计算机网络知识点总结

第一章概述

1. 计算机网络的概念和分类

概念： 计算机网络是将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路和通信设备连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

分类：

分类方式	类型
按作用范围	广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)、个人区域网(PAN)
按使用者	公用网、专用网

2. 互联网的组成

组成： 边缘部分、核心部分

两个重要基本特点：

连通性：使上网用户之间可以交换信息
共享：指资源共享，可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享

3. 三种交换技术

电路交换：在通话的全部时间内用户独占分配的传输线路或信道带宽
报文交换：采用存储转发技术，数据度大于分组长度
分组交换：采用存储转发技术，具有高效、灵活、可靠等优点

4. 协议的概念

定义： 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

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应答
同步：事件实现顺序的详细说明

协议与服务的关系：

协议是”水平的”，即协议是控制对等实体之间的通信的规则
服务是”垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的

5. 网络性能指标

指标	含义
速率	数据传输速率，单位b/s
带宽	信号具有的频带宽度，或网络通信线路能传送数据的能力
吞吐率	单位时间内通过某网络的数据量
时延	数据从网络一端传送到另一端所需的时间
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所经历的时间
利用率	信道或网络被利用的时间比例

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) / 信号在信道上的传播速率(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

6. 五层协议体系结构

层次	主要功能
应用层	为用户的应用进程提供服务
运输层	负责主机中两个进程之间的通信
网络层	负责为分组选择合适的路由
数据链路层	在两个相邻结点间的链路上实现帧的无差错传输
物理层	透明地传送比特流

第二章物理层

1. 物理层接口的基本特性

机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸等
电气特性：接口电缆各条线上的电压范围
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

功能： 透明地传送比特流

2. 香农公式

信道的极限信息传输速率：

$C = W \log_2(1 + S/N) \text{ (bit/s)}$

其中：

$W$ ：信道的带宽(Hz)
$S/N$ ：信噪比（信号的平均功率/噪声的平均功率）

3. 奈氏准则

理想低通信道的最高码元传输速率：

$C = 2W \text{ (码元/秒)}$

其中 $W$ 为低通信道的带宽(Hz)

信息传输速率计算：

二进制码元： $R_b = R_B$
M进制码元： $R_b = R_B \log_2 M$

4. 通信的三种基本方式

单向通信：只能单方向发送数据
双向交替通信：双方都可以发送，但不能同时发送
双向同时通信：双方可以同时发送和接收数据

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
时分复用(TDM)	所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
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(CDM)	各用户使用经过特殊挑选的不同码型

6. CDMA（码分多址）

基本原理： 每个站分配一个唯一的m位码片序列，各站的码片序列必须正交。

内积运算： 两个码片序列的内积为1表示发送1，为-1表示发送0，为0表示未发送。

第三章数据链路层

1. 数据链路层的两种信道

点对点信道：一对一通信
广播信道：一对多通信

三个基本问题：

封装成帧
透明传输
差错检测

2. PPP协议（点对点协议）

特点：

简单
封装成帧
透明性
多种网络层协议
多种类型链路
差错检测

透明传输的实现：

同步传输链路：比特填充法（每5个连续的1后面填入1个0）
异步传输链路：字符填充法
- 0x7E → (0x7D, 0x5E)
- 0x7D → (0x7D, 0x5D)
- 若小于0x20 → 该字符前面加入0x7D

3. 差错检测技术——CRC冗余码

计算步骤：

设待传数据为M，除数P有n+1位
在M后面添加n个0，得到M’
用M’除以P，做异或运算（相同为0，不同为1）
余数即为冗余码R

示例：

发送数据：101110
除数P：1001（4位）
添加3个0：M’ = 101110000
计算得余数R = 011
实际发送：101110011

4. 以太网标准

拓扑类型： 星形拓扑

传输介质： 无屏蔽双绞线（UTP），双绞线两端使用RJ-45插头

5. CSMA/CD协议

工作原理： 先听后发，边听边发，冲突停止，等待重发

工作流程：

载波监听，检测信道
信道空闲，开始发送，同时进行碰撞检测
检测到碰撞，停止发送数据
发送人为干扰信号
等待随机时间（截断二进制指数算法）
重新发送

重要参数：

争用期：两倍的端到端时延，即往返时延2τ
最短有效帧长：64字节
帧间最小间隔：9.6μs，相当于96bit的发送时间

6. MAC地址

定义： 硬件地址，物理地址，48位

格式：

| 3字节(24位) | 3字节(24位) |
|-------------|-------------|
| 组织唯一标识符 | 扩展唯一标识符 |

广播地址： FF-FF-FF-FF-FF-FF

7. MAC帧格式

以太网V2格式：

| 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS |
|----------|--------|------|------|-----|
| 6字节    | 6字节  | 2字节| 46~1500字节 | 4字节 |

