计算机网络（谢希仁版）复习材料-完全

前言

由于时间紧迫性，不再详细总结，仅选择重点部分进行总结，等考完试后如果有时间，再次进行重写、补充。
参考：知乎青菜56
重点三、四、五

第一章 概述

纲领

重点

1. 计算机网络的概念和分类
2. 计算机网络两种通信方式（C/S、P2P）
3. 互联网的组成、分组交换技术的要点、优点
4. 协议的概念、三要素
5. 网络的主要性能指标的含义、计算及相关应用（带宽、时延、往返时延、利用率等）
6. 体系结构的概念、标准，OSI和TCP/IP的层次模型

计算机网络的作用

21时代特征

21世纪特征：数字化、网络化和信息化，是一个以网络为核心的时代。

三网融合

三网就是电信网络、有线电视网络和计算机网络。

计算机网络的定义

将地理位置不同并且具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和通信线路连接起来，在网络软件的支持下实现彼此之间的数据通信和资源共享的系统，称之为计算机网络。
互连的手段：在各种各样的协议(Protocol)支持下进行工作
被操作对象：一些独立自主的计算机系统

计算机网络的基本特点

连通性、共享

互联网¹概述

互联网（网络的网络）

网络把许多计算机连接在一起。互连网则把许多网络连接在一起。

结点：可以是计算机、集线器、交货机或路由器

互联网发展的三个阶段

1. ARPANET到互联网
2. 三级结构（主干网、地区网、校园网）
3. 多层次ISP结构（中国四大ISP：联通、电信、移动、教育网）
   

互联网的组成

边缘部分

由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

通信方式 C/S方式

客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。是进程之间服务和被服务的关系。

客户端：被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。
服务端：系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。

通信方式 P2P方式

对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。

平等的、对等连接通信。从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

核心部分

由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。在核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能.

电路交换（电话网）

1. 交换的含义
   交换”(switching)的含义就是转接 —— 把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来，从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
2. 电路交换三阶段
   建立连接、通信、释放
3. 缺点
   传输计算机数据效率低

分组交换（计算机网络）

1. 定义
   分组交换采用”存储转发“技术
   我们把要发送的整块数据称为一个报文（message）,分组交换先把报文划分成小段的等长的数据段，再在每一个数据端前面加上由必要控制信息组成的首部（header），就构成了分组（packet）。分组又叫做包，首部又叫做包头，首部记录了诸如目的地址和源地址等重要的控制信息
2. 流程
   划分数据段、添加首部、传输接受、去首部、还原报文
3. 优点
   高效、灵活、迅速、可靠
4. 缺点
   分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延，分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

报文交换（电报系统）

1. 定义
   在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)，以整个报文为单位，但由于人工处理转发时延太长，现在已经少有人使用了。

三者对比

若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

计算机网络的类别

计算机网络的定义

没有统一的定义，比较好的定义有：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

几种不同类别的网络

1. 按网络的作用范围进行分类
   广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
   城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
   局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
   个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。

若中央处理机之间的距离非常近（如仅 1 米的数量级甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络。

2. 按网络的使用者分类
   公用网、专用网
3. 接入网
   接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网，是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络，既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分，从覆盖范围上看还是属于局域网，从作用上看，是让用户能与互联网连接的桥梁。

计算机网络的性能

计算机网络的性能指标

1. 速率（额定速率）

2. 带宽
   在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中某信道所能通过的最高数据率

3. 吞吐量
   单位时间内通过某个网络（接口/信道）的实际数据量，受带宽和速率限制。

4. 时延
   时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
   发送时延 = 数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）
   传播时延 =信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）
   处理时延：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间
   排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延，长短取决于网络当前通信量。

5. 时延带宽积
   代表信道能容纳多少个比特
   

6. 往返时间RTT
   表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

7. 信道利用率
   信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的，信道（网络）利用率并非越高越好。
   网络利用率：是全网络的信道利用率的加权平均值
   

计算机网络的非性能指标

费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理和维护

计算机网络体系结构

引入

计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构是计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。

协议与划分层次

协议定义

计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（时序），这些为进行网络中交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议,简称协议。

网络协议的要素

1. 语法
   数据与控制信息的结构或格式
2. 语义
   需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
3. 同步
   事件实现顺序的详细说明

三种体系结构

OSI七层体系结构虽然概念清楚体系完善，但是比较复杂而且不实用，TCP/IP的网络接口层没有具体内容，因此我们在学习计算机网络体系结构时采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。

