计算机网络期末复习重点笔记#

零、 基础概念与体系结构#

1. 计算机网络基础#

• 三大共享：

  1. 硬件共享
  2. 软件共享
  3. 信息共享

• 四大时延：

  • 发送时延（传输时延）
  • 传播时延
  • 处理时延
  • 排队时延

• 协议与服务：

  • 协议：水平的（控制对等实体通信）。
  • 服务：垂直的（下层向上层提供服务）。

• 协议的三要素：

  1. 语法：数据格式、编码方式、信号电平（怎么写）。
  2. 语义：控制信息、错误处理、动作响应（做什么）。
  3. 同步（时序）：速度匹配、排序（什么时候做）。

• 常见的三种计算机网络体系结构：

  1. OSI 七层模型：(物理层、数据链路层)、网络层、运输层、(表示层、会话层)、应用层。
  2. TCP/IP 四层模型：网络接口层、网络层、运输层、应用层。
  3. 五层模型：(物理层、数据链路层)、网络层、运输层、应用层。
  • 详情见湖科大映射图

2. 网络适配器 (NIC)#

• 体现了 物理层 和 数据链路层 的功能。

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一、 物理层 (Physical Layer)#

1. 四大特性#

• 机械特性：接口形状、引脚数目（例：RJ45接口形状）。
• 电气特性：电压范围（例：-5V到+5V）。
• 功能特性：电平意义（例：高电平代表1）。
• 过程特性（规程特性）：事件发生的顺序。

2. 编码方式#

• 曼彻斯特编码：
  • 特点：位周期中心向上或向下跳变。
  • 定义：跳变方向代表0或1（标准不同定义不同，如IEEE 802.3规定低到高为1，高到低为0，反之亦然）。
• 差分曼彻斯特编码：
  • 特点：位中心始终跳变（用于同步）。
  • 定义：位开始边界有跳变代表0，无跳变代表1（即“遇0翻转，遇1不变”）。

3. 极限传输速率计算 (必考)#

• 奈氏准则 (无噪声环境)
  • $$C = 2W \log_2 V$$

  • 变形：

    $$C = R \log_2 V$$

    （其中 $R$ 为波特率/码元速率，$R=2W$）。

  • 注意单位：$W$ (Hz), $C$ (bit/s), $R$ (Baud)。

• 香农公式 (有噪声环境)
  • $$C = W \log_2(1 + S/N)$$
  • 信噪比转换： $$dB = 10 \log_{10}(S/N)$$
  • 速算提示：$\log_2(1001) \approx 10$。

4. 信道复用技术#

• FDM (Frequency): 频分复用
• TDM (Time): 时分复用
• STDM (Statistical): 统计时分复用（按需动态分配，效率更高）
• WDM (Wavelength): 波分复用（光的频分复用）
• CDM (Code): 码分复用（CDMA）

5. 宽带接入技术#

• xDSL：基于电话线（ADSL）。
• FTTx：光纤接入。
  • FTTH：光纤到户 (Home)。

6. 物理层设备#

• 中继器、集线器 (Hub)：
  • 缺点：广播发送，扩大冲突域，带宽平分（如10Mb/s连接10个设备，每台设备平均1Mb/s）。
  • 限制：不能连接不同速率的设备。

7. 传输媒体与标准 (补充)#

• 10Base-T: 双绞线 (Twisted Pair)，Baseband (基带)。
• 10Base-F: 光纤 (Fiber)，后缀 F 代表 Fiber。
• 判别方法: 看后缀，T为双绞线，F为光纤。
• 同轴电缆: 早期使用，现已少见。

