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文章目录
第一章：概述杂概念计算机网络性能计算机网络体系结构
第二章：物理层基本概念数据通信的基础知识有关信道的基本概念物理层下面的传输媒体信道复用技术
第三章：数据链路层使用点对点信道的数据链路层点对点协议PPP使用广播信道的数据链路层以太网的MAC层扩展的以太网
第四章：网络层网络层提供的两种服务网际协议IP划分子网和构造超网国际控制报文协议ＩＣＭＰ互联网的路由选择协议IP多播虚拟专用网VPN和网络地址转换VPN多协议标记交换MPLS
第五章：运输层运输层概述传输控制协议TCP概述可靠传输原理TCP报文段的首部格式TCP可靠传输的实现TCP流量控制TCP拥塞控制TCP运输连接管理
第六章：应用层域名系统DNS文件传送协议万维网www动态主机配置协议DHCP
第一章：概述
通信双方的交互方式： 单工通信（单向通信）：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。半双工通信（双向交替通信）：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。例如：对讲机。全双工通信（双向同时通信）：即通信的双方可以同时发送和接收信息。例如：打电话。调制解调 常用编码方式： 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。曼彻斯特编码：位周期中心向上跳变代表0，向下代表1；也可以反过来定义。差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处都有跳变。位开始边界有跳变位0，反之位1。 基本调制方法： 调幅（AM）调频（FM）调相（PM）信道的极限容量 信道能够通过频率范围：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的问题，使接收端对码元的判决（即识别）称为不可能； 奈氏准则（无噪声情况下）
V=相位数×每个相位具有振幅的QAM调制技术数 信噪比：信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 SIN，并用分贝（dB）作为度量单位，即：信噪比（dB) = 10 log10(S/N) (dB) 香农公式：信道的极限信息传输速率 C 是：C = W log2(l+S/N) (bit/s) W为信道的带宽（以 Hz 为单位）；s 为信道内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。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。信息传输速率受香农公式的限制（数字和模拟信号）。比特率=波特率×单个调制状态对应二进制位数。两相调制：比特率=波特率，四相：比特率=波特率×2，八相：比特率=波特率×3 信号传播速度不会影响信道数据传输速率。 物理层下面的传输媒体 导引型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光缆。非导引型传输媒体：微波通信、短波通信。 信道复用技术频分复用：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 时分复用：时分复用的所有用户是在不同的时间占 用同样的频带宽度。 统计时分复用STDM：一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。 波分复用：一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。 码分复用：人们更常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access）。每一个用户可以在同样的 时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间 不会造成干扰。CDMA 系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交（orthogonal）。在实用的系统中是使用伪随机码序列。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的 规格化内积（inner product）都是 0，即任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1，而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1 第三章：数据链路层 使用点对点信道的数据链路层数据链路和帧 链路：一个结点到相邻结点的一段物理线路。数据链路：将一些通信协议的硬件和软件加到链路上。一般使用网络适配器来实现这些协议。网络层以帧为传输单位。三个基本问题 封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，开始符号：SOH，结束符号：EOT。 一个帧长=数据长度+帧首部+帧尾部。首尾部作用：可以进行帧定界。可以进行差错检查，首尾要相对应。数据部分上限：最大传输单元MTU。透明传输：防止在数据中碰到SOH、EOT，会错误地认为“找到帧边界”。因此在前面插一个转义字符（字符填充）。
差错检测：循环冗余检测（CRC）：可以检测出多位突发性差错 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
余数R为0：无差错，接受。反之不接受。 仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受。要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。 CRC确保了无比特差错，但不保证无传输差错，即帧丢失、帧重复、帧失序，因此，数据链路层使用了CRC，也是不可靠传输。 点对点协议PPPPPP特点 PPP 协议应满足的需求：简单（这是首要的要求）、封装成帧、透明性、多种网络层协议、多种类型链路、差错检测、检测连接状态、最大传送单元（1500字节）、网络层地址协商、数据压缩协商 PPP 协议不需要的功能：纠错、流量控制、序号、多点线路（只支持点到点）、半双工或单工链路（只支持全双工） PPP 协议的组成： 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议 LCP 。网络控制协议 NCP 。PPP帧格式 各字段意义
