计算机网络 —— 期末复习笔记

计算机网络

第一章 概述

internet和Internet，www的区别

internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。在这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以任意选择，不一定非要使用TCP/IP协议。

Internet（互联网）是一个专用名词，它指当前全球最大的，开放的，由众多网络相互连接而成的特定互联网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

www（万维网）是无数个网络站点和网页的集合，它们在一起构成了因特网最主要的部分。它实际上是多媒体的集合，是由超级链接连接而成的。我们通常通过网络浏览器上网观看的，就是万维网的内容。

电路交换 分组交换 报文交换

电路交换 在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径，该路径可能会经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。因此，电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。

电路交换的优点：
1.通信时延小。由于通信线路为通信双方专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。
2.有序传输。双方通信时按发送数据的顺序传送数据，不存在失序的问题。
3.没有冲突。
4.适用范围广：电路交换既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号。

电路交换的缺点：
1.建立连接时间长。
2.线路独占。使用效率低。
3.灵活性差。只要在通信双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接。

电路建立后，除源结点和目的结点外，电路上的任何结点都采取“直通方式”接收数据和发送数据，不会存在存储转发所耗费的时间。

**报文交换 ** 数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文在交换结点采用的是存储转发的传输方式。

报文交换的优点：
1.无须建立连接。

2.动态分配线路。当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，任何选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去。
3.提高线路的可靠性。当某条线路发生故障时，可选择另一条路径传输数据。
4.提高线路利用率。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理线路。

报文交换的缺点：
1.由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延。
2.报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点有较大的缓存空间。

分组交换 也采用存储转发的方式，但是解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送的数据块的大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些控制信息，组成分组。网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点接收到分组后，暂时保存并等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。

分组交换的优点：
1.无建立时延。
2.线路利用率高。
3.简化了存储管理。因为分组长度固定，相应的缓冲区大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
4.加速传输。分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行。
5.减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短，出错概率也相应减少，所以每次重发的数据量也大大减少。

分组交换的缺点：
1.存在传输时延。
2.需要传输额外的信息量。每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息，从而构成分组一定程度上降低了通信效率。
3.当分组交换数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组进行按编号进行排序等工作。

根据覆盖范围计算机网络可以分为

广域网WAN 作用范围通常为几十到几千公里，广域网是互联网的核心部分，其任务是长距离运输主机所发送的数据。连接广域网各节点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。

城域网MAN 作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至几个城市，其作用距离约为5~50km，它可以是一个公共设备，用来将多个局域网进行互连，目前很多城域网采用的是以太网技术，因此有时也需要并到局域网的范围进行讨论。

局域网LAN 一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，作用范围1km左右。

个人局域网PAN 就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，因此也称为无限个人局域网，作用范围在10m左右。

计算机网络性能，性能指标

计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标，以及一些非性能特征也对计算机网络的性能有很大的影响。

计算机的性能指标

1.速率 数据的传送速率 也称为比特率 比特指的是一个二进制数字 此速率一般指的是额定速率或者标称速率 并非实际上运行的速率‘

2.带宽

1. 指某个信号具有的频带宽度 表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽
2. 在计算机网络中，用来表示网络中某信道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的：最高数据率

3.吞吐量 单位时间内通过某个网络的实际数据量 经常用于对现实生活中的网络测量。以便知道实际有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络带宽以及额定速率的限制。

4.时延 是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延是个很重要的性能指标。

5.发送时延 发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。也叫传输时延 （发生在机器内部的发送器上）

发送时延 = 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）

• 传播时延 是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。（传播距离越远 传播时延越大）

传播时延 = 信道长度（m）/ 电磁波在信道上的传输速率（m/s）

• 处理时延 主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间处理 就会产生处理时延 （例如分析分组的首部，从分组中提取数据部分，进行差错检验或者查找转发表等）

• 排对时延 分组在经过网络传输时，要经过许多路由器，但分组在进入路由器后要先在输入队列中排对等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要再输出队列中排对等待转发所产生的时延。

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

6.时延带宽积 传播时延和带宽之积

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

7.往返时间RTT 在许多情况下，互联网上的信息不仅仅时单方向传输的而是双向交互的。因此，我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间

发送时间 = 数据长度 / 发送速率

有效数据率 = 数据长度 / （发送时间 + RTT）

8.利用率 信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延。

非性能特征

费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和升级性 易于管理和维护

体系结构的概念 （分层 协议）

分层 就是将庞大的问题转化为许多较小的问题

体系结构 就是按照分层的方法制定的。计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精准定义 体系结构时抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

