考研复习之计算机网络

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【考查目标】

  1. 掌握计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法。
  2. 掌握计算机网络的体系结构和典型网络协议,了解典型网络设备的组成和特点,理解典型网络设备的工作原理。
  3. 能够运用计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法进行网络系统的分析、设计和应用。

物理层

通信基础

基本概念与计算

基础概念

编码与调制

信号不是数据,是数据的表现形式。数据分为数字数据和模拟数据两种,信号分为数字信号和模拟信号两种,两两搭配共有 4 种编码方式。

三种数据交换方式

三中数据的传输方式

数据报与虚电路

传输介质

物理层接口特性:

物理层设备

中继器(转发器):将信号整形并放大再转发出去,其原理是信号再生。中继器没有存储转发功能,因此不能连接两个速率不同的网段。

5-4-3规则:在采用粗同轴电缆的 10BASE5 以太网规范中,互相串联的中继器个数不能超过 4 个,而且用 4 个中继器串联的 5 段通信介质中只能由 3 个段可以挂接计算机。

集线器:实质上是一个多端口中继器。Hub对接受到的信号进行整形放大,使之再生到发送时的状态,紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口上。

集线器不具备信号的定向传输能力,也不能分割冲突域。

数据链路层

任务

组帧

差错控制

利用编码技术进行差错控制,主要有自动重传请求和前向纠错两种方式。前者是接收端检测出差错时,通知发送端重发,直到收到正确的码字为止;后者接收端不仅能发现差错,而且能确定二进制数码的错误位置以加以纠正。

流量控制

数据链路层的流量控制是限制发送方发送数据的速率。

接受端的接受窗口:每收到一个数据后,接收窗口就向后滑动一个位置并返回确认帧。

发送端的发送窗口:发出一个数据后设置一个计时器,收到确认帧后发送窗口向后滑动一个位置,如果超时则重新发送数据帧。

发送窗口

停止等待协议:发送窗口为1,接收窗口为1。

后退 N 帧:接收窗口为1。

故停止等待协议和后退 N 帧协议可以保证帧的有序接收。

后退N帧协议发送窗口个数 <= 2^n-1

当 n = 3 时,帧的序号为 0 - 7,此时若发送窗口 = 8,接收窗口每收到一个数据帧都会发送一个确认帧,窗口向前滑8个后指向下一组的 0 ,若 8 个确认帧全部丢失,发送端序号为 0 的数据帧会超时重发,接收端再收到序号为 0 的数据帧时会误以为是新的帧,此时就出现了差错。可以看到,若发送窗口 = 7 时就不会出现这种情况。

选择重传协议,新窗口序号和旧窗口序号不应该拥有同样的序号。故发送窗口 = 接收窗口 <= 2^(n-1)

当窗口个数 > 2^(n-1) 时的错误情况

可以看到当发送窗口与接收窗口的个数 = 5 时,发送端发送5个数据后等待,接收端收到数据帧后向后滑动 5 个并发送确认帧,此时接收窗口中会含有下一轮序号为 0 的数据帧,若确认帧丢失,发送端超时重传时又会出现新旧帧不分的错误。

可靠传输由确认超时重传两种机制保证。确认即接收方发送给发送方的控制帧,高速发送方哪些帧被正确接收了;有时为了高效,将确认捎带在一个回复帧中。超时重传则是发送法在一定时间内没有收到确认帧将会重发该数据帧。

自动重传请求ARQ:接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧。分为停等式 ARQ、后退 N 帧 ARQ 及选择性重传ARQ。

介质访问控制

任务:为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号

信道划分(静态划分)

随机访问(动态分配、争用型)

常用:ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议、CSMA/CA协议。

CSMA/CD流程图

注:CSMA/CD中为了确保 发送数据的同时能检测到可能存在的冲突,需要在发送完帧之前就能收到自己发出去的数据。**最小帧长 = 总线传播时延 * 数据传输速率 * 2 **

二进制指数退避算法(基本退避时间取争用期2τ):k = min{重传次数,10},从整数集合{0,1,2,3 …… 2^k-1}随机取出一个数 r,等待r倍的基本退避时间后重新发送。重传16次仍无法成功传输报告给高层。

轮询访问(动态分配、集中控制)

通过一个集中控制的监控站,以循环的方式轮询每个结点再决定信号的分配。令牌在各节点中以某个固定次序交换,它是一组特殊的比特组合而成的帧。只有拿到令牌的计算机才能发送数据帧,所以不会冲突。

