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计算机网络

计算机网络（第七版）思维导图持续更新中，目前更新到第三章……什么是计算机网络？本思维导图将根据教材和上课要点进行归纳总结，向你系统地介绍计算机网络基础知识。快来学习呀！

编辑于2021-05-22 12:29:40

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计算机网络

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大纲

计算机网络

第一层物理层

通信基础

信道，信号，带宽，码元，波特，速率

乃奎斯定理与香农定理

传输介质

双绞线同轴电缆光纤无线传输介质

物理层接口属性

物理层设备

中继器

集线器

第二层数据链路层

数据链路层的功能

组帧

差错控制

检错编码

循环冗余码

奇偶校验

纠错编码

海明码

随机访问介质访问控制

CSMA/CD协议

数据链路层协议

PPP协议

点对点协议：简单封装成帧

PPP协议不需要：纠错、流量控制、序号、多点线路、半双工或单工链路

封装IP数据报

帧格式

数据部分：不超过1500字节（IP数据报）

同步传输

比特填充

零比特填充 5“1”1“0”

一连串比特连续传送

异步传输

字符填充

HDLC协议

比特填充

数据链路层设备

网桥：透明网桥与生成树算法；源选路径网桥与源选路径算法

局域网交换机及其工作原理

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

局域网优点：广播功能；便于系统的扩展和逐渐演变，设备的位置可灵活调整和改变；可靠性、可用性和残存性

两个子层

LLC层

逻辑接入

MAC子层

媒体接入

TCP/IP体系

局域网

局域网的基本概念和体系结构

局域网拓扑结构

以太网与IEEE 802.3

媒体共享技术

信道复用技术：静态划分信道

频分多路复用

时分多路复用

波分多路复用

码分多路复用

动态媒体接入控制

随机接入

受控接入：多点线路探寻/轮询

以太网

两个标准

DIX

IEEE 802.3

使用集线器的星型拓扑

第三层网络层

网络层定义、功能及设计方法

分组交换

虚电路和数据报

路由算法的分类和基本原理

网络互联：iNternet网络层

IP协议

子网划分 /无类别编址（超网、CIDR）

网络地址转换NAT

IPv6

网络层协议

RIP

是一种基于距离矢量（Distance-Vector）算法的协议，它使用跳数（Hop Count）作为度量值来衡量到达目的地址的距离。

基于距离矢量的内部网关协议（Interior Gateway Protocol）。

RIP通过UDP报文进行路由信息的交换，使用的端口号为520。

OSPF

基于链路状态的内部网关协议。

BGP

IPv6

路由器的基本原理

典型的体系结构

分组处理过程

第四层-传输层

为应用层提供通信服务，使用网络层的服务。

概述

两个协议

寻址与端口

UDP协议

UDP协议特点

UDP首部格式

UDP校验

TCP协议

协议特点

首部格式

连接管理

三次握手

四次握手

TCP可靠传输

校验

序号

确认

重传

超时

满开始拥塞避免

冗余确认

快重传快恢复

流量控制

拥塞控制

慢开始拥塞避免

快重传快恢复

主题

第2层数据链路层总述

1.数据链路层概述

数据链路和帧

链路：是一条无源的点到点的物理线段，中间没有其他交换结点

数据链路：除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

数据链路层使用的信道

点对点信道

广播信道

2.三个基本问题

封装成帧 framing

MTU 最大传送单元

子主题

帧定界

帧开始：SOH 十六进制编码 01

帧结束：EOT 十六进制编码 04

透明传输

解决透明传输的方法

字节填充

字符填充

控制字符：SOH ➡️EOT：转义字符:ESC

差错检测

检错码

CRC循环冗余检验

模2除法:相同为0，相异为1

CRC检测只能做到无差错接受

无比特差错和无传输差错是两个概念。

奇偶校验

增加一个数据位保证1的个数为奇数/偶数

纠正单比特错误

校验和

纠错码

海明码

2^r=m+r+1（r校验位，m数据位）

纠正单比特错误

3.点对点PPP协议

PPP协议应满足

简单

封装成帧

透明性

差错检测

支持多种网络层协议

支持多种类型链路

检测连接状态

设置最大传输单元MTU

网络层地址协商

数据压缩协商

PPP协议不需要的功能

纠错

流量控制

序号

多点线路

半双工或单工链路

PPP协议组成

一个将IP 数据报封装到串行链路的方法，能够支持同步和异步链路

链路控制协议LCP 用来建立配置和测试数据链路连接

网络控制协议 NCP 满足网络层协议支持

PPP协议的帧格式

透明传输问题

当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件完成零比特填充

当PPP用在异步传输时，使用特殊的字符填充法

4.局域网的数据链路层

局域网的拓扑结构

星型网

总线网

环形网

树形网

以太网的两个标准

DIX Ethernet V2

IEEE 802.3

参考模型范围

数据链路层

逻辑链路LLC

媒体接入控制 MAC

物理层

适配器

网络接口板又称为通信适配器或网络接口卡NIC或网卡

主要功能：

进行串行/并行转换

对数据进行缓存

在计算机的操作系统安装设备驱动程序

实现以太网协议

5.CSMA/CD协议

以太网两种通信措施

灵活的无连接工作方式

发送的数据使用曼彻斯特编码

媒体共享技术

静态划分信道

频分复用 FDM

时分复用 STDM和统计时分复用 STDM

波分复用 WDM

码分复用 CDMA

动态媒体接入控制（多点接入）

随机接入

受控接入，多点线路探询和轮询

CSMA/CD:带碰撞检测的载波监听多路访问协议

CS：载波监听

发送数据之前先听总线上是否有数据在发送

MA：多点接入

很多计算机以多点方式连接在一根总线上

CD：碰撞检测

边发送数据边检测信道上是否有冲突

每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送，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。

