计算机网络

第一章 计算机网络概述（网络体系结构）

第二章 物理层

第三章 数据链路层

第四章 网络层

第五章 传输层

第六章 应用层

第七章 局域网技术

第一章 计算机网络概述

1.    计算机网络：一个互连的自主的按照某种协议通信以实现资源共享的计算机集合。、

　　三网——电信网络、有线电视网络、计算机网络

(1)网络边界：联网设备

　　Ø Client/Server (C/S) model

　　Ø Browser/Server (B/S) model

　　Ø peer-peer(P2P) model

(2)网络核心：骨干网<路由器、网中网>

　　Ø circuit switching

　　Ø packet-switching

(3)接入网：通信链路和接入设备

　　Ø 住宅小区接入网（modem拨号ISDNDedicated（专线，DDN，FR），XDSL，CABLE MODEM，HFC）

　　Ø 单位 (学校、公司)接入网（LAN+路由器）

　　Ø 移动接入网（无线LAN，蜂窝移动通信）

2.   计算机网络的分类

分类标准	类型
传输技术	广播网、点—点网
规模	局域网(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)，校园网
因特网技术	Internet、Intranet、Extranet
拓扑结构	星型、总线型、环形网、树形网、网状网
交换技术	线路交换网、分组交换网、信元交换网
带 宽	窄带网（2M bps以下）、宽带网（2M以上）
服务对象	公用网、专用网

3.  计算机网络的四个里程碑

　　Ø 第一个里程碑：以ARPA网的出现为标志；

　　Ø 第二个里程碑：以局域网（LAN）的出现为标志；

　　Ø 第三个里程碑：网络标准化,以OSI/RM的出现为标志；

　　Ø 第四个里程碑：以Internet的迅速发展与推广为特征。

4.   网络体系结构

       网络设计中采用的结构化设计方法：就是网络按照功能分成一系列的层次，每一层完成一个特定的功能，相邻层中的较高层直接使用较低层提供的服务实现本层的功能，同时又向它的上一层提供服务，服务的提供和使用都是通过相邻层的接口（服务访问点）来进行的。

       通信双方进行通信时所使用的约定或规则称为协议，网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列称为网络的协议栈。

       网络协议包括三个方面：语义（讲什么）、语法（如何讲）和时序（讲的次序）。

5.   网络参考模型

第二章 物理层

1.   物理层四大特性：机械特性，电气特性，功能特性，过程特性

2.   基本通信理论

名称	定义	公式	单位	注意
信号传输速率	每秒钟发送的码元数，又称波特率。	Bmax=2H H为信道带宽。	波特（baud）
数据传输速率	每秒钟能传送的二进制位数。	S=B*log2N	比特/s bps	区别上述两个指标的区别与联系。
信道容量	信道所支持的最大数据传输速率。	Smax=2*H* log2N(无噪信道) C = B log2 (1 + S/N)（噪音信道）	比特/s bps	其分有噪信道与无噪信道两种情况。
误码率	传输出错的码元数占传输总码元数的比例。	Pe=Ne/N

　　常用速率：T1（1.544Mbps）、E1（2.048Mbps）<时分复用帧>

3.　信号类型及信号变换

　　将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式，这类技术统称为调制/解调技术。

　　　　(1)调制的基本方法有调幅（ASK）、调频（FSK）和调相（PSK）三种，以模拟信号传输。

　　　　(2)脉冲编码调制技术，即解调（PCM），步骤有采样、量化和编码，以数字信号传输。

4.   多路复用技术：将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，极大提高了通信线路的利用率。

　　Ø 频分多路复用（FDM）：当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号，这就是频分多路复用（FDM）。例如以前的载波机。

　　Ø 时分多路复用（TDM）：当信道达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，称为TDM。分为同步TDM和异步TDM。

　　Ø 波分多路复用（WDM）：是FDM应用于光纤信道的一个变例。

　　Ø 码分多址（CDM）：它允许所有站在同一时间内使用整个信道进行数据传送

5.   交换技术

名称	思路	优点	缺点
电路交换	要求在通信的双方建立起一条实际的物理通道	数据传输可靠、迅速、而且保证顺序	电路建立和拆除的时间较长
报文交换	把要传送的数据作为一个报文。由若干个节点一个个传输下去	不需要建立专门的通路	不能满足交互或实时的通信要求
分组交换	将大报文分为若干个组，分别进行传送	传输效率高、出错率低、因此使用广泛	技术较为复杂
信元交换	以小的、固定长度（53）字节的信元来传输所有的信息