错题

  1. 从表面上看,FDM比TDM能更好地利用信道的传输能力,但现在的计算机网络更多地使用TDM而不是FDM,其原因是 TDM可用于数字传输而FDM不行FDM:模拟信号,TDM:数字信号

局域网

局域网(Local Area Network, LAN):在一个较小的地理范围内将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接截止互相连起来组成资源和信息共享的计算机互联网络。

IEEE 802定义的局域网模型只对应 OSI 模型中的数据链路层和网络层。数据链路层拆分成逻辑链路控制 LLC 子层和介质访问控制 MAC 子层。

以太网

以太网采用总线型结构,信息已广播方式发送;尽最大努力交互数据,对于差错的纠正由高层实现。

以太网传输介质:粗缆(10BASE5)、细缆(10BASE2)、双绞线(10BASE-T)和光纤(10BASE-FL)。

计算机与局域网的连接通过主机箱内插入一块网络接口板,又称网络适配器或网卡。全世界每个网卡在出厂时都有唯一的代码,即介质访问控制 MAC 地址。网卡工作在物理层。

MAC地址:6B,高 24bit 为厂商代码,低 24bit 为厂商自动分配的网卡序号。

《以太网MAC帧格式》

PS:MAC帧不需要帧结束符;以太网 MAC 帧既要加首部也要加尾部,因为其在数据链路层传输。

IEEE 802.11

无线局域网的一系列协议标准,采用CSMA/CA协议进行介质访问控制。

PS:在无线局域网中,即使冲突了也要把整个帧发送完毕。

令牌环网的基本原理

令牌环网

令牌环网的每一站通过电缆与环接口干线耦合器 TCU相连。在令牌环网中有一个令牌沿着环形总线在入网结点计算机间依次传递。

  1. 网络空闲时,环路中只有令牌帧循环传递;
  2. 令牌传递到要发送数据的站点时,该站点修改令牌的标志位,并在令牌中附加自己要传输的信息。这样令牌就变成了数据帧,然后将这个数据帧发送出去;
  3. 数据帧沿着环路传输,接收到的站点一边转发数据一边查看帧的目的地址,和自己地址相同就接受并处理;
  4. 数据帧沿着环路转一圈后,源站点接受到自己发出的数据帧便不再进行转发。
  5. 源站点发送完之后重新产生一个令牌,并将令牌传给下一个站点。

广域网

广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。广域网结点间都是点对点连接,但为了提高网络的可靠性,一个结点交换机往往和多个交换机相连。

Point to Point Protocol

PPP是适用串行线路通信的面向字节的协议,该协议应用在直接连接两个结点的链路之上。用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据,使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案。

PS:PPP是不可靠的传输协议,只支持全双工链路。

高级数据链路控制协议是面向比特对数据链路层协议。该协议使用 0 bit填充法;全双工个通信;所有帧采用 CRC 校验;对信息帧进行数据编号;传输控制功能与处理功能分离。

数据操作方式:

HDLC帧分为三类:信息帧(I)、监督帧(O,用于流量控制和差错控制)和无编号帧(U,提供对链路的建立和拆除等控制功能)

PS:HDLC可以提供可靠传输。

数据链路层设备

网桥

两个或多个以太网通过网桥连接起来后成为一个更大的以太网,而原来的每个以太网可成为一个网段。即网桥可以隔离碰撞域

广播风暴:传播过多的广播信息而产生网络拥塞。

PS:最佳路由是发送帧往返时间最短的路由。

局域网交换机

交换机本质上是多端口网桥,每个端口就是一个冲突域。

虚拟局域网VLAN:将交换机的多个端口划分为一个冲突域。VLAN不仅可以隔离冲突域,也可以隔离广播域。

网络层

网络层的功能

路由算法

静态路由与动态路由

距离-向量路由算法

PS:距离是一个抽象的概念,比如 RIP 使用跳数作为距离的度量。

链路状态路由算法

PS:每个结点知道全部的结点信息独自计算,不同于距离-路由向量算法,依靠相邻结点的计算结果。

层次路由

因特网将互联网划分为许多较小的自治系统,每个自治系统可以自主决定本系统内采用何种路由选择协议。

IPv4

《理解》

Address Resolution Protocol

每个路由器依据转发表转到目标网络后,在网络内部通过数据链路层的 MAC 地址以广播方式寻址。

ARP 解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。

工作原理:局域网内的某主机 A 向 B 发送 IP数据报时,首先在自己的 ARP 高速缓存表中查找有没有 B 的 MAC 地址,有则写入 MAC 帧目的 MAC 字段并发送 MAC 帧;否则就使用目的 MAC 地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧来封装广播 ARP 请求分组。主机 B 收到该请求后以单播的方式向 A 发出 ARP响应分组。