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二、 数据链路层 (Data Link Layer)#

1. 三个基本问题#

• 封装成帧：添加首部尾部，帧定界。
  • 数据单位：应用层(报文 Message) -> 运输层(报文段 Segment) -> 网络层(分组/包 Packet) -> 链路层(帧 Frame)。
  • 可靠性：有确认重传机制为“可靠传输”；无确认为“不可靠传输” (如Ethernet)。
  • 相邻节点流量控制：链路层的流量控制是点对点/相邻节点的 (区别于运输层端到端)。
• 透明传输：
  • PPP协议 (字节填充法)：
    • 转义符：0x7D。
    • 发送：见到 7E $\rightarrow$ 7D 5E；见到 7D $\rightarrow$ 7D 5D。
    • 接收（还原）：去掉 7D，后一字节与 0x20 异或。
  • HDLC协议 (零比特填充法)：
    • 发送：只要发现5个连续的1，立即填入一个0。
    • 接收：发现5个连续1，删除后面的0。
• 差错控制：
  • CRC 循环冗余校验：计算余数时，被除数需先左移（加0），位数等于生成多项式最高次幂。
    • 也就是先加最高次幂个0在右边
  • 注意：数据链路层通常提供无差错接受（丢弃错帧），要实现“可靠传输”通常需配合确认重传机制。

2. 以太网 (Ethernet)#

• 技术核心：CSMA/CD (载波监听多点接入/碰撞检测)。
  • 随机接入的共享信道技术，半双工通信。
  • CSMA/CD 细节：
    • 帧间隔：96比特时间 (Interframe Gap) — 发送后需等待的时间。
      • 第六次课测试题目6
    • 退避算法：二进制指数退避算法 (计算重传时间)。
• MAC地址：
  • 固化在ROM中。
  • 长度48位（6字节），目的MAC地址在帧的最前面。
• 最短帧长与争用期：
  • 原理：必须在发送完一帧之前能检测到碰撞（发送时延 $\ge$ 往返传播时延 RTT）。
  • 10Mb/s 以太网：争用期 $51.2\mu s$，最短帧长 64B (512bit)。
  • 100Mb/s 以太网：争用期 $5.12\mu s$，最短帧长 64B (512bit)。
  • 细节：以太网帧前有8字节（7字节前导码+1字节帧定界符），但不计入MAC帧长度。

3. 交换机 (Switch)#

• 工作原理：
  • 构建转发表：根据帧的源MAC地址学习（记录源MAC与接口映射）。
  • 转发决策：根据帧的目的MAC地址查找转发表转发（PDU）。
• 直通交换：只接收到目的MAC地址（前6字节）就开始转发。延迟计算 = 6字节 / 带宽。
  • 大题给一个抓包的数据字节流,要知道MAC,IP等结构,找目的IP/MAC地址,还有多播什么的判断类型
• 冲突域：交换机隔离冲突域，路由器隔离广播域。

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三、 网络层 (Network Layer)#

1. IP 协议基础#

• IP 数据报主要字段：

  • 版本 (Version)：4位，IPv4 (4) 或 IPv6 (6)。
  • 首部长度 (IHL)：4位，单位是 4字节 (最大 60B)。
  • 协议 (Protocol)：8位，指出数据部分是哪个协议。
    • 6: TCP
    • 17: UDP
    • 1: ICMP
    • 89: OSPF
    • 2: IGMP

• 首部长度：

  • 单位是 4字节。
  • 常用值 5，代表首部长度 $5 \times 4 = 20$ 字节。

• 校验和：

  • IP：只校验首部（因为TTL每跳都在变，数据部分不校验以提高效率）。
  • 首部校验和 (Header Checksum) 计算步骤：
    1. 发送方 (计算)：
       • 将首部划分为 16位 (2字节) 的序列。
       • 校验和字段暂置为 0。
       • 对所有序列进行 反码算术求和 (二进制求和，最高位产生/即大于16位的 进位 加到最低位)。
       • 将求和结果 取反 (取反码)，填入校验和字段。
    2. 接收方 (验证 - 逆过程)：
       • 将首部 (包含已填充的校验和) 再次进行 反码算术求和。
       • 结果判定：结果应为全 1 (即 16进制 FFFF，二进制反码的 -0)。
       • 若结果为 0 (或其他值)，则说明出错，丢弃。
    • 记忆口诀：发送方“求和取反”，接收方“求和全1”。
    • 上课习题4.7

• 分片：

  • 数据报切分长度必须是 8字节 的倍数（片偏移字段单位是8字节）。
    • 上课习题4.6

• 可用 IP 地址计算：

  • 范围：地址范围去掉首部 (通常指网络前缀/网络号部分) 和 尾部 (广播地址) 就是可用地址。
  • 数量：$2^k - 2$ ($k$ 为主机号位数)。

2.5 路由器与交换技术 (补充)#

• 路由器结构：
  • 控制层面：路由选择 (Routing) — 生成路由表 (软件实现，慢)。
  • 数据层面：分组转发 (Forwarding) — 根据转发表转发 (硬件实现，快)。
• 交换方式：
  • 面向连接：虚电路 (Virtual Circuit) — 建立逻辑连接，保证顺序。
  • 无连接：数据报 (Datagram) — 独立路由，不保证顺序 (IP采用)。

