计算机网络知识点总结

第一章 概述

• 计算机网络（可简称为网络）把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起，是网络的网络。

• 以小写字母i开始的internet(互联网)是通用名词，它泛指由多个计算机网路互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议（即通行规则）可以是任意的。

• 以大写字母I开始的Internet(互联网)是专用名词，它指当前全球最大的、开放的、有众多网络互连而成的特定互连网，并采用TCP/IP协议族作为通信规则，且其前身是美国的ARPANET。Internet的推荐译名是“英特网”，但是很少使用。

• 互联网现在采用存储转发的分组交换技术，以及三层ISP结构。

• 互联网按工作方式可划分为边缘部分和核心部分。主机在网络的边缘部分，其作用是进行信息处理。路由器在网络的核心部分，其作用是按存储转发方式进行分组交换。

• 计算机通信是计算机中的进程（即运行着的程序）之间的通信。计算机网络采用的通信方式是客户-服务器方式和对等连接方式（P2P）方式。

• 客户和服务器都是指通信中所涉及的应用进程。客户是服务请求方，服务器是服务的提供方。

• 按作用的范围的不同，计算机网络分为广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN和个人区域网PAN。

  （1）广域网WAN 作用范围几十到几千公里，也称远程网。广域网是互联网的核心部分，任务是通过长距离运送主机发送的数据。连接广域网的各结点交换机的链路是高速链路，有较大的通信容量。（2）城域网MAN 作用范围一般是城市，约5-50km。用来将多个局域网互连，许多城域网采用以太网技术，因此有时也并入局域网范围讨论。（3）局域网LAN 一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，地理上局限在较小范围（1km左右）。（4）个人区域网PAN 在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，也称无线个人区域网WPAN，范围很小，大约在10m左右。

• 计算机网络最常用的性能指标是：速率、宽带、吞吐量、时延（发送时延、传播时延、处理时延、排队时延）、时延宽带积、往返时间和信道（或网络）利用率。

  （1）速率 计算机发出的信号都是数字形式的。网络中速率指数据的传送速率，也称数据率或比特率，一个比特就是二进制数字的一个0或1。（2）带宽 原指某个信号具有的频带宽度（频域称谓），单位是赫兹。计算机网络中，带宽表示网络中某通道传送数据的能力（时域称谓），网络带宽表示单位时间内某信道能通过的最高数据率，单位即数据率的单位bit/s。（3）吞吐量 单位时间内通过某个网络（信道/接口）的实际数据量。受到带宽或网络额定速率的限制。（4）时延 数据从网络（链路）的一端传送到另一端所需的时间，也称迟延或延迟。 1.发送时延：主机或路由器发送数据帧需要的时间，也就是发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特 发送完毕所需的时间，也叫传输时延。 发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s） 2.传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）发送时延发生在机器内部的发送器中（一般在网络适配器中），与传输信道的长度（或信号传送的距离）无关。传播时延发生在机器外部的信道媒体上，与信号的发送速率无关。 3.处理时延：主机或路由器收到分组时要花费一定时间进行处理。 4.排队时延：分组进入路由器后要再输入队列中排队等待处理。对于高速网络链路，提高的仅是数据的发送速率，而不是比特在链路上的传播速率。（5）时延带宽积 =传播时延x带宽，又称以比特为单位的链路长度，表示链路可容纳多少个比特。（6）往返时间RTT 有效数据率=数据长度/（发送时间+RTT）（7）利用率 有信道利用率和网络利用率，信道利用率指某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过），完全空闲的信道利用率为0。网络利用率时全网络的信道利用率的加权平均值。网络当前时延D=网络空闲时延D0/（1-利用率U）。信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延

• 网络协议即协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则。计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。

• 五层协议的体系结构由应用层、运输层、网络层（或网际层）、数据链路层和物理层组成。运输层最重要的协议是TCP和UDP协议，而网络层最重要的协议是IP协议。

  OSI的七层协议体系结构概念清楚，理论完整，但既复杂又不实用。TCP/IP体系结构则不同，TCP/IP是一个四层体系结构，包含应用层、运输层、网际层和网络接口层。从实质上讲TCP/IP只有最上面的三层，因为网络接口层没有具体内容。因此学习计算机网络原理时往往采取折中方法，综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。（1）应用层体系结构中的最高层，任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。应用层协议：DNS、HTTP、SMTP。应用层数据单元：报文（message）。（2）运输层运输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。由于一台主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。运输层主要使用以下两种协议：传输控制协议TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据传输单位是报文段（segment）。用户数据报协议UDP：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），数据传输单位是用户数据报。（3）网络层网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称数据报。无论哪一层传送的数据单元，都可笼统地用分组来表示，运输层的用户数据报UDP和网络层的IP数据报不同。网络层的另一个任务即选择合适的路由，使源主机运输层传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目的主机。网络层中的网络不是通常提到的具体网络，而是计算机网络体系结构模型中的第三层的名称。互联网由大量的异构网络通过路由器相互连接起来。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或IP层。（4）数据链路层简称为链路层。两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧（framing），在两个相邻结点之间的链路上传送帧（frame）。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始到哪个比特结束。还使接收端能够检测收到的帧中有无差错，如发现差错就简单地丢弃。（5）物理层传送的数据单位是比特。物理层要考虑用多大的电压代表1或0，以及接收方如何识别发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应有多少根引脚以及各引脚如何连接。传递信息所利用的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等并不在物理层协议内而是其下面。TCP/IP并不一定单指TCP和IP两个具体的协议而是表示互联网所使用的整个TCP/IP协议族。

