计算机网络思维导图

暑假期间总结的，内容都比较基础，可用作基础复习！文章最下方有思维导图PDF版本下载链接！

再长的路，一步步也能走完，再短的路，不迈开双脚也无法到达。

01计算机网络体系结构

01计算机网络概述

• 概念
  • 计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
• 组成
  • 组成部分
    • 硬件
      • 由主机（端系统）、通信系统（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）和通信处理机（网卡）
    • 软件
      • 包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件
    • 协议
      • 协议规定了网络传输数据时所遵循的规范。
  • 工作方式
    • 边缘组成
      • 由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享
    • 核心组成
      • 由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务
  • 功能组成
    • 通信子网
      • 由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信
    • 资源子网
      • 实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务
• 功能
  • 数据通信
    • 实现联网计算机之间的各种信息的传输
  • 资源共享
    • 可以是软件共享、数据共享、也可以是硬件共享。使计算机网络中的资源互通有无、分工协作、从而极大地提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。
  • 分布式处理
    • 将其处理地某个复杂任务分配给网络中地其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率
  • 提高可靠性
    • 计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机
  • 负载均衡
    • 将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机
• 分类
  • 分布范围
    • 广域网、城域网、局域网、个人区域网
  • 传输技术
    • 广播式网络、点对点网络
  • 拓扑结构
    • 总线型、行型、环型、网状型
  • 使用者
    • 公用网、专用网
  • 交换技术
    • 电路交换、报文交换、分组交换
  • 传输介质
    • 有线网络
      • 双绞线网络、同轴电缆网络等
    • 无线网络
      • 蓝牙、微波、无线电等
• 性能指标
  • 带宽
    • 计算机网络中，贷款用来表示网络的通信线路传输数据的能力，通常是指单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是“比特每秒”
  • 时延
    • 指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）地一端传送到另一端所需的时间
      • 发送时延（传输时延）

        • 从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需地时间

          发送时延=分组长度/信道宽度

      • 传播时延

        • 电磁波在信道中传输一定地距离需要花费地时间，即一个比特从链路地一端传输到另一端所需地时间。

          传输时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

      • 处理时延
        • 数据在交换节点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。
      • 排队时延
        • 路由器确定转发端口后，还要再输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。
  • 时延带宽积
    • 发送端连续发送数据且发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出的比特数。即时延带宽积=传播时延*信道宽度
  • 往返时间时延
    • 从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方地确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
  • 吞吐量
    • 指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）地数据量。吞吐量受网络带宽或网络额定速率地限制。
  • 速率
    • 指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称为数据率或比特率。
  • 利用率
    • 信道利用率
      • 有数据通过时间/（（有+无）数据通过时间）
    • 网络利用率
      • 信道利用率加权平均值

