计算机网络期末总复习知识点

概述

1. 互联网的2个重要基本特点：连通性（connectivity）和资源共享（sharing）。
2. 端系统之间的两种通信方式：客户/服务器方式（Client/Server方式、C/S方式）、对等方式（Peer to Peer方式、P2P方式）。
   1. 客户/服务器方式：进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。
   2. 客户程序和服务器程序的主要特点：客户程序被用户调用后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）；必须知道服务器程序的地址；不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。服务器程序：专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求；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；不需要知道客户程序的地址；一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
   3. 对等连接方式（P2P 方式）：两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供方。只要都运行了 P2P 软件，就可以进行平等的、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是服务器。
3. 电路交换特点：电路交换必定是面向连接的。分为三个阶段：建立连接（占用通信资源）——通话（一直占用通信资源）——释放连接（归还通信资源）。
4. 分组交换的主要特点：采用存储转发技术。在发送端，先把较长的报文划分成更小的等长数据段，数据段前面添加首部就构成了分组 (packet)，分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。
5. 分组交换的优点：高效（在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用）、灵活（为每一个分组独立地选择最合适的转发路由）、迅速（以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组）、可靠（保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性）。
6. 分组交换带来的问题：排队延迟（分组在各路由器存储转发时需要排队）、不保证带宽（动态分配）、增加开销（各分组必须携带控制信息；路由器要暂存分组，维护转发表等）。
7. 计算机网络的性能指标：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率。
   1. 速率：指的是数据的传送速率，也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)。单位：bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
   2. 时延：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延。
8. 五层计算机网络体系结构：应用层+运输层+网络层+数据链路层+物理层。
   1. 应用层
      1. 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
      2. 协议：定义的是应用进程间通信和交互的规则。例如：DNS，HTTP，SMTP。
      3. 把应用层交互的数据单元称为报文(message)。
   2. 运输层：
      1. 任务：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。
      2. 具有复用和分用的功能。
      3. 主要使用两种协议：传输控制协议 TCP、用户数据报协议 UDP 。TCP (Transmission Control Protocol)：提供面向连接的、可靠的数据传输服务；数据传输的单位是报文段 (segment)。UDP (User Datagram Protocol)：提供无连接的尽最大努力 (best-effort) 的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）；数据传输的单位是用户数据报。
   3. 网络层：
      1. 任务：为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
      2. 两个具体任务：
         1. 路由选择：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。
         2. 转发：每一个路由器在接收到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器。
      3. 互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议 IP (Internet Protocol) 和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或 IP 层。
      4. IP 协议分组也叫做 IP 数据报，或简称为数据报。
   4. 数据链路层：
      1. 常简称为链路层。
      2. 任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信。
      3. 在两个相邻节点间的链路上传送帧（frame）。
      4. 如发现有差错，就简单地丢弃出错帧。如果需要改正出现的差错，就要采用可靠传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使数据链路层协议复杂。
   5. 物理层：
      1. 任务：实现**比特（0 或 1）**的传输。
      2. 确定连接电缆的插头应当有多少根引脚，以及各引脚应如何连接。
      3. 注意：传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内，而是在物理层协议的下面。
9. 实体 (entity) ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
10. 协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
11. 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。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
12. 协议和服务在概念上是不一样的：协议的实现保证了能够向上一层提供服务；协议对上面的服务用户是透明的；协议是“水平的”。服务上层使用服务原语获得下层所提供的服务。上面的服务用户只能看见服务，无法看见下面的协议。服务是“垂直的”。

物理层

1. 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
2. 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信，没有反方向的交互。
3. 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送（当然也就不能同时接收）。
4. 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。
5. 物理层下面的传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
   1. 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
   2. 非导引型传输媒体：指自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。
6. 直连线：网线两端都是按 T568A 或者 T568B 排序的。用于两种不同的设备之间，比如：1. 主机和交换机或集线器；2. 路由器和交换机或集线器；3. 或者当两台交换机使用的端口类型不同时。
7. 交叉线：一端是按 T568A 排序，一端是按 T568B 排序。用于同种类型设备之间，比如：1. 计算机与计算机连接；2. 交换机与交换机连接；3. HUB与HUB之间连接；4. 交换机和集线器之间；5. 主机和路由器之间。
8. T568A：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕。
9. T568B：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕。
10. 同种设备用交叉，不同设备用直连。
11. 信道复用技术：频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用、码分复用。
    1. 复用 (multiplexing) ：允许用户使用一个共享信道进行通信。
    2. 码分复用：每一个用户可以在同样的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，因此不会造成干扰。
    3. 当码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
    4. CDMA 工作原理：将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列 。发送比特 1：发送自己的 m bit 码片序列。发送比特 0：发送该码片序列的二进制反码。

