[网络协议]“新华三杯“--计算机网络备赛-01(基础部分)

前言.

整理出来关于计算机网络基本概念和新华三杯考纲相关内容均来源于网络,教科书,经过本人考究,但还是不能避免犯错.,如有错误还望大家指正!

推荐在编辑本文发现的干货博主 T0级 No.1 No.2
在发现这些宝藏博主后,我一度想放弃编辑这篇文章,因为他们写的太好了.但是自己也辛苦记录了很久,又不舍得放弃.忽然想起我的初衷是针对于新华三杯写的关于计算机网络内容. 有些人可能对于一些学习科普存在偏见.特别是有宁上维基不上baidu的.也有说本平台cx 水文严重的.仔细想想,随着互联网的发展这些是必然存在的,当然这绝不是主流!因此我想在此声明,我并非原创.很多内容都是来自计网领域的各位大咖.我仅仅是将他们的知识汇总,做为自己的学习笔记并向大家分享.因此我会在每一处的引用注明出处.
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索. 各位读者共勉!

一、计算机网络基础知识

1.1.1计算机网络基本概念

计算机网络基本概念:由若干节点和连接这些节点的链路组成.把分布在不同地点，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来.

1.1.2网络的组成

1.1.3网络的组成

网络的组成 从工作方式来看:可以分为边缘部分和核心部分

数据交换部分来源:原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_42449534/article/details/96615313

1.2.1网络的拓扑类型

网络的拓扑概念: 指用传输介质互连各种设备的物理布局。
最基本的网络拓扑结构有：环形拓扑、星形拓扑、总线拓扑三个(还有树型结构、网状结构、蜂窝状结构以及混合型结构等)。

1.2.2 节点,结点,链路,通路

在设计网络拓扑结构时，我们经常会遇到如“节点”、“结点”、“链路”和“通路”这四个术语。它们到底各自代表什么，它们之间又有什么关系呢？
（1） 节点
一个“节点”其实就是一个网络端口。节点又分为“转节点”和“访问节点”两类。“转节点”的作用是支持网络的连接，它通过通信线路转接和传递信息，如交换机、网关、路由器、防火墙设备的各个网络端口等；而“访问节点”是信息交换的源点和目标点，通常是用户计算机上的网卡接口。如我们在设计一个网络系统时，通常所说的共有××个节点，其实就是在网络中有多个要配置IP地址的网络端口。
（2）结点
一个“结点”是指一台网络设备，因为它们通常连接了多个“节点”，所以称之为“结点”。在计算机网络中的结点又分为链路结点和路由结点，它们就分别对应的是网络中的交换机和路由器。从网络中的结点数多少就可以大概知道你的计算机网络规模和基本结构了。
（3）链路
“链路”是两个节点间的线路。链路分物理链路和逻辑链路（或称数据链路）两种，前者是指实际存在的通信线路，由设备网络端口和传输介质连接实现；后者是指在逻辑上起作用的网络通路，由计算机网络体系结构中的数据链路层标准和协议来实现。如果链路层协议没有起作用，数据链路也就无法建立起来。
（4）通路
“通路”从发出信息的节点到接收信息的节点之间的一串节点和链路的组合。也就是说，它是一系列穿越通信网络而建立起来的节点到节点的链路串连。它与“链路”的区别主要在于一条“通路”中可能包括多条“链路”。
— 谢希仁．计算机网络（第7版）：电子工业出版社，2017年01月

1.2.3 星型拓扑结构

它具有如下特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于建网；网络延迟时间较小，传输误差较低。
但缺点也是明显的：成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差。

1.2.4 环形拓扑

优点：结构简单，适合使用光纤，传输距离远，传输延迟确定。 --csdn用户 wcycn
环路是封闭的，不便于扩充；可靠性低，一个节点故障，造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。-baidu百科

1.2.5 总线结构

优点是结构简单，可扩充性好。缺点是维护难、单点的结构可能会影响全网络。

其他拓扑结构详情此处

1.3.1 性能指标

性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能。下面介绍常用的七个性能指标。

1.速率:网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是bit/s.主要指额定速率或标称速率.
2.带宽:带宽本来是指某个信号具有的频带宽度(频域)。在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。(时域)
主要指最高速率,区别于速率概念.
3.吞吐量:吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际的数据量.
4.时延:是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间.包含发送时延和传播时延,处理时延,排队时延.
计算机网络 第七版 谢希仁

5.时延带宽积:把以上讨论的网络性能的两个度量—传播时延和带宽—相乘即为时延带宽积.表示链路中单位体积的数据量.
6.往返时间RTT:双向交互传输时间的指标.可以计算出数据的有效率.
7.利用率:利用率有信道利用率和网络利用率两种.
计算机网络 第七版 谢希仁

二、TCP/IP与OSI模型

TCP/IP模型模型体系结构标准: 定义了多个不同网络间实现信息传输的协议簇。
特点:
　 1、TCP/IP协议是一个开放的协议标准，所有人都可以免费试用，并且是独立于硬件和操作系统的。
　　2、TCP/IP协议是不区分网络硬件的，它在局域网，广域网和互联网中都被广泛使用。
　　3、TCP/IP协议使用统一的网络地址分配的方案。网络中的每台电脑都具有唯一的IP地址。
　　4、TCP/IP协议是一个标准的高层协议，拥有极高的可靠性，可以为用户提供可靠的服务。
OSI模型体系结构标准: 定义了七层网络框架.提供给开发者一个必须的、通用的概念以便开发完善、可以用来解释连接不同系统的框架.

