计算机网络知识笔记

第一章 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络的分类

(1)按分布范围分类：广域网、城域网、局域网、个人区域网；

(2)按拓扑结构分类：星形网络、总线型网络、环形网络、网状型网络；

总线拓扑结构 是将网络中的所有设备通过相应的硬件接口直接连接到公共总线上，结点之间按广播方式通信，一个结点发出的信息，总线上的其它结点均可“收听”到。

优点：结构简单、布线容易、可靠性较高，易于扩充，节点的故障不会殃及系统，是局域网常采用的拓扑结构。

缺点：所有的数据都需经过总线传送，总线成为整个网络的瓶颈;出现故障诊断较为困难。另外，由于信道共享，连接的节点不宜过多，总线自身的故障可以导致系统的崩溃。最著名的总线拓扑结构是以太网(Ethernet)。

星型拓扑结构 是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。这种结构适用于局域网，特别是近年来连接的局域网大都采用这种连接方式。这种连接方式以双绞线或同轴电缆作连接线路。

优点：结构简单、容易实现、便于管理，通常以集线器(Hub)作为中央节点，便于维护和管理。

缺点：中心结点是全网络的可靠瓶颈，中心结点出现故障会导致网络的瘫痪。

环形拓扑结构 各结点通过通信线路组成闭合回路，环中数据只能单向传输，信息在每台设备上的延时时间是固定的。特别适合实时控制的局域网系统。

优点：结构简单，适合使用光纤，传输距离远，传输延迟确定。

缺点：环网中的每个结点均成为网络可靠性的瓶颈，任意结点出现故障都会造成网络瘫痪，另外故障诊断也较困难。最著名的环形拓扑结构网络是令牌环网(Token Ring)

树型拓扑结构 是一种层次结构，结点按层次连结，信息交换主要在上下结点之间进行，相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。

优点：连结简单，维护方便，适用于汇集信息的应用要求。

缺点：资源共享能力较低，可靠性不高，任何一个工作站或链路的故障都会影响整个网络的运行。

网状拓扑结构 又称作无规则结构，结点之间的联结是任意的，没有规律。

优点：系统可靠性高，比较容易扩展，但是结构复杂，每一结点都与多点进行连结，因此必须采用路由算法和流量控制方法。目前广域网基本上采用网状拓扑结构。

(3)按传输技术分类广播式网络、点对点网络；

(4)按使用者分类公用网、专用网；

(5)按数据交换技术分类电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络；

1.2 计算机网络的功能

数据通信：计算机网络最基本和最重要的功能，包括连接控制、传输控制、差错控制、流量控制、路由选择、多路复用等子功能；

资源共享：包括数据资源、软件资源以及硬件资源；

分布式处理：当计算机网络中某个计算机系统负载过重时，可以将其处理的任务传送给网络中的其他计算机系统进行处理，利用空闲计算机资源提高整个系统的利用率；

信息综合处理：将分散在各地计算机中的数据资料进行集中处理或分级处理；

负载均衡：将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机；

提高可靠性：计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机。

1.3 计算机网络的组成

1.4 计算机网络的性能指标

(1)时延：发送时延(传输时延)+传播时延+处理时延+排队时延;

(2)时延带宽积:传播时延x带宽;

(3)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消息为止

(4)利用率:信道利用率（某信道有百分之几的时间时被利用的）+网络利用率（全网络的信道利用率的平均值）。

OSI模型

相同点：

1 都分层

2 基于独立的协议栈的概念

3 可以实现异构网络互联

2.2 信号 信源 信宿 信道

2.6 香农定理

公式：

Cmax=W?log2(1+S/N)(bit/s)

其中，W为信道的带宽，S/N为信噪比。 想要提高信息的传输速率，需要增大信噪比或者提高带宽（注意：仅仅提高改善编码不可能超过香农公式算出的速率）。

2.7 数据传输方式

1、电路交换：在通信之前，通信双方建立一条被双方独占的物理通路。

优点：

1)通信时延小；2)实时性强；3)有序传输；4)使用范围广（数字/模拟信号均可传输）；

5)控制简单；6)避免冲突。

缺点：

1)建立连接时间长；2)信道利用率低；

3)缺乏统一标准(电路交换时，数据之大，不同规格终端难以相互通信，也很难进行差错控制)；

4)灵活性差（任一节点出错都需要建立新的连接）。

2、报文交换：数据交换的单位是报文，报文携带目的地址、源地址等信息；报文交换在交换节点时采用存储转发方式。

优点：

1)无需建立连接(因此不存在连接时延)；

2）动态分配线路；

3）提高了可靠性；

4)提高线路利用率；

5)提供多目标服务（一个报文可以发送到多个目的地址）。

缺点：

1)由于数据进入交换节点后要经理存储、转发这一过程，从而引起转发时延；

2)报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络节点有大量的存储缓存空间。

【注】：报文交换主要用于早起的电报通信网中，现在被较先进的分组交换方式取代。

3、分组交换：仍采用存储转发方式，但将一个长报文先分割为若干较短的分组，然后逐个转发分组（每个分组都携带目的地址、源地址和编号信息）。

优点：

1)加速传输（分组是逐个传输的，所以可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行；传输一个分组所需缓冲区较小，因此因缓冲区不足而等待发送的概率以及等待时间也会减小）；