帧长度范围： 64~1518字节

三种帧类型：

单播（一对一）
广播（一对全体）
多播（一对多）

8. 以太网交换机的特点

实质上是一个多接口的网桥
一般工作在全双工方式
具有并行性
相互通信的主机独占传输媒体，无碰撞地传输数据
接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存
即插即用，内部的交换表通过自学习算法自动建立
使用专用的交换结构芯片，硬件转发
用户独享带宽，增加了总容量

第四章网络层

1. 网络层提供的两种服务

面向连接的虚电路服务：可靠交付
无连接的数据报服务：尽最大努力交付

2. 网络互联的中继设备

层次	中继设备
物理层	转发器、集线器
数据链路层	网桥、交换机
网络层	路由器
网络层以上	网关

3. IP地址分类

类别	范围	默认掩码
A类	1.0.0.0 ~ 126.255.255.255	255.0.0.0
B类	128.0.0.0 ~ 191.255.255.255	255.255.0.0
C类	192.0.0.0 ~ 223.255.255.255	255.255.255.0
D类	224.0.0.0 ~ 239.255.255.255	多播地址
E类	240.0.0.0 ~ 255.255.255.255	保留

地址掩码： 网络号全置1，主机号全置0

4. CIDR（无分类域间路由选择）

记法： a.b.c.d/n

二进制IP地址的前n位是网络前缀
后(32-n)位是主机号

CIDR地址块：

a.b.c.d/n表示的地址块共有 $2^{32-n}$ 个地址
这个地址块的起始地址是a.b.c.d

网络地址计算： $\text{网络地址} = \text{IP地址} \text{ AND } \text{地址掩码}$

5. IP数据报固定首部

格式（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                  |
+-------------------+-------------------+

各字段含义：

字段	位数	含义
版本	4位	IP协议的版本（IPv4）
首部长度	4位	可表示的最大数值是15个单位（1单位=4字节）
区分服务	8位	只有在使用区分服务时才起作用
总长度	16位	首部和数据之和的长度，最大65535字节
标识	16位	作为计数器，用来产生IP数据报的标识
标志	3位	目前只有前两位有意义（MF、DF）
片偏移	13位	较长分组在分片后某片在原分组中的相对位置
生存时间	8位	数据报在网络中的寿命
协议	8位	指出数据报携带的数据使用何种协议
首部检验和	16位	只检验数据报的首部，二进制反码求和
源地址	32位	发送方IP地址
目的地址	32位	接收方IP地址

协议字段值：

协议名	ICMP	IGMP	IP	TCP	EGP	IGP	UDP	OSPF
协议字段值	1	2	4	6	8	9	17	89

6. ARP协议（地址解析协议）

作用： 从网络层使用的IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址

工作过程：

ARP请求分组：包含发送方硬件地址、发送方IP地址、目标方硬件地址（未知时填0）、目标方IP地址
ARP响应分组：包含发送方硬件地址、发送方IP地址、目标方硬件地址、目标方IP地址

IP地址和MAC地址的区别：

IP地址放在IP数据报的首部，MAC地址放在MAC帧的首部
在网络层和网络层以上使用IP地址，数据链路层及以下使用MAC地址
从源主机到目的主机的通信中，IP数据报首部中的源IP地址和目的IP地址始终不变，而MAC帧首部中的源地址和目的地址随网络的不同而不断变化

7. ICMP（网际控制报文协议）

类型：

差错报告报文：

终点不可达（类型为3）
时间超过（类型为11）
参数问题（类型为12）
改变路由（重定向）

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：

Ping命令：测试两个主机之间的连通性，使用ICMP回送请求与回送回答报文
Traceroute（tracert）：跟踪分组从源点到终点的路径
发现路径MTU：利用IP数据报标志字段的中间位DF

8. 路由器转发分组的流程

提取目的IP地址D
      ↓
找到D的特定主机路由？ → 是 → 转发
      ↓ 否
查找转发表
      ↓
找到D的最长前缀匹配？ → 是 → 转发
      ↓ 否
找到默认路由？ → 是 → 转发
      ↓ 否
丢弃分组

