计算机网络04741知识点总结.docx
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计算机网络04741知识点总结
第一章计算机网络概述
第一节计算机网络基本概念
1.计算机网络的定义：
（1）计算机网络是互连的、自治的计算机的集合。
（2）目前最大的、应用最广泛的计算机网络是Internet或称因特网。
2.协议的定义：
（1）协议是网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或约定，是计算机网络有序运行的重要保证。
（2）计算机网络中存在很多协议，例如：
HTTP、TCP、IP、ARP等。
3.协议三要素：
语法、语义和时序。
（1）语法：
定义实体之间交换信息的格式与结构，或者定义实体之间传输信号的电平等。
（2）语义：
定义实体之间进行数据传输时，除了要发送的信息外，还要发送哪些控制信息，以保证交换信息的正确性。
（3）时序：
也称为同步，定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度。
4.计算机网络的功能：
（1）在不同主机之间实现快速的信息交换。
通过信息交换，计算机网络可实现其核心功能—资源共享。
（2）资源共享包括：
硬件资源共享、软件资源共享和信息资源共享。
（3）SaaS（软件即服务）是目前互联网环境下软件共享的典型形式，也代表了软件共享的主流趋势。
5.计算机网络的分类：
（1）按覆盖范围分类（从小到大）：
①个域网；②局域网；③城域网；④广域网。
（2）按拓扑结构分类：
网络拓扑是指网路中的主机、网络设备间的物理连接关系与布局。
①星形拓扑结构：
该网络包括一个中央结点，主机之间的通信都需要通过中央结点进行。
该结构类型网络多见于局域网、个域网中。
主要优点：
易于监控与管理，故障诊断与隔离容易。
主要缺点：
中央结点是网络的瓶颈，一旦故障，全网瘫痪，网络规模受限于中央结点的端口数量。
②总线型拓扑结构：
该结构类型网络常见于早期的局域网中。
主要优点：
结构简单，所需电缆数量少，易于扩展；
主要缺点：
通信范围受限，故障诊断与隔离较困难，易于产生冲突。
③环形拓扑结构：
该结构网络多见于早期的局域网、园区网和城域网中。
主要优点：
所需电缆短，可以使用光纤，易于避免冲突；
主要缺点：
某结点的故障容易引起全网瘫痪，新结点的加入或撤出过程比较麻烦，存在等待时间问题。
④网状拓扑结构：
该结构网络比较多见于广域网、核心网络等。
主要优点：
网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍然可联通。
主要缺点：
网络结构复杂，造价成本高，选路协议复杂。
⑤树形拓扑结构：
目前很多局域网采用该结构网络。
主要优点：
易于扩展，故障隔离容易。
主要缺点：
对根结点的可靠性要求高，一旦根结点故障，则可能导致网络大范围无法通信。
⑥混合拓扑结构：
绝大多数实际网络的拓扑都属于该结构网络。
主要优点：
易于扩展，可以构建不同规模网络，并可根据需要优选网络结构；
主要缺点：
网络结构复杂，管理与维护复杂。
（3）按交换方式分类：
按网络所采用的数据交换技术，计算机网络可以分为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。
（4）按网络用户属性分类：
①公用网；②私用网。
第二节计算机网络结构
1、计算机规模不同，其构造复杂程度也不同，大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘、接入网络与核心网络。
2、网络边缘：
为用户提供了网络应用服务。
3、接入网络：
接入网络是实现网络边缘的端系统与网络核心连接与接入的网络。
4、网络核心：
核心网络是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发。
比较经典的分组交换设备是路由器和交换机等。
第三节数据交换技术
