计算机网络知识笔记

计算机网络是一个通过通信设备与线路连接，通过功能完善的软件实现资源共享和信息传的软件实现资源共享和信息传输的系统。

(1)按分布范围分类：广域网、城域网、局域网、个人区域网；

(2)按拓扑结构分类：星网、总线网、环网、网网；

总线拓扑结构 它是通过相应的硬件接口将网络中的所有设备直接连接到公共总线，并通过广播通信结点之间的信息。总线上的其他结点可以听到。

优点：结构简单，布线方便，可靠性高，扩展方便，节点故障不会影响系统，是局域网常用的拓扑结构。

缺点：所有数据都需要通过总线传输，总线已成为整个网络的瓶颈；故障诊断更加困难。此外，由于信道共享，连接的节点不应过多，总线本身的故障会导致系统崩溃。最著名的总线拓扑结构是以太网(Ethernet)。

星形拓扑结构 它是一种辐射互联结构，以中央节点为中心，连接多个外围节点。该结构适用于局域网，特别是近年来连接的局域网。该连接方式以双绞线或同轴电缆为连接线。

优点：结构简单，易于实现，易于管理，通常采用集线器(Hub)便于维护和管理的中央节点。

缺点：中心结点是整个网络的可靠瓶颈，中心结点故障会导致网络瘫痪。

环形拓扑结构 每个结点由通信线路组成，环中的数据只能单向传输，每个设备上的信息延迟时间固定。特别适用于实时控制的局域网系统。

数据通信：计算机网络最基本、最重要的功能，包括连接控制、传输控制、错误控制、流量控制、路由选择、多路重用等子功能；

资源共享：包括数据资源、软件资源和硬件资源；

分布式处理：当计算机网络中的计算机系统负载过大时，可以将其处理任务传到网络中的其他计算机系统进行处理，利用空闲计算机资源提高整个系统的利用率；

综合信息处理：集中或分级分散在各地计算机中的数据；

负载均衡：将工作任务均衡分配给计算机网络中的每台计算机；

提高可靠性：计算机网络中的每台计算机都可以通过网络相互替代。

(1)时延：发送延迟(传输延迟) 传播时延 处理时延 排队时延;

(2)时延带宽积:传播延迟x带宽；

(3)往返时间RTT:从发送方发送数据到发送方收到接收方的确认信息

(4)利用率:信道利用率(某个信道有几%的时间使用) 网络利用率(全网信道利用率平均值)。

协议

协议是控制两个对等实体通信的规则，即水平。

协议的组成包括：

语义(解释构成协议的元素含义)，

语法(数据和控制信息的结构或格式)

同步(规定协议的控制顺序)。

接口

接口也被称为向上层提供服务的访问点，没有接口就不能提供服务；

SDU服务数据单元，PCI协议控制信息，ICI接口控制信息，PDU协议数据单元，IDU接口数据单元。

服务

服务是指下层为相邻上层提供的功能调用。

协议是水平的，服务是垂直的。

服务主要包括以下三类：

(1)面向连接的服务(建立连接、使用连接、释放连接)和面向无连接的服务(将每个带有目的地址的包传输到线路上，系统选择路线传输)；

(2)有响应服务(接收方收到数据后给出响应)和无响应服务(接收方收到数据后不自动响应)；

(3)可靠服务(网络具有检错、纠错、应答机制)和不可靠服务（尽力而为）；

OSI模型

相同点：

1 都分层

2 基于独立协议栈概念的概念

3 异构网络互联可以实现

表示层

任务：处理两个通信系统中信息交换的表示。

功能：数据格式变换、加密解密、压缩和回复。

协议：JPEG，ASCLL

会话层*

任务：表示层实体提供建立连接，即建立同步

功能：建立、管理、终止会话。

协议：ADSD、ASP

应用层(用户对用户)

任务：提供系统与用户之间的界面

功能：文件传输、访问和管理；电子邮件

协议：FTP、SMTP、POP3、HTTP

传输层(应用对应用，过程对过程)

传输单位：报文段（TCP）、用户数据报（UDP）

任务：负责主机两个过程之间的通信

功能：①为端到端链接提供可靠的传输服务；

②为端到端链接提供流量控制、错误控制、服务质量等管理服务

协议：TCP、UDP、ARQ

网络层(主机对主机)

