计算机网络
2021-09-17 15:58:02 4 举报AI智能生成
计算机考研408，计算机网络思维导图
作者其他创作
大纲/内容
计算机网络
计算机网络-1-体系结构
计算机网络的概述
组成
组成部分：硬件、软件、协议三大部分组成 协议是核心
功能组成：通信子网和资源子网组成。 通信子网：传输介质、通信设备、网络协议 资源子网：资源共享设备及其软件的集合
功能： 数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡
分类
范围分类：广域网(WAN)【因特网的核心部分 利用交换机使用交换技术】、 城域网(MAN)【以太网技术】 局域网(LAN)【广播技术】、 个人局域网(PAN)【无线技术】
传输技术分类
广播式：所有联网计算机共享一个通信信道
点对点：物理线路连接一对计算机，如果没有直接线路就要通过之间点存储-转发
分组存储转发和路由选择是区分点对点和广播的重要方法
交换技术分类
电路交换网络：两点之间建立一条专用的通路来传送数据，不便于差错控制
报文交换网络(存储-转发)：数据加上其他辅助信息，封装成报文。传送到相邻的结点，一直重复传送直到目的结点
分组交换网络(包交换)：把数据拆分成固定长度的较短数据块，加上辅助信息组成分组，以存储转发的方式传输。
基本概念
协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合(水平的)，由语法(传输数据的格式)、语义(完成的功能，控制信息 )、同步(操作的条件和时序)
接口：同意结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。
服务：下层为紧邻的上层提供服务，是垂直的。只有高一层能“看得见”的功能才称为服务， 下面的协议对上层的服务用户是透明的。
服务种类
1
面向连接：通信前双方必须建立连接才能传输数据，传输结束后要释放连接和资源
无连接：直接发送数据，系统选定线路，尽最大努力交付
2
可靠服务：有纠错、检错、应答机制。保证数据正确
不可靠服务：尽量正确、可靠传输。但不保证。 尽力而为
3
有应答：接收方收到数据后给出应答，该操作由传输系统自动完成
无应答：接收数据不应答
体系模型
OSI参考模型
应用层：最高层，用户与网络的界面。为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段
表示层：处理两个通信系统中交换信息的表示方式，进行数据压缩、加密和解密
会话层：管理主机间会话进程的建立、管理以及终止。 用校验点来恢复通信，实现数据同步。
传输层：【单位：报文段、用户数据报】提供端到端的通信，提供流量控制、差错控制、拥塞控制，进程之间的通信
网络层：【单位：数据报、分组】进行路由选则，实现流量控制、拥塞控制、差错控制【不一定纠错】等功能
数据链路层：【单位：帧】封装数据报成帧，差错控制【丢弃错误的信息】、流量控制【没有拥塞控制】等、 点到点的通信
物理层：【单位：比特】透明传输比特流
TCP/IP模型：分为 应用层、传输层、网际层、网络接口层 4层
对比(考的多)
OSI在 网络层支持无连接和面向连接的通信，传输层仅支持面向连接
TCP/IP在 网络层仅支持无连接的通信，在传输层支持无连接和面向连接
计算机网络-2-物理层
通信基础
通信交互方式
单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，只需要一条信道。 电视广播，村里的喇叭广播
半双工通信：通信双方都可以发送和接收信息，但任何一方不能同时发送和接收信息。 对讲机，电报机。
