计算机网络（深夜的路边/牢杨）

第一章概述

1. 互联网组成部分

按工作方式划分：

部分	组成	功能
边缘部分	由所有连接在互联网上的主机组成	用户直接使用，用于通信和资源共享
核心部分	由大量网络和连接这些网络的路由器组成	为边缘部分提供服务，提供连通性和交换

2. 分组交换的要点

分组交换（采用存储转发技术）：

在发送端，将报文分为较短的、固定长度的数据段
每个数据段前加上首部构成分组
分组交换网以”分组”作为数据传输单元
依次发送
接收端接收后剥去首部，恢复为原来的报文

优点：

高效：在传输过程中动态分配带宽，提高通信链路利用率
灵活：每个分组独立选择转发路由
迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠：保证可靠性的网络协议，具有完善的网络生存性

3. 网络协议三要素

语法：数据与控制信息的结构或格式
语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应（含义和目的）
同步：事件实现顺序的详细说明（时序关系）

4. 网络中主要性能指标

各指标含义及产生位置：

指标	含义
速率	数据传输速率，单位b/s
带宽	信道具有的频带宽度，在课程中指单位时间内网络中某信道所能通过的最高数据率
吞吐量	单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，受带宽或速率限制
时延	数据（一个报文或分组、比特）从网络的一端传送至另一端所需时间

时延的组成：

发送时延 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)
传播时延 = 信道长度(m) / 信道传播速率(m/s)
排队时延：分组在路由器输入队列中排队等待处理的时间
处理时延：路由器处理分组所花费的时间

其他指标：

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽
往返时间RTT：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间
信道利用率：信道有百分之几的时间被利用
网络利用率：全网络信道利用率的加权平均值

5. 体系结构的概念、标准

体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。

OSI七层模型与TCP/IP四层模型、五层协议对比：

OSI七层	TCP/IP四层	五层协议
应用层	应用层	应用层
表示层	（各种应用层协议如DNS）
会话层
运输层	运输层(TCP/UDP)	运输层
网络层	网际层IP	网络层
数据链路层	网络接口层	数据链路层
物理层	（无具体内容）	物理层

第二章物理层

1. 物理层接口特性

机械特性：接口所用接线器的尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等
电气特性：各条线上出现的电压的范围
功能特性：某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2. 奈氏准则

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud

W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹(Hz)
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元
Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元

3. 物理传输介质

传输媒体分类：

导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播
- 双绞线
- 同轴电缆
- 光纤
非导引型传输媒体：自由空间中的无线传输

4. 基本的带通调制方法

三种基本调制方式：

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化

计算示例： 在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是？

信号状态数 = 4 × 4 = 16
每个码元携带 $\log_2 16 = 4$ bit
最高码元传输速率 = 2W = 2 × 3000 = 6000 Baud
最大数据传输速率 = 6000 × 4 = 24000 bps = 24 kbps

5. 信道复用技术

复用技术	特点
频分复用(FDM)	所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（注意：这里的”带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）
时分复用(TDM)	将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙，可能造成资源浪费
统计时分复用(STDM)	不是固定分配时隙，而是按需分配时隙
波分复用(WDM)	光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号
码分复用(CDMA)	各用户使用经过特殊挑选的不同码型，彼此不会造成干扰，有很强的抗干扰能力

第三章数据链路层

1. PPP协议及其透明传输

透明传输的实现：

同步传输：比特填充法（连续的5个1后面补1个0）
异步传输：字符填充法

字符填充法：

将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列（0x7D, 0x5E）
若信息字段中出现一个0x7D的字节，则将其转变成为2字节序列（0x7D, 0x5D）
若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变

PPP协议的组成部分：

一个将IP数据报封装到串行链路的方法
链路控制协议LCP（Link Control Protocol）
网络控制协议NCP（Network Control Protocol）

