计算机网络考研笔记

一、概述1. 计算机网络最重要的功能连通性：计算机网络使上网用户之间都可以交换信息共享性：资源共享（信息共享，软件共享，硬件共享）2. 因特网概述网络：由若干节点和连接这些节点的链路组成互联网：网络的网络网络把很多计算机连在一起，因特网把很多网络连在一起发展的三个阶段第一阶段：由单个网络ARPANET向互联网发展的过程第二阶段：建成了三级结构的因特网第三阶段：逐渐形成了多层次ISP（Internet Service Provider）结构的因特网因特网的标准化因特网草案建议标准草案标准因特网标准3. 因特网的组成边缘部分：所有连接在因特网上的主机组成，这部分是用户直接使用的端系统（主机）进程之间通信的方式客户/服务器（C/S）方式客户是服务请求方，服务器是服务提供方对等连接（P2P）方式通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方核心部分：由大量网络和连接网络的路由器组成，为边缘部分提供服务的路由器：是实现分组交换的关键，转发收到的分组电路交换：建立连接-通话-释放连接，线路的传输效率低分组交换：采用存储-转发技术报文：要发送的整块数据首部（包头）：报文划分成更小的数据块，数据块前面加上的必要的控制信息分组（包）：首部 + 数据段优点：高效，灵活，迅速，可靠问题：一定的时延，必须携带的控制信息也造成一定的开销主机：为用户进行信息处理的4. 计算机网络的类型计算机网络的定义：一些相互连接的，自治的计算机的集合不同作用范围：广域网（Wide Area Network）城域网（Metropolitan Area Network）局域网（Local Area Network）个人区域网（Personal Area Network）不同使用者：公用网专用网5. 计算机网络的性能性能指标速率带宽：原意：某个信号具有的频带宽度计算机中：网络的通信线路所能传送数据的能力吞吐量：单位时间内通过某个网络（信道，接口）的数据量时延：发送时延：主机或者路由器发送数据帧所需要的时间传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所需要的时间处理时延排队时延时延带宽积往返时间RTT（Round-Trip Time）利用率（信道和网络利用率过高会导致非常大的时延）信道利用率：某信道百分之几的时间是被利用的网络利用率：全网信道利用率的加权平均数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6. 计算机网络体系结构（计算机网络的各层及其协议的集合）形成：开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model）TCP/IP协议与划分层次协议组成要素语法，语义，同步分层的好处各层之间是独立的灵活性好结构上可分割开易于实现和维护能促进标准化工作各层的功能差错控制流量控制分段和重装复用和分用连接的建立与释放具有五层协议的体系结构应用层：直接为用户的应用进程提供服务运输层：向两个主机中进程之间的通信提供服务传输控制协议TCP：面向连接的用户数据报协议UDP：无连接的网络层：为分组交换网上的不同主机提供通信服务数据链路层物理层实体，协议，服务和服务访问点实体：任何可发送或接受信息的硬件和软件进程协议：控制两个对等实体（多个实体）进行通信的规则的集合服务：能被高一层的实体“看的见”的功能称之为“服务”服务访问点：相邻两层的实体进行交互的地方二、物理层基本概念主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性机械特性电气特性功能特性过程特性数据通信的基础知识数据通信系统的模型源系统（发送端，发送方）源点：源点设备产生要传输的数据发送器传输系统（传输网络）目标系统（接收端，接收方）接收器终点通信的目的是传送消息，数据时运送消息的实体，信号则是数据的电气的或电磁的表现，信号分为模拟信号（连续信号）和数字信号（离散信号）码元：代表不同离散数值的基本波形信道：单向通信双向交替通信（半双工通信）双向同时通信（全双工通信）信道的极限容量限制码元在信道上的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导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线无屏蔽双绞线同轴电缆光缆：传输损耗小，中继距离长抗雷电和电磁干扰性能好无串音干扰，保密性好体积小，重量轻架空明线非导向传输媒体：自由空间里传播，无线电，微波，红外，激光等微波通信方式地面微波接力通信优点:微波波段频率高，频段范围宽，通信信道的容量很大工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小得多建设投资少，见效快，易于跨越江河、山区缺点：相邻站必须直视有时会收到恶劣天气的影响隐蔽性和保密性较差对大量中继站的使用和维护耗用较多的人力物力卫星通信方法：传播时延较大信道复用技术频分复用技术（Frequency