【计算机网络】学习笔记

1. 概论
- 因特网中的服务
- 计算机网络特点
- 计算机网络功能
- 计算机网络的分类
2. 性能指标
- 体系结构
- ISO/OSI参考模型
3. 物理层
- 传输媒体
- 物理层的功能
- 调制
- 码元和比特率
- 物理层设备
- 传输媒体
4. 数据链路层
- 数据链路层的功能
- 介质访问控制
- 局域网的数据链路层
- 以太网的MAC层
- 以太网的帧格式
- 广域网的数据链路层
- PPP协议
- HDLC的帧类型
- 透明网桥
- 源路由网桥
- 多接口网桥（以太网交换机）
5. 网络层
- IP地址
- 划分子网
- 无分类编址 CIDR
- 私有IP
- IPv6
- Example
- 地址解析协议 ARP
- ICMP
- IP数据报文的格式
6. 传输层
- 电话交换
- 报文交换
- 分组交换
- 传输层端口
- UDP
- TCP
- 拥塞控制
7. 应用层
- DNS
- 解析过程
- FTP概述
- www
- - HTTP连接
- DHCP

1. 概论

协议：数据在线路上传输的规则
边缘部分：主机（资源子网）
核心部分：连通/通信（通信子网）

核心部分中最重要的是路由器：实现分组交换和路由选择

因特网中的服务

面向连接服务

通信效率不高，协议复杂（TCP/PPP）

无连接服务

数据分组中，目的结点接收的数据可能出现重复与丢失的现象，协议简单，效率高。

可靠服务

检错，纠错（TCP）

不可靠服务
有应答服务
无应答服务

只要可靠一定面向连接，一定有应答

PPP不可靠，重发次数够了，将丢弃

计算机网络特点

连通性

有虚拟的特点

共享性

资源共享

VPN：

charge：VPS

用虚拟机请求境外主机

free

软件，插件（电脑卡顿：用你的电脑去挖矿~算力）

计算机网络功能

数据通信：连接控制、传输控制、差错控制、流量控制，路由选择、多路复用
资源共享：数据资源、软件资源

基本功能

分布式处理
信息综合处理

计算机网络的分类

拓扑结构：

星型网络
总线型网络
环形网络
网状网络

分布范围

广域网 WAN
局域网 LAN
域域网 MAN
个人局域网 PAN

网络使用者

共用网
专用网

资源：

软件资源
硬件资源
数据资源

通信子网：

路由器
交换器
网桥
中继器
集线器
网线

2. 性能指标

速率：数据率/比特率，b/s，每秒传输速度
带宽：信号的频带宽度（赫）

数字通信

模拟通信

Now`带宽：数字信道所能传送的“最高数据率”，单位是b/s

收音机：106.2MP~~：波段；带宽：指波段的上界下界。

延迟时延：数据从网络或链路的一端到另一端的所需时延。
发送时延：传输时延：数据帧长度（b）/ 发送速率（b/s）
传播时延：信道长度/传输速率
时延带宽积：传播时延*带宽
吞吐量：单位时间通过某网络的信道或接口的数据量

体系结构

分层设计

对等实体：同一层的实体
对等层：不同计算机的同一层

只定义，不讨论实现

接口：服务访问点

ISO/OSI参考模型

OSI：七层：应、表、会、传、网、数、物

表示层：数据格式转换与压缩
会话层：Session，访问次序的安排（插入同步结点）
传输层：段：TCP：数据段/UDP：用户数据报（进程到进程）
网络层：数据包/报/分组（路由器，基于IP的寻址）IP、ICMP、ARP、IGMP
数据链路层-帧：两层交换机、网桥
物理层：比特率

下为上服务

TCP/ICP模型：（应、表、会）、传、网际层、接口层

五层：

物理层（处理信号）
数据链路层（提供用户和网络的接口，物理寻址、流量控制、差错校验）
网络层（控制报文通过网络的路由选择）
运输层（保证数据的正确顺序和完整性、拥塞控制）
应用层