数据链路层

1. 三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错控制。
   1. 封装成帧 (framing)：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（即确定帧的界限）。最大传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit) ：规定了所能传送的帧的数据部分长度上限。
   2. 常用的以太网 MAC 帧格式有 2 种标准：DIX Ethernet V2 标准、IEEE 的 802.3 标准。最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。
      类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
   3. 透明传输：透明，指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。“在数据链路层透明传送数据”表示无论发送什么样的比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。用**“字节填充”或“字符填充”法**解决透明传输的问题。
2. CSMA/CD 协议的要点：CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ：载波监听多点接入 / 碰撞检测。多点接入：说明这是总线型网络。许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。载波监听：即“边发送边监听”。不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。碰撞检测：适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞（或冲突）。
3. 争用期：以太网的端到端往返时延 2τ 称为争用期，或碰撞窗口。具体的争用期时间 = 51.2 μs。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
4. 星形以太网 10BASE-T：10，速率为10Mbit/s；BASE，基带；T，双绞线（Twisted Pair）。
5. 集线器的一些特点：使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行；使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线；很像一个多接口的转发器，工作在物理层；采用了专门芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。
6. 48 位的 MAC 地址：
   1. IEEE 注册管理机构 RA 负责向厂家分配前 3 个字节 (即高 24 位)，称为组织唯一标识符 OUI 。(Organizationally Unique Identifier)。
   2. 厂家自行指派后 3 个字节 (即低 24 位)，称为扩展标识符 (extended identifier)。
   3. 必须保证生产出的适配器没有重复地址。
   4. 地址被固化在适配器的 ROM 中。
7. 在物理层扩展以太网：使用集线器扩展——用多个集线器连成更大的以太网。
8. 以太网交换机的特点：
   1. 实质上是一个多接口网桥。通常有十几个或更多的接口。
   2. 每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
   3. 以太网交换机具有并行性。能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信；相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据；每一个端口和连接到端口的主机构成了一个碰撞域。
   4. 以太网交换机的每个接口都是一个碰撞域(冲突域)。
   5. 交换机每个接口都处于一个独立的碰撞域（或冲突域）中，但所有计算机都处于同一个广播域中。这样无法隔离不同部门的通信。
   6. 交换机自学习和转发帧的步骤：
   7. 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。
   8. IEEE 802.1Q 对虚拟局域网 VLAN 的定义：虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。
   9. 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网。
   10. 虚拟局域网的优点：改善了性能；简化了管理；降低了成本；改善了安全性。

