计算机网络原理✅
2023-09-17 22:27:57 0 举报AI智能生成
计算机网络原理》是一本采用全新体系结构的计算机网络基础教材。全书共分为3篇，分别从3个角度观察计算机网络，理解计算机网络的工作原理：第1篇是在平面上观察计算机网络，把计算机网络看做由节点、链路和协议三个元素组成的系统，并介绍了链路和节点上的基本通信技术；第2篇是立体地观察计算机网络，认识计算机网络体系结构，介绍了ISO/OSI参考模型和IEEE 802、TCP/IP两种计算机网络主流体系结构；第3篇介绍计算机网络应用程序的C/S工作模式和基于C/S模式的计算机网络应用程序的开发方法。这3篇将计算机网络的基本原理分解成相对独立的3个层次。每完成一个层次内容的学习，对计算机网络工作原理的认识就会上升到一个新的高度，并最后归结到计算机网络应用层的实现上来。
作者其他创作
大纲/内容
概念
网络结构
星形网络
环形
网状
环形
主线型
数据交换技术
概念
实现在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础
分类
电路交换
子主题
子主题
电路交换的步骤
1、建立电路
2、数据传输
3、拆除电路
优点
实时性高，时延和时延抖动小
缺点
对于突发性数据传输，信道利用率低，传输速率单一
适用于 语音 和视频 类实时性强的业务
报文交换
子主题
子主题
事先不需要建立链接
优点
信道利用率高
缺点
时延长，有时还需要丢弃报文
存储-转发方式
分组交换
子主题
子主题
优点
1、交换设备存储容量要求低
2、交换速度快
3、可靠传输效率高
4、更加公平
子主题
又叫包交换，存储-转发方式
网络性能
速率与带宽
速率： 网络单位时间内传输的数据量，用以描述网络传输的快慢
速率基本单位：bit/s（位每秒）、Kbit/s、 Mbit/s、 Gbit/s、 Tbit/s。
子主题
带宽
时延
分组从 网络中的 一个节点到达另一个节点所需要的时间
分组的每一跳。节点处理时延、排队时延、传输时延、传播时延
子主题
时延带宽积
子主题
丢包率
子主题
吞吐量
子主题
网络体系结构
定义：计算机网络所划分的层次以及 各层协议的集合
子主题
结构
OSI参考模型（七层）
开发系统互连参考模型
子主题
子主题
子主题
TCP/IP参考模型（四层）
子主题
子主题
五层参考模型
子主题
发展简史
子主题
网络应用
计算机网络应用 体系结构
客户/服务器 结构网络应用
最典型、最基本（例如：www应用，文件传输，电子邮件）
特点
1、 分为客户程序 和 服务器程序
2、服务器程序先 运行
3、客户程序 后运行，主动与服务器进行通信
纯 p2p结构
没有客户服务器 之分
特点
混合结构网络应用
网络应用通信的基本原理
通信过程：运行在不同主机上的有应用进程间以C/S方式进行通信
子主题
域名系统（DNS）
域名解析：将域名 映射为IP地址
层次化域名空间
子主题
子主题
域名服务器
子主题
根
顶级
权威
中间
子主题
子主题
DNS服务器：根据其主要 保存的域名信息以及在域名解析过程的作用
子主题
域名解析过程
递归查询
子主题
迭代解析
子主题
子主题
万维网应用
应用结构
浏览器、web服务器、http
URL： 服务器主机域名（IP地址）+ 对象的路径名
HTTP
概述
子主题
大部分用的 HTTP / 1.1
连接
概念
子主题
子主题
分类
非持久连接的HTTP （TCP用一次就断开）
子主题
一条连接
用一次 断开一次，一条tcp连接 。 http/1.0
多条连接（并行连接）
子主题
持久连接的HTTP（TCP不断开）
非流水方式 持久连接-（不并行请求）
流水方式 持久连接-（并行请求） ——http1.1版本
报文
请求报文
响应报文
Cookie
概念
http服务器不保存 客户的任何信息，被称为无状态协议
小型文本文件（Cookie）：网站为了辨别用户身份、进行会话跟踪而储存在用户本地终端上的数据
技术
Internet电子邮件
邮件系统格式
邮件服务器-是核心
用户代理-客户端软件
简单邮件传输协议（SMTP）
邮件读取协议（POP3、IMPA、HTTP）
SMTP
3个阶段完成邮件传输
握手阶段
邮件传输阶段
关闭阶段
14条命令
21种应答信息
特点
只能发送7位ASCII码文本内容
使用的TCP连接是 持久的
传送内容中不能有 . 因为.是结束表示
SMTP是“推动”协议
邮件格式与MIME
当出现非7位的ASCII码是 使用MIME（互联网邮件扩展）转为 7位
是个SMTP的 助手