2)简化了存储管理（分组长度固定，相应缓冲区大小也固定）；

3)减少了出错概率和重发数据量(因为分组较短，所以出错概率也较小，这样既提高了可靠性，又降低了传输时延)；

缺点：

1)存在传输时延（尽管比报文交换的传输时延少，但相对于电路交换，仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力）；

2)当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组的现象，分组到达目的节点时，要重排，很麻烦；若采用虚电路服务，虽无失序问题，单有呼叫建立、数据传输和虚电路释放3个过程。

2.8 分组交换的方式

无连接的数据报方式、面向连接的虚电路方式。

1、数据报:

1)发送分组前无需建立连接；

2)网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，可能乱序或丢失；

3)在具有多个分组的报文中，交换机尚未接收完第二个分组，已经收到的第一个分组就可以转发出去，不仅减小了延迟，而且大大提高了吞吐量；

4)当某一台交换机或一段链路故障时，可相应地更新转发表，寻找到另一条替代路径转发分组，对故障适应能力强；

5)发送方和接收方不独占某一链路，所以资源利用率高。

2、虚电路:发送数据之前，在源主机和目的主机之间建立一条虚连接(逻辑上的连接)。

1）用户之间必须建立连接，数据传输过程中不再需要寻找路径，相对数据报方式开销小；

2)分组走相同路径，故按序到达；

3）分组首部并不包含目的地址，而是包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小；

4)当某个交换机或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该交换机或该链路的虚电路将遭到破坏。

第三章 数据链路层

3.1 数据链路层的功能

数据链路层在物理层所提供的服务的基础上向网络层提供服务，即将原始的、有差错的物理线路改进成逻辑上无差错的数据链路，从而向网络层提供高质量的服务，包括3种：无确认的无连接服务、有确认的无连接服务和有确认的有连接服务（没有无确认的有连接服务）

链路管理：用于面向连接的服务；

帧同步：位置和结束位置；

差错检测：方发送的数据；

透明传输：不管数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上发送；

冗余编码

循环冗余码

频分多路复用 FDM

给每个信号分配唯一的载波频率并通过单一媒体来传输多个独立信号的方法。

时分多路复用 TDM

把多个信号复用到单个硬件传输信道，它允许每个信号在一个很短的时间使用信道，接着让下一个信号使用。

波分多路复用 WDM

就是光的频分复用，用一根光纤同时传输多个频率很近的光载波信号。

码分多路复用 CDM

码分复用技术是用一组包含相互正交的码字的码组携带多路信号。

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于个用户使用经过特殊挑选的不同码型，各用户之间不会造成干扰，因此这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。

3.5 随机访问介质控制

随机访问介质访问控制（动态划分信道–>随机接入）

【注1】动态划分信道包括随机接入和受控接入

【注2】随机访问介质访问控制又称争用型协议，因为其核心思想是通过争用，胜利者才可以获得信道，主要有4种协议：

ALOHA协议：当网络中的任何一个结点发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。如果在一段时间内没有收到确认，该结点就认为传输过程中发生了冲突。发生冲突的结点需要等待一个随机的数据后再次发生数据。直到发送成功。 缺点：信道利用率不理想 改进:时分ALOHA：所有结点的时间被划分为间隔相同的时隙，并规定每个节点只有当下一个时隙到来时才可以发送数据。

载波侦听多路访问(CSMA)协议： 每个节点在发送数据之前，使用载波侦听技术来判定通信信道是否空闲，

常用3种策略：

1-坚持CSMA：一旦监听到信道空闲立即发送数据，否则继续监听；

p-坚持CSMA：一旦监听到信道空闲，以概率p发送数据，以概率（1-p）延迟一段时间并重新监听；

非坚持CSMA：一旦监听到信道空闲，便立即发送数据，否则延迟一段随机时间再重新监听。

带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议：

策略：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发。

争用期：以太网端到端的往返时延，又称冲突窗口或者碰撞窗口。只有经过争用期这段时间还没有检测到冲突，才能肯定这次发送不会发生冲突。

CSMA/CA协议： 在CSMA基础上增加了冲突避免功能。主要用在无线局域网中。 冲突避免要求每个结点在发送数据之前监听信道，若信道空闲，则发送数据。发送完一个帧后，必须等待一段时间，检查接收方是否发回了帧确认，若收到则继续发送，否则表明出现冲突，重发该帧。

轮询访问介质访问控制（动态划分信道–>受控接入）

用户不能随意地发送信息，而是通过一个集中控制的监控站经过轮询过程后再决定信道的分配。典型的轮询访问介质访问控制协议就是令牌传递协议。

4.3 路由选择协议

(1) RIP(内部网关协议)：

基于距离-向量算法，仅和相邻路由器交换信息，交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，按照固定时间间隔交换路由信息。