02计算机网络体系结构与参考模型

• 01计算机网络分层结构
  • 分层的基本原则
    • （1）各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
    • （2）每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
    • （3）结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
    • （4）保持下层对上层地独立性，上层单向使用下层提供地服务。
    • （5）整个分层结构应能促进标准化工作
• 02计算机网络协议、接口、服务地概念
  • 实体
    • 第N层中的活动元素称为n层实体。同一层地实体叫对等实体。
  • 协议
    • 为进行网络中的对等实体数据交换而建立地规则、标准或约定称为网络协议。
      • 语法
        • 规定传输数据地格式
      • 语义
        • 规定所要完成的功能
      • 同步
        • 规定各种操作的顺序
  • 接口（访问服务SAP）
    • 上层使用下层服务的入口
  • 服务
    • 下层为相邻上层提供的功能调用
      • 服务原语-上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令
        • 请求
          • 由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作
        • 指示
          • 由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情
        • 响应
          • 由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应
        • 证实
          • 由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实
      • 计算机网络提供的服务分类
        • （1）面向连接服务与无连接服务
          • 面向连接服务
            • 通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源（如缓冲区），以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和所占的资源。
          • 无连接服务
            • 通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，把每个带有目的地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定线路进行传输。
        • （2）可靠服务和不可靠服务
          • 可靠传输
            • 网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠性传送到目的地。
          • 不可靠传输
            • 网络只是尽量正确、可靠地传送，而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务
        • （3）有应答服务和无应答服务
          • 有应答服务
            • 接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不由用户实现。
          • 无应答服务
            • 接收方收到数据后不自动给出应答。若需要应答，则由高层实现。
• 03ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型
  • 7层OSI参考模型
    • 7应用层
      • 所有能和用户交互产生网络流量的程序
    • 6表示层
      • 用于处理再两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）
    • 5会话层
      • 向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据
    • 4传输层
      • 负责主机中两个进程的通信，即端到端地通信
    • 3网络层
      • 主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网路层传输单位是数据报。
    • 2数据链路层
      • 主要任务是把网络层传下来地数据报组装成帧。
    • 1 物理层
      • 主要任务是在物理媒体上实现比特流地透明传输。物理层传输单位是比特。
  • TCP/IP模型
    • 4应用层
      • 包含所有的高层协议，如虚拟终端协议、文件传输协议FTP、域名解析服务DNS、电子邮件协议SMTP、超文本传输协议HTTP
    • 3传输层

      • 和OSI中的传输层类似

        使得发送端和目的端主机上的对等实体进行会话

        • 传输控制协议TCP
          • 面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠地交付
        • 用户数据报协议UDP
          • 无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”
    • 2网际层

      • 和OSI网络层上相似

        网际层将分组发往任何网络，并为之独立地选择合适的路由，但它不保证各个分组有序地到达，各个分组的有序交付由高层负责。

    • 1网络接口层

      • 类似OSI的物理层和数据链路层。

        指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便在其上传递IP分组。

        作用是从主机或结点接收IP分组，并把它们发送到指定的物理网络上。

  • 5层参考模型
    • 5应用层
      • 支持各种网络应用 FTP、SMTP、HTTP
    • 4传输层
      • 进程-进程的数据传输 TCP、UDP
    • 3网络层
      • 源主机到目的主机的数据分组路由与转发 IP、ICMP、OSPF等
    • 2数据链路层
      • 把网络层传下来的数据报组装成帧 Ethernet、PPP
    • 1物理层
      • 比特传输
  • TCP/IP模型与OSI参考模型的比较
    • 相同点
      • 二者都采取分层的体系结构，将庞大且负责的问题换分为若干较容易处理的、范围较小的问题，而且分层的功能也大体相似
      • 二者都是基于独立的协议栈的概念
      • 二者都可以解决异构网络的互联
    • 不同点
      • OSI参考模型精确定定义了三个主要概念：服务、协议和接口；而TCP/IP模型在这三个概念上却没有明确区分
      • OSI参考模型产生在协议发明之前，没有偏向于任何特定的协议，通用性良好；TCP/IP模型正好相反，该模型不适合于任何其他非TCP/IP的协议栈

      • TCP/IP模型在设计之初就考虑到了多种异构网的互联问题，并将网络协议IP作为一个单独的重要层次。

        OSI参考模型只考虑到用一种标准的共用数据网将各种不同的系统互连。

      • OSI参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。

        TCP/IP模型认为可靠性是端到端的问题，因此它在网际层仅有一种无连接的通信模式，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

