一、概述

1. 计算机网络：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。

2. 组成

   • 组成部分：硬件、软件、协议
   • 工作方式
     • 边缘部分： 由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成
     • 核心部分： 由大量的网络和连接这些网络的路由器组成
   • 功能组成
     • 通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成
     • 资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合

3. 功能：数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡

4. 分类

   • 分布范围：广域网、城域网、局域网、个人区域网
   • 传输技术：广播式网络、点对点网络
   • 拓扑结构：总线形网络、星形网络、环形网络、网状网络
   • 使用者：公用网、专用网
   • 交换技术：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络
   • 传输介质：有线网络、无线网络

5. 性能指标

   • 带宽：“最高数据传输速率”，单位是比特/秒($b/s$)。

   • 时延：数据从网络的一端传送到另一端所需要的总时间。
     $$总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延$$

   • 发送时延（传输时延）：结点将分组的所有比特推向链路所需的时间
     $$传输时延=\frac{分组长度}{信道带宽}=\frac{数据长度}{带宽}$$

   • 传播时延：一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。
     $$传播时延=\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}$$

   • 时延带宽积：指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特。

     $$时延带宽积=传播时延\times 信道带宽$$

   • 往返时延（$Round-Trip$ $Time$，$RTT$）：从发送瑞发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

     $$往返时延=传播时延\times 2$$

   • 信道利用率：指出某一 信道有百分之多少的时间是有数据通过的。
     $$信道利用率=\frac{有数据通过时间}{(有+无)数据通过时间}=\frac{有数据通过时间}{总时间}$$

6. 体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合

   • 分层的基本原则
     • 每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
     • 各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
     • 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现。
     • 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
     • 整个分层结构应能促进标准化工作。

7. 协议、接口、服务

   1. 协议

      • 控制对等实体之间通信的规则。

      • 协议是”水平的“。

      • 协议由语法、语义和同步三部分组成。

        1. 语法规定了传输数据的格式
        2. 语义规定了所要完成的功能
        3. 同步规定了执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明

   2. 接口

      • 接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是个系统内部的规定。

      • 每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。

   3. 服务

      • 服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用。
      • 服务是”垂直的“，即服务是由下层通过层间接口向上层提供服务。

8. OSI 参考模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

9. TCP/IP 4层模型：网络接口层、网际层、传输层、应用层

二、物理层

1. 功能：透明的传输比特流

2. 传输单位：比特（bit）

3. 码元：一个固定时长的信号波形（数字脉冲）

4. 模拟数据（信号）：连续变化的数据

5. 数字数据（信号）：仅有几个固定的离散电平表示

6. 调制：数据转换为模拟信号

   • 模拟数据→数字信号：采样、量化、编码

   • 模拟数据→模拟信号：多路复用

     注：$f_{采样频率}\ge 2f_{信号频率}$，采样的频率必须大于等于信号的频率的2倍

7. 编码：数据转换为数字信号

   • 数字数据→数字信号：归零编码、非归零编码、反向非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、4B/5B编码
   • 数字数据→模拟信号：调频（频移键控FSK）、调幅（幅移键控ASK）、调相（相移键控PSK）、正交振幅调制QAM

8. 通信交互方式

   • 单工通信：只能单向传输数据
   • 半双工通信：双方都可以接收和发送数据，但任何一方不能同时接收、发送数据
   • 全双工通信：双方可以同时发送、接收数据

9. 传输速率

   • 码元传输速率（波特率）：单位时间内传输的码元数量，单位：Baud
   • 信息传输速率（比特率）：单位时间内传输的比特数量，单位：bit/s

10. 定理

    • 奈奎斯特定理：$极限数据传输速率=2Wlo{g}_{2}V$
    • 香农定理
      1. $极限数据传输速率=Wlo{g}_2\left(1+S/N\right)$
      2. $dB=lo{g}_{10}10\left(S/N\right)$

