计算机网络概述

计算机网络技术知识概述，尽力描绘出各部分的关系。第一张是综述全部内容，后面两张是综述的一部分。 如需知识梳理或交流，可联系Q：394722384，注明来意。

计算机网络

计算机网络基础

定义

相互连接、自主的计算机的集合

构成要素

主机hosts

交换节点switches/中间节点nodes

链路links

在相邻节点之间传输数据的路径

网络应用applications

协议protocols

网络实体之间的通信规则

基本需求

可扩展的连通性(Scalable connectivity)

可以为直接或间接的连通

可扩展：以合理的开销，支持系统增长到任意大规模

成本合算的资源共享(Cost-effective resource sharing)

支持共性服务(Support for common services)

协议

语法：消息字段的组织 语义：消息字段的取值含义 规则：时序及逻辑

数据链路层 网络连通性

连通方式

直接连通

点到点、多路接入、租用专线

物理妹纸(媒质)或逻辑通道

点到点可靠传输 怎么办？ ---ARQ自动重发请求

确认、超时、重传

停止等待，效率低

进阶

滑动窗口

确认： 逐帧确认和累积确认

帧丢确认 ： 重复确认、负面确认、选择性确认(复杂)

重传： 回退N帧重传和选择性重传

防回绕：帧序号k，2^k需大于两窗

时序图

多路接入

冲突

解决：媒体多路接入MAC

MAC

协议分类：信道分割（如TDMA、FDMA）、 随机接入（CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA）、 轮转（令牌环、FDDI、蓝牙）