优点：实现简单，开销小，收敛速度快。

缺点：限制了网络规模（16不可达）；由于路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，所以随着网络规模扩大开销也变大；坏消息传播的慢，此时收敛时间长。

(2) OSPF（内部网关协议）：

基于链路状态协议，使用洪泛法（一传十，十传百）向本自制系统内的所有路由器发送信息，只有当链路状态改变时才更新。

(3) BGP(外部网关协议)：

基于路径-向量协议，自治系统之间路由器交换信息时使用这个。

4.6 ARP

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题的

ARP的4种典型情况总结：

1）主机→主机（本网络）：用ARP找到目的主机的硬件地址

2）主机→主机（另一个网络）：用ARP找到本网络的一个路由器的硬件地址，之后的工作交由此路由器完成

3）路由器→主机（本网络）：用ARP找到目的主机的硬件地址

4）路由器→主机（另一个网络）：用ARP找到本网络的一个路由器的硬件地址，之后的工作交由此路由器完成

在每个主机中都有一个ARP高速缓存，里面存放的是所在局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表，ARP的职责就是动态的维护该表。 ARP请求分组是广播发送的，但ARP响应分组是普通的单播。

4.7 DHCP 动态分配地址

常用于给主机动态的分配IP地址，提供了即插即用的连网机制，允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与。 DHCP是应用层协议，DHCP报文使用UDP传输。 DHCP服务

第五章 传输层

5.1 传输层的功能

对整个传输层而言的功能：

(1)提供应用进程间的逻辑通信(网络层提供主机之间的逻辑通信)；

(2)对收到的报文的首部和数据部分进行差错检测(网络层只检查IP 数据报首部)；

(3)提供无连接(UDP)或面向连接(TCP)的服务；

(4)复用和分用：复用是指发送方不同的进程都可以使用同一个传输层协议传送数据，分用是指接收方的传输层在剥去报文的首部后能够把这些数据正确交付到目的应用进程。

此外对于面向连接的服务还有以下功能：

(1)连接管理，如TCP的3次握手（通常把连接的定义和建立的过程称为握手）;

(2)流量控制和拥塞控制。

5.2 软件端口和硬件端口

软件端口就是传输层服务访问点，是应用层的各种协议进程与传输实体进行层间交互的一种地址；

而硬件端口是指不同硬件设备进行交互的接口(如交换机和路由器的端口)。

端口号，用大量端口号标识一台主机在某一时刻的网络应用进程。

主要有3类端口号：熟知端口、登记端口、客户端端口或短暂端口。

套接字，唯一标识了网络中的某台主机上的某个应用进程，套接字=（主机IP地址，端口号）。IP地址找主机，端口号找进程。

5.3 无连接服务与面向连接服务

TCP->传输层向上提供一条全双工的可靠逻辑信道

UDP->传输层向上提供一条不可靠的逻辑信道

5.1 UDP的特点:

(1)传送数据前不需要建立连接，数据到达后也无需确认；

(2)不可靠交付；

(3)报文头部短，传输开销小，时延较短。

5.2 TCP的特点

(1)面向连接，不提供广播或多播服务；

(2)可靠交付；

(3)报文段头部长，传输开销大。

5.4 UDP

（1）连接的建立 – – – 三次握手seq为序号字段，标明本次报文段数据部分的第一个字节的序号ack是确认号字段，告诉对方我接下来应该接收的数据是从字节序号ack开始的数据ACK是确认位,0时确认号字段ack无效，1时确认号字段ack有效SYN是同步位

第一步:客户机的TCP首先向服务器的TCP发送一个连接请求报文段。这个特殊的报文段中不含应用层数据，其首部中的SYN标志位被置为1。另外，客户机会随机选择一个起始序号 seq= x(连接请求报文不携带数据，但要消耗一个序号)。

第二步:服务器的TCP收到连接请求报文段后，如同意建立连接，就向客户机发回确认，并为该TCP连接分配TCP缓存和变量。在确认报文段中，SYN和ACK位都被置为1,确认号字段的值为x+ 1, 并且服务器随机产生起始序号seq = y(确认报文不携带数据,但也要消耗-一个序号)。确认报文段同样不包含应用层数据。

第三步:当客户机收到确认报文段后，还要向服务器给出确认，并且也要给该连接分配缓存和变量。这个报文段的ACK标志位被置1,序号字段为x+1,确认号字段ack=y+ 1。该报文段可以携带数据，若不携带数据则不消耗序号。成功进行以上三步后，就建立了TCP连接，接下来就可以传送应用层数据。TCP提供的是全双工通信，因此通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。

服务器端的资源是在完成第二次握手时分配的而客户端的资源是在完成第三次握手时分配的，这就使得服务器易于受到SYN洪泛攻击。

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来源：海绵宝宝的菠萝屋*