02物理层

01通信基础

• 1基本概念
  • 相关术语
    • 数据
      • 指传送信息的实体。
    • 信号
      • 指数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。
    • 码元
      • 指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位K进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度
    • 信源
      • 产生和发送数据的源头
    • 信道
      • 是信号传输媒介
    • 信宿
      • 是接收数据的终点，通常都是计算机或其他数字终端装置
    • 速率，称为数据率，指的是数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量
      • 码元传输速率（码元速率、波形速率）
        • 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特
      • 信息传输速率（信息速率、比特率）
        • 表示单位时间内数字通信系统传输的二进码元个数（比特数，单位比特/秒）
    • 带宽
      • 指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（HZ）。表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”
    • 信道宽度
      • 信道能通过的最高频率和最低频率之差
    • 码间串扰
      • 接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象
  • 两种传输方式
    • 串行传输
      • 指一个一个的比特按照时间顺序传输
    • 并行传输
      • 指多个比特通过多条通信信道同时传输
  • 实现同步的传输/通信方式
    • 同步传输
      • 在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。
    • 异步传输
      • 异步传输将比特分成小组进行传输，小组可以是8位的一个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。
  • 三种数据通信方式
    • 单工通信
      • 只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道
    • 半双工通信
      • 通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息，此时需要两条信道
    • 全双工通信
      • 通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道
• 2奈氏准则与香农定理
  • 奈氏准则
    • 概念
      • 在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。
    • 公式
      • 理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V (b/s)
    • 结论
      • （1）在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重-的码间串扰问题，使得接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
      • （2）信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多），就可用更高的速率进行码元的有效传输。
      • （3）奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
      • （4）由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
  • 香农定理
    • 概念
      • 在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
    • 公式
      • 信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N) (b/s)
    • 结论
      • （1）信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
      • （2）对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
      • （3）只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
      • （4）香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
      • （5）从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
• 3编码与调制
  • 概念
    • 调制
      • 把数据变换为模拟信号的过程
    • 编码
      • 把数据变换为数字信号的过程
  • 1数字数据编码为数字信号
    • （1）非归零编码
      • 用两个电压来代表两个二进制数字 ，如用低电平表示0，用高电平表示1；或者相反
    • （2）曼彻斯特编码
      • 将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1；码元0的表示方法则正好相反。
    • （3）差分曼彻斯特编码

      • 同1异0；常用于局域网传输；若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。

        该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

    • （4）4B/5B编码
      • 将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束、线路的状态信息等）或保留
  • 2数字数据调制为模拟信号
    • 概念
      • 在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。
    • 调制方法
      • （1）幅移键控（ASK）
        • 通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变。抗干扰能力差。
      • （2）频移键控（FSK）
        • 通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位不改变。抗干扰能力强。
      • （3）相移键控（PSK）
        • 通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。又分为绝对调相和相对调相。
      • （4）正交振幅调制（QAM）
        • 在频率相同的前提下，将ASK和PSK结合起来，形成叠加信号。
  • 3模拟数据编码为数字信号
    • 采样定理
      • 将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f必须等于最大频率f 的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息
    • 采样
      • 指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
    • 量化
      • 把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。
    • 编码
      • 把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
  • 4模拟数据调制为模拟信号
    • 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。
• 4电路交换、报文交换与分组交换
  • 1电路交换
    • 概念
      • 在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。
    • 优点
      • 通信时延小
      • 有序传输
      • 没有冲突
      • 适用范围光
      • 实时性强
      • 控制简单
    • 缺点
      • 建立连接时间长
      • 线路独占
      • 灵活性差
      • 难以规格化
  • 2报文交换
    • 概念
      • 数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式
    • 优点
      • 无须建立连接
      • 动态分配线路
      • 提高线路可靠性
      • 提高线路利用率
      • 提供多目标服务
    • 缺点
      • 由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）
      • 报文交换对报文大小没有限制，这就要求网络及欸DNA需要有较大的缓存空间
  • 3分组交换
    • 概念
      • 采用存储转发方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息，构成分组。
    • 优点
      • 无建立时延
      • 线路利用率高
      • 简化了存储管理
      • 加速传输
      • 减少了出错概率和重发数据量
    • 缺点
      • 存在传输时延
      • 需要传输额外的信息量
      • 当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组。
  • 三种比较
    • 要传送的数据量很大且其传送时间远大于呼叫时间时，采用电路交换较为合适。
    • 端到端的通路由多段链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
    • 从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合计算机之间的突发式数据通信。
• 5数据报与虚电路
  • 数据报
    • 数据报的方式
      • 1源主机（A）将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点（A）
      • 2结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同
      • 3结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本
    • 特点
      • 1发送分组前不需要建立连接。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
      • 2同一报文的不同分组达到目的结点时，可能发生乱序，重复与丢失
      • 3每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号
      • 4分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
      • 5网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障地适应能力强
      • 6存储转发地时延一般较小，提高了网络的吞吐量
      • 7收发双方不独占某一链路，资源利用率较高
  • 虚电路
    • 虚电路的方式
      • 虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点。一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑链接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息
    • 虚电路的特点
      • 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和小量的短分组情况显得很浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率较高。
      • 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径。
      • 虚电路提供了可靠地通信功能，能保证每个分组正确且有序到达。
      • 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。
      • 分组首部并不包含目的地址，而包含虚电路标识符，相对数据包方式开销小。

