计算机网络学习笔记

 一、三种交换方式：电路交换、报文交换和分组交换的优缺点比较

二、计算机网络的定义和分类

        计算机网络的较好的定义是:计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某-特定目的(例如，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

• 计算机网络所连接的硬件，并不限于- -般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件。
• 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用(包括今后可能出现的各种应用)。

三、计算机网络性能指标 

例题：

四、计算机网络体系结构

 

 

 习题

五、物理层

（1）物理层的基本概念

（2）物理层下的传输媒体

（3）传输方式

（4）编码与调制

（5）信道的极限容量

例题

1. 

2.

3.

  

 4.

六、数据连路层

（1）数据链路层的概述

• 链路(Link) 就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换结点。
• 数据链路(Data Link)是指把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
• 数据链路层以帧为单位传输和处理数据。
• 使用点对点信道的数据链路层
  • 三个重要问题:封装成帧、差错检测、可靠传输
• 使用广播信道的数据链路层
  • 共享式以太网的媒体接入控制协议CSMA/CD
  • 802.11 局域网的媒体接入控制协议CSMA/CA
• 数据链路层的互连设备
  • 网桥和交换机的工作原理
  • 集线器(物理层互连设备)与交换机的区别

（2）封装成帧

 

（3）差错检测

①奇偶校验

②CRC

CRC举例

（4）可靠传输   

①基本概念

②可靠传输的实现机制——停止 - 等待协议SW

例题：

③GBN（回退N帧协议） 

例题：

④SR（选择重传协议）

例题：

（5）点对点协议PPP

 

 

 

（6）媒体接入控制

        ①基本概念 

②静态划分信道

习题：

• 
• 
• 

③动态接入控制-随机接入-CSMA/CD协议（总线局域网使用）

习题：

④动态接入控制-随机接入-CSMA/CA协议（无线局域网使用）

 帧间间隔IFS 

CSMA/CA工作原理

源站为什么在检测到信道空闲后还要再等待一段时间DIFS?
        就是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。若有,就要让高优先级帧先发送。

目的站为什么正确接收数据帧后还要等待- -段时间SIFS才能发送ACK帧?
        SIFS是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。在这段时间内，一个站点应当能够从发送方式切换到接收方式。

信道由忙转为空闲且经过DIFS时间后，还要退避一段随机时间才能使用信道?

        防让多个站点同时发送数据而产生碰撞封

退避算法：

退避算法举例：

 

CSMA/CA协议的信道预约和虚拟载波监听

• 为了尽可能减少碰撞的概率和降低碰撞的影响，802.1 1标准允许要发送数据的站点对信道进行预约。
  • (1)源站在发送数据帧之前先发送-个短的控制帧，称为请求发送RTS(Request To Send),它包括源地址、目的地址以及这次通信(包括相应的确认帧)所需的持续时间。
  • (2)若目的站正确收到源站发来的RTS帧，且媒体空闲,就发送一个响应控制帧，称为允许发送CTS(Clear To Send),它也包括这次通信所需的持续时间(从RTS帧中将此持续时间复制到CTS帧中)。
  • (3)源站收到CTS帧后，再等待一段时间SIFS后,就可发送其数据帧。
  • (4)若目的站正确收到了源站发来的数据帧，在等待时间SIFS后，就向源站发送确认帧ACK。
• 除源站和目的站以外的其他各站，在收到CTS帧(或数据帧)后就推迟接入到无线局域网中。这样就保证了源站和目的站之间的通信不会受到其他站的干扰。
• 如果RTS帧发生碰撞，源站就收不到CTS帧，需执行退避算法重传RTS帧。
• 由于RTS帧和CTS帧很短，发送碰撞的概率、碰撞产生的开销及本身的开销都很小。而对于- -般的数据帧，其发送时延往往大于传播时延(因为是局域网) ,碰撞的概率很大，且一旦发生碰撞而导致数据帧重发,则浪费的时间就很多，因此用很小的代价对信道进行预约往往是值得的。802.11标准规定 了3种情况供用户选择:
  • 使用RTS帧和CTS帧
  • 不使用RTS帧和CTS帧
  • 只有当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS帧和CTS帧
• 除RTS帧和CTS帧会携带通信需要持续的时间，数据帧也能携带通信需要持续的时间，这称为802.11的虚拟载波监听机制。
• 由于利用虚拟载波监听机制，站点只要监听到RTS帧、CTS帧或数据帧中的任何一个，就能知道信道被占用的持续时间，而不需要真正监听到信道上的信号，因此虚拟载波监听机制能减少隐蔽站带来的碰撞问题。
• 

总结：

习题：

 

