记】
1. 把ip网络划分成子网，这样做的好处是减少广播域的大小。
2. ping使用了ICMP的询问报文中的回送请求和回答报文。
3. IP的协议字段，6表示TCP，17表示UDP。
4.8 IPv6
4.9 路由器的构成及基本原理
5.传输层
5.1 传输层协议概述
5.2 用户数据报协议 UDP
5.3 传输控制协议 TCP 概述
5.4 TCP 的基本工作原理：
① 可靠传输原理：滑动窗口机制、超时重传时间的选择
② 连接管理原理：连接建立与连接释放
③ 流量控制原理：利用滑动窗口实现流量控制
④ 拥塞控制原理
⑤ TCP 报文段格式
6.应用层
6.1 域名系统 DNS
6.2 文件传送协议 FTP