02传输介质

• 概念
  • 发送设备和接收设备之间的物理通道
• 导向传输介质
  • 双绞线-由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成
    • 屏蔽双绞线（STP）
      • 在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层
    • 屏蔽双绞线（UTP）
      • 无屏蔽层的双绞线
  • 同轴电缆-由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成
    • 50Ω同轴电缆
      • 主要用于传送基带数字信号，又称基带同轴电缆，它在局域网中应用广泛
    • 70Ω同轴电缆
      • 主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，主要用于有线电视系统
  • 光纤-主要由纤心和包层构成，光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信
    • 多模光纤
      • 从不同角度入射的多束光线可在一条光纤中传输
    • 单模光纤
      • 光线一直向前传播，不会产生多次反射
• 非导向传输介质
  • 无线电波
    • 具有很强的穿透能力，可以传输很长的距离，所以它被广泛应用于通信领域，如无线手机通信，无线局域网等
  • 微波
    • 地面微波接力通信
      • 频率较高，频段范围很宽，载波频率通常为2-40GHZ，因而通信信道的容量大。沿直线传播的，故在地面的传输距离有限，超过一定距离后就要用中继站来接力。
    • 卫星通信
      • 利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号，可以克服地面微波通信距离的限制。
  • 红外光、激光
    • 红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再直接在空间中传播
• 物理层接口的特性
  • 机械特性
    • 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引线的数目、引脚的数量和排列情况等。
  • 电气特性
    • 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
  • 功能特性
    • 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，接口不见得信号线（数据线、控制线、定时线等）
  • 规程特性
    • 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

03物理层设备

• 中继器
  • 将信号整形并放大再转发出去，消除信号的失真和衰减问题，具有5-4-3规则
• 集线器
  • 实质上是一个多端口中继器，对信号进行放大后发到其他所有端口

03数据链路层

功能

• 主要作用
  • 加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路
• 为网络层提供服务
  • 无确认的无连接服务
    • 源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，目的机器收到数据帧时不需发回确认。
  • 有确认的无连接服务
    • 源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，目的机器收到数据帧时必须发回确认。
  • 有确认的面向连接服务
    • 目的机器对收到的每一帧都要给出确认，原机器收到确认后才能发出下一帧。
• 链路管理
  • 数据链路层连接的建立、维持和释放的过程
• 帧定界
  • 首部和尾部中含有很多控制信息，他们的一个重要作用是确定帧的界限
• 帧同步
  • 是接收方应能从接收到的二进制比特流中分出帧的起始与终止
• 透明传输
  • 不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送
• 流量控制
  • 限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力
• 差错控制
  • 用以使发送方确定接收方是否正确收到由其发送的数据的方法