网络层

1. IP 地址点分十进制记法。
2. 分类的 I 地址：A、B、C类地址属于单播地址。A类地址占比50%；B类地址占比25%；C类地址占比12.5%；其余为D、E类地址。
3. 各类 IP 地址的指派范围：（注意指派时要扣除全 0 和全 1 的主机号）
4. 一般不使用的特殊的 IP 地址：
5. 网络前缀：（IP 地址 = 网络前缀 + 主机号）前缀的位数 n 不固定，可以在 0 ~ 32 之间选取任意值。
   CIDR 记法：斜线记法 (slash notation)
   a.b.c.d / n：二进制 IP 地址的前 n 位是网络前缀。
6. 地址块：CIDR 把网络前缀都相同的所有连续的 IP 地址组成一个 CIDR 地址块。一个 CIDR 地址块包含的 IP 地址数目，取决于网络前缀的位数。
7. 地址掩码(address mask)：又称为子网掩码(subnet mask)。32位，目的是让机器从 IP 地址迅速算出网络地址。由一连串 1 和接着的一连串 0 组成，而 1 的个数就是网络前缀的长度。
8. 点分十进制记法和 CIDR 记法的区别：如，/20 地址块的地址掩码：11111111 11111111 11110000 00000000；点分十进制记法：255.255.240.0；CIDR 记法：255.255.240.0/20。
9. 默认地址掩码：
10. 网络地址 = (二进制的 IP 地址) 与/AND运算 (地址掩码)。
11. 路由聚合 (route aggregation)：一个大的CIDR地址块中往往包含很多小地址块，所以在路由器的转发表中就利用较大的一个CIDR地址块来代替许多较小的地址块。这种方法叫做路由聚合，它使得转发表中只用一个项目就可以表示原来传统分类地址的很多个路由项目，因而大大压缩了转发表所占用的空间，减少了转发表所需的时间。
12. 网络地址转换 NAT (Network Address Translation)：需要在专用网连接到互联网的路由器上安装 NAT 软件。装有 NAT 软件的路由器叫做 NAT 路由器，它至少有一个有效的外部全球 IP 地址。所有使用本地地址的主机在和外界通信时，都要在 NAT 路由器上将其本地地址转换成全球 IP 地址，才能和互联网连接。
13. 私网地址：A类地址——10.0.0.0 - 10.255.255.255；B类地址——172.16.0.0 - 172.31.255.255；C类地址——192.168.0.0 - 192.168.255.255。
14. 最大可能聚合的基本思想就是减少网络位来增加主机位，其目的是减少路由中表项。
15. 子网的广播地址应为主机号全为1的数。

运输层

1. 运输层的两个主要协议：用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol），传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）。
2. 两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作运输协议数据单元 TPDU (Transport Protocol Data Unit)。TCP传送的协议数据单元（PDU）是TCP报文段（segment），UDP传送的协议数据单元（PDU）是UDP报文或用户数据报。
3. UDP与TCP的区别：
   1. UDP：传送数据之前不需要先建立连接；收到UDP报后，不需要给出任何确认；不提供可靠交付，但是是一种最有效的工作方式。
   2. TCP：提供可靠的、面向连接的运输服务；不提供广播或多播服务；开销较多。
4. TCP 是一个面向连接的协议，它提供的是全双工服务。
5. UDP 是 TCP/IP 协议簇的运输层协议。
6. 通常工作在 UDP 协议上的应用是VoIP。
7. TCP 建立连接的“三次握手”过程：最开始客户端和服务器都是处于 CLOAED 状态的，其中客户端是主动打开连接，服务端被动打开连接。
   第一次握手：客户端A的 TCP 向服务端B发送连接请求报文段，SYN=1请求连接，随机初始化一个seq，设seq=x（表示传送数据时第一个数据字节是x）。此时 TCP 客户端进程进入 SYN-SENT 状态。
   第二次握手：TCP 服务端收到连接报文后如果同意连接则回复确认，其中 SYN=1，ACK=1，确认号 ack=x+1（客户端的seq值+1），服务端也随机一个 seq=y；此时 TCP 服务器进程进入 SYN-RCVD 状态。
   第三次握手：客户端A收到确认报文后向服务端B给出确认，ACK=1，确认号ack=y+1，客户端通知上层应用进程建立已连接。此时 TCP 的客户端进程进入 ESTAB-LISHED 状态。当服务端B收到后也就进入 ESTAB-LISHED 状态，双方可以开始数据传送。
8. TCP协议使用3次握手机制建立连接，当请求方发出 SYN 连接请求后，等待对方回答 SYN、ACK，这样可以放置建立错误的连接。SYN：Synchronize Sequence Numbers，ACK：Acknowledge；RST：RESET；FIN：Finish；PSH：Push；URG：Urgent。
9. 使用 UDP 和 TCP 协议的各种应用和应用层协议：
   1. UDP：名字转换——DNS（域名系统）；文件传送——TFTP（简单文件传送协议）；路由选择协议——RIP（路由信息协议）；IP 地址配置——DHCP（动态主机配置协议）；网络管理——SNMP（简单网络管理协议）；远程文件服务器——NFS（网络文件系统）；IP 电话——专用协议；流式多媒体通信——专用协议；多播——IGMP（网际组管理协议）。
   2. TCP：电子邮件——SMTP（简单邮件传送协议）；远程终端接入——TELNET（远程终端协议）；万维网——HTTP（超文本传送协议）；文件传送——FTP（文件传送协议）。
10. IP头和TCP头的最小开销合计为40字节，以太网最大帧长为1518字节，则可以传送的TCP数据最大为1460字节。
    解析：TCP报文的最小长度是20字节；IP数据报首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报所具有；∴ IP头和TCP头的最小开销合计为40字节。以太网最大帧长为1518字节，则可以传送的TCP数据最大为1518-40-14(以太网首部)-4(以太网尾部)=1460字节。
11. TCP 释放连接的“四次握手”过程：第一次挥手：数据传输结束后双方都可以发出释放连接，假设客户端先释放连接。客户端向服务端发送连接释放报文并且停止发送数据，释放数据报文首部，FIN=1，序列号seq=u。此时客户端进入FIN-WAIT-1状态。等待B的确认。
    第二次挥手：服务端收到连接释放报文后发出确认，确认号ack=u+1，报文段自己的序号seq=v，此时服务端进程进入CLOSE-WATE状态。这个时候客户端不再向服务端发送数据但是服务端如果还要继续向客户端发送数据，客户端照常接收，也就是终止等待的时间。客户端收到确认后进入FIN-WAIT-2状态。
    第三次挥手：若服务端没有数据向客户端传送时其应用进程就会通知TCP释放连接，向客户端发送连接释放报文，发送FIN=1，ack=u+1，序列号seq=w，此时服务器进入LAST-ACK状态。等待客户端的最后确认。
    第四次挥手：客户端收到服务端连接释放报文后进入TIME-WAIT状态，然后给服务端回一个最后的确认报文，这是TCP连接并没有被释放，而是等2MSL（报文段最长存活时间，超过这个时间报文将被丢弃）后才会被释放。服务端一旦收到确认，立马进入CLOSED状态,2MSL后客户端也进入CLOSED状态，本次TCP连接彻底结束。

