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计算机网络

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第一章：计算机网络体系结构

这一章是学习计算机网络的基础，重点在于理解网络的整体架构和基本概念。

  • 计算机网络概述

  • 基本概念：计算机网络是将分散的、具有独立功能的计算机系统通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。其核心目标是资源共享，信息交换

  • [1] 组成部分：从组成上看，包括硬件、软件和协议。从工作方式上看，分为边缘部分（用户主机）和核心部分（路由器等网络设备）。硬件主要有：主机，通讯依赖，交换设备，通讯处理器等。软件主要有：网络操作系统，协议软件，应用软件等。协议主要有：规则集合，比如TCP/IP协议等。

  • [2] 功能：主要功能包括数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性和负载均衡。

  • [3] 分类：可以按分布范围（广域网、城域网、局域网、个人区域网）、传输技术（广播式、点对点）、拓扑结构（总线型、星型、环形、网状）等进行分类。

  • [4] 计算机网络性能指标：速率 (Data Rate)：指数据的传送速率，也称为数据率或比特率。

单位：bps（比特/秒），如1 Gbps = 10³ Mbps = 10⁶ Kbps = 10⁹ bps。

注意：存储容量中的字节（Byte）与速率中的比特（bit）区别（1 Byte = 8 bit）

带宽 (Bandwidth)：在计算机网络中，带宽表示网络中某通道传送数据的能力，通常指单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”。

时延 (Delay)：指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。[ 1 ]

吞吐量 (Throughput)：表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。[ 1 ] 受到带宽，时延，网络拥塞城的的影响。

时延带宽积：指传播时延与带宽的乘积，表示在途的比特数量。

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总共经历的时间。[ 1 ] 包含：传播时延 * 2 + 中间节点的处理时间。

计算机网络体系结构与参考模型

分层结构：将复杂的网络问题分解为若干个较小的、更易于处理的层次。协议、接口、服务：

协议 (Protocol)：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。优点：各层独立，灵活性高，易于标准化。

接口 (Interface)：同一节点内相邻两层之间交换信息的连接点。

服务 (Service)：下层为上层提供功能的调用。

ISO/OSI 参考模型：一个理论上的七层模型，从下至上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。同时这里标出了每层的性质，考研时候基本属于必考的内容。

物理层：传输比特流，定义机械、电气、功能特性。

数据链路层：成帧、差错控制、流量控制（相邻节点间）。

网络层：路由选择、分组转发（主机到主机）。

传输层：端到端通信，可靠传输（进程到进程）。

会话层：建立、管理、终止会话。

表示层：数据格式转换、加密解密。

应用层：为用户应用提供网络服务接口。

当然有容易记忆的方式就是 物联网传会表应 协议 物联网 传 会表应 物联网 传达 会表达 答应的请求

TCP/IP 模型：一个事实上的国际标准，通常分为四层：网络接口层（对应OSI的物理层和数据链路层）、网际层（对应OSI的网络层）、传输层和应用层（对应OSI的会话层、表示层和应用层）。[ 2 ]

