提示文章写完后目录可以自动生成如何生成可参考右边的帮助文档文章目录前言一、计算机网络概述1.定义与分类一些易错点2.组成与功能3.发展历史4.数据交换方式5.OSI参考模型一些易错点6.TCP/IP参考模型7.网络协议、层次、接口二、物理层1.物理层概念2.数据通信部分名词3.多路复用4.编码与调制编码调制5.求极限传输速率奈氏准则和香农定理奈氏准则香农定理6.传输介质导引型非导引型7.物理层设备三、数据链路层1.链路层功能---封装成帧2.链路层功能---透明传输3.链路层功能---差错控制4.链路层重要协议---PPP协议5.链路层重要协议---CSMA/CD协议6.重要网络局域网以太网 Ethernet高速以太网7.链路层设备网桥交换机四、网络层1.网络层基本功能2.路由器转发分组3.IP数据报和IP地址IP首部重要字段固定部分为20B160bitIP数据报分片分类的IP地址私有IP地址NAT4.IP地址的计算子网掩码与子网划分CIDR前缀表示法5.网络层重要协议IPv4 协议字段编号五、传输层1.传输层概述2.UDP协议3.UDP数据报4.TCP协议5.TCP数据报6.TCP连接三次握手四次挥手可靠传输7.拥塞控制、流量控制流量控制拥塞控制拥塞控制四种方法六、应用层1.网络应用模型P2P、C/S2.域名系统DNS3.电子邮件SMTP、POP3、IMAP4.文件传输协议 FTP5.万维网WWW和HTTP协议总结前言计算机网络浅学一、计算机网络概述1.定义与分类计算机网络利用通信线路和交换设备将地理位置分散的、具有独立功能的多台计算机连接起来按照某种协议进行数据通信、实现资源共享的信息系统按分布范围广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个域网PAN按使用者公用网、专用网按拓扑结构总线型、星型、环型、网状型按数据交换技术电路交换、报文交换、分组交换一些易错点区别局域网和广域网之间的关键在于覆盖范围和所采用的协议。局域网接入广域网主要是通过路由功能来实现的。局域网技术主要涉及物理层和数据链路层。2.组成与功能计算机网络从物理构成上看主要由硬件、软件和协议三大部分组成硬件包括主机计算机、服务器、手机等终端设备、通信设备路由器、交换机、网桥、中继器以及通信线路双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等。软件包括网络操作系统、网络协议软件、网络管理软件以及各类网络应用浏览器、邮件客户端等。协议是通信双方必须共同遵守的规则和约定是计算机网络能够正常通信的核心可以说协议是计算机网络的灵魂。从逻辑功能上看计算机网络又可以分为资源子网和通信子网两部分资源子网由主机、终端、软件与数据资源组成负责数据处理和向用户提供网络服务。通信子网由通信设备与通信线路组成负责数据的传输、交换与转发。计算机网络的功能主要体现在以下几个方面数据通信实现计算机之间信息的快速传递如电子邮件、即时通信、文件传输这是最基本的功能。资源共享包括硬件资源打印机、存储设备、软件资源和数据资源的共享提高资源利用率。分布式处理当某台计算机负担过重时可将任务分配给网络中其他计算机协同完成提高整体处理能力。提高可靠性网络中的计算机可以互为备份某台设备出现故障时可由其他设备替代保证系统持续可用。负载均衡将工作任务均衡地分配到多台计算机上避免单点过载。3.发展历史ARPANET三级结构因特网多层次ISP结构-主机A → 本地ISP → 主干ISP → 地区ISP → 本地ISP → 主机B4.数据交换方式电路交换通信前先建立一条独占的物理通道通信结束后再释放。主要分成三个阶段建立连接 → 传输数据 → 释放连接假设 A 想和 B 通话网络先为这次通话建立一条通信电路。在整个通话期间相关通信资源被这次连接占用。优点是建立连接后传输比较稳定时延可预测性较好。缺点是即使双方暂时没有说话已分配的通信资源也可能处于闲置状态。传输数据量大且传送时间远大于呼叫时间时选择电路交换电路交换传输时延最小。报文交换以报文为数据交换的单位发送方将完整报文发送给中间节点中间节点收到整个报文后再转发给下一节点。报文携带有目的地址、源地址等信息。优点是不必事先建立专用电路。缺点是报文很长时中间节点需要较大的缓存空间而且必须等待整个报文接收完成容易造成较长时延。分组交换将较长的数据划分成较小的数据单元分组分别进行传输。分组交换有一个非常重要的特点不需要等整个文件传输到中间节点以后才开始转发。报文交换与分组交换采用存储转发的传输方式5.OSI参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层主要负责向应用程序提供网络通信服务。表示层用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。数据格式转换、数据加解密、数据压缩与解压缩会话层通信双方进行的一次有组织的交流过程。传输层负责进程到进程的端到端通信利用端口号区分通信端点处理差错控制和流量控制。传输单位是报文段。重要设备网关网络层把分组数据报从源结点传到目的结点为分组交换网上的不同主机提供通信服务。逻辑寻址、路由选择与分组转发重要设备路由器数据链路层把网络层传下来的数据报组装成帧可以承担链路寻址、差错检测和媒体访问控制等功能。重要设备网桥交换机物理层在物理媒体上实现比特流的透明传输应用层处理网络应用需求表示层解决数据表示问题会话层管理会话传输层负责进程通信网络层负责跨网络传送分组数据链路层负责传输帧物理层负责传输比特。实体计算机网络中能够发送或接收信息的硬件或软件进程。协议主要规定同一层对等实体之间如何通信。