某站点最多经过2t(争用期）能够检测到冲突（碰撞）：2t（往返端到端的传播时延，称为争用期/碰撞窗口）

产生碰撞之后如何进行避让？检测到碰撞→数据失真→停发；退避一段时间→重传

截断二进制指数类型退避算法：发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机的时间才能再发送数据

确定基本退避时间，取2t

定义重传测试K

从整数集合[0,1,,2,3,,,,(2^k-1)],随机抽取一个数r，重传所需的时延就是r倍的基本退避时间

但是，当重传达到16次仍不能成功时，丢弃该帧，并向高层报告

两个量化参数

争用期 10Mbit/s以太网取51.2us为争用期的长度

最短有效帧长 64字节 512bit

6.使用集线器的星型拓扑

集线器？

多端口中继器，物理层设备

可改变网络物理拓扑形式：总线连接→星型连接

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

功能：在网段之间拷贝比特流，信号整形和放大

10 BASE T :速率为10Mbit/s; BASE:基带；T：双绞线

10 BASE T 双绞线以太网

双绞线的连接标准

主机和路由器连接，使用直连方法

当两个同类连接时，使用交叉连接方法

7.以太网的MAC层

硬件地址/物理地址/MAC地址

48位的MAC地址

以太网的MAC帧地址

最短帧长：64字节

MAC数据部分：46～1500字节

若数据部分小于46字节需填充至MAC帧长到达64字节

单站地址/组地址/广播地址

IEEE规定地址字段的第一字节的最低位为I/G位，I/G表示Individual/Group

I/G位=0，单站地址

I/G位=1，组地址

48位都为1 ，为广播地址，只能作为目的地址使用

适配器检查MAC地址

以太网V2的MAC帧格式

无效的MAC帧

帧长度不是整数个字节

用收到的帧检验序列FCS查出有差错

数据字段的长度不在46~1500字节之间

有效的MAC帧长度为64~1518字节之间

8.以太网的扩展

物理层扩展

使用光纤扩展

主机使用光纤（一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器

使用集线器扩展

使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网

优点

使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域通信

扩大了以太网覆盖的地理范围

缺点

碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高

如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器互连

数据链路层扩展

早期：网桥

透明网桥

即插即用设备

使用生成树算法

网桥工作在数据链路层，根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤

优缺点

交换式集线器：以太网交换机

特点

多端口

全双工

并行工作

存储转发

存储转发方式

直通方式

交换表的自学习功能

即插即用设备

专用的交换结构芯片

自学习算法建立转发表

洪泛方法

转发帧

9.虚拟局域网 VLAN

高速以太网

100BASE-T以太网

数据率：100Mbit/s；BASE：连接的是基带信号；T代表双绞线

不使用CSMA/CD

G比特以太网

10比特以太网和100比特以太网

使用以太网进行宽带接入

VLAN 虚拟局域网

VLAN 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。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机属于哪一个VLAN

是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网

虚拟局域网的以太网帧格式

4字节的标识符——VLAN标记tag

用来指明该帧属于哪一个虚拟局域网

数据传输使用两种链路

点对点链路

两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者；应用：PPP协议，常用于广域网

广播式链路

所有主机共享通信介质，应用：总线型以太网、无线局域网，常用于局域网

典型拓扑结构：总线型、星型（逻辑总线型）

介质访问控制

信道划分介质访问控制

将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备通信隔离开，把时域和频域合理的分配给网络上的设备

