计算机网络——知识总结
目录
目录
概述
因特网概述
编辑
三种交换方式
电路交换
报文交换
分组交换
三种交换方式的对比
计算机网络的定义和分类
计算机网络的定义
计算机网络的分类
计算机网络的性能指标
编辑 计算机网络体系结构
常见的计算机网络体系结构
计算机网络体系结构分层的必要性
举例
专用术语
物理层
物理层的基本概念
物理层下面的传输媒体
传输方式
编码与调制
信道极限容量
数据链路层
数据链路层概述
封装成帧
差错检测FCS
可靠传输的基本概念
可靠传输的实现机制
停止——等待协议SW
回退N帧协议GBN
选择重传协议SR
点对点协议PPP
帧格式
透明传输问题
差错检测
工作状态
媒体接入控制
基本概念
静态划分信道
动态接入控制——随机接入 CSMA/CD
CSMA/CA
MAC地址、IP地址、ARP协议
MAC地址：
IP地址：
地址解析协议ARP
集线器与交换器的区别
以太网交换机自学习和转发帧的流程
以太网交换机的生成树协议STP
虚拟局域网VLAN
概述
实现机制
网际层
网络层概述
网络层提供的两种服务
IPv4地址
概述
分类编址
划分子网
无分类编址
IPv4地址的应用规划
IP数据报的发送和转发过程
静态路由配置及其可能产生的路由环路问题
路由选择协议
概述
路由信息协议RIP的基本工作原理
开发最短路径优先OSPE的基本工作原理
边界网关协议BGP的基本工作原理 编辑
IPv4数据报的首部格式
网际控制报文协议ICMP
虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT
VPN
NAT
软件定义网络SDN
运输层
概述
运输层端口号、复用和分用的概念
端口号
发送方的复用、接收方的分用
TCP和UDP的对比
TCP的流量控制
TCP的拥塞控制
TCP超时重传时间的选择
TCP可靠传输的实现
TCP的运输连接管理
TCP的连接建立
概述
因特网概述
ISP 网络服务提供商
标准化工作ISOC 因特网协会
三种交换方式
电路交换
报文交换
存储转发
分组交换
路由器：存储转发
三种交换方式的对比
计算机网络的定义和分类
计算机网络的定义
计算机网络的分类
计算机网络的性能指标
速率
M兆 G吉 T太
往返时间RTT: 从源主机发送分组开始，到收到目标主机发送的确认分组为止
计算机网络体系结构
常见的计算机网络体系结构
计算机网络体系结构分层的必要性
物理层： 传输媒体（介质）；物理接口；怎样的信号
数据链路层：主机编址问题，MAC地址；分组的封装格式问题；协调主机争用网络；交换机
网络层：网络和主机共同编址问题，IP地址；路由器如何转发分组，如何进行路由选择
运输层：解决进程之间基于网络的通信问题；处理传输错误
应用层：通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用；万维网 HTTP协议；电子邮件 SWTP协议；文件传送 FTP协议
举例
HTTP请求报文（应用层）-TCP报文段（运输层）-IP数据报（网络层）-帧（数据链路层）-添加有前导码的比特流（物理层）-信号
专用术语
实体 协议 服务
一个SDU由多个PDU构成
物理层
物理层的基本概念
物理层下面的传输媒体
双绞线绞合的作用：
- 抵御部分来自外界的电磁干扰
- 减少相邻导线的电磁干扰
目前的家用以太网，最低选用超5类（5E）双绞线
屏蔽双绞线有更好的抗干扰性能，价格更高
光纤：
微波：直线传播，可以穿透电离层，地面微波接力通信，卫星通信
传输方式
串行传输：一个比特接着一个比特传输，适合远距离传输，例如计算机网络
并行传输：一次传输n个比特，速度快，成本高，计算机内部， 例如CPU与内存之间
同步传输：字节之间没有间隔，接收端在比特信号的中间时刻进行检测，存在时钟误差
异步传输：以字节为独立的传输单位，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步，通常在每个字节前后加上起始位和结束位
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
编码与调制
编码：不改变信号性质，对数字基带信号的波形进行变换（转化为数字信号）
调制：把数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号（转化为模拟信号）
不归零编码：存在同步问题
归零编码：自同步，编码效率低
曼彻斯特编码与差分曼特斯特编码：
基本调制方法（二元制）：
混合调制（多元制）：
频率和相位只能调制其中一个
相位和振幅可以一起调制，称为正交振幅调制QAM
格雷码： 星座图中任意两个相邻码元只有1个比特不同
信道极限容量
码间串扰：难以判断信号何时为0，何时为1，失去了码元之间的清晰界限
失真因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的
香农公式：带宽受限，且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