PPP协议应满足的需求：

简单（首要要求）
封装成帧
透明性
多种网络层协议
多种类型链路
差错检测
检测连接状态
最大传送单元MTU
网络层地址协商
数据压缩协商

PPP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帧格式：

| 标志 | 地址 | 控制 | 协议 | 信息部分 | FCS | 标志 |
|------|------|------|------|----------|-----|------|
| 0x7E | 0xFF | 0x03 | 2字节 | ≤1500字节 | 2字节 | 0x7E |

PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。

2. 局域网的特点

最主要的特点：

网络为一个单位所拥有
地理范围和站点数目均有限

拓扑类型： 星形网、环形网、总线网

3. CSMA/CD协议

工作过程： 先听后发、边听边发、冲突停止、等待重发

重要特性：

只能进行半双工通信
每个站在发送数据后的一小段时间内存在遭遇碰撞的可能性，这种不确定性使整个以太网的平均通信远小于以太网的最高数据率

争用期：

以太网端到端往返时延2τ称为争用期或碰撞窗口
经过争用期这段时间还没检测到碰撞，才能肯定这次发送不会碰撞
对于10Mbit/s以太网在争用期内可发送512bit，即64字节（2τ=51.2μs）

最短帧长： 以太网规定最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧

计算示例：

题目1： 假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s，设信号在网络上的传播速度为200000km/s，能够使用此协议的最短帧长是多少字节？

传播时延 = 1km / 200000km/s = 5×10⁻⁶s = 5μs
往返时延 = 2τ = 10μs
最短帧长 = 1Gbit/s × 10μs = 10000bit = 1250字节

题目2： 某局域网采用CSMA/CD协议实现介质访问控制，数据传输速率为10Mbit/s，主机甲和主机乙之间的距离为2km，信号传播速度是200000km/s。

(1) 若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突，则从开始发送数据时刻起，到两台主机均检测到冲突时刻止，最短需经多长时间？最长需经过多长时间？

最短：2km / 200000km/s = 1×10⁻⁵s = 0.01ms
最长：2 × 2km / 200000km/s = 2×10⁻⁵s = 0.02ms

(2) 若网络不存在任何冲突与差错，主机甲总是以标准的最长以太网数据帧（1518B）向主机乙发送数据，主机乙每成功收到一个数据帧后立即向主机甲发送一个64B的确认帧，主机甲收到确认帧后方可发送下一个数据帧。此时主机甲的有效数据传输速率是多少？

发送数据帧所需时间：1518B / 10Mbit/s = 1.2144ms
发送确认帧所需时间：64B / 10Mbit/s = 0.0512ms
往返时延：2 × 2km / 200000km/s = 0.02ms
总时延 = 1.2144 + 0.0512 + 0.02 = 1.2856ms
有效数据传输速率 = 1500B / 1.2856ms = 9.33Mbit/s

4. 以太网的MAC地址

定义： 在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址

MAC帧各字段：

源地址、目的地址：各6个字节
类型：2字节，用来标志上一层使用的是什么协议
数据字段：长度46~1500字节（46=最短帧长64-18字节首部和尾部），当数据字段<46字节时，会有填充字段
FCS字段：使用CRC算法检测错误

MTU： MAC帧数据字段最大值1500字节

最大帧长： MTU加上首部尾部长度 = 1500 + 18 = 1518字节

5. VLAN的特点

VLAN不是新的技术，是交换机的应用，它能够分割广播域。

虚拟局域网（VLAN）技术的主要优点：

改善了性能
简化了管理
降低了成本
改善了安全性

第四章网络层

1. 网络互联的概念

网络互联都是用路由器进行网络互联和路由选择，利用IP协议。

使用的中间设备：

物理层中继系统：转发器、集线器
数据链路层中继系统：网桥、交换机
网络层中继系统：路由器
网络层以上的中继系统：网关

2. IP地址的组成和分类

IP地址组成： IP地址 = {<网络号>, <主机号>}，在互联网范围内唯一

各类IP地址：

类别	网络号	主机号	范围
A类	8位	24位	1.0.0.0 ~ 126.255.255.255
B类	16位	16位	128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
C类	24位	8位	192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
D类	多播地址		224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
E类	保留		240.0.0.0 ~ 255.255.255.255