9. 路由协议分类

路由协议：

内部网关协议：RIP、OSPF
外部网关协议：BGP

路由算法：

静态路由选择策略
动态路由选择策略
非自适应路由选择策略
自适应路由选择策略

距离-向量路由算法（RIP）：

更新过程：

路由器收到相邻路由器（地址为X）的RIP报文
先修改此RIP报文中的所有项目：把”下一跳”字段中的地址都改为X，并把所有的”距离”字段的值加1
对修改后的RIP报文中的每一个项目：
- 若项目中的目的网络不在路由表中，则把该项目加到路由表中
- 否则，若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则把收到的替换掉原路由表中的项目
- 否则，若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新
- 否则，什么也不做
若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由器，即将距离置为16
返回

10. 专用地址和全球地址

专用IP地址块：

类别	地址范围	CIDR表示
A类	10.0.0.0 ~ 10.255.255.255	10.0.0.0/8
B类	172.16.0.0 ~ 172.31.255.255	172.16.0.0/12
C类	192.168.0.0 ~ 192.168.255.255	192.168.0.0/16

11. VPN和NAT

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
“虚拟”：没有真正使用通信专线
“专用网”：机构内部的通信
用隧道技术实现

NAT（网络地址转换）：

问题：在专用网上使用专用地址的主机如何与互联网上的主机通信？
解决：采用网络地址转换NAT
NAT路由器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路由器上将本地地址转换成全球地址

第五章运输层

1. UDP（用户数据报协议）

特点：

无连接的
使用尽最大努力交付
面向报文的
没有拥塞控制
支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
首部开销少，只有8个字节
具有复用和分用的功能、差错检测的功能

UDP首部格式：

| 源端口 | 目的端口 | 长度 | 检验和 |
|--------|----------|------|--------|
| 2字节  | 2字节    | 2字节| 2字节  |

2. TCP（传输控制协议）

特点：

提供面向连接的服务
每一条TCP连接只能有两个端点，只能是点对点的
可靠交付
全双工通信
面向字节流

TCP首部固定长度： 20个字节

3. TCP发送窗口机制

TCP的滑动窗口是以字节为单位的。现假定A收到了B发来的确认报文段，其中窗口是20字节，而确认号是31（这表明B期望收到的下一个序号是31，而序号30为止的数据已经收到了），根据这两个数据，A就构造出自己的发送窗口。

4. TCP确认应答机制

发送方发送数据给接收方后，接收方收到数据就回应一个应答报文（ACK）。如果发送方收到了ACK，那么认为对方已经收到了数据。

5. TCP拥塞控制算法

慢开始：由小到大逐渐增大拥塞窗口数值
拥塞避免：让拥塞窗口缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口加1，而不是加倍，使拥塞窗口按线性规律缓慢增长
快重传：可以让发送方尽早知道个别报文段的丢失。要求接收方不要等待自己发送的数据时才捎带确认，而是要立即发送确认，即使收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认
快恢复：慢开始门限 = 当前拥塞窗口/2，新拥塞窗口 = 慢开始门限，开始执行拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢地线性增大

6. 常用端口号

两大类端口：

服务器端使用的端口号：熟知端口(0~~1023)、登记端口(1024~~49151)
客户端使用的端口号（短暂端口）：49151~65535

常用熟知端口：

应用程序	端口号	使用协议
FTP	21	TCP
TELNET	23	TCP
SMTP	25	TCP
DNS	53	UDP
TFTP	69	UDP
HTTP	80	TCP
SNMP	161	UDP
SNMP(trap)	162	UDP
HTTPS	443	TCP

7. 支持的协议

应用	应用层协议	运输层协议
名字转换	DNS	UDP
文件传送	TFTP	UDP
路由选择协议	RIP	UDP
IP地址配置	DHCP	UDP
网络管理	SNMP	UDP
远程文件服务器	NFS	UDP
IP电话	专用协议	UDP
流式多媒体通信	专用协议	UDP
多播	IGMP	UDP
电子邮件	SMTP	TCP
远程终端接入	TELNET	TCP
万维网	HTTP	TCP
文件传递	FTP	TCP

第六章应用层

1. DNS（域名系统）

作用： 把便于人们使用的域名转换为IP地址

域名服务器种类：

根域名服务器：最高层次、最重要
顶级域名服务器：管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名
权限域名服务器：负责一个区的域名服务器
本地域名服务器：默认域名服务器