上~下：封装（物理层不需要封装）

3. 物理层

传输媒体

传输媒介

光纤：光信号
双绞线：电信号
同轴电缆：电信号
微波：电磁波
红外线：光信号

物理层的功能

传输比特流

机械特性
电气特性
功能特性
过程特性

信号：数据的电气或电磁的表现
模拟信号：联系
数字信号：离散

调制

基带信号：能量与频率（低频/直流）
基带调制：数字
带通调制：模拟

编码：其他信号转化为数字信号

差分曼彻斯特：前一个后半部分与后一个的前半部分（相异为0）
不归零制：正电平：1
归零：突出来的是1
曼彻斯特：高-低：1、低高：0

调制：物理层要在信号(载体)中识别数据的比特流

码元和比特率

码元：波形/信号的不同形状（携带nbit数据）对应一种二进制编码格式
比特率：单位时间数字通信系统传输的比特数（M*n bit/s）
每个码元携带数据量：n=log2码元数n=log_2^{码元数}n=log2码元数
码元=波形
奈氏准则：极限码元传输速率B=2WB=2WB=2W、极限数据传输速率B=2W∗log2VB=2W*log_2^{V}B=2W∗log2V
信噪比：信号平均功率/噪声的平均功率
B=2W∗log21+S/NB=2W*log_2^{1+S/N}B=2W∗log21+S/N
影响信道最大传输速率的因素：信道带宽和信噪比