6.    数据传输方式

l        并行传输和串行传输

l        异步传输和同步传输

l        单工、半双工、双工

l        点到点和多点分支控制

7.    综合布线系统分为六个子系统：

　　   Ø  工作区子系统

　　   Ø  水平布线子系统

　　   Ø  电信间子系统

　　   Ø  主干布线子系统

　　   Ø  设备间子系统

　　   Ø  出入口设施

8.  数据终端设备称为DTE，数据通信设备称为DCE

9.  有线传输介质介质——双绞线、（粗、细）同轴电缆、光纤

     无线传输介质介质——蓝牙、wifi、红外线

10. 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码

第三章 数据链路层

数据链路层的功能是向网络层提供链路上的可靠透明的数据传输服务。主要内容包括组帧、差错控制、流量控制和常用数据链路层协议。

1. 组帧

　　Ø  ETHERNET帧格式

　　Ø  HDLC帧格式

　　Ø  PPP帧格式

2. 帧同步方法

帧同步方法	实现方法
字节计数法	帧头放一个存放长度的长度域。放置该帧的字节数。
字符填充法	使用特殊的ASCII字符作为帧的起始与终止定界符。
比特填充法	使用一个特殊的比特模式作为帧的起始与结束标志。
编码违例法	使用冗余码字作为帧的边界。

3. 差错控制：保证所有的帧最终都按顺序正确投送到目的主机的网络层。

   两个核心问题：检错与纠错。

　　(1)检错技术：奇偶校验码和循环冗余码。

　　　　常用的循环冗余码

• • 　　CRC-12
  • 　　CRC-16
  • 　　CRC-CCITT

　　(2)纠错技术：纠错码和ARQ

　　　　错误控制机制

　　　　　　Ø  Ack/Nak: 给发送方反馈发送结果

　　　　　　Ø  Time-out: 报文或应答丢失

　　　　　　Ø  Sequence numbers: 区分重复报文，明确  acked/nacked的报文序号

　　　　自动重传请求 (ARQ)

　　　　　　Ø  错误检测

　　　　　　Ø  应答(ACK/NAK)

　　　　　　Ø  超时重传

4.  流量控制 

　　两种流量控制策略：停-等协议和滑动窗口协议。

　　(1) 停等协议是最简单的流量控制策略，当发送方发完一帧后，等待对方的应答；如果收到“肯定应答”；接着发送下一帧；如果收到“否定应答”或“超过规定的时间没有收到应答”，则重发该帧。作为重复帧问题，只需加一个一位的帧编号即可。停等协议的控制比较简单。但效率比较低。

　　重发策略：

• 后退N帧重发，从出错开始重发。 
• 选择重发，当接收窗口内的某个帧出错或丢失时，重发该帧。

　　(2) 滑动窗口协议可以极大的提高传输效率。允许发送站发送多个帧而不需要应答，这就是窗口机制。其分为发送窗口和接收窗口。发送窗口就是发送端允许连续发送的帧的尺寸。发送端可以不等待应答而连续发送的最大帧数称为发送窗口的帧数。接收窗口是允许接收的帧的序号表。接收每次允许接收的帧数称为接收窗口的尺寸。

　　在实际的通信中，通常双方都要有数据要发送给对方，可以在数据帧中增加一个字段，专门用来携带对方的应答信息，这种方式称为捎带应答。

　　发送窗口大小=2^n-1　　　　　　接收窗口大小=2^n-1　　　　（n为窗口大小）

第四章 网络层

1. 地址规划

　　Ø  IP地址的概念：A，B，C，D，E类地址

　　Ø  特殊IP地址

　　Ø  私有IP地址

　　Ø  子网的划分

• • 　　VLAN(虚拟局域网)
  • 　　Trunk(中继技术)
  • 　　STP(生成树协议)
  • 　　Aggregate(以太网链路聚合)