以太网的MAC协议

以太网特点： CSMA/CD 无连接、不可靠

以太网的帧：注意其MAC地址（48位）

单播唯一固定 广播全1，多播首位1

共享式以太网

链路上的帧：选择性接收

帧传输冲突 解决：CSMA/CD

特点：载波侦听和冲突检测

算法：见缝插针（没人就马上，有人就伺机） 感觉有人说话，立即瞎说一通，指数回退定时器，16次不行就算了

无线局域网(802.11)的MAC协议

问题：隐藏节点和暴露节点 解决：CSMA/CA

CSMA/CA

传输前”控制帧“交换 停止等待算法，一帧一帧来

发方：信道空闲，开始传 信道忙，启动定时器，忙碌就按兵不动，闲着计时，到点发然后再定时。 收方：收到无错误，ack

控制帧：RTS（我要发啦）、CTS（你发吧）

CTS覆盖范围要专心，其他人别吭声 RTS覆盖但CTS没有覆盖，你说你的

基础设施和自组织

间接连通

特点：通过节点

方式：电路交换、分组交换

电路交换 占用固定

分组交换： 存储转发

可应对突发性

数据报交换

交换机独立转发各数据包

虚电路交换

两队输入端口和虚电路号 允许不同端口复用虚电路号

采用交换表

源路由

网络设计采用 分层次模块化

为什么 灵活简便

模式

平铺式

分层式

中间层 为妹纸(媒质)提供传输服务的抽象表示

网络架构

Internet四层架构

TCP/IP协议族 四层

网络性能

容量、时延

吞吐量

由于协议限制， 不可能达到链路带宽

带宽是链路全速运行每秒传输的比特数

分组流吞吐量 某路最小值

网络吞吐量 输出之和

传输时序 传输时延

分组交换

时序里看吞吐量

时延带宽积

管道满载： 带宽×RTT

传输层、应用层 网关

传输网关、应用网关

网络层 路由器

建立路由表、查找转发表、转发 基于IP

物理层 集线器、中继器

信号放大复制转发

中继器可再生信号

应用层

HTTP

基于TCP 无状态

DNS 域名解析

域名映射成IP地址和端口号

域名层次空间

鱼的记忆：

NAT地址转换 私有地址到全网唯一IP地址

合租一间

路由器维护NAT转换表

外面怎么找进来： 静态配置（来访者都给我）、 通用即插即用（我当一天主人）、 中继（咱外面细说）

传输层

端到端协议

UDP

面向消息、无连接

在IP基础上复用 端口号

短平快、但马大哈

TCP

面向连接：三次握手四次挥手

全双工

端口

可靠传输：滑动窗口

改进算法

序号不能回绕、keep the pipe full

什么时候传：触发条件

问题：如何保证实时性、窗口利用率高？

满MSS、应用进程触发、定时期满 以及Nagle改进

Nagle：有人成功了，咱不等了赶紧去

超时重传问题

如何估计Timeout：采样权值以及改进：

TCP不再是点到点 RTT情况复杂

重传第一个RTT不测，超时值加倍

快速重传：三次重复

拥塞控制

控制发送窗口

通告窗口

通告收方剩余缓存大小

拥塞窗口

拥塞阈值

AIMD 加性增加/乘性减少

慢启动

乘兴增加/达阈值加性增加 阈值加性动 超时阈值半，拥塞窗从头开始

应用于：TCP连接开始和发生粗粒度超时

快速恢复

拥塞窗减半，加性增加

互联网络 网络层

将异构网络互相连接

网际协议：IP

服务模型

尽力交付

数据报交换：无连接

编址方式：32位构成=网络号+主机号

ABC类 0~127，主机24位 128~191，主机16位 192~223，主机8位 D类224~239多播

全一广播、全零是网络号

在此基础上，做子网划分，灵活变长 IP地址与子网掩码相与，就是子网号

子网应当距离很近

同一个子网，子网号相同。 不同的子网，掩码可以相同

CIDR原理类似

CIDR无类别域间路由

数据报模型

一个分组构成

源主机发标准MTU， 超出了链路中最大传输单元MTU 路由器将IP数据报分片、目的主机重组

数据报传输 存储转发

主机查dst网络号，本网直接转，外网走default路由 路由器：dst网我有，出；查表吓一跳；都无就default出

查表：最长前缀匹配

IP的辅助协议

ARP

IP地址有了，但是数据要MAC地址才能送到

为什么IP地址送不到？

局域网里维护一个IP和MAC映射表 要是表里没得，喊一嗓子，让他主动现形

DHCP

能够动态配置进入范围的主机的IP地址

有朋自远方来

ICMP

规定时间内没泡到地方，路由给主机报信

ipv6

地址128bit

ipv4扩展成ipv6

前缀0

路由聚合问题

路由

怎么去

控制层面

根据协议分类

域内路由IGP 域间路由EGP

两层结构Internet路由

距离向量（如RIP） 链路状态（OSPF、IS-IS）

距离向量：乡村版路由 问题：坏消息跑得慢(无穷计数) 解决：采用小值代表∞、水平分割(别转发我的)

UDP

我们做题所有节点一个全局表

更新：周期、路径变化 开销：链路开销为1，超过16就是∞

链路状态：城市版路由，全网告知 问题：流量负荷重

IP

我们做题对一个节点的证实表和临时表

更新：周期、添加节点、节点失效（周期hello维护）

两级分层路由

边界路由器（OSPF+BGP） 主干网路由器(OSPF) 区边界路由器(班委接头) 内部路由器

链路状态不出区

路径向量 (BGP)

