计算机网络知识点整理

第一章：概述
- 1. 五层协议
- 2. 网络协议的三要素：
- 3. 网络为什么要分层？
第二章：物理层
- 1. 奈氏准则
- 2. 香农定理
- 3. 传输介质
- 4. 四大特性
第三章：数据链路层
- 1. 局域网
- 2. 广域网
- 3. CSMA/CD
- 4. 以太网速率对比
- 5. CSMA/CD与CSMA/CA比较
第四章：网络层
- 1. IP协议
- 2. 地址分配
- 3. VPN（虚拟专用网）
- 4. 地址不够用解决办法
- 5. 网络地址转换 NAT
- 6. IPV6优点
- 7. RIP算法（用UDP）
- 8. OSPF算法（用IP）
- 9. BGP算法（用TCP）
- 10. 路由协议的比较
- 11. MPLS
- 12. 传统IP交换与MPLS标签交换的区别
第五章：运输层
- 1. UDP与IP的区别：
- 2. UDP与TCP比较：
- 3. UDP首部格式
- 4. TCP首部格式
第六章：应用层
- 1. DNS域名解析过程（递归和迭代）
- 2. 邮件
- 3. 典型应用的端口号
第九章：无线网络和局域网络
- 1. 信道预约
- 2. 隐蔽站暴露站

第一章：概述

1. 五层协议

应用层：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。HTTP、DNS 、SMTP等协议。数据单位为报文。
传输层：负责向两台主机中进程的通信提供数据传输服务。TCP（面向连接，可靠传输，单位为报文段）、UDP协议（无连接，尽最大努力传输，单位是用户数据报）。
网络层：为分组交换网上不同主机提供数据传输服务。网络层把传输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。IP协议，路由协议。
数据链路层：为同一链路的主机（点对点）提供数据传输服务。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧。PPP、CSMA/CD。
物理层：在传输媒体上透明传输比特流。

2. 网络协议的三要素：

语法：数据与控制信息的结构或格式。
语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
同步：事件实现顺序的详细说明。

3. 网络为什么要分层？

1.网络的异构性和复杂性
2.为了解决不同应用环境的互操作性，要实现互操作必须使用不同媒介连接起来的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现互操作，满足各种业务需求，营造一种生存空间。
3.解决网络异构性，把复杂的网络问题分为不同的较小的单一的问题在不同层次上进行解决
4.层次结构方法。网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）
5.网络分层后实现了多层通信，多层通信的实质是：对等层实体之间虚拟通信，下层向上层提供服务，实际通信在最底层完成。
如果考到多层通信的实质，可以加上分层的好处：各层之间是独立的，灵活性好，结构性上可以分割，易于实现和维护，能够促进标准化的工作。

第二章：物理层

1. 奈氏准则

数据传输率 = 2Wlog2V2Wlog_2V2Wlog2V（W是理想低通信道的带宽，单位为Hz）
为了避免码间串扰而提出；给出了码元极限传输速率，要提高信息传输速率就必须使每个码元包含多个比特信息。
"理想低通"信道下的最高信息传输速率＝2Wlog2V2Wlog_2V2Wlog2V
"理想带通"信道下的最高信息传输速率 = Wlog2VWlog_2VWlog2V

2. 香农定理

数据传输率 = Wlog2(1+S/N)Wlog_2(1+S/N)Wlog2(1+S/N)
信噪比 = 10log10(S/N)10log_{10}(S/N)10log10(S/N)
信道的带宽或信道的信噪比越大，极限传输速率就越高；意义在于只要传输速率低于极限值，就一定存在某种方法实现无差错传输。体现了通信信道对传输的约束。

3. 传输介质

双绞线：便宜，最常用之一，用于局域网和传统电话网，通信距离为几至十几公里。
同轴电缆：具有很好的抗干扰特性，广泛用于传输较高速率的数据
光纤：传输损耗小，抗雷电和电磁干扰性能好，保密性好。
无线电波：较强穿透能力，广泛用于通信领域
微波：通信容量大，距离远，覆盖广

4. 四大特性

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
功能特性：指明某条线上出现某一电平的电压意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

第三章：数据链路层

1. 局域网

重点是以太网。
以太网是一种星型拓扑结构局域网。
星形以太网：10BASE-T（10表示10Mbit/s的数据率，BASE表示连接线上的信号是基带信号，T代表双绞线）。 10BASE-5 (此处5表示500米)
早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备，作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。
目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。
以太网帧格式：

类型：标记上层使用的协议；
数据：长度在 46-1500 字节之间，如果太小则需要填充；
FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；

