[网络协议] 计算机网络

文章目录

一、计算机网络体系结构
二、物理层
三、数据链路层
四、网络层
五、传输层
六、应用层

一、计算机网络体系结构

（一）计算机网络概述

1、计算机网络的概念、组成与功能

概念：
计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

组成：
1、从组成部分来看：
一个完整的计算机网络主要由硬件、软件和协议三大部分组成，缺一不可。
2、从工作方式上：
边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行同行（传送数据、音频或视频）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。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

2、计算机网络的分类

广域网（WAN）
城域网（MAN）
局域网（LAN）
个人区域网（PAN）

3、计算机网络主要性能指标

（二）计算机网络体系结构与参考模型

1、计算机网络分层结构

2、计算机网络协议、接口、服务等概念

协议：
是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。

服务：
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

接口：
在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交互信息）的地方，通常称为服务访问点SAP。

3、ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

二、物理层

（一）通信基础

1、信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念

信道：
信号的传输媒介。信道和电路并不等同，信道一般都是用来表示向某一个方向传性息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道。
从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：
（1）单向通信：又称为单工通信，即只能由一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
（2）双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
（3）双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

信号： 是数据的电器或电磁的表现
根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可以分为以下两大类“
（1）模拟信号，或连续信号
（2）数字信号，或离散信号

带宽： 表示再单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的”最高数据率“，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

码元： 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只又两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

速率： 指计算机网络中的主机在数字信道上，单位时间内从一端传送到另一端的数据量，即数据传输率，也称数据率或比特率。

2、奈奎斯定理与香农定理

3、编码与调制

编码：
不归零制
归零制
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码

4、电路交换、报文交换与分组交换

电路交换： 必须经过“建立连接（占用通信资源）-> 通话（一直占用通信资源）-> 释放连接（归还通信资源）” 三个步骤的交换方式。重要突然点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。 整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。

报文交换： 基于存储转发原理。整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找传发表，转发到下一个结点。

分组交换： 分组交换采用存储转发技术。把较长的报文划分称为一个个更小的等长数据段，在每个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，构成一个分组。每一个分组在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输地终点。 单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

5、数据报文与虚电路

（二）传输介质

1、双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

双绞线： 双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP，适合于短距离通信。非屏蔽双绞线价格便宜，传输速率偏低，抗干扰能力差。屏蔽双绞线抗干扰能力较好，具有更高地传输速率，但价格相对较贵。
同轴电缆： 同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合）、绝缘层、网状编织地外导体屏蔽层（也可以是单股地）以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层地作用，同轴电缆具有很好地抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率地数据。
光纤： 光纤是光纤通信地传输媒介。利用光导纤维传递到光脉冲来进行通信，带宽范围大，由纤心、包层组成，光波通过纤心进行传导，适合远距离传输。
无线传输介质：
无线电波
微波
红外线

2、物理层接口的特性

（三）物理层设备

1、中继器

中继器是连接网络线路地一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器主要完成物理层的功能， 负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调制和放大功能，以此来延长网络的长度。

2、集线器

集线器只工作在物理层，它的每个接口仅简单的转发比特，不进行碰撞检测（由各站的适配器检测），基本上不具有类似于交换机的“智能记忆”和“学习”能力。它也不具备交换机所具有的MAC地址表，所以它发送数据时嗾使没有针对性的，而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的节点，而是把数据包发送到与集线器相连的所有结点。

【交换机： 以太网交换机通常都有多个接口。每个接口都有直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连。一般都工作在全双工方式。具有并行性，能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，无碰撞。工作在数据链路层（也包括物理层），收到帧后，在地址表中查找帧的目的MAC地址所对应的接口号，然后通过该接口转发帧。是一种即插即用设备，其内部的地址表是通过自学习算法自动逐渐建立起来的。】

三、数据链路层

（一）数据链路层的功能

1、成帧（帧同步）----将数据组合成数据快，分装成帧
2、差错控制
3、流量控制
4、链路控制
5、MAC寻址
6、区分数据和控制信息
7、透明传输

（二）组帧

数据链路层将比特组合成帧作为传输单位，是为了在出错时只重发出错的帧，而不必重发所有数据，为了能使接收方能正确的接收并检查所接收的帧，发送方必须依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧（即组帧）。组帧主要解决帧定界，帧同步，透明传输等问题，通常使用字符计数法，字符填充的首尾定界符法，比特填充的首尾标志法，违规编码法 4种方法。

字符计数法： 帧首部使用一个计数字段（第一个字节，八位）来标明帧内字节数。当目的结点接收到字节计数值时就知道后面跟随的字节数，从而可以确定帧结束的位置（计数字段提供的字节数包含自身所占用的一个字节）。这种方法最大的问题，如果计数字段出现了错误，即失去了帧边界划分的依据，接收方就无法判断所传输帧的结束位和下一帧的开始位，收发双方将失去同步。