全双工通信：双发可以同时收发信息。 电话。
数据传输速率
码元传输速率(波特率)：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。单位是波特(Baud)
信息传输速率(比特率)：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(比特数)。单位是(b/s)
换算： 比特率 = 波特率 × 每码元携带的比特信息 要注意n比特有2^n个离散电平
信号转换
1、数据 → 模拟信号【调制】、 数据 → 数字信号【编码】
数字数据→数字信号： 各种编码方式
曼彻斯特编码：利用上升和下降沿来区分0和1
差分曼彻斯特编码：分界处相同为1，不同为0
两个曼彻斯特都能包含时钟信号，自行同步。 NRZ不行，且没有检错功能
数字数据 → 模拟信号 利用调制解调器。有 幅、频、相等移键控
模拟数据 → 数字信号：常见于对音频信号进行编码的脉冲调制(PCM)，步骤：采样、量化、编码
模拟数据 → 模拟信号：频分复用(FDM)技术
数据交换方式
电路交换：需要建立一条专用的物理通信路径。 优：时延小，有序，无冲突。 缺：建立连接时间长，效率低，灵活性差。
报文交换(基本上被分组所替代)：采用存储转发方式，数据交换单位是报文。 优：无需建立连接，随时发生。动态分配路线，多目标服务 缺：有转发时延，因报文大小无限制，需要较大的缓存空间
分组交换：存储转发，数据分组，大小合理且相等。 优无：建立时延。 缺：有传输时延，还有额外的信息量(每个分组都需要有辅助信息)
分组交换
数据报 ： 不需要连接，随时发送，最大努力交付，没有可靠性，没有按序到达，每个分组都有发送和接收端的地址
虚电路
建立一条逻辑上的虚电路，每个分组的辅助信息中没有目的地址但是有通过的虚电路号
虚电路上每个结点都维持一张虚电路表，表中有打开的虚电路信息，前后结点
致命缺点：若链路中某一环出现问题，则整个链路崩塌
两个定理
奈奎斯特定理(奈氏准则)
1、理想情况下
2、 极限传输速率 = 2W log2 (V) 单位为(b/s)
香农定理
1、有限条件下
2、极限传输速率 = W log2(1 + S/N) 单位为(b/s)
3、W信道带宽， S/N为信噪比， 【注意S/N的换算 若给出信噪比则直接用，若给出dB 则 dB = 10 log10 (S/N)，求出S/N】
传输介质
光纤
多模光纤：光源为发光二极管，适用于近距离传输。
单模光纤：光源为激光二极管，适用于远距离传输。成本高
接口特性
机械特性：规格、引线数目、引脚数量
电气特性：电压高低、阻抗匹配、传输速率、距离限制
功能特性：某一电平电压的含义、信号线的用途
规程特性(过程特性)：物理线路的工作规程和时序关系
物理设备
中继器
作用于数字信号，同一局域网
把信号整形再放大，再转发。属于信号再生
两端口的网段必须同一协议
5-4-3规程 10BASE5以太网中，最多串联4个中继器，5段中只能有3个段连接计算机
集线器(Hub)
多端口的中继器，放大转发功能
半双工，不能隔离冲突域也不能隔离广播域
转发时，转发给除了输入端口的所有端口
计算机网络-3-数据链路层
基础
功能：数据链路层为网络层提供：无确认无连接、有确认无连接、有确认面向连接的服务。(有连接一定有确认)
流量控制是限制发送方的数据流量，使其不超过接收方的接受能力。
差错控制是保证接收到的信息一定没错。一般利用循环冗余校验(CRC)、 奇偶校验，校验位在首部。
组帧：目的是为了在出错的时候只重发出错的帧，不必重发全部数据从而提高效率
