计算机网络

第一章 概述

计算机网络概念,

计算机网络，由若干结点和链接这些结点的链路组成。

结点：计算机、集线器、交换机、路由器

计算机网络组成

1. 边缘部分——由所有链接在互联网上的主机组成。用户直接使用的。
2. 核心部分——由大量网络和链接这些网络的路由器组成。为边缘部分提供服务

计算机网络的工作方式（分组交换 C/S P2P）

1. C/S——>客户-服务器方式

• 客户向服务器发送请求；服务器处理请求后，向客户提供服务。

  特征：客户是服务请求方，服务器是服务提供方

• 客户程序特点：

  1. 主动向服务器程序发起通信（请求服务），因此必须知道服务器程序的地址。
  2. 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

• 服务器程序：

  1. 专门提容某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
  2. 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动的等待并接收来自各地客户地通信请求，不需知道客户程序地地址。
  3. 一般需要由强大地硬件和高级地操作系统支持。

2. P2P（peer-to-peer）——>对等连接方式

• 不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方。
• 只要两台主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等地、对等连接通信。
• 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中地共享文件。

数据交换方式(电路交换，报文交换，分组交换)

数据传送阶段的主要特点

• 分组交换——单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

  采用存储转发技术。

• 报文交换——整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

• 电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。

  大数据，不需要存储

网络分类

按照网络的作用范围分类

1. 广域网：几十到几千公里。
2. 城域网：一个城市，或几个街区，5~50 km。
3. 局域网：一般用卫星计算机或工作站通过告诉通信线路相连，但地理上则局限在较小的范围。
4. 个人区域网：在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络。

按照网络的使用者进行分类

1. 公用网（public network）电信公司建造的大型网络。所有愿意缴费的人都可以使用。
2. 专用网（private network）某个部门为满足本单位的特殊业务建造的网络。

用来把用户接入到网络的网络

接入网，又称为本地接入网或居民接入网。

计算机网络的性能

概念

1. 速率

• 一个比特就是二进制数字的一个1或0
• 速率的单位是bit/s（比特每秒）

2. 带宽

• 带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，一次网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的”最高数据率“。
• 带宽的单位就是数据率的单位bit/s。

3. 吞吐量

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的实际的数据率。

4. 时延

• 时延是指数据从网络的一段传送到另一端所需的时间。
• 网络中的时延又以下几个不同的部分组成：
  1. 发送时延——主机或路由器发送数据帧所需要的时间。发送数据帧的第一个比特算起，到最后一个比特发送完所需的时间。
  2. 传播时延——电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
  3. 处理时延——收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验等。
  4. 排队时延——在网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理。

提高网速提高的是什么？

• 提高网速提高的是发送速率，即缩小发送时延。传播速率（这是光速的数量级）取决于同i新线路大的介质，与数据的发送速率并无关系。

计算公式

B是字节，1 B（字节） = 8 bit（比特）

K：表示数据大小时用2^10，表示传输速率时用10^3

M：表示数据大小时用2^20，表示传输速率时用10^6

往返时间（RTT）

• RTT不包括发送时间

• 从发送方发送数据开始，到发送方接收到接收方的确定（接收方收到数据后立即发送确定）共经历的时延。

RTT = 往返传播时延（传播时延 * 2） + 末端处理时间（有时会忽略或题目中给出）

发送时间 = 数据长度 / 发送速率

有效传输速率

有效数据率 = 数据长度 / （发送时间 + RTT）

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

发送时延（传输时延）

发送时延（传输时延） = 数据帧长度（bit） / 发送速率（bit/s）

传播时延

传播时延 = 信道长度（m） / 电磁波在信道上的传播速率（m/s）

最大吞吐率

一个RTT时间内发送所有窗口数据

线路效率

线路效率 = 吞吐率 / 网络速率

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构分为3种：OSI体系结构（七层），TCP/IP体系结构（四层），五层体系结构。

• OSI体系结构：概念清楚，理论也比较完整，但是它既复杂又不实用。
• TCP/IP体系结构：TCP/IP是一个四层体系结构，得到了广泛的运用。
• 五层体系结构：为了方便学习，折中OSI体系结构和TCP/IP体系结构，综合二者的优点，这样既简洁，又能将概念讲清楚。

协议（基本概念和各层协议）

为进行网络中的数据交换建立的规则，标准或约定。

协议组成三要素：

• 语法
• 语义
• 同步

协议通常有两种不同的形式

1. 使用便于人来阅读和理解的文字描述
2. 使用让计算机能够理解的程序代码

协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则

服务是垂直的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层级提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

协议保证了能够向上一层提供服务。

下面的协议对上面的实体是透明的。

各层的协议有哪些以及每一层协议功能（TCP和OSI）。自下而上第一个提供端到端服务的层次， 每层的数据传输单元是什么？ 协议三要素

应用层

任务：通过应用内进程之间的交互来完成特定网络应用

报文：交互的数据单元

协议：应用进程间通信和交互的规则。

• 域名系统DNS
• 支持万维网的HTTP协议
• 支持电子邮件的SMTP协议

运输层

任务：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务

协议：

• 传输控制协议（TCP）—— 提供向面相连接的，可靠的数据传送服务，其数据传输的单位是报文段
• 用户数据报协议（UDP）—— 提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其传输的单位是用户数据报