组帧

• 字符计数法
  • 在帧头部使用一个计数字段来表明内字符数
• 首尾定界法
  • 概念
    • 使用特定字符或比特模式定结帧的开始和结束
  • 字符填充
    • 在数据中的特殊字符前面用转义字符填充
  • 比特填充
    • 数据区每遇到连续5个1就填充一个
• 违规编码法
  • 信号传输过程中采用违规的编码来表示帧的起始和终止

差错控制

• 检错编码
  • 奇偶效验码、循环冗余码
• 纠错编码
  • 海明码

可靠传输

• 数据链路层通常使用确认和超时重传两种机制来保证可靠传输

流量控制

• 停止等待协议
  • 发送方每发送一帧都要等待接收方的应答信号才能发送到下一帧
• 后退N帧协议
  • 发送方一次可发送N帧，按序接收，重传从最后一个确认开始
• 选择重传协议
  • 发送乙方一次可发送N帧，可以不按序接收，重传没有确认的帧

介质访问

• 信道划分
  • 频分复用
    • 将多路信号调制到不同频率载波上叠加形成一个复合信号
  • 时分复用
    • 将物理信道按时间分为若干时间片，轮流给不同信号使用
  • 波分复用
    • 在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号
  • 码分复用
    • 靠不同的编码来区分各路原始信号，例如CDMA技术
• 随机访问
  • ALOHA协议
    • 纯ALOHA
      • 不检测直接发送，若无确认则等待重发
    • 时隙ALOHA
      • 将时间划分为若干等长时隙，按时发送
  • CSMA协议
    • 1-坚持
      • 闲则发送，忙则继续监听
    • 非坚持
      • 闲则发送，忙则等待一个随机时间监听
    • p-坚持
      • 闲则以概率p发送，1-p等待下一个时隙忙则等待一个随机时间监听
  • CSMA/CD协议
    • 流程
      • 先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
    • 碰撞解决
      • 采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题
  • CSMA/CD协议
    • 避免碰撞
      • 预约信道、ACK帧、RTS/CTS帧
    • 解决碰撞
      • 采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题
• 轮询访问
  • 令牌传递协议，只有得到令牌的机器才能发送数据，其他必须等待

局域网

• 在一个较小地理范围内，将各种计算机等设备通过双绞线等介质连接

广域网

• PPP协议
  • 面向字节，采用字节填充方式，只支持全双工链路
• HDLC协议
  • 面向比特，采用0比特插入法，帧类分为信息帧、监督帧和无编号帧

设备

• 网桥
  • 特点
    • 把两个或多个以太网通过网桥连接起来变成一个网段
  • 类型
    • 透明网桥
      • 按照自学习算法填写转发表，按转发表转发
    • 源路由网桥
      • 先发送发现帧，按返回结果转发
• 交换机
  • 特点
    • 实际就是一个多端口网桥
  • 交换方式
    • 直通式
      • 帧在接收后只检查目的地址，几乎能马上就被传出去
    • 存储式转发
      • 先将接收到的帧缓存到高速缓存器，检查数据正确性
• 相同点
  • 按MAC地址转发，都能隔离冲突域，不能隔离广播域

04网络层

网络层的功能

• 功能
  • 主要任务是把分组从源端传送目的端，分为交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。
• 异构网络互联
  • 网络互联，是指将两个以上的计算机网络，通过一定的方法，用一种或多种通信处理设备（即中间设备）相互连接起来，以构成最大的网络系统。
• 路由与转发
  • 路由选择
    • 指按照复杂的分布式算法，根据从各相邻路由器所得到的关于整个网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。
  • 分组转发
    • 指路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去。
• 拥塞控制
  • 若所有结点都来不及接受分区，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。

