[复试]计算机网络复习大纲

本文为复试复习大纲，较为简略，可参考王道408计算机网络以及谢均计算机网络教程

第一章 计算机网络概论

*计算机网络定义

​ 互联的、自治的计算机的集合。用通信设备和线路将分散在不同地点的有独立功能的多个计算机系统连接起来并按照网络协议进行数据通信，实现资源共享的计算机集合。

计算机网络由哪几个部分组成？
主机、通信子网、协议

计算机网络功能

​ 数据通信，资源共享，分布式处理，提高可靠性，负载均衡

计算机网络分类

覆盖范围：广域网，城域网，局域网，个人区域网

传输技术：广播室网络，点对点式网络

拓扑结构：星型、总线型、环形、网状型

交换技术：电路交换、报文交换、分组交换

面向连接和无连接服务各自的特点是什么？

面现象连接服务在数据交换之前，必须先建立连接，比较适合于在一定期间内要向同一目的地发送许多报文的情况。

无连接服务不需要先建立好连接，下层有关资源不需要实现预留，这些资源将在传输时动态地分配，特别适合于传送少量零星的

协议

语法、语义、同步

协议是水平的，服务是垂直的

OSI参考模型和TCP/IP参考模型

两个参考模型的区别是什么？

传输层：服务点编址、分段与重组、连接控制、流量控制、差错控制、封装源端口目的端口

网络层：为网络设备提供逻辑地址，进行路由选择，分组转发。封装源IP、目的IP、协议号

数据链路层：组帧、物理编址、流量控制、差错控制、接入控制。封装源MAC、目的MAC、帧类型

因特网的三个阶段

单个网络ARPANET向互联网发展

主干网，地区网，校园网三级结构

多层次ISP结构因特网

计算机网络标准化

因特网草案、建议标准、草案标准、因特网标准

主要性能指标

速率、带宽、吞吐量、发送时延、传播时延、处理时延、时延带宽积、往返时间、利用率

因特网的组成

边缘部分、核心部分

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第二章 物理层

四大特性

机械特性、电气特性、功能特性、规程特性

编码与调制

模拟信号：连续

数字信号：离散

编码：把数字数据/模拟数据变换为数字信号

调制：把数字数据/模拟数据转换成模拟信号

数字数据 -> 数字信号

归零码、非归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

数字数据 -> 模拟信号

调频、调幅、调相

模拟数据 -> 模拟信号

频分复用

模拟数据 -> 数字信号

抽样、量化、编码

信道容量计算

奈奎斯特定律

\[2W Baud \]

香农定律

\[C = Wlog_2(1+S/N)(bps) \]

其中

\[S/N(db) = 10log_10(S/N) \]

传输方式

串行传输和并行传输

同步传输和异步传输

1. 异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输
2. 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧
3. 异步传输对时序要求低，而同步往往通过特定的时钟线路协调时序
4. 异步相对于同步传输效率较低

单工通信、半双工通信、全双工通信

传输介质

微波、红外线、激光、双绞线、同轴电缆、光纤

传输速率、传输距离、价格、抗干扰能力：光纤>同轴电缆>双绞线

设备

中继器

一个以太网上只允许出现5个网段、最多使用4个中继器、而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端