邮件读取协议
POP3
授权阶段
事务处理阶段
更新阶段
IMAP
子主题
HTTP 使用web读取
FTP：文件传输协议
组成部分
主进程
从属进程
连接
控制连接 （持久）
数据连接（临时）
传送方式称为 外带控制
命令（可读的）
FTP 是有状态的协议
P2P应用
特点
子主题
Socke编程基础
常见端口号
API
传输层
传输层的基本服务
核心任务：应用进程之间提供 端到端的 逻辑通信服务
功能
寻址
实现 端到端的流量控制
拥塞控制
可靠数据传输
报文进行 差错检测
口诀：分复刘墉寻差错，可靠
传输层寻址与端口
IP地址+端口号
子主题
无连接服务 与 面向连接服务
实现可靠数据传输的措施
差错检测
确认
重传
序号
计时器
~复用与分解
复用与分解
多路复用：源主机传输层协议，可以收集不同的数据块 传递给网络层
多路分解：目的主机， 传输层协议 读取报文段中的字段
UDP
无连接服务:UDP(用户数据报协议)
增加了：UDP套接字二元组：<目的IP地址，目的端口号>
TCP
internet提供面向连接的服务：TCP（传输控制协议）
增加了：TCP套接字四元组：<源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号>
停-等协议与滑动窗口协议
可靠数据传输基本原理
不可靠传输信道在数据传输中可能发生
子主题
停-等协议
工作流程
1、发送数据，等待确认
2、肯定确认 / 否定确认
3、后续数据 / 重传数据
它属于 自动重传请求
滑动窗口协议
它属于 流水线协议
根据接收窗口的大小分为
回退N步协议：GBN
选择重传协议：SR协议
子主题
用户数据报协议（UDP）
UDP特点
无连接、不可靠
应用进程 容易控制
首部开销小，只有8个字节
UDP数据报结构
首部
数据字典
子主题
UDP校验和
子主题
子主题
求校验和步骤：
1、直接进行相加。
2、如果有溢出，将溢出的数，在和结果加一遍
3、将最后的结果 取反码。（0变1. 1变0）
伪首部 只在校验和计算时出现。在发送数据报时没有
传输控制协议（TCP）
TCP报文段结构
是提供面向连接、可靠、有序、字节流 传输服务
特点
应用进程先建立链接
每一条TCP连接只有两个端点
可靠交付：无差错、不丢失、不重复、有序
全双工通信
面向字节流
要点
子主题
tcp首部长度 最短 20字节
连接管理
三次握手 四次挥手
握手
挥手
子主题
问题
只有 第三次握手可 携带数据
子主题
可靠数据传输
工作机制
1e+4D
流量控制
在TCP报文段结构中， 接收窗口字段 用于实现TCP的流量控制
拥塞控制
拥塞控制：通过合理调度、规范、调整向网络中发送数据的主机数量、发送速率、数据量，以避免拥塞的发生
TCP拥塞算法包括
慢启动
子主题
拥塞避免
子主题
快速重传
三次重复确认，进行快速重传
快速恢复
三次重复确认。。 不太拥挤（窗口变为原来的 一半）
计时器超时。 非常拥挤（窗口大小变为1 。阈值设置为原来的一半）
上面窗口调整的基本策略 叫 AIMD（加性增大，乘性减小）
基本思想：AIMD
网络层
网络层服务
核心任务：将数据 从 源主机送达到目的主机
主要功能
路由选择
转发
连接建立
有链接的： 虚电路网络
无连接： 数据报网络
因特网
数据报网络虚电路网络
数据报网络
子主题
虚电路网络
子主题
子主题
子主题
子主题
网络互联与 网络互联设备
异构网络互联
概念
子主题
基本策略
协议转换 和 构建虚互联网络
路由器
概念
子主题
功能体系结构分
输入端口
子主题
交换结构
包括
基于内存交换
基于总线交换
基于网络交换（性能最高、最贵）
输出端口
FCFS（先到先服务）
路由处理器
子主题
网络层拥塞控制
网络拥塞
网络负载在 膝点附近时，吞吐量和分组平均延迟达到理想的平衡，网络的使用效率最高
发生拥塞控制的原因
缓冲器容量有限
传输线路的带宽有限
网络节点的处理能力有限
网络中某些部分发生了故障
拥塞控制 措施：
流量感知路由
子主题
准入控制
针对 虚电路专门来说的
流量调节
子主题
负载脱落
子主题
算法分类
是否需要全局信息
全局式（需要网络完整信息）
典型：链路状态路由（LS算法）
分布式（不需要网络完整信息）
典型：距离向量（DV算法）
静态动态
静态：人工配置，当网络变化时，不进行人工干预，就无法匹配
动态：网络发送变化，自动计算最佳路由（LS、DV）
是否敏感
链路状态
迪杰斯特拉算法
问题
子主题
距离向量
B-F方程
找最短的距离
层次化路由选择