路由算法

• 静态路由与动态路由
  • 静态路由算法（非自适应路由算法）
    • 由网络管理员手工配置的路由信息
  • 动态路由算法（自适应路由算法）
    • 指路由器上的路由表项是通过相互连接的路由器之间彼此交换信息，然后按照一定的算法优化出来的
• 距离-向量路由算法
  • 计算一个路由中的站段数或延迟时间，从而得到到达一个目标的最短（最小代价）通路
• 链路状态路由算法
  • 执行两项任务
    • 一、主动测试所有邻接结点的状态。两个共享一条链接的结点是相邻结点，它们连接到同一条链路，或者连接到同一广播型物理网络
    • 二、定期地将链路状态传输给所有其他结点（路由结点）。典型的链路状态算法是OSPF算法
• 层次路由
  • 概念
    • 将互联网分成许多较小的自治系统，系统有权决定自己内部采用什么路由协议
  • 协议
    • 内部网管协议
      • 自治系统内部使用的网关协议，如RIP、OSPF
    • 外部网管协议
      • 自治系统之间使用的网关协议，如BGP4

IPV4

• 首部
  • 固定部分共20B，其中首部长度、总长度和片偏移的基本单位分别为4B、1B、8B
• NAT
  • 实现专用网络地址和公用网络地址之间的相互转换
• 子网划分
  • 采用子网掩码对物理子网使用的再一次进行子网划分
• CIDR
  • 在变长子网掩码的基础上提出的一种消除传统A、B、C类网络划分
• 路由聚合
  • 概念
    • 将网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”
  • 目的
    • 使得一个地址块可以表示很多地址，减少路由表表项和路由器间的信息交换
  • 方法
    • 把一串IP地址都写为二进制表示，取最长的公共前缀作为网络号
• 协议
  • ARP
    • 对于特定的IP地址，查询其对应的物理地址
  • DHCP
    • 给网络中的主机动态的分配IP地址
  • ICMP
    • 用来给主机或路由器报告差错和异常情况

路由协议

• IGP
  • RIP协议
    • 基于距离向量路由选择协议，使用UDP，与相邻路由器交换整个路由表
  • OSPF协议
    • 基于链路状态路由算法，使用IP，与全部路由器交换相邻结点链路状态
• EGP
  • BGP协议
    • 基于路径向量路由选择协议，使用TCP，寻找的并非最佳路径

IP组播

• 在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接，应用UDP协议，使用D类地址

移动IP

• 概念
  • 移动节点以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能
• 组成
  • 移动结点、本地代理、外部代理

路由器

• 特点
  • 可以用来连接异构网络，完成路由转发，能隔离冲突域和广播域，依照IP地址转发
• 组成
  • 控制部分
    • 路由选择处理机，根据路由协议构造与维护路由表
  • 分组转发部分
    • 交换结构、一组输入端口和一组输出端口

05传输层

传输层提供的服务

• 传输层的功能
  • 提供服务
    • 进程之间的逻辑通信，复用和分用、差错检测、面向连接的TCP和无连接的UDP
  • 传输层的功能
    • 传输层提供应用进程之间的逻辑通信（即端到端的通信）。
    • 复用和分用
      • 复用
        • 指发送方不同的应用进程都可使用同一个传输层协议传输数据
      • 分用
        • 指接收方的传输层在剥去报文的首部后能够把这些数据正确交付到目的应用进程。
    • 传输层还要对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分）。而网络层只检查IP数据报的首部，不检测数据部分是否出错。
    • 提供两种不同的传输协议，即面对连接的TCP和无连接的UDP
• 传输层的寻址与端口
  • 端口的作用
    • 端口能让应用层的各种应用进程将其数据通过端口向下交付给传输层，以及让传输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程
  • 端口号
    • 服务端使用的端口号
      • 熟知端口号
        • 给TCP/IP最重要的一些应用程序，让所有用户都知道0-1023
      • 登记端口号
        • 为没有熟知端口号的应用程序使用的1024-49151
    • 客户端使用的端口号
      • 仅在客户进程运行时才动态选择，又称为短暂端口号(临时端口号)
  • 套接字
    • 在网络中采用发送方和接收方的套接字组合来识别断点。所谓套接字，实际上是一个通信端点。
• 无连接服务与面向连接服务
  • 面向连接服务
    • 在通信双方进行通信之前，必须先建立连接，在通信过程中，整个连接的情况一直被实时地监控和管理。
  • 无连接服务
    • 无连接服务是指两个实体之间地通信不需要先建立好连接，需要通信时，直接将信息发送到“网络”中，让该信息地传递在网上尽力而为地往目的地传送。