　　Ø  VLSM（可变长子网掩码）—— 子网

　　Ø  CIDR（无类别域间路由）—— 超网，减少路由表

2. Internet地址转换协议

　　Ø  ARP（地址解析） —— IP地址转换为MAC地址

　　Ø  RARP（逆地址解析） —— MAC地址转换为IP地址

　　Ø  DNS（域名解析——递归/反复） —— 域名地址转换为IP地址

　　Ø  NAT（网络地址转换） —— 私有IP地址转换为公有IP地址

3. 路由选择算法

　　(1) 静态（固定）路由选择：预先编制好，用于负荷稳定、拓扑变化不大的网络。

　　　　Ø 最短路径算法（Dijkstra法）

　　　　Ø 固定路径算法（路由表格式）。

　　(2) 洪泛法

　　(3) 随机路由

　　(5) 自适应路由算法，也称为动态路由算法。

　　　　Ø 距离矢量（DV）路由选择算法（慢收敛）

　　　　　　30秒一发，按照‘跳数’进行记录，1个AG内路由数目<16

　　　　Ø 链路状态（LS或SPF）路由选择算法

　　　　　　每次路由发生变化后，进行广播，1个AG内路由数目<200

4. Internet路由协议

　　(1)自治系统（AG）

　　(2)Internet路由协议的分类

　　　　Ø IGP（内部路由协议） —— RIP，OSPF，HELLO，IGRP，EIGRP

　　　　Ø EGP（外部路由协议）—— BGP

5. IP协议

6. Internet控制（ICMP）协议 —— ping、Tracert

　　功能：用户拥塞控制、网络差错报告、网络连通测试、路由重定向

7. 网络互连

　　Ø  中继器/集线器(HUB)　　 物理层

　　Ø  网桥/交换机　　　　　　 数据链路层

　　Ø  路由器　　　　　　　　  网络层

　　Ø  网关　　　　　　　　　  传输层以上

8. 虚电路与数据报的对比

对比的方面	虚电路服务	数据报服务
思路	可靠通信应当由网络来保证	可靠通信应当由用户主机来保证
连接的建立	必须有	不需要
终点地址	仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号	每个分组都有终点的完整地址
分组的转发	属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发	每个分组独立选择路由进行转发
当结点出故障时	所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作	出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化
分组的顺序	总是按发送顺序到达终点	到达终点时不一定按发送顺序
端到端的差错处理和流量控制	可以由网络负责，也可以由用户主机负责	由用户主机负责

对比图如下：

                  

第五章 传输层

 

传输层，保证主机-主机之间的可靠传输，屏蔽下面的层，分离通信子网与资源子网。

 

 1. 常用的几个应用(协议)的端口号

依赖的传输层协议	协议	保留的端口号	备注
TCP	FTP-DATA	20	文件传输(数据链接)
	FTP	21	文件传输(控制链接)
	Telnet	23	远程登录终端
	SMTP	25	发送邮件
	HTTP	80	web应用
	POP3	110	接受邮件
	NNTP	119	网络新闻
UDP	TFTP	69	简单文件传输
	BOOTPC	68	(客户端)无盘站启动
	BOOTPS	67	(服务端)无盘站启动
	DNS	53	域名解析

2. UDP（User Datagram Protocol）：不可靠，无连接，面向数据报，单播与多播，确认重传机制（端口+差错检测）

　 TCP（Transport Control Protocol）：可靠，面向连接，面向流，单播，多用于局域网内（序号+确认号+连接管理+流量控制）

　　ü　 报文格式

　　ü　 连接管理：三次握手建立连接/拆除连接

　　ü　 流量控制：滑动窗口协议

　　ü　 拥塞控制

• • 　　慢启动（翻倍增加）—— 拥塞窗口<慢启动阀值
  • 　　拥塞避免（线性增加）—— 拥塞窗口>=慢启动阀值
  • 　　快速重传
  • 　　快速恢复

　　ü　 差错控制：四个定时器，超时时间设置　

• • 　　重发定时器 (retransmission timer)
  • 　　持续定时器 (persistence timer)
  • 　　keepalive timer
  • 　　TIMED WAIT timer