第二章 物理层

• 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

  将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体接口有关的一些特性：（1）机械特性：指明接口所用接线器的相关规定。（2）电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围。（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点（或源站、信源）和发送器，目的系统包括接收器和终点（或目的站，或信宿）。

• 通信的目的是传送消息。如语音、文字、图像、视频等都是消息。数据时运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的表现。

• 根据信号中代表消息的参数的取值方式的不同，信号可分为模拟信号（或连续信号）和数字信号（或离散信号）。代表数字信息号不同离散值的基本波形称为码元。

  根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：（1）模拟信号，或连续信号 代表消息的参数的取值是连续的。用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。（2）数字信号，或离散信号 代表消息的参数的取值是离散的。用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域的剥削表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态一种代表1状态。

• 根据双方信息交互的方式，通信可以划分为单向通信（或单工通信）、双向交替通信（或半双工通信）和双向同时通信（或全双工通信）。

  从通信双方的信息交互方式来看，有以下三种基本方式：（1）单向通信 又称单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。例如：无线电广播、有线电广播，电视广播。（2）双向交替通信 又称半双工通信，即通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。一方发送而另一方接收，过一段时间后可以再反过来。（3）双向同时通信 又称全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信都需要两个信道（每个方向各一条）。双向同时通信的传输效率最高。

• 来自信源的信号叫做基带信号。信号要在信道上传输要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分，最基本的带通调制的方法有调幅、调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制。

  调制可分为两大类。一类仅对基带信号的波形进行变换，使它与信道特性相适应，变换后的信号仍是基带信号，这类调制叫基带调制。由于这种调制时把数字信号转换成另一种形式的数字信号，也成为编码（coding）。另一类调制则需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制的信号为带通信号，使用载波的调制称为带通调制。

  常用编码方式：（1）不归零制 正电平=1，负电平=0（2）归零制 正脉冲=1，负脉冲=0（3）曼彻斯特编码 位周期中心的向上跳变=0，位周期中心的向下跳变=1，也可反过来定义（4）差分曼彻斯特编码 每一位的中心处始终有跳变，位开始边界有跳变=0，位开始边界没有跳变=1基本的带通调制方法：（1）调幅（AM）载波的振幅随基带数字信号变化，例如1或0分别对应无载波和有载波输出。（2）调频（FM） 载波的频率随基带数字信号变化，例如1或0分别对应频率f1或f2。（3）调相（PM） 载波的初始相位随基带数字信号变化，例如1或0分别对应相位0度或180度。为达到更高信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制，如正交振幅调制QAM。

• 要提高数据在信道上的传输数率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但是数据传输率不可能任意地提高。

• 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）和非导引型传输媒体（无线或红外线或大气激光）。

• 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用（光的频分复用）。

频分复用

 

时分复用

 

 

统计时分复用

 

波光复用

 

• 数字通信的优点：虽然信号在信道上产生失真，但接收端只要从失真的波形中识别出原来的信号，那么对通信质量就没有影响。码元传输速率越高，信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，传输媒体质量越差，在接收端的波形失真就越严重。限制码元在信道上传输速率的因素有以下两个：（1）信道能通过的频率范围在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰。1924年内奎斯特推导出了奈式准则。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，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（识别）成为不可能。信道频带越宽，能通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高速的速率传送码元而不出现码间串扰。（2）信噪比噪声存在于所有电子设备和通信设备中，由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。噪声影响是相对的，信号较强噪声的影响就较小。信噪比即信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，用分贝（dB）作为度量单位。信噪比（dB）=10 log10(S/N)（dB）1948年，香农推导出了香农公式，香农公式指出信道的极限信息传输速率C是C=W log2（1+S/N）W为信道的带宽（以Hz为单位），S为信道中所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。该公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输。若频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能提高，可让每个码元携带更多比特的信息量以提高信息的传输速率。

第三章 数据链路层

• 链路是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，数据链路则是在链路的基础上增加了一些必要的硬件（如网路适配器）和软件（如协议的实现）。