特点:
1.OSI是一个定义良好的协议规范集。它定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系以及各层所包括的可能的任务，作为一个框架来协调和组织各层所提供的服务。
2.OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性框架。
3.任何两个参考OSI模型的网络系统之间可以互相通讯；

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三.局域网基本原理

3.1.1 局域网的主要技术

局域网的主要技术：局域网所涉及的技术很多，但决定局域网性能的技术有：(1).传输介质；(2).拓扑结构；(3).介质访问控制方法。

3.2.1 以太网的工作原理

以太网的工作原理：以太?的核?技术是CSMA/CD，即带有碰撞检测的载波侦听多路访问?法。这种?法主要?来解决多结点如何共享公共总线的问题。CSMA/CD属于随机争?型介质访问控制?法，这种?法的特点可以简单地概括为4点：先听后发，边听边发，冲突停?，随机延迟后重发。

3.2.2 CSMA/CD协议

CSMA/CD即载波侦听多路访问/冲突检测，是广播型信道中采用一种随机访问技术的竞争型访问方法，具有多目标地址的特点。它处于一种总线型局域网结构，其物理拓扑结构正逐步向星型发展。CSMA/CD采用分布式控制方法，所有结点之间不存在控制与被控制的关系。 --百度百科

3.2.3 MAC 地址

Mac地址由设备制造商定义/分配，每一个硬件设备都有一个链路层主地址（MAC地址），保存在设备的永久内存中。设备的mac地址不会改变（现在可以进行mac地址伪装） 即硬件地址,他是厂家出厂时固化的,无法改变.

3.3.1 WLAN基本原理

无线局域网（英语：WirelessLAN，缩写WLAN）是不使用任何导线或传输电缆连接的局域网，而使用无线电波或电场与磁场作为数据传送的介质，传送距离一般只有几十米。无线局域网的主干网路通常使用有线电缆，无线局域网用户通过一个或多个无线接取器接入无线局域网。无线局域网现在已经广泛的应用在商务区，大学，机场，及其他需要无在线网的公共区域。
无线局域网最通用的标准是IEEE定义的802.11系列标准，以及中华人民共和国从2003年开始陆续颁布的一系列国家标准WAPI。
----维基百科

WLAN由无线网卡、接入控制器设备(Access Controller，AC)、无线接入点(Access Point，AP)、计算机和有关设备组成。 WLAN使用的端口访问技术IEEE 802.11b标准支持两种网络结构.
一种是基于AP的网络结构:所有工作站都直接与AP无线连接，由AP承担无线通信的管理及与有线网络连接的工作，是理想的底功耗工作方式。
另一种是基于p2p(Peer to Peer)的网络结构，用于连接PC或POCKET PC，允许各台计算机在无线网络所覆盖的范围内移动并自动建立点到点的连接。

引自此处

四.广域网基本原理

4.1.1基本概念

广域网技术主要用于地区、国家、洲际、全球之间把局域网连接起来的一种技术，由交换系统和传输网络构成，对应OSI模型的下三层，采用分组交换和存储转发技术，可向上层提供面向连接的服务和无连接的服务.

4.2.1 主要的广域网技术

4.3.1 广域网的连接特性

引自此处

4.4.1广域网的标准

关于广域网的标准

五. ip基本原理

IP是网络层协议，也是当今应用最广泛的网络协议之一 IP协议规定了数据的封装方式，网络节点的标识方法，用于网络上数据的端到端的传递.

5.1.1 ip的功能和特点

IP地址是用来识别网络上的设备，因此，IP地址是由网络地址与主机地址两部分所组成, 每台主机至少拥有一个唯一的ip.

特点:(1)ip地址是一种分等级的地址结构.每一个IP地址都由网络号和主机号两部分组成。
(2)实际上IP地址是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口.
(3)在IP地址中，所有分配到网络号的网络（不管是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网）都是平等的。

5.2.1 ip地址的结构

ip地址 ::={<网络号>,<主机号>}
网络地址: 网络地址可用来识别设备所在的网段.
主机地址: 用来标识您的设备.