11. 数据交换方式

    • 电路交换：数据传输前，两个结点必须建立一条专用的物理通信路径
    • 报文交换：报文携带目标地址、源地址等信息，采用存储转发的传输方式
    • 分组交换：限制数据块的上限，再加上目的地址、源地址等信息，构成分组，采用存储转发
      • 数据报（无连接）
      • 虚电路（面向连接）

12. 传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输

13. 物理特性：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性

14. 物理层设备：中继器、集线器（半双工）

三、数据链路层

1. 功能

   • 为网络层提供服务（无确认无连接服务、有确认无连接服务、有确认有连接服务）
   • 差错控制
   • 流量控制
   • 链路管理
   • 组帧

2. 单位：帧

3. 组帧

   • 字符计数法
   • 字符填充的首位定界法
   • 零比特填充的首位标志法
   • 违规编码法

4. 差错控制

   • 奇偶校验码
   • 循环冗余码

5. 流量控制

   • 单帧滑动窗口与停止—等待协议

     • $W_{发送窗口}=1$
     • $W_{接收窗口}=1$

   • 多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）

     • $1\le W_{接收窗口}\le 2^n-1$
     • $W_{接收窗口}=1$

   • 多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）

     • $W_{接收窗口}+W_{发送窗口}\le 2^n$
     • $W_{最大接收窗口}=W_{最大发送窗口}=2^{n-1}$
     • $W_{接收窗口}\le 2^{n-1}$

     注：

     1. $信道吞吐率=信道利用率\times 发送速率$
     2. $信道利用率=\frac{发送数据的时间H}{发送数据的时间H+往返时延RTT}$
     3. $发送数据的时间H=\frac{发送L比特}{发送速率C}$

6. 介质访问控制

   • 介质访问控制子层（MAC）：决定广播信道中信道分配的协议

   • 介质控制访问控制方法

     1. 信道划分介质访问控制

        • 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. 随机访问介质访问控制

        • ALOHA协议（纯ALOHA、时隙ALOHA）

        • CSMA协议（1-坚持CSMA、非坚持CSMA、p-坚持CSMA）

        • CSMD/CD协议

          注：CSMD/CD协议规定了$最小帧长=总线传播时延\times 数据传输速率\times 2$，即在使用CSMD/CD协议时，要求MAC帧最短为64B；工作在总线形网络或半双工网络环境

        • CSMD/CA协议

     3. 轮询访问介质访问控制

        • 令牌传递协议

7. 以太网

   • 特点

     • 无连接工作方式
     • 不可靠服务（无确认）
     • 曼彻斯特编码

   • MAC地址（物理地址）：MAC地址长6字节，由连字符（或冒号）分隔的12个十六进制数表示，如 $02-60-8c-e4-b1-21$

   • MAC帧

     
     • 地址
       • 6字节（48$bit$）地址（$MAC$地址）。
     • 类型
       • 2字节，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理。
     • 数据
       • 46-1500字节，包含高层的协议消息。由于 $CSMA/CD$ 算法的限制，以太网帧最短帧为64B
     • 填充
       • 0~46字节，当帧长太短时填充帧
     • 校验码（$FCS$）
       • 4字节

8. 高速以太网：100BASE-T、吉比特以太网、10吉比特以太网

9. 局域网

   • 对应OSI参考模型：数据链路层、物理层

   • 决定要素

     1. 拓扑结构：星形结构、环形结构、总线型结构、总线型和星形复合型结构
     2. 传输介质：双绞线、电缆、光纤
     3. 介质访问控制方式
        • 总线形局域网：CSMA/CD、令牌总线
        • 环形局域网：令牌环

10. 广域网

    • 对应OSI参考模型：网络层、数据链路层、物理层

11. PPP协议

    • 点对点协议
    • 面向字节
    • 只支持全双工链路
    • 不可靠（不使用序号和确认机制）
    • 只提供差错控制不提供纠错控制
    • 组成部分：链路控制协议（LCP）、网络控制协议（NCP）、一个封装IP数据报的方法
    • 填充方法：异步线路（字节填充法），同步线路（零比特填充法）