1、数据交换的概念：
计算机网络的根本目的是在网络边缘的主机之间实现相互的数据传输、信息交换。
（1）常见的数据交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换。
（2）基于不同交换技术构建的网络分别称之为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。
2、电路交换：
（1）电路交换是最早出现的一种交换方式，电话网络是最早、最大的电路交换网络。
（2）利用电路交换进行通信包括建立电路、传输数据和拆除电路3个阶段。
①建立电路：
在电路交换网络中，首先需要通过中间交换结点在两台主机之间建立一条专用的通信线路，称为电路。
②传输数据：
利用建立的电路进行数据的传输。
③拆除电路：
数据传输完毕后，需要拆除该电路。
3、报文交换：
（1）发送方要把发送的信息附加上接受主机的地址等控制信息，构成一个完整的报文。
然后以报文为单位在交换网络的各结点之间以存储-转发的方式发送，直到发送给接受主机。
（2）交换网络中的结点会先接受报文，若此时该节点没有要发送的另一个报文，则直接向下一个节点发送该报文；否则就先将该报文进行缓冲存储，轮到该报文时在发送，即“排队”。
交换节点的这种接受-暂存-转发的工作方式，就称为“存储-转发”交换方式。
（3）当节点收到的报文过多而存储空间不够或者输出链路被占用不能及时转发时，就不得不丢弃报文，这是报文交换的缺点。
现代计算机网络没有采用报文交换技术的。
（4）一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。
4、分组交换：
分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术。
分组交换是报文交换的改进版，它与报文交换的最主要区别在于是否将报文拆分成更小的分组。
（1）分组交换的基本原理：
将一个完整的报文拆分成若干小组，然后依次将这些小的分组发送出去。
每个小分组的长度有限，这使得每个节点所需的存储能力降低。
（2）分组交换的优点：
①交换设备存储容量要求低；
②交换速度快；
③可靠传输效率高；
④更加公平。
第四节计算机网络性能
1、速率与带宽：
（1）速率是计算机网络中最重要的性能指标之一，它是指网络单位时间内传送的数据量，用以描述网络传输数据的快慢，也称为数据传输速率或数据速率。
有时也会用“带宽”这一术语描述速率。
（2）计算机网络传输的数据是以“位”为信息单位的二进制数据，速率的基本单位是bit/s（位/秒），有时也称速率为比特率。
2、时延：
时延是评价计算机网络性能的另一个重要的性能指标，也称为延迟。
时延是指数据从网络的一个节点到达另一个节点所需的时间。
（1）计算机网络中，通常将连接两个节点的直接链路称为一个“跳步”，简称“跳”。
（2）分组的每跳传输过程中主要产生4类时间延迟：
结点处理时延、排队时延、传输时延和传播时延。
①节点处理时延：
分组到达节点时，交换设备需要对分组进行相关的处理，比如检查分组是否出错等，花费的这部分时间称为节点处理时延，记为dc。
②排队时延：
从分组被存储开始，到轮到该分组被传输为止，这段时间称为排队时延，记为dq。
排队时延的大小取决于网络的拥塞程度，网络拥塞越严重，平均排队时延就越长，反之越短。
③传输时延：
当轮到分组被传输到下一个节点时，从传输该分组第一位开始，到传输完该分组最后一位为止，这段传输数据所花费的时间称为传输时延，记为dt。
假设分组长度为Lbit，链路带宽为Rbit，则dt=L/R
④传播时延：
若两节点之间的物理链路长度为Dm，信号传输速度为Vm/s，则传播时延dp=D/V。
综上，一个分组经过一跳，所需时间为dh=dc+dq+dt+dp。
3、时延带宽积：
传播时延与带宽的乘积。
G=dpxR
时延带宽积的单位是位，它表示一段传输链路可以容纳的数据位数。
4、丢包率：
当网络拥塞特别严重时，新到达的分组无法再背交换节点存储，此时交换节点会丢弃分组，造成“丢包”现象。
5、吞吐量：