字节填充 当 PPP 用在异步传输（无奇偶校验的8比特数据）时，就使用一种特殊的字符填充法。（类似前面的） PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。即，在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。从而，避免了出现和“F”相同的8比特组合。 使用广播信道的数据链路层适配器的作用（网卡）：进行串行/并行转换、对数据进行缓存、在计算机的操作系统安装设备驱动程序、实现以太网协议。 CSMA/CD协议（用于总线形式的以太网） 为了通信简便： 采用无连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码，以提取同步信号。以太网提供的服务： 不可靠交付，即尽最大努力交付。收到差错帧直接丢弃，差错纠正由高层决定。如果高层发现丢失错误进行重传，以太网直接当作一个新的数据帧进行传输。要点（载波监听多点接入/碰撞检测） 多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。载波监听：是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。碰撞检测：就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。电压大小变化，认为产生了碰撞。一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。碰撞原因 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。
电磁波在1KM电缆传播时延为5us。 因此使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 争用期： 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2T（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。（见上图）以太网的端到端往返时延 2T 称为争用期，或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。二进制指数类型退避算：为了减少碰撞的概率，从而提升以太网的整体速率，发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。 争用期的长度： 以太网取 51.2 us 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。最短有效帧长： 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。因此以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。信号在以太网传播1km需要5us，以太网上最大端到端时延必须小于争用期的一半（25.6us），因此以太网最大端到端长度为5km。使用集线器的星形拓扑： 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。（只进行比特转发，不进行碰撞检测）。以太网的信道利用率。 以太网的MAC层MAC帧格式
数据最小长度46=64-6-6-2-4 FCS：帧检验序列 无效MAC帧： 帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。对于无效的帧直接丢弃。 帧间最小间隔为9.6μs，相当于96bit的发送时间（一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6μs才能再次发送数据），这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做接收下一帧的准备 以太网的直通交换方式在输入端口检测到一个 数据包 时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。它只检查 数据包 的包头(包括7个字节的前同步码+1个字节的帧开始界定符+6个字节的目的地址共14个字节)，有时题目说明不包含前导码，即只包6个字节含目的地址。那么转发时延=6B/100Mbps=0.48us. 扩展的以太网以太网上的主机之间的距离不能太远（例如，10BASE-T以太网的两台主机之间的距离不超过200米），否则主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常工作。 在物理层扩展 以太网中Hub的数据传输率为：100Mb/s.
优点： 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围 缺点： 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。 在数据链路层扩展 以太交换机特点 在数据链路层扩展局域网是使用网桥，网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能，当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口。以太网的交换机实质上就是一个多接口的网桥。以太交换机自学功能