协议 为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或者约定 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。

协议的三要素

语法： 即数据与控制信息的结构或格式

语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应

同步：即事件实现顺序的详细说明

五层模型以及每一层的作用 数据传输过程 以及传输单元

应用层 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。这里的进程是指主机中正在运行的程序。对于不同的网络应用需要有不同的应用层协议。互联网中的应用层协议有很多，如域名DNS，支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议。应用层交互的数据单元称为报文。

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。应用进程利用该服务传送应用层报文。

运输层主要使用以下两种协议：

传输控制协议TCP 提供面向连接的，可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段

用户数据报协议UDP 提供无连接的尽最大努力的数据传输服务（不包括数据传输的可靠性），其数据传输的单位是用户数据报。

网络层 负责将分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫作IP数据报。

网络层的任务有两个 一是通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上生成一个用来转发分组的转发表 第二是在每个路由器接收到分组时，按照转发表中的路径进行转发。

互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫作网际层或IP层。

数据链路层 两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层的协议。在两个相邻节点间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息。

**物理层 ** 实现比特传输 负责将两台计算机连起来，然后在计算机之间通过电平传输电信号

实体，协议，服务，服务访问点

实体：任何可以发送或接受信息的硬件或软件进程。

协议：两个对等实体进行通信的规则集合

服务：在协议的控制下，两个对等实体间通信使得本层能够向上层提供服务 要实现本层协议还需要使用下层服务

服务访问点：相邻的两层实体交换信息的地方

第二章 物理层

基本概念，功能，作用，四大特性含义，机械继承规格

基本概念：在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

尽可能屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异使得比特流正常传输

作用：确定与传输媒体的接口有关的一些特性

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列等

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

两个公式，准则+公式 带宽 传输速率的影响因素

香农公式 计算信道的极限信息传输速率C （限制比特率上限）限制信息传输速率

​ $C=Wlo{g}_2(1+S/N)$

W是信道的带宽（以HZ为单位），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率

信道带宽或信道内的信噪比越大 信道的极限信息传输速率越高

信噪比 $ 10 log_{10}(S/N) $

奈氏准则 在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud W是信道的带宽，单位是Hz （限制码原传输速率上限）

$理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlo{g}_{2}V(b/s)$

V代表有几种码元/码元的离散电平数目 也就是 几种信号 如果信号有四种波形及V是四

复用技术

频分复用 FDM

有N路信号在一条道路上传输，可以使用调制方法将各路信号分别搬移至适当的频率位置，使彼此不产生干扰，各路信号就会在自己所分配的信道中传输 频分复用是指同一时间内占用不同的带宽资源。这里的带宽是指频率带宽。

充分利用传输介质带宽，系统效率较高。

并行

时分复用

将时间划分为一段段等长的时间即TDM帧，每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一段信号所占用的时隙周期性出现，因此此信号也称为等时信号。 时分复用是指所有用户是在不同时间内占用相同的频带带宽。

并发

改进的时分复用——统计时分复用STDM

各用户一旦有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按照顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。

波分多路复用WDM

光的频分多路复用，在一根光纤中传输各种不同波长的光信号，最后利用波长分解复用器将各路波长分解出来。

码分多路复用CDM

码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式

一个比特分为多个码片，每一个站点被指定一个唯一的m位的芯片序列。

发送1时站点发送芯片序列，发送0时发送芯片序列反码（通常把0写为-1）

如何不打架：多个站点同时发送数据的时候，要求各个站点芯片序列相互正交。

如何合并：各路数据在信道中被线性相加

如何分离：合并数据和源站规格化内积

第三章 数据链路层

作用，三个基本问题

负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。

在物理层提供的服务基础上向网络层提供服务，最基本的服务时将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。

作用：加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造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。

功能一：为网络层提供服务

功能二：链路管理，即连接的建立，维持，释放（面向连接的服务）

功能三：组帧

功能四：流量控制

功能五：差错控制

三个基本问题：封装成帧，透明传输，差错检测

封装成帧让发送方知道帧从什么时候开始到什么时候结束

首部和尾部最重要的作用时帧定界 数据部分长度上限——最大传送单元MTU

透明传输：发送比特信号不受限制

字节填充（异步线路）和字符填充（同步线路）

差错检测：只查错

循环冗余检测CRC 为了检错而添加的冗余码称为帧检验序列FCS

CRC是一种检错方法，而FCS只是添加在后面的冗余码

PPP协议构成的三个部分

• **一个将IP数据报封装到串行链路的方法。**PPP既支持异步链路，也支持面向比特的同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息的部分。这个部分的长度也受最大传送单元MTU的限制
• 一个用于建立，配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP。通信双方可协商一些选项。身份验证
• 一套网络控制协议NCP，其中每一个协议支持不同的网络层协议。