由于 ARP 协议看到了 IP 地址,所以其工作在网络层。

Dynamic Host Configuration Protocol

DHCP 用于给主机动态分配 IP 地址,是基于 UDP 的应用层协议

工作原理:需要 IP 地址的主机在启动时向 DHCP服务器广播发送发现报文;DHCP服务器收到后回答此广播报文。DHCP服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息,若找到,则返回找到的信息;否则从服务器的IP地址池中取一个分配给该计算机,该报文成为 提供报文

客户机收到提供报文后,如果接受 DHCP 提供的相关参数,就发送给 DHCP 服务器请求报文,请求提供 IP 地址,DHCP 服务器广播 DHCP确认消息,将 IP 地址分配给客户机。

网络上可以配置多台 DHCP 服务器,主机可以挑选其中一个 DHCP 服务器提供的 IP地址。

ICMP

IPv6

路由协议

RIP路由协议(距离向量算法)

当网络出现故障时,会出现慢收敛现象,即需要较长时间才能将此信息传送到所有路由器。

RIP 是基于 UDP 的应用层协议。

OSPF路由协议(链路状态算法)

OSPF 是网络层协议,直接使用 IP 数据报传输

BGP路由协议

BGP寻找一条能够到达目的网络且比较好的路径。

协议 RIP OSPF BGP
类型 内部 内部 外部
路由算法 距离-向量 链路状态 路径-向量
传递协议 UDP IP TCP
路径选择 跳数最少 代价最低 较好、非最佳
交换结点 相邻路由器 网络中所有路由器 相邻路由器
交换内容 自己的路由表 相邻所有路由器的链路状态 第一次交换整个路由表;以后只交换变化部分

IP组播

源主机一次发送的单个分组可以抵达用一个组地址标识的若干台目标主机,并被它们正确接收。

在IPv4中,这些地址在 D 类地址空间中分配;IPv6 也有一部分地址空间保留给组播组。

主机使用 IGMP 协议加入组播组,通过扩展路由器的路由选择和转发功能,可以在许多路由器互联的支持硬件组播的网络上实现因特网组播。

主机组播时只发送一份数据,只有数据在传送路径出现分叉时才将分组复制后继续转发。

IP 组播使用 D 类地址格式,地址范围是224.0.0.0~239.255.255.255,每一个D类IP标志一个组播组。

组播地址只能用于目的地址,不可用于源地址

在每一个 IP 地址中,只有后 23bit 可以用作组播,中间 5 bit 不作映射。硬件组播拥有的以太网组播地址范围时从 01-00-5E-00-00-00 到 01-00-5E-7F-FF-FF。

IGMP与组播路由算法

IGMP协议是让连接在本地局域网上的组播路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了某个组播组。

组播路由选择实际上就是要找出 以源主机为根节点的组播转发树,组播转发树上的路由器 不会收到重复的组播数据报

网络层设备:路由器

路由器是一种具有多个输入输出端口的专用计算机,其任务是连接不同的网络并完成路由转发。

同一网络中的数据传输无需路由器参与,跨网路通信必须通过路由器进行转发。

目的网络IP地址 子网掩码 下一条IP地址 接口
x.x.x.x x.x.x.x — 直连 L0
x.x.x.x x.x.x.x x.x.x.x L1
默认路由 0.0.0.0 0.0.0.0 x.x.x.x L3

默认路由比其他项目优先级低。

应用层

CS、P2P

Domain Name System

File Transfer Protocol: C/S

ftp

SMTP\POP3

smtp-pop3

World Wide Web

超文本传输协议HTTP

HTTP 既可以使用非持久连接,也可以使用持久连接(HTTP/1.1)。

应用程序 FTP数据连接 FTP控制连接 TELNET SMTP DNS TFTP HTTP POP3 SNMP
使用协议 TCP TCP TCP TCP UDP UDP TCP TCP UDP
熟知端口号 20 21 23 25 53 69 80 110 161
Inger Chao

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