在信道宽度一定的情况下，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（奈氏准则），并努力提高信道中的信噪比（香农公式）
数据链路层
数据链路层概述
封装成帧
转义字符填充法，零比特填充法
差错检测FCS
检错码，纠错码
可靠传输的基本概念
传输差错：比特差错，分组丢失，分组失序，分组重复
可靠传输的实现机制
停止——等待协议SW
自动请求重传ARQ
回退N帧协议GBN
连续性ARQ协议 Automatic Repeat-reQuest
又称滑动窗口协议
当通信线路质量不好时，信道利用率不比停等协议高
选择重传协议SR
点对点协议PPP
帧格式
透明传输问题
面向字节的异步传输
面向比特的同步传输
差错检测
CRC-CCITT
向上不提供可靠传输服务
工作状态
媒体接入控制
基本概念
medium access control媒体接入控制MAC：共享信道如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用
静态划分信道
复用：通过一条物理线路同时传输多路用户的信号
当网络中传输媒体的传输容量大于单一信道传输的总通信量时，可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信线路来充分利用传输媒体的带宽
频分复用FDM
时分复用TDM
波分复用WDM
码分复用CDM
码分多址CDMA 频分多址FDMA 时分多址TDMA
CDM的每个用户可以在同一时间使用同样的频带进行通信
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，所以各用户之间不会造成干扰
0通常写为-1，1写为+1
动态接入控制——随机接入 CSMA/CD
最小帧长=争用期*数据传输速率
CSMA/CA
MAC地址、IP地址、ARP协议
MAC地址：
又称硬件地址或物理地址，一般被固化在网卡（网络适配器）的电可擦可编程只读存储器EEPROM中，MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识。
IP地址：
IP地址是因特网上的主机和路由器所使用的地址，由两部分组成：
- 网络编号：标识网络
- 主机编号：标识同一网络上不同主机或路由器接口
在数据报的转发过程中，源IP地址和目的IP地址始终保持不变，源mac地址和目的mac地址逐段链路改变
地址解析协议ARP
每台主机都有自己的ARP高速缓存表，记录IP地址与MAC地址的对应关系
集线器与交换器的区别
以太网交换机自学习和转发帧的流程
以太网交换机的生成树协议STP
网络环路的负面影响：
- 网络风暴
- 主机收到重复的广播帧
- 交换机的帧交换表震荡
虚拟局域网VLAN
概述
什么是VLAN？VLAN是如何工作的？ - 华为VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，是将一个物理的LAN在逻辑上划分成多个广播域的通信技术。使用VLAN既可以增强网络的安全性，又能够灵活地构建和维护网络。https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/VLAN.html
广播域过大的弊端：
- 广播风暴
- 难以管理和维护
- 安全问题
分割广播域的方法：
- 使用路由器，但成本较高
- 虚拟局域网技术VLAN
虚拟局域网VLAN是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求。
实现机制
网际层
网络层概述
因特网采用无连接不可靠的数据报服务
网络层提供的两种服务
IPv4地址
概述
十进制转二进制：
- 除二取余法
- 凑值法
IPv4地址是因特网上的每一台主机或路由器的每一个接口分配一个唯一的32bit的标识符
IPv4——IPv6
编址方式：
- 分类编址
- 划分子网
- 无分类编址
分类编址
划分子网
无分类编址
无分类间路由选择CIDR消除了传统A、B、C类地址，和划分子网的概念
最小地址（作为网络地址）和最大地址（作为该网络的广播地址）
IPv4地址的应用规划
定长的子网掩码FLSM
变长的子网掩码VLSM
IP数据报的发送和转发过程
主机发送IP数据报
- 直接交付：目的主机和该主机在同一网络
- 间接交付：在不同网络，由默认网关（路由器）帮忙转发
路由器转发IP数据报
- 检查是否出错。若出错，则丢弃并报告源主机；若没有出错，则直接转发
- 根据IP数据报的目的地址在路由表中查找匹配的条目。若找到，则转发给下一跳；否则，丢弃并通告源主机
静态路由配置及其可能产生的路由环路问题
静态路由配置可能出现的导致路由环路的问题
- 配置错误
- 聚合了不存在的网络
- 网络故障
路由条目的类型
- 直连网络
- 静态路由（人工配置）
- 动态路由（路由选择协议）
特殊的静态路由条目
- 默认路由：目的网络为0.0.0.0，地址掩码为0.0.0.0
