全国计算机四级计算机网络概述.docx
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全国计算机四级计算机网络概述
Unit1网络技术基础
基于P2P的网络应用成为互联网产业与信息服务业的新增长点。
互联网应用与高速网络技术发展：
1、搜索引擎是一种运行在Web上的应用软件系统；
2、P2P以“非中心化”方式使更多的用户同时身兼客户机与服务器的双重身份，达到信息共享最大化的目标；
宽带城域网应该包括核心交换网与接入网。
三网融合：
计算机网络、电信通信网与电视传输网。
无线网络的发展：
1、无线局域网（WLAN）：
以微波、激光与红外等无线电波作为传输介质，IEEE802.11工作组专门从事WLAN标准的研究；支持有中心的组网方式；
无线局域网主要有四个应用领域：
传统局域网的扩充、建筑物之间的互联、漫游访问与特殊网络；
无线局域网的传输技术：
红外线、扩频、窄带微波；
2、无线自组网（Adhoc）：
是一种自组织、对等式、多跳的无线移动网络；
3、无线传感器网（WSN）：
将Adhoc与传感器技术相结合，WSN的三个要素是传感器、感知对象和观察者；
4、无线网状网（WMN）：
IEEE802.11S工作组专门为WMN制订了MAC与PHY层协议；
5、蓝牙技术：
IEEE802.15工作组制订了蓝牙通信标准；
操作系统的发展：
1、Windows操作系统（操作系统版本、服务器系统、客户机系统）；
2、Unix：
主要用C语言写成；符合易移植操作系统环境（POSIX）标准。
UNIX系统结构分为两大部分：
操作系统内核和外壳，内核的操作原语可以直接对硬件起作用，外壳以外则是用户程序。
常用的UNIX系统有SUN公司的solaris，IBM公司的AIX，HP公司的HP-UX等。
3、Linux：
编写内核效仿Unix重新编写；符合POSIX标准，开放源代码。
符合网络特征的是资源共享的观点。
建立计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享。
计算机网络按网络的覆盖范围可以分为：
局域网、城域网、广域网、个人区域网。
广域网从逻辑功能上分为通信子网和资源子网。
点到点线路的通信子网的拓扑结构包括4种：
星型、环型、树型、网状型。
目前广域网主要用网状拓扑结构。
描述计算机网络传输特性的参数：
1、数据传输速率：
每秒钟传输二进制比特数，公式：
S=1/T（bps），T为发送每个比特所需要的时间。
通信信道最大传输速率与信道带宽之间存着明确的关系：
1.奈奎斯特准则：
描述了有限带宽、无噪音信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。
二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽（B=f，单位HZ）的关系为：
Rmax=2f
2.香农定理：
描述了有限带宽、有随机热噪声信道时，最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率值比之间的关系：
Rmax=Blog2（1+S/N）Rmax：
数据最大传输速率，单位是bpsB:
信道带宽，单位是HZS/N：
信号与噪声功率比
2、误码率的定义：
误码率是指二进制在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：
Pe=Ne/N
计算机通信的平均误码率要求低于10-9。
分组交换与包交换：
1、线路交换的基本概念
2、存储转发的特点
3、数据报方式与虚电路的方式
数据报方式的主要特点：
同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复与丢失现象；每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；数据报方式的传输延迟较大，适用于突发性通信、不适合用于长报文、会话式通信。
（存储转发）
网络协议三个要素：
语法：
用户数据与控制信息的结构和格式；
语义：
需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的相应；
时序：
对事件实现顺序的详细说明。
第一个计算机网络体系结构：
IBM公司的SNA。
ISO/OSI参考模型
1、OSI参考模型的基本概念
OSI定义了各层提供的服务，服务和实现无关。
OSI/RM并不是一个标准，而只是一个概念性的框架。
2、ISO/OSI参考模型结构和各层功能
同一结点内相邻层之间通过接口通信；
