计算机网络第八版（谢希仁）知识点整理

博主：酱油瓶
发布时间：2021 年 12 月 27 日
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分类：学习软件工程

由本人期末复习整理，可能根据个人倾向选择知识点，概括不全敬请谅解
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# 第一章 概述

## 两个重要基本特点

* 连通性
* 共享

## 通讯方式

* **C/S** 客户-服务器方式
* **P2P** 对等连接方式

## 三种交换方式

* **电路**交换
* **报文**交换
* **分组**交换

## 网络的类别

1. 作用范围
   * WAN 广域网
   * MAN 城域网
   * LAN 局域网
   * PAN 个人区域网
2. 使用者
   * 公用网
   * 专用网
3. 把用户接入到互联网的网络
   接入网AN

## 网络的性能

* 速率
* 带宽
* 时延：(1)发送时延(2)传播时延(3)处理时延(4)排队时延
* 时延带宽积
* 往返时间RTT
* 利用率

## 网络体系结构

* 网络协议的三个要素

1. 语法
  2. 语义
  3. 同步
* OSI七层模型

| <br /> | OSI七层模型 |
  | -------- | ------------- |
  | 7      | 应用层      |
  | 6      | 表示层      |
  | 5      | 会话层      |
  | 4      | 运输层      |
  | 3      | 网络层      |
  | 2      | 数据链路层  |
  | 1      | 物理层      |
* TCP/IP四层

| <br /> | TCP/IP |
  | -------- | -------- |
  | 4      | 应用层 |
  | 3      | 传输层 |
  | 2      | 网际层 |
  | 1      | 链路层 |
* 教学五层模型
  ![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mKmyM4U-1KjRxwLG-jrMI421B_6DDrxqk9kJepj3cJ3KeQTJJJF620opQf7PIqHpmi-MFnaW1CHIIhu5Tu9KrtmEk6KChCS-vP1ASEv-tlfTNztV7qrgvFrzUGnpVsmrpmw4JbsTl_pra99quUJ5yWrPAyJ7z9D86W5GagXmAqaqG4agv7F2Myj5RrSSefIxy?width=1205&height=431&cropmode=none)
* 实体、协议、服务和服务访问点

* 实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
  * 协议：控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合
  * 在协议的控制下，两个对等实体向上层提供服务。实现本层协议需要使用下面一层所提供的服务
  * 使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，下面的协议对上面的实体是透明的
* 其他

* 分组交换的要点：存储转发，路由选择

# 第二章 物理层

## 基本概念

用于物理层的协议常被人称为物理层规程

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

* 机械特性
* 电气特性
* 功能特性
* 过程特性

数据在计算机内部多采用并行传输，但数据在通讯线路（传输媒体）上的传输方式一般是串行传输。

## 数据通信的基础知识

### 数据通信系统的模型

一个通讯系统可划分为三大部分

* 源系统（发送端、发送方）
  一般包含两个部分：
  * 源点
  * 发送器
* 传输系统（传输网络）
* 目的系统（接收端、接收方）
  一般包含两个部分：
  * 接收器
  * 终点

常用术语：

* 通信的目的是传送消息。
* 数据是传送消息的实体。
* 信号则是数据的电气或电磁的表现
  信号可分为两大类：
  * 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数是连续的
  * 数字信号（离散信号）：代表消息的参数是离散的

### 有关信道的几个概念

* 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
* 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送消息，但不能双方同时发送（接收）
* 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息

来自信源的信号常称为基带信号（基本频带信号）。基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。

* 基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换。由于这种几代调制把数字信号转换为另一种形式的数字信号，更愿意称为编码
  基本的编码方式：

* 不归零制
  * 归零制
  * 曼切斯特编码
  * 差分曼切斯特编码

曼切斯特编码具有自同步的能力，可以从信号波形本身中提取信号时钟频率
* 带通调制：使用载波的调制
  基本的带通调制方法：

* 调幅（AM）
  * 调频（FM）
  * 调相（PM）

为达到更高的信息传输速率，采用更为复杂的多元制振幅相位混合调制方法。如**正交振幅调制QAM**

### 信道的极限容量

* 信道能够通过的频率范围
  奈氏准则：在带宽为$W$(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率为2$W$（码元/秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
* 信噪比

$$
  信噪比(dB)=10\log_{10}{(S/N)}(dB)