IP地址辨认练习：

128.36.199.3 → B类
21.12.240.17 → A类
192.12.69.248 → C类
89.3.0.1 → A类
230.3.6.2 → D类

配套协议： ICMP、IGMP、ARP

3. CIDR（无分类域间路由选择）

定义： 消除了传统的A、B、C分类以及划分子网的概念

网络前缀： IP地址 = {<网络前缀>, <主机号>}，网络前缀的位数n不固定

地址块： CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成地址块

地址表示含义：

128.14.35.7/20：是IP地址，同时指明了网络前缀为20位
128.14.32.0/20：是包含有多个IP地址的地址块，同时也是这个地址块中主机号为全0的IP地址
128.14.35.7：是IP地址，但未指明网络前缀长度，不知道其网络地址
128.14.32.0：不能指明一个网络地址，因为无法知道网络前缀是多少

特殊地址：

网络前缀长度	点分十进制	说明
/32	255.255.255.255	就是一个IP地址，用于主机路由
/31	255.255.255.254	只有两个IP地址，用于点对点链路
/0	0.0.0.0	同时IP地址也是全0，用于默认路由

地址掩码（子网掩码）： 可以找出IP地址中的网络号部分，长度32位

A类地址默认：255.0.0.0
B类地址默认：255.255.0.0
C类地址默认：255.255.255.0

网络地址计算： IP地址 AND 地址掩码 = 网络地址

4. IP数据报格式

首部前一部分长度固定20字节：

 0                   16                  31
+-------------------+-------------------+
|  版本 | 首部长度 | 区分服务 | 总长度  |
+-------------------+-------------------+
|    标识           | 标志 |  片偏移    |
+-------------------+-------------------+
| 生存时间 | 协议   |   首部检验和      |
+-------------------+-------------------+
|              源地址                   |
+-------------------+-------------------+
|             目的地址                  |
+-------------------+-------------------+
|         可选字段（长度可变）          |
+-------------------+-------------------+

各字段含义：

版本：IPv4，所以值为4
标志：
- MF = 1表示后面还有分片，反之表示为最后一个分片
- DF = 0表示可以分片
协议：指出此数据报携带的数据使用何种协议
首部检验和：只检验数据报的首部

5. ARP协议

定义： 地址解析协议，完成主机或路由器IP→MAC的映射，解决下一跳走哪的问题

作用： 从网络层的IP地址解析出数据链路层使用的硬件地址

工作过程：

检查ARP高速缓存，有对应项则写入MAC帧
无对应项，则用目的MAC为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组
目的主机收到后向源主机单播一个ARP响应分组
将映射写入高速缓存

IP地址与MAC地址的区别：

MAC地址（或物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址
IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（用软件实现）

6. ICMP报文类型

1. 差错报文（4种）：

终点不可达
时间超过
参数问题
重定向

2. 询问报文：

回送请求和回答报文
时间戳请求和回答报文

应用：

差错报告、拥塞控制、流量控制
PING：测试连通性
Traceroute：跟踪一个分组从源点到终点的路径

7. IGMP作用

让连接在本地局域网上的多播路由器知道本局域网上是否有主机（的进程）参加或退出了某个多播组。在IP多播时使用。

8. 路由协议分类

两大类路由选择协议：

	内部网关协议IGP	外部网关协议EGP
定义	在一个自治系统内部使用的路由选择协议	在不同自治系统之间进行路由选择时使用
常用协议	RIP、OSPF	BGP-4

自治系统AS的定义： 在单一的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。

路由协议对比：

	IGP(RIP)	IGP(OSPF)	EGP(BGP-4)
原理（基于）	距离向量	链路状态	路径向量
协议三要素	相邻路由器、所有路由	所有、相邻链路	BGP发言人、全部、变化
时间	固定间隔	变化时	变化时
传送（调用）	UDP	IP	TCP
特点	小规模	分区域	域间