网络层

任务：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务（源主机到目的主机）

协议：

• 无连接的网际协议IP
• 许多种路由选择协议

数据链路层

任务：将网络层交下来的IP数据报文组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧

协议：可靠传输协议

物理层

任务：传输比特流数据

协议和服务

RFC

互联网的正式标准金国三个阶段：

1. 互联网草案
2. 建议标准——RFC
3. 互联网标准

最大吞吐率（一个RTT时间内发送所有窗口数据），线路效率（吞吐率/网络速率）

第二章 物理层

物理层的四大特性 (RS-232C物理层串口协议,RJ-45)

四大特性

• 机械特性
• 电气特性
• 功能特性
• 过程特性

奈式准则

​ 在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（识别）成为不可能。

香农公式

信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比

信噪比（dB） = 10 log ₁₀（S/N) （dB）

信道的极限信息传输速率 C = W log₂ （1 + S/N） （bit/S）

香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高

香农公式的意义：只要信息的传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输

CRC计算（要有计算过程）

CRC校验中有两个关键点，一是预先确定一个发送端和接收端都用来作为除数的二进制比特串（或多项式），可以随机选择，也可以使用国际标准，但是最高位和最低位必须为1；而是把原始帧上面计算出的除数进行模2除法运算，计算出CRC码。

具体步骤：

1. 选择合适的除数
2. 看选定除数的二进制位数，在要发送的数据帧上面加上这个位数-1位的0，用新生成的帧以模2除法的方式除上面的除数，得到的余数就是该帧的CRC校验码。注意，余数的位数一定只比出书位数少一位，也就是CRC校验码位数比除数位数少一位，如果前面是0也不能省略。
3. 将计算出来的CRC校验码附加在原数据帧后面，构建成一个新的数据帧进行发送；最后接收端再以模2除法方式除以前面选择的除数，如果没有余数，则说明数字在传输的过程中没有出错。

以一个题目为例：设带校验的数据为：1101011011，采用CRC，且生成多项式为10011，则其CRC码为：

注意题目中的一个表述——“多项式”，该题目中写作“10011”，再有的题目中往往写作“x⁴+x+1”

首先再数位后加多项式最高幂次个0，比如这里的多项式最高次项为x⁴，那就在数据为后加四个0，变成：11010110110000，作为被除数

将多项式10011作为除数进行断除。需要注意的是，图中所框的部分，对应位只做xor运算，，也就是做减法但不影响其他位。

最后得到的余数：1110，即是校验位。那么整个CRC码位：1101011011 1110

接收端校验

以上一节例题为例，假设收到的CRC码变成了1101011010 1110，第5位（右边为低位）发生了错误。

现在尝试用CRC码与多项式10011进行短除：

曼彻斯特编码

​ 在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号;从低到高跳变表示”1”，从高到低跳变表示”0”。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示”0”或”1”，有跳变为”0”，无跳变为”1”。

​ 其中非常值得注意的是，在每一位的”中间”必有一跳变，根据此规则，可以得出曼彻斯特编码波形图的画法。例如:传输二进制信息0，若将0看作一位，我们以0为中心，在两边用虚线界定这一位的范围，然后在这一位的中间画出一个电平由高到低的跳变。后面的每一位以此类推即可画出整个波形图。