信噪比越大，误码率越低
* 香农公式：信道的极限信息传输速率$C$为

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

香农公式表明，信道的贷款或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
  让每一个码元携带更多比特的信息量，可以提高信息的传输速率

## 物理层下面的传输媒体

传输媒体也被称为传输介质或传输媒介，可分为两大类：

* 导引型传输媒体
  1. 双绞线
  2. 同轴电缆
  3. 光缆
* 非导引型传输媒体
  将自由空间称为“非导引型传输媒体”

## 信道复用技术

最基本的复用：

* 频分复用FDM
  频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源
  频分多址接入FDMA
* 时分复用TDM
  时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度
  时分多址接入TDMA

## 习题

[第二章答案](https://www.codeleading.com/article/77676037428/)

计算公式：

> $信噪比(dB)=10\log_{10}(S/N)(dB)$ S为信号的平均功率，N为噪声的平均功率。
> 香农公式：$C=W\log_2(1+S/N)(bit/s)$C为信道的极限信息传输速率，W是信道带宽
> M进制的码元，码元宽度为T秒：$C=\frac{1}{T}\times log_2(M)$
> 无噪:带宽为BHz。  $C=2B\log_2(M)$
> 有噪:带宽为BHz。 $ C=B\log_2(1+S/N)$
> 最高码元速率R，码元振幅等级n。  $C=R\log_2(n)$
> 频率＝传播速率/波长
> 频带宽度=最高频率-最低频率

2-04 **试解释以下名词：数据，信号，模拟数据，模拟信号，基带信号，带通信号，数字数据，数字信号，码元，单工通信，半双工通信，全双工通信，串行传输，并行传输。**
**数据** ：是运送信息的实体。
**信号** ：则是数据的电气的或电磁的表现。
**模拟数据** ：运送信息的模拟信号。
**模拟信号** ：连续变化的信号。
**基带信号** ：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
**带通信号** ：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。
**数字数据** ：取值为不连续数值的数据。
**数字信号** ：取值为有限的几个离散值的信号。
**码元** ：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
**单工通信** ：即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
**半双工通信** ：即通信和双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。
**全双工通信** ：即通信的双方可以同时发送和接收信息。
**串行传输** ：使用一根数据线传输数据，一次传输1个比特，多个比特需要一个接一个依次传输。
**并行传输** ：使用多根数据线一次传输多个比特。

# 第三章 数据链路层

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

* 点对点信道
* 广播信道

本章重要内容

* 数据链路层点对点信道和广播信道的特点，以及这两种信道所使用的协议（PPP协议以及CSMA/CD协议）的特点
* 数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测
* 以太网MAC层的硬件转发
* 适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用以及使用场合

## 数据链路层的几个共同问题

### 数据链路和帧

链路和数据链路是两个不同的概念

* 链路：从一个节点到相邻节点的一段物理线路
* 数据链路：实现控制数据的传输的必要的通讯协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。最常用的方法是使用网络适配器
* 早期的数据通信协议曾叫作通信规程。因此在数据链路层，规程和协议是同义语
* 点对点信道的数据链路层的协议数据单元——帧
* 在互联网中，网络层协议数据单元就是IP数据报

### 三个基本问题

数据链路层协议有许多种，但是三个基本问题是共同的：

* 封装成帧
* 透明传输
* 差错检测

#### 1. 封装成帧

* 封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧
* **首部和尾部的一个重要作用就是帧定界**，此外，首部和尾部还包括许多必要的控制信息。
* 为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度。但是，每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——**最大数据单元MTU**

当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。

#### 2. 透明传输

* 当传送的帧使用文本文件组成的帧时，不管从键盘上输入什么字符否可以放在这样的帧种传输过去，因此这样的传输就是透明传输
* 这里的“**透明**”是一个很重要的术语。他表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样
* 为了解决透明传输问题，可以使用**字节填充（字符填充）**的方法