自治系统（AS）
内部网关协议
RIP（路由信息协议）
RIP报文封装进 UDP数据报
特征
子主题
问题
子主题
OSPF（开放最短路径优先协议）
外部网关协议
BGP（边界网关协议）
主要分类
路由选择协议
OSPF（开放最短路径优先协议）
优点
安全
支持多条相同费用路径
支持区别化费用度量
支持单播路由与 多播路由
分层路由
子主题
Internet网络层
IPv4协议
格式
标识（16位）
标志（3位）
子主题
叶偏移量（13位）
当前小分片子，在元数据的位置
8B为单位
首部占 20字节
练习题
子主题
子主题
子主题
子主题
ip 地址 32位
IPv4编址
地址划分
子主题
特殊地址：全为0 表示本机
子主题
掩码
子网地址= 子网掩码 与上 主机地址
子主题
路由聚合
路由聚合 只针对于 在 路由器上
动态主机配置协议（DHCP）
端口号
服务器端口号：67
客户端口号：68
通过 3次广播的方式 找服务器请求 ip地址
工作过程包括：
发现
服务器提供
确认
网络地址转换协议（NAT）
子主题
互联网控制报文协议（ICMP）
在主机 或路由器间 实现差错信息报告、信息探测
子主题
子主题
字段包括
类型
代码
校验和
IPv6
IP地址 128位
类型
单播
组播
任播
表示
子主题
隧道
很好地解决 IPv6通信中经过IPv4路由器的问题，同时也不会常出现信息丢失的问题
路由算法与路由协议
IGP
RIP（封装在UDP中）
OSPF（封装在IP数据报中）
EGP
BGP（封装在TCP中）
数据链路层 与 局域网
数据链路层服务
数据链路层的传输单元称为 帧
提供的服务：组帧、链路接入、可靠交付、差错控制
子主题
子主题
差错控制
出现差错的种类
随机噪声
随机差错 或 独立差错
冲击噪声
突发差错，外界干扰
概念： 通过差错编码技术，实现对信息传输差错的检测， 并基于某种机制运行 差错纠正和处理
基本方式
检错重发
典型的差错控制方式
前向纠错
子主题
反馈校验
子主题
检错丢弃
子主题
子主题
奇偶校验码
循环冗余码
进行CRC（循环冗余码）编码
1、写出多现实对应的位串，并确认有 r位
2、在带编码串 后 + （r-1个0）
3、用新的编码串 / 第一步写出的位串
4、将余数 替换掉 第2步增加的0
汉明距离
与连续 不连续没有关系
编码集的汉明距离
子主题
检错编码
d=r+1
纠错编码
d=2r+1
子主题
多路访问控制协议（MAC协议）
根本任务
解决信道的共享问题
类型
信道划分MAC协议
频分多路复用（FDM）
时分多路复用（TDM）
同步时分多路复用
异步时分多路复用
ATM
波分多路复用（WDM）
光纤
码分多路复用（CDM）
扩频
随机访问MAC协议
子主题
受控接入MAC协议
集中控制式
轮询（轮叫轮询、传递轮询）
分散式控制
令牌技术
局域网（LAN）
一般采用广播的方式，局部区域网络，覆盖面积小，网络传输效率高，传输的误码率低
以太网
子主题
以太网 向 网络层体提供的是 无连接不可靠 的服务
交换机
应用最广泛的数据链路层设备
优点
消除冲突
支持异质链路
网络管理
虚拟局域网
以软件的方式 划分和管理 局域网中的工作组
划分方式
基于 交换机端口 划分
基于 MAC地址划分
基于 上层协议类型 或 地址划分
点对点链路协议
PPP功能
成帧
链路控制协议
网络控制协议
PPP是 面向字节的。使用的是 字节填充技术
HDLC协议（面向 位）
发送端
子主题
接收
子主题
三种类型的帧
信息帧
管理帧
无序号帧
物理层
数据通信基础
概念
消息：人类能够感知
信息：有意义的内容
通信：在一点精确 或 近似值 再生另一点的信息
通信系统：能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体
信号：在通信系统中，传递信息需要和是的 载体在 传输通道中 传输，这个载体就是信号
数据：是对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记载的符号 以及其组合，通常是数字、文字、图像等，也可以是其他抽象的符号
模型
子主题
通信
模拟通信
自变量（可以连续的、 可以是离散的）
因变量（一定是连续的）
数字通信
自变量（离散的）
因变量（离散的）
数据的通信方式
传输方向
单向通信
双向交替通信（半双工）
对讲机
双向同时通信（全双工）
手机、TCP
时空顺序
并行通信
串行通信
数据同步技术
异步通信
发送字符，不需建立同步时钟，实现简单，适用低速网络
同步通信