使用网桥扩展以太网的优点： 过滤通信量。扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网。缺点 存储转发增加了时延。 在MAC子层并没有流量控制功能。 具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多和通信量不太大的局域网，否则有时还会因广播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。 生成树协议STP：防止网络中出现信息回路造成网络瘫痪。 虚拟局域网（VLAN） 虚拟局域网只是局域网LAN给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网
与IP协议配套使用的还有三个协议： 地址解析协议ARP网际控制报文协议ICMP网际组管理协议IGMP虚拟互联网络： 中间设备： 物理层使用的中间设备叫转发器。数据链路层使用的中间设备叫做网桥或桥接器。网络层使用的中间设备叫路由器。在网络层以上使用的中间设备叫网关。分类的IP地址： 特殊的IP地址：
IP地址与硬件地址 物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。 在转发过程中，IP地址不变，MAC地址源地址和目的地地址不断变化。 地址解析协议ARP协议 地址解析协议：当知道一个主机的 IP 地址，通过地址解析协议 ARP 来找出相应的硬件地址。 使用 ARP 的四种典型情况： （1）发送方是主机(如H1)，要把 IP 数据报发送到同一个网络上的另一台主机(如H2)。这时H1先查看自身 ARP 缓存表是否有 H2 硬件地址，有的话则直接发送。若没有则发送 ARP 请求分组(在网1上广播)，找到目的主机 H2 的硬件地址。 （2）发送方是主机(如H1)，要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一台主机(如H3或H4)。这时发送 ARP 请求分组(在网1上广播)，找到网1上的一个路由器 R1 的硬件地址。剩下的工作由路由器 R1 来完成。R1 要做的事情是下面的（3）或（4）。 （3）发送方是路由器(如R1)，要把 IP 数据报转发到与 R1 连接在同一个网络(网2)上的主机(如H3)。这时 R1 发送 ARP 请求分组(在网2上广播)，找到目的主机 H3 的硬件地址。 （4）发送方是路由器(如R1)，要把 IP 数据报转发到网3上的一台主机(如H4)。H4与 R1 不是连接在同一个网络上。这时 R1 发送 ARP 请求分组(在网2上广播)，找到连接在网 2 上的一个路由器 R2 的硬件地址。剩下的工作由这个路由器 R2来完成。 IP数据包的格式 IP 数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。 （1）版本号：占 4 位，指 IP 协议的版本。目前广泛使用的 IP 协议版本号为 4(即 IPv4)。 （2）首部长度：占4位。最常用的首部长度是 20 字节。 （3）区分服务：占 8 位，用来获得更好的服务。一般情况下都不使用这个字段。 （4）总长度：总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。总长度字段为 16 位，因此数据包的最大长度为 2^16-1 = 65535 字节。由于在数据链路层规定了由网络层传来的 IP 数据包的最大传送单元 MTU 为1500字节，因此必须把过长的数据报进行分片处理。 （5）标识：占 16 位。每当产生一个 IP 数据包，存储器中的一个计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。当数据报由于长度超过 MTU 而必须分片时，这个标识字段的值就会被复制到每一个数据包片的标识字段中。以便于在重组 IP 数据报时能正确的重装成原来的数据报。 （6）标志：占 3 位。 ① 标志字段中的最低位记为 MF。MF = 1即表示后面“还有分片”的数据报。 MF = 0 表示这已经是若干数据报片中的最后一个。 ② 标志字段中间的一位记为 DF。DF = 0 才表示允许分片。 （7）片偏移：占 13 位。片偏移指相对于分片后的 IP 数据报的起点，该片从何处开始。片偏移以 8 个字节为偏移单位。因此，每个分片的长度一定是 8 个字节的整数倍。（片偏移 = 偏移量/8） （8）生存时间(TTL)：占 8 位。数据报在网络中的寿命。现在将跳数作为 TTL 值得单位。数据报每经过一个路由器之前就把 TTL 值减 1.若 TTL 值减小到零，则丢弃这个数据报，不再转发。数据报能在互联网中经过的路由器的最大数值是 255。若把 TTL 的初始值设置为 1，就表示这个数据报只能在本局域网中传送(因为这个数据报一传送到局域网上的某个路由器，在被转发之前 TTL 值就减小到零，因而就会被这个路由器丢弃)。 （9）协议：占 8 位。协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议。 （10）首部检验和：占 16 位。这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和，若值为 0，则保留这个数据报。若值为 1，则认为该数据报出差错，将此丢弃。 （11）源地址：占 32 位。 （12）目的地址：占 32 位。 划分子网和构造超网划分子网是指将IP类网划分为若干个子网。一般是从网络的主机号用若干位作为子网号（当然用来分配的主机号就相应减少），于是二级网络便成了三级网络。
子网掩码的分类缺省子网掩码： 即未划分子网，对应的网络号的位都置1，主机号都置0。 A类网络缺省子网掩码：255.0.0.0B类网络缺省子网掩码：255.255.0.0C类网络缺省子网掩码：255.255.255.0自定义子网掩码： 将一个网络划分为几个子网，需要每一段使用不同的网络号或子网号，实际上我们可以认为是将主机号分为两个部分：子网号、子网主机号。 形式如下： 未做子网划分的ip地址：网络号＋主机号。做子网划分后的ip地址：网络号＋子网号＋子网主机号。也就是说ip地址在化分子网后，以前的主机号位置的一部分给了子网号，余下的是子网主机号。构造超网（CIDR） CIDR最主要有两个以下特点： 消除传统的A，B，C地址和划分子网的概念，更有效的分配IPv4的地址空间，CIDR使IP地址又回到无分类的两级编码。记法：IP地址::={ |
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