12. HDLC协议—高级数据链路控制协议

    • 面向比特
    • 零比特插入法
    • 全双工通信
    • 数据操作方式：正常响应方式（主站操作）、异步平衡方式、异步响应方式
    • HDLC帧：信息帧、监督帧、无编号帧

13. 冲突域：同一时间内只能有一台设备发送信息的范围

14. 广播域：所有能接收到广播帧的设备的范围

15. 数据链路层设备：

    • 网桥
    • 交换机
      • 交换模式：直通式交换机（只检查目的地址）、存储转发式交换机

四、网络层

1. 功能

   • 异构网互联
   • 路由转发与路由选择
   • 拥塞控制：开环控制（静态事先预防）、闭环控制（动态调整）

2. 单位：数据报

3. 路由算法

   • 静态路由算法（非自适应路由算法）：手工配置路由信息
   • 动态路由算法（自适应路由算法）：算法优化获得。
     1. 距离-向量路由算法：定期将路由选择表传送给相邻的结点
     2. 链路状态路由算法：每个路由器在自己的链路状态变化时，将链路状态信息用洪泛法转送给其他路由器
   • 层次路由
     1. 内部网关协议（域内路由选择）：如RIP、OSPF
     2. 外部网关协议（域间路由选择）：如BGP

4. IPV4数据报格式

   
   • 版本：指IP的版本，占4位
   • 首部长度：占4位，最大十进制数表示15，以4B为单位，最大值为60B。常用首部长度是20B
   • 长度：占16位。指首部和数据之和的长度，单位1B，因此数据报的最大长度为$2^{16}=65536B$
   • 标识：占16位
   • 标志：占3位。 最高位无用，DF，MF
   • 片偏移：占13位。分组在分片后，该片在原分组中的相对位置。单位：8B
   • 生存时间（TTL）：占8位。数据报在网络中可通过的路由器数的最大值
   • 协议：占8位。指出此分组携带的数据使用何种协议，即分组的数据部分应交给哪个传输层协议，如TCP、UDP等。其中值为6表示TCP，值为17表示UDP。
   • 首部校验和：占16位。IP数据报的首部校验和只校验分组的首部，不校验数据部分。
   • 源地址字段：占4B,标识发送方的IP地址。
   • 目的地址字段：占4B，标识接收方的IP地址。

5. 转发分组的流程：直接交付、间接交付

6. IP地址

   

   • 32比特的全球唯一标识符。由网络号和主机号两部分组成。即$IP地址::=<网络号>，<主机号>$。

   • 主机号全为0表示本网络本身

   • 主机号全为1表示本网络的广播地址，又称直接广播地址

   • $\mathrm{127.0.0.0}$ 保留为环回自检地址

   • 32位全为0，即$\mathrm{0.0.0.0}$表示本网络上的本主机。

   • 32位全为1, 即$\mathrm{255.255.255.255}$ 表示，整个 $TCP/IP$ 网络的广播地址又称受限广播地址。

   • 私有 $IP$ 地址

     • $A$ 类: 1个 $A$ 类网段，即 $\mathrm{10.0.0.0}$ ~ $\mathrm{10.255.255.255}$
     • $B$ 类: 16 个 $B$ 类网段，即 $\mathrm{172.16.0.0}$ ~ $\mathrm{172.31.255.255}$
     • $C$ 类: 256个 $C$ 类网段，即$\mathrm{192.168.0.0}$ ~ $\mathrm{192.168.255.255}$

7. 子网划分

   • 从主机号借用若干比特作为子网号
   • 三级IP地址的结构如下: $IP地址=<网络号>，<子网号>，<主机号>$。

8. 子网掩码

   • 1对应于IP地址中的网络号及子网号，0对应于主机号。

   • 子网的网络号=IP地址AND子网掩码（按位与）

   • $主机号=IP地址-网络号$

9. NAT

   • NAT转换表中存放着 { 本地 I P 地址 : 端口 } {color{Green} left { 本地IP地址: 端口 right }} {本地IP地址:端口}到 { 全球 I P 地址 : 端口 } {color{Orange} left { 全球IP地址: 端口 right }} {全球IP地址:端口}的映射
   • 发送时需要替换源地址和端口号；接收时替换目的地址和端口号