应用层

1. 域名系统DNS（Domain Name System）：互联网使用的命名系统；用来把人们使用的机器名字（域名）转换为 IP 地址；为互联网的各种网络应用提供了核心服务。
2. 文件传送协议 FTP (File Transfer Protocol) ：互联网上使用得最广泛的文件传送协议。提供交互式的访问，允许客户指明文件的类型与格式，并允许文件具有存取权限。屏蔽了各计算机系统的细节，因而适合于在异构网络中任意计算机之间传送文件。是文件共享协议的一个大类。
3. FTP 主进程的工作步骤：
   1. 打开熟知端口（端口号为 21），使客户进程能够连接上。
   2. 等待客户进程发出连接请求。
   3. 启动从属进程来处理客户进程发来的请求。从属进程对客户进程的请求处理完毕后即终止，但从属进程在运行期间根据需要还可能创建其他一些子进程。
   4. 回到等待状态，继续接受其他客户进程发来的请求。主进程与从属进程的处理是并发地进行。
4. 万维网必须解决的问题：
   1. 怎样标志分布在整个互联网上的万维网文档？使用统一资源定位符 URL (Uniform Resource Locator) 。使每一个文档在整个互联网的范围内具有唯一的标识符 URL。
   2. 用什么协议来实现万维网上的各种链接？ 使用超文本传送协议 HTTP (HyperText Transfer Protocol)。HTTP 是一个应用层协议，使用 TCP 连接进行可靠的传送。
   3. 怎样使不同作者创作的不同风格的万维网文档都能在互联网上的各种主机上显示出来，同时使用户清楚地知道在什么地方存在着链接？使用超文本标记语言 HTML (HyperText Markup Language) 。
   4. 怎样使用户能够很方便地找到所需的信息？使用各种的搜索工具（即搜索引擎）。
5. 动态主机配置协议 DHCP：
   1. 在协议软件中，给协议参数赋值的动作叫做协议配置。
   2. 一个协议软件在使用之前必须是已正确配置的。
   3. 具体的配置信息取决于协议栈。
   4. 连接到互联网的计算机的协议软件需要正确配置的参数包括：IP地址、子网掩码、默认路由器的IP地址、域名服务器的IP地址。
   5. 动态主机配置协议 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 提供了即插即用连网 (plug-and-play networking) 的机制，允许一台计算机加入网络和获取 IP 地址，而不用手工配置。
   6. DHCP 给运行服务器软件、且位置固定的计算机指派一个永久地址，给运行客户端软件的计算机分配一个临时地址。