计算机网络第六版复习总结.docx
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计算机网络第六版复习总结
计算机网络
第一章概述
一、Internet（因特网）
1.Internet是一个专有名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身为美国的ARPANET。
2.因特网的三个阶段：
a）从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。
b）建成了三级结构的因特网：
主干网、地区网和校园网。
c）形成了多层次的ISP结构。
3.因特网的组成
边缘部分：
资源子网核心部分：
通信子网
4.边缘端系统通信方式
客户—服务器方式（C/S）和对等连接方式（P2P）
5.核心系统数据传送阶段的三种交换方式：
a）电路交换：
有连接的，比特流直达终点
b）报文交换：
以报文为单位存储转发
c）分组交换：
以分组（报文的一部分）为单位存储转发，因特网使用的
6.网络的类别
a）广域网
b）城域网
c）局域网：
有星状、网状、环状和总线拓扑结构。
d）个人局域网
二、网络的体系结构
计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。
1.协议：
这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。
三要素:
a）语法：
即数据与控制信息的结构或格式
b）语义：
即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
c）同步：
即事件实现顺序的详细说明
2.五层协议的体系结构
各层传输数据单元
应用层：
报文传输层：
报文段（TCP）、用户数据报（UDP）
网络层：
IP数据报数据链路层：
帧物理层：
比特
各层互相透明：
下层向上层屏蔽具体实现细节，传输方式等
第二章、物理层
一、数据通信基本概念
1.通信的交互方式
a）单向通信（单工通信）：
只能有一个方向的通信
b）双向交替通信（半双工通信）：
通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送，一般为一方发送一方接受，一段时间后反过来
c）双向同时通信（全双工通信）：
通信的双方可以同时发送和接受信息
2.信号的调制
a）基带调制
仅对基带信号的波形进行变换，变换后仍是基带信号
b）带通调制
使用载波将基带信号的频率范围搬移到更高的频段，并转换为模拟信号
基本带通调制方法：
调幅、调频、调相
二、信道复用技术
多路复用：
a）频分复用：
用户在同样的时间占用不同的带宽资源
b）统计时分复用：
用户在不同的时间占用同样的频带宽度
c）波分复用：
就是光的频分复用
d）码分复用（CDM）：
用户使用不同的码型在同样的时间同样的频带通信
三、数字传输系统
多路复用的T1速率（1.544Mb/s）和T2速率（2.048MB/s）
四、宽带接入技术
ADSL技术
非对称数字用户线是用现有的模拟电话用户线进行数字传输
第三章、数据链路层
一、点对点
（一）三个基本问题
1.封装成帧
封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界，使用帧定界符（SOH、EOT），即开始结束标志
2.透明传输
透明传输就是使得无论什么样的比特组合的数据都能够通过数据链路层。
使用转义字符（ESC）防止控制字符（帧定界符）被解释，这种方法称为字节填充
3.差错检测
使用循环兀余检验CRC。
被除数即为待发送数据，在后面添加n位兀余码（FCS即运算后得出的余数），构成帧数据，除数是双方事先商定的，一般使用生成多项式表示。
运算为异或运算（做加法不进位），运算时要在被除数后添加n-1（除数-1）个0，余数一定为n-1（除数-1）位，商为每次除后得到的余数的最高位
接收检测时，使用FCS做除数进行CRC运算，余数为0即可认定无差错。
CRC技术仅进行差错检测，不是可靠传输。
（二）PPP协议
1.PPP协议的组成
a）一个将IP数据报封装到串行链路的方法
b）一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP
c）一套网络控制协议NCP
2.PPP协议的帧格式
首部包括：
开始标志字段、地址字段、控制字段（无用）和上层协议字段
尾部包括：
CRC检验序列FCS和结束标志字段
异步传输（逐个字符传送）时，使用0x7D做转义字符进行字节填充
同步传输（一连串比特连续传送）时，每5个1添加一个0，称为零比特填充
二、广播
局域网的数据链路层
局域网的数据链路层拆分成两个子层：
逻辑链路控制LLC子层和媒体接入控制MAC子层
计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器。
适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。
（一）CSMA/CD协议
1.以太网的特点：