Division Multiplexing）时分复用技术（Time Division Multiplexing）统计时分复用：利用集中器将用户的数据集中起来再发送波分复用（光的频分复用）码分复用数字传输系统脉码调制PCM体制缺点：速率标准不统一不是同步传输同步光纤网SONET和同步数字系列SDH宽带接入技术xDSL技术：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使他能承受宽带业务三、数据链路层点对点信道广播信道使用点对点信道的数据链路层数据链路和帧链路：一个节点到相邻节点的一段物理线路而中间没有其他任何交换节点数据链路：在传送数据时需要一些必要的通信协议来控制数据传输，实现这些协议的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路。

帧：数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上三个基本问题封装成帧：在一段数据前后分别添加首部和尾部透明传输差错检测误码率：传输错误的比特占所传输比特的总数的比率循环冗余检验（Cyclic Redundancy Check）帧检验序列点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）特点要求：简单（首要的需求）封装成帧透明性多种网络层协议：能在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行多种类型链路差错检测：立即丢弃有错误的帧检测连接状态最大传送单元网络层地址协商数据压缩协商不需要的功能纠错：PPP只检错流量控制：端到端的流量由TCP控制序号多点线路半双工或单工链路组成：一个将IP数据报封装到串行链路上的方法一个用来建立，配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP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PPP协议的帧格式字段：PPP帧的首部和尾部分别是四个和两个字段，首部的第一个和尾部的第二个字段都是标志字段F，规定为0x7E（01111110），该标志字段就是PPP帧的定界符。

PPP首部中间两个字段0xFF和0x03并无实际意义，PPP首部的第四个字段是2字节的协议字段，尾部的第一个字段是CRC帧检测序列FCS 协议字段：0x0021：IP数据报0xC021：PPP链路控制协议LCP的数据0x8021：网络层的控制数据字节填充：当信息字段中出现和标志字段一样的比特（0x7E）组合时需要采取措施使这种比特组合不出现在信息字段中零比特填充：发送端，对整个信息字段扫描，出现5个1立即填入一个0接收端再对整个比特流进行扫描发现5个1就删除其后的0PPP协议的工作状态使用广播信道的数据链路层：可以进行一对多的通信局域网的数据链路层局域网特点：网络为一个单位所拥有且地理范围和站点数均有限优点：具有广播功能便于系统的扩展和逐渐地演变提高了系统的可靠性，可用性和生存性网络拓扑分类星形网环形网：令牌环形网（令牌环）总线网树形网以太网的两个标准DIX Ethernet V2IEEE 802.3：LLC已经消失了逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）媒体接入控制MAC（Medium Access Control）适配器的作用：计算机和外界局域网的连接CSMA/CD协议为通信简便以太网采取的措施采用较为灵活的无连接的工作方式以太网提供的服务是不可靠得交付（最大努力的交付）以太网发送的数据都采用曼彻斯特编码的信号载波监听多点接入/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access withCollision Detection）：多点接入：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：电子技术检测总线上是否有其他计算机发送的信号碰撞检测：边发送边监听截断二进制指数退避算法解决碰撞问题确定基本退避时间：争用期从离散的整数集合中随机取出一个数r，重传应推后的时间就是r*争用期要点：从网络层获得分组加上首尾组成以太网帧放入适配器缓存以待发送检测信道，空闲则发送，忙则继续等待发送过程中持续检测信道直至检测到碰撞中止并发送人为干扰信号中止发送后，适配器执行指数退避算法等待r倍512比特时间后转2 