计算机网络

• 计算机网络体系结构
• 定义
• 组成
• 局域网和广域网
• 因特网常见标准
• 常用网络参数
• 协议
• OSI各层作用和协议
• 物理层
• 串行传输和并行传输
• 同步传输和异步传输
• 通信方式
• 码元速率
• 比特率
• 奈奎斯特定理
• 香农定理
• 编码方式
• 模拟信号编码的步骤
• 交换方式
• 多模光纤和单模光纤
• 数据链路层
• 组帧方法
• 差错控制
• 流量控制
• 介质访问控制
• 以太网
• 部分设备和作用
• 网络层
• 功能
• 路由算法
• IPv4
• IPv6
• 网络地址转换
• DHCP
• 网络层常用协议
• 传输层
• 功能
• 常用端口
• 主要协议
• UDP
• TCP
• 建立TCP连接
• 释放TCP连接
• TCP可靠传输机制
• 流量控制
• 拥塞控制
• 应用层
• 网络应用架构
• DNS
• HTTP
• 常用应用层协议

计算机网络体系结构

定义

计算机网络是互联的自治的计算机系统的集合。

组成

硬件、软件和协议。
包括资源子网和通信子网。

局域网和广域网

局域网基本采用广播式网络，广域网基本属于点对点网络。

因特网常见标准

• RFC文档
• ISO制定的OSI参考模型
• IEEE：802标准

常用网络参数

带宽：通信线路所能传送数据的能力。
发 送 时 延 = 数 据 长 度 带 宽 发送时延=\frac{数据长度}{带宽} 发送时延=带宽数据长度​

传 播 时 延 = 信 号 长 度 电 磁 波 速 率 传播时延=\frac{信号长度}{电磁波速率} 传播时延=电磁波速率信号长度​

时 延 带 宽 积 = 传 播 时 延 × 信 道 带 宽 时延带宽积=传播时延×信道带宽 时延带宽积=传播时延×信道带宽

协议

作用：控制两个对等实体进行通信。包括语法、语义和同步。

OSI各层作用和协议

层	作用	协议
应用层	用户应用	HTTP、FTP、SMTP
表示层	统一编码
会话层	建立会话
传输层	复用分用、差错控制、流量控制	TCP、UDP
网络层	路由选择、差错控制、流量控制、拥塞控制	IP、ICMP
数据链路层	成帧、差错控制、流量控制	Wi-Fi
物理层	传输比特流	RJ45

物理层

串行传输和并行传输

串行传输：数据在一条信道上依次传输
并行传输：数据在多条并行信道上同时进行传输

同步传输和异步传输

同步传输：使用同步信号，使发送端和接收端的时钟同步后进行数据传输
异步传输：使用开始位和结束位标记数据的起始和结束

通信方式

单工通信：一条单方面的信道
半双工通信：两条单方向的信道
全双工通信：一条双方向的信道

码元速率

1波特表示每秒传输1个码元

比特率

单位时间传输的比特数
比 特 率 = 码 元 速 率 × 每 个 码 元 所 含 的 比 特 比特率=码元速率×每个码元所含的比特 比特率=码元速率×每个码元所含的比特

奈奎斯特定理

理 想 数 据 传 输 速 率 = 2 W log ⁡ 2 V 理想数据传输速率=2W\log_2V 理想数据传输速率=2Wlog2​V

香农定理

数 据 传 输 速 率 = W log ⁡ 2 ( 1 + S / N ) 数据传输速率=W\log_2(1+S/N) 数据传输速率=Wlog2​(1+S/N)

编码方式

以太网：曼切斯特编码
局域网：差分曼切斯特编码

模拟信号编码的步骤

采样、量化、编码

交换方式

交换方式 电路交换 报文交换 分组交换 数据报方式 虚电路方式

报文交换和分组交换都采用存储转发的方式。

多模光纤和单模光纤

多模光纤利用全反射原理；单模光纤直径位一个波长，光源为激光。

数据链路层

组帧方法

• 字符计数法：在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数
• 字符填充法：使用特定字符定界帧的开始和结束
• 比特填充法：01111110标志一帧的开始和结束，在信息中遇到5个连续的“1”时，自动在其后面插入一个“0”
• 违规填充法：使用冗余编码违规使用来对帧定界

差错控制

• 奇偶校验码
• 循环冗余码

流量控制

• 停止-等待协议：发送的帧得到确认后发送下一帧
• GBN协议：发送窗口内均可发送，接收方只按顺序接收，累积确认
• SR协议：发送窗口内均可发送，接收方无序接收，逐个确认，选择重传