每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；
ISO/OSI参考模型结构与各层功能：
1、物理层传送比特流
2、数据链路层采用差错控制、流量控制方法，使用差错的物理线路变成无差错的数据链路，MAC与IP地址映射
3、网络层通过路由算法，为分组通过通信子网选择一条最佳路径；实现路由选择、拥塞控制与网络互联等功能
4、传输层向用户提供可靠的端到端服务；计算机通信体系结构中最关键的一层
5、会话层建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制
6、表示层数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能
7、应用层需要识别并保证通信双方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步；建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制
3、TCP/IP参考模型（传输层协议）（由IETF制定的参考模型）
TCP/IP——传输控制协议/互联网协议
TCP/IP参考模型与层次结构：
TCP/IP——OSI
{应用层}——{应用层、表示层、会话层}
{传输层}——{传输层}
{互联层}——{网络层}
{主机-网络层}——{数据链路层、物理层}
TCP/IP的主机-网络层实现了OSI模型中物理和链路层的功能。
TCP/IP的互联层功能主要体现在3个方面：
1.处理来自传输层的分组发送请求
2.处理接受的数据包
3.处理互联的路径、流控与拥塞问题
主要协议：
IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP
传输层实现应用进程的端到端通信，具有两个协议：
TCP和UDP协议
1.TCP：
是一种可靠面向连接的协议，允许将一台主机的字节流无差错地传送到目的主机。
2.UDP：
不可靠的无连接协议。
不要求分组顺序到达目的地。
应用层的主要协议有：
远程登录协议（Telnet），文件传输协议（FTP），简单邮件传输协议（SMTP），域名服务（DNS），路由信息协议（RIP），网络文件协议（NFS），超文本传输协议（HTTP）等
P2P网络中的每一台计算机既可以作为网络服务的使用者，又可以作为网络服务的提供者。
P2P应用中典型的文件共享软件包括Napster、BitTorrent、Guntella。
Unit2局域网技术
决定局域网与城域网的三要素：
网络拓扑、传输介质与介质访问。
局域网网拓扑结构类型：
1、总线型拓扑总线型局域网的介质访问控制方法采用“共享介质”方式
2、环型拓扑通常采用令牌环控制方式实现介质访问控制
3、传输介质类型与介质访问控制方法
带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）的总线型局域网；
4、IEEE802参考模型（针对不同传输介质制定的物理层标准）
IEEE802参考模型将数据链路层划分为两个子层：
逻辑链路控制子层（LLC）与介质访问控制子层（MAC），不同的局域网在MAC子层和物理层可以采用不同的协议，但在LLC子层必须采用相同的协议。
IEEE802标准主要有四个：
IEEE802.3标准：
CSMA/CD总线介质访问MAC子层与物理层标准；
IEEE802.11标准：
定义无线局域网介质访问MAC子层与物理层标准；
IEEE802.15标准：
定义近距离个人无线网介质访问MAC子层与物理层标准；
IEEE802.16标准：
定义宽带无线局域网介质访问MAC子层与物理层标准；
以太网的核心技术是：
介质访问控制方法CSMA/CD。
传统Ethernet是一种总线型局域网，传输数据单元：
Ethernet帧，MAC：
实现虚拟监听机制。
Ethernet工作过程：
1、发送流程：
载波侦听过程
冲突检测方法
发现冲突、停止发送
随机延迟重发
CSMA/CD后退延迟算法：
截至二进制指数后退延迟（TBEB）：
r=2kRa其中r为重新发送所需的后退时间；a为冲突窗口值；R为随机值；K=min[重传次数n，10]。
2、接收流程
3、Ethernet帧结构
字节数
7
1
6
6
2
46~1500
4
前导码
帧前定界符
目的地址
源地址
类型
数据
校验和
前导码与帧前定界符：
用于接收同步阶段，比特序列101010…11，不计入帧头长度。
目的地址和源地址：
目的地址第一位为0表示单播；为1为多播；全1为广播。
类型：
表示网络层使用的协议类型，如0x0800表示IP；0x8137表示IPX。