采用无连接的工作方式；数据使用曼彻斯特编码的信号
2.CSMA/CD：
载波监听多点接入/碰撞检测
3.CSMA/CD的要点：
a）多点接入：
说明是个总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上（传统以太网）。
协议实质是载波监听和碰撞检测
b）载波监听：
不管在发送前，还是发送中，每个站都必须不停的检测信道
c）碰撞检测：
“边发送边监听”，一旦发现总线上出现碰撞，适配器立即停止发送，等待一段随机时间后再发送。
以太网的端到端数据往返时间2τ称为争用期，又称碰撞窗口，经过争用期的这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞
（二）以太网
集线器（HUB）：
构成星型拓扑以太网。
逻辑上还是总线网，使用CSMA/CD协议。
工作在物理层，每个接口仅简单的转发比特，不进行碰撞检测。
1.MAC层（媒体接入控制子层）
MAC层的硬件地址
硬件地址又称物理地址或MAC地址，是计算机固化在适配器ROM中的地址
MAC地址有48位，6个字节
2.MAC帧
单播帧（一对一）：
即收到的帧的MAC地址与本站硬件地址相同
广播帧（一对全体）：
发送给本局域网上的所有站点的帧（全1地址）
多播帧（一对多）：
发送给本局域网上一部分站点的帧
只有目的地址可以使用广播地址和多播地址
MAC帧格式：
前同步码是为了接收方能达成时钟同步
利用曼彻斯特编码确定MAC帧的总长度（或数据）
MAC帧必须是整数个字节长度，可以在数据字段后加填充字段。
首部+尾部有18个字节，数据字段必须在46~1500字节之间，MAC帧总长在64~1518字节之间
3.以太网的扩展
a）在物理层使用集线器（HUB）扩展：
共享式扩展，广播发送
b）在数据链路层使用（网桥）扩展：
将两个以太网连接成更大的以太网，原来的以太网称为网段。
使用存储转发方式
网桥的工作原理：
a）学习以太帧中的源地址和进入的接口，建立转发表；
b）过滤本地帧，过滤同网段的帧
c）转发异地帧，转发不同网段的帧
d）广播未知帧，把未存储在转发表内的地址的帧广播给所有接口
多接口网桥——以太网交换机：
工作在全双工方式
虚拟局域网VLAN：
是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。
每个VLAN帧在源地址与类型之间都有4个字节的明确标识符，指明这个帧的工作站属于哪个VLAN。
4.高速以太网
速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网，以下则为标准以太网
10Gb/s的以太网帧与其以下的以太网帧格式相同，但物理层标准（线缆）不同
使用以太网进行宽带接入：
在以太网中传输，使用PPP协议解决用户识别问题，即PPPoE
第四章、网络层
网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
一、路由器
网络层核心部件：
路由器（实现网络互联）
网络层的主要工作：
路由器的转发分组
路由器结构的两部分：
路由选择和分组转发
1.路由选择（控制部分）
核心构件是路由选择处理机；任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期更新和维护路由表
2.分组转发
分组转发分为三部分：
交换结构、一组输入端口、一组输出端口
交换结构（交换组织）根据转发表对分组处理，将从某个输入端口进入的分组从合适的输出端口转发出去。
二、IP协议
网络控制报文协议ICMP
网际组管理协议IGMP（多播）
地址解析协议ARP
（一）IP地址
IP地址是在整个因特网范围内唯一的32位标识符
IP地址的三个历史阶段：
分类的IP地址、子网的划分、构成超网。
1.分类的IP地址
网络号全0表示“本网络”（只会在A类网络出现），主机号全0表示“本主机”，主机号全1表示“该网络上所有主机”（广播地址），网络号127保留为本地还回测试使用，网络号128.0、129.0.0都不指派。
2.子网的划分
占用主机号的若干位作为子网号，使用子网掩码区分子网地址，规定主机号如何划分子网，以便路由器能找到目的主机。
（仍然区分网络类别）子网掩码和IP地址做与运算即可得到子网网络地址。
（全0和全1的子网号也可以使用）。
子网掩码最好连续的1和0，以免出现差错。
（不是必须）
3.构成超网（无分类编址CIDR）
消除了传统的分类IP和划分子网的概念，使用网络前缀指明网络地址，使用变长的子网掩码指明网络前缀。
利用变长的子网掩码实现路由聚合（构成超网）
（二）地址解析协议ARP（IP地址→MAC地址）
ARP协议是为了从网络层使用的IP地址解析出在数据链路层使用的硬件地址。
实现方法是在每个主机ARP高速缓存中存放一个本局域网上各主机和路由器IP地址到硬件地址的映射表，当表内无需要的IP地址对应的MAC地址时，向本局域网广播ARP请求分组，仅有对应主机响应（单播），这个映射表需要经常动态更新
（三）IP数据报的格式
首部长度的单位是4字节；总长度是首部+数据；