UDP协议

• 特点
  • 无连接、首部开销小、最大努力交付，应用层要保证可靠性
• 首部
  • 8B，分贝为源端口号、目的端口号、长度、校验和
• 校验
  • 采用首部、伪首部、数据进行二进制反码运算求和再取反

TCP协议

• 特点
  • 有连接、一对一、提供可靠交付、全双工通信、面向字节流
• 首部
  • 20B，源端口、目的端口、序号、确认号等控制信息
• 连接管理
  • 三次握手建立，四次握手释放
• 可靠传输机制
  • 序号
    • 用来保证数据能有序提交给应用层
  • 确认
    • 确认号为期待收到的下一个报文段第一个字节的序号
  • 重传
    • 超时
      • 计时器到期还没收到确认则重传对应报文
    • 冗余确认
      • 当收到失序报文时向发送端发送冗余ACK
• 流量控制
  • 在确认报文中设置接收窗口rwnd地值来限制发送速率
• 拥塞控制
  • 原理
    • 根据自己估算地网络拥塞成都设置cwnd地值来限制发送速率
  • 方法
    • 慢开始
      • 当cwnd<ssthresh时，每收到一个报文段的确认cwnd加1
    • 拥塞避免
      • 当cwnd>ssthresh时，每经过一个往返延时时cwnd加1
    • 快重传
      • 当收到连续的三个重复的ACK，直接重传对方期待的报文
    • 快恢复
      • 当收到连续的三个冗余ACK，令ssthresh=cwnd=cwnd/2
  • 拥塞处理
    • ssthresh置为原cwnd的一半，cwnd置1

06应用层

网络应用模型

• 客户/服务器模型 C/S模型
  • 区分处理请求的服务器和发出请求的客户机
• P2P模型
  • 每台机器即是服务器又是客户机

域名系统

• 作用
  • 把主机名转换为IP地址
• 协议与端口
  • 运行在UDP之上，使用53端口
• 服务器分类
  • 根域名服务器
    • 知道所有顶级域名服务器的IP地址
  • 顶级域名服务器
    • 负责管理在其服务器注册的所有二级域名
  • 授权域名服务器
    • 能够将其管辖的主机名转换为该主机的IP地址
  • 本地域名服务器
    • 本地网络提供商负责的域名服务器
• 查询方式
  • 递归查询
    • 由查询的服务器发起下一次的查询
  • 递归
    • 除第一次查询外，其余均由本机域名服务器向外查询

文件传输协议（FTP）

• 作用
  • 允许用户在因特网上存取文件
• 协议与端口
  • 运行在TCP之上，控制链接为21号端口，数据连接为20号端口

电子邮件

• STMP
  • 作用
    • 向邮件服务器主动发送电子邮件
  • 协议与端口
    • 运行在TCP之上，使用25号端口
• POP3
  • 作用
    • 向邮件服务器要求接收电子邮件
  • 协议与端口
    • 运行在TCP之上，使用110号端口

万维网

• 统一资源定位符
  • 负责标识万维网上各种文档
• 超文本传输协议
  • 作用
    • 在万维网上能够可靠地交换文件
  • 协议与端口
    • 运行在TCP之上，使用80号端口
• 超文本标记语言
  • 文档结构标记语言，使用约定的标记对页面上的各种信息进行描述

百度网盘链接：

链接：https://pan.baidu.com/s/1KueUjHesbw994eK8q-i66A

提取码：l40l

（需要请自取）