表示在单位时间内，源主机通过网络向目标主机发送数据的实际速率，单位为bit/s，记为Thr。
吞吐量受网络链路带宽、网络连接复杂性、网络协议、网络拥塞程度等因素影响。
Thr=min（R1,R2…Rn）
第五节计算机网络体系结构
1、计算机网络分层体系结构：
（1）复杂的计算机网络需要很多协议的协助以实现计算机所有的复杂功能，在制定这些网络协议时的思路是将复杂的网络通信功能划分为由若干协议分别去完成，然后将这些协议按一定方式组织起来，以实现网络通信的所有功能。
（2）最典型的划分方式就是采用分层的方式来组织协议，分层的核心思路是上一层的功能建立在下一层功能的基础上，并且在每一层内均要遵守一定的通信规则，即协议。
（3）计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合称为计算机网络体系结构。
这种分层体系结构通常是按功能划分的，并不是按实现方式划分的。
（4）体系结构应当具有足够的信息，以便软件设计人员为每层编写实现该层协议的有关程序，即协议软件。
（5）典型的层次化体系结构有OSI参考模型和TPC/IP参考模型两种。
2、OSI参考模型：
（1）OSI参考模型采用分层机构化技术，由底层到高层分别是：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
每一层都有特定的功能，并且上一层利用下一层的功能所提供的服务，完成本层功能。
（2）第N层接收到第N+1层的协议数据单元（PDU）后，按照第N层的协议对其进行封装，构成第N层的PDU，再传给下一层，以此类推，最后，数据链路层PDU（通常称为数据帧）传递给最底层的物理层。
（3）1~3层主要是完成数据交换和数据传输，称为网络底层；5~7层主要是完成信息处理服务的功能，称为网络高层；低层与高层之间由第4层传输层衔接。
①物理层：
主要功能是在传输介质上实现无结构比特流输出。
该层协议规定了4个特性：
机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。
②数据链路层：
主要功能是实现在相邻结点之间数据可靠而有效的传输。
③网络层：
主要功能是数据转发与路由。
④传输层：
主要功能包括复用/分解（区分发送和接收主机上的进程）、端到端的可靠数据传输、连接控制、流量控制和拥塞控制机制等。
⑤会话层：
指用户与用户之间的连接，通过两台计算机间建立、管理和终止通信来完成对话。
⑥表示层：
处理应用实体之间交换数据的语法、解决格式和数据表示的差别。
⑦应用层：
该层提供的服务非常丰富，包括文件传输，电子邮件等。
3、OSI参考模型有关术语：
（1）数据单元：
①在层的实体之间传送的比特组称为数据单元。
在对等之间传输数据单元是按照本层协议进行的，这时的数据单元称为协议数据单元（PDU）。
②PDU在不同层中往往有不同的叫法，在物理层称为位流或比特流；在数据链路层称为帧，在网络层称为分组或包；在传输层称为数据段或报文段；在应用层称为报文。
（2）面向连接的服务和无连接的服务：
在分层的体系结构中，下层向上层提供服务通常有两种形式：
面向连接的服务和无连接的服务。
①面向连接的服务以电话系统最为典型，要进行“建立链路、传输数据和拆除电路”三步；
②无连接的服务没有建立链路和拆除链路的过程，又称为数据报服务。
4、TCP/IP参考模型：
TCP/IP参考模型包括4层：
应用层、传输层、网络互联层和网络接口层。
（1）应用层：
TCP/IP参考模型将OSI参考模型中会话层和表示层的功能合并到了应用层来实现。
每一个应用层协议一般会使用两个传输层协议之一进行数据传输：
面向连接的传输控制协议TCP和无连接的用户数据报协议UDP。
（2）传输层：
主要包括面向连接、提供可靠数据流传输的传输控制协议TCP和无连接不提供可靠数据传输的用户报协议UDP。
（3）网络互联层：
网络互联层是整个TCP/IP参考模型的核心，主要解决把数据分组发送目的网络或主机的问题。
网络互联层的核心协议是IP。
（4）网络接口层：