多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率

复用器→分用器

把一条广播信道，逻辑上分成几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道，实际就是把广播信道转变成点对点信道

静态划分信道

频分多路复用FDM

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带，频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的宽带（频率带宽）资源

时分多路复用TDM

将时间划分为一段段等长的时分复用帧，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，所有用户轮流占用信道

TDM帧：物理层划分；最高2000b/s

统计时分复用STDM

集中器

输入缓存→动态分配时隙

STDM帧：物理层划分的

最高8000b/s

波分多路复用WDM

光的频分多路复用

码分多路复用CDM

CDMA码分多址

1个必填分为多个码片/芯片，每一个站点被指定一个唯一的m位芯片序列

发送1时站点发送芯片序列，发送0时发送芯片序列反码（通常把0写成-1）

如何不相互干扰：多个站点同事发送数据的时候，要求各个站点芯片序列相互正交。

如何合并：各路数据在信道中被线性相加

如何分离：合并的数据和源站规格化内积

动态划分信道

特点：信道并非在用户通信时固定分配给用户

随机访问介质访问控制

所有用户可随机发送信息，发送信息时占全部带宽。

ALOHA协议

纯ALOHA协议

想发就发：不监听信道、不按时间槽发送，随机重发

冲突如何检测：如果发生冲突，接收方就会检测出差错，然后不予里确认，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突

冲突解决：超时后等随机时间再重传

时隙ALOHA协议

吞吐量

控制想发就发的随意性：把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

重点

纯ALOHA协议吞吐量更低，时隙ALOHA协议只有在时间片段开始时才能发

CSMA协议

先听再说：载波监听多路访问协议:

CS: :每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

MA：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

协议思想：发送帧之前监听信道。

监听结果：信道空闲，发送完整帧

1-坚持CSMA

什么时候听到空闲的时候再发送数据

非-坚持CSMA

监听信道忙之后就不继续监听

非坚持CSMA坚持的思想：如果一个主机要发送信息，那么必须先监听信道空闲则直接传输，不必等待忙则等待一个随机的时间之后再进行监听

优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生

P-坚持CSMA

P-坚持：对于监听信道空闲的处理

如果一个主机要发送信息，那么先监听信道空闲则以p概率直接传输，不必等待，概率1-P等待到下一个时间槽再传输忙则等待一个随机时间后再进行监听

优点：既可以像非坚持算法减少冲突，又能像1-坚持算法减少媒体空闲时间的这种方案

缺点：发生冲突后，还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费

三者的区别

信道空闲和信道忙的情况下

1-坚持

空闲：马上发

信道忙：继续坚持监听

非-坚持

空闲：马上发

忙

放弃监听，等一个随机时间再监听

子主题

P-坚持

空闲：p概率马上发，1-p概率等到下一个时隙发送

忙：放弃监听，等一个随机事件再监听

监听结果：信道忙

CSMA/CD协议重点

载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD

先听再说，边听边说

CS：载波监听：每一个站点在发送数据之前和发送数据时

MA：多点接入

CD：边发送边监听

半双工

有限局域网

CSMA/CA协议

载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA

why无线局域网

无法做到360°全面检测碰撞

隐蔽站

当A和C都检测不到信号，认为信号空闲时，同事向终端发送数据帧就会导致冲突

工作原理

发送数据前，先检测信道是否空闲

空闲：发出RTS(request to send)，RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息；信道忙则等待