CSMA/CD协议 作用 冲突怎么形成 怎么解决

先听再说，边听边说

载波监听多点接入/碰撞检测

CS：载波侦听 每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。总线型网络

CD：碰撞检测。“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况。以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送

冲突形成：电磁波在总线上总是以有限的速率传输的。

截断二进制指数规避算法

确定基本退避时间争用期2t

定义参数K，它等于重传次数，k不超过10，k=min[重传次数，10]

从离散的整数集合[0，1，$2^k-1$]随机选一个数r，重传所需的退避时间是2rt

当重传次数达16次后说明网络太拥挤，认为此帧无法正确发出，抛弃它并向高层报告出错

集线器特点，工作在哪，总线型，星型

再生，放大信号

对信号进行再生，放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延迟网络的长度，不具备信号的定向传送，是一个共享式设备

集线器不能分割冲突域

MAC地址位长

每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（由IEEE规定），后24位厂家自己指定，通常6个十六进制表示，如02-60-8c-e4-b1-21

以太网拓展+集线器+交换机+路由器区别

什么是集线器Hub？

1、把内网中的网络设备连接起来，支持多个以太网连接的端口，可以连接多种网络设备

2、仅仅知道端口上是否连接了设备，经过集线器传输的数据包，所有设备都能接收到，如下图，当主机A发送数据包给主机C时，主机B和D都能接收到数据

3、不仅带来了安全风险，而且带来了不必要的流量，产生网络带宽的浪费

什么是交换机Switch？

1、以太网连接的端口，可以连接多种网络设备

2、将连接到交换机的设备的MAC地址存储到一张表

3、当主机A和主机B想通信时，主机A会发送数据包到交换机，交换机只会发送给主机B，如下图，主机A发送数据包给主机C，交换机识别出主机C的MAC地址，将数据包转发到主机C连接的端口，只有主机C能收到数据包

什么是路由？

路由器接收到的数据包，转发至目的地址；可能是目的主机也可能是另一个路由器，直到将数据包转发到目的主机

什么是路由器Router？

1、基于数据包的目的IP地址，指引数据传输路径的设备，从一个网络到另一个网络

2、当一个数据包被路由器所接收时，路由器检查数据的IP，并判断这个包是发送给原网段还是其他网段，如果是原网段，就发回去，不同网段，路由器就发送给其他网段

3、就是网络的出入口，即网关

4、路由器有多个端口，可以连接不同网段，每个端口的IP地址的网络地址都必须与所连接的网段的网络地址相同

5、同一个网络中，所有主机的IP地址的网络地址都必须是相同的，计算机之间的通信只能在具有相同网络地址的IP地址间进行，如果想要和其他网段的计算机通信，必须经过路由器转发出去

6、路由器在路由选择的过程中，次序一般为：静态路由、动态路由、默认路由

以太网是基带总线局域网规范 使用CSMA/CD

提供无连接，不可靠的服务 只能实现无差错的接收，不实现可靠传输

交换机工作特点（根据MAC地址进行转发）

根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址没然后在确定将其转发到哪一个接口，或者把它丢掉。

过滤通信量，增大吞吐量

扩大物理范围

提高可靠性

可互连不同物理层，不同MAC子层和不同速率的以太网

第四章 网络层

提供的两种服务 数据报+虚电路

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。传输单位为数据报。

虚电路服务（连接服务 分组交换与电路交换相融合）与数据报服务（无连接服务）

无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同

连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。

数据报

每个分组携带源和目的地址

路由器根据分组的目的地址转发分组：基于路由协议构建转发表：检索转发表：每个分组独立选路

虚电路 建立连接+传输数据+释放连接

每个分组携带虚电路号，而非目的地址

有连接（可靠），无连接（尽最大可能交付）区别

1.面向连接

①特点：

发送数据之前先建立好会话连接，通过网络服务在发送方与接收方之间建立一条虚拟链路
传输控制协议（TCP）就是一种面向连接的协议
②传输服务的3个步骤

握手：在传输数据之前建立一条到期望目的地的连接。两个端点决定了传输数据的参数
数据传输：在该阶段，真实数据被有序地传输。因为是有序地传输，所以被称为可靠的网络服务。大多数面向连接的服务丢失数据包时会重新上传，保证服务的可靠性
连接终止：数据传输完成之后释放端节点与资源
2.无连接服务