组帧需要添加首尾部。字符计数法【在帧头部用一个计数字段来标明帧内字符数】、字符填充首位定界【转义字符】 比特填充【逢5个连续的1就在后面加0，用连续的6个1来表开始和结束】
流量控制和传输机制
停止-等待协议【发=1，接=1】
发送方发送单个帧之后必须等待确认，没有收到确认帧不能发送下一个。
差错
到达时已经被破坏。 发送方装有计时器，超时重发。
确认帧被破坏。 发送方未收到确认帧超时重发，接收方收到同样的帧会丢弃，并重发一个确认帧
发送接收双方都有帧缓冲区，方便差错重传。
信道利用率低
后退N帧协议GBN【发>1，接=1】
发送方可以在窗口允许内多发，但是接收方只能按照顺序接收。若出现问题，发送方要从出现问题的地方重发。 支持累计确认
用n比特对帧进行编号，发送窗口Wt <= 2^n - 1，若超过则无法区分新旧帧
选择重传协议SR【发>1，接>1】
可多发也可多收，只用重传有差错的帧和超时的帧。
用n比特对帧编号，接收窗口Wr + 发送窗口Wt <= 2^n。 其中接收窗口Wr <= 2^(n-1)
介质访问控制
使得广播时两对结点之间的通信不会发生相互干扰的现象
信道划分
频分多路复用(FDM)
把多路基带信号调制到不同频率的载波上，在叠加形成一个复合的信号。 充分利用传输介质的带宽，系统效率高。
相当于一条马路分两个车道一个是机动车一个是非机动车来运输货物
时分多路复用(TDM)
把物理信道按时间分成若干时间片，轮流的分配给多个信号使用
机动车和非机动车交替驶入马路，类似于操作系统CPU的时间片轮转。 【STDM统计时分(异步时分)】是TDM的改进，动态分配时隙
波分多路复用(WDN)
传输不同波长的光信号，在到达时利用波长分解复用器分解
飞机和机动车都在AB之间运行，分别运XY两种货物。到达时进行区分
码分多路复用(CDM)
用不同的编码区分各路原始信号
在机动车道用车来同时运输XY两种货物
随机访问
争用型，谁抢到信道谁用。
ALOHA协议
纯ALOHA：不检测，直接发。当碰撞时等待一段随机的时间，未确认就一直发。
时隙ALOHA协议：同步时间，划分为等长的时隙，各站只能在时隙的开始发送数据。 碰撞时也是等待随机一段时间
CSMA协议
1-坚持CSMA：先侦听，空则发；若不空，一直侦听到其空闲，若碰撞则等待一段随机时间，然后侦听
非坚持CSMA：先侦听，空则发；若不空放弃侦听，随即等待一个时间再听
P-坚持CSMA(用于时分信道)：先侦听，若空则按照P的概率发；若选择不发则一直侦听，若不空则选择等下一个时隙再听
CSMA/CD协议
碰撞检测，总线型网络或者半双工
先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
若发现冲突则停止发送，并发一个48bit的拥塞信号。
帧的传输时延 >= RTT 规定以太网的最短帧长为64B
利用二进制指数退避算法。参数K不大于10，并且重传次数不超过16次。
CSMA/CA协议
应用于使用无线连接的局域网，碰撞避免(不是完全避免，是尽量避免)
避免方法
预约信道：发送数据前通知其他站点自己需要的传输时间
ACK帧：其他站点正确接收数据后要发送一个ACK确认帧。若未收到则一直重发，直到收到确认帧或者到达重发次数
RTS/CTS帧：可选的碰撞避免机制，主要用于解决无线网中的“隐蔽站”问题
轮询访问：令牌以固定次序交换，由一组特殊的比特组合而成的帧。适用于负载高的广播信道
局域网和和广域网
局域网
传输介质的适用情况 P104表
以太网的MAC帧(48bit)
【目的地址6·源地址6·类型2·数据46~1500·FCS4】，不需要帧结束符
数据类型为46~1500，因为以太网最短帧为64，减去首尾18，数据最短为46.