介质访问控制

静态分配信道：
频分、时分、波分、码分
动态分配信道：

• ALOHA：效率18%
• 时隙ALOHA：效率36%
• CSMA/CD：具有碰撞检测的载波侦听多路访问协议；为了确保能够有效检测碰撞，以太网规定最短帧长为64B。若检测到碰撞，则延迟一个随机时间重传，重传16次仍不能成功，抛弃该帧。
• CSMA/CA：用于无线局域网

以太网

逻辑拓扑为总线型，采用曼切斯特编码。

部分设备和作用

设备名称	工作层	能否隔离冲突域	能否隔离广播域
集线器、中继器	物理层	×	×
交换机、网桥	数据链路层	√	×
路由器	网络层	√	√

网络层

功能

路由选择、分组转发、拥塞控制

路由算法

• 距离矢量算法
  RIP v2 network 192.168.1.0/24 声明自己所连的网段
  BGP BGP发言人运行BGP和AS内部协议（AS：自治系统）
• 链路状态算法
  OSPF network 192.168.1.0 0.0.0.255
  OSPF划分若干Area，路由器只知道本区域的细节，无需知道其他区域，只需要把分组交付给对应的边界路由器

IPv4

首部长度：20B
分类：

• A类（1.0.0.0-126.255.255.255）
• B类（128.0.0.0-191.255.255.255）
• C类（192.0.0.0-223.255.255.255）
• D类（224.0.0.0-239.255.255.255）
• E类（240.0.0.0-255.255.255.255）

IPv6

首部长度：40B
地址共 2 128 2^{128} 2128个

网络地址转换

网络地址转换（NAT）是指通过将专用网络地址转换为公用地址，从而对外隐藏内部管理的IP地址。它使得整个专用网只需要一个全球IP地址就可以与因特网连通，大大节省了IP地址的消耗。

DHCP

中文名称为动态主机配置协议，用于自动配置IP地址，是一个应用层的协议。

客户机 服务器 DHCP发现 DHCP提供 DHCP请求 DHCP确认 客户机 服务器

网络层常用协议

英文缩写	中文名称	功能
ARP	地址解析协议	IP地址到MAC地址的映射
ICMP	网际控制报文协议	主机或路由器报告差错或异常情况

传输层

功能

为不同主机的进程之间提供逻辑通信

常用端口

应用	端口
FTP	21
TELNET	23
SMTP	25
DNS	53
HTTP	80
HTTPS	433

主要协议

UDP

无连接
首部8B
常用于网络电话、实时视频会议、流媒体（边看边传输）

TCP

面向连接
保证有序、可靠交付
点对点
首部20B

建立TCP连接

客户机 服务器 SYN=1,seq=x SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1 ACK=1,seq=x+1,ack=y+1 客户机 服务器

释放TCP连接

客户机 服务器 FIN=1,ack=u,seq=v ACK=1,seq=u,ack=v+1 仍可有单向数据传输 FIN=1,seq=w,ack=v+1 ACK=1,seq=v+1,ack=w+1 客户机 服务器

TCP可靠传输机制

• 序号
• 确认
• 重传（超时、冗余ACK）

流量控制

在确认报文中设置接收窗口rwnd的值来限制发送速率

拥塞控制

1. 慢开始：当 c w n d < s s t h r e s h cwnd<ssthresh cwnd<ssthresh时，以 2 n 2^n 2n增加cwnd
2. 拥塞避免：当 c w n d > s s t h r e s h cwnd>ssthresh cwnd>ssthresh时， c w n d = c w n d + 1 cwnd=cwnd+1 cwnd=cwnd+1
3. 快重传：三个冗余ACK，直接重传对方期待的报文
4. 快恢复：三个冗余ACK， c w n d = c w n d 2 cwnd=\frac{cwnd}{2} cwnd=2cwnd​， s s t h r e s h = c w n d ssthresh=cwnd ssthresh=cwnd
5. 超时： s s t h r e s h = c w n d 2 ssthresh=\frac{cwnd}{2} ssthresh=2cwnd​， c w n d = 1 cwnd=1 cwnd=1，重回慢开始

应用层

网络应用架构

• C/S 客户机、服务器模式
• B/S 浏览器、服务器模式
• P2P 对等方相互通信

DNS

传输层使用UDP，端口53
查询方式：

• 递归查询（比较少用）
  
• 迭代+递归查询（常用）
  

HTTP

HTTP1.1默认使用持久连接，一个TCP连接可以传输多个资源
URL：统一资源定位符，负责标识万维网上各种文档

常用应用层协议

协议	传输层协议	端口
FTP	TCP	21、20
TELNET	TCP	23
SMTP	TCP	25
DNS	UDP	53
HTTP	TCP	80
POP3	TCP	110