RIP特点： 好消息传得快，坏消息传得慢

9. BGP协议

BGP路由： [前缀，BGP属性] = [前缀，AS-PATH, NEXT-HOP]

前缀：指明到哪一个子网（用CIDR记法表示）
BGP属性：最重要的两个属性是自治系统路径AS-PATH和下一跳NEXT-HOP

选择原则（按优先级）：

本地偏好（local preference）值最高的路由（默认值=100）
AS跳数最小的路由
使用热土豆路由选择算法（分组在AS内的转发次数最少）
路由器BGP ID数值最小的路由

10. IPv6地址格式

冒号十六进制记法： 128bit地址

零压缩： 可以省略前导零，也可以用一对冒号代替连续的零

示例：

0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 → ::128.10.2.1
12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60 → 12AB::CD30:0:0:0:0/60 或 12AB:0:0:CD30::/60

11. 专用地址、VPN、NAT

三个专用IP地址块：

10.0.0.0 ~ 10.255.255.255（A类，10.0.0.0/8，24位块）
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255（B类，172.16.0.0/12，20位块）
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255（C类，192.168.0.0/16，16位块）

VPN（虚拟专用网）： 利用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体

NAT（网络地址转换）：

需要在专用网连接到互联网的路由器上安装NAT软件
装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器
它至少有一个有效的外部全球IP地址
所有使用本地地址的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址

使用IP隧道技术的应用/协议：

IP多播
虚拟专用网VPN
IPv4向IPv6过渡

第五章运输层

1. TCP和UDP的特点

TCP（传输控制协议）：

一种面向连接的协议
提供面向连接的服务
传送的数据单位称为TCP报文段(segment)
不提供广播或多播服务
提供可靠的、面向连接的运输服务，增加了许多开销

UDP（用户数据报协议）：

一种无连接协议
提供无连接服务
在传送数据之前不需要先建立连接
传送的数据单位称为UDP报文或用户数据报
对方的运输层在收到UDP报文后，不需要给出任何确认
虽然不提供可靠交付，但在某些情况下是最有效的工作方式

2. TCP确认机制

确认号的两重含义：

对上条信息的确认，确认号是下条信息的首部字段
表示该消息包括之前的消息已经全部收到，期望收到的消息是哪条

3. TCP报文段首部格式

| 源端口 | 目的端口 |
|--------|----------|
|      序号          |
|    确认号          |
|首部偏移|保留|标志位|窗口|
|    检验和          |紧急指针|
|    选项（可变）    |填充|

各字段含义：

序号：第一字节的编号
确认号：对连续接收的最后一个字节的确认
窗口：接收方限制发送方

UDP伪首部： 在计算检验和时，临时把”伪首部”和UDP用户数据报连接在一起，伪首部仅仅是为了计算检验和

4. TCP连接建立

三次握手过程

5. TCP拥塞控制算法

拥塞窗口遇到的两种情况：

超时
3个连续的ACK

第六章应用层

1. DNS（域名系统）

作用： 把便于人们使用的域名（机器名字）转换为IP地址

解析过程：

主机向本地域名服务器采用递归查询
本地域名服务器向根域名服务器采用迭代查询

顶级域名：

国家顶级域名：.cn、.us等
通用顶级域名gTLD：
- .com（公司和企业）
- .net（网络服务机构）
- .org（非赢利性组织）
- .edu（美国专用的教育机构）
- .gov（美国专用的政府部门）
- .mil（美国专用的军事部门）
- .int（国际组织）

我国二级域名：

类别域名：.ac（科研机构）、.com（工商金融等企业）、.edu（教育机构）、.gov（政府部门）、.net（互联网络、NIC、NOC）、.org（非盈利性组织）
行政区域名：34个（省、自治区、直辖市），如.bj（北京）、.sh（上海）、.hn（湖南）、.ha（河南）、.hi（海南）