校验码需要校验目的地址-数据末尾
广域网
PPP协议：串行线路通信面向字节的协议，因为不是总线型，所以不采用CSMA/CD协议也没有最短帧要求。差错不纠错。不可靠，点对点，全双工，两端可以使用不同的协议
HDLC协议：面向比特，透明传输，可靠传输
1、链路配置
非平衡：由一个主站控制整个链路
平衡配置：链路两端都是复合站
站：主站是发送命令帧，从站发送响应帧，复合站有以上两种功能
数据操作方式：正常响应【非平衡的结构，从站只有在主站的许可后才能响应】，异步平衡【平衡结构】，异步响应【非平衡结构，但是从站未被允许也传 输】
HDLC有三种帧：信息帧I，监督帧S，无编号帧U。
网桥
处理对象是帧，把多个以太网链接成一个更大的以太网。
能够隔离冲突域，不能隔离广播域。
透明网桥：选择的不是最佳路由，使用生成树算法
源路由网桥：选择的是最佳路由(时间最佳)，使用发现帧来探测。
交换机
多端口的网桥(隔离冲突域)
直通式：只检测帧的目的地址(6B)，接收后立即传出去，无法支持具有不同速率的端口
存储转发式：先把帧缓存，并检查是否正确。支持不同速率端口，可靠性高，延迟大。
计算机网络-4-网络层
路由算法
静态路由：网络管理员手动配置路由信息。难度和复杂度高
动态路由
距离-向量路由算法：【与隔壁发所有】因为要发全部信息所以 收敛慢、会存在回路。
链路状态路由算法：【与所有发隔壁】利用Dijsktra算法、泛洪法。收敛快
层次路由：自治系统内部使用内部网关协议【IGP】、自治系统之间使用外部网关协议【EGP】
IPv4
单位：首部长：总长度：片偏移 = 4:1:8 （B）
标志位：MF【1：还有分片 0： 最后一片】， DF【0：能分片】
首部校验和：之校验分组首部，不校验数据部分
关于分片：除最后一片外，其余每片数据部分必须是8的倍数(片偏移单位的原因)
IPv4地址
32bit = 4B 【<网络号><主机号>】
特殊地址：【主机全0】本网络本身、【主机全1】本网络广播、【0.0.0.0】本网络本主机 【255.255.255.255】整个网络的广播，因为广播域的隔离，还是表示本网络广播
网络地址转换(NAT)
大量的内网地址(主机)使用少量的公网地址
私有地址网段：A【10.0~10.255】 B【172.16~172.31】 C【192.168.0~192.168.255】因特网中路由器不转发目的地址为私有地址的数据报
子网划分：
把【<网络号><主机号>】划分成【<网络号><子网号><主机号>】
子网掩码：网络部分为1，主机部分为0.与IP地址相‘与’得到网络号
无分类域间路由选择(CIDR)：路由聚合，把多个网络的相同最长网络前缀做为网络号
重要协议
地址解析协议(ARP)：【网络层】完成IP地址到MAC地址的映射
每台主机和路由器都维护一个ARP表，存放各主机和路由器的IP到MAC的映射
当根据IP查询MAC 不存在的时候就把目的MAC设为全1，进行广播。 但是响应的时候是单播
动态主机配置协议(DHCP)：【应用层 UDP】 整个过程全是广播的方式 需要IP的主机—(发现报文)—> DHCP服务器—(提供报文)—>主机—(DHCP请求)—>服务器—(DHCP确认)—主机
网际控制报文协议(ICMP)：【网络层】提高交付成功的机会，报告差错和异常。
ICMP差错报告报文
终点不可达：数据不能交付时
源点抑制：由于拥塞而丢弃数据报，发送抑制报文让源点减慢发送速度
时间超过：TTL为0时要丢弃
参数问题：首部字段不正确时
改变路由(重定向)：可以通过更好的路由，有更好的路径
备注：不对差错报文发送差错报文，非第一个数据报分片不发，组播地址不发，特殊地址0.0.0.0等不发
ICMP询问报文：回送和回答、时间戳和回答、掩码地址和回答、路由器询问和通告
IPv6
格式特点
128bit = 16B 是IPv4 4B 的平方
只有源节点才能分片，路径中的路由器不能分片。 首部长度必须是8B的整数倍。 没有校验但是更安全