这一层未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。
这一层对应OSI模型中的数据链路层和物理层。
5、五层参考模型：
对比TCP/IP参考模型与OSI参考模型，TCP/IP模型缺少OSI参考模型中功能比较少的表示层与会话层，而TCP/IP参考模型的网络接口层相当于合并了OSI参考模型的数据链路层和物理层。
第二章网络应用
第一节计算机网络应用体系结构
1、计算机网络应用很多，从体系结构角度可以分为：
客户/服务器（C/S）结构、纯P2P结构和混合结构3种类型。
2、客户/服务器（C/S）结构网络应用：
客户/服务器（C/S）结构的网络应用是最典型、最基本的网络应用，C/S网络应用最主要的特征是通信只在客户与服务器之间进行。
3、纯P2P结构网络应用：
P2P应用中的对等端是一个服务器与客户的结合体。
4、混合结构网络应用：
混合结构网络应用将C/S应用于P2P应用相结合，既有中心服务器的存在，又有对等端（客户）间的直接通信。
第二节网络应用通信基本原理
1、应用层协议定义了应用进程间交换的报文类型、报文构成部分具体含义以及交换时序等内容，即语法、语义和时序等协议三要素内容。
2、
（1）典型的网络应用编程接口是套接字（Socket），套接字是每个应用进程与其他应用进程进行网络通信时，接收和发送报文的通道。
（2）每个套接字进行编号，用于标识该套接字，该编号称为端口号。
（3）IP地址是Internet的网络层地址，用于唯一标识一个主机或路由器接口。
3、Internet传输层能提供的服务只有两类：
面向连接的可靠字节流传输服务（TCP）和无连接的不可靠的数据报传输服务（UDP）。
当某个应用程序调用TCP作为其传输协议时，该应用程序就能获得来自TCP的两种服务：
面向连接的服务和可靠的数据传输服务。
4、面向连接的服务：
（1）在应用层报文开始传送之前，TCP客户端和服务器相互交换传输层控制信息，完成握手。
在客户进程与服务器进程的套接字之间建立一条逻辑的TCP连接。
（2）这条连接是全双工的，即连接双发的进程都可以在此连接上同时进行报文收发。
（3）当应用程序结束报文发送时，必须拆除该连接。
5、可靠的数据传送服务：
应用进程能够依靠TCP，实现端到端的无差错、按顺序交付所有发送数据的服务。
当应用程序的一端将字节流通过本地套接字传送时，它能够依靠TCP将相同的字节流交付给接收方的套接字，而没有字节的丢失和冗余。
第三节域名系统（DNS）
1、实现将域名映射为IP地址的过程，称为域名解析。
域名服务器分布在整个互联网上，每个域名服务器只存储了部分域名信息。
2、层次化域名空间：
（1）国家顶级域名nTLD：
如cn表示中国、us表示美国等。
（2）通用顶级域名gTLD：
最早的顶级域名是com（公司和企业）、net（网络服务机构）等。
（3）基础机构域名：
这种顶级域名只有一个，即arpa，用于反向域名解析，又称反向域名。
3、域名服务器：
（1）DNS服务器的管辖范围不是以“域”为单位，而是以“区”为单位。
域名服务器根据其主要保存的域名信息以及在域名解析过程中的作用等，可分为：
根域名服务器、顶级域名服务器、权威域名服务器、中间域名服务器。
（2）其中根域名服务器是最重要的域名服务器，在因特网上共有13个不同IP地址的根域名服务器。
它们的名字是用一个英文字母命名，从a到m。
任何一个拥有域名的主机，其域名与IP地址的映射关系等信息都存储在所在网络的权威域名服务器上。
4、域名解析过程：
域名解析分为递归解析和迭代解析，通常本地域名服务器都提供递归查询服务。
（1）递归查询服务：
主机在进行域名解析查询时，本地域名服务器如果没有被查询域名的信息，则代理主机查询根域名服务器或其他域名服务器。
（2）迭代查询服务：
本地域名服务器如果没有被查域名的信息，则代理主机查询根域名服务器，若仍未查到域名信息，则根域名不会代理主机继续查询下去，而是将查询任务交给本地域名服务器。
第四节万维网应用
1、万维网应用结构：
万维网应用也称为Web应用。