2. IP 地址分类#

• A类：1 ~ 126 (0xxxxxxx)
• B类：128 ~ 191 (10xxxxxx)
• C类：192 ~ 223 (110xxxxx)
• D类：224 ~ 239 (1110xxxx，多播地址)
• 专用 (私有) IP 地址：
  • 10.0.0.0 - 10.255.255.255
  • 172.16.0.0 - 172.31.255.255
  • 192.168.0.0 - 192.168.255.255

3. 路由协议 (重点)#

• RIP (内部网关 IGP)：
  • 基于距离向量。
  • 使用 UDP 传送 (端口520)。
  • 特点：“好消息传得快，坏消息传得慢” (计数到无穷)。
  • 路由更新逻辑：若B原有 (N1, 3, C)，收到C发来的 (N1, 9) [意味着C到N1变成了9]，则必须更新为 (N1, 10, C) [因为B的下一跳是C，必须无条件信服C的变动]。
• OSPF (内部网关 IGP)：
  • 基于链路状态。
  • 直接使用 IP 数据报传送 (协议号89)。
• BGP (外部网关 EGP)：
  • 路径向量路由。
  • 使用 TCP 传送 (端口179)。
  • eBGP (外部)、iBGP (内部)。
    • eBGP:边界网关用,external
    • iBGP:内部网关用,internal
  • 策略：“热土豆路由” (尽快将包扔出AS)。

4. 其他协议#

• ARP：解决IP到MAC的映射。
• ICMP：PING 命令使用该协议（回送请求/回答）。
• IGMP：网际组管理协议（用于多播）。
• NAT：网络地址转换（解决IPv4短缺，私网转公网）。

5. IPv6#

• 地址长度：128位（16字节），十六进制表示 (8组 x 4位)。
• 零压缩：一连串的0可用 :: 代替，但只能用一次。
  • 例：还原 0123::1:2 $\rightarrow$ 0123:0000:0000:0000:0000:0000:0001:0002。

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四、 运输层 (Transport Layer)#

1. UDP vs TCP#

• 核心区别：
  • 网络层：提供主机到主机 (Host-to-Host) 的逻辑通信。
  • 运输层：提供进程到进程 (Process-to-Process / End-to-End) 的逻辑通信。
  • 流量控制：运输层是端到端的流量控制。

特性	UDP	TCP
连接	无连接	面向连接
可靠性	不可靠	可靠 (确认、重传)
报文	面向报文	面向字节流
校验和	首部+数据+伪首部	首部+数据+伪首部
应用	DNS, RIP, TFTP, DHCP	FTP, HTTP, SMTP, Telnet, BGP

• 伪首部 (Pseudo Header)：
  • 作用：检查数据是否到达了正确的IP地址，防止误投。
  • 内容：源IP、目的IP、0、协议号(17/6)、UDP/TCP长度 (共12字节)。
  • 注意：伪首部不向下传送，也不在网络上传输，仅用于计算校验和。
• UDP 数据报格式 (一共 8 字节首部)：
  • 源端口 (2B) | 目的端口 (2B) | 长度 (2B) | 校验和 (2B)
  • 长度字段：包含 首部 + 数据 的总长度 (最小值 8)。
  • 校验范围：首部 + 伪首部 + 数据部分 (不同于 IP 只验首部)。