使用广播信道的以太网使用集线器的星形拓扑集线器的特点：物理上是一个星形网，逻辑上是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，各站中的适配器执行的还是CSMA/CD一个集线器有很多接口集线器工作在物理层：简单的转发比特，不进行碰撞检测采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消以太网的信道利用率以太网的MAC层MAC层的硬件地址（物理地址或MAC地址）：适配器地址或适配器标识符6字节（48）位MAC地址第一位是I/G（Individual/Group）第二位是G/L（Global/Local）MAC帧的格式前同步码：一个站在刚接收MAC帧的时候时钟尚未与到达的比特流达成同步，前同步码就是使得接收的适配器可以快速调整时钟频率无效的MAC帧：帧的长度不是整数个字节用收到的帧检验序列FCS查出有差错收到的帧MAC数据字段不在46～1500字节之间扩展的以太网在物理层扩展以太网多级结构的集线器缺点：碰撞域减少，吞吐量减少不同的以太网技术不能用集线器互连在数据链路层扩展以太网网桥：根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤内部结构两个以太网通过网桥连接起来，原来的以太网成为网段转发表（转发数据库，路由目录）：网桥通过转发表来转发帧优点：过滤通信量，增大吞吐量扩大了物理范围提高了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缺点：增加时延：接到转发帧要查看转发表并执行CSMA/CD并没有流量控制功能只适合用户数不太多和通信量不太大的以太网透明网桥：刚连接以太网时转发表是空的，通过自学习算法来建立转发表源路由网桥以广播的方式向欲通信的目的站发送一个发现帧作为探测之用，发现帧将沿所有可能的路由传送，当发现帧到达目的站之后沿各自的路由返回，源站从所有可能的路由中选择一个最佳路由。

多接口网桥—以太网交换机高速以太网：速率达到或超过100Mb/s的以太网100BASE-T以太网100BASE-TX：使用两对UTP 5类线或屏蔽双绞线STP，一对发送一对接受100BASE-FX：两对光纤，一对发送一对接受100BASE-T4：使用4对UTP 3或5类线，3对发送一对是碰撞检测的接受信道吉比特以太网（千兆以太网）特点：允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作使用IEEE 802.3协议规定的帧格式在半双工方式下使用CSMA/CD与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容物理层的两个标准1000BASE-X：基于光纤通道的物理层1000BASE-SX：短波长（850nm激光器）1000BASE-LX：长波长（1300nm激光器）1000BASE-CX：铜线1000BASE-T10吉比特以太网特点：帧格式与之前完全相同只能使用光纤作为传输媒体只工作在全双工方式，不存在争用问题，因此不使用CSMA/CD 使用高速以太网进行宽带接入其他类型的高速局域网或接口光纤分布式数据接口FDDI（Fiber Distributed Data Interface）芯片过于复杂因而很昂贵高性能并行接口HIPPI（High-Performance Parallel Interface）主要用于超级计算机与一些外围设备四、网络层设计思路：网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽量大努力交付的数据报服务网际协议IP配套协议地址解析协议（Address Resolution Protocol）逆地址解析协议（Reverse Address Resolution Protocol）网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol）网际组管理协议（Internet Group Management Protocol）虚拟互连网络：利用IP协议可以使这些性能各异的的网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络将网络互连起来需要一些中间设备物理层：转发器数据链路层：网桥，桥接器网络层：路由器网络层以上：网关分类的IP地址IP地址及其表示方法：唯一的32位标识符编址方法的三个阶段分类的IP地址将IP地址划分为若干个固定类，每个类都有两个固定长度字段组成，第一个字段是网络号，第二个字段是主机号表示方法：点分十进制记法常用的三种类别的IP地址A类地址网络字段占一个字节，第一位固定为0，可指派的网络号为126个（除00000000和127外），A类地址主机号占3个字段，因为A类网中最大主机数是224-2(除全0和全1，全0表示本主机连接的单个网络地址，全1表示该网络下的所有主机。