集线器

可以看作多端口的中继器

信道复用

频分复用

时分复用

波分复用

码分复用

数据传输方式

电路交换

在通信之前建立一条双方独占的物理通路，

报文交换

存储转发时延长，过长的报文误码率高，不利于可靠传输。

分组交换

虚电路交换：非独占

第三章 数据链路层

为网络层提供服务，链路管理，帧定界，帧同步，透明传输，流量控制，差错控制

链路和数据链路区别

局域网特点：拓扑结构规则，协议简单，范围有限，用户个数有限，较高的数据传输率，低误码率

封装成帧

字符计数法

字符填充法

零比特填充

违规编码法

比较普遍的帧同步法是比特填充和违规编码法（IEEE802局域网）

透明传输

差错控制

奇偶检验

循环冗余：每个帧除以发送时使用的生成多项式，检查余数R，R==0则数据没有出错

海明码：只能检查一位错码位置

可靠传输、流量控制

停止等待协议

滑动窗口协议

​ 后退n帧协议（GBN） 累计确认

​ 选择重传协议（SR） 单个确认

PPP协议

F	A	C	协议	数据	FCS	F

PPP面向字节，所有PPP帧长度都是整数字节

数据长度0~1500字节之间

透明传输问题

0x7E -> 0x7D,0x5E

0x7D -> 0x7D,0x5D

对于ASCII码，在字符前加入0x7D，同时将该字符编码与0x20进行异或，接收端进行反向操作。

以太网帧（MAC）

帧起始符	目的MAC	源MAC	类型	数据	填充	FCS

单播

广播

多播

帧间最小间隔为96比特时间

拓扑结构

星型网络：便于集中管理，但中央设备对故障敏感。

环形网络：令牌环网。

总线型网络：增删节点方便，重负载时通信效率不高，任意一处出问题全线瘫痪。

树形网络：多用于广域网，可靠性高，成本高，线路复杂。

共享式以太网

ALOHA协议

纯ALOHA：需要传送时立即传送，如果冲突，等一段时间再次传送。

时隙ALOHA：只能在一个时隙的开始传送

CSMA

坚持CSMA	空闲传输，忙则一直监听，直到到空闲马上传输
非坚持CSMA	空闲传输，忙则随即等待再监听
p坚持CSMA	空闲p概率发送，1-p下个时隙传输

CSMA/CD

先听再发，边听边发，冲突则停，随机等待

无线局域网

CSMA/CA

检测信道，空闲时间达DIFS时发送数据帧，接收主机收到后等待一个SIFS后发出确认。

源站若没有收到确认就要重传此帧。

设备

网桥

透明网桥

源路由网桥：要使用发现帧，对主机不透明

以太网交换机

交换机实质上就是一个多接口的网桥

直通方式

VLAN

通过逻辑配置来建立多个逻辑上独立的虚拟网络，连接在同一交换机上的两个站点可以属于不同的VLAN，属于VLAN的两个站点可能连接在不同的交换机上

网络层

异构网络互联，路由转发，拥塞控制

网络层向上只提供简单灵活、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

IP

每个分组独立选择路由

发往同一个目的地的分组，可能不按顺序接收

通信量过大时，路由器会丢弃一些分组

IP不保证可靠交付，尽最大努力服务

ARP

IP网络是虚拟的，IP网络上传送的是IP数据报，实际上在网络链路上传送的是帧，使用的是帧的MAC地址，ARP用来吧IP地址转换为MAC地址。

1）ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组：
2）在本局域网上所有主机上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组：
3)主机B在ARP分组中见到自己的IP地址，就向主机A发送ARP响应分组，并写入自己的硬件地址：
4)主机A收到主机B的AARP响应分组后，就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射

RARP

IPv4

首部固定部分20B，首部长度，总长度和片偏移的基本单位为4B、1B、8B

NAT

静态NAT（一对一）

动态NAT（多对多）

外网IP地址池

网络地址端口转换（多对一）

内部链接映射到外网一个单独的IP+端口号上

CDIR

ICMP

ICMP唯一地功能是报告问题而不是纠正错误，纠正错误的任务由发送方完成。

主要功能：1、确认IP包是否成功到达目标地址。2、通知在发送过程中被丢弃的原因。

路由算法

内部网关协议

IGP

RIP

最大跳数为15，因此不可能在大型网络中得到应用

1. 仅和相邻路由器交换信息
2. 交换的是当前路由器的路由表
3. 按固定的时间间隔交换信息

OSPF

使用Dijkstra算法，洪泛法

1. 适用范围广，支持各种规模的网络
2. 快速收敛
3. 无自环：使用最短路径树算法计算路由
4. 区域划分

EGP

BGP

VPN

在公用网络上建立专用网络的技术

*组播

*IGMP

移动IP

IPv4到IPv6的过渡

双协议栈、隧道技术

设备

路由器

1. 网络互连
2. 数据处理
3. 网络管理

当分组到达路由器时，路由器检查报文分组的网络层地址，然后根据路由表以及路由算法决定该报文分组往下应该传送给哪个路由器或网络结点

运输层

物理层、数据链路层、网络层共同解决了主机通过异构网络互联起来所面临的问题，实现了主机到主机之间的通信，但实际上网络中进行通信的真正实体时位于通信两端主机中的进程。

1. 运输层为不同主机上的应用进程提供端到端的逻辑通信功能。
2. 复用和分用
   1. 发送端，多个应用进程共用一个传输层
   2. 接收端，传输层会根据端口号将数据分派给不同的用户进程
3. 差错检测
4. 面向连接和无连接的服务

网络层提供了主机之间的逻辑通信，而运输层为运行在不同主机上的进程之间提供了逻辑通信。运输层依赖并清华网络层服务，提供不同主机进程之间的逻辑通信。

UDP

协议号：17

无连接的传输层协议，不可靠信息传送服务，主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序的检查与排序由应用层完成。