#### 3. 差错检测

* 比特在传输过程中可能会产生差错：1变成0，0变成1。这就叫比特差错。比特差错是传输差错中的一种
* 误码率BER：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率
* 目前在数据链路层广泛使用了**循环冗余检验CRC**的检测技术
* 循环冗余检验CRC P76-78
* 仅使用CRC进行差错检测，只能做到对帧的**无差错接受**，但不是**可靠传输**

## 点对点协议PPP

**高级数据链路控制HDLC**，能实现可靠传输，现在很少使用

**点对点协议PPP**则是目前使用得最广泛的数据链路层协议

### PPP协议的特点

* PPP协议是用户计算机和ISP进行通讯时所使用的数据链路层协议
* PPP协议应满足的需求
  1. 简单
  2. 封装成帧
  3. 透明性
  4. 多种网络层协议：PPP协议必须能够在同一物理链路上同时支持多种网络层协议
  5. 多种类型链路
  6. 差错检测
  7. 检测连接状态
  8. 最大传送单元
  9. 网络层地址协商
  10. 数据压缩协商
* PPP协议有三个组成部分
  1. 一个将IP数据包封装到串行链路的方法
  2. 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议
  3. 一套网络控制协议NCP，其中每一个协议支持不同的网络层协议

### PPP协议的帧格式

![]()![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4m1Xm8XoHwo7bf7Wk-DVKPjzubT_VyTcWMnhlib-5nRFJ1XxUVtdtDd6BJIPlrkloQTVL40O3l4ICNJBswJgpUjid3jsp33fCjaWNKt9fSp5ynHT4RyL5S8o3JlTU-FSsmQoqRmC0RlTyjWot6T3JtNwZLvxU-mnwtz7h0hPvbPCXgSTGpTRAjA72cRSoljYyS?width=626&height=263&cropmode=none)

* PPP帧的首部和尾部分别为四个字段和两个字段
* 首部第一个和尾部第二字段F（Flag），规定为0x7E，表示一个帧的开始或结束
* 地址字段A规定为0xFF（11111111），控制字段C规定为0x03(00000011)
* 首部第四个字段时协议字段，如0x0021代表IP数据报，0xC021代表LCP的数据
* 信息部分最大不超过1500字节
* 尾部的第一个字段是使用CRC的帧检验序列FCS

字节填充

RFC1662规定的填充方法：

1. 出现0x7E转变成0x7D,0x5E 即
   7E ----> 7D 5E
2. 出现0x7D，转换为0x7D,0x5D 即
   7D ----> 7D 5D
3. 若出现ASCII码中的控制字符（小于0x20)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节
   03 ----> 7D 23

零比特填充：

只要发现5个连续的1，立即填入一个0

### PPP协议的工作状态

PPP链路的起始和终止状态永远是“链路静止”状态

## 使用广播信道的数据链路层

### 局域网的数据链路层

* 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
* 按网络拓扑进行分类：
  星型网、环状网、总线网
* 共享信道的两种方法：
  * 静态划分信道
  * 动态媒体接入控制
    * 随机接入：可能会产生冲突
    * 受控接入：不能随机发送信息而必须服从一定的控制
      例如多点线路探询（轮询）
* 以太网的两个主要标准
  IEEE 和 DIX Ethernet
* 适配器的作用
  计算机与外界局域网的连接是通过适配器
  注意：计算机的硬件地址在适配的ROM中，而计算机的IP地址在计算机的存储器中

### CSMA/CD协议

* 为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施
  * 采用较为灵活的无连接的工作方式，提供尽最大努力的交付，即不可靠的交付。总线上，在同一时间只能允许一台计算机发送数据。因此，以太网采用协调方式，使用的协议是**载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD**。
  * 以太网发送的数据都使用了曼切斯特编码的信号
* CSMA/CD的要点
  * 多点接入
    就是说明这是总线型网络
  * 载波监听
    也就是“边发送边监听”
  * 碰撞检测
    是适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况
* 在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但是必须边发送边监听信道），因此使用CSMA/CD协议的以太网只能进行双向交替通信（单双工通信）
* CSMA/CD具体过程 p89-p92
  * 以太网使用阶段二进制指数退避
  * 基本退避时间为争用期$2\tau$，即512比特时间
  * 随机数$r$，$k$的取值 $k=Min[重传次数,10]$
  * 当重传达16次仍不成功时，丢弃该帧
  * 强化碰撞：一旦发现了碰撞，继续发送32或48比特的认为干扰信号
  * 以太网还规定了帧间最小间隔$\mu s$，相当于96比特时间