3. 发送窗口=min(流控窗口《接收方控制》，拥塞窗口《发送方控制》)   

4. 三次握手过程（SYN）

 

5. 四次挥手过程（FIN）　　6. 拥塞控制

 

 

第六章 应用层

 1. 域名结构

　　(1)普通顶级域名

域名	含义	域名	含义
com	商业组织	int	国际性组织
net	网络技术组织	mil	军队
edu	教育机构	gov	政府部门
org	非盈利性组织

　　(2)国家代码顶级域名

域名	含义	域名	含义
cn	中国	tw	台湾地区
jp	日本	fr	法国
hk	香港	sg	新加坡
de	德国	kr	韩国
au	澳大利亚	uk	英国

　　(3)通用顶级域名

域名	含义	域名	含义
name	用于个人	pro	用于会计、律师和医师等自由职业者
museum	用于博物馆	info	适用于各种情况
coop	用于合作团体	biz	用于公司和企业
aero	用于航空运输企业

　　(4)中国二级域名

域名	含义	域名	含义	域名	含义
ac	研究机构	com	商业公司	org	非盈利组织
net	提供网络服务的单位	edu	教育和科研单位	gov	政府机构

2. URL支持的协议

　　

 

3. 电子邮件

4. FTP文件传输

 

 

第七章 局域网技术

1. LAN组成

　　硬件：计算机和服务器，网卡，连网设备，电缆

　　软件：网络操作系统，驱动程序，通信协议，其他网络软件

2. 信道访问协议

　　(1)静态分配策略，包括频分多路复用与同步时分多路复用。这种策略不太适用。信道的利用率低。

　　(2)动态分配，有随机访问和控制访问两种。

　　　　Ø  随机访问适用于负载较轻的网络，其信道的利用率一般不高，但网络延迟时间较短。

　　　　Ø  当网络负载较重时，采用控制访问，可以获得很高的信道利用率。

　　(3)CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）

　　　　Ø  IEEE802.3标准

　　　　Ø  1-坚持CSMA、非坚持CSMA、p-坚持CSMA、带有冲突检测的CSMA

　　　　Ø  碰撞窗口 —— 可能发生冲突的时间区域（2*传播时延）

　　　　Ø  能够检测出碰撞的最小帧长= 10Mbps<传播速度> * 51.2μs<1个时间片> = 64字节

　　　　Ø  最大传输帧长=1518字节

　　　　Ø  帧间间隔 = 9．6μs；尝试极限 = 16次；退避极限 = 10次；人为干扰长 = 32bit；地址字段长 = 48bit

　　　　1-坚持型CSMA

• • 　　当某站要送数据时，先监听信道，若信道忙，就坚持监听，直到信道空闲为止，当空闲时立即发送一帧。若两个站同时监听到信道空闲，立即发送，必定冲突，即冲突概率为1，故称之为1-坚持型。假如有冲突发生，则等待一段时间后再监听信道。

　　　　非坚持型CSMA

• • 　　当某站监听到信道忙状态时，不再坚持监听，而是随机后延一段时间再来监听。其缺点是很可能在再次监听之前信道已空闲了，从而产生浪费。

　　　　P坚持型CSMA

• • 　　这种方式适合于时隙信道，当某站准备发送信息时，它首先监听信道，若空闲，便以概率P传送信息，而以概率（1-P）推迟发送。如果该站监听到信道为忙，就等到下一个时隙再重复上述过程。P坚持型CSMA可以算是1－坚持型CSMA和非坚持型CSMA的折衷，这两者算是P－坚持算法的特例，即P分别等于1和0时的情形。

　　　　对于P坚持型CSMA，如何选择P值，需要考虑如何避免在重负载情况下系统处于不稳定状态。假如当介质忙时，有N个站有数据等待发送，则当前的发送完成时，有NP个站企图发送，如果选择P过大，使NP＞1，则冲突不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为0。所以必须选择P值使NP＜1。如果尸值选得过于小，则通道利用率会大大降低。

3. 数据链路层在局域网参考模型中被分成了   MAC子层<介质访问控制>   与   LLC子层<逻辑链路控制>   。