AS之间

TCP

基于策略

商业

可达胜于最优

AS层面的路由信息交换

周期性确认有效

多播路由

D类地址

路由器建立了多播转发表

多播路由协议

源特定树

DVMRP

逆向路径多播 剪枝嫁接

共享树

MPLS

多协议标记交换 像虚电路一样的标签

移动IP

本地代理转交给外地代理

三角形，改进：第三条边

要解决的问题

编码

NRZ 到NRZI逢一跳变， 或曼彻斯特编码NRZ和CLK异或

成帧

差错检测

二维奇偶校验

缉查

循环冗余校验CRC

k阶生成多项式 源码移位k模二除，得余数 移位加余数得结果

数据链路层 交换机

存储转发以太网帧

即插即用

网 桥

基本网桥，大嘴巴

学习型网桥

如何学：留下买路钱

输出： 转发表有输出条目，选择性输出 无输出条目，洪泛

超时： 鱼的记忆

生成树算法 避免回环

开始自以为是， 根外有根，又没指派就闭嘴 有机会就夺权

根网桥、网段指派网桥

以太网交换机

转发表 目的主机MAC地址、可达端口、时间戳

如何生成： 自学习

网卡

有自己的mac地址 属于链路层设备

关键词 计算机（通信终端）、 网络（相互连通）

物理层：原始比特 数据链路层：网络接口数据帧 网络层：主机数据包 传输层：进程 会话层：会话管理、接入控制、消息同步 表示层：不同表达形式的数据转换 应用层：用户服务

分层思想把网络系统分成了不同的实体， 每个实体的功能仅依赖于底层实体所提供的服务

与其他通信网络的区别

通用性

支持多样的应用

互联网络

网际协议：IP

服务模型

尽力交付

数据报交换：无连接

编址方式：32位构成=网络号+主机号

ABC类 0~127，主机24位 128~191，主机16位 192~223，主机8位 D类224~239多播

全一广播、全零是网络号

在此基础上，做子网划分，灵活变长 IP地址与子网掩码相与，就是子网号

子网应当距离很近

同一个子网，子网号相同。 不同的子网，掩码可以相同

CIDR原理类似

CIDR无类别域间路由

数据报模型

一个分组构成

超出了链路中最大传输单元MTU 就需要源主机IP数据报分片、目的主机重组

数据报传输

主机查dst网络号，本网直接转，外网走default路由 路由器：dst网我有，出；查表吓一跳；都无就default出

查表：最长前缀匹配

IP的辅助协议

ARP

IP地址有了，但是数据要MAC地址才能送到

为什么IP地址送不到？

局域网里维护一个IP和MAC映射表 要是表里没得，喊一嗓子，让他主动现形

DHCP

能够动态配置进入范围的主机的IP地址

有朋自远方来

ICMP

规定时间内没泡到地方，路由给主机报信

ipv6

地址128bit

ipv4扩展成ipv6

前缀0

路由聚合问题

路由

怎么去

控制层面

根据协议分类

域内路由IGP 域间路由EGP

两层结构Internet路由

距离向量（如RIP） 链路状态（OSPF、IS-IS）

距离向量：乡村版路由 问题：坏消息跑得慢(无穷计数) 解决：采用小值代表∞、水平分割(别转发我的)

我们做题所有节点一个全局表

更新：周期、路径变化 开销：链路开销为1，超过16就是∞

链路状态：城市版路由，全网告知 问题：流量负荷重

我们做题对一个节点的证实表和临时表

更新：周期、添加节点、节点失效（周期hello维护）

两级分层路由

边界路由器（OSPF+BGP） 主干网路由器(OSPF) 区边界路由器(班委接头) 内部路由器

链路状态不出区

路径向量 (BGP)

AS之间

基于策略

商业

可达胜于最优

AS层面的路由信息交换

周期性确认有效

多播路由

D类地址

路由器建立了多播转发表

多播路由协议

原特定树

DVMRP

逆向路径多播 剪枝嫁接

共享树

MPLS

多协议标记交换 像虚电路一样的标签

移动IP

本地代理转交给外地代理

三角形，改进：第三条边

连接不同类型的网络

节点：路由器

网络异构性，且可扩展性

网络太多，路由器记不过来

CIDR聚合，连载一起的，本路由器一视同仁

传输层

端到端协议

UDP

面向消息、无连接

在IP基础上复用 端口号

短平快、但马大哈

TCP

面向连接：三次握手四次挥手

全双工

端口

可靠传输：滑动窗口

改进算法

序号不能回绕、keep the pipe full

什么时候传：触发条件

满MSS、应用进程触发、定时期满

超时重传问题

RTT如何估计：采样权值以及Nagle改进

Nagle：有人成功了，咱不等了赶紧去

快速重传：三振出局

流量控制、拥塞控制

通告窗口

拥塞窗口

应用层

HTTP

DNS 域名解析

NAT地址转换