发送数据块，双方建立同步时钟，实现复杂，适用高速网络
物理介质
导引型传输介质
架空明线
优点
传输损耗较低
缺点
易受天气和外界电磁干扰
对外界噪声敏感
带宽有限
双绞线
屏蔽双绞线（STP）
性能好，价格高
非屏蔽双绞线（UTP）
适用更普遍
同轴电缆
有线电视网络
光纤
原理：利用的光的全反射
传输模式的不同
单模光纤
多模光纤
优点
光纤通信容量非常大，最高可达100Gbit/s
传输损耗小，中继时间长，对远距离特别经济
抗雷电和电磁干扰性能好
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
体积小，重量轻
非导引型传输介质
地波传播
频率 2MHz以下
天波传播
2-30 MHz
视线传播
高于 30MHz
信道与信道容量
信道
广义信道
包括信号的传输介质 和通信系统的一些变换装置
狭义信道
信号的传输 介质
编码信道
数据信号 由编码器输出端 传输到译码器输入端 经过的部分
传输特性
随机参数信道（随参信道）
信号通过信道发生畸变是 时变的
子主题
恒定参数信道（恒参信道）
信号通过信道发生畸变 和时间无关
子主题
信道容量
香农公式
子主题
子主题
子主题
基带传输
概念
基带信号：信源发出的没有经过调制的原始信号
传输编码
基带信号
信源发出的没有经过调制的原始信号
模拟信号
发出的原始信号是 模拟基带信号
数字信号
发出的原始信号是 数字基带信号
脉冲信号
单极不归零码
子主题
双极不归零码
单极归零码
双极归零码
差分码（双相码）
子主题
传输码类型
AMI码
子主题
子主题
双相码
子主题
子主题
米勒码
子主题
CMI码
子主题
子主题
频带传输
概念
子主题
通常将实现调制、传输与解调的传输系统称为数字频带传输系统
子主题
子主题
三种调制方式
子主题
子主题
子主题
物理层接口规程
概述
主要任务
特性
机械特性
电源插头
电气特性
信号的电平
功能特性
数据信号线、控制信号线
规程特性
协议。事件执行顺序
无线与 移动网络
无线网络
基本结构
无线主机
无线链路
基站
网络基础设施
无线链路特点
信号强度的衰减：路径损耗
干扰
多径传播
无线链路与无线网络特性
隐藏站现象
无线网络特点
多路访问控制协议更复杂
使用不同链路技术的无线网络覆盖区域和链路速率不同
移动网络
基本原理
移动寻址
保持地址不变
数据报寻址并转发的方法：
间接路由选择
存在 三角路由选择的问题。所以有了直接路由选择
直接路由选择
子主题
子主题
无线局域网 IEEE802.11
概念
子主题
802.11共同点
AP发现
CSMA/CA原理
子主题
子主题
子主题
子主题
帧
802.11数据帧结构： 需要4个地址字段
蜂窝网络
系统结构
收发基站
基站控制器
移动交换中心MSC
一个MSC包括5个基站控制器
蜂窝网络中的移性行管理
移动通信2G/3G/4G/5G
2G
子主题
3G
子主题
4G
子主题
5G
子主题
移动IP网络
移动IP
移动IP标准
代理发现
子主题
子主题
向归属代理注册
子主题
数据报的间接路由选择
其他典型无线网络简介
WiMax 又被称为 IEEE 802.16
蓝牙
子主题
网络安全
网络安全概述
子主题
数据加密
概念
子主题
子主题
加密模型
传统加密方式
替代密码
凯撒密码
换位密码
子主题
子主题
对称密钥加密
分组密码（DES、AES、IDEA）
DES
56位
三重 DES
112位
AES
128/192/256位
IDEA
128位
流密码（序列密码）
公开密钥加密（非对称）
消息完整性与数字签名
消息完整性检测方法
子主题
子主题
典型的散列函数
子主题
报文认证
子主题
简单报文认证。不足：无法达到对 消息源认证
报文认证码MAC，。不足：无法保证消息在接受方没有被篡改
数字签名
子主题
签名报文摘要
子主题
身份认证
子主题
子主题
密钥分发中心 与 证书认证机构
密钥分发中心（KDC）
子主题
子主题
子主题
当 提到 对称密钥 就是KDC
证书认证机构（CA）
子主题
当一提到 公钥 就是CA
防火墙与 入侵检测系统
防火墙
子主题
分类
无状态分组过滤器
有状态分组过滤器
应用网关
入侵检测系统
子主题
网络安全协议
安全电子邮件
PGP标准
安全套接字SSL
子主题
虚拟专用网VPN
关键技术
隧道技术
子主题
IPSec
传输模式
传输模式：主机模式
隧道模式
子主题
问题
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