四种信道复用技术

• 频分复用（FDM）
• 时分复用（TDM）
• 统计时分复用（STDM）
• 波分复用（WDM）
• 码分复用（CDM）

码分多址（CDMA）

​ 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信的容量，降低手机的平均发射功率……

传输介质的大概特点（多模光纤 单模光纤）

第三章

数据链路层的信道

数据链路层的三个基本问题

数据链路层协议有哪些（PPP 以太网）

透明网桥的基本功能和工作过程

扩展以太网方法，冲突域及广播域与各层网络设备间的关系 网络互联设备

扩展以太网的方法：

• 物理层：
  1. 使用集线器扩展
  2. 更换传输介质，使用光纤扩展
• 数据链路层：
  1. 使用以太网交换机扩展

冲突域及广播域

集线器：不隔离碰撞域，不隔离广播域

交换机：

以太网交换机的自学习功能

​ 根据原mac地址进行自学习，根据物理mac地址转发。

总线结构的特点

CSMA/CD基本概念，工作过程和计算，碰撞窗口（争用期）的定义

CSMA/CD协议

概念

CSMA/CD 即载波监听多点接入/碰撞检测

在广播信道中解决冲突

CS：载波监听，不管发送前，还是发送中，都不停地检测信道

CD：碰撞检测，边发送边监听

工作过程和计算

碰撞窗口（争用期）

单程端到端传播时延记为t。

协议规定基本退避时间位争用期 2 t。

以太网的争用期确定为2 t = 51.2微秒。

以太网规定，最短帧长位64字节，即512 bit。如果发送地数据非常少，则必须加入一些填充字节，使帧长不小于64字节。

冲突窗口的大小是2τ（τ）

以太网帧的格式 最短帧长和最长帧长 以太网的数据编码是什么？

数据链路层帧（PPP）的透明传输（位填充和字符填充）

生成树算法作用 以太网交换机自学习功能（转发表的生成）

MAC地址特点 MAC广播地址

各级以太网的特点及兼容使用的技术， 100base-t

VLAN的特点 不同VLAN之间的通信

二层交换机工作在物理层 数据链路层；

三层交换机工作在物理层 数据链路层和网络层

第四章 网络层

网络层协议，IPv4地址分类，子网的划分（按序，全0 全1子网号可用），子网掩码（分成若干个子网），网络号，IP广播地址，可分配的主机地址（作业）

IP地址点分十进制

IP地址和MAC地址定义

路由器转发IP分组

1. 提取IP数据报文首部中的目的IP地址
2. 判断目的地址是否直接与本路由器相连，是则直接交付给目的网络。不是则执行下一步。
3. 若路由表中有目的地址的特定主机路由，则把数据报传发送给路由表中所知的下一跳路由器；否则执行下一步。
4. 检查路由表中是否有匹配的路由，按照路由表转发。
5. 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则执行下一步。
6. 报告转发分组出错。

IPv4首部格式各个字段功能 ，IP的分片和重组字段（IP分片注意64位或者8个字节的整数倍）

CIDR技术的作用

• 消除了传统的A类、B类、C类地址以及划分子网的概念
• 把网络前缀都相同的连续IP地址组成一个“CIDR地址块”。

动态路由选择算法，

路由协议的分类 RIP和OSPF特点

OSPF使用分布式的链路状态协议。

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。实现简单，开销小。使用距离向量协议。

路由协议（RIP OSPF BGP）分别是基于什么的协议，属于哪一层

RIP基于UDP协议，属于应用层

OSPF基于IP协议，属于运输层

BGP基于TCP协议，属于应用层

静态路由/RIP/OSPF的配置过程和命令，包括PC上的配置

RIP协议（作业） （如果某一链路断掉，30秒和500秒后路由表的变化），RIP缺点

rip的缺点：限制了网络的规模，能使用的最大距离位15。路由器之间交换的路由信息使完整路由表，随着网络规模的扩大，开销也就增加。更新过程的收敛时间过长。

路由表组成，IP协议的特点，不同网段IP地址的节点如何通信

ICMP特点和与IP协议的关系

ARP作用和工作过程（已知原IP地址和目的IP地址） ARP协议与IP协议的关系

给出网络的拓扑结构，能给出路由表；路由聚合

IPv4过渡到IPv6使用的方法

给出目的IP地址，查路由表，找到转发的出口。

NAT的作用

三层网络连接设备以及各自特点，交换机和路由器的使用

第五章

可靠性协议的实现方式, socket的组成, 进程通信五元组

TCP和UDP协议的特点 TCP首部格式 TCP的序号和确认号

滑动窗口 流量控制和拥塞控制区别，拥塞窗口的大小，

拥塞控制四个算法（作业）

GO-BACK-N和选择重传，发送窗口最大值

滑动窗口协议，发送窗口范围，确认分组范围

TCP连接建立（标志位和序号） TCP连接释放 （过程和图）

第六章

应用层协议名字以及简称（DNS, WWW, TELENET, FTP，HTTP，SMTP）

协议的传输层协议以及端口号，应用层DNS，

DNS的主要功能和域名解析过程

WWW，URL， http的工作方式， HTML

DHCP功能

应用层通信模型（c/s）（图，注意端口号）

1 访问某个网站，从上到下，分别用到了什么协议，每个协议的作用，以及访问流程。（www.hubu.edu.cn）以及全过程 （详见第六章PPT）

（1）应用层：HTTP：WWW访问协议，DNS：域名解析；（2分）（2）运输层：TCP：在客户和服务器之间建立连接，提供可靠的数据传输；UDP（2分）（3）网络层：IP：IP包传输和路由选择，ICMP：提供网络传输中的差错检测，ARP：将本机的缺省网关IP地址映射成物理MAC地址。（2分）。

2 各层协议的作用以及使用范围（PPP IP ARP TCP UDP 以及各应用层协议）

3 路由协议的实验（静态 RIP OSPF），路由器的配置以及主机配置

4 交换机，路由器网络设备选择，同一个网段相连用交换机，不同网段相连用路由器。路由器IP地址的配置（默认网关），注意广播地址的使用，注意IP地址和子网掩码的关系

5 每章作业

一、计算机网络基础知识（每小题5 分，共40分）

二、计算机网络系统分析（共20分 每小题10分）

三、 计算机网络系统设计（共30分 16+14）

四、 计算机网络工具使用（共10分）