①概念

无连接服务不需要在发送方与接收方之间建立会话连接
发送方只需直接向目的地发送数据包（也称数据报）
这种服务不具备面向连接服务的可靠性，但有助于周期性的突发传输
用户数据报协议（UDP）就是一个无连接协议
②特点

数据（数据包）不需要按序到达
在传输过程中，被分片的数据包必须按序进行重组
不需要为创建回话而耗费时间
不需要确认

IP协议 网络层功能

IP数据报格式

IP数据报 = 首部（固定部分 20字节 + 可变部分）+数据部分（TCP、UDP段）

固定部分 —— 版本 （IPV4/IPV6） + 首部长度（单位是4B，最小为5 也就是固定部分长度20B）+ 区分服务（指示期望活得哪种类型的服务） + 总长度 （首部+数据 单位为1B）+ 标识（同一数据报的分片使用统一标识） + 标志 （只有2位有意义 中间位DF = 1 禁止分片 DF = 0 允许分片 最低位MF = 1 后面还有分片 MF = 0 代表最后一片/没分片）+ 片偏移（在原分组中的相对位置） + 生存时间（TTL IP分组保质期，经过一个路由器-1，变成0则丢弃）+ 协议（数据部分的协议 TCP 6 面向连接 UDP 17 不面向连接） + 首部检验和（检验首部） + 源地址（32位） + 目的地址（32位）

一总8片的首饰

子网划分

子网掩码 网络号为1 主机号为0

子网地址 = ip 地址 & 子网掩码

路由器转发分组的算法：

• 提取目的IP地址

• 是否直接交付

• 特定主机路由

• 检测路由表中有无路径

• 默认路由0.0.0.0

无分类编址CIDR

CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度，网络号长度）

融合子网地址与子网掩码，方便子网划分

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个CIDR地址块

ICMP报文封装在IP中

装在IP数据报的数据部分

差错检验报告 或 询问报文

IPV6 28位 0压缩会不会压缩

32位IPV4地址空间已分配殆尽

一组数据中 四个0 写成一个 其余0删掉

一连串连续的0被一对冒号取代

路由选择 内部 外部 OSPF链路状态 协议 基于什么

开放最短路径优先 OSPF 链路状态路由算法 所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息 使用最短路径算法SPF

OSPF特点

使用洪范算法向自治系统内所有路由器发送信息。广播

发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态

只有当链路状态发生变化时才会发送信息

内部网关协议IGP 一个AS内使用的 RIP OSPF

外部网关协议EGP AS之间使用的 BGP

ARP功能

完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射 解决下一跳走哪的问题

检查ARP高速缓存，有对应表则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为全1的FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求，目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存

第五章 运输层

基本作用，复用，分用

提供进程和进程间的逻辑通信

复用：应用层所有的应用进程都可以通过传输层在传输到网络层

分用：传输层从网络层收到数据后交付给指明的应用进程

对收到的报文进行差错检测

UDP ， TCP

TCP 可靠 面向连接 时延大 适用于大文件

UDP 不可靠 无连接 时延小 适用于小文件

UDP 无连接 减少开销和发送数据之前的时延 不保证可靠交付 面向报文 适合一次传输少量数据的网络应用 无拥塞控制 适合很多实时应用（电话等）

TCP 连接管理 三卧四挥

可靠传输 根据序号与确认号

流量控制 滑动窗口大小

拥塞控制 慢开始 拥塞避免 快重传 快恢复

第六章 应用层

概述 C/S

应用层对应用程序的通信提供服务 文件的传输，访问和管理 ，电子邮件 虚拟终端 查询服务和远程作业登录

客户/服务器模型

服务器 提供计算服务的设备

1. 永久提供服务
2. 永久性访问地址/域名

客户机 请求计算服务的主机

1. 与服务器通信，使用服务器提供的服务
2. 间歇性接入网络
3. 可能使用动态ip地址
4. 不与其他客户机直接通信

DNS

根据域名解析IP地址

递归查询 迭代查询

FTP两条连接

控制进程 传输数据前的准备步骤 传的请求 （一直打开的）

数据传送进程 传的文件 文件传完就关闭

SMTP特点

连接建立 SMTP不使用中间的邮件服务器

邮件传送

连接释放

Web浏览过程中涉及到的协议

Web浏览过程中涉及到的协议