计算机网络整合笔记

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#计算机网络

一、计算机网络概述

1.1 计算机网络的定义

计算机网络是一个将物理位置不同的、具有独立功能的多台计算机通过通信线路连接起来，实现资源共享的系统。

1.2 计算机网络的组成

  • 资源子网：提供共享的软件资源和硬件资源
  • 通信子网：提供信息交换的网络结点和通信线路

1.3 计算机网络的类型

按拓扑分类：星型网络、总线型、环型、树型、全网状型、不规则型、混合型

按范围分类：

  • 局域网（LAN）
  • 城域网（MAN）
  • 广域网（WAN）

按传输方式：有线网络、无线网络

1.4 计算机网络体系结构

  • OSI七层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
  • TCP/IP四层模型：网络接口层、网际层、运输层、应用层

1.5 传输方式

按传输方向：单工、半双工、全双工

按传输对象（方式）：单播、多播、广播

1.6 数据交换

  • 电路交换
  • 报文交换
  • 分组交换

1.7 网络协议三要素

  • 语法：交换数据的格式和结构，以及数据出现的顺序
  • 语义：发送者或接受者所要完成的操作，需要发出何种控制信息、完成何种动作、做出何种响应
  • 同步：事件实现顺序以及速度匹配

1.8 性能指标

带宽、时延

时延类型：

  • 发送时延：数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）
  • 传播时延：信道长度（m）/ 电磁波在信道上的传播速率（m/s）
  • 处理时延
  • 排队时延

二、物理层

2.1 物理层特性

  • 机械特性：接口是怎么样的（水晶头、光纤头）
  • 电气特性：用多少伏的电
  • 功能特性
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.2 信号类型

  • 模拟信号：特点频段的信号（调制）
  • 数字信号：只有0和1（编码）

2.3 传输介质

  • 双绞线
  • 光纤
  • 同轴电缆（淘汰）
  • 无线

2.4 香农公式

C = W log₂(1+S/N)（bit/s）

其中：

  • W：信道带宽（Hz）
  • S/N：信噪比（信号平均功率/噪声平均功率）
  • x dB = 10 log₁₀(S/N)
  • C：信道的极限传输速率

结论：信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

2.5 信道复用技术

复用：多个用户使用一个IO资源发送消息 分用：多个用户使用一个IO资源接收消息

主要类型：

  1. 频分复用（FDM）：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

  2. 时分复用（TDM）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每一个用户所占用的时隙周期性地出现。所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

  3. 波分复用（WDM）：光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

  4. 码分复用（CDM）：用户使用不同码型，彼此无干扰。

  5. 统计时分复用（STDM）：不固定分配时隙，按需动态分配时隙。

2.6 码分多址（CDMA）

原理：给每个站分配的码片序列各不相同且相互正交

优点：具有很强的抗干扰能力，频谱类似于白噪声，可以提高通信质量和数据传输的可靠性

缺点：占据带宽较大

计算规则：

  • 结果为1则发送1
  • 结果为-1则发送0
  • 结果为0，则没发送数据

2.7 ADSL技术

用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使其能够承载宽带业务。

2.8 FTTX技术

一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。

  • FTTH：光纤到家
  • FTTB：光纤到大楼
  • FTTC：光纤到路边
  • FTTD：光纤到门户
  • FTTF：光纤到楼层

2.9 调制技术

定义：对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合信道传输的形式的过程。就是使载波随信号而改变的技术。

理由：使信号适合在信道中传输

调整方法：

  • 调幅（幅移键控）
  • 调频（频移键控）
  • 调相（移相键控）

调制前的电信号为基带信号，调制后的信号为带通信号。

三、数据链路层

3.1 主要任务

为网络中的相邻节点（直接通过链路相连的设备）之间提供帧的传输服务。

帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元

3.2 封装成帧

概念：数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾，使之成为帧

目的：接收端在收到物理层上交的比特流后，可根据首尾标记，识别帧的开始和结束

MTU：最大传送单元——数据链路层协议规定的所能传送的帧的数据部分长度上限

3.3 透明传输

保证无论发送什么样的比特组合的数据，都能按照原样无差错地通过数据链路层

  • 无比特差错：接收端接受的帧无传输差错（可能有差错的帧被丢失）
  • 无传输差错：即可靠传输——接收端收下的帧无差错、不丢失、不重复、且按序到达

3.4 差错检验

使网络中的结点尽早发现传输中出现了差错，减少对网络资源的浪费

3.5 CRC循环冗余校验

发送端：

  1. 构造被除数：待发送数据后面加k位0（k为生成多项式最高次）
  2. 构造除数：生成多项式每一位的系数形成的比特序列
  3. 做除法得余数：按位异或运算
  4. 检查余数：补充为k位，加在待发送数据后面