### 使用集线器的星型拓扑

$$
10BASE-T

* “10”代表10Mbit/s
* “BASE”代表连接线上的信号是基带信号
* “T”代表双绞线

特点：

* 使用集线器的以太网逻辑上仍是一个总线网
* 集线器工作在物理层

### 以太网的信道利用率

在以太网中定义了参数$a$，它是以太网单程端到端时延$\tau$与帧的发送时间$T_0$之比：

$$
a=\frac{\tau}{T_0}

当$a\to0$时，表明只要一发生碰撞，就立即可以检测出来，并立即停止发送。参数越大，表明争用期所占的比例越大。因此，以太网的参数$a$的值应该尽可能小一些

以太网的长度受到限制，并且以太网的帧长不能太短

### 以太网的MAC层

#### 1. MAC层的硬件地址

在以太网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址，是固化在适配器的ROM中的地址

发往本站的帧包括以下三种帧：

* 单播帧
* 广播帧
* 多播帧

#### 2. MAC帧的格式

![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mFZJeZ3k9A43PjJrB1AZgKByluuVDJeoo5W3YkP1DCoa_B07ZY_eje4xn3kWRrFdTX3bPrYZ1MR7rXOYPnwmRo30pCCT4rqz1rPodE-3LV7MmaSwcwOxagS3WUOGJb9_iGfLdgc8waZozeqrwR7qYUoPqwKBjs8nbUNt8xhUrM1d_HjbO7WdgIn0pP09OPzBE?width=903&height=367&cropmode=none)

* 数据字段长度46~1500（最小长度64-16）
* 有效的MAC帧长度为64~1518字节

## 扩展的以太网

这种扩展在网络层看来仍然是一个网络

### 在物理层扩展以太网

使用集线器等

### 在数据链路层

* 网桥：对收到的帧根据器MAC帧的目的地址进行转发和过滤
* 交换式集线器（以太网交换机、第二层交换机），工作在数据链路层
* 以太网交换机有自学习功能 P102

### 虚拟局域网

![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4m1en570hwURrxKaUDYQGwuYVnA8j-5NE28XqwJgW8I0yA5DvIzey_ou6yKpSFp0_71l0EzIBk0m_jsnbmZyDi4dPdRKaqjBJW2SXWNGLghjLhSoFF4w2uH9xa0x61vesMF54nZhiKBNFE1hOUCmKuhpLtnvAJcSG_96_VkVVcFAmfqLd4xc7ythU-5sbgiRMm?width=427&height=213&cropmode=none)

* 虚拟局域网VLAN，只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网
* 以太网最长帧变为了1522字节
* 连接两个交换机端口之间的链路称为汇聚链路或干线链路

## 高速以太网

* 100BASE-T以太网
* 吉比特以太网
* 10吉比特以太网

# 第四章 网络层

## 网络层的几个重要概念

### 网络层提供的两种服务

* 虚电路服务
  面向连接的通信方式
  可靠传输：无差错，按序到达终点，不丢失，不重复
* 数据报服务
  无连接的通信方式
  网络层要设计的尽量简单，向其上层提供简单灵活的、灵活的、尽最大努力交付的数据报服务
  网络层不提供服务质量的承诺

### 网络层的两个层面

路由器之间传送的信息有以下两大类：

* 转发源主机和目的主机之间所传送的数据
* 传送路由信息

把网络层抽象地划分为数据层面和控制层面

## 网际协议IP

* 网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一，也是最重要的互联网标准协议之一。
* 与协议IP配套使用的还有三个协议
  * 地址解析协议ARP
  * 网际控制报文协议ICMP
  * 网际组管理协议IGMP