（1）Web应用主要包括Web服务器、浏览器与超文本传输协议（HTTP）等部分，浏览器是Web应用的客户端软件。
（2）在Web应用中，通过一个URL地址来寻址一个Web页或Web对象，每个URL地址主要由两部分组成：
存放对象的服务器主机域名（或IP地址）和对象的路径名。
2、HTTP：
（1）HTTP概述：
HTTP是Web应用的应用层协议，定义浏览器如何向Web服务器发送请求以及Web服务器如何向浏览器进行响应。
（2）HTTP连接：
①HTTP基于传输层的TCP传输报文。
浏览器在向浏览器发送请求之前，首先需要建立TCP连接，然后才能发送HTTP报文，并接受HTTP响应报文。
②根据HTTP在使用TCP连接的策略不同，可以分为非持续连接的HTTP和持续的HTTP。
（3）非持久连接的HTTP1.0：
①非持久连接的HTTP1.0中，客户HTTP需先向Web服务器发送请求建立TCP连接的请求报文，等待Web服务器的响应报文，这一来一回的一个往返时间为一个RTT；
②Web服务器响应HTTP客户后，HTTP客户再请求Web页面，Web服务器响应后，告知HTTP客户该网页有多少个图片应用，并通知TCP断开次TCP连接。
③随后HTTP客户再次请求TCP连接，Web响应后，再请求第一个图片的TCP连接，等待响应，Web响应后通知TCP连接断开此TCP连接。
④以此类推，获取含有3个图片的完整Web网页内容需要花费8RTT。
（4）并行连接HTTP1.0：
同上述的HTTP1.0的工作原理相同，不过在请求建立图片的TCP连接时，可以建立多条TCP请求；配置了3条并行TCP连接后，请求含有3个图片的完整Web网页内容只需花费4RTT。
（5）持续连接的HTTP1.1：
①非流水方式持久连接的HTTP1.1：
在非流水方式持久连接的HTTP1.1中，只需建立一条TCP连接即可，全部的请求结束后再断开TCP连接；请求含有3张图片的完整Web内容只需花费5RTT。
②流水方式持续连接HTTP1.1：
同上述的HTTP1.1的工作原理相同，不过可以进行多个图片请求；包含3个图片的完整Web网页内容只需3RTT。
（6）HTTP报文：
①HTTP报文由四部分组成：
起始行、首部行、空白行和实体主体。
②HTTP报文可以分为两类：
请求报文和响应报文，请求报文由浏览器发送给Web服务器，响应报文由Web服务器发送给浏览器。
③请求报文与响应报文最主要区别是起始行不同，请求报文的起始行是：
<方法><协议版本>
响应报文的起始行是：
<协议版本><状态码><短语>
URL定位所请求的资源；状态码用于通告客户端对请求的响应情况。
（7）HTTP典型的请求方法有GET、HEAD、POST、OPTION、PUT等。
①GET：
请求读取由URL所标识的信息，是最常见的方法。
②HEAD：
请求读取由URL所标识的信息的首部，即无需在响应报文中包含对象。
③POST：
给服务器添加信息。
④OPTION：
请求一些选型的信息。
⑤PUT：
在指明的URL下存储一个文档。
3、Cookie：
Cookie中文名称为小型文本文件，是由Web服务器端生成，发送给浏览器，并存储在用户本地终端上的数据。
（1）Web应用引入Cookie机制，用于跟踪用户。
（2）最常见的用途包括以下几点：
①网站可以利用Cookie的ID来准确统计网站的实际访问人数等数据。
②网站可以利用Cookie限制某些特定用户的访问。
③网站可以存储用户访问过程中的操作习惯和偏好，有针对性的为用户提供服务，提升用户体验感。
④记录用户登录网站使用的用户名、密码等信息，当用户多次登陆时，无需每次都从键盘输入这些繁琐的字符和数字。
⑤电子商务网站利用Cookie可以实现“购物车”功能。
第五节Internet电子邮件
1、电子邮件系统结构：
主要包括邮件服务器、简单邮件传输协议（SMTP）、用户代理和邮件读取协议等。
（1）邮件服务器：
功能是发送和接收邮件，是电子邮件体系结构的核心。
（2）SMTP：
是实现邮件服务器间发送邮件的应用层协议。
（3）用户代理：