数据字段：
46-1500B，所以帧长度范围为64-1518B。
帧校验：
多项式为G（X）=X32+X26+…..X2+X1
4、Ethernet物理地址
物理地址按照48位编码（EUI-48），记作12个十六进制，两两一组，“-”
分割，前三组（字节）为公司表示，后三组生产商自行分配。
Ethernet物理地址长度为48位，允许分配的物理地址应该有247个。
高速局域网的工作原理
1、高速局域网的发展：
络的规模不断的扩大，网络通信负荷加重时，冲突和重发现象大量发生，网络效率急剧下降，网络传输延迟增长，网络服务质量下降。
2、FastEthernet-802.3u标准：
（最大传输速率100Mbps）
关传输介质的标准：
100BASE-TX：
使用2对5类非屏蔽双绞线或2对1类屏蔽双绞线，1对用于发送，1对用于接收；支持全双工。
100BASE-T4：
使用4对3类非屏蔽双绞线，3对用于传输，一对用于检测，不支持全双工
100BASE-FX：
支持2芯的单模或多模光纤，传输距离达2km，支持全双工。
3、GigabitEthernet–802.3z标准：
（用GMII分隔成物理层和MAC层）
有关传输介质标准：
1000BASE-T：
使用5类非屏蔽双绞线，长度可达100m
1000BASE-CX:
使用5类屏蔽双绞线，长度可达25m
1000BASE-LX：
使用波长1300nm的单模光纤，长度可达3000m
1000BASE-SX：
使用波长850nm的多模光纤，长度可达300~550m
4、10GigabitEthernet–802.3ae标准
主要特点：
与10M/100M/1Gbps以太网的帧格式相同；保持802.3对以太网最小和最大帧长度；不再使用双绞线，而使用光纤作为传输介质；只有全双工工作方式，传输距离不受冲突检测的限制。
物理层标准：
局域网物理层（LANPHY）广域网物理层（WANPHY）
5、40/100GigabitEthernet
40Gbps网络使用波分复用技术；
100GigabitEthernet物理接口类型：
10X10Gbps短距离互联的LAN接口技术；
4X25Gbps中短距离互联的LAN接口技术；
10m的铜缆接口和1m的系统背板互联技术。
交换式局域网的基本结构：
1、交换机的基本概念
“共享端口“—”专用端口“端口之间可有多个并发连接
2、交换机的技术特点
允许不同速率端口共存；支持虚拟局域网服务
局域网交换机的工作原理：
1、交换机的工作原理
2、端口号/MAC地址映射表
交换机的“地址学习“是通过读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口。
3、交换机的帧转发方式：
直接交换方式：
交换机只要接收一个帧并检测到目的地址，就立即转发。
优点是交换延迟短；缺点是缺乏差错检测能力，不支持不同速率端口之间的帧转发。
存储转发交换方式：
交换机完整的接收一个帧并进行差错检验，然后转发。
；优点是具有差错检验能力，并支持不同速率端口之间的帧转发，缺点是交换延迟增大。
改进的直接交换方式：
接收一个帧的前64字节之后，检测帧头字段是否正确，如果正确则转发。
虚拟局域网（VLAN）的工作原理：
1、虚拟局域网的概念：
虚拟网络以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理
2、虚拟局域网的组网方法：
1）用交换机端口号定义虚拟局域网
2）用MAC地址定义虚拟局域网
3）用网络层地址定义虚拟局域网
4）基于广播组的虚拟局域网
3、虚拟局域网的优点：
1）方便网络用户管理，减少网络管理开销
2）提供更好的安全性
3）改善网络服务质量
无线局域网：
1、无线局域网的应用：
传统局域网的扩充；建筑物之间的互联；漫游访问；特殊的无线网络结构（如无线自组网）。
2、无线局域网的分类：
1.红外无线局域网（IR）：
按视距方式传输，发送点与接收点之间必须无阻挡。
红外无线局域网的数据传输技术：
定向光束红外传输；全方位红外传输—需要在天花板安装一个基站；漫反射红外传输。
2.扩频无线局域网：
以牺牲通信的频带带宽为代价，来提高无线通信系统的抗干扰性和安全性。
扩频技术主要有两种：
跳频扩频通信（FHSS）、直接序列扩频通信（DSSS）。
3.窄带微波无线局域网：
窄带微波是指使用微波无线电频进行数据传输，其带宽刚好能容纳信号。
3、无线局域网标准IEEE802.11：
1.IEEE802.11协议结构：
该协议采用的是层次模型结构，其中物理层定义了红外、跳频扩频与直接序列扩频的数据传输标准。
MAC层采用冲突避免的方法是CSMS/CA（载波侦听多路访问/冲突避免）