分级概念：顶级(第一级)【全球都知道的公共拓扑】 → 场点级(第二级)【指明单个场点】 → 第三级【指明单个网络接口】
IPv4到IPv6的过渡
双协议栈：部分主机和路由器同时支持IPv4和IPv6双协议栈
隧道技术：把IPv6的数据报封装到IPv4数据报中的数据部分
路由协议
路由信息协议(RIP)【应用层】 基于距离-向量
每个路由器维护自身到其他每个路由器的距离记录(跳数)，最远为15， 16为不可达
和隔壁交换所有的信息，30主动一次(广播)
收敛相对较慢，坏消息传得慢，因为最多为15跳所以适合小型网络
开放最短路径优先协议(OSPF)【网络层】 基于链路状态路由
使用洪泛法向所有路由器发送隔壁信息
只有在链路发生变化时才 被动的更改信息
使用Dijkstra最短路径计算自己到各目的网络的最优路径
适合大型网络
边界网关协议(BGP)【应用层】 基于路径-向量
自治区域之间的协议
寻找一条比较好的路由。 首次交换全部信息，以后只交换变化的部分。
IP组播和移动IP
IP组播【基于UDP】
需要组播路由器的支持，建立组播转发树。主机只发一份数据。数据报协议字段是2
IGMP与组播路由协议
IGMP是TCP/IP的一部分
移动IP
目标：把分组自动的投递给移动结点
功能实体
移动结点：具有永久IP地址的移动结点
移动代理
归属代理(本地代理)：在移动结点的永久居所中代表移动结点执行移动管理功能的实体。 根据移动用户的转交地址，采用隧道技术转换移动结点的数据包
外埠代理(外部代理)：在外部网络中帮助移动结点完成移动管理功能的实体
设备
路由器：具有多个输入/输出端口的专用计算机，连接不同的网络进行路由转发
功能
路由选择：根据所使用的路由选择协议构造路由表(因为和路径有关，所有涉及多个路由器)
分组转发：处理通过路由器的数据流，查询转发表进行转发。(只涉及单个路由器)
路由器 隔离广播域和冲突域。 只能确保收到是分组是正确的，但是不能保证分组不丢失。
计算机网络-5-传输层
传输层提供的服务
面向通信的最高层、面向用户功能的最底层
提供进程之间的通信【端到端】
复用和分用
复用：发送方不同的应用进程都可以使用同一传输层协议传输层协议传送数据
分用：接收方的传输层在剥去报文首部后能够正确交付数据到目的进程
对收到的报文进行差错检测——首部和数据部分都检测
端口
特点：16bit(65536)哥不同的端口号、 其中 0 ~ 1023为熟知端口(给服务器使用的)
套接字 = 主机IP + 端口号 => 唯一标识网络中一台主机上的一个应用进程
常用熟知端口：【FTP 21 TCP】【TELNET 23】【SMTP 25 TCP】【DNS 53 UDP】【TFTP 69】【HTTP 80 TCP】【SNMP 161】
UDP
特点
无需建立连接，故无连接时延，也不用为维护链接状态
没有拥塞控制，不影响主机发送效率
尽最大努力交付，不保证可靠传输、 维护传输可靠性需要高层(应用层)完成
首部：8B，四字段每字段2B. 【源端口 | 目的端口 | UDP长度 | 校验和】 长度部分是首部+数据 校验和不用全为0
UDP校验
校验码在UDP数据报前+12B的伪首部(只做计算用，不交付) 伪首部里面协议字段为17表示UDP
若出错
直接丢弃
交付给上层，并提交错误报告
TCP
可靠，有序，无丢失，不重复
全双工通信，每条TCP只能是一对一。 面向字节流
报文段
首部+数据 首部最少(一般)为20B 最多为 60B。但是长度必须为4B的整数倍
特殊字段
序号：当前发送的第一个字节的编号
确认号：希望下次收到对方报文第一个字节的编号
数据偏移(首部长度)：单位为4B，当值为15时达到TCP最大首部长度 60B
校验和：校验 首部+数据，要加12B的伪首部，伪首部里面协议字段为6代表TCP
连接管理(注意标志位)
连接建立（三次握手）
第一步(客)：SNY = 1 【不带数据，但消耗序号 】 客户机发出请求连接报文
第二部(服)：SNY = 1， ACK = 1 【不带数据，但消耗一个序号】 服务器发出确认连接报文