根据数据字段长度46–1500字节之间可以得出有效的MAC帧长度为64–1518字节（MAC帧首部和尾部长度共有18字节）
扩展以太网：

在物理层扩展以太网——集线器
在数据链路层扩展以太网——交换机、网桥
互连中间设备
物理层：转发器、集线器（同一个冲突域，同一个广播域）
数据链路层：网桥、交换机（独立的冲突域【一个端口就是一个冲突域】，同一个广播域）
网络层：路由器（独立的冲突域，独立的广播域）（三层交换机==路由器）
以上：网关（并不使用冲突域、广播域的概念）
集线器除以N，交换机乘N。

2. 广域网

实现点对点可靠传输，PPP协议可用于同步和异步传输。

异步传输使用字节填充，转义符为0x7D
- 0x7E变为（0x7D,0x5E）
- 0x7D变为（0x7D,0x5D）
- 数值小于0x20的字符变化，eg：0x03变为（0x7D,0x23）
同步传输使用零比特填充，有连续5个1，则插入一个0
PPP 的帧格式：
F 字段为帧的定界符
A 和 C 字段暂时没有意义
FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
信息部分的长度不超过 1500字节

3. CSMA/CD

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。（仅用于半双工）
多点接入 ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。
记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为争用期。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用截断二进制指数退避算法来确定。从离散的整数集合 {0, 1, …, (2k−12^k-12k−1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

协议规定，争用期时间是51.2μs.对于10Mbit/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节，为最短帧长。以太网在发送数据时，如果在争用期（共发送了64字节）没有发生碰撞，那么后续发送的数据就一定不会发生冲突。
以太网还规定了帧间最小间隔为9.6μs，相当于96比特时间。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，做好接收下一帧的准备。

4. 以太网速率对比

5. CSMA/CD与CSMA/CA比较

CSMA/CA：预约信道、ACK帧、RTS/CTS帧三种机制来实现碰撞避免
相同点：CSMA/CD与CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路，其核心是先听再说，意思是两个在接入信道之前都需要进行监听，当发现信道空闲后，才能进行接入。
不同点：

传输介质不同：
CSMA/CD用于总线式以太网【有线】，而CSMA/CA用于无线局域网【无线】。
数据发送时机不同：
- CSMA/CD是持续监听信道，一旦发现信道空闲，则立刻传输。
- CSMA/CA是边进行回退过程边进行监听，若信道空闲则进行回退倒数，否则挂起随机倒数计数器，不进行回退倒数的工作。只有当随机倒数计数器回退至0时，其才可发送数据。
在冲突检测上：
- CSMA/CD通过电缆中的电压变化来检测，CSMA/CA采用能量检测、载波检测和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。对于是否传输成功的判断：CSMA/CD没有收到反馈则传输成功，CSMA/CA收到ACK则传输成功。
在退避（backoff）机制上：
- 在CSMA/CD中，在第 i 次退避中会在 2i2^i2i个时隙中随机的选择一个。
- 在CSMA/CA中，节点的每一次传输之前都需要进行退避过程。在CSMA/CA的退避过程中，在第 i 次退避中会在2i+22^{i+2}2i+2个时隙中随机的选择一个。

第四章：网络层

1. IP协议

版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值。
首部长度 : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为固定部分长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。
区分服务 : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用。
总长度 : 包括首部长度和数据部分长度。
生存时间：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。
协议：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。
首部检验和：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。
标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。
片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。

2. 地址分配

分类（A、B、C）
子网划分。IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}
无分类（超网）。IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

3. VPN（虚拟专用网）

由于 IP 地址的紧缺，一个机构能申请到的 IP 地址数往往远小于本机构所拥有的主机数。并且一个机构并不需要把所有的主机接入到外部的互联网中，机构内的计算机可以使用仅在本机构有效的 IP 地址（专用地址）。
有三个专用地址块：

10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

4. 地址不够用解决办法

无分类编址CIDR（它消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间）
网络地址转换 NAT（当局域网内的主机需要访问外部网络时，通过NAT技术可以将其私网地址转换为公网地址，并且多个私网用户可以共用一个公网地址，这样既可保证网络互通，又节省了公网地址。）
IPv6（从IPv4的32位增大到128位）（最终解决办法）

5. 网络地址转换 NAT

专用网内部的主机使用本地 IP 地址又想和互联网上的主机通信时，可以使用 NAT 来将本地 IP 转换为全球 IP。
NAT不仅能解决了IP地址不足的问题，而且还能够有效的避免来自网络外部的入侵，隐藏并保护网络内部的计算机。

