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计算机网络笔记

《计算机网络》第五版复习笔记

第1章绪论

∙因特网

1.因特网组成P8

1.边缘部分，用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享；

2.核心部分，由大量网络和连接这些网络的路由器（边缘部分，称端系统（endsystem））组成。

提供连通性和交换。

2.处于边缘部分的用户通信方式P9-10

1.客户服务器方式（C/S方式），即Client/Server方式。

（客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方）

2.对等方式（P2P方式），即Peer-to-Peer方式。

（对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

）

3.交换技术：

电路交换、分组交换、报文交换P11-15

1.电路交换的三个阶段：

建立连接，通话，释放连接。

在通话时，两用户间占用端到端的资源，而由于绝大部分时间线路是空闲的，所以线路的传输速率往往很低。

2.分组交换组成：

报文、首部、分组。

采用存储转发技术，即收到分组——储存分组——查找路由（路由选择协议）——转发分组。

优点：

高效、灵活、迅速、可靠；缺点：

时延、开销。

关键构件：

路由器

3.报文交换：

先传送到相邻结点，然后转存

4.

∙计算机网络的分类P17

1.**广域网WAN**（WideAreaNetwork）：

因特网的核心部分。

2.**城域网MAN**（MetropolitanAreaNetwork）：

很多采用以太网技术。

3.**局域网LAN**（LocalAreaNetwork）

4.**个人区域网PAN**（PersonalAreaNetwork）

∙从网络的使用者进行分类：

公用网，专用网

∙性能指标P18:

速率、带宽、时延

5.速率：

b/s（bps）。

如100M以太网，实际是指100Mb/s。

往往是指额定速率或标称速率。

6.带宽：

数字信道所能传送的最高速率。

7.吞吐量：

单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

其绝对上限值等于带宽。

8.时延（delay或latency）：

数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一段传送到另一端的时间。

也称延迟。

∙①发送时延：

主机或路由器发送数据帧所需的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

也成传输时延。

发送时延=数据帧长度（b）/信道带宽（b/s）

∙②传播时延：

电磁波在信道中传输一定距离所需划分的时间。

传播时间=信道长度（m）/传输速率（m/s）

∙③处理时延：

主机或路由器处理收到的分组所花费的时间。

∙④排队时延：

分组在输入队列中等待处理的时间加上其在输出队列中等待转发的时间。

综上：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。

∙注：

对于高速网络链路，提高的是发送速率而不是传播速率。

9.时延带宽积：

传播时延*带宽。

表示链路的容量。

10.往返时间RTT：

从发送方发送数据开始，到发送发收到接收方的确认为止，所花费的时间。

11.利用率：

某信道有百分之几是被利用的（有数据通过）。

而信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。

当前时延=空闲时时延/（1-利用率）

∙计算机网络的体系结构p25

∙分层、协议、服务

∙网络协议的组成要素：

语法语义同步

∙五层协议的体系结构（从下向上）：

1.物理层主要负责在物理线路上传输原始的二进制数据；

2.数据链路层主要负责在通信的实体间建立数据链路连接；

3.网络层主要负责创建逻辑链路，以及实现数据包的分片和重组，实现拥塞控制、网络互连等功能；

4.运输层负责向用户提供端到端的通信服务，实现流量控制以及差错控制；

5.应用层为应用程序提供了网络服务。

∙OSI7层体系结构

∙7 应用层

∙6 表示层

∙5 会话层

∙4 传输层

∙3 网络层

∙2 数据链路层

∙1 物理层

∙TCP/IP体系结构

∙应用层、运输层、网际层和网络接口层

第2章物理层

∙物理层的主要任务P36

∙物理层特性：

机械、电气、功能、过程

∙传输媒体P40

∙传输媒体包括导向传输媒体和非导向传输媒体：

∙导向：

∙双绞线包括屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）和无屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）