### 虚拟互联网络

* 互联网可以由多种异构网络互联组成
* 将网络相互连接起来需要中间设备，可以有以下四种中间设备
  物理层：转发器
  数据链路层：网桥或桥接器，以及交换机
  网络层：路由器
  网络层以上：网关
* 不需要经过任何路由器是直接交付，相对的是间接交付

### IP地址

* 整个互联网是一个单一的、抽象的网络
* IP地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN分配
* IP地址使用点分十进制表示
* IP地址在整个互联网范围内是唯一的

#### 分类的IP地址

* A、B、C类地址为单播地址
* D类为多播地址
* E类为保留地址

#### 无分类编址CIDR

P125~128

* 无分类域间路由选择CIDR
* IP地址={<网络前缀>,<主机号>}
* CIDR使用“斜线记法”，或称为CIDR记法

CIDR地址中三个特殊的地址块：

1. 前缀$n$=32，没有主机号，这是一个IP地址，用于主机路由
2. 前缀$n$=31，只有两个地址，这个地址块用于点对点链路
3. 前缀$n$=0，即0.0.0.0/0 这是默认路由

#### IP地址的特点

1. 每一个IP地址都由网络前缀和主机号两个部分组成
2. 实际上IP地址标志一台主机或路由器和一条链路的接口
3. 用转发器或交换机连接起来的若干个局域网仍为一个网络
4. 所有分配到网络前缀的网络都是平等的
5. 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络前缀必须是相同的，即拥有相同的网络号
6. 路由器总是具有两个或两个以上的IP地址。即路由器的每个接口的IP地址的网络前缀都不同

### IP地址与MAC地址

* MAC地址是数据链路层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址

### 地址解析协议ARP

* 每台主机都有一个**ARP高速缓存**
* ARP用来解决同一个局域网上的主机和路由器的IP地址和MAC地址的映射问题

### IP数据包的格式

![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mkjg9e8TAH9YkNB0GqgmaKq7Y-lreoWZBWsl9H9dnNsRdmbr2uSfx1YdR0tkZX26b3IeCt3_ePE1v-mQpneC-SwXQXOik3uJgCFHO4moOhJQx30hn--rnSLJ2zZapC70Bf3j3Vg6RN4o8mQ_1cCGAwAZkHTenUciutMH-I1B7QPJQApRfRqbjZFZxLpsfvwD4?width=550&height=265&cropmode=none)

* 描述首部的位宽为32位（4字节）
* 首部固定20字节，可选字段长度可变
* 数据报的最大长度为$2^{16}-1=65535$字节
* 标志
  MF：1表示还有分片，0表示这是最后一个分片
  DF：0允许分片

## IP层转发分组的过程

1. 基于终点的转发
   分组在互联网上传送和转发时基于分组首部中的目的地址，因此这种转发方式称为基于终点的转发。
2. 最长前缀匹配

## 网际控制报文协议ICMP

* ICMP报文有两种：ICMP差错报文和ICMP询问报文
* ICMP差错报文有四种：
  * 终点不可达
  * 时间超过
  * 参数问题
  * 改变路由（重定向）
* ![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4myvT6-ILpmpuBJUuTfw-IM4IwjsQ9Ooktmtl6v80egOVuFMvjncvYuCZlfWuXz3IQmo39gS9VPUqCilTJCfcDN3G_fqF10owlb7jJfP0zq2BjP_ERxGvysidBLkb_AjvGwkmZCXP5UBd3vHjB7FCp81AxhkA_jmDPDFF239nVzYbMpA9J8OlbCxdN9ehjgIHc?width=1300&height=678&cropmode=none)
* 提取收到的数据报的数据字段前8个字节是为了得到运输层的端口号

