计算机网络考研笔记汇编.docx
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计算机网络考研笔记汇编
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（InternetServiceProvider）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（WideAreaNetwork）
城域网（MetropolitanAreaNetwork）
局域网（LocalAreaNetwork）
个人区域网（PersonalAreaNetwork）
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-TripTime）
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（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）
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（FrequencyDivisionMultiplexing）
时分复用技术（TimeDivisionMultiplexing）
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（CyclicRedundancyCheck）
帧检验序列
点对点协议PPP（Point-to-PointProtocol）
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0
PPP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
DIXEthernetV2
IEEE802.3：
LLC已经消失了
逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl）
媒体接入控制MAC（MediumAccessControl）
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（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）：
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UTP5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UTP3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IEEE802.3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-T
10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（FiberDistributedDataInterface）
芯片过于复杂因而很昂贵
高性能并行接口HIPPI（High-PerformanceParallelInterface）
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（AddressResolutionProtocol）
逆地址解析协议（ReverseAddressResolutionProtocol）
网际控制报文协议（InternetControlMessageProtocol）
网际组管理协议（InternetGroupManagementProtocol）
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。
B类前两位10，C类前三位110，推算方法同A
特点：
每一个IP地址都由网络号和主机号两部分组成
IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口
用转发器或者网桥连接起来的网络仍属于一个网络（相同网络号）
所有分配到网络号的网络都是平等的
注意：
同一个网络上的主机或者路由器的网络号必须是一样的
用网桥（工作在链路层）互连的网段仍然是一个局域网
路由器总是有两个或以上的IP地址，每一个接口都有不同的IP
两个路由器直接相连时接口处可以分配也可以不分配IP
子网的划分
构成超网
IP地址和硬件地址
区别：
物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层及以上各层使用的地址
IP地址放在IP数据报的首部而MAC地址放在MAC帧的首部
强调：
在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报
路由器只根据目的站的IP地址进行路由选择
在局域网的链路层只能看到MAC帧
IP层抽象的互联网屏蔽了下层这些很复杂的希捷
地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP
IP地址->ARP->物理地址
物理地址->RARP->IP地址
ARP协议
每一个主机都有一个ARP告诉缓存，里面有本局域网上的各主机和路由的IP地址到硬件地址的映射
通过广播ARP分组请求来获取目的站的硬件地址
四种典型情况
发送方是主机
要发送到本网络上的另一个主机，用ARP
要发送到另一个网络上的主机，用ARP找到本网络上的路由器的地址
发送方是路由器
发送到本网络上的一个主机，用ARP
发送到另一个网络上的主机，用ARP找到本网络上的一个路由器的地址
IP数据报的格式
版本：
IPv4或IPv6，只有相同版本的IP协议才可通信
首部长度：
占四位，所表示数的单位是32位字（4字节），首部长度最大值60字节
区分服务：
只有在使用区分服务时该字段才有用
总长度：
首部和数据长度之和，单位为字节，数据报最大长度为216-1（但是不得超过帧格式中的最大传送单元MTU）
标识：
当数据报长度超过网络的MTU而必须分片时需要用标识来重组数据
标志：
占三位，目前只有前两位有意义
MF：
为1时表示后面还有数据报，为0表示如果数据报片的最后一个
DF：
不能分片
片偏移：
较长的数据被分片后某片在原数据中的相对位置，以八个字节为单位
生存时间：
单位为跳数，在数据报经过一个路由器之前减1，为0时丢弃
协议：
使目的主机的IP层知道该将数据上交给哪个处理过程
首部检验和：
检验数据报的首部不包括数据部分
可变部分：
用作选项项目
IP层转发分组的流程
从数据报首部提取目的站的IP地址D以及目的网络地址N
若N就是与路由器直接相连的某个网络地址则进行直接交付
若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传给指明的下一跳
若路由表中有到达网络N的路由则把数据报传给指明的下一跳路由
若路由表中有一个默认路由，则把数据报传给默认路由
报告转发分组错误
划分子网和构造超网
划分子网：
在IP地址中增加一个子网号字段使某单位可以灵活增加本单位的网络
IP地址设计的不合理
IP地址空间的利用率有时候很低
给每一个物理网络分配一个网络号会导致路由表过大
两级地址不够灵活
基本思路
一个拥有很多物理网络的单位可以将所属的物理网划分为多个子网，本单位以外的网络看不见这个网络由多少个子网组成。
从主机号借用若干位作为子网号，于是两级地址在本单位内部就变成了三级地址：
IP地址：
={<网络号>，<子网号>，<主机号>}
凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报的目的网络号找到本单位网络上的路由器，路由器接到后按目的网络号和目的子网号找到目的子网交付给目的主机
子网掩码：
一个网络或一个子网的重要属性
划分子网增加了灵活性但是减少了能够连接在网络上的主机总数
使用子网时的分组转发
路由表包含内容：
目的网络地址，子网掩码，下一跳地址
无分类编址CIDR（构造超网）（ClasslessInter-DomainRouting）
网络前缀
问题：
B类地址在1992年就分配了一半，眼看很快就分配完毕
因特网主干网上的路由表项目急剧增长
整个IPv4地址空间最终将全部耗尽
特点：
消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，CIDR将32位的IP地址划分成两个部分成为无分类的两级编址：
IP地址：
={<网络前缀>，<主机号>}
CIDR记法：
在IP地址后面加上斜线/然后写上网络前缀占的位数
CIDR把网络前缀相同的连续的IP地址组成一个CIDR地址块
最长前缀匹配
查找路由表时选择具有最长网络前缀的路由进行转发
使用二叉线索查找路由表
网际控制报文协议ICMP
ICMP报文格式
类型：
ICMP差错报告报文
类型：
终点不可达（类型为3）
源点抑制（4）
时间超过（11）
参数问题（12）
改变路由（5）
ICMP询问报文
回送请求和回答
时间戳请求和回答
应用举例
分组网间探测PING（PacketInterNetGroper）
因特网的路由选择协议
基本概念
理想的路由算法
算法必须是正确的和完整的
算法在计算上应该简单
算法应能适应通信量和网络拓扑的变化
算法应具有稳定性
算法应是公平的
算法应是最佳的
分层次的路由选择协议
内部网关协议IGP（InteriorGatewayProtocol）：
RIP，OSPF
外部网关协议EGP（ExternalGatewayProtocol）：
BGP
内部网关协议RIP（路由信息协议RoutingInformationProtocol）
工作原理
分布式的基于距离向量的路由选择协议
距离（跳数）：
从一路由器到直接连接的网络的距离定义为1，到非直接连接的网络的距离定义所经过的路由器数加1
允许一条路径最多只能包含15个路由器
特点：
仅和相邻路由器交换信息
交换的信息是当前本路由器所知道的所有信息，即自己的路由表
按固定的时间间隔交换信息
距离向量算法
对每一个相邻路由器发送过来的RIP报文进行一下步骤：
修改所有项目，将下一跳改为X并将距离加1，每个项目有目的网络N，距离d，下一跳路由器X。
对修改后的每一项：
若原来的路由表中没有目的网络N，则把该项目添加到项目表中
升级会员 