物理层设备

中继器：将已经衰减得不完整信号，重新整理，产生完整的信号再继续发送（再生、仅作用于信号的电气部分）

仅仅简单的转发bit
总带宽/主机数

使用中继器的局域网是一个星形网，竞争对传输媒体的控制，同时刻只允许一个传输数据。

放大器，也放大了噪声。

集线器：多端口的中继器，增大碰撞的可能性。

传输媒体

两根双绞线在一起：减少串扰

4. 数据链路层

垂直：服务
水平：协议

数据链路层传输的是帧

不必考虑传输bit细节。

广播通信方式

数据链路层的功能

封装成帧

数据前后加上帧首部，尾部。

字符计数法
首尾定界符
比特填充
违规编码

差错控制

误码率：传输错误的比特所占的比特总数

原始数据+CRC冗余位

原始数据/P=n位CRC原始数据/P=n位CRC原始数据/P=n位CRC

n+1位除数：P（异或模）

只能做到无差错传输
要做到“无差错传输”，加上确认重传机制
数据链路层都是不可靠传输
流量控制

接收方控制发送方的数据，点对点

发送窗口：没收到确认，可以将连续窗口的数据全部发送出去

接收窗口：只允许接收窗口内数据

停止-等待机制：发送一帧，等待确认

第一次发送标号为0，出错重传标号1

网络利用率：最大利用率（发送时间/总时间）

发送时延

传播时延

发送时延

传播时延

后退N帧滑动窗口协议：发送N，接收1，确认7次（累计确认）

哪里出错回哪里（忽略发送时延t1）

窗口编号：0-N-1，接收是0，1，2…N-1

2n>=发送窗口大小+接收窗口大小2^n >= 发送窗口大小+接收窗口大小2n>=发送窗口大小+接收窗口大小

选择重传滑动窗口协议：不支持累计确认

哪里出错传哪里

带宽=数据量/时间带宽=数据量/时间带宽=数据量/时间

实际带宽=n∗帧长/t1+t2+t3+t4实际带宽=n*帧长/t1+t2+t3+t4实际带宽=n∗帧长/t1+t2+t3+t4

链路利用率=n∗发送时延/（发送时延+传播时延∗2）链路利用率=n*发送时延/（发送时延+传播时延*2）链路利用率=n∗发送时延/（发送时延+传播时延∗2）

n发送窗口大小

介质访问控制

总线型介质访问

静态划分

频分复用
时分复用TDM
波分复用WDM
码分复用CDM

随机访问介质访问控制

ALOHA协议：有数据即发送
CSMA协议：帧听空闲

碰撞检测：冲突检测

CSMA/CA

随机重发：二进制退避算法

空闲检测方法：

能量载波混合检测
带确认的发送机制
轮训访问

介质访问控制方法，发生冲突：

CDMA
TDMA
WDMA
FWDM
轮询

以太网二进制回退算法，11次碰撞，随机数0−210−10-2^{10}-10−210−1

K={k,k≤1010,10<k<16报错，k≥16K= \begin{cases} k, k\leq10\\ 10, 10<k<16\\ 报错，k\geq16 \end{cases} K=⎩⎪⎨⎪⎧k,k≤1010,10<k<16报错，k≥16

碰撞次数越多，等待时间越多
首次重传的帧发生冲突概率最低
数据帧传输时延至少要等于信号传播时延的2倍

局域网的数据链路层

局域网中的主机和路由器/交换机构成数据链路层，局域网只有两层结构

局域网：主机与主机通过交换机连接

局域网与局域网通过路由器连接

局域网广播的通信方式

局域网技术要素：

网络拓扑结构：星形网、环形网
传输介质：双绞线、铜线、光纤
介质访问控制方法：CSMA/CD、令牌总线和令牌环

局域网标准≈以太网

曼彻斯特：码元率=2*数据率

10Mbit/s以太网：51.2us为争用期长度（发送64字节，时延带宽积）

最短有效帧长=争用期∗发送速度=2∗（介质长度/传播速度）∗发送速度最短有效帧长=争用期*发送速度=2*（介质长度/传播速度）*发送速度最短有效帧长=争用期∗发送速度=2∗（介质长度/传播速度）∗发送速度

有效地检测冲突：

减少电缆介质的长度或增加最短帧长

以太网规定最短有效帧长：64字节

以太网的MAC层

为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部目的地址字段中

MAC：物理地址，名字/标志符

48位
6字节，后三字节，由厂家指派，称为扩展唯一标志符

广播：目的地址为广播地址则，所有计算机接收

多播：帧（一对多）

网络接口板：通信适配器或网络接口或网卡
适配器的重要功能：绿色操作系统，不能无线上网（安装网卡驱动，安装以太网协议）
适配器，会将本机MAC与帧中MAC检查，对号入座