传输单位：数据报告

硬件：路由器

任务：①传输层传输的报文段封装成分组；②选择合适的路由，使传输层传输的分组能够交付到目的主机

功能：①为传输层提供服务；②组包和拆包；③路由选择；4、拥塞控制

协议：IP、ICMP、ARP

数据链路层

传输单位：帧

硬件：交换机、网桥

任务:传递网络层次的任务:IP数据报组装成帧

功能：①建立、拆除、分离链接；②帧定界与帧同步；③差错检测

协议：PPP、HDLC

物理层

物理层解决了如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。而不是具体的传输媒体。

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口相关的特性–定义标准。

• 机械特性 定义物理连接的特性，规定物理连接的规格、接口形状、引线数量、引脚数量和排列。
• 电气特性、电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
• 功能特性 指出某条线上出现的电平的意义，以及接口部件信号线的使用。
• 规程特性 过程特性 定义每条物理线路的工作规程和时序关系。

速率：就是单位时间内传输的数据量，可用波特率和比特率来描述。

波特率：又称码元传输速率，表示单位时间内数字通信系统所能传输的码元个数。

比特率：又称信息传输速率，表示单位时间内数字通信系统所能传输的二进制码元个数，即比特数，单位为bit/s。

在计算机网络中，带宽是用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，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。 此时，带宽的单位不再是赫兹(Hz)，而是bit/s。

由来：寻找在保证不出现码间串扰的条件下的码元的最大传输速率。 （码间串扰：具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，所以信号中的大部分高频分量就过不去了，这样在传输共享中会衰减，导致在接收端收到的信号的波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象就是码间串扰）

奈奎斯特定理: Cmax=f采样*log2N(bit/s) 其中，f代表理想低通信道的带宽，N表示每个码元的离散电平的数目。

公式：

Cmax=W∗log2(1+S/N)(bit/s)

其中，W为信道的带宽，S/N为信噪比。 想要提高信息的传输速率，需要增大信噪比或者提高带宽（注意：仅仅提高改善编码不可能超过香农公式算出的速率）。

1、电路交换：在通信之前，通信双方建立一条被双方独占的物理通路。

优点：

1)通信时延小；2)实时性强；3)有序传输；4)使用范围广（数字/模拟信号均可传输）；

5)控制简单；6)避免冲突。

缺点：

1)建立连接时间长；2)信道利用率低；

3)缺乏统一标准(电路交换时，数据之大，不同规格终端难以相互通信，也很难进行差错控制)；

4)灵活性差（任一节点出错都需要建立新的连接）。

2、报文交换：数据交换的单位是报文，报文携带目的地址、源地址等信息；报文交换在交换节点时采用存储转发方式。

优点：

1)无需建立连接(因此不存在连接时延)；

2）动态分配线路；

3）提高了可靠性；

4)提高线路利用率；

5)提供多目标服务（一个报文可以发送到多个目的地址）。

缺点：

1)由于数据进入交换节点后要经理存储、转发这一过程，从而引起转发时延；

2)报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络节点有大量的存储缓存空间。

【注】：报文交换主要用于早起的电报通信网中，现在被较先进的分组交换方式取代。

3、分组交换：仍采用存储转发方式，但将一个长报文先分割为若干较短的分组，然后逐个转发分组（每个分组都携带目的地址、源地址和编号信息）。

优点：

1)加速传输（分组是逐个传输的，所以可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行；传输一个分组所需缓冲区较小，因此因缓冲区不足而等待发送的概率以及等待时间也会减小）；

2)简化了存储管理（分组长度固定，相应缓冲区大小也固定）；

3)减少了出错概率和重发数据量(因为分组较短，所以出错概率也较小，这样既提高了可靠性，又降低了传输时延)；

缺点：

1)存在传输时延（尽管比报文交换的传输时延少，但相对于电路交换，仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力）；

2)当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组的现象，分组到达目的节点时，要重排，很麻烦；若采用虚电路服务，虽无失序问题，单有呼叫建立、数据传输和虚电路释放3个过程。

无连接的数据报方式、面向连接的虚电路方式。

1、数据报:

1)发送分组前无需建立连接；

2)网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，可能乱序或丢失；

3)在具有多个分组的报文中，交换机尚未接收完第二个分组，已经收到的第一个分组就可以转发出去，不仅减小了延迟，而且大大提高了吞吐量；

4)当某一台交换机或一段链路故障时，可相应地更新转发表，寻找到另一条替代路径转发分组，对故障适应能力强；

5)发送方和接收方不独占某一链路，所以资源利用率高。

2、虚电路:发送数据之前，在源主机和目的主机之间建立一条虚连接(逻辑上的连接)。

1）用户之间必须建立连接，数据传输过程中不再需要寻找路径，相对数据报方式开销小；

2)分组走相同路径，故按序到达；

3）分组首部并不包含目的地址，而是包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小；

4)当某个交换机或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该交换机或该链路的虚电路将遭到破坏。

数据链路层在物理层所提供的服务的基础上向网络层提供服务，即将原始的、有差错的物理线路改进成逻辑上无差错的数据链路，从而向网络层提供高质量的服务，包括3种：无确认的无连接服务、有确认的无连接服务和有确认的有连接服务（没有无确认的有连接服务）

链路管理：用于面向连接的服务；

帧同步：位置和结束位置；

差错检测：方发送的数据；

透明传输：不管数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上发送；

冗余编码

检错编码–奇偶校验码

循环冗余码

我们知道，在数据链路层实现的功能包括：①链路链接的建立、拆除、分离；②帧定界和帧同步；③差错检测，流量控制等。

流量控制的含义：控制发送方发送数据的速率，使接收方来得及接收。

常见两种方法：

1、停止-等待流量控制：发送方发出一帧，然后等待应答信号到达再发送下一帧；接收方每收到一帧后，返回一个应答信号，表示可以接收下一帧，如果接收方不返回应答，则发送方必须一直等待；

选择重传协议 滑动窗口

2、滑动窗口流量控制：在任意时刻，发送方都维护了一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时，接收方也维护了一组连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口内的序列号代表了那些已经被发送但是还没有被确认的帧，或者是那些可以被发送的帧。发送端每收到一个帧的确认，就发送串口就向前滑动一个帧的位置。当发送窗口尺寸达到最大尺寸时，发送方会强行关闭网络层，直到有一个空闲缓冲区出来。在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该帧收下，并将窗口前移一个位置。若收到的数据帧落到接收窗口之外，就丢弃。

频分多路复用 FDM

给每个信号分配唯一的载波频率并通过单一媒体来传输多个独立信号的方法。

时分多路复用 TDM

把多个信号复用到单个硬件传输信道，它允许每个信号在一个很短的时间使用信道，接着让下一个信号使用。

波分多路复用 WDM

就是光的频分复用，用一根光纤同时传输多个频率很近的光载波信号。

码分多路复用 CDM

码分复用技术是用一组包含相互正交的码字的码组携带多路信号。

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，各用户之间不会造成干扰，因此这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。

随机访问介质访问控制（动态划分信道–>随机接入）

【注1】动态划分信道包括随机接入和受控接入

【注2】随机访问介质访问控制又称争用型协议，因为其核心思想是通过争用，胜利者才可以获得信道，主要有4种协议：

ALOHA协议：当网络中的任何一个结点发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。如果在一段时间内没有收到确认，该结点就认为传输过程中发生了冲突。发生冲突的结点需要等待一个随机的数据后再次发生数据。直到发送成功。 缺点：信道利用率不理想 改进:时分ALOHA：所有结点的时间被划分为间隔相同的时隙，并规定每个节点只有当下一个时隙到来时才可以发送数据。

载波侦听多路访问(CSMA)协议： 每个节点在发送数据之前，使用载波侦听技术来判定通信信道是否空闲，

常用3种策略：

1-坚持CSMA：一旦监听到信道空闲立即发送数据，否则继续监听；

p-坚持CSMA：一旦监听到信道空闲，以概率p发送数据，以概率（1-p）延迟一段时间并重新监听；

非坚持CSMA：一旦监听到信道空闲，便立即发送数据，否则延迟一段随机时间再重新监听。

带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议：

策略：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发。

争用期：以太网端到端的往返时延，又称冲突窗口或者碰撞窗口。只有经过争用期这段时间还没有检测到冲突，才能肯定这次发送不会发生冲突。

CSMA/CA协议： 在CSMA基础上增加了冲突避免功能。主要用在无线局域网中。 冲突避免要求每个结点在发送数据之前监听信道，若信道空闲，则发送数据。发送完一个帧后，必须等待一段时间，检查接收方是否发回了帧确认，若收到则继续发送，否则表明出现冲突，重发该帧。