为用户提供使用电子邮件的接口，典型的电子邮件用户代理有微软的Outlook、AppleMail和FoxMail等。
（4）邮件读取协议：
支持接收邮件的用户主动连接服务器，对其邮箱中的邮件进行操作或申请向本地传输的应用层协议。
典型的邮件读取协议有POP、IMAP等。
2、SMTP：
是Internet电子邮件中核心应用层协议，实现邮件服务器之间或用户代理到邮件服务器之间的邮件传输。
（1）SMTP使用传输层TCP实现可靠数据传输，发送邮件时，SMTP客户端首先请求与服务器端的25号端口建立TCP连接。
（2）SMTP只能传输7位ASCII码文本内容。
3、电子邮件格式与MIME：
MIME定义了将非7位ASCII码内容转换为7位ASCII码的编码规则。
4、邮件读取协议：
SMTP是“推动”协议，不能使用户从自己邮箱中读取邮件，而POP3和IMAP可作为邮件读取协议。
在Web邮件系统中，HTTP是邮件读取协议。
第六节FTP
1、文本传输协议（FTP）是在互联网的两个主机之间实现文件互传的网络应用，其应用层协议也称为FTP。
2、FTP使用两个“并行”的TCP连接：
控制连接和数据连接。
3、FTP客户发出的传送请求通过控制连接发送给服务器端的控制进程的熟知端口（21），但控制连接不用来传输文件，用于传输文件的是数据连接，其对应FTP服务器熟知端口（20）。
第三章传输层
第一节传输层的基本服务
1、传输层功能：
传输层寻址；对应用层报文进行分段和重组；对报文进行差错检测；实现进程间的端到端可靠数据传输控制；面向应用层实现复用与分解；实现端到端的流量控制；拥塞控制等。
2、无连接服务与面向连接服务：
传输层提供的服务可分为无连接服务和面向连接服务两大类。
（1）面向连接服务：
发送方和接收方在进行信息传输时，需要先建立传输链路，然后才能进行信息传输，信息传输完毕后再拆除该传输链路。
（2）无连接服务：
不经过面向连接服务的“建立传输链路”、“拆除传输链路”，直接进行数据传输。
第二节传输层的复用和传输
1、无连接的多路复用与多路分解：
（1）Internet传输层提供无连接服务的传输层协议是UDP。
UDP利用一个二元组<目的IP地址，目的端口号>唯一标识一个UDP套接字，从而可以实现精确分解。
（2）为UDP套接字分配端口号的两种方法：
①创建一个UDP套接字时，传输层自动的为该套接字分配一个端口号，该端口号当前未被该主机中任何其他UDP套接字使用。
②在创建一个UDP套接字后，通过调用bind（）函数为该套接字绑定一个特定的端口号。
2、面向连接的多路复用与多路分解：
（1）Internet传输层提供面向连接服务的是TCP。
TCP利用一个四元组<源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号>唯一标识一个TCP套接字，从而实现精确分解。
（2）四元组中的源端口号和目的端口号是TCP报文段首部字段，而源地址和目的地址则是封装TCP报文段的IP数据段的首部字段。
第三节停等协议与滑动窗口协议
1、可靠数据传输的基本原理：
（1）差错检测：
利用差错编码实现数据报传输过程中的比特差错检测。
（2）确认：
接收方向发送方反馈数据接收状态。
（3）重传：
发送方重新发送接收方没有正确接收的数据。
（4）序号：
对数据包进行编号，确保数据按序提交。
（5）定时器：
解决数据丢失问题，若在一定时间内发送发未收到接受方的反馈，则重新发送数据。
2、停-等协议：
（1）当发送方向接收方发送一个报文段时后，就停下来等待接收方的确认；
（2）若收到接收方的报文段已正确接收的确认信息ACK，则继续发送下一个报文段；若收到接收方的报文段错误接收的否定信息NAK，则重新发送该报文段。
（3）若在一定时间内没有收到ACK或NAK，则重新发送该报文段。
（4）这种重传机制的可靠数据传输协议称为自动重传请求（ARQ）协议，最简单的ARQ协议就是停-等协议。
3、滑动窗口协议：
（
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