王道计算机网络思维导图
2025-03-03 00:16:46 2 举报AI智能生成
王道计算机网络思维导图是一个用于复习和强化计算机网络相关知识点的视觉辅助工具。该导图综合了计算机网络的核心概念、协议和关键技术，以分层结构的形式清晰地展示了OSI七层模型和TCP/IP四层模型，以及各层的主要功能和常用协议。例如，在物理层，导图标注了线缆类型、传输速率等基础知识点；在网络层，则突出了IP地址、子网划分等网络设计的关键因素。 通过彩色标记和逻辑连接线，该导图强化了不同协议和概念之间的关联性，便于学习者记忆和理解。在每一部分，还用不同颜色的星星或标签来突出重要的考点和难点，如动态路由协议的理解、端到端通信的可靠性保障等。整体上，这个思维导图既适合初学者构建基础知识框架，也能帮助有经验的从业者温故知新，是计算机网络学习过程中的一个重要补充材料。
作者其他创作
大纲/内容
基础概念
网络的组成<br>
组成成分角度<br>
软件、硬件、协议<br>
工作方式角度
边缘部分
核心部分
功能角度
通信子网
传输介质<br>
通讯设备
网络协议
资源子网
分类
按分布范围
广域网
Internet的核心<br>
...
传输技术<br>
广播式网络<br>
局域网基本都属于广播式
广域网中无线、卫星通信使用<br>
点对点网络<br>
广域网基本都属于点对点
按使用者分类<br>
公用网络
专用网络<br>
按交换技术<br>
电路交换网络
优点<br>
时延低<br>
缺点
线路利用率低<br>
不便于进行差错控制
需要预先建立专用数据通路<br>
报文交换网络(储存-转发网络)<br>
全部储存后再转发<br>
优点<br>
充分利用线路容量
可实现格式、速率转换<br>
可实现一对多、多对一访问
可实现差错控制
缺点
增大了资源开销
增加了缓冲延时
需要控制机制保证报文顺序<br>
报文大小不确定，缓冲区难以管理
分组交换网络(包交换网络)
优点
报文交换的优点<br>
易于管理缓冲区<br>
采用流水线的形式，加速传输<br>
减少出错概率和重发数据量
平均时延更小<br>
网络占用的平均缓冲区更小
分类
虚电路
面向连接<br>
使用 虚电路号 路由<br>
路径确定后固定不变
可靠性由网络保证
数据报<br>
无连接
可靠性由主机保证
性能指标<br>
带宽<br>
数字信道最高数据传输速率<br>
总时延包括
发送时延<br>
传播时延
处理时延<br>
排队时延<br>
输入队列中等待处理
输出队列中等待发送<br>
时延宽度积
传播时延 * 带宽<br>
即信道可以容纳的数据量<br>
速率<br>
向信道上发送数据的速率
报文组成
服务数据单元 SDU<br>
协议控制信息 PCI<br>
网络协议组成
语法
定义数据的传输格式<br>
语义
所要完成的功能，即需要发出何种控制信息、完成什么动作、作出何种应答<br>
同步
各种操作的时序关系
OSI参考模型<br>
物理层<br>
规定电路接口、信号意义和电器特征等，不包括物理媒介
负责在介质上透明的传输比特流
链路层<br>
实现成帧、差错控制、流量控制、传输管理、链路管理等
将可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，负责同一网络内两主机的通信
广播式网络中，需要<b>介质访问子层</b>
常见：SDLC、HDLC、PPP、STP<br>
网络层<br>
实现路由选择、拥塞控制、差错控制、流量控制等<br>
实现不同网络中的两个主机之间的通信
传输层
实现分用和复用、流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等
实现不同主机上两进程的通信，端到端的通信
会话层
建立同步，管理会话
表示层<br>
数据的转换、加解密
应用层
链路层
功能<br>
组帧（即解决帧界定、帧同步、透明传输）<br>
字节计数法<br>
字符填充的首尾定界符法<br>
控制字符SOH 表示开始<br>
控制字符EOT 表示结束<br>
使用转义字符 ESC<br>
零比特填充的首尾标志法
0111110表示开始和结束
中间 信息为中每遇到5个1插入一个0<br>
易于使用硬件实现<br>
违规编码法<br>