以太网的帧格式

DIX Ethernet V2 标准
IEEE的802.3 标准

目的地址 6B
源地址-6B
类型-2B
数据-46B~1500B
FCS检错-4B

64~1518B

以太网MAC协议：无连接的不可靠的协议

广域网的数据链路层

点对点通信

国与国之间，不能用广播

连接用结点交换机组成

PPP协议

不需要的功能：

纠错
流量控制
不可靠
面向连接

三部分组成：

IP数据报串行链路的方法
链路控制协议LCP：管理数据链路层

匹配不同链路层

网络控制协议NCP：对上承接网络层协议

匹配不同网络层

透明传输协议：

异步传输：字符填充法
异步传输：位填充

建立链路
验证阶段
网络控制协商阶段
终止PPP链路

PPP：

一种成帧的方法
链路控制协议
网络控制协议
具有差错控制
支持动态IP分配
支持身份验证

PPP中的LCP帧作用：在建立状态阶段协商链路协议的选项

HDLC的帧类型

同时在线

信息帧
监督帧
无编号帧
广播域：只有能处理IP地址的才能称为
扩展局域网：网桥
网桥具有过滤功能

建立转发表，将源地址写在地址一栏，记录时间和接口

转发用目的MAC地址

透明网桥

透明网桥 运行自主学习算法维护转发表

交换机使用了生成树协议，无环路的树状结构

源路由网桥

源路由：在发送帧将详细的路由信息放在帧首部

指定发送路径

源站以广播方式欲向通信广播

过滤通信量
MAC没有流量控制
用户少和通信量不大的局域网

多接口网桥（以太网交换机）

无碰撞的传输数据

直通式交换，检测前6个字节，检测目的MAC
存储转发式交换：将帧存储在高速缓存中（延迟大）

16个端口的集线器/中继器，冲突域1个，广播域1个
16个端口的以太网交换机/网桥，冲突域16个，广播域1个

以太网交换机的本质是多端口网桥

5. 网络层

网络层只提供简单灵活的、无连接、尽最大努力的数据报服务
网络协议：IP/ARP/ICMP/IGMP

IP不可靠数据报传输，无连接

IP地址

32位的IP地址标识连接在互联网上的主机

基本分类IP：两个字段{net-id：host-id}
唯一性

IP地址8位一组，使用点分十进制提高可读性

特殊的IP：

0.0.0.0：本网络、DHCP请求的源地址、DSPF的根区域
255.255.255.255：全网广播、DHCP的目的地址
127.0.0.0：环回地址
网络地址：主机位全为0
广播地址：主机位全为1

C类：host-id：8位，有效/主机IP地址：28−22^8-228−2

路由器只有有两个IP地址
转发器或网桥连接的依然有相同的host-id

划分子网

从主机号借用若干位作为子网号 subnet-id

字段{net-id:subnet-id: host-id}

子网掩码：判断有无子网划分

32位
左边一连串1，对应网络号和子网号
右边全为0，对应主机号

子网号不能全为1/0
主机号不能全为1/0

IP地址与子网掩码诸位相与~网路地址，点分十进制表示

划分子网的方式：

主机优先：优先考虑分配主机位（每个子网中，主机数不等）
子网优先：优先考虑分配子网位（每个子网中，主机数相等）
尽可能提高IP地址利用率

无分类编址 CIDR

无类别
网络前缀，代替网络号和子网号
字段{网络前缀: host-id}
路由聚合构成超网

路由聚合：把前缀相同的聚合在一起（把公共前缀留下）

私有IP

本地地址（专用地址、私有地址）
全球地址：唯一IP

A：10.0.0.0~10.255.255.255

10.0.0.0/8，24位块

B：172.16.0.0~172.31.255.255

172.16.0.0/12，20位块

C：192.168.0.0~192.168.255.255

192.168.0.0,16，16位块

私有IP需要网络地址转换NAT
NAT路由器，至少有一个全球IP地址（把私有IP通过NAT翻译为全球IP）

IPv6

地址增大128位

每16位用16进制表示，冒号分割
允许把前面的数字0省略
单播
多播
任播，距离最近的一个

过渡算法

双协议栈：自动切换
隧道技术

全为0网络地址，全为1广播地址

Example

C类网络，24位网络位，8位主机位，可以有28−2=2542^8-2=25428−2=254台主机
主机位为0是网络地址，为1是广播地址，不全为1IP地址

A 0-126 8位

B 128-191 16位

C 192-223 24位

D 224-239：主播地址

子网位：2N2^N2N个子网
主机位：2M−22^M-22M−2个主机

A：255.0.0.0
B：255.255.0.0
C：255.255.255.0

255.255.240.0与255.255.0.0 相与：4个1，255.255：8位，.240.0：4位，主机位12位，212−2=40942^12-2=4094212−2=4094

240:1111，子网掩码与IP地址与，最后4个1，4位子网

192.168.10.0：C类网络，24位网络位，最后4位全为0：网络地址
1个B类地址，新增51个子网，每个子网800台

子网数>=log251=6log_2^{51}=6log251=6位，掩码需要6个，252
主机数位=16-6=10位=log210=1024>800log_2^{10}=1024>800log210=1024>800

某网络号：198.90.10.0/27

C类地址，24位网络位，借了3位主机位，来充当子网位232^323，5位主机位，有效IP数：25−2=302^5-2=3025−2=30

若将101.200.16.0/20划分为5个子网，最小子网的IP地址数位

网络优先：log25log_2^5log25=3，20+3=23，则9位主机位，29−2=5102^9-2=51029−2=510

主机优先：101.200.0001 0000.0/20：每次只分1位

地址解析协议 ARP

应用层：TCP报文
网络层：IP数据报
链路层：MAC帧

ARP：实现IP地址到MAC地址的映射协议

数据链路层最终都是硬件地址

ARP请求分组：获取MAC地址（广播）
ARP响应分组：（单播）

广播和单播硬件地址：

广播请求

目的IP
源IP
目的MAC（12个F）
源MAC

单播响应

目的IP
源IP
目的MAC（12个F）
源MAC

注意问题：

ARP用于解决同一个局域网的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。
不在不同一个局域网，则发送某个路由器（有路由表）的硬件地址