第一章：计算机网络体系结构 自测题

一、选择题（每题2分，共10分）

  1. 以下哪个不是计算机网络的主要功能？

A. 数据通信

B. 资源共享 C. 提高CPU主频 D. 分布式处理

  1. 在OSI参考模型中，负责为两个主机之间提供路由选择的是哪一层？

A. 数据链路层

B. 网络层 C. 传输层 D. 应用层

  1. 若信道带宽为100 Mbps，传播时延为10 ms，则时延带宽积为：

A. 1 Mb B. 10 Mb C. 100 Mb D. 1000 Mb

  1. TCP/IP模型中，网际层对应OSI模型的哪一层？

    A. 物理层 B. 数据链路层 C. 网络层 D. 传输层

  2. 以下关于协议、接口、服务的描述，正确的是：

    A. 协议是垂直的，服务是水平的 B. 协议是水平的，服务是垂直的 C. 接口定义了对等实体间的通信规则 D. 服务是相邻层之间交换信息的连接点

二、填空题（每空1分，共10分）

  1. 计算机网络按分布范围可分为广域网、城域网、局域网和 个人区域网。

  2. 数据从网络一端传送到另一端的总时延包括发送时延、传播时延、处理时延和 排队时延。

  3. 在OSI七层模型中，物理层 负责在传输媒体上传输原始的比特流。

  4. TCP/IP模型分为四层：网络接口层、网际层、传输层和应用层。

  5. 若发送数据长度为1000字节，信道带宽为10 Mbps，则发送时延为 0.8 ms。（1字节=8比特）

  6. 往返时间RTT包括 传播时延×2 和中间节点的处理时间。

  7. 协议的三要素是语法、语义和 同步。

  8. 在分层结构中，接口 是同一节点内相邻两层之间交换信息的连接点。

  9. 吞吐量受带宽、时延和 网络拥塞程度 的影响。

  10. OSI模型中，传输层 提供端到端的可靠通信服务。

三、简答题（每题5分，共10分）

  1. 简述OSI参考模型与TCP/IP模型的异同点。答：

  2. 相同点：均采用分层结构；基于独立的协议栈；都有应用层和传输层。

  3. 不同点： （1）OSI有七层，TCP/IP为四层； （2）OSI严格区分服务、接口、协议，TCP/IP较模糊； （3）OSI先有模型后有协议，TCP/IP先有协议后有模型； （4）OSI理论性强，TCP/IP实用性强，是事实上的国际标准。

  4. 计算题：一个文件大小为2 MB，要通过带宽为100 Mbps的网络传输。假设传播时延为20 ms，忽略处理时延和排队时延，求从开始发送到接收完毕所需的总时间。答： 文件大小 = 2 MB = 2 × 2²⁰ × 8 bit = 16,777,216 bit 发送时延 = 数据长度 / 带宽 = 16,777,216 bit / 100 × 10⁶ bps ≈ 0.1678 s = 167.8 ms 总时间 = 发送时延 + 传播时延 = 167.8 ms + 20 ms = 187.8 ms

第二章：物理层

物理层是网络通信的基础，负责在传输媒体上传输原始的比特流。

  • 通信基础

  • 信道、信号、带宽：理解这些基本通信概念。[ 2 ] 编码与调制：将数字数据转换为数字信号（编码）或模拟信号（调制）。 傅里叶变换：理解信号的频域表示。 信道的极限容量：奈氏准则**：在无噪声情况下，码元速率的上限。

  • 香农定理：在有噪声情况下，信息传输速率的上限，与信道带宽和信噪比有关。

  • 传输介质

  • 双绞线、同轴电缆、光纤：各有不同的特性和适用场景。 无线传输介质：如无线电波、微波、红外线等。 物理层设备

  • 中继器 (Repeater)：对信号进行再生和放大，以延长网络的传输距离。[ 2 ][ 3 ] 集线器 (Hub)*：功能上是多端口的中继器，工作在物理层，不能隔离冲突域和广播域。[ 2 ][ 3 ]

第三章：数据链路层

数据链路层负责在两个相邻节点间的链路上，无差错地传送以“帧”为单位的数据。[ 4 ]

  • 数据链路层功能

  • 为网络层提供服务：提供无确认无连接、有确认无连接、有确认面向连接的服务。 链路管理：连接的建立、维持和释放。 组帧：将网络层传下来的数据包封装成帧。[ 2 ][ 5 ] 差错控制*

  • 检错编码：如奇偶校验码、循环冗余码（CRC）。[ 2 ][ 5 ] 纠错编码：如海明码。[ 2 ][ 5 ] 流量控制与可靠传输机制

  • 流量控制：控制发送方的发送速率，使其不超过接收方的接收能力。 可靠传输：确保数据的无差错、不丢失、不重复和按序传输。 滑动窗口机制：一种重要的流量控制和可靠传输机制。 常见协议：停止-等待协议**：最简单的可靠传输协议。[ 5 ][ 6 ]

  • 后退N帧协议 (GBN)：采用累积确认，效率更高。[ 5 ][ 6 ]

  • 选择重传协议 (SR)：只重传出错的帧，效率最高。[ 5 ][ 6 ]

  • 介质访问控制 (MAC)

  • 信道划分：频分多路复用 (FDM)*

  • 时分多路复用 (TDM)

  • 波分多路复用 (WDM)

  • 码分多路复用 (CDM)[ 2 ]

  • 随机访问：

ALOHA 协议*

  • CSMA 协议

  • CSMA/CD 协议 (用于以太网)

  • CSMA/CA 协议 (用于无线局域网)[ 2 ]

  • 轮询访问：令牌传递协议。[ 2 ]

  • 局域网 (LAN)

  • 基本概念与体系结构

  • 以太网与 IEEE 802.3：目前最广泛的局域网技术。[ 2 ] IEEE 802.11：无线局域网标准。[ 2 ] 广域网 (WAN)

  • 基本概念[ 2 ] PPP 协议：点对点协议。[ 2 ][ 3 ] HDLC 协议：高级数据链路控制。[ 2 ][ 3 ] 数据链路层设备*

  • 网桥 (Bridge)：根据 MAC 地址转发帧，可以隔离冲突域。[ 3 ] 交换机 (Switch*)：多端口的网桥，工作在数据链路层，每个端口都是一个独立的冲突域。