2. TCP 核心机制#

• 三次握手状态 (详细)：
  • 服务器：CLOSED -> LISTEN -> SYN-RCVD -> ESTABLISHED。
  • 客户端：CLOSED -> SYN-SENT -> ESTABLISHED。
• 四次挥手状态 (详细)：
  • ESTABLISHED -> FIN-WAIT-1 -> FIN-WAIT-2 -> TIME-WAIT (2MSL) -> CLOSED。
  • 服务器：CLOSE-WAIT -> LAST-ACK -> CLOSED。
  • 特殊状态：CLOSING (双方同时关闭)。
• RTO (超时重传时间) 计算 (必考)：
  • 公式：$RTO = RTT_S + 4 \times RTT_D$
  • (1) 首次测量 ($RTT_{new}$)：
    • $RTT_S = RTT_{new}$
    • $RTT_D = RTT_{new} / 2$
    • $RTO = RTT_S + 4 \times RTT_D$
  • (2) 后续测量 ($RTT_{new}$)：
    • $RTT_{D\_new} = (1 - \beta) \times RTT_{D\_old} + \beta \times |RTT_{new} - RTT_{S\_old}|$
    • $RTT_{S\_new} = (1 - \alpha) \times RTT_{S\_old} + \alpha \times RTT_{new}$
    • $RTO = RTT_{S\_new} + 4 \times RTT_{D\_new}$
    • $RTO = RTT_{S\_new} + 4 \times RTT_{D\_new}$
• 性能指标：
  • 发送时延：数据长度 / 带宽。
  • 传播时延：信道长度 / 电磁波速率。
  • RTT (往返时间)：并不包括发送时延，仅包含传播时延+处理+排队 (有时候也包含发送，视题目定义，但通常RTT是往返传播)。
  • 吞吐率：单位时间内通过的数据量。
  • 信道利用率：有数据通过的时间 / 总时间。

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五、 应用层 (Application Layer)#

1. 域名系统 (DNS)#

• 协议：基于 UDP (端口53)。
• 服务器：本地域名服务器（也称默认域名服务器）。
• 查询方式：
  • 主机 $\rightarrow$ 本地：递归查询 (Recursive，类似函数调用返回结果)。
  • 本地 $\rightarrow$ 根/顶级：迭代查询 (Iterative，类似由根指路，本地再去跑腿,for循环)。

2. 文件传输 (FTP & TFTP)#

• FTP (TCP)：
  • 控制连接：端口 21 (持久连接)。
  • 数据连接：端口 20 (非持久连接，传完即断)。
• TFTP (UDP)：
  • 端口 69，简单文件传输。

3. 远程登录 (Telnet)#

• 协议：基于 TCP。
• NVT (Network Virtual Terminal)：网络虚拟终端，屏蔽不同终端的差异。

3.5 DHCP 与 SMTP (补充)#

• DHCP (动态主机配置协议)：
  • 基于 UDP (Client: 68, Server: 67)。
  • 作用：自动分配 IP 地址、子网掩码、网关等。
• SMTP (简单邮件传输协议)：
  • 基于 TCP (端口 25)。
  • 作用：发送邮件 (Push)。
  • 接收邮件通常用 POP3 或 IMAP。

4. 常见端口汇总#

协议	端口	运输层	说明
FTP	21/20	TCP	21控制，20数据
SSH	22	TCP	安全远程登录
Telnet	23	TCP	远程登录
SMTP	25	TCP	邮件发送
DNS	53	UDP	域名解析
DHCP	67/68	UDP	动态IP分配
TFTP	69	UDP	简单文件传输
HTTP	80	TCP	万维网
POP3	110	TCP	邮件接收

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六、 实验与大题备考策略#

1. 华为交换机/路由器命令：
   • 复习 VLAN 划分命令。
   • 复习 端口 IP 配置命令。
   • 复习 静态路由配置命令。
   • 建议：将实验文档重点指令背诵。
     • 这个文档喂给AI
2. 抓包分析：
   • 给出一个十六进制数据流，能识别：
     • 前6字节是目的MAC，紧接6字节是源MAC。
     • 识别 IP 头部信息。
     • 识别 TCP/UDP 端口号。
3. 设备区分：
   • 物理层：集线器 (Hub)、中继器 (碰撞域不隔离，广播域不隔离)。
   • 数据链路层：网桥、交换机 (隔离碰撞域，不隔离广播域)。
   • 网络层：路由器 (隔离碰撞域，隔离广播域)。

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七、 易混淆概念对比 (Exam Comparison)#

1. 流量控制 (Flow Control) 对比#

层次	范围	实现机制	备注
数据链路层	相邻节点 (Point-to-Point)	停止-等待, 滑动窗口 (帧确认)	控制两台直接相连设备间的发送速率，防止接收方 buffer 溢出
运输层	端到端 (End-to-End)	滑动窗口 (rwnd)	控制发送主机与接收主机进程间的速率