⑤MAC地址

地址格式：

 表示方法：

发送顺序

⑥IP地址

习题：

⑦地址解析协议ARP

⑧交换机和集线器的区别

集线器

交换机

 区别：

⑨以太网交换机自学习和转发帧的过程

习题：

⑩以太网交换机的生成树协议STP 

11.虚拟局域网VLAN

概述 

实现机制： 

七、网络层

（1）概述

(2)网络层的两种服务

①面向链接的虚电路服务

②无连接的数据报服务

③虚电路服务与数据包服务比较

（3）IPv4地址

      

        ①概述

        ②分类编址的IPv4地址

习题

③划分子网的IPv4

习题

④无分类编址的IPv4地址

习题

⑤IPv4地址的应用规划

 习题

定长：

（4）IP数据报的发送和转发过程

习题

（5）静态路由配置及其可能产生的路由环路问题

（6）路由选择协议概述

（7）路由信息协议RIP的基本工作原理 

习题

 （8）开放最短路径优先的OSPF的基本工作原理

 （9）边界网关协议BGP的基本工作原理

习题

（10）IPv4数据报的首部格式

习题

 分片

（11）ICMP网际控制报文协议

ICMP差错报告报文种类-终点不可达：

ICMP差错报告报文种类-源点抑制

ICMP差错报告报文种类-时间超过 

ICMP差错报告报文种类-参数问题 

ICMP差错报告报文种类-改变路由 

ICMP询问报文 

ICMP应用举例

习题

 （12）虚拟专用VPN与网络地址转换NAT

八、运输层

（1）概述

  

（2）运输层端口号、复用与分用的概念

端口号概述

发送方的复用和接收方的分用

TCP/IP体系的应用层常用协议所使用的运输层熟知端口号 

（3）UDP和TCP的对比

  （4）TCP流量控制

 

习题

（5）TCP的拥塞控制

 

慢开始

 拥塞避免

快重传

快恢复

 

习题

（6）TCP超时重传时间的选择 

（7）TCP可靠传输的实现 

 习题   

（8）TCP的运输连接管理-TCP的连接建立

• 发送针对TCP连接请求的确认是否多余？（为什么TCP客户进程最后还要发送一个普通的TCP确认报文段呢，是否多余？）
  • 不多余!这是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了TCP服务器，因而导致错误。

TCP“三报文握手”建立连接的基本过程 

•  第一次握手
  • SYN=1，表明这是TCP连接请求报文段；
  • 序号字段seq被设置了一个初始值x，作为TCP客户进程所选择的初始序号
• 第二次握手
  • 同步位SYN和确认位ACK都设置为1，表明这是一个TCP连接请求确认报文段
  • 序号字段seq被设置了一个初始值y,作为TCP服务进程所选择的初始序号
  • 确认号字段ack的值被设置成了x+1，这是对TCP客户进程所选择的初始序号的确认
• 第三次握手
  • 确认位ACK都设置为1，表明这是一个普通的TCP确认报文段
  • 序号字段seq被设置成x+1，这是因为TCP客户进程发送的第一个TCP报文段的序号为x,并且不携带数据
  • 确认号字段ack的值被设置成了y+1,这是对TCP服务器进程所选择的出书序号的确认

 

 习题 

（9） TCP的运输连接管理-TCP的连接释放

TCP通过“四报文挥手”来释放连接

• 第一次挥手（TCP客户端发送TCP连接释放）
  • 终止位FIN和确认位ACK都设置为1，表明这是一个TCP连接释放报文段，同时也对之前收到的报文段进行确认
  • 序号seq字段的值设置为u，它等于TCP客户进程之前已传送过的数据的最后一个字节的序号加1
  • 确认号ack字段的值设置为v，它等于TCP客户进程之前已收到的数据的最后一个字节的序号加1
• 第二次挥手（TCP服务器发送TCP普通确认）
  • 确认位ACK都设置为1，表明这是普通的TCP确认报文段
  • 序号seq字段的值设置为v,它等于TCP服务器进程之已传送过的数据的最后个字节的序号加1，这也与之前收到的TCP连接释放报文段中的确认号匹配。
  • 确认号ack字段的值设置为u+1,这是对TCP连接释放报文段的确认
• 第三次挥手（TCP服务器发送TCP连接释放）
  • 终止位FIN和确认位ACK都设置为1，表明这是一个TCP连接释放报文段，同时也对之前收到的报文段进行确认
  • 序号seq字段的值设置为w,因为服务器为半关闭的情况下可能还要传送一些数据
  • 确认号ack字段的值设置为u+1，这是对TCP连接释放报文段的重复确认
• 第四次挥手（TCP客户机发送TCP普通确认）
  • 确认位ACK都设置为1，表明这是普通的TCP确认报文段
  • 序号seq字段的值设置为u+1,这是因为TCP客户进程之前发送的TCP连接释放报文段虽然不携带数据,但要消耗一个序号
  • 确认号ack字段的值设置为w+1,这是对所收到的TCP连接释放报文段的确认。