为什么不用MAC地址进行通信？

MAC是局域网地址，无法屏蔽差异
封装，本层解析本层格式，路由器是网络层设备

ICMP

更好地转发IP数据报，提高交付机会
允许主机、路由器报告差错情况
网络层协议
为网络层提供服务
又让网络层给他提供服务
封装在IP报文中，为IP服务

差错报文

终点不可达
时间超时TTL=0

询问报文

回送请求和回答报文

Ping：

测试主机直接连通性
使用ICMP回送请求报文
直接应用网络层ICMP的例子

Traceroute：

跟踪分组从源点到终点的路径

IP数据报文的格式

固定首部（20B）和数据

IP数据报分片：

其实位置的编号/8，字节划分

TTL：生存时间，8位，没经过一个路由器TTL-1

首部校验和：16位

IP数据报首部可能变化的字段：

生存时间
总长度
源地址
标志
首部校验和

分片只发生在路由器，重组必须在目的机

IPv4设定生命器

网络管理员配置的是静态路由
路由回路是因为，路由器不知道整个网络的拓扑结构
链路中，路由器使用dijkstra最短路算法找到其他路由器的长度
prim-krustral最小生成树，拓扑排序：有向无环图
BGP：用于自治系统之间的路由器交换路由
每个路由器的位置不一样，路由表不一样

6. 传输层

传输层上连接资源子网（为应用层提高服务），向下是核心子网（通信子网）的最高处。

只有边缘部分的主机的协议栈才有运输层

传输层：进程间通信（端到端）
IP：主机到主机

传输层的功能：基于端口的分用和复用

流量控制
可靠传输
拥塞控制

用户数据报协议：DUP（面向连接）
传输控制协议：TCP（可靠）

TCP数据单位：TCP报文段
UDP：UDP报文段

电话交换

交换：专用的物理资源

建立连接
通信
关闭连接

优点：

不存在失序问题
传输模拟或数字信号

缺点：

利用率低
建立连接时间长

虚电路面向连接

报文交换

数据交换单位：报文
不存在建立时延
存储转发

缺点：

要经历存储，时延高
只适用数字信号

分组交换

IP分组交换：解决大报文传输问题

首部含有地址等控制信息

IP数据报：走不同路径
虚路径：建立虚连接号

优点：

高效灵活
信息量增大

分组交换：

使用流水线

虚电路分组交换：由网络层决定的，负责差错控制和流量控制

传输层端口

进程标识符标志进程
端口号表示不同的网络进程
16位二进制：65535
只用来标识本计算机的各个进程
不同计算机可以重复

UDP

UDP尽最大努力交付

违心而为，尽力而为

应用层报文+UDP首部+IP首部+帧首部

UDP提供：无连接+复用分用服务

端口复用

复用：不同源端口的进程，可以使用相同的IP
分用：使用不同的目的端口，交给不同应用

UDP：将数据、首部都检验

不可靠

TCP

面向连接（唯一的可靠协议）
面向字节流
虚连接
连接端点：套接字或插口（IP：端口号）

连接建立，3次握手
连接释放，4次挥手

报文段的首部格式：

IP20B，TCP20B
端口：标识本地网络进程（我给别人发的）
确认号：下一次报文段的起始字节编号（别人给我发的）

数据偏移：首部长度，长1、首4、偏8

ACK为1有效
RST：重新建立连接
SYN：同步（面向连接）
MSS是TCP报文段的数据字段的最大长度。数据字段+TCP首部才等于整个TCP报文段。MSS=TCP报文段长度-TCP首部长度
填充：首部是4B的整数倍