当强调传输性能而不是传输完整性时，如：音频和多媒体应用，UDP是最好的选择。

UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等，可靠性较差。

首部格式

8字节

源端口	目的端口	长度（包括数据和首部的长度）	校验和
2	2	2	2

伪首部：指在TCP或UDP数据报格式中，在数据包首部增加源IP地址、目的IP地址、IP分组和协议字段、数据包总长度等共12字节，所构成的拓展首部结构，用于生成校验和。

TCP

协议号：6

首部格式

字段名称	长度（位）	描述
源端口号	16	标识发送端的端口号。
目的端口号	16	标识接收端的端口号。
序列号	32	数据字节流中的下一个期望字节的顺序号，用于数据重组。
确认号	32	期望收到的下一个数据字节的顺序号，仅当ACK标志位被设置时有效。
数据偏移	4	指出TCP首部的长度（以32位字为单位）。
保留位	3	保留未来使用，目前应置为0。
控制位（标志）	6	包括URG（紧急指针）、ACK（确认）、PSH（推送）、RST（重置连接）、SYN（同步序列号）、FIN（结束连接）等标志位。
窗口大小	16	指定发送端可发送的数据量，用于流量控制。
校验和	16	用于错误检测，覆盖整个TCP段，包括数据、首部和伪首部。
紧急指针	16	仅当URG标志位被设置时有效，指出紧急数据的结束位置。

TCP首部的最小长度是20字节（不包括选项），当包含选项时，首部长度可以增加到最大60字节。

连接与释放

连接（三次握手）

1. SYN=1，seq=x
2. ACK=1，SYN=1，确认序号x+1，seq=y
3. ACK=1，SYN=0，确认序号y+1，seq=x+1，此时可以捎带数据

释放（四次挥手）

有点像拆除两个方向单工线路的感觉

1. A：FIN=1，seq=u
2. B：ACK=1，确认序号u+1，seq=v
3. B：FIN=1，确认序号u+1，seq=w
4. A：ACK=1，确认序号w+1，seq=u+1，注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2*MSL（最长报文寿命）的时间后，才进入CLOSED状态。

可靠传输

辨析以下几个概念：

发送窗口，通知窗口和可用窗口

发送缓存和接收缓存

选择确认

慢开始

cwnd从1开始指数增长

拥塞避免

cwnd<ssthresh，使用慢开始

cwnd>ssthresh，使用拥塞避免，每次cwnd+1

不论是慢开始还是拥塞避免阶段，只要超时了，就把ssthresh减半，并执行慢开始算法（swnd从1开始）

快重传

连续收到3个重复确认立即重传未收到的报文段

快恢复

收到3个重复确认使ssthresh减半，但把拥塞窗口的值设置为慢开始门限减半后的值，而不是1。

第六章 应用层TCP

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程序	FTP数据	FTP控制	SMTP	DNS	HTTP	POP3	TELNET
使用协议	TCP	TCP	TCP	UDP	TCP	TCP	TCP
端口号	20	21	25	53	80	110	23

网络应用模型

C/S

1. 服务器总是打开的，客户机不总是打开
2. 服务器是处理所有逻辑的中心
3. 客户机一般不直接通信，而是通过服务器

P2P

1. 减少服务器压力和对服务器依赖
2. 可拓展性好
3. 网络健壮

DNS

把主机名转换为IP地址

运行在UDP之上，使用53端口

服务器分类

• 根域名服务器
• 顶级域名服务器
• 授权域名服务器
• 本地域名服务器

域名解析过程

递归查询

• 在递归查询中，客户端向其配置的DNS服务器发起请求，如果这个DNS服务器没有缓存所请求的记录，它将代表客户端向其他DNS服务器查询，直到获取到答案，然后再将答案返回给客户端。
• 客户端只需要等待最终答案，而不需要关心查询过程中的中间步骤。

迭代查询

• 在迭代查询中，DNS服务器会向客户端提供下一个查询的DNS服务器地址，客户端将查询任务转发到这个新的服务器，依此类推，直到找到答案。
• 客户端需要对每个参与解析的DNS服务器执行一个单独的查询，这个过程可能涉及多个DNS服务器。

​ 在实际应用中，递归查询由于其简单性和对用户的友好性而被广泛使用，尤其是在最终用户的环境中。然而，由于递归查询可能导致单个DNS服务器的负载过重，因此在大型网络中，通常使用迭代查询来分散负载并提高系统的整体性能。

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