16位标识保证分片后的数据报能正确重装；3位标志最低位为MF，中间位为DF，MF=1表示后面有分片，DF=1表示不能分片；
片偏移是相对于用户数据字段的起点，该片从何开始，片偏移以8字节为单位，即每个分片的长度是8个字节的整数倍（除最后一个分片）；
协议是指出应该把数据交给哪个协议处理；
首部校验和仅仅检验数据报首部，使用反码算数（不是CRC校验）运算得出：
（四）网际控制报文协议ICMP
为了有效转发IP数据报和提高交付成功的机会。
ICMP报文分两种：
ICMP差错报告报文和ICMP询问报文
差错报文都具有相同的格式：
把收到的需要进行差错报告的IP数据报的首部和数据字段的前8个字节取出作为ICMP报文的数据字段，再加上相应的ICMP首部构成ICNP差错报告报文。
ICMP询问报文常用应用：
ping命令和tracert命令
三、路由选择协议
基于自治系统AS，因特网把路由选择协议划分为两大类：
内部网关协议IGP：
RIP2协议和OSPF协议
外部网关协议EGP：
BGP-4协议
1.内部网关协议RIP
RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，简单，适用于小型网络
RIP的三要点（和谁交换信息、交换什么信息、什么时候需要交换）：
a）仅和相邻路由器交换信息
b）路由器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
c）按固定的时间间隔交换路由信息
路由表中最主要的信息是：
到某个网络的距离（即最短距离），以及应经过的下一跳地址。
路由表更新原则是找出到每个目的网络的最短距离。
RIP2的报文格式（使用UDP传送）
命令指出报文的意义：
1是请求路由信息；2是响应请求而发出的路由更新报文
RIP：
好消息传播的快，坏消息传播的慢
整个因特网划分为若干个自治系统AS
虽然每个路由器拥有整个自治系统的全局路由信息，但位置不同，路由表也不同
2.内部网关协议OSPF
OSPF（开放最短路径优先）使用分布式的链路状态协议，基于最短路径算法SPF
OSPF的三要点：
a）向本自治系统（区域）中所有路由器发送信息
b）发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态
c）只有当链路状态发生变化时，路由器才会向所有路由器用洪泛法发送此信息
最终所有路由器都能建立一个在全网一致的链路状态数据库，即全网拓扑结构图（称为链路状态数据库的同步）
自治系统再划分为若干区域；使利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个自治系统；一个区域内的路由器只知道本区域的完整网络拓扑；OSPF使用层次结构的区域划分，上层区域为主干区域，用于连通其他下层区域，其他区域来的信息由区域边界路由器概括，主干区域内的路由器叫主干路由器，其中有一个负责与其他自治系统交换路由信息，叫自治系统边界路由器
OSPF使用IP数据报传送
OSPF五种分组类型：
问候（确认可达性）、数据库描述（达到数据库的同步）、链路状态请求、链路状态更新、链路状态确认（新情况下的同步）
3.外部网关协议BGP
BGP采用了路径向量路由选择协议
每个自治系统都要有至少一个路由器作为“BGP发言人”，一般为边界路由器
BGP的三要点：
a）与其他AS的BGP发言人建立TCP连接（端口179），利用会话使用BGP报文交换路由信息，称为彼此的邻站或对等站
b）BGP所交换的网络可达性的信息（因特网规模太大）就是要到达某个网络（使用网络前缀表示）所经过的一系列自治系统。
根据所采取的策略（AS的路由选择需要考虑策略）从路由信息中找到到达各自治系统的较好路由
c）只有刚运行BGP时，BGP邻站会交换整个BGP路由表，以后只需要发生变化时更新有变化的部分
BGP四种报文：
打开、更新、包活、通知
四、IP多播（IGMP协议）
在因特网上进行多播称为IP多播，能运行多播协议的路由器称为多播路由器；
工作方式：
服务器只需发送一次数据分组，而路由器在转发时把收到的分组复制多份，分别向不同路由器转发，到达目的局域网时，不需要复制分组，利用局域网的硬件多播功能（使用硬件地址中的多播地址），局域网的多播组成员就能收到这个分组
全球可使用的IP多播地址：
224.0.1.0~238.255..255.255
限制在单个组织可使用的IP多播地址：
239.0.0.0~239.255.255.255
多播地址只能用于目的地址，不能用于源地址，且不产生ICMP差错报文
多播转发必须动态的适应多播组成员的变化（这时网络拓扑并没有发生变化）
多播路由器转发多播数据报时需要同时考虑其来源和目的地
多播数据报可以由没有加入多播组的主机发出，也可以通过没有组成员接入的网络
网际组管理协议IGMP
IGMP协议是让连接在本地局域网上的多播路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了某个多播组
工作方式：
1.当某主机加入新的多播组时，会向多播组的多播地址发送IGMP报文（使用UDP传送），声明自己要成为该组成员，本地多播路由器收到IGMP报文后，利用多播选择协议将此组成员关系转发给因特网的其他多播路由器。