2.IEEE802.11协议族组成
标准名称
标准描述
802.11a
5GHz波段，速率54Mbps
802.11b
2.4GHz波段，速率11Mbps
802.11g
2.4GHz波段速率54Mbps
802.11n
25GHz波段速率100Mbps
802.11i
增强无线通信安全的规范
802.11e
服务质量QOS
IEEE802.11帧采用2字节作为帧控制字段，帧中目的地址和源地址使用MAC地址，数据字段最大长度是2312字节，帧校验字段长度为4字节，采用CRC校验，校验范围为MAC帧头与数据域，类型字段的类型标识数据帧、管理帧或控制帧。
Unit3Internet基础
Internet的构成
1、Internet的主要组成部分：
通信线路、路由器、主机、信息资源。
2、Internet的接入方式
电话网接入—调制：
数字信号转换成模拟信号解调：
模拟信号转换为数字信号
ADSL接入—下行通信的数据传输速率远远大于上行的数据传输速率（非对称）。
HFC接入—采用非对称数据传输速率，上行速率：
10Mbps左右，下行速率10~40Mbps共享信道传输方式
数据通信线路接入—DDN、ATM、帧中继等
IP服务：
不可靠的数据投递服务、面向无连接的传输服务、尽最大努力投递服务
地址解析协议ARP：
IP（互联层）—MAC请求：
广播响应：
单播
为了保证主机ARP表的正确性，为ARP表中的每一个表项都分配了计时器。
IP数据报：
长度：
总长度（以8b字节为单位）与报头长度（以32b双字节为单位）
头部校验和：
用于保证IP数据报报头的完整性，IP数据报没有数据区的校验字段，允许不同的上层协议选择自己的数据校验方法。
协议字段表示数据区的高级协议类型。
IP封装：
目的IP地址（全程不变）、目的MAC地址（逐跳修改）。
分片控制：
在IP数据报报头中，标识、标志和片偏移三字节与控制分片和重组有关。
1.标识：
发送方将一个唯一的标识放进每个输出数据报的标识域中，接收方就可利用收到的分片的标识数和IP源地址来确定该分片属于哪个数据报。
2.标志：
标识该数据报是否已经分片，是否是最后一个分片。
3.片偏移：
用来指出本片数据在初始IP数据区中的位置，以8个字节为单位。
目的是提供重组的分片顺序。
IP数据包选项：
选项码、长度、选项数据。
选项数据：
1.源路由：
IP数据报穿越互联网所经过的路径由主机指定，分为严格路由（完整路径）选项和松散路由选项。
2.记录路由：
记录IP数据报经过路径上各个路由器的IP地址。
3.时间戳：
经过每个路由器的时间。
差错与控制报文：
ICMP报文是作为IP数据报的数据部分传输的
ICMP协议的两种典型应用：
ping和traceroute。
ICMP差错报文的特点：
1.携带ICMP报文的数据包并没有什么特别优先权—它们像其他数据包一样转发：
不享受特别的可靠性；
2.ICMP差错报告数据中除包含故障IP数据报报头之外，还包含IP数据报数据区的前64比特数据，目的是了解高层协议信息；
3.ICMP差错报告时伴随着抛弃出错IP数据报而产生的，一旦发现传输错误，先把出错报文抛弃。
ICMP控制报文包括源抑制报文和重定向报文：
源抑制报文—用于拥塞控制重定向报文—用于路径控制
ICMP请求/应答报文对：
1.回应请求与应答：
回应请求/应答ICMP报文对于测试目的主机或路由器的可达性
2.时间戳请求与应答：
同步时钟
3.掩码请求与应答
路由表的建立与更新：
1、静态路由：
静态路由是由人工建立和管理的；静态路由不会自动发生变化；静态路由必须手工更新以及反映互联网拓扑结构或连接方式变化。
优势：
安全可靠、简单直观，避免了动态路由选择的开销。
劣势：
不适用于复杂的互联网结构，建立和维护工作量大，容易出现路由环；互联网出现故障，静态路由不会自动作出更改。
2、动态路由：
动态路由可以通过自身学习，自动修改和刷新路由表，动态路由要求路由器之间不断的交换路由信息。
优势：
更多的自主性和灵活性。
适用环境：
拓扑结构复杂、网络规模庞大的互联网。
自动排除错误路径、自动选择性能更加的路径。
使用动态路由的基本条件：
路由器运行相同的路由选择协议，执行相同的路由选择算法。
广泛采用的路由选择协议：
路由信息协议RIP：
利用向量—距离算法
开放式最短路径优先协议OSPF：
利用链路—状态算法
路由收敛：
互联网中所有的路由器都运行着相同的、精确的、足以反映当前互联网拓扑结构的路由信息。
快速收敛是路由选择协议最希望具有的特征。
RIP协议与向量—距离算法:
1、向量—距离路由算法
1.路由器启动时初始化自己的路由表，初始路由表包含所有去往与该路由器直接相连的网络路径，初始路由表中各路径的距离均为0.