∙同轴电缆

∙光缆，光纤通常由低折射率的包层和高折射率的纤芯构成。

光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射。

分为单模光纤（成本高衰耗小）和多模光纤（适合近距离传输）。

通常将一段段点到点的链路串接起来构成环路，通过T形接口连接到计算机。

∙架空明线

∙非导向：

∙无线传输所使用的频段很广

∙短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差

∙微波在空间主要是直线传播，传统主要两种方式：

地面微波接力通信（容量大）和卫星通信（传播时延大）

∙数据通信基本概念：

通信方式、调制技术P37

∙数据通信系统可划分为：

源系统，传输系统，目的系统

∙通信方式：

单向（单工）、双向交替（半双工）、双向同时（全双工）

∙基本二元调整方法：

调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）

∙模拟（连续）信号：

消息的参数的取值是连续的。

数字（离散）信号：

取值是离散的。

∙

∙信道极限容量

∙影响码元传输速率的因素P39 信道极限信息传输速率信噪比

∙信道极限信息传输速率：

仙农公式P39

∙信道能够通过的频率范围——信道的频带越宽，即能够通过的高频分量越多，则可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

∙信噪比——信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率也就越高。

∙信噪比：

信号的平均功率与噪声的平均功率的比值。

信噪比（dB）=10log10（S/N）（dB）

∙香农公式，信道的极限信息传输速率C：

C=Wlog2（1+S/N）（b/s）

W为信道带宽（Hz），S是信号功率，N是噪声功率

∙信道复用技术--频分复用、时分复用、波分复用P47

∙频分复用FDM （FrequencyDivisionMultiplexing）：

所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽资源。

∙时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。

∙每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。

∙每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。

∙TDM信号也称为等时（isochronous）信号。

∙统计时分复用STDM（StatisticTDM）是改进的时分复用，明显地提高信道的利用率。

∙波分复用WDM （WavelengthDivisionMultiplexing）：

光的频分复用

∙码分复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）常用的名词是码分多址CDMA：

有很强的抗干扰能力。

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）  

∙数字传输系统—PCMP53

∙PCM转换过程：

模拟信号->数字信号

∙采样->量化->编码

∙采样频率：

8KHz；采样周期：

125us

∙速率：

每秒8000个8位二进制，64kb/s

∙利用时分复用封装成帧

∙不足：

速率标准不统一不是同步传输

∙

第3章数据链路层

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

点对点信道、广播信道。

数据链路层传送的是帧。

∙数据链路层三大主要功能—封装成帧、透明传输、差错检测P65

∙封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部（帧开始符SOH01）和尾部（帧结束符EOT04），然后就构成了一个帧。

（数据部分<=长度限制MTU）首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

∙解决透明传输问题：

在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”（十六进制1B）

∙在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER。

∙差错检测 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS，CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。

FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。

PPP协议P70

4.应用环境：

点对点信道、拨号用户与ISP之间

组成及帧格式

∙组成：

∙一个将IP数据报封装到串行链路的方法。

∙链路控制协议LCP（LinkControlProtocol）。

∙网络控制协议NCP（NetworkControlProtocol）。

∙PPP协议的帧格式：

∙F=0x7E，A=0xFF，C=0x03。

∙2个字节的协议字段：

0x0021，IP数据报；0xC021,PPP链路控制数据；0x8021，网络控制数据。

∙信息部分不超过1500字节。

∙尾部为FCS。

∙所有的PPP帧的长度都是整数字节。

∙

透明传输技术：

字节填充、零比特填充

∙当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法：

将每一个 0x7E字节变为（0x7D,0x5E），0x7D转变成为（0x7D,0x5D）。

ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在前面要加入0x7D，同时将该字符的编码加以改变。

∙同步传输时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输：

在连续5个1时马上添加0。

5.PPP协议的工作状态：

链路静止-建立物理层-链路建立-pc发LCP-NCP分配IP地址-链路打开，网络层建立。

（释放时倒过来）

∙局域网拓扑、工作层次P77

∙星形网（hub），环形网（令牌），总线网，树形网。

∙局域网工作的层次跨越了数据链路层与物理层，不需要网络层及高层

∙CSMA/CD协议要点、计算最短有效帧长P79-83

∙载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD。

“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上，“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。

∙当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

∙电磁波在1km电缆传播时延约5μs。

∙把总线上的单程端到端传播时延记为τ，A发送数据后，最迟要经过2τ才能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有没有发生碰撞。

∙使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

∙退避算法：

确定基本退避时间，一般是取为争用期2τ。

定义重传次数k，k≤10，即k=Min[重传次数,10]