2. FTP（文件传送协议）

特点：

提供交互式的访问
允许客户指明文件的类型与格式
允许文件具有存取权限
屏蔽了各计算机系统的细节，适合于在异构网络中任意计算机之间传送文件

两个连接：

控制连接：在整个会话期间一直保持打开，FTP客户发出的传送请求通过控制连接发送给服务器端的控制进程，但控制连接不用来传送文件
数据连接：实际用于传输文件的是”数据连接”，服务器端的控制进程在接收到FTP客户发送来的文件传输请求后就创建”数据传送进程”和”数据连接”

3. 万维网（WWW）

四个问题：

怎样标志分布在整个互联网上的万维网文档？ 使用统一资源定位符URL来标志万维网上的各种文档
用何协议实现万维网上各种超链的链接？ 超文本传送协议HTTP，使用TCP连接进行可靠的传送
怎样使各种万维网文档都能在互联网上的各种计算机上显示出来？ 超文本标记语言HTML
怎样使用户能够很方便地找到所需的信息？ 使用各种搜索工具（即搜索引擎）

4. 电子邮件

四个协议两个端口号：

SMTP：发邮件，端口25
POP3、IMAP：收邮件，端口110
MIME：对SMTP的拓展

5. DHCP协议

因特网上的主机需要配置的项目：

IP地址
子网掩码
默认路由器的IP地址
域名服务器的IP地址

音乐

课程

计算机网络（深夜的路边/牢杨）

计算机网络（深夜的路边/牢杨）#

第一章 概述#

1. 互联网组成部分#

2. 分组交换的要点#

3. 网络协议三要素#

4. 网络中主要性能指标#

5. 体系结构的概念、标准#

第二章 物理层#

1. 物理层接口特性#

2. 奈氏准则#

3. 物理传输介质#

4. 基本的带通调制方法#

5. 信道复用技术#

第三章 数据链路层#

1. PPP协议及其透明传输#

2. 局域网的特点#

3. CSMA/CD协议#

4. 以太网的MAC地址#

5. VLAN的特点#

第四章 网络层#

1. 网络互联的概念#

2. IP地址的组成和分类#

3. CIDR（无分类域间路由选择）#

4. IP数据报格式#

5. ARP协议#

6. ICMP报文类型#

7. IGMP作用#

8. 路由协议分类#

9. BGP协议#

10. IPv6地址格式#

11. 专用地址、VPN、NAT#

第五章 运输层#

1. TCP和UDP的特点#

2. TCP确认机制#

3. TCP报文段首部格式#

4. TCP连接建立#

5. TCP拥塞控制算法#

第六章 应用层#

1. DNS（域名系统）#

2. FTP（文件传送协议）#

3. 万维网（WWW）#

4. 电子邮件#

5. DHCP协议#

计算机网络（深夜的路边/牢杨）

第一章概述

1. 互联网组成部分

2. 分组交换的要点

3. 网络协议三要素

4. 网络中主要性能指标

5. 体系结构的概念、标准

第二章物理层

1. 物理层接口特性

2. 奈氏准则

3. 物理传输介质

4. 基本的带通调制方法

5. 信道复用技术

第三章数据链路层

1. PPP协议及其透明传输

2. 局域网的特点

3. CSMA/CD协议

4. 以太网的MAC地址

5. VLAN的特点

第四章网络层

1. 网络互联的概念

2. IP地址的组成和分类

3. CIDR（无分类域间路由选择）

4. IP数据报格式

5. ARP协议

6. ICMP报文类型

7. IGMP作用

8. 路由协议分类

9. BGP协议

10. IPv6地址格式

11. 专用地址、VPN、NAT

第五章运输层

1. TCP和UDP的特点

2. TCP确认机制

3. TCP报文段首部格式

4. TCP连接建立

5. TCP拥塞控制算法

第六章应用层

1. DNS（域名系统）

2. FTP（文件传送协议）

3. 万维网（WWW）

4. 电子邮件

5. DHCP协议