使用违规的物理层比特编码<br>
局域网IEEE 802 标准使用
差错控制
分两大类
自动重传请求 ARQ<br>
检错编码<br>
循环冗余校验码 CRC<br>
选择 帧检验序列 FCS 的长度 r<br>
为报文低位上补r个0<br>
再模2除以约定好的r位的多项式（即按位异或）
奇偶校验<br>
前向纠错 FEC<br>
纠错编码
汉明码<br>
从Pi开始，隔2^i画2^i<br>
检验时一组内的检验位和数据位一起异或<br>
偶检验时全0则正确<br>
流量控制
停止-等待<br>
滑动窗口<br>
后退N帧<br>
选择重传
可靠传输
捎带确认<br>
自动重传请求 ARQ<br>
分为三种（与流量控制的结合）
停止等待ARQ
后退N帧ARQ
选择重传ARQ<br>
性能指标<br>
信道利用率<br>
有效发送数据的时间 / 整个发送周期<br>
发送周期 一般指 发送方开始发送数据到收到第一个ACK<br>
信道吞吐率<br>
信道利用率 * 发送方发送速率<br>
介质访问控制(子层)<br>
决定 广播信道 中信道的分配<br>
介质访问控制方法<br>
静态划分法<br>
<b>信道划分</b>介质访问控制<br>
FDM 频分多路复用<br>
TDM 时分多路复用<br>
由于数据得突发性，信道利用率不高<br>
STDM 异步时分多路复用<br>
不使用固定的时间间隙，按需分配时隙，提高了利用率<br>
WDM 波分多路复用<br>
在光纤中传输不同波长的光信号<br>
CDM 码分多路复用（码分多址 CDMA）<br>
即共享频率，又共享时间
每个比特时间划分m个短的时间槽-->码片(Chip)<br>
一个码片序列，相当于一个向量。码片即一个分量，用1表示+1，用0表示-1。<br>
各个站点的码片序列相互正交<br>
频谱利用率高；抗干扰能力强；保密性强->用于无线通信系统<br>
动态划分法<br>
<b>随机访问</b>介质访问控制<br>
纯ALOHA协议
不进行任何检查就发送数据；一段时间后未收到确认，则认为传输中出错，随机等待一段时间后重发
网络负载G(T内发出的总帧数)与吞吐量的关系S(T内成功帧数)：S=Ge^(-2G)<br>
G=0.5时最大<br>
时隙ALOHA协议<br>
时间划分为等长时隙Slot，每个时隙开始时才能发送一个帧。减小了随意性，提高了利用率<br>
S=Ge^(-G)
G=1时最大，为纯ALOHA的2倍
CSMA
1-坚持CSMA<br>
<b>监听到信道忙后，继续持续监听</b>；监听到空闲后，发送帧的概率为<b>1（即立即发送）</b>；发生冲突后，<b>随机一段时间后，再开始监听<br></b>
冲突概率大<br>
非坚持CSMA<br>
监听到信道忙，放弃监听，<b>等待一个随机时间后再尝试</b>监听
降低了信道空闲后，同时发送数据而导致冲突的概率；但增加了平均延时<br>
p-坚持CSMA
监听到信道忙后，继续<b>持续</b>监听
监听到信道空闲后，以p的概率在本时隙发送帧，以概率1-p推迟到下一时隙，不断进行，直到发送成功或检测到信道忙。若是后者，则等待下一个时隙再继续监听
CSMA/CD协议<br>
CSMA的改进
用于总线型网络和半双工网络。全双工采用两条信道，不会发生冲突<br>
先听后方，边听边发，冲突停发，随机重复<br>
发生冲突时使用 <b>截断二进制指数退避算法<br></b>
取k=min(10, 重传次数)<br>
从[0, 2^k - 1]中随机取数r，等待2rt后重发<br>
最多重发16次，之后抛弃并报告错误<br>
争用期/碰撞窗口2t<br>
以太网规定51.2微秒<br>
CSMA/CA协议
用于无线网络（802.11 WiFi使用）<br>
接收信号强度远远低于发送信号强度，难以检测碰撞<br>
并非所有站点都能听到对方，即存在<b>隐蔽站问题<br></b>
802.11<br>
媒体接入方式<br>
<br>
帧间间隔IFS<br>
<br>
基本工作流程<br>（如何避免碰撞，先不考虑隐蔽站）<br>
<br>
等待一个DIFS后发送第一帧-->等待高优先级的帧先发送
等待一个SIFS后发送ACK-->一个站点从发送方式切换到接收方式<br>