从整数集合[0,1,…,（2k−1）]中随机地取出一个数，记为r。

重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。

当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧。

∙使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。

∙以太网取51.2µs为争用期的长度，可根据此算出最短有效帧长为64字节，帧间最小间隔为9.6µs。

∙以太网

6.网卡及MAC地址P87

∙网络接口卡NIC

∙“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

高位24位：

厂家，低位24位由厂家自行指派

7.MAC帧-理解P89

∙以太网的 MAC帧格式：

目的地址字段6字节，源地址字段6字节，类型字段2字节（标志上一层使用的是什么协议），数据字段46~1500字节，FCS字段4字节。

前面插入的8字节中，7个字节是前同步码1个是帧开始定界符。

∙

∙以太网的扩展

8.在物理层扩展—集线器P91

9.在数据链路层扩展—网桥（自学习算法）P94

∙网桥使各网段成为隔离开的碰撞域，网桥不改变它转发的帧的源地址，在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法。

∙当网桥收到一转发帧时，先查找自己的转发表中是否有源地址，若没有则添加此项。

10.虚拟局域网-交换机P98

∙多接口网桥即交换式集线器常称为以太网交换机。

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网，虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记。

第4章网络层

∙网络层两种服务P109

∙虚电路服务和数据报服务

∙网际协议IP—虚拟互连网络

∙物理层中继系统：

转发器（repeater）。

∙数据链路层中继系统：

网桥或桥接器（bridge）。

∙网络层中继系统：

路由器（router）。

∙网桥和路由器的混合物：

桥路器（brouter）。

∙网络层以上的中继系统：

网关（gateway）。

∙分类IP：

类别、表示方法P113

∙IP地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符。

由因特网名字与号码指派公司ICANN进行分配

∙点分十进制

∙每一类地址都由网络号net-id和主机号host-id组成。

∙A类由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0“，地址范围1.0.0.0到126.255.255.255，最大主机数为256的3次方-2=16777214台

∙B类由2字节的网络地址和2字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围128.0.0.0-191.255.255.255，最大主机数为256的2次方-2=65534台。

∙C类由3字节的网络地址和1字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”，地址范围192.0.0.0-223.255.255.255，最大主机数为256-2=254台

∙D类是多播地址，“lll0”开始

∙E类地址保留为今后使用，“llll0”开头

∙ARP—作用、工作原理P119

∙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。

如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。

∙IP数据报P122

11.数据报拆分与重组

∙

∙

分组转发P128

∙

（1）从数据报的首部提取目的主机的IP地址D,得出目的网络地址为N。

∙

（2）若网络N与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机D；否则是间接交付，执行（3）。

∙（3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行（4）。

∙（4）若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行（5）。

∙（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（6）

∙（6）报告转发分组出错。

∙子网划分

12.IP记法

∙从主机号借用若干个位作为子网号subnet-id，而主机号host-id也就相应减少了若干个位。

IP地址:

:

={<网络号>,<子网号>,<主机号>}

13.子网掩码的结构与作用

∙

14.求已知IP的网络地址

（IP地址）AND（子网掩码）=网络地址

根据需求进行子网规划

∙2^n-2>=最大主机数

∙

15.分组转发P133

∙P134例4-4

∙无分类域间路由CIDRP135

∙组成及斜线记法

∙IP地址:

:

={<网络前缀>,<主机号>}“斜线记法”