• 数据链路层使用的信道主要有点对点信道和广播信道两种。

• 数据链路层传送的协议单元是帧。数据链路层的三个基本问题则是：封装成帧、透明传输和差错检测。

  数据链路层协议有许多种，但有三个基本的共同问题：封装成帧、透明传输和差错控制。（1）封装成帧封装成帧（framing）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，接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。一个帧的帧长等于数据长度部分（IP数据报构成）加上帧首部和帧尾部的长度。首部和尾部的一个重要作用就是帧定界（即确定帧的界限）。此外首部和尾部还包括许多控制信息，在发送帧时，是从帧首部开始发送的。为提高帧传输效率，应使帧的数据部分长度仅可能大于首部和尾部，但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——最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）。当数据由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。控制字符SOH（Start Of Header）放在帧的最前面，表示帧的首部开始，另一个控制字符EOT（End Of Transmission）表示帧的结束。SOH和EOT都是控制字符的名字，它们的16进制编码分别是01和04。当数据在传输中出现差错时，帧定界的作用更加明显。假定发送端在尚未发送完一个帧时发生故障，中断了发送之后恢复正常，从头开始发送刚才未发完的帧，由于使用了帧定界符，接收端就知道前面收到的数据是不完整的帧（只有SOH而没有EOT），必须丢弃。（2）透明传输当传送帧是用文本文件组成的帧时，其数据部分不会出现SOH或EOT这样的帧界定控制符。因此不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去，这样的传输就是透明传输。但当数据部分时非ASCII码的文本文件时，情况就不同了。如果数据中某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，数据链路层会错误地找到帧的边界收下部分帧而把剩下的数据丢弃。透明是一个重要术语，它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。在数据链路层透明传送数据，表示无论什么样的比特组合的数据，都能按原样没有差错地通过数据链路层。因此对传送数据来说，这些数据就“看不见”数据链路层有什么妨碍数据传输的东西。为解决透明传输，必须设法使数据中可能出现的控制字符SOH和EOT在接收端不被解释为控制字符。具体的方法是：发送端的数据链路层在数据中的SOH或EOT之前插入一个转义字符ESC（其16进制编码为1B），而在接收端的数据链路层在把数据送往网络层之前删除这个ESC。这种方法称为字节填充或字符填充。如果转义字符也出现在数据，那就在ESC前再加一个ESC。（3）差错控制比特在传输过程中可能产生差错：1可能变成0，0可能变成1，这就叫比特差错。比特差错是传输差错的一种。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率就叫误码率BER（Error Bit Rate）。误码率和信噪比有关，如果设法提高信噪比，误码率就会减小。为保证数据传输可靠性，必须采用各种差错检测措施，目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检测CRC的检错技术。在发送端，先把数据划分为组，假定每组k个比特。假定待传送数据M=101001（k=6），CRC运算就是在M的后面添加n位供差错检测用的冗余码，然后构成一个（k+n）位的帧发送出去。n位冗余码用以下方法得出。用二进制的模2运算进行2n乘M，相当于在M后面添加n个0，得到的（k+n）位数除以事先约定的长度为（n+1）的除数P得到商Q和余数R（n位，比除数少一位）。例M=101001，P=1101即n=3，经模2除法得出的结果是商Q=110101（商无用），R=001。这个余数R就作为冗余码拼接在M的后面发送出去，这种为了检错而添加的冗余码称为帧检测码FCS，因此加上FCS后发送的帧是101001001（即2nM+FCS）。接收端把接收到的数据以帧为单位进行CRC校验：把收到的每一个帧都出以同样的除数P（模2运算），然后检查余数R。如果传输无差错，那么R=0。若R=0，判定帧没有差错，接收，如果R不等于0，则判断帧有差错并舍弃。一种较简便的方法是用多项式来表示循环冗余检验过程。例如用P(X)=X3+X2+1表示1101。多项式P(X)称为生成多项式。在数据链路层，发送端帧检验序列FCS和接收端CRC检验都是用硬件完成的，处理迅速，不会延误数据的传输。从上述讨论可知如果不以帧为单位传送数据就无法加入冗余码来进行差错检验，因此要在数据链路层进行差错检验就必须把数据划分位帧，每一帧都加上冗余码，一帧一帧地发送然后在接收端逐帧进行差错检验。若仅使用CRC，则只能做到对帧的无差错接受，即凡是接收端数据链路层接受的帧，我们都能以非常接近1的概率认为这些帧在传输中没有出现差错。出现差错的帧虽然曾接收到了但最终会被丢弃。差错传输分类两大类：一类是前述最基本的比特差错，而另一类传输差错更复杂，就是收到的帧没有比特差错，但出现了帧丢失、帧重复或帧失序。过去OSI的观点是：必须让数据链路层向上提供可靠传输，因此在CRC的基础上增加了帧编号、确认和重传机制。收到正确的帧就要向发送端发送确认，发送端未在时限内收到对方确认就会进行重传直到收到对方确认位置。但现在的通信线路质量已大大提高，互联网以采用了区别对待的方法。对通信质量良好的有线传输链路，数据链路层协议不使用确认和重传机制，即不要求向上提供可靠的传输服务。如果在数据链路层传输数据时出现差错并需要更正，那么改正差错的任务交给上层协议（如运输层的TCP）来完成。对通信质量较差的无线传输链路，数据链路层协议使用确认和重传机制，向上提供可靠的服务。实践证明，这样做可以提高通信效率。