查询方式和解析过程：

递归查询：主机向本地域名服务器的查询
迭代查询：本地域名服务器向根域名服务器的查询

2. FTP（文件传送协议）

特点：

提供交互式的访问
使用客户-服务器方式（C/S）
熟知端口号为21

连接机制：

控制连接：在整个会话期间一直保持打开（端口号：21）
数据连接：用于传输文件（端口号：20）

3. 万维网（WWW）

定义： 一个大规模的、联机式的信息储藏所

特点：

以客户-服务器方式工作
访问方式称为”链接”

URL（统一资源定位符）： 每一个文档在整个互联网的范围内具有唯一的标识符

HTTP（超文本传送协议）：

使用TCP连接进行可靠的传送
面向事务
无连接的
无状态的

HTML（超文本标记语言）： 可以方便地使用超链接

4. 电子邮件

核心构件： 邮件服务器

协议：

发送邮件：SMTP（简单邮件传送协议）
读取邮件：POP3（邮局协议）、IMAP（因特网报文存取协议）

组成： 电子邮件由信封和内容两部分构成

5. DHCP（动态主机配置协议）

作用：

即插即用联网机制，允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址，而不需要手工配置
为主机自动分配网络参数，确保主机使用的IP地址是唯一的
能为特定主机分配固定的IP地址
为临时使用的主机分配一个临时地址

支持的协议汇总

应用	应用层协议	运输层协议
名字转换	DNS	UDP
文件传送	TFTP	UDP
路由选择协议	RIP	UDP
IP地址配置	DHCP	UDP
网络管理	SNMP	UDP
远程文件服务器	NFS	UDP
IP电话	专用协议	UDP
流式多媒体通信	专用协议	UDP
多播	IGMP	UDP
电子邮件	SMTP	TCP
远程终端接入	TELNET	TCP
万维网	HTTP	TCP
文件传递	FTP	TCP

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计算机网络知识点总结

计算机网络知识点总结#

第一章 概述#

1. 计算机网络的概念和分类#

2. 互联网的组成#

3. 三种交换技术#

4. 协议的概念#

5. 网络性能指标#

6. 五层协议体系结构#

第二章 物理层#

1. 物理层接口的基本特性#

2. 香农公式#

3. 奈氏准则#

4. 通信的三种基本方式#

5. 信道复用技术#

6. CDMA（码分多址）#

第三章 数据链路层#

1. 数据链路层的两种信道#

2. PPP协议（点对点协议）#

3. 差错检测技术——CRC冗余码#

4. 以太网标准#

5. CSMA/CD协议#

6. MAC地址#

7. MAC帧格式#

8. 以太网交换机的特点#

第四章 网络层#

1. 网络层提供的两种服务#

2. 网络互联的中继设备#

3. IP地址分类#

4. CIDR（无分类域间路由选择）#

5. IP数据报固定首部#

6. ARP协议（地址解析协议）#

7. ICMP（网际控制报文协议）#

8. 路由器转发分组的流程#

9. 路由协议分类#

10. 专用地址和全球地址#

11. VPN和NAT#

第五章 运输层#

1. UDP（用户数据报协议）#

2. TCP（传输控制协议）#

3. TCP发送窗口机制#

4. TCP确认应答机制#

5. TCP拥塞控制算法#

6. 常用端口号#

7. 支持的协议#

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（动态主机配置协议）#

支持的协议汇总#

计算机网络知识点总结

第一章概述

1. 计算机网络的概念和分类

2. 互联网的组成

3. 三种交换技术

4. 协议的概念

5. 网络性能指标

6. 五层协议体系结构

第二章物理层

1. 物理层接口的基本特性

2. 香农公式

3. 奈氏准则

4. 通信的三种基本方式

5. 信道复用技术

6. CDMA（码分多址）

第三章数据链路层

1. 数据链路层的两种信道

2. PPP协议（点对点协议）

3. 差错检测技术——CRC冗余码

4. 以太网标准

5. CSMA/CD协议

6. MAC地址

7. MAC帧格式

8. 以太网交换机的特点

第四章网络层

1. 网络层提供的两种服务

2. 网络互联的中继设备

3. IP地址分类

4. CIDR（无分类域间路由选择）

5. IP数据报固定首部

6. ARP协议（地址解析协议）

7. ICMP（网际控制报文协议）

8. 路由器转发分组的流程

9. 路由协议分类

10. 专用地址和全球地址

11. VPN和NAT

第五章运输层

1. UDP（用户数据报协议）

2. TCP（传输控制协议）

3. TCP发送窗口机制

4. TCP确认应答机制

5. TCP拥塞控制算法

6. 常用端口号

7. 支持的协议

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（动态主机配置协议）

支持的协议汇总