∙CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”。

∙网际控制报文协议ICMP

∙作用与分类P140

∙为了提高IP数据报交付成功的机会

∙ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。

∙ICMP差错报告报文共有5种：

∙终点不可达

∙源点抑制（Sourcequench）

∙时间超过

∙参数问题

∙改变路由（重定向）（Redirect）

∙ICMP询问报文有两种：

∙回送请求和回答报文

∙时间戳请求和回答报文

∙ping、traceroute

∙PING用来测试两个主机之间的连通性。

∙PING使用了ICMP回送请求与回送回答报文。

∙PING是应用层直接使用网络层ICMP的例子，它没有通过运输层的TCP或UDP。

∙Traceroute利用增加存活时间（TTL）值来实现其功能的。

∙路由选择协议

∙分类：

146

∙因特网有两大类路由选择协议：

∙内部网关协议IGP，一个自治系统内部使用的路由选择协议。

如RIP和OSPF协议。

∙外部网关协议EGP，一个自治系统的边界，将路由选择信息传递到另一个自治系统中。

BGP-4

∙RIP147

∙距离向量协议

∙IGP

∙是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。

∙RIP协议中的“距离”也称为“跳数”（hopcount），因为每经过一个路由器，数就加1。

∙特点

∙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，即自己的路由表。

∙按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔30秒。

∙距离向量算法

∙

∙OSPF152

∙链路状态协议

∙开放最短路优先OpenShortestPathFirst

∙特点

∙OSPF对于不同类型的业务可计算出不同的路由。

∙多路径间的负载平衡。

∙所有在OSPF路由器之间交换的分组都具有鉴别的功能。

∙支持可变长度的子网划分和无分类编址CIDR。

∙每一个链路状态都带上一个32位的序号，序号越大状态就越新。

∙当互联网规模很大时，OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多。

∙外部网关协议BGP

∙BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。

∙BGP发言人

∙VPN及NAT—基本概念

∙在因特网中的所有路由器对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。

∙10.0.0.0到10.255.255.255

∙172.16.0.0到172.31.255.255

∙192.168.0.0到192.168.255.255

∙用隧道技术加密内部数据报

∙网络地址转换NAT

∙IPV6

∙长度：

128位

∙记法

∙每个16位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。

∙零压缩（zerocompression），即一连串连续的零可以为一对冒号所取代。

第5章传输层

∙传输层功能180

∙进程到进程、端到端通信

∙运输层向它上面的应用层提供通信服务

∙端口183

∙端口用一个 16位端口号进行标志。

∙端口号只具有本地意义，即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程。

∙熟知端口，数值一般为0~1023。

∙登记端口号，数值为1024~49151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。

∙客户端口号或短暂端口号，数值为49152~65535，留给客户进程选择暂时使用。

∙TCP与UDP的特点与异同182

∙用户数据报协议UDP

∙数据单位协议是UDP报文或用户数据报

∙传送数据之前不需要先建立连接

∙不需要给出任何确认

∙不使用拥塞控制

∙传输控制协议TCP

∙数据单位协议是TCP报文段字节流

∙提供可靠的、面向连接的服务

∙每一条TCP连接只能有两个端点，不提供广播或多播服务

∙首部大

∙全双工信道

TCP连接:

:

={socket1,socket2}={（IP1:

port1）,（IP2:

port2）}

∙TCP可靠传输的原理

∙窗口的概念197

∙停止等待协议189

∙超时重传

∙必须暂时保留已发送的分组的副本

∙分组和确认分组都必须进行编号

∙超时计时器

∙自动重传请求ARQ

∙接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组

∙优点是简单，但缺点是信道利用率太低

∙连续ARQ协议192

∙发送方维持发送窗口，收到一个确认后发送窗口向前滑动

∙接收方一般采用累积确认的方式。

表示：

到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。

∙TCP报文段的首部格式

∙

∙序号指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。

∙确认号是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。

∙数据偏移，即首部长度

∙窗口用来让对方设置发送窗口的依据，单位为字节。

∙检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。

∙TCP流量控制的原理

∙掌握利用窗口进行流量控制203

∙利用滑动窗口实现流量控制

∙流量控制（flowcontrol）就是让发送方的发送速率不要太快，既要让接收方来得及接收，也不要使网络发生拥塞。

∙持续计时器：

只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。

若时间到期，就发送一个零窗口探测报文段。

∙TCP拥塞控制的原理—慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复207

∙出现资源拥塞的条件：

对资源需求的总和>可用资源

∙拥塞窗口cwnd

∙慢开始算法

∙刚刚开始设置拥塞窗口cwnd=1

∙每收到一个确认后，将拥塞窗口加1

∙每经过一个传输轮次，拥塞窗口cwnd就加倍。

∙慢开始门限ssthresh，初始值设置为16个报文段

∙拥塞避免算法

∙让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍，使拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长。

∙只要发送方判断网络出现拥塞

∙就要把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半

∙把拥塞窗口cwnd重新设置为1，执行慢开始算法。

∙快重传算法

∙要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认。

∙发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段。

∙快恢复算法

∙当发送端收到连续三个重复的确认时，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半。

但接下去不执行慢开始算法。

∙拥塞窗口设置为慢开始门限ssthresh减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法

∙发送窗口的上限值=Min[rwnd,cwnd]

∙TCP连接管理—三次握手建立连接、两次握手释放连接215

∙运输连接就有三个阶段，即：

连接建立、数据传送和连接释放。

∙