接收端：

  1. 重复发送端第2步、第3步
  2. 余数为0无误码，反之有误码

注意：仅仅采用CRC检验，缺少重传机制，数据链路层的传输还不是可靠的传输。

3.6 PPP点对点协议

特点：

  • 简单——首要要求
  • 封装成帧、透明传输、差错检验
  • 多种网络层协议、多种类型链路

PPP不提供使用序号和确认的可靠传输

3.7 零比特填充

  • 发送方：每5个连续的1，立即在后面插入一个0
  • 接收方：每5个连续的1，立即删除后面的一个0

3.8 字节填充

  • 发现0x7E就换成0x7D, 0x5E
  • 发现0x7D就换成0x7D, 0x5D

3.9 局域网

特点：

  • 网络为一个单位所拥有
  • 地理范围和站点数目均有限

3.10 以太网

两个标准…

3.11 CSMA/CD协议

核心原则：先听后发，边发边听，冲突停发，延迟重发

载波侦听：

任何站点在发送数据前，必须先侦听共享信道的当前状态。

  • 如果信道空闲（没有检测到载波信号），则等待一个帧间间隔后立即发送。
  • 如果信道忙碌，则持续侦听，直到信道空闲后，再等待一个帧间间隔并发送。

多点接入：

碰撞检测（冲突检测）：…

四、网络层

4.1 网际协议IP

相关协议：

  • 地址解析协议ARP：从网络层使用的IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址
  • 网际控制报文协议ICMP（网络诊断工具ping）
  • 网际组管理协议IGMP

4.2 分类的IP地址

  • A类：0 + net-id（8位）+ host-id（24位）
  • B类：10 + net-id（16位）+ host-id（16位）
  • C类：110 + net-id（24位）+ host-id（8位）
  • D类：1110 + 多播地址
  • E类：1111 + 保留为今后使用

4.3 点分十进制记法

32位二进制，每8位一组，转十进制

格式：网络号 + 主机号

4.4 IP地址和硬件地址

  • 硬件地址（物理地址）：数据链路层和物理层使用的地址
  • IP地址：网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址

4.5 IP数据报

一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部前一部分是固定长度（20字节），后面是一些可选字段（长度可变）。

首部字段：

  • 版本：占4位，IP协议的版本（IPv4）
  • 首部长度
  • 区分服务
  • 总长度：占16位，最长到65536字节（总长度受MTU影响，太长需要分片）
  • 标识：一个计数器，用来产生IP数据报的标识
  • 标志：占3位，目前只有两位有意义
    • MF=1表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片
    • DF=0时才允许分片
  • 片偏移：较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置，以8个字节为偏移单位
  • 生存时间：TTL（Time To Live）
  • 协议
  • 首部检验和：只检验数据报的首部，不管数据部分

4.6 IPv6

地址表示：128位，冒号分16进制，分8组，每组4个16进制数

简化规则：左侧零省略、连续零压缩（只能1次）

4.7 子网掩码

作用：标识两个IP地址是否属于同一个子网

判断方法：如果两个IP地址与同一个子网掩码进行&运算后结果相同，则属于同一个子网

4.8 CIDR（无分类域间路由选择）

目的：消除传统A、B、C类地址和划分子网的概念，更有效地分配IPv4的地址空间

核心概念：

  • 用”网络前缀”代替分类地址中的网络号和子网号
  • CIDR地址块：网络前缀相同的连续的IP地址
  • 地址聚合：简化路由表
  • 最长前缀匹配原则：查找路由表中从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由

网络前缀越长，其地址块就越小，路由就越具体

4.9 RIP距离向量算法

  1. 改写收到的信息（下一跳都记为C，距离+1）
  2. 相同的下一跳：更新
  3. 不同的下一跳：距离更短，更新；距离一样/更大，不改变
  4. 新的项目：添加进来