10. 无分类域间路由选择CIDR（构成超网）

    • $IP$ 的无分类两级编址为：$IP::=<网络前缀>，<主机号>$
    • “斜线记法”（或称CIDR记法）：即IP地址网络前缀所占比特数
    • 子网号全0和全1可用

11. 协议

    • 地址解析协议（$ARP$）：完成 $IP$ 地址到 $MAC$ 地址的映射
    • 动态主机配置协议（DHCP）：给主机动态分配 $IP$ 地址
    • 网际控制报文协议（$ICMP$）：

      1. $ICMP$ 差错报告报文

         • 终点不可达
         • 源点抑制
         • 时间超过
         • 参数问题
         • 改变路由（重定向）

         注：不发送ICMP差错报文的情况：

         • 对ICMP差错报文不再发送
         • 对第一个分片的数据报片所有后续数据报片不发送
         • 组播地址不发送
         • 特殊地址（127.0.0.0，0.0.0.0）不发送

      2. $ICMP$ 询问报文：

         • **4种类型：**回送请求和回答报文、时间戳请求和回答报文、掩码地址请求和回答报文、路由器询问和通告报文
         • $PING$ 使用了$ICMP$ 回送请求和回答报文
         • $Traceroute$ 使用了$ICMP$ 时间超过报文

12. IPv6地址

    • 地址128位
    • 过渡策略：双协议栈、隧道技术

13. 路由协议

    • 内部网关协议（$Interior$ $Gateway$ $Protocol$，$IGP$）

      1. 路由信息协议（$Routing$ $Information$ $Protocol$，$RIP$）
         • 距离-向量的路由选择协议
         • 一条路径最多只能包含15个路由器（即最多允许15跳）。因此距离等于16跳表示网络不可达。
      2. 开放最短路径优先（$OSPF$）
         • 洪泛法
         • Dijkstra最短路径算法SPF

    • 外部网关协议（$External$ $Gateway$ $Protocol,EGP$）

    • 边界网关协议（$Border$ $Gateway$ $Protocol$， $BGP$）

      • 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议，路径向量协议
      • 主干路由器可以兼作区域边界路由器

14. IP组播

    • D类IP地址的后23位用作组播，前5位不可用

15. 因特网组管理协议（$Internet$ $Group$ $Management$ $Protocol$，$IGMP$）

16. 网络层设备：路由器

五、传输层

1. 功能

   • 提供应用进程之间端到端的通信
   • 复用、分用
   • 差错检测
   • 提供无连接服务UDP和面向连接服务TCP

2. 单位：TCP报文段、UDP用户数据报

3. 端口：应用进程通过端口号进行标识，端口号长度为16$bit$ ，能表示65536个端口号

   • 服务器端使用的端口号

     1. 熟知端口号（$0—1023$）
     2. 登记端口号（$1024—49151$）
     

   • 客户端使用的端口号

     • 数值为$49152—65535$

   • 套接字：唯一标识网络中的一台主机和其上的一个进程。$Socket=\left(IP地址:端口号\right)$

4. UDP数据报

   • UDP无须建立连接
   • 无连接状态
   • 分组首部开销小，UDP仅有8B的开销
   • 应用层能更好地控制要发送的数据和发送时间，UDP没有拥寒控制
   • 支持一对一、一对多、多对多的交互通信
   • 不可靠交付
   • 面向报文
   • 报文的长度由发送应用进程决定
   • UDP数据报首部8B：源端口号2B、目的端口号2B、数据报长度2B、校验和2B

5. TCP协议

   • TCP是面向连接的传输层协议
   • 点对点
   • 提供可靠的交付服务，保证传送的数据无差错、不丢失、不重复且有序
   • 提供全双工通信，允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据
   • 面向字节流的
   • TCP报文的长度则根据接收方给出的窗口值和当前网络拥塞程度来决定