轮询访问介质访问控制（动态划分信道–>受控接入）

用户不能随意地发送信息，而是通过一个集中控制的监控站经过轮询过程后再决定信道的分配。典型的轮询访问介质访问控制协议就是令牌传递协议。

书上写的两种服务：虚电路、数据报

网络层提供的两种服务：路由与转发、拥塞控制

(1)异构网络互联；

(2)路由与转发：路由器的主要功能包括路由选择（根据路由算法确定一个进来的分组应该被传送到哪一条输出线路上）和分组转发（路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口发送出去）；

(3)拥塞控制：分为开环控制（事先考虑发生拥塞的有关因素，力求避免拥塞）和闭环控制（事先不考虑，采用监视系统即时检测）两大类。

（1）按照路由算法能否随网络的通信量或拓扑自适应地进行调整变化来划分，总体可分为静态路由选择策略和动态路由选择策略，前者手工做，简单开销小，适合小网络，后者能较好的适应网络状态的变化，但实现复杂。 动态路由选择算法包括距离-向量路由算法和链路状态路由算法。

距离-向量路由算法中，路由器只掌握物理相邻的邻居以及链路费用，是一种分散性算法，典型代表是RIP；（RIP用“跳数”作为距离的代价）

链路状态路由算法中，所有路由器掌握完整的物理拓扑和链路费用信息，是一种全局性算法，典型代表是OSPF。（OSPF的“度量”主要用来表示费用、距离、时延、带宽等）

(1) RIP(内部网关协议)：

基于距离-向量算法，仅和相邻路由器交换信息，交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，按照固定时间间隔交换路由信息。

优点：实现简单，开销小，收敛速度快。

缺点：限制了网络规模（16不可达）；由于路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，所以随着网络规模扩大开销也变大；坏消息传播的慢，此时收敛时间长。

(2) OSPF（内部网关协议）：

基于链路状态协议，使用洪泛法（一传十，十传百）向本自制系统内的所有路由器发送信息，只有当链路状态改变时才更新。

(3) BGP(外部网关协议)：

基于路径-向量协议，自治系统之间路由器交换信息时使用这个。

所有地址一共32位

A类地址：网络号8位，规定第一位是0，可指派的网络数为27-2，因为其中网络地址全0的地址是个保留地址（00000000），意思是“本网络”，网络号01111111用于本地软件环回测试。后面3B（24位）代表主机号，主机号全0代表该网络，全1代表广播地址，最大主机数为224-2。

B类地址：网络号为16位，规定前两位是10（因此网络地址不可能出现全0），网络地址128.0.0.0不指派，所以可指派的网络数为214-1。主机号也为16位，同样，主机号全0表该网络，全1表广播，所以每一个网络上的最大主机数为216-2。

C类地址：网络号为24位，规定前3位为110（因此网络地址不可能出现全0），网络地址192.0.0.0不指派，所以可指派的网络数为221-1。主机号为8位，同样，每一个网络上的最大主机数为28-2。

从主机号借用若干个比特作为子网号，而主机号也就相应减少了若干比特，网络号不变。注意子网号不能使用全0和全1

用来告诉主机或路由器是否对一个A/B/C类网络进行了子网划分。 所有网络都有子网掩码，若未划分子网，则采用默认的子网掩码。 规定A/B/C类地址的默认子网掩码分别为：255.0.0.0，255.255.0.0，255.255.255.0

总结：不管有没有划分子网，只要将子网掩码与IP地址逐位做“与”运算，就一定能得到网络地址。

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题的

ARP的4种典型情况总结：

1）主机→主机（本网络）：用ARP找到目的主机的硬件地址

2）主机→主机（另一个网络）：用ARP找到本网络的一个路由器的硬件地址，之后的工作交由此路由器完成

3）路由器→主机（本网络）：用ARP找到目的主机的硬件地址

4）路由器→主机（另一个网络）：用ARP找到本网络的一个路由器的硬件地址，之后的工作交由此路由器完成

在每个主机中都有一个ARP高速缓存，里面存放的是所在局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表，ARP的职责就是动态的维护该表。 ARP请求分组是广播发送的，但ARP响应分组是普通的单播。