第四章：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，核心功能是路由选择和分组转发。[ 3 ]

  • 网络层功能

  • 异构网络互联：将不同类型的网络连接起来。[ 2 ] 路由与转发：确定数据包从源端到目的端的路径。[ 2 ] 拥塞控制：防止网络中的数据量过大导致性能下降。[ 2 ] 路由算法*

  • 静态路由与动态路由

  • 距离-向量路由算法 (如 RIP)

  • 链路状态路由算法 (如 OSPF)[ 2 ]

  • IPv4 协议

  • IPv4 分组：头部格式、各字段含义。 IPv4 地址与 NAT：地址分类、子网划分、超网（CIDR）、网络地址转换（NAT）。 ARP、DHCP、IC*MP 协议：ARP (地址解析协议)**：将 IP 地址解析为 MAC 地址。

  • DHCP (动态主机配置协议)：自动分配 IP 地址。[ 7 ]

  • ICMP (网际控制报文协议)：用于报告错误和网络探测（如 ping）。[ 7 ]

  • IPv6 协议

  • 主要特点：巨大的地址空间、简化的头部格式等。[ 8 ] IPv6 地址表示 * 路由协议*

  • RIP (路由信息协议)：基于距离-向量算法。 OSPF (开放最短路径优先)：基于链路状态算法。 BGP (边界网关协议*)：用于自治系统之间的路由选择。 IP 组播**

  • 组播概念与 IP 组播地址。[ 2 ][ 8 ]

  • 移动 IP

  • 概念与通信过程。[ 2 ][ 8 ]

  • 网络层设备

  • 路由器 (Router)：连接不同的网络，并根据 IP 地址进行路由选择和分组转发，可以隔离广播域。[ 3 ]

第五章：传输层

传输层负责主机中两个进程之间的通信，提供端到端的服务。

  • 传输层提供的服务

  • 功能：提供进程间的逻辑通信、复用和分用、差错检测。 端口：用于标识主机中的不同应用进程。[ 2 ] 无连接服务 (UDP) 与面向连接服务 (TCP)。[ 2 ] UDP 协议 (用户数*据报协议)

  • 特点：无连接、尽最大努力交付、开销小、支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。 UDP 数据报：头部格式简单，只有8个字节。[ 2 ] TCP 协议 (传输控制协议)

  • 特点：面向连接、可靠传输、面向字节流、全双工通信。 TCP 报文段：首部格式复杂，包含序号、确认号、窗口大小等字段。 TCP 连接管理：三次握手*：建立 TCP 连接。

  • 四次挥手：释放 TCP 连接。

  • TCP 可靠传输：通过序号、确认、重传等机制实现。

  • TCP 流量控制：利用滑动窗口机制，协调收发双方的数据传输速率。[ 5 ]

  • TCP 拥塞控制：

慢开始 (Slow-start)*

  • 拥塞避免 (Congestion Avoidance)

  • 快重传 (Fast Retransmit)

  • 快恢复 (Fast Recovery)[ 5 ]

第六章：应用层

应用层是网络体系结构的最高层，直接为用户的应用进程提供服务。[ 9 ]

  • 网络应用模型

  • 客户/服务器 (C/S) 模型：大部分网络应用采用的模型。[ 2 ][ 5 ] P2P (对等) 模型：每个节点既是客户端也是服务器。[ 2 ][ 5 ] DNS 系统 (域名系统)

  • 层次域名空间：树状的域名结构。[ 2 ][ 5 ] 域名服务器：包括根域名服务器、顶级域名服务器、权限域名服务器和本地域名服务器。[ 2 ][ 5 ][ 10 ] 域名解析过程：递归查询和迭代查询。[ 2 ][ 5 ][ 10 ] FTP (文件传输协议*)

  • 工作原理：使用两个并行的 TCP 连接：控制连接（端口21）和数据连接（端口20）。[ 5 ][ 7 ] 电子邮件*

  • 组成结构：用户代理、邮件服务器、邮件协议。 协议：SMTP (简单邮件传输协议)：用于发送邮件。[ 5 ]

  • POP3 (邮局协议第3版)：用于接收邮件。[ 5 ]

  • WWW (万维网)

  • 概念与组成结构：由 URL、HTTP 和 HTML 三部分组成。 HTTP (超文本传输协议)：WWW 的工作协议，定义了浏览器如何向服务器请求万维网文档，以及服务器如何把文档传送给浏览器。[ 5 ]连接方式：非持久连接和持久连接。

  • 报文结构：请求报文和响应报文。