6. TCP协议建立连接（3次握手）

   • 客户机的 $TCP$ 首先向服务器的 $TCP$ 发送连接请求报文段。

   • 服务器的 $TCP$ 收到连接请求报文段后，如同意连接，则向客户机发回确认，并为该 $TCP$ 连接分配缓存和变量

   • 当客户机收到确认报文段后，还要向服务器给出确认，并为该TCP连接分配缓存和变量

     注：服务器端的资源是在完成第二次握手时分配的，而客户端的资源是在完成第三次握手时分配的，第三次握手报文段才可以携带数据

7. TCP协议关闭连接（四次挥手）

   • 客户机打算关闭连接时，向其 $TCP$ 发送连接释放报文段，并停止发送数据，主动关闭$TCP$ 连接。发送端不能再发送数据，但对方还可以发送数据
   • 服务器收到连接释放报文段后即发出确认
   • 若服务器已没有要向客户机发送的数据，就通知 $TCP$ 释放连接，此时其发出连接释放报文段
   • 客户机收到连接释放报文段后，必须发出确认。必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL（最长报文段寿命）后，客户机才进入连接关闭状态

8. 拥塞控制的四个算法

   1. 慢开始算法

      • 先令拥塞窗口 $cwnd=1$，每收到一个确认，拥塞窗口加1倍。拥塞窗口大小指数式增长，当网络拥塞时，从1开始，门限设置为出现拥塞时窗口的1半。当$2cwnd>ssthresh$时，下一个RTT后的$cwnd=ssthresh$

   2. 拥塞避免算法

      • 发送方的拥塞窗口 $Cwnd$ 加1，使拥塞窗口线性增长

   3. 快重传

      • 当发送方连续收到三个重复的 $ACK$（确认号） 报文时，直接重传对方尚未收到的报文段

   4. 快恢复

      • 当发送方连续收到三个冗余 $ACK$（即重复确认）时，执行“乘法减小”算法，把慢开始门限设置为此时发送方$cwnd$ 的一半

六、应用层

1. 网络应用模型

• 客户/服务器模型 （$Client$ $Server$，$C/S$）
• $P2P$ 模型

2. 域名：域名从右往左依次分为顶级域名、二级域名、三级域名

3. 域名系统（$Domain$ $Name$ $System$，$DNS$）(53号端口)

   • 主机名转换为IP地址。DNS 系统采用客户/服务器模型，其协议运行在UDP之上

   • $DNS$ 分为3部分：层次域名空间、域名服务器和解析器。

   • 域名服务器：根域名服务器、顶级域名服务器、权限域名服务器、本地域名服务器

   • 域名解析方式：递归查询、递归与迭代结合查询

4. 应用层协议

   • 文件传输协议（$File$ $Transfer$ $Protocol$，$FTP$）（21号端口）

     • 控制连接（21端口号）
       • 传输控制信息、命令
       • 会话期间一直打开
     • 数据连接（20端口号）：
       • 传输数据
       • 数据传输完成关闭

   • 简单邮件传输协议（$Simple$ $Mail$ $Transfer$ $Protocol$，$SMTP$）(25号端口)

     • 发送：SMTP协议，TCP协议
     • 拉取：POP3协议

   • WWW：万维网（$World$ $Wide$ $Web$，$www$）是一个分布式、联机式的信息存储空间。

     • 统一资源定位符（$URL$）

       • 负责标识万维网上的各种文档，并使每个文档在整个万维网的范围内具有唯一的标识符URL。

       • 是对可以从因特网上得到的资源的位置和访问方法的一种简洁表示。

       • 一般形式：$<协议>://<主机>:<端口>/<路径>$

         1. 协议：指用什么协议来获取万维网文档，常见的协议有http、ftp 等
         2. 主机：存放资源的主机在因特网中的域名或IP地址

     • 超文本传输协议（$HTTP$）：应用层协议，TCP连接，80端口

       • HTTP/1.0非持久连接：每个资源都要建立TCP连接，n+1次TCP连接
       • HTTP/1.1持久连接：建立一次TCP连接，可以连续发送资源

     • 超文本标记语言（$HTML$）：一种文档结构的标记语言，它使用约定的标记对页面上的各种信息、格式进行描述。

最后

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