## IPv6

### IPv6的基本首部

* IPv6首部改为8字节对齐
* 取消了首部长度字段，首部固定长度为40字节
* 取消了检验和字段，加快了路由器处理数据报的速度

### IPv6的地址

三种基本类型地址：

1. 单播
2. 多播
3. 任播：这是IPv6增加的一种类型，任播的终点是一组计算机，但数据包只交付其中的一个

* IPv6使用冒号十六进制记法
* 允许把狮子前面的0省略
* 允许零压缩，即一连串连续的零可以为一对冒号所取代
* CIDR的斜线表示法仍然可用，但是取消了子网掩码

### 从IPv4向IPv6过度

1. 双栈协议
2. 隧道技术

## 互联网的路由选择协议

* 理想的路由算法
* 分层次的路由选择协议
  * 可以把互联网划分为许多较小的自治系统
  * 互联网把路由选择协议划分为两大类
    1. 内部网关协议IGP：RIP和OSPF等
    2. 外部网关协议EGP：BGP-4
  * 自治系统之间的路由选择叫作域间路由选择，内部的路由选择叫作域内路由选择

### 内部网关协议RIP

* 协议RIP是基于距离向量的路由选择协议
* RIP的距离也称为“跳数”，RIP允许一条路径最多只能包含15个网络，因此“距离”等于16时相当于不可达。可见RIP只适用于小型互联网
* 特点：
  * 和相邻路由器交换信息
  * 交换的信息时当前本路由器所知道的全部信息，即自己现在的路由表
  * 按固定的时间间隔交换信息
* 距离向量算法：P160~163
* 好消息传播得快，而坏消息传播得慢

### 内部网关协议OSPF

* 开放最短路径优先OSPF，使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF
* 特点：
  * 使用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送信息
  * 发送的信息时与本路由器相邻的所有路由器的链路状态
  * 当链路发生变化或每隔一段时间，路由器向所有路由器用洪泛法发送链路状态信息
  * 可以建立一个链路状态数据库，即全网的拓扑结构图

### 外部网关协议BGP

P168~178

## IP多播

P179~185

* IP多播需要两种协议
  * 网际组管理协议IGMP
  * 多播路由选择协议
* 多播的转发必须动态地适应多播组成员的变化
* 多播数据包可以由没有加入多播组的主机发出，也可以通过没有组成员接入的网络

## 虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

P185~189

### 虚拟专用网

### 网络地址转换

* 网络地址转换NAT
* 使用端口号的NAT也叫作网络地址与端口号转换NAPT

## 多协议标签交换MPLS

P189~194

## 软件定义网络SDN

P194~200

* 在SDN中，控制时在逻辑上集中式的，是基于流的控制

# 第五章 运输层

运输层是整个网络体系结构中的关键层次结构之一

* 运输层为互相通信的应用进程提供逻辑通信
* 端口和套接字的意义
* 无连接的UDP的特点
* 面向连接的TCP的特点
* 在不可靠的网络上实现可靠传输的工作原理，停止等待协议和ARQ协议
* TCP的滑动窗口

## 运输层协议概述

### 进程之间的通信

* 运输层向它上层的应用层提供通信服务
* 真正进行通信的实体是主机中的进程。是一台主机中的应用进程和另一台主机中的应用进程在交换数据
* 通信的两端应当是两个主机中的应用进程
* 网络层为主机之间的通信提供服务，而运输层则在网络层的基础上，为应用进程之间的通信提供服务
* 采用TCP协议时，尽管下面的网络时不可靠的，但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠通信
* 采用UDP协议时，这种逻辑通信信道仍然时一条不可靠信道

### 运输层的两个主要协议

* 用户数据报协议UDP
* 传输控制协议TCP
* OSI中，两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作传输协议数据单元TPDU
* TCP/IP体系中，根据使用的协议，分别称为TCP报文段和UDP报文段
* TCP提供面向连接的服务

### 运输层的端口

1. 服务器使用的端口号
   * 熟知端口号：0~1023
   * 登记端口号：1024~49151
2. 客户端使用的端口
   * 短暂端口号：49152~65535

## 用户数据报协议UDP

### UDP概述

* UDP是无连接的
* UDP使用尽最大努力交付
* UDP是面向报文的
* UDP没有拥塞控制
* UDP支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信
* UDP首部开销小