接收端收到RTS后，将响应CTS(clear to send)

预约信道：发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久数据）

接收端响应ack帧

发送方采用二进制指数退避算法来确认随机推迟的时间

轮询访问介质访问控制

MAC协议，基于多路复用技术划分资源，令牌传递协议

既要不产生冲冲突，又要发送时站全部带宽

轮询协议

令牌传递协议

一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息。控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道

令牌环网无触碰

每个节点可以再一定的时间内（令牌持有时间）获得发送数据的权利，并不是无限地持有令牌

1.令牌开销；2.等待时延；3.单点故障

常用于负载较重、通信量较大的网络中

轮流协议

主节点轮流”邀请“从属节点发送数据；用数据帧来时间

问题：轮询开销，2.等待迟延，3.单点故障

轮询访问MAC协议

轮转访问MAC协议

数据链路层流量控制和可靠传输机制

可靠传输/流量控制/滑动窗口

可靠传输

流量控制

链路层：点到点

接收方收不下就不回复确认

传输层：端到端

接收端给发送端一个窗口公告

滑动窗口解决

流量控制

可靠传输

流量控制

停止等待协议

为什么要有停止-等待协议？

应用情况

无差错传输

有差错传输

1.数据帧的丢失或检测到帧出错

超时计时器，平均往返时延RTT

1.发送完一个帧后，必须保留它的副本

2.数据帧和确认帧必须编号

2.ACK确认帧丢失

3.ACK确认帧迟到

信道利用率低

计算信道利用率D=Td/(Td+RTT+Ta);

信道利用率：发送方在一个发送周期内，有效的发送数，据所需要的时间占整个发送周期的比率：信道利用率=（L/C)/T(L:T时间内发送的比特数据；C:发送方数据传输率；T：发送周期,从开始发送数据，到收到第一个确认帧为止）

信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率

滑动窗口协议

后退N帧协议（GBN）

弊端：累积确认→批量重传

解决办法：设置单个确认，同事加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序达到的帧

后退N帧的滑动窗口

发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号

接收窗口

选择重传协议（SR）

选择重传协议中的滑动窗口

发送方必须响应三件事情

上层的调用

收到了一个ACK

超时事件：每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧

接收方要做的事情

来者不拒（窗口内的帧）：SR接收方将确认一个正确接收的帧而不管其是否按序，失序的帧将被缓存，并返回给发送方一个该帧的确认帧【收谁确认谁】，直到所有帧（即序号更小的帧）皆被收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前滑动窗口。

滑动窗口的长度

发送窗口最好等于接收窗口，大了会溢出，小了没有意义

Wtmax=Wrmax=2^(n-1)

SR协议重点：

1.对数据帧逐一确认，收一个确认一个

2.只重传出错帧

3.接收方有缓存，等到构成连续的窗口再滑动窗口

Wtmax=Wrmax=2^(n-1)

第三层网络层

1.网络层提供两种服务

面向连接-虚电路服务

让网络层负责可靠交付，模仿电信网络，使用面向连接的通信方式

通信之前先建立虚电路，以保证双方通信所需的一切网络资源

无连接服务-数据报服务

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

网络在发送分组时不需要先建立连接，每一个分组（IP数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）

网络层不提供服务质量的承诺（即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序，不按序到达，当然也不保证分组传送的时限。