6. IPV6优点

1.更大的地址空间。IPv6将地址从IPv4的32位增大到了128位。
2.扩展的地址层次结构。
3.灵活的首部格式。IPv6定义了许多可选的扩展首部。
4.改进的选项。IPv6允许数据报包含有选项的控制信息，其选项放在有效载荷中。
5.允许协议继续扩充。
6.支持即插即用（即自动配置)。因此IPv6不需要使用DHCP。
7.支持资源的预分配。IPv6支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。
8.IPv6首部改为8字节对齐。首部长度必须是8字节的整数倍。原来的IPv4首部是4字节对齐。

采用双协议栈和隧道技术过渡

7. RIP算法（用UDP）

RIP 是一种基于距离向量的路由选择协议。距离是指跳数，直接相连的路由器跳数为 1。跳数最多为 15，超过 15 表示不可达。
RIP 按固定的时间间隔仅和相邻路由器交换自己的路由表的全部信息，经过若干次交换之后，所有路由器最终会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器地址。
距离向量算法：

对地址为 X 的相邻路由器发来的 RIP 报文，先修改报文中的所有项目，把下一跳字段中的地址改为 X，并把所有的距离字段加 1；
对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，进行以下步骤：
若原来的路由表中没有目的网络 N，则把该项目添加到路由表中；
否则：若下一跳路由器地址是 X，则把收到的项目替换原来路由表中的项目；否则：若收到的项目中的距离 d 小于路由表中的距离，则进行更新（例如原始路由表项为 Net2, 5, P，新表项为 Net2, 4, X，则更新）；否则什么也不做。
若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把该相邻路由器标为不可达，即把距离置为 16。
RIP 协议实现简单，开销小。但是 RIP 能使用的最大距离为 15，限制了网络的规模。并且当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器。

8. OSPF算法（用IP）

开放最短路径优先 OSPF，是为了克服 RIP 的缺点而开发出来的。
开放表示 OSPF 不受某一家厂商控制，而是公开发表的；最短路径优先表示使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF。
OSPF 具有以下特点：

向本自治系统中的所有路由器发送信息，这种方法是洪泛法。
发送的信息就是与相邻路由器的链路状态，链路状态包括与哪些路由器相连以及链路的度量，度量用费用、距离、时延、带宽等来表示。
只有当链路状态发生变化时，路由器才会发送信息。
缺点：在传播的初期CPU计算消耗多。
优点：所有路由器都具有全网的拓扑结构图，并且是一致的。相比于 RIP，OSPF 的更新过程收敛的很快。后期维护简单。

9. BGP算法（用TCP）

BGP用于在不同的自治系统（AS）之间交换路由信息。当两个AS需要交换路由信息时，每个AS都必须指定一个运行BGP的节点，来代表AS与其他的AS交换路由信息。该节点通常是路由器来执行BGP。两个AS中利用BGP交换信息的路由器被称为边界网关或边界路由器。
AS 之间的路由选择很困难，主要是由于：

互联网规模很大；
各个 AS 内部使用不同的路由选择协议，无法准确定义路径的度量；
AS 之间的路由选择必须考虑有关的策略，比如有些 AS 不愿意让其它 AS 经过。
BGP 只能寻找一条比较好的路由，而不是最佳路由。
每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息。

10. 路由协议的比较

11. MPLS

MPLS位于TCP/IP协议栈中的链路层和网络层之间，在MPLS域内，转发时不再上升到第三层查找转发表，而是根据标记在第二层（链路层）用硬件进行转发，交换机不需要查看每个报文的目的IP地址，只需要根据封装在IP头外面的标签（该标签比IP地址目的地址短）进行转发即可，这样可以大大提高转发速度和提高可靠性。同时传统的路由选择协议只能选择最短路径，而在MPLS情况下，可以设置多个转发等价类FEC，可以使网络负载均衡。
工作过程：
① 在MPLS域内各标记交换路由器之间交换报文，找出和特定标记相对应的路径。
② 当一个IP数据报进入MPLS域时，MPLS入口结点就给它打上标记，也就是插入一个MPLS首部，并按照转发表将其转发给下一个标记交换路由器。
③ 标记交换路由器需要做的两件事：一是转发，二是标记对换（把入标记更换成出标记）
④ 在离开MPLS域时，最后一个标记交换路由器（出口结点）就把MPLS标记去掉，把IP数据报交付非MPLS的主机或路由器。

12. 传统IP交换与MPLS标签交换的区别

IP交换：在第三层，路由器查看数据报的目的IP地址，根据路由表来转发数据。IP 网络，根据IP报头转发数据。IP的逐跳转发，在经过的每一跳处，必须进行路由表的最长匹配查找(可能多次)，转发过程复杂，速度缓慢。
标签交换：在第二层，MPLS的标签转发，通过事先分配好的标签，为报文建立了一条标签转发通道(LSP)，在通道经过的每一台设备处，只需要进行快速的标签交换即可(一次查找)，转发过程简单。报头字段少，查找迅速。