• 循环冗余检验CRC是一种检错方法，而帧检验序列FCS是添加在数据后面的冗余码。

• 点对点协议PPP是数据链路层使用最多的一种协议，他的特点是：简单；只检测差错，而不是纠正差错；不使用序号，也不进行流量控制；可同时支持多种网络层协议。

• PPPoE是为宽带上网的主机使用的链路层协议。

• 局域网的优点是：具有广播功能，从一个站点可以访问全网；便于系统的扩展和逐渐演变；提高了系统的可靠性、可用性和生存型。

• 局域网可按网络拓扑分类：（1）星形网。由于集线器的出现和双绞线大量用于局域网中，星形以太网以及多级星形结构的以太网获得了广泛应用。（2）环形网。（3）总线网，各站直接连在总线上。以传统以太网最为著名。

• 共享通信媒体资源的方法有二：一是静态划分信道（各种复用技术），二是动态媒体接入控制，又称为多点接入（随机接入和受控接入）

  局域网工作的层次跨越了数据链路层和物理层，不仅与数据链路层有关。共享信道解决众多用户合理方便共享通信媒体资源的两种方法：（1）静态划分信道，频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用CDM等。用户只要分配了信道就不会和其他人冲突，但代价高不适合局域网。（2）动态媒体介入控制，又称多点接入，特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户，又分为两类：①随机接入，特点是所有用户可随机发送信息。如果恰好由两个或以上用户在同一时刻发送信息，在共享媒体上会发生碰撞（冲突）。②受控接入，特点是用户不能随机发送而必须服从控制。代表由分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探寻，或称为轮询。

• IEEE802委员会曾把局域网的数据链路层拆分成两个子层，即逻辑链路控制（LLC）子层（与传输媒体无关）和媒体接入控制（MAC）子层（与传输媒体有关）。但现在LLC子层已成为历史。

• 计算机与外界局域网通信要通过通信适配器（或网络适配器），它又称为网络接口或网卡。计算机的硬件地址就在适配器的ROM中。

  适配器的作用：

  （1）进行串行/并行控制

  （2）对数据进行缓存

  （3）在计算机的操作系统安装设备驱动程序

  （4）实现以太网

• 以太网采用无连接的工作方式（不必建立连接就可以直接发送数据），对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。目的站收到有差错帧就把它丢掉，其他什么也不做。

  以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号。二进制基带数字信号的问题是出现一长串的连0或连1时接收端就无法从收到的比特流中提取同步位。曼彻斯特编码保证了每个码元的正中间出现一次电压转换，而接收端就利用这种转换方便地提取同步信号。缺点是所占的频带宽度增加了一倍。

• 以太网采用的协议是具有冲突检测的载波监听多点接入CSMA/CD。协议的要点是：发送前先监听，边发送边监听，一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送。然后按照退避算法等待一段时间后再发送。因此，每个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在遭遇碰撞的可能性。以太网各站点都平均地竞争以太网信道。

  CSMA/CD协议的要点：（1）准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中。但在发送前必须先检测信道。（2）检测信道：若检测信道忙，应不停地检测，直到信道转为空闲。若检测信道空闲，并在96比特时间内信道保持空闲（保持了帧间最小间隔），就发送这个帧。（3）在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。这里只有两种可能性：①发送成功：在争用期未检测到碰撞，发送成功后什么也不做返回（1）。②发送失败：在争用期内检测到碰撞，立即停止发送数据，按规定发送人为干扰信号。适配器执行指数退避算法，等待r倍512比特时间后回到步骤（2）。若重传16次仍不能成功，停止重传上报错误。

• 传统的以太网基本上都是使用集线器的双绞线以太网。 这种以太网在物理上是星形网，但是在逻辑上则是总线形网。集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。

• 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。以太网交换机的每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。

• 以太网的硬件地址，即MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符，与主机所在地无关。源地址和目的地址都是48位长。

• 以太网的适配器有过滤功能，他只接受单播帧、广播帧或多播帧。

• 使用集线器在物理层扩展以太网.(扩展后的以太网仍是一个网络)。

• 高速以太网有100Mbit/s地快速以太网，吉比特以太网和10Gbit/s地10吉比特以太网。最近还发展到100吉比特以太网。在宽带接入技术中也常使用高速以太网进行接入。