计算机网络 第七版 谢希仁

5.3.1 ip包的发送,转发,接收

ip数据报的组成如下图所示:

5.3.2 ip层转发分组流程:

基本概念: 分组转发是指在互联网络中路由器转发IP分组的物理传输过程与数据报转发机制。根据分组的目的IP地址与源IP地址是否属于同一个子网可分为直接转发和间接转发。

(1)从数据报的首部提取目的主机的IP地址D,得出目的网络地址为N。
(2)若N就是与此路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付，不需要再经过其他的路由器，直接把数据报交付目的主机（这里包括把目的主机地址D转换为具体的硬件地址，把数据报封装为MAC帧，再发送此帧);否则就是间接交付，执行(3)。
(3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器;否则，执行(4)。
(4)若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器;否则，执行(5)。
(5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器:;否则，执行(6)。 (6)报告转发分组出错。
计算机网络 第七版 谢希仁

5.3.3 使用子网时的分组转发

在划分子网的情况下，分组转发的算法必须做相应的改动。
我们应当注意到，使用子网划分后，路由表必须包含以下三项内容:目的网络地址、子网掩码和下一跳地址。
在划分子网的情况下，路由器转发分组的算法如下:(1)从收到的数据报的首部提取目的IP地址D。
(2)先判断是否为直接交付。对路由器直接相连的网络逐个进行检查:用各网络的子网掩码和D逐位相“与”(AND
操作)，看结果是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则把分组进行直接交付（当然还需要把D转换成物理地址，把数据报封装成帧发送出去)，转发任务结束。否则就是间接交付，执行(3)。
(3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器;否则，执行(4)。
(4)对路由表中的每一行（目的网络地址，子网掩码，下一跳地址)，用其中的子网掩码和D逐位相“与”(AND操作)，其结果为N。若N与该行的目的网络地址匹配，则把数据报传送给该行指明的下一跳路由器;否则，执行(5)。
(5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器;否则，执行(6)。 (6)报告转发分组出错。

5.4.1 地址解析协议ARP

在实际应用中，我们经常会遇到这样的问题:已经知道了一个机器（主机或路由器)的iP地址，需要找出其相应的硬件地址。地址解析协议ARP就是用来解决这样的问题的。

5.4.2 ARP的基本原理

ARP实现了ip地址向硬件地址MAC的解析转化.
1.每个主机都会在自己的 ARP 缓冲区中建立一个 ARP 映射表，以表示 IP 地址和 MAC 地址之间的映射关系。
2.主机（网络接口）新加入网络时（也可能只是mac地址发生变化，接口重启等）， 会发送免费ARP报文把自己IP地址与Mac地址的映射关系广播给其他主机。
3.网络上的主机接收到免费ARP报文时，会更新自己的ARP缓冲区。将新的映射关系更新到自己的ARP表中。
4.某个主机需要发送报文时，首先检查 ARP 列表中是否有对应 IP 地址的目的主机的 MAC 地址，如果有，则直接发送数据，如果没有，就向本网段的所有主机发送 ARP 数据包，该数据包包括的内容有：源主机 IP 地址，源主机 MAC
地址，目的主机的 IP 地址等。
5.当本网络的所有主机收到该 ARP 数据包时：
（A）首先检查数据包中的 IP 地址是否是自己的 IP 地址，如果不是，则忽略该数据包。
（B）如果是，则首先从数据包中取出源主机的 IP 和 MAC 地址写入到 ARP 列表中，如果已经存在，则覆盖。
（C） 然后将自己的 MAC 地址写入 ARP 响应包中，告诉源主机自己是它想要找的 MAC 地址。
6.源主机收到 ARP 响应包后。将目的主机的 IP 和 MAC 地址写入 ARP 列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到 ARP 响应数据包，表示 ARP 查询失败。
–博客园 csguo

六.TCP/UDP传输协议

6.1.1 TCP协议基本概念和原理

TCP传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793 定义。 --baidu百科

TCP三次握手,四次挥手

三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。
三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接,并同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP窗口大小信息.在socket编程中，客户端执行connect()时。将触发三次握手。

TCP 四次挥手 TCP的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(four-way
handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在socket编程中，任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。
详见此处

6.2.1 UDP协议基本概念和原理

UDP（UserDatagramProtocol）是一个简单的面向消息的传输层协议，尽管UDP提供标头和有效负载的完整性验证（通过校验和），但它不保证向上层协议提供消息传递，并且UDP层在发送后不会保留UDP 消息的状态。因此，UDP有时被称为不可靠的数据报协议。

UDP使用具有最小协议机制的简单无连接通信模型。UDP提供数据完整性的校验和，以及用于在数据报的源和目标寻址不同函数的端口号。它没有握手对话，因此将用户的程序暴露在底层网络的任何不可靠的方面。如果在网络接口级别需要纠错功能，应用程序可以使用为此目的设计的传输控制协议（TCP）。

6.3.1 TCP/UDP协议对比