2.网络层概述

又称为IP层或网际层

主要作用··

为分组转发选择合适的路由（分组即IP数据报）

网络互连主要靠路由器完成

直接交付

不需要使用路由器

间接交付

必须使用路由器

网际协议IP及配套协议

TCP/IP体系中两个最主要的协议之一

配套协议

地址解析协议 ARP/ Address Resolution Protocol

网际控制报文协议 ICMP/ Internet Control Message Protocol

网际组管理协议 IGMP/ Internet Group Management Protocol

中间设备/中继系统/中间系统

物理层

转发器 repeater

数据链路层

网桥 / 桥接器 bridge

网络层

路由器 router

混合物

网桥和路由器的混合桥路器 brouter

网络层以上

网关 gateway

虚拟互联网络

网络互连：指用路由器进行网络互连和路由选择

虚拟网络互连：逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用IP协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。

使用IP协议的虚拟互连网络，简称为IP网

优点：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节

3.分类的IP地址

IP地址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32bit的标识符

ICANN进行分配

两级IP地址 IP地址=：：{<网络号>,<主机号>}

IP地址的重要特点

构成超网l无分类编址

4.IP地址转发分组的流程

路由表的内容

（目的网络地址，下一跳地址）

查找路由表

特定主机路由

默认路由

采用默认路由减少路由表占用的空间和搜索路由表所用的时间

分组转发算法

1.从数据报首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址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,否则间接交付。

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。

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

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。

6.否则报告转发分组出错

5.IP数据报格式

首部+数据

子主题

6.IP地址和MAC地址

在分层协议栈中的位置

TCP报文：首部+运输层数据

IP数据报：（IP地址→IP数据报的首部）+网络层数据

MAC帧：（MAC地址→MAC帧首部）+链路层IP数据报+尾部

地址解析协议 ARP ：IP地址 →ARP地址解析协议→MAC地址

I作用

IP地址：

4.子网的划分三级IP地址

IP地址：：={<网络号>,<子网号>,<主机号>}

划分子网只是把 IP 地址的主机号 host-id 这部分进行再划分，而不改变 IP 地址原来的网络号 net-id。

子网划分

IP地址：：={<网络前缀>,<主机号>}

斜线记法：IP地址+/网络前缀

CIDR把连续的IP地址组成CIDR地址块

4.无分类编址 CIDR

变长子网掩码VLSM

→无分类编址：无分类域间路由选择

网络前缀

CIDR使用各种长度的“网络前缀”来代替分类地址中的网络号和子网号

路由聚合

一个CIDR地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合称为路由聚合（构成超网）使得路由表中的一个项目可以表示很多个原来传统分来地址的路由

路由聚合有利于减少路由器之间的路由选择信息的交换，从而提高了整个互联网的交换性能

仍然使用“掩码”，例如/20地址块，掩码是20个连续的1

最长前缀匹配

使用CIDR时，路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能惠得到不止一个匹配结果。

应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀路由——最长前缀匹配/最长匹配/最佳匹配

网络前缀越长，其地址块越小，因而路由就越具体。

5.网络层配套协议

网际控制报文ICMP

允许主机/路由器报告差错情况和提高有关异常情况的报告

ICMP报文装在IP数据报中，作为其中的数据部分，是IP层的协议

报文种类

ICMP差错报告报文

终点不可达

时间超时

参数问题

改变路由（重定向）

ICMP询问报文

回送请求/回答报文

时间戳请求和回答报文

路由选择协议RIP

常用路由算法

洪泛法flooding

最短路径算法

距离矢量算法RIP

链路状态算法 OSPF

最佳路由

分层次的路由选择协议

自治系统AS Autonomous Syetem

在单一技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由选择协议用以确定分组在AS之间的路由

路由协议分类

内部网关协议IGP interior gateway protocol

自治系统AS内使用，目前有使用的协议

RIP ：选路信息协议

OSPF：开放路径最短优先

外部网关协议EGP

目的主机与源主机处在不同的自治系统AS中工作，目前使用的协议

BGP协议

网络互连设备网络层：路由器

路由算法

全局/分布式

全局选路算法

分布式选路算法

静态/动态

静态非自适应算法

动态自适应算法

负载敏感度