2.本地多播路由器要周期性探询本地局域网的主机，是否是某个组的成员，若无响应，则认为本地局域网无主机在此组中，不再将此组关系转发给其他多播路由器。
五、虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT
1.虚拟专用网VPN
仅在本机构内部使用的有效的IP地址称为本地地址（专用地址、私有地址）
因特网上的路由器对目的地址是专用地址的数据报一律不转发
专用地址块：
10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16
使用专用地址的互连网络称为专用互联网；利用公用的因特网作为本机构各专用网之间的通信载体的专用网称为虚拟专用网
远程接入VPN：
通过拨号接入因特网，利用VPN软件在员工的PC和公司主机之间建立VPN隧道，通信内容必须通过再封装进行加密。
2.网络地址转换NAT
在需要专用网连接因特网的路由器上安装NAT软件，它会建立NAT地址转换表，通过它将专有地址转换为全球IP地址（要求路由器至少有一个有效的全球IP地址）
第五章、运输层
运输层向上面的应用层提供的是端到端的通信服务
在运输层上说，两个主机之间的通信就是两个主机中的应用进程互相通信
运输层需要提供差错检测，而网络层不需要
协议端口号（端口）：
这是一种软件端口，是各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址
使用16位端口号来标志一个端口，仅具有本地意义，在本地是唯一的
a）服务器端使用的端口号：
熟知端口号（0~1023）、登记端口号（1024~49151）
b）客户端使用的端口号：
短暂端口号（49152~65535）
运输层的两个主要协议：
用户数据报协议UDP：
无连接的（不可靠）；传输单元为：
UDP数据报
传输控制协议TCP：
面向连接的（可靠的）；传输单元为：
TCP报文段
他们是对等协议
一、用户数据报协议UDP
特点：
a）UDP是无连接的
b）UDP使用尽最大努力交付
c）UDP是面向报文的
d）UDP没有拥塞控制
e）UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
f）UDP的首部开销小
UDP首部格式：
长度最小为8个字节（仅有首部）
计算校验和要在数据报之前增加12个字节的伪首部，计算方法同IP数据报（反码运算），但IP数据报仅校验首部，而UDP需要把首部和数据部分一同校验
二、传输控制协议TCP
特点：
a）TCP是面向连接的
b）每条TCP连接只能有两个端点，只能是点对点的
c）TCP提供可靠交付的服务
d）TCP提供全双工通信
e）面向字节流：
虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块（大小不等），
但TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流（不会按照应用程序的数据块格式传输）
TCP和UDP在发送报文时所采用的方式完全不同。
TCP不关心应用程序进程一次把多长的报文发送到TCP缓存中，而是根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP发送的报文长度是应用程序给出的）。
如果应用程序发送给TCP的数据块太长，可以分短些再发送；太短可以等积累足够多的字节再构成报文段发送出去。
（一）TCP连接
TCP把连接作为最基本的抽象。
TCP连接的端点称为套接字；格式为（IP地址：
端口号）
每条TCP连接唯一的被通信两端的两个端点（套接字）所确定。
（二）可靠传输的工作原理
1.停止等待协议（自动重传请求ARQ）
“停止等待及时每发送一个分组就停止发送，等待对方确认，在收到确认分组后再发送下一个分组。
”
发送方发送一个分组后暂时保留已发送的分组的副本，同时设置超时计时器，超时就重传（时间应比分组传输的平均往返时间更长一些），每个分组和确认分组都必须编号，明确分组是否收到确认。
接收方接受到一个重复的分组后，首先丢弃这个分组，之后再次向发送方发送确认。
2.连续ARQ协议
采用流水线传输：
发送方可连续发送多个分组
发送窗口：
发送方维持的可以发送的分组序列窗口
Go-Back-N（回退N）:
表示需要再退回来重传已发送过的N个分组
缺点：
不能向发送方反映接受到的所有分组的信息。
（三）TCP报文段的首部格式
序号：
占4字节，在TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，整个要传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置，首部中的序号字段值则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：
占4字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，若确认号=N，则表示到序号N-1为止的所有数据都已正确收到