### UDP首部格式

![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mdbMuyPzlOX5XedHAnToZxrUxzTFDJRL5gWQ2IO2shkyASr6vfQMEM3AwfA_maP30KjDLB5JV-LFXXDfUE723U0wYTg6LC9UKV0STFVIYYUmzTpoH2aJKpnJ5Y6IpEY2Nk9m3ZJEYon8hjAfLWZjmzlF9cDQbgm2Ipxu2FsK9bbyeMWthueAStPfaJqNqFWVq?width=474&height=329&cropmode=none)

UDP有两个字段：数据字段和首部字段，首部字段仅8个字节，由四个字段组成，每个字段的长度是2字节

1. 源端口
2. 目的端口
3. 长度：最小值为8（仅有首部）
4. 检验和

* 添加伪首部用来计算检验和
* UDP的检验和是把首部和数据部分一起都检验

## TCP传输控制协议

### TCP最主要的特点

* TCP是面向连接的运输层协议
* 每条TCP连接只能有两个端点
* TCP提供可靠交付的服务
* TCP提供全双工通信
* 面向字节流。“流”指流入到进程或从进程流出的字节序列

### TCP的连接

* TCP连接的端点叫作套接字（插口）
  $$
  套接字socket=(IP地址:端口号)

$$
* 每一条TCP连接唯一地被通信两端的两个端点所确定
  $$
  TCP连接::={{socket}_1,{socket}_2}={({IP}_1:port):({IP}_2:port)}

## 可靠传输的工作原理

### 停止等待协议

1. 无差错情况
2. 出现差错
3. 确认丢失和确认迟到
4. 信道利用率

### 连续ARQ协议

P224~225

## TCP报文段的首部格式

![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mY8lrkyGIdLSkWY1eS8xrpe6RUv2yLH2zaykspNtM5xx8n_0P96uMQKy_rYmCctWoCB1cKOHAAvBNjsACsa1ytQpHJtGc4FIz_o6tQ4xCEmkZuTZblyVyLOwYcsLJn3-NR4-kfV1jH5kwWj9Ce5QPZ28AKMn7MJqM3rzej_al9RlQbKsmmDvTTldYf3le41BG?width=1550&height=1070&cropmode=none)

* TCP报文段前20个字节是固定的，后面$4n$字节是根据需要而增加的选项

P225~229

* 确认号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号
* 确认ACK：仅当ACK=1时确认号字段才有效，ACK=0时确认号无效
* 窗口：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一句
* 最大报文段长度MSS：每一个TCP报文段中的数据字段的最大长度
  MSS的默认值时536，报文段的总长度（TCP首部）536+20=556

## TCP可靠传输的实现

### 以字节为单位的滑动窗口

P229~233

### 超时重传时间的选择

* 加权往返时间${RTT}_S$，第一次测量取${RTT}_S=RTT$

$$
  新的{RTT}_S=(1-\alpha)\times 旧的{RTT}_S+\alpha \times 新的RTT

$\alpha$的推荐值为1/8
* $RTT$的偏差的加权平均值${RTT}_D$，第一次测量取${RTT}_D=RTT/2$

$$
  新的{RTT}_D=(1-\beta)\times 旧的{RTT}_D+\beta \times |{RTT}_S-新的RTT|

$\beta$的推荐值为1/4
* 超时重传时间RTO

$$
  RTO={RTT}_S+4\times {RTT}_D

## TCP的拥塞控制

### 拥塞控制一般原理

P238~241

### TCP的拥塞控制方法

* TCP进行拥塞控制的算法有四种
  * 满开始
  * 拥塞避免
  * 快重传
  * 快恢复

## TCP的运输连接管理

### TCP的连接建立

P247~250

# 第六章

* 最主要的特征：客户是服务请求方，服务器是服务提供方

## 域名系统DNS

* 使用UDP，端口53（当然现在也有DoH和DoT，分别是443和853，暂且不论）
* 查询方式：
  * 递归查询
  * 迭代查询

## 文件传输协议

* FTP基于TCP，主进程21，从属进程20
* TFTP基于UDP，端口69

## 万维网

* 统一资源定位URL
  $$
  协议://主机名:端口/路径

$$
* 超文本传输协议HTTP，TCP端口80
  HTTP是无状态的
* 超文本标记语言HTML
* 可扩展标记语言XML

## 电子邮件

* 由三个主要组件构件：用户代理，邮件服务器，邮局协议
  * 邮件发送协议 ：简单邮件传送协议SMTP
  * 邮件读取协议 POP3 IMAP
* 邮件不会在互联网中的某个中间邮件服务器落地
* 通用互联网邮件扩充MIME