常用于给主机动态的分配IP地址，提供了即插即用的连网机制，允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与。 DHCP是应用层协议，DHCP报文使用UDP传输。 DHCP服务

(1)路由选择根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期的和相邻路由器交换路由信息而不断更新和维护路由表，其核心部件是路由选择处理器；

(2)分组转发：包括一组输入端口、交换结构和一组输出端口，交换结构(路由器的核心部件)从输入端口接收到分组后，根据转发表对分组进行处理，然后从一个合适的输出端口转发出去。

若接收到的分组是路由器之间交换路由信息的分组，比如RIP和OSPF分组，则把这种分组送交路由器的路由选择部分的选择处理器； 若接收到的是数据分组，则按照分组首部中的目的地址查找转发表，经过交换结构到达合适的输出端口。 当一个分组正在查找转发表时，后面又紧跟着从这个输入端口收到另一个分组，这个分组就要排队，因而产生了时延。

对整个传输层而言的功能：

(1)提供应用进程间的逻辑通信(网络层提供主机之间的逻辑通信)；

(2)对收到的报文的首部和数据部分进行差错检测(网络层只检查IP 数据报首部)；

(3)提供无连接(UDP)或面向连接(TCP)的服务；

(4)复用和分用：复用是指发送方不同的进程都可以使用同一个传输层协议传送数据，分用是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。

此外对于面向连接的服务还有以下功能：

(1)连接管理，如TCP的3次握手（通常把连接的定义和建立的过程称为握手）;

(2)流量控制和拥塞控制。

软件端口就是传输层服务访问点，是应用层的各种协议进程与传输实体进行层间交互的一种地址；

而硬件端口是指不同硬件设备进行交互的接口(如交换机和路由器的端口)。

端口号，用大量端口号标识一台主机在某一时刻的网络应用进程。

主要有3类端口号：熟知端口、登记端口、客户端端口或短暂端口。

套接字，唯一标识了网络中的某台主机上的某个应用进程，套接字=（主机IP地址，端口号）。IP地址找主机，端口号找进程。

TCP->传输层向上提供一条全双工的可靠逻辑信道

UDP->传输层向上提供一条不可靠的逻辑信道

5.1 UDP的特点:

(1)传送数据前不需要建立连接，数据到达后也无需确认；

(2)不可靠交付；

(3)报文头部短，传输开销小，时延较短。

5.2 TCP的特点

(1)面向连接，不提供广播或多播服务；

(2)可靠交付；

(3)报文段头部长，传输开销大。

建立链接（3次握手） 释放链接（4次握手）

第一次握手：客户端发送一个连接请求报文段，无应用层数据

第二次握手：服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，此时也无应用层数据。

第三次握手：客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，此时可以携带数据了。

（1）连接的建立 - - - 三次握手seq为序号字段，标明本次报文段数据部分的第一个字节的序号ack是确认号字段，告诉对方我接下来应该接收的数据是从字节序号ack开始的数据ACK是确认位,0时确认号字段ack无效，1时确认号字段ack有效SYN是同步位

第一步:客户机的TCP首先向服务器的TCP发送一个连接请求报文段。这个特殊的报文段中不含应用层数据，其首部中的SYN标志位被置为1。另外，客户机会随机选择一个起始序号 seq= x(连接请求报文不携带数据，但要消耗一个序号)。

第二步:服务器的TCP收到连接请求报文段后，如同意建立连接，就向客户机发回确认，并为该TCP连接分配TCP缓存和变量。在确认报文段中，SYN和ACK位都被置为1,确认号字段的值为x+ 1, 并且服务器随机产生起始序号seq = y(确认报文不携带数据,但也要消耗-一个序号)。确认报文段同样不包含应用层数据。

第三步:当客户机收到确认报文段后，还要向服务器给出确认，并且也要给该连接分配缓存和变量。这个报文段的ACK标志位被置1,序号字段为x+1,确认号字段ack=y+ 1。该报文段可以携带数据，若不携带数据则不消耗序号。成功进行以上三步后，就建立了TCP连接，接下来就可以传送应用层数据。TCP提供的是全双工通信，因此通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。

服务器端的资源是在完成第二次握手时分配的而客户端的资源是在完成第三次握手时分配的，这就使得服务器易于受到SYN洪泛攻击。