(10) TCP报文段的首部格式

 

• 源端口:占16比特，写入源端口号，用来标识发送该TCP报文段的应用进程。
   
• 目的端口:占16比特, 写入目的端口号，用来标识接收该TCP报文段的应用进程。
   
• 序号:占32比特，取值范围[0, 2- 1],序号增加到最后一个后,下一个序号就又回到0。指出本TCP报文段数据载荷的第一个字节的序号。
   
• 确认号:占32比特，取值范围[0, 22 1],确认号增加到最后- -个后，下一个确认号就又回到0。指出期望收到对方下一个TCP报文段的数据载荷的第一个字节的序号， 同时也是对之前收到的所有数据的确认。
   
• 确认标志位ACK:取值为1时确认号字段才有效;取值为0时确认号字段无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的TCP报文段都必须把ACK置1。
   
• 同步标志位SYN:在TCP连接建立时用来同步序号。
   
• 终止标志位FIN:用来释放TCP连接。
   
• 复位标志位RST:用来复位TCP连接。
  当RST=1时，表明TCP连接出现了异常，必须释放连接，然后再重新建立连接。
  RST置1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个TCP连接。
   
• 推送标志位PSH:接收方的TCP收到该标志位为1的报文段会尽快.上交应用进程,
  而不必等到接收缓存都填满后再向上交付。
   
• 紧急标志位URG:取值为1时紧急指针字段有效;取值为0时紧急指针字段无效。
  
  紧急指针:占16比特，以字节为单位，用来指明紧急数据的长度。
  
  当发送方有紧急数据时，可将紧急数据插队到发送缓存的最前面，并立刻封装到-个TCP报文段中进行发送。紧急指针会指出本报文段数据载荷部分包含了多长的紧急数据，紧急数据之后是普通数据。
   
• 数据偏移:占4比特，并以4字节为单位。用来指出TCP报文段的数据载荷部分的起始处距离TCP报文段的起始处有多远。这个字段实际。
  
  上是指出了TCP报文段的首部长度。
  首部固定长度为20字节，因此数据偏移字段的最小值为0101B
  首部最大长度为60字节，因此数据偏移字段的最大值为1111B
   
• 窗口:占16比特,以字节为单位。指出发送本报文段的一方的接收窗口。
  窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。
  这是以接收方的接收能力来控制发送方的发送能力，称为流量控制。
   
• 校验和:占16比特,检查范围包括TCP报文段的首部和数据载荷两部分。
  在计算校验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。
   
• 
  
   
• 填充:由于选项的长度可变，因此使用填充来确保报文段首部能被4整除
  (因为数据偏移字段，也就是首部长度字段，是以4字节为单位的)

九、应用层 

（1）客户/服务器（C/S）方式和对等方式（P2P方式）  

客户/服务器（C/S）方式 

 对等方式（P2P方式）

（2）动态主机配置协议DHCP 

 

 工作过程

DHCP中继代理

（3）域名系统DNS 

• 因特网是否可以只使用一台DNS服务器?
  • 这种做法并不可取。因为因特网的规模很大，这样的域名服务器肯定会因为超负荷而无法正常工作，而且一日域名服务器出现故障，整个因特网就会瘫痪。
  • 早在1983年，因特网就开始采用层次结构的命名树作为主机的名字(即域名)，并使用分布式的域名系统DNS。
    
    DNS使大多数域名都在本地解析，仅少量解析需要在因特网上通信，因此系统效率很高。
    
    由于DNS是分布式系统，即使单个计算机出了故障，也不会妨碍整个系统的正常运行。
• DNS报文使用运输层的UDP协议进行封装，运输层端口号为53
   

 域名服务器可以划分为四种不同的类型

  

域名解析的过程

习题

 (4)文件传输协议FTP

FTP的基本工作原理 

习题

 

（5）电子邮件 

发送和接收过程 

简单邮件传送协议SMTP的基本工作原理 

 

电子邮件的信息格式 

多用途因特网邮件扩展MIME

 常用的邮件读取协议

 基于万维网的电子邮件

习题

 

 

（6）万维网WWW 

HTTP请求报文格式 

 

 HTTP响应报文格式 

 

 使用Cookie在服务器上记录用户信息

 

万维网缓存与代理服务器

         若Web缓存的命中率比较高，则大大减少了该链路上的通信量，从而减少了访问因特网的时延

 

 

习题