## 动态主机配置协议DHCP

* 互联网广泛使用动态主机配置服务DHCP
* 提供一种机制：即插即用连网
* 服务器使用67，客户使用68

# 总结

## 概念

* ARP 地址解析协议
* ICMP 网际控制报文协议
* IGMP 网际组管理协议
* CSMA/CD 载波监听多点接入/碰撞检测
* UDP 用户数据报协议
* TCP 传输控制协议
* 内部网关协议IGP： OSPF RIP
* 外部网关协议EGP：BGP-4
* VPN 虚拟专用网
* NAT 网络地址转换
* SDN 软件定义网络
* STMP 简单邮件传送协议
* POP3 邮局协议第三个版本
* IMAP 网际报文存取协议
* HTTP 超文本传送协议
* HTML 超文本标记语言
* DNS 域名解析服务
* ![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mFZJeZ3k9A43PjJrB1AZgKByluuVDJeoo5W3YkP1DCoa_B07ZY_eje4xn3kWRrFdTX3bPrYZ1MR7rXOYPnwmRo30pCCT4rqz1rPodE-3LV7MmaSwcwOxagS3WUOGJb9_iGfLdgc8waZozeqrwR7qYUoPqwKBjs8nbUNt8xhUrM1d_HjbO7WdgIn0pP09OPzBE?width=903&height=367&cropmode=none)
* ![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mkjg9e8TAH9YkNB0GqgmaKq7Y-lreoWZBWsl9H9dnNsRdmbr2uSfx1YdR0tkZX26b3IeCt3_ePE1v-mQpneC-SwXQXOik3uJgCFHO4moOhJQx30hn--rnSLJ2zZapC70Bf3j3Vg6RN4o8mQ_1cCGAwAZkHTenUciutMH-I1B7QPJQApRfRqbjZFZxLpsfvwD4?width=550&height=265&cropmode=none)
* ![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mdbMuyPzlOX5XedHAnToZxrUxzTFDJRL5gWQ2IO2shkyASr6vfQMEM3AwfA_maP30KjDLB5JV-LFXXDfUE723U0wYTg6LC9UKV0STFVIYYUmzTpoH2aJKpnJ5Y6IpEY2Nk9m3ZJEYon8hjAfLWZjmzlF9cDQbgm2Ipxu2FsK9bbyeMWthueAStPfaJqNqFWVq?width=474&height=329&cropmode=none)
* ![image.png](https://snz04pap001files.storage.live.com/y4mY8lrkyGIdLSkWY1eS8xrpe6RUv2yLH2zaykspNtM5xx8n_0P96uMQKy_rYmCctWoCB1cKOHAAvBNjsACsa1ytQpHJtGc4FIz_o6tQ4xCEmkZuTZblyVyLOwYcsLJn3-NR4-kfV1jH5kwWj9Ce5QPZ28AKMn7MJqM3rzej_al9RlQbKsmmDvTTldYf3le41BG?width=1550&height=1070&cropmode=none)

## 题目

* 协议：**语法**、**语义**、**同步**
* 计算机网络系统由负责**信息传输**的**通信子网**和负责**信息处理**的**资源子网**组成
* 数据通信系统：**源系统**、**传输系统**、**目的系统**
* 数据链路层三个主要问题：**封装成帧**、**透明传输**、**差错检测**
* 三种典型的拓扑结构：**环性**、**星型**、**总线型**
* 常用三种有线媒介：**双绞线**、**同轴电缆**、**光缆**
* 调制前的信号：**基带信号**，调制后的信号：**模拟型号**

最后修改：2022 年 06 月 03 日

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