五层体系结构

1. 应用层
   通过应用进程间的交互来完成特定网络应用,应用层的协议指进程间的交互规则，常间的应用层协议有HTTP协议，FTP协议、域名系统DNS、SMTP协议等。
2. 运输层
   负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。运输层主要有传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）——提供面向连接的可靠的数据传输服务（传输单位为报文段segment）、用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)——提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务（不保证数据的可靠性，单位为用户数据报）。
3. 网络层
   负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，网络层把运输层产生的报文段和用户数据报封装成分组或包进行传送，通常采用IP协议，因此封装的分组也叫IP数据包。网际协议IP把大量的异构（heterogeneous）网络互联起来。
4. 数据链路层
   把网络层传送过来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧（frame），每帧数据和必要的控制信息（同步时序、地址信息、差错检验）
5. 物理层
   物理层的作用就是透明地传送比特流。在物理层上所传数据的单位是比特。传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，并不在物理层之内，而是在物理层的下面。
   

实体、协议、服务和服务访问点

实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
实现本层协议，还需要使用服务原语获得下层所提供的服务。
协议是水平的，而服务是垂直的
协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。
同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。

网络设备在层次模型中所处的位置

物理层——中继器，在电缆之间逐个复制二进制数
链路层——桥连器，在LAN之间存储和转发帧
网络层——路由器，在不同的网络之间进行很转发分组。在Internet中把路由器称作网关。
在三层以上工作——协议转化器，实现不同协议的转化。

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第二章 物理层

纲领

重点

1. 物理层接口的基本特性
2. 香农公式，信道中的极限信息传输速率和带宽及信噪比的关系
3. 物理传输介质的分类（引导、非引导）及引导型传输介质的特性。
4. 通信的三种基本方式（单向、双向交替、双向同时）
5. 信道复用技术的种类及其主要特征（FDM、TDM、WDM、CDMA）
6. CDMA的简单应用

物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)

物理层接口的基本特性

机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信的基础知识

数据通信系统的一半模型

数据通信系统的组成部分

源点（信源）：产生数据，如从键盘输入，产生数字比特流。
发送器：对数字比特流进行编码，如调制器。
接收器：设备的功能与发送设备相反，它从接收信号中恢复出原始信号。如解调器。
终点（信宿）：从接收器获取数字比特流，将复原的原始信号转换成相应的数据。

常用术语

消息(message)：如语音、文字、图像、视频等
数据(data)：运送信息的实体。
信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。
模拟 (analogous)信号：连续变化的。
数字 (digital)信号：取值是离散数值。
码元：固定时长的信号波形，是数字信号的计量单位。
调制：把数字信号转换为模拟信号的过程。
解调：把模拟信号转换为数字信号的过程。

有关信道的几个概念

信道：一般表示向某一方向传送信息的媒体。
电路：一条电路往往包含一条发送信道和一条接受信道。
信息交互的三种基本方式：单向通信（单工通信）、双向交替通信（半双工通信）、双向同时通信（全双工通信）
信号：基带信号（即基本频带信号）、带通信号
调制：基带调制、带通调制
常用编码方式：不归零制、归零制、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重

限制码元在信道上传输速率的因素

信道能够通过的频率范围、信噪比

物理层下面的传输媒体

引导型传输媒体

双绞线、同轴电缆、光缆

非引导型传输媒体（自由空间）

短波、微波

信道复用技术

复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念，它允许用户使用一个共享信道通信。

频分复用（FDM）

是按频率分割多路信号的方法,即将信道的可用频带分成若干互不交叠的频段,每路信号占据其中的一个频段。在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。

时分复用（TDM）

是将传输时间划分为若干个互不重叠的时隙，互相独立的多路信号顺序地占用各自的时隙，合路成为一个信号，在同一信道中传输。在接收端按同样规律把它们分开。

统计时分复用（Statistic TDM）

STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

波分复用（WDM）

波分复用就是光的频分复用。

码分复用（CDM）

码分多址CDMA (Code Division Multiple Access),各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

原理

1. 在CDMA中，每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或者128，为简单假设m=8。
2. 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
   如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
   如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
3. 每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须相互正交。

令向量 S 表示站 S 的码片向量，T 表示其他任何站的码片向量，长度为 m 个bit。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

流程

1. S站向外发送码片。
2. 目标T站收到混合码片（可能有其他的站也发送了）。
3. 用收到的码片序列与S的码片序列求规格化内积，如果结果是1，则S发送的是1，反之，S发送的是0.

数字传输系统

旧的数字传输系统存在：速率标准不统一、不是同步传输等缺点，美国在1988年推出第一个数字化传输标准同步光纤网 SONET （Synchronous Optical Network）ITU-I又根据美国标准制定了同步数字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy），使得美国、日本、欧洲在STM-1（上面两个标准一个级别）上得到统一，实现了数字传输体系上的世界标准。