DIFS后要有退避随机时间-->防止多个站点同时发送导致碰撞<br>
退避算法<br>（如何避免碰撞，先不考虑隐蔽站）
使用条件<br>
规则
子主题
信道预约（解决隐蔽站问题）<br>
先发RTS帧预约，减小隐蔽站所造成的碰撞的影响<br>
<br>
<br>
<br>
<font color="#e74f4c">看视频 【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）】 https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb/?p=32&share_source=copy_web&vd_source=f15357e3909d143165572a3eaf51ca08</font>
<b>轮询访问</b>介质访问控制<br>
令牌传递协议<br>
物理拓扑上不必是一个环，逻辑上必是一个环<br>
适合负载(节点在同一刻发送数据的概率)很高的广播信道
局域网<br>
IEEE 802 定义的模型局域网模型，对应OSI的 数据链路层 和 物理层<br>
逻辑链路控制(LLC)子层<br>
向网络层提供 无确认无连接、带确认无连接、面向连接、高速传送 4种服务<br>
媒体接入控制(MAC)子层<br>
提供对物理层的统一访问接口
成帧、透明传输、差错检测<br>
常见<br>
以太网<br>
IEEE 802.3 与严格意义上的以太网产不多，一般称为 以太网<br>
使用 曼彻斯特编码<br>
逻辑上为 总线型<br>
MAC帧使用32位 CRC校验码（校验整个帧）<br>
<br>
高速以太网 (大于100Mbps)<br>
100BASE-T以太网
传输100Mbps的基带信号，星型拓扑<br>
支持全双工和半双工<br>
全双工下不使用CSMA/CD<br>
保持最短帧不变，但最大线缆长度减小为100m
帧间间隔从9.6us -> 0.96us<br>
吉比特以太网（千兆以太网）<br>
全双工/半双工
兼容10BASE-T和100BASE-T<br>
10吉比特以太网
只使用光纤<br>
只工作在全双工<br>
令牌环 802.5<br>
FDDI（光纤分布数字接口) 802.8<br>
IEEE 802.11 无线局域网<br>
有固定设施无线局域网<br>
星型拓扑，中心为AP接入点<br>
最小构建为：基本服务集BSS
通过AP通信，即基站
使用32位 服务集标识 SSID<br>
可通过 <b>分配系统DS</b> 连接另一个基本服务集 ==> 拓展服务集<br>
无固定设施无线局域网（自组网）
无AP，节点对等，每个节点都参与转发<br>
IEEE 802.11 MAC帧<br>
三个地址字段<br>
<br>
VLAN
802.3ac定义VLAN的MAC帧拓展<br>
在源地址后加一个 VLAN标签<br>
通过VLAN标签中的 VLAN标识符VID 标识所属VLAN<br>
主机无需知道自己的VID，与交换机用普通MAC帧通信<br>
交换机之间用拓展的
广域网
PPP协议
串行线路、面向字节(默认)<br>
可用于连接广域网路由器<br>
组成
链路控制协议 LCP<br>
拓展链路层控制协议，建立、配置、测试、管理连接<br>
网络控制协议 NCP<br>
位网络层协议建立和配置逻辑连接<br>
封装成帧的方法<br>
帧的透明传输
面向字节的异步链路(默认方式) --> 字符填充法<br>
面向比特的异步链路 --> 零比特填充法<br>
帧格式
FCS：CRC冗余校验码-->检测A地址、C控制、协议、信息字段<br>
只支持点对点，全双工<br>
状态图<br>
<b>建立物理连接、LCP配置协商、鉴别、NCP配置协商<br></b>
HDLC协议<br>
面向比特，使用零比特填充法<br>
使用了编号和确认机制，保证可靠传输<br>
物理层<br>
通信系统的组成
信源<br>
信道
一条线路的<b>逻辑部件</b>，用来表示向某个方向传送信息的介质<br>
信宿<br>
性能指标<br>
码元传输速率(波特率、调制速率、波形速率、符号速率）<br>
信息传输速率(比特率、信息速率)<br>
奈奎斯特定理<br>