字符填充法： 字符填充法使用一些特定的字符来定位一帧的开始与结束。为了不使信息位中出现的特殊字符被误判为帧的首尾定界符，可以在特殊定位符前面填充一个转义字符来区分（转义字符是ASCII码中的控制字符，是一个字符）。接收方收到数据后会自己删除这个插入的转义字符，结果得到的依旧是原来的数据。

比特填充法： 比特填充法允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个字符的编码包含任意个数的比特。它使用一个特定的比特模式，即01111110来标志一个帧的开始和结束。为了不使信息位中出现比特流01111110被误判为帧的首尾标志，发送方的数据链路层在信息位遇到5个1则会自动在后面插入一个0；而接收方做该过程的逆操作，即每收到5个连续的1时，则自动删除后面紧跟着的0，以恢复原信息。比特填充容易用硬件实现，性能优于字符填充方法

违规编码法： 在物理层比特编码时通常采用违规编码法，例如曼彻斯特编码方式，将’1’编码成“高-低”电平对，将数据比特’0’编码成“低-高”电平对。而“高-高”电平对和“低-低”电平对在数据比特是违规的（即没有采用）。可以利用这些违规编码来定界帧的起始和终止。局域网中IEEE 802就采用了这种方法。

违规编码法不需要采用任何填充计数，便能实现数据传输的透明性，但他只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。由于字节计数法中计数字段的脆弱性和字符填充法实现的复杂性与不兼容性，目前较常用的组帧方法是比特填充法和违规编码法。

（三）差错控制

1、检错编码

2、纠错编码

（四）流量控制与可靠传输机制

1、流量控制、可靠传输与滑轮窗口机制

流量控制： 就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
可靠传输： 数据不丢失，不出错，不失序。TCP协议。
滑轮窗口机制： 滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻，发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时，接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样，甚至大小也可以不同。不同的滑动窗口协议窗口大小一般不同。发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送，但是还没有被确认的帧，或者是那些可以被发送的帧。

2、停止——等待协议

停止等待就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。

3、后退N帧协议（GBN）

4、选择重传协议（SR）

（五）介质访问控制

1、信道划分：频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用的概念和基本原理

频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用：所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
波分复用：即光的频分复用。一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。

2、随机访问：ALOHA协议，CSMA协议，CSMA／CD协议，CSMA／CA协议

3、轮询访问：令牌传递协议

（六）局域网

1、局域网的基本概念与体系结构

2、以太网与IEEE802.3

3、IEEE802.11

4、令牌环网的基本原理

（七）广域网

1、广域网的基本概念

2、PPP协议

3、HDLC协议

（八）数据链路层设备

1、网桥的概念和基本原理

2、局域网交换机及其工作原理

四、网络层

（一）网络层的功能

1、异构网络互联

2、路由与转发

3、拥塞控制

（二）路由算法

1、静态路由与动态路由

2、距离——向量算法

3、链路状态路由算法

4、层次路由

（三）IPv4

1、IPv4分组

2、IPv地址与NAT

3、子网划分，路由聚集，子网掩码，CIDR

4、ARP协议，DHCP协议与ICMP协议

（四）IPv6

1、IPv6的主要特点

2、IPv6地址

（五）路由协议

1、自治系统

2、域内路由与域间路由

3、RIP路由协议

4、OSPF路由协议

5、BGP路由协议

（六）IP组播

1、组播的概念

2、IP组播地址

（七）移动IP

1、移动IP的概念

2、移动IP的通信过程

五、传输层

（一）传输层提供的服务

1、传输层的功能

2、传输层寻址与端口

3、无连接服务与面向连接服务

（二） UDP协议

1、UDP数据报

2、UDP校验

（三）TCP协议

1、TCP段

2、TCP连接管理

3、TCP可靠传输

4、TCP流量控制与拥塞控制

六、应用层

（一）网络应用模型

1、客户/服务器模型

2、P2P模型

（二）DNS系统

1、层次域名空间

2、域名服务器

3、域名解析过程

（三）FTP

1、FTP协议的工作原理

2、控制连接与数据连接

（四）电子邮件

1、电子邮件系统的组成结构

2、电子邮件格式与MIME

3、SMTP协议与POP3协议

（五）WWW

1、WWW的概念与组成

万维网WWW并非某种特殊的计算机网络。它是一个大规模的、联机式的信息储藏所，是运行在因特网上的一个分布式应用。万维网利用页面之间的超链接将不同网站的页面连接成一张逻辑上的信息网。

万维网的3大基本组成：统一资源定位符URL、超文本传输协议HTTP、超文本标记语言HTML。