TCP可靠传输

编号确认机制（停止等待机制）
超时机制
自动重传机制

拥塞控制

点缓存容量太小
链路容量不足
处理机的效率太低

控制策略：

开环控制
闭环控制

MSS：发送数据的基本单位
接收窗口：接收端的能力
拥塞窗口：根据网络情况确定的

判断拥塞：

重传定时器
重复ACK（丢包）

TCP拥塞控制算法：

慢开始（初始拥塞创建cwnd=1，慢开始门限SSTH=n）
拥塞窗口加倍：发送方每收到一个对新报文段的确认，就是cwnd+1。
在慢开始阶段，每经过一个轮次，拥塞窗口加倍
在慢开始阶段，没收到一个确认段，拥塞窗口+1
网络出现拥塞，门限值减半
不能完全避免拥塞
门限值之前指数加倍
门限值之后：线性

快重传算法：

3个冗余m2ACK，快速重传m3

快恢复算法：ssthread=cwnd/2、cwnd=ssthreh

AMID，加法增大

7. 应用层

许多协议都是基于客户服务器方式。C/S

DNS域名服务器
FTP文件传输系统
Email
www万维网
DHCP（动态主机配置）

应用层协议：FTP、SMTP、TELNET

DNS

域名：名字
域名到IP的解析是由域名服务器完成的。
域名服务器管辖一个范围：区
根域名服务器（顶级域名和IP地址）
权限域名服务器：负责一个区的域名服务器
本地域名服务器（默认域名服务器）

解析过程

递归+迭代解析（广度优先）

1、本地主机查询（1,1）
2、本地DNS（0,n+1）

递归解析（深度优先）

1、本地主机查询（1,1）
2、本地DNS（0,2）

FTP概述

交互访问，允许指明格式
不关心文件命名，目录结构

winsxp、xshell

控制连接：会话一直打开、管理控制
数据连接

端口：

被访问的接受（服务器21）
自己传送数据（客户端/数据端口20）

FTP数据封装过程：

应用层-数据
传输层-TCP数据段
网络层-数据包
数据链路层-数据帧
物理层-bit流

服务器从上往下，客户端从下往上

服务器与客户端的TCP20端口建立数据连接（主动模式20，server被动打开是协商）

www

统一资源定位符URL
超文本传输协议HTPP（应用层协议）

使用TCP（本身无连接），http是面向连接的

持续连接：相同的TCP连接

HTTP连接

非持续连接：2nRTT

非流水线持续连接：

建立TCP连接，1RTT
传n个对象，nRTT

流水线持续连接：

建立TCP连接，1RTT
传n个对象，nRTT

访问web：PPP/ARP/UDP

协议：SMTP（发）/POP3（收）：发邮件

DHCP

主机IP的自动配置：即插即用的联网机制

主机广播发送：DHCP才单播响应一个IP地址

源地址：0.0.0.0
目的地址：255.255.255.255
DHCPServer：要分配给A的IP地址，封装在MAC帧中

加油!

感谢!

努力!

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【计算机网络】学习笔记

【计算机网络】学习笔记

1. 概论

因特网中的服务

计算机网络特点

计算机网络功能

计算机网络的分类

2. 性能指标

体系结构

ISO/OSI参考模型

3. 物理层

传输媒体

物理层的功能

调制

码元和比特率

物理层设备

传输媒体

4. 数据链路层

数据链路层的功能

介质访问控制

局域网的数据链路层

以太网的MAC层

以太网的帧格式

广域网的数据链路层

PPP协议

HDLC的帧类型

透明网桥

源路由网桥

多接口网桥（以太网交换机）

5. 网络层

IP地址

划分子网

无分类编址 CIDR

私有IP

IPv6

Example

地址解析协议 ARP

ICMP

IP数据报文的格式

6. 传输层

电话交换

报文交换

分组交换

传输层端口

UDP

TCP

拥塞控制

7. 应用层

DNS

解析过程

FTP概述

www

HTTP连接

DHCP

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