确定极限码元传输速率 为 2W (带宽的2倍)<br>
香农定理<br>
极限信息传输速率 = Wlog(1+S/N)
分贝作为单位的信噪比 = 10log10(S/N)<br>
编码/调制<br>
数字数据编码为数字信号
<br>
数字数据调制为模拟信号<br>
幅移键控 ASK<br>
抗干扰能力弱<br>
频移键控 FSK<br>
抗干扰能力强<br>
相移键控 PSK<br>
正交振幅调制 QAM<br>
使用m个振幅，同时使用n个相位<br>
共mn个组合
介质（<b><font color="#e74f4c">不属于物理层规定的范围</font></b>）<br>
双绞线
屏蔽双绞线 STP<br>
非屏蔽双绞线 UTP<br>
同轴线缆<br>
50Ω 的 基带同轴线缆<br>
传输数字信号
用于局域网
75Ω 的 宽带同轴线缆<br>
传输宽带信号<br>
用于有线电视<br>
光纤<br>
单模光纤
光一直沿光纤传播<br>
长距离传输
多模光纤
利用全反射<br>
短距离传输
无线介质
无线电波
视线介质<br>
微波<br>
红外
激光
描述了接口的...特性<br>
机械
电气
功能
规程
设备
中继器<br>
再生数字信号
放大器
放大模拟信号
集线器
多端口 中继器<br>
网络层
SDN软件定义网络<br>
将网络分为<br>
集中式的 控制平面<br>
进行路由选择<br>
分布式的 数据平面<br>
进行数据转发<br>
接口
北向接口
对上层应用开发者<br>
南向接口<br>
控制器 与 转发设备 之间的双向会话接口<br>
东西向接口<br>
控制器集群内控制器之间的通信接口<br>
优点
全局集中控制 和 分布式高速转发<br>
灵活可编程 与 性能平衡<br>
网络设备的制造 与 功能软件的开发相分离，降低成本<br>
缺点<br>
集中管理容易受攻击，使整个网络受到影响<br>
随网络规模扩大，控制器可能成为网络性能瓶颈<br>
路由算法
静态路由算法(非自适应路由算法)<br>
简便开销小，使用于小网络<br>
动态路由算法(自适应路由算法)
距离-向量算法<br>
每个节点在每次更新时将全部路由表转发给所有相邻节点<br>
可能遇到路由环路问题<br>
链路状态算法<br>
定期将链路状态传播给所有其他节点（洪泛法）<br>
层次路由
内部网关协议 IGP（域内路由选择）<br>
RIP
OSPF<br>
外部网关协议 EGP （域间路由选择）<br>
BGP
IPv4
报文结构
标志<br>
MF == More Fragment<br>
DF == Don't Fragment<br>
校验和只校验 首部<br>
<font color="#e74f4c">A类网络号中 注意减去 全零 和 127.x.x.x<br></font>
私有IP地址（可重用IP地址）<br>
A类一个<br>
10.x.x.x<br>
B类16个<br>
128.16.x.x - 128.31.x.x<br>
C类256个<br>
192.168.0.x - 192.168.255.x<br>
子网划分<br>
IP = 网络号 | 子网号 | 主机号<br>
路由表中条目要带子网掩码<br>
无分类编制 CIDR<br>
消除传统分类<br>
IP = <b>网络前缀 </b>| 主机号<br>
路由聚合<br>
可实现<b>路由聚合</b>，使路由表中一个项目可以表示多个原来的传统分类路由，提高性能
路由表由 网络前缀 和 下一条地址组成<br>
使用 <b>最长前缀匹配<br></b>
0:0:0:0/0 表示默认路由<br>
DHCP 动态主机配置协议<br>
应用层协议，UDP<br>
交换过程<br>
DHCP发现<br>
src = 0.0.0.0<br>
DHCP提供
服务器给客户端提供一个IP<br>
src = DHCP服务器的IP
DHCP请求<br>
接收该IP<br>
src = 0.0.0.0<br>
DHCP确认
src = DHCP服务器的IP
可设置多台DHCP，客户端选择一台<br>
ICMP 网际控制报文协议<br>
报文类型<br>
ICMP差错报告报文<br>
终点不可达<br>
源点抑制
因拥塞而丢弃数据时，向源点发送
时间超过<br>