- 特定主机路由：目的网络为特定主机的IP地址，地址掩码为255.255.255.255
- 黑洞路由：下一跳为null0
路由选择协议
概述
- 静态路由选择：人工配置，方式简单、开销小，不能及时适应网络状态的变化，在小规模网络中采用
- 动态路由选择：通过路由选择协议自动获取路由信息，开销大，能较好适应网络状态的变化
因特网采用的路由选择协议的特点
- 自适应：动态
- 分布式：路由器之间交换路由信息
- 分层次：将整个因特网划分成许多较小的自治系统AS
域间路由选择：外部网关协议EGP，又称外部路由协议
域内路由选择：内部网关协议IGP
常见的路由选择协议
路由器的基本结构
- 路由表一般仅包含从目的网络到下一跳的映射，路由表需要对网络拓扑变化的计算最优化
- 转发表是由路由表得出的，转发表的结构应该使查找过程最优化
路由信息协议RIP的基本工作原理
RIP认为“好的路由”就是通过路由器数量少的路由
RIP和相邻路由器周期性交换自己的路由表
RIP路由条目的更新规则
- 发现新的网络
- 下一跳相同，更新信息
- 下一跳不同，若距离短，则更新
- 下一跳不同，等价负载均衡
开发最短路径优先OSPE的基本工作原理
使用OSPF的每个路由器都会产生链路状态通告LSA：
- 直连网络的链路状态信息
- 邻居路由器的链路状态信息
LSA被封装在链路状态更新分组LSU中，采用洪泛法发送
链路状态数据库LSDB用于存储LSA，各路由器的LSDB最终将达到一致
边界网关协议BGP的基本工作原理 
IPv4数据报的首部格式
网际控制报文协议ICMP
主机或路由器使用ICMP来发送差错报告报文和询问报文，ICMP报文被封装在IP数据报中
ICMP差错报告报文:
- 终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时
- 源点抑制：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢
- 时间超过：TTL为0时；当终点不能在规定的时间内收到一个数据报的全部数据报片时，就把已经收到的数据报片都丢弃，发送时间超过报文
- 参数问题：出现误码时（由首部的检验和字段得到）
- 改变路由（重定向）：路由器发送改变路由报文，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由，以便通过更好的路由
不发送ICMP差错报告报文的情况：
ICMP询问报文：
- 回送请求和回答：测试目的站是否可达及了解其有关状态
- 时间戳请求和回答：时钟同步和测量时间
ICMP应用
- 分组网间探测PING
- 跟踪路由:tracert (windows) ; traceroute(unix);
虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT
VPN
虚拟专用网：利用公用的因特网作为本机构各专用网之间的通信载体
VPN中各主机所分配到的地址是本机构可自由分配的专用地址
原理：
IP隧道技术
分类：
- 内联网VPN
- 外联网VPN
- 远程接入VPN
NAT
缓解IPv4的紧缺，使大量使用内部专用地址的专用网络用户共享少量外部全球地址
软件定义网络SDN
核心思想：把网络的控制层面和数据层面分离，让控制层面利用软件来控制数据层面的许多设备
远程控制器在物理上可由不同地点的多个服务器组成，掌握各主机和整个网络的状态，能够为每一个分组计算出最佳路由，并为每一个路由器生成其正确的转发表
OpenFlow：可看成是SDN体系结构中控制层面和数据层面之间的通信接口，使得控制层面的控制器可以对数据层面的物理设备进行直接访问和控制
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运输层
概述
运输层：应用进程到应用进程，如何为运行在不同主机上的应用进程提供直接的通信服务
网络层：主机到主机
运输层协议（端到端协议）
- 面向连接的TCP
- 无链接的UDP
运输层端口号、复用和分用的概念
端口号
发送方的复用、接收方的分用
TCP和UDP的对比
TCP的流量控制
流量控制：限制发送速率，要让接收方来得及接收
滑动窗口机制：TCP接收方利用自己的接受窗口的大小来限制发送方发送窗口的大小
TCP发送方收到接收方的零窗口通知后，应启动持续计时器，持续计时器超时后，向接收方发送零窗口探测报文
TCP的拥塞控制
拥塞：在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏，这种情况就被称为拥塞
网络资源：计算机网络中的链路容量（带宽）、交换结点中的缓存和处理机等
若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降
TCP超时重传时间的选择
TCP可靠传输的实现
TCP基于以字节为单位的滑动窗口来实现可靠传输
TCP的运输连接管理
TCP的连接建立
TCP的连接释放
保活计时器
TCP报文段的首部格式