数据偏移：
占4位，指出TCP报文段的首部长度，单位为4字节
各控制字段含义：
窗口：
占2字节，窗口指发送本报文段的一方的接收窗口，窗口值告诉对方：
从本报文段首部中的确认号算起，接收方目前允许对方发送的数据量，是作为接收方让发送方设置其放送窗口的依据。
校验和：
占2字节，校验和字段检验的范围包括首部（加上伪首部）和数据，计算方法同UDP（反码运算）
紧急指针：
占2字节，仅在URG=1时有效，指出本报文段中的紧急字段的字节数（之后就是普通数据）
选项：
最大报文长度MSS，这是每一个TCP报文段中的数据字段的最大长度
时间戳，用来计算往返时间RTT；用于处理序号超出的情况
（四）TCP的可靠传输的实现
1.以字节为单位的滑动窗口
发送窗口通常是发送缓存的一部分，发送缓存用来存放：
a）发送应用程序传送给发送方TCP准备发送的数据；
b）TCP已发送但未收到确认的数据
接收缓存用来存放：
a）按序到达的、但尚未被接收应用程序读取的数据
b）未按序到达的数据
接收窗口随接收缓存存储情况变化，通过窗口值进而反应到发送方的发送窗口，尽管如此，在同一时刻，发送方的发送窗口并不总是和接收方的接收窗口一样大。
对于不按序到达的数据，TCP通常先临时存放的接受缓存中，等到字节流中所缺少的字节收到后，再按序交付上层的应用进程。
TCP要求接受方必须有累积确认功能，这样可以减少传输开销。
2.超时重传时间的选择
TCP采用自适应算法，它记录一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认的时间，这两个时间之差就是报文段的往返时间RTT，TCP保留了RTT的一个加权平均往返时间RTTs,每次测量到一个RTT，就计算新的RTTs，超时计时器设置的超时重传时间RTO应略大于加权平均往返时间RTTs
当报文段每重传一次，就把超时重传时间RTO增大一些，一般为原来的2倍
（五）TCP的流量控制
利用滑动窗口实现流量控制
流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收
发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接受窗口值
为了防止死锁出现，TCP为每一个连接设有一个持续计时器。
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。
若设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段（仅携带1字节数据），而对方就在确认这个探测报文段时给出了现在的窗口值。
如果窗口仍是零，收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器，直到窗口不是零。
（六）TCP的拥塞控制
在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。
这种情况称为拥塞。
拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。
前提是网络能承受现有网络负荷。
拥塞控制是一个全局性的过程，而流量控制指点对点通信量的控制，是端到端的问题。
拥塞控制的方法：
慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复
1.慢开始和拥塞避免
发送方维持一个叫做拥塞窗口的状态变量。
拥塞窗口的大小取决与网络的拥塞程度，并且动态变化。
发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口（同时考虑接收方接受能力）。
发送方控制拥塞窗口的原则是：
只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就增大一些，但只要出现拥塞，拥塞窗口就减小一些。
慢开始的思路是：
由小到大逐渐增大发送窗口（增大拥塞窗口数值）。
一般起始为一个MSS值，之后每收到一次对新报文段的确认就加倍增大。
拥塞避免的思路是：
缓慢增大拥塞窗口，每经过一个RTT就把发送方的拥塞窗口加1，而不是加倍。
为防止拥塞窗口增长过大，设置一个慢开始门限状态变量：
当拥塞窗口<门限时，使用慢开始算法
当拥塞窗口>门限时，使用拥塞避免算法
当拥塞窗口=门限时，二者选一使用即可
2.快重传和快恢复
快重传首先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（为了使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等待自己发送数据时才进行捎带确认。
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，而不必继续等待重传计时器到期。
快恢复算法要点是：
当发送方连续收到三个重复确认时
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