TTL<br>
参数问题
改变路由(重定向)
ICMP询问报文
回送请求 与 回答报文<br>
时间戳请求 和 回答报文<br>
地址掩码请求 和 回答报文<br>
路由器查询 和 通告报文<br>
不发送ICMP的情况<br>
ICMP差错报告报文不再发送<br>
只对第一个分片进行报告<br>
对组播地址的不报告
对特殊地址127.0 / 0.0.0.0<br>
PING<br>
工作在应用层<br>
直接使用ICMP
使用ICMP回送请求和回答报文<br>
Tracert 和 Traceroute<br>
工作在网络层<br>
使用ICMP时间超过报文<br>
IPv6<br>
128位地址<br>
首部长度必须位8B的整数倍，固定部分40B<br>
增加了身份验证 和 保密<br>
单播、多播、任播
地址分级<br>
顶级<br>
公共拓扑<br>
场点级
单个场所<br>
单个网络接口
IPv4过渡
双协议栈<br>
隧道技术<br>
内部网关协议 IGP<br>
RIP 路由信息协议<br>
RIP不支持子网掩码广播，网络内子网掩码必须相同
16表示不可达
坏消息传的慢<br>
网络出现故障时，会出现慢收敛现象<br>
基于UDP
OSPF 开放最短路径优先<br>
直接基于IP<br>
支持变长子网划分 和 CIDR<br>
只有链路状态变化时，才使用洪泛法向所有路由器发送消息<br>
支持鉴别功能<br>
将自治系统划分为更小区域，以减小整个网络上的通信量<br>
有层次之分，上层为 主干区域<br>
路由器类型
主干区域路由<br>
区域边界路由器
区域内部路由器
自治区域边界路由器<br>
分组类型<br>
问候分组
相邻路由器每10秒交换一次
数据库描述分组
向相邻节点发送链路状态数据库中所有链路项目摘要信息
链路状态请求分组
请求对方发送部分链路状态项目的详细信息
链路状态更新分组
洪泛法
链路状态确认分组
确认链路更新分组
外部网关协议 EGP<br>
边界网关协议BGP
寻找可以到达目的网络且比较好的路由<br>
路由向量选择协议<br>
基于TCP
每个自治系统选择至少一个路由器做 BGP发言人<br>
支持CIDR<br>
路由表中包含到达目的网络所要经过的 <b>自治系统序列<br></b>
工作流程
刚开始运行，与邻站交换整个BGP路由表<br>
之后，交换有变换部分<br>
报文类型
打开、更新、保活、通知
多播(组播)
仅用于UDP<br>
组播地址
IP组播地址
D类，1110开头
共28位
以太网组播地址<br>
01-00-5E-00-00-00 到 01-00-5E-7F-FF-FF<br>
共23位<br>
实现组播需要
因特网组管理协议 IGMP<br>
让连接到本地局域网上的组播路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了某个组播组<br>
不知道是谁，和具体数量
工作
加入组播组<br>
主机加入组播组时，向该组播地址发送一个IGMP报文，以声明
组播路由器收到后将转发给因特网上其他组播路由器
周期性探寻
组播路由算法<br>
构造以源主机为根节点的组播转发树<br>
不同多播组对应不同多播转发树；一个多播组，对不同源点也会有不同多播转发树
三种协议
基于链路状态的路由选择
基于距离向量的路由选择<br>
协议无关的组播 PIM<br>
算法<br>
洪泛与剪除<br>
使用 <b>反向路径广播RPB(Reverse Path Broadcasting)</b> 的策略<br>
路由器收到多播数据报时，若该数据报从最短路径上传来，则向其他所有节点转发；否则不转发<br>
多条最短路时，选择IP最小的作为最短路<br>
隧道技术
用于在多播组位置在地理上很分散的情况<br>
将多播数据报进行再次封装，成为单播数据报，再转发 ==> IP in IP<br>
基于核心的发现技术<br>
路由器
路由选择部分<br>
核心构件---路由选择处理机
转发部分
交换结构
通过存储器交换
通过总线进行交换
通过互联网络进行交换
一组输入端口<br>
一组输出端口
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