宽带接入技术

非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
光纤同轴混合网（HFC网）
FTTx技术

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第三章 数据链路层

本章中数据链路层协议都是不可靠传输的协议，数据链路层协议使用确认和重传机制可以向上层提供可靠传输服务

纲领

重点

1. 数据链路层的三个基本问题
2. 点对点协议PPP及其透明传输的实现（同步传输）
3. 差错检测技术（CRC）
4. 局域网的拓扑类型、特点等
5. CSMA/CD协议的工作过程，及征用期、最短帧长等概念和应用
6. 以太网的MAC地址及帧格式中各字段的作用

使用点对点信道的数据链路层

数据链路和帧

链路 (link) 是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点（是通路的一个组成部分）。
数据链路(data link) ：物理线路+硬软件（实现通信协议，一般是网卡）。
帧: 点对点信道的数据链路层的协议数据单元。

三个基本问题

1. 封装成帧
   封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。
   首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
   数据部分长度有上限MTU（最大传送单元）
   
2. 透明传输
   

发送端在EOT前面填充转义字符ESC，以防错误定界，接收方传给网络层时删除转义

3. 差错检测
   传输的过程中0可能变1，1变0，产生比特差错，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)，误码率与信噪比有很大关系。为了保证数据传输的可靠性，目前广泛使用了循环冗余检验CRC 的检错技术。

循环冗余检验CRC

原理

假定要发送的数据M为k 个比特。
在发送端，根据这k 个比特计算出n 位冗余码，并将这(k+n)位构成帧一起发送出去。
在接收端，对收到的每一帧进行 CRC 检验.

冗余码的计算

点对点协议PPP

ppp协议应满足的需求

简单 —— 首要的要求。
封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。
透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。
多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。
多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。
差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。
网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。
ppp协议不需要进行纠错、设置帧序号、流量控制、多点线路（一个主站轮流和多个从站交流），半双工和单工链路等功能。以上功能，都是为了可靠传输。TCP/IP协议中负责可靠传输的是由更高层的TCP协议，所以，PPP不需要这些功能，更简练。

ppp协议的组成

一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)，用来建立、配置和测试数据链路链接。
网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)，用来支持不同的网络层协议。

ppp协议的帧格式

透明传输问题

1. 字节填充
   
2. 比特填充
   

ppp不同共序号和确认的可靠传输的原因

1、链路层出错概率不大 2、数据链路层可靠不能保证网络层也是可靠的 3、FCS可以保证无差错接受

PPP协议工作状态

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

局域网主要的特点

1、网络为一个单位所拥有 2、地理范围和数量有限

局域网的主要优点

具有广播功能，局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变 。
提高了系统的可靠性、可用性和残存性

局域网拓扑

信道共享

多个设备在共享信道同时发送数据，会造成彼此干扰，导致发送失败。共享信道着重考虑的问题是如何使得一个用户合理而方便地共享通信资源。

静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用
动态媒体接入控制 随机接入 受控接入（多点线路探询（polling），轮询）

适配器的作用

网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”
进行串行/并行转换。
对数据进行缓存。
在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
实现以太网协议。

组成：处理器、储存器（RAM和ROM，MAC地址固化在ROM中）

CSMA/CD协议

CSMA/CD含义：载波监听多点接入/碰撞检测（carrier sense multiple access with collision detection）

工作流程

争用期

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 $2\tau$ （端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 $2\tau$ 称为争用期，或碰撞窗口。

截断二进制指数退避算法

争用期的长度

以太网规定51.2 us 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。以太网上最大端到端的单程时延必须小于争用期的一半，所以以太网最大端到端长度为5km。
以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。
当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

以太网信道利用率

多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到 100%

以太网的MAC层

MAC地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC地址（在MAC 帧中），固化在适配器的ROM中。

网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.
单播(unicast)帧（一对一），地址相同
n 广播(broadcast)帧（一对全体），全1地址
n 多播(multicast)帧（一对部分）

MAC 帧格式

帧间最小间隔

帧间最小间隔为 9.6 us，相当于 96 bit 的发送时间。
一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6 us 才能再次发送数据。
这样做是为了使刚刚收到数据帧的站来得及清理接收缓存，做好接收下一帧的准备。

扩展的以太网

在物理层扩展以太网

用光纤扩展主机到集线器的距离

用多个集线器连成更大的以太网

优点：使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信，扩大了以太网覆盖的地理范围。

缺点：碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高，如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

在数据链路层扩展以太网

网桥：网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤，当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。

路由器：交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。实质上是多接口的网桥，工作在全双工方式，具有并行性。优点：独占带宽、易于升级、方便混入

虚拟局域网

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。由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

高速以太网

速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。
100BASE以太网
吉比特以太网
10 吉比特以太网
使用以太网进行宽带接入

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第四章 网络层

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第五章 运输层

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第六章 应用层

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1. 以小写字母i开始的internet（互连网）是通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的，以大写字母I开始的Internet（互联网）是专用名词，它指全球最大的、开放的、由众多网络互连而成的特定互连网，采用TCP/IP协议族作为通信规则，前身是ARPANET。 ↩︎