2.个路由器周期性地向其相邻的路由器广播自己的路由表信息。
3.路由器收到其他路由器广播的路由器信息后，刷新自己的路由表。
收到对方（发送路由表的路由器）的路由表后是否学习总体原则：
我没有的表目—学习，比我原来的表目好—学习，没我原来的表目好—不学习，
路径有变化的—学习，对方目的网络消失—删除
学习的计算：
距离+1路径为对方
2、RIP协议
1.RIP协议是向量—距离路由选择算法在局域网上的直接实现。
2.相邻的路由器之间每30s交换一次路由信息，路由信息来源于本地路由表，路由器到达目的网络的距离以“跳数”计算
RIP协议的实现问题：
相同开销路由：
先开为主
过时路由：
使用计时器超过时间一般为180s，相当于6个RIP刷新周期
慢收敛问题与对策：
慢收敛问题的解决对策：
1.限制路径最大“距离”对策：
当路由表目等于或大于16为不可达路由，从路由表中删除。
2.水平分割对策：
路由器从某个接口发送路由刷新报文时，不能包含该接口原来获取的信息。
3.保持对策：
在得知目的网络不可能到达后的一定时间内（60秒），不接受关于此网络的任何可达信息。
4.带触发刷新的毒性逆转对策：
当某路径崩溃后，最早广播此路由的路由器将原路由保留在更新报文中，并举例置为无限长，同时使用触发刷新技术，立即广播，不等待更新周期到来。
RIP与子网路由：
1.RIPVersion1：
使用标准的IP协议，不支持子网路由
2.RIPVersion2：
支持子网路由支持身份验证支持多播
OSPF协议与链路—状态算法
链路—状态（L-S）路由选择算法的基本算法：
1.互联网上的每个路由器周期性地向其他路由器广播自己与互邻路由器的连接关系。
2.互联网上的每个路由器利用收到的路由信息画出一张互联网拓扑结构图。
3.利用画出的拓扑结构图和最短路径优先算法，计算自己达到各个网络的最短路径。
主要优势：
收敛速度快支持服务类型选路提供负载均衡和身份验证
OSPF主要缺陷和解决方法：
主要缺陷：
要求较高的路由器处理能力一定的带宽需求
主要解决方法：
1.分层（区域）—骨干区域为area0，区域标识按IP地址格式2.指派路由器
部署和选择路由协议：
1.静态路由：
适合于小型（包含2到10个）、单路径、静态IP互联网环境
2.RIP路由协议：
适合于小型到中型（包含10到50个）、多路径、动态IP互联网环境
3.OSPF路由协议：
适合大型到特大型（包含50个以上）、多路径、动态IP互联网环境
组播技术：
1、IP组播的概念和特点
1.单播、广播与组播
2.IP组播的特点：
D类IP地址、组播中成员是动态的
3.单播、广播、组播比较：
单播：
（A、B、C类地址）应用举例：
网络浏览
广播：
应用举例：
有线电视网
组播：
（D类地址）应用举例：
视频会议和视频点播
2、组播的相关协议
根据协议的作用范围，组播协议分为组播管理协议和组播路由协议。
组播管理协议是主机和路由器之间的协议，又包括Internet组管理协议（IGMP）和Cisco专用的管理协议（CGMP）；
组播路由协议是路由器与路由器之间的协议，又分为域内组播路由协议以及域间组播路由协议。
IGMP协议运行与主机和主机直接连接的组播路由器之间，其功能是：
一方面通过该协议，主机通过本地路由器希望加入并接受某个特定组播的消息；另一方面，路由器通过IGMP协议周期性地查询局域网内某个已知组的成员是否处于活动状态，实现所连接网络组成员关系的收集与维护。
IGMPv1定义了基本的组成员查询和报告过程；
IGMPv2在IGMPv1的基本上添加了组成员快速离开的机制；
IGMPv3中增加的主要功能是成员可以指定接收或指定不接受某些组播源的报文。
组播路由协议是IP组播协议体系中最核心的功能。
组播路由由源地址、组地址、入接口列表和出接口列表4部分组成。
域内组播路由协议又分为密集模型（适用于带宽充裕的网络）和疏散模型（适用于带宽未必与充裕的网络）
各种组播协议都需要获得网络的单播拓扑结构。
IPv6协议
1、IPv4的局限性：
地址空间的局限性、IP协议的性能问题、IP协议的安全问题、自动配置问题、服务质量（QoS）保证问题
2、IPv6地址
1.IPv6的地址表示：
128位地址长度零压缩法
2.IPv6地址类型：
单播地址、组播地址、任播地址（泛播地址，也用于表示一组网络接口，可发送到组内任意接口，但通常发送到最近的一个，从单播地址中分配）、特殊地址。
IPv6的地址表示时需要注意的问题：
在使用零压缩法时，不能把一个位段内的有效0也压缩掉；双冒号在地址中只能出现一次
3、IPv6数据报
1.IPv6数据报格式：
IPv6的数据报由一个IPv6的基本头、多个扩展头和一个高层协议数据单元组成。
基本头固定的40字节长度。
2.IPv6扩展头：
每个扩展头都包含“下一个报头”字段用以指出后继扩展头类型。
最后一个扩展头中的“下一个报头”字段指出高层协议的类型。
IPv6地址自动配置：
分为有状态和无状态两种形式。
有状态地址配置：
自动配置需要DHCPv6服务器的支持，主机向DHCPv6服
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