记忆口诀：新增加，短改变，长保留

4.10 ARP请求过程

  1. ARP请求是广播：

    • 计算机A想要和计算机B通信（已知B的IP地址，但不知其MAC地址）
    • A会构造一个ARP请求分组，其中包含：“我的IP是IPA，我的MAC是MACA。请问IP地址为IPB的主机，你的MAC地址是什么？”
    • 由于A不知道目标MAC，这个ARP请求帧的目的MAC地址是广播地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF），因此局域网上的所有计算机都会收到这个帧

  2. 处理ARP请求：

    • 每台收到广播ARP请求的计算机，都会查看请求分组中的”目标IP地址”字段
    • 只有计算机B会发现，这个”目标IP地址”与自己的IP地址（IPB）一致
    • 其他计算机（C, D, E…）发现目标IP不是自己的，就会丢弃这个ARP请求，不做任何响应

  3. ARP响应是单播：

    • 计算机B识别出这是发给自己的询问后，会立即构造一个ARP响应分组
    • 这个响应分组不再是广播，而是直接以计算机A的MAC地址（MACA）作为目的地址进行单播回复
    • 响应的内容是：“你好A，我是你要找的IPB，我的MAC地址是MACB。“

五、传输层

5.1 传输协议数据单元（TPDU）

5.2 UDP（用户数据包协议）

特点：

  • 无连接的协议，提供无连接服务
  • 支持单播、多播、广播
  • 尽最大努力交付，不能保证可靠交付
  • 简单

5.3 TCP（传输控制协议）

特点：

  • 面向连接的运输层协议，在无连接、不可靠的IP网络服务基础上提供可靠交付
  • 只支持点对点单播，不支持多播、广播
  • 提供可靠服务
  • 复杂

TCP核心特性：

  • 面向连接：通信前需建立连接（三次握手），通信结束后释放连接（四次挥手）
  • 可靠传输：通过确认应答（ACK）、重传机制、序号和校验和等确保数据无差错、不丢失、不重复、按序到达
  • 流量控制：使用滑动窗口机制防止发送方发送过快导致接收方缓冲区溢出
  • 拥塞控制：通过慢启动、拥塞避免等算法避免网络拥塞

复用与分用：

  • 复用：多个应用进程可通过同一传输层协议发送数据
  • 分用：传输层能将接收到的数据正确交付给指定的应用进程

5.4 端口

定义：端口是一个16位的整数，取值范围为0～65535

作用：在网络通信中，IP地址 + 端口号唯一标识一个通信端点（即”套接字”，Socket）

示例：192.168.1.10:80表示该主机上运行在80端口的Web服务

重要性：端口只存在于传输层协议（如TCP和UDP）中，用于多路复用和分用

进程到进程的通信：通过端口号来唯一标识主机上的应用进程

端口分类：

  • 熟知端口：0-1023
  • 登记端口号：1024-49151
  • 动态/私有端口号：49152-65535

六、应用层

6.1 域名系统（DNS）

作用：把主机名字转换为IP地址

域名服务器分类：

  1. 根域名服务器
  2. 顶级域名服务器
  3. 权威域名服务器
  4. 本地域名服务器

6.2 FTP（文件传送协议）

File Transfer Protocol

6.3 URL（统一资源定位符）

定义：URL是对可以从互联网上得到的资源的位置和访问方法的一种简洁表示

作用：URL给资源的位置提供一种抽象的识别方法，并用这种方法给资源定位

6.4 HTTP（超文本传输协议）

定义：HTTP协议规定了浏览器怎样向服务器请求文档，以及服务器怎样把文档传送给浏览器

特点：使用TCP作为运输层协议，保证数据可靠传输

6.5 电子邮件协议

  • SMTP：简单邮件传送协议
  • POP3：邮件读取协议
  • IMAP：邮件读取协议

七、OSI七层模型总结

层级名称主要设备关键概念
7应用层-应用程序接口
6表示层-数据表示、加密解密
5会话层-会话管理
4传输层-TCP、UDP、端口
3网络层路由器IP、子网、路由
2数据链路层交换机帧、MAC地址、CSMA/CD
1物理层集线器比特、信号、传输介质

参考资源