2. 校验和 (Checksum) 对比#

协议	校验对象	备注
IP	仅首部	不校验数据部分 (为提高路由转发效率)
UDP/TCP	首部 + 伪首部 + 数据	确保数据完整性及正确投递 (伪首部验证IP)
MAC帧 (FCS)	整个帧 (首部+数据)	硬件CRC校验

3. 可靠性对比#

• 不可靠协议：Ethernet, IP, UDP, DNS, RIP.
• 可靠协议：TCP, SMTP, HTTP, FTP.
• 链路层：通常 Ethernet 是不可靠的；Wireless (802.11) 有链路层确认 (ACK) 故有一定可靠性。

4. 报文格式与首部对比 (Packet/Frame Structure)#

此部分为“自底向上”的封装视角，重点关注首部字节含义。

(1) 以太网 V2 MAC 帧 (链路层)#

• 总长度：64B ~ 1518B (数据 46~1500 + 首部 14 + 尾部 4)
• 结构：
  • 前 6 字节：目的 MAC 地址。
  • 后 6 字节：源 MAC 地址。
  • 2 字节：类型 (Type) - (如 0x0800 代表 IP 数据报)。
  • 46 ~ 1500 字节：数据 (IP 数据报)。
  • 4 字节：FCS (帧检验序列)。

(2) IP 数据报 (网络层)#

• 首部长度：固定 20 字节 + 可选部分。
• 前 20 字节固定部分 (按 4 字节每行记忆)：
  1. 第 1-4 字节：[版本(4b) + 首部长度(4b) + 服务类型(8b) + 总长度(16b)]
  2. 第 5-8 字节：[标识(16b) + 标志(3b) + 片偏移(13b)]
  3. 第 9-12 字节：[TTL(8b) + 协议(8b) + 首部校验和(16b)]
  4. 第 13-16 字节：源 IP 地址 (32b)。
  5. 第 17-20 字节：目的 IP 地址 (32b)。

(3) UDP 用户数据报 (运输层)#

• 首部长度：固定 8 字节。
• 结构：
  • 第 1-2 字节：源端口。
  • 第 3-4 字节：目的端口。
  • 第 5-6 字节：长度 (含首部+数据)。
  • 第 7-8 字节：校验和。

(4) TCP 报文段 (运输层)#

• 首部长度：固定 20 字节 + 选项。
• 前 20 字节固定部分：
  1. 第 1-4 字节：[源端口(16b) + 目的端口(16b)]
  2. 第 5-8 字节：[序号 (Seq) (32b)]
  3. 第 9-12 字节：[确认号 (Ack) (32b)]
  • 作用：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为 $N$，则表示序号 $N-1$ 及以前的数据都已正确收到。
  4. 第 13-16 字节：[数据偏移(4b) + 保留(6b) + 标志位(6b) + 窗口(16b)]
     • 标志位：URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN.
     • 数据偏移作用：指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。实际上就是指出 TCP 首部的长度。单位是 4 字节（32位字）。最大值为 15 ($15 \times 4 = 60$ 字节)，这也是 TCP 首部的最大长度。
     • 窗口: 进行流量控制的核心,“我的接收缓存还能容纳多少字节的数据”
  5. 第 17-20 字节：[校验和(16b) + 紧急指针(16b)]

未分类#

• OSPF优先级高于RIP

• TCP协议规定，当确认号为N时，表示（ ）。 期望收到序号为N的报文段

  • 累计确认机制

• 在TCP拥塞控制中，当发送方收到3个重复的ACK时，会采取（ ）快重传和快恢复

• • (第三章) PPP协议采用 [字节] 填充法（在异步链路）或 [零比特] 填充法（在同步链路）实现透明传输。
• • • (第四章) 一个B类IP地址的子网掩码是255.255.240.0，则该网络被划分为 [16] 个子网。
  • 不用减去2

• ARP协议的作用是解决同一个局域网上的 [IP] 地址和 [MAC] 地址的映射问题。

• • (第五章) TCP报文段首部中，[窗口] 字段用来进行流量控制。

• 片偏移字段的单位是 8 字节 (8 Bytes)。