第五章：运输层

1. UDP与IP的区别：

增加了①复用分用②数据校验，使用UDP应用也可以可靠（应用层来进行检验）

2. UDP与TCP比较：

用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部），支持单播、多播、广播，首部开销小（只有8字节）。
传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块），每一条 TCP 连接只能是点对点的单播，首部开销大（20字节）。

3. UDP首部格式

首部字段只有 8 个字节，包括源端口、目的端口、长度、检验和。12 字节的伪首部是为了计算检验和临时添加的。

4. TCP首部格式

序号：用于对字节流进行编号，例如序号为 301，表示第一个字节的编号为 301，如果携带的数据长度为 100 字节，那么下一个报文段的序号应为 401。
确认号：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
数据偏移：数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。(以4字节为单位)
确认 ACK ：当 ACK=1 时确认号字段有效，否则无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。
同步 SYN ：在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接，则响应报文中 SYN=1，ACK=1。
终止 FIN ：用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放连接。
窗口：窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

TCP可靠性保证

超时重传、选择确认SACK
流量控制
流量控制（使用停止等待协议、滑动窗口机制实现）是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。
接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。
发送方的窗口由接收方的接收窗口大小和当前的拥塞窗口大小的最小值决定。
窗口滑动协议是TCP使用的一种流量控制方法。该协议允许发送方在停止并等待接收确认报文前可以连续发送多个分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认，因此该协议可以加速数据的传输。只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。收发两端的窗口按照以上规律不断地向前滑动。
拥塞控制
如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。
TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。
发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。
连接管理
- 三次握手
- 四次挥手

第六章：应用层

1. DNS域名解析过程（递归和迭代）

2. 邮件

需要保证可靠性，用TCP进行连接。

邮件发送协议 SMTP
简单邮件发送协议SMTP：用于在用户代理向邮件服务器或邮件服务器之间发送邮件。
SMTP存在意义：办公室内部发邮件，有据可查具有法律效应，而且内部邮件系统安全性更高。
邮件读取协议 POP3 和 IMAP（注意区别）
- 邮局协议 POP3：用于用户代理从邮件服务器读取邮件。（下载所有邮件，在本地）
- 网际报文存取协议 IMAP： (用户可以进行选择下载，优点：灵活；缺点：想要查阅邮件，必须先联网)

3. 典型应用的端口号

（标红需熟记）

第九章：无线网络和局域网络

1. 信道预约

A在向B发送数据帧之前，先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS(Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。当然，A在发送RTS帧之前，必须先监听信道。若信道空闲，则等待一段时间DIFS后，才能够发送RTS帧。若B正确收到A发来的RTS帧，且媒体空闲，则等待一段时间SIFS后，就向A发送一个叫做允许发送CTS(Clear To Send)的控制帧，它也包括这次通信所需的持续时间。A收到CTS帧后，再等待一段时间SIFS后，就可发送数据帧。若B正确收到了A发来的数据帧，在等待时间SIFS后，就向A发送确认帧ACK。

2. 隐蔽站暴露站

结合隐蔽站问题和暴露站问题说明 RTS 帧和 CTS 帧的作用。
隐蔽站问题：图(a) 表示站点A和C都想和B通信，但 A和C相距较远，彼此都听不见对方。当A和C同时检测到信道空闲时，就都向B发送数据，结果发生了碰撞。这种未能检测出信道上其他站点信号的问题叫做隐蔽站问题。
暴露站问题：图(b) 表示站点B向A发送数据，而C又想和D通信，但C检测到信道忙，于是就停止向D发送数据，其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据（如果这时不是B向A发送数据而是A向B发送据，则当C向D发送数据时就会干扰B接收A发来的数据），这就是暴露站问题。

使用 RTS 帧和 CTS 帧就可以解决这个问题。
如图 (c）所示，源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send), 它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。若信道空闲，则目的站B就响应一个控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send), 如图 (d) 所示，它也包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中把这个持续时间复制到 CTS 帧中）。A收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。

从图可以看出，C处于A的传输范围内，但不在B的传输范围内。因此C能够收到A发送的 RTS, 但经过一小段时间后， C不会收到B发送的 CTS 帧。这样，在A向B发送数据时，C也可以发送自己的数据给其他的站而不会干扰 B。此时C收不到B的信号表明B也收不到C的信号。
再观察D。D收不到A发送的 RTS 帧，但能收到B发送的 CTS帧，因此D知道B将要和A通信，因此D在A和B通信的一段时间内不能发送数据，所以不会干扰B接收A发来的数据。
至于站 E, 它能收到 RTS和CTS, 因此E和D一样，在A发送数据帧和B发送确认帧的整个过程中都不能发送数据。