第三步(客)：ACK = 1 【可携带数据，若不带则不消耗序号】 客户机发出对服务器确认报文的确认
连接释放（四次握手）
第一步(客)：FIN = 1 客户机向服务器发出释放请求
第二步(服)：ACK = 1 服务器对客户机的释放报文进行确认 此时服务器还能继续发送数据
第四步(客)：ACK = 1 客户机对服务器的释放报文进行确认
一般四步之后不是立即释放连接，要等2MSL(最大生存时间)后才关闭连接、因为保证最后一个数据能传达目的
TCP流量控制(接收端对发送方的流量控制)：只涉及两个端点。接受方发送确认报文的时候会给出接收窗口(rwnd)，发送方的发送窗口=min{rwnd，cwnd}
TCP拥塞控制
慢开始和拥塞避免【超时】
拥塞窗口从1开始指数增长，到达阈值时变成+1增长。
超时的时候，阈值变为当前cwnd的一半(不能＜2)。
再重慢开始一样从1开始
快重传和快恢复【收到冗余ACK】
拥塞窗口从1开始指数增长，达到阈值变成+1增长
收到三个冗余ACK(类似于超时)，阈值变为当前cwnd的一半(不能<2)
从cwnd/2的地方以+的方式继续开始
计算机网络-6-应用层
网络应用模型
客户/服务器模型(C/S)
服务器为客户机提供服务，且可同时为多个客户机服务
各计算机的地位不等，服务器可通过权限管理客户机
客户机之间不能通信
P2P模型
每个结点 既是客户机，也是服务器
客户机(服务器)之间可以自由共享文档
域名系统(DNS)【C/S 、UDP、端口53】
域名服务器：完成域名到IP地址的解析
授权域名服务器：每台主机都需到此登记，每次地址解析最后都会请求此服务器的解析
地址解析方式
递归查询(基本不用)：类似于串行，一级一级往下访问。
迭代查询：类似于并行，又本地域名服务器分别多次向各即从高到低询问查询
文件传输协议(FTP)【C/S，TCP，控:21 数:20】
提供交互式访问，允许客户指明文件的类型和格式
功能(要有印象)
通过不同主机系统间的文件传输
提供远程文件管理能力
匿名方式提供共享
FTP服务器组成
一个主进程：接收新的请求(门童)
若干从属进程：负责处理单个请求 (服务员)
控制连接(端口21)：传输控制信息(连接、传送请求)，以7位ASCII码的格式传送。整个会话期间一直打开
数据连接(端口20)：连接客户端和服务器端的数据传送进程。(要修改服务器的数据：传到本地主机—修改—传回服务器)
电子邮件【C/S、TCP、SMTP：25、POP3:110】
用户代理：用户与电子邮件系统的接口(撰写、显示、处理等功能)
邮件服务器(核心)：以C/S的方式发送和接收邮件
发送和读取协议： 发送时用SMTP， 接收时用POP3
【发送方】—SMTP—【服务器】—SMTP(TCP)—【服务器】—POP3—接受方
电子邮件格式：收件人邮箱名@邮箱所在主机域名 Steven@126.com
万维网(www)【C/S、TCP、端口80】
HTTP：面向事务的应用层协议、无状态无记录，一般主机有文本文件cookie来记录
HTTP报文
请求报文：web客户端向web服务器发送服务请求
响应报文：web服务器对web客户端的请求回答
HTTP使用TCP连接方式(HTTP自身是无连接的)
非持久：每个网页的储阿生农户都要建立一个TCP连接(做题时别忘了加上TCP连接的RTT)
持久连接
非流水线：客户在收到前一个响应后才能发送下一个
流水线：可连续发出对各个引用对象的请求
HTTP请求报文中的方法
GET：读取URL标识的信息、即读取指定的页面信息，返回主体实体(客户端从服务器读取)
HEAD：读取URL标识的信息的首部、类似于GET，不过不返回实体，只返回报头
POST：给服务器添加信息(客户端给服务器提供信息)
CONNECT：用于代理服务器（预留，还未使用）
协议的总结
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