服务上层通过接口使用下层服务下层则通过自己的功能和协议实现相应能力。一些易错点拥塞控制网络层、传输层流量控制数据链路层相邻节点间、网络层网络中、传输层端到端提供用户和网络的接口应用层物理层不参与数据封装工作OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信但在传输层仅支持面向连接的通信TCP/IP模型在网络层仅有无连接的通信而在传输层支持无连接和面向连接的通信。6.TCP/IP参考模型应用层、传输层、网际层、网络接口层应用层为网络应用提供通信服务OSI 的应用层、表示层、会话层 → TCP/IP 应用层常见协议HTTP、DNS、SMTP传输层进程到进程的数据传输常见协议TCP、UDP网际层IP 寻址、路由与分组转发常见协议IPv4、IPv6、ICMP网络接口层链路上的传输与物理信号通信OSI 数据链路层、物理层 → TCP/IP 网络接口层7.网络协议、层次、接口这三个概念是理解分层网络体系结构的关键它们分别回答了「怎么通信」「怎么分层」「层与层之间怎么衔接」三个问题。网络协议Protocol协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。一个完整的协议由三要素组成语法规定数据与控制信息的结构与格式即「怎么表示」。语义规定需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应即「表示什么含义」。同步时序规定事件实现顺序的详细说明即「什么时候做、按什么顺序做」。层次Layer计算机网络采用分层的思想把复杂的通信问题分解为若干个相对独立的子问题每一层只负责一部分功能并向上层提供服务、使用下层提供的服务。分层带来的好处各层之间相互独立某一层的实现变化不影响其他层灵活性好便于各层分别采用最合适的技术实现结构上可分割易于实现和维护能促进标准化工作。接口Interface接口是同一结点内相邻两层之间交换信息的连接点上层通过接口使用下层提供的服务下层通过接口向上层提供服务。接口定义了上层可以使用下层的哪些服务以及如何使用但不涉及下层内部的具体实现细节。三者的关系协议是水平方向的只有同一层的对等实体之间才需要遵守相同的协议。接口是垂直方向的同一结点内相邻两层之间通过接口交互。层次是整体框架协议和接口都依附于分层结构而存在。可以用一句话概括协议是对等层之间的通信规则接口是相邻层之间的服务通道层次是组织这些规则与通道的整体架构。二、物理层1.物理层概念是计算机网络OSI模型中最低的一层也是最基本的一层确保原始的数据可在各物理媒体上传输。传输比特流特性机械特性、电气特性、功能特性、规程特性2.数据通信码元用一个固定时长的信号波形代表不同离散数值的基本波形。码元传输速率单位时间内传输的码元个数单位是波特Baud。M进制码元码元的离散状态有M个。码元≠比特如四种电平分别映射为 00、01、10、11每码元比特数 log2 M比特率 R B log2 M B为码元速率部分名词消息要传达的内容数据0/1 ……信号 数据在传输过程中所表现出来的电磁或光学等物理形式。信道单工通信广播、半双工通信对讲机、全双工通信打电话基带信号来自信源的信号编码变成数字信号带通调制变成模拟信号带通信号3.多路复用把多个信号组合在一条物理信道上进行传输使得多个计算机或终端设备共享信道资源提高信道利用率。频分多路复用FDM生活中的例子——广播电台时分多路复用TDM同步时分复用每个用户被分配固定时隙即使用户 A 暂时没有数据属于 A 的时隙也可能闲置。统计时分复用STDM如果 A 没有数据可以把传输机会分配给其他有数据的用户。波分多路复用WDM在同一根光纤中使用不同波长的光承载不同的数据通道码分多路复用CDM让不同用户使用不同的编码序列在相同时间、相同频带上发送信号并通过编码区分各用户的信息。利用码片4.编码与调制编码非归零编码高1低0缺点连续相同比特可能形成长时间不跳变的信号影响接收端时钟恢复。归零编码高1低0后半段归零曼彻斯特编码前高后低1前低后高0曼彻斯特编码的1和0对应可以自己定义重点是强制中间跳变差分曼彻斯特编码看每个比特开始处是否发生跳变跳变为0不变为1同样强制中间跳变。调制利用某种信号控制载波的特征使载波能够携带我们想要传输的信息。调幅AM改变载波的幅度。调频FM改变载波的频率。调相PM改变载波的相位波形在比特边界发生相位变化。5.求极限传输速率奈氏准则和香农定理奈氏准则在理想低通信道无噪声带宽受限的条件下极限码元传输速率为B_max 2W (BaudR_max 2W log2 V (bit/s)W为信道带宽单位是HzV是码元离散电平数目。从公式看出增加码元状态数就能提高每个码元携带的比特数量。但是真实信道中有噪声码元状态越多接收端越难准确地区分这些状态。香农定理在带宽受限且有噪声的信道中为了不产生误差信息的数据传输速率有上限值。信噪比SNR S / NS信号功率 N噪声功率信噪比越高代表信号相对于噪声越强。分贝(dB)SNR_dB 10 log10 (S/N)香农公式对于带宽为W、信噪比为 S/N 的理想带限加性高斯白噪声信道C W log2 (1 S/N)C信道容量bit/sW信道带宽在规定的信道模型中带宽和信噪比共同决定可靠通信的理论极限速率。传输介质是发送设备与接收设备之间传递物理信号所依赖的物质或传播空间。6.传输介质导引型信号沿着有形介质传播双绞线同轴电缆光纤非导引型信号主要通过自由空间传播无线电波微波红外线激光7.物理层设备中继器集线器三、数据链路层1.链路层功能—封装成帧链路层信道模型一对一点对点信道一对多广播信道封装成帧在一段数据的前后部分添加首部和尾部构成一个帧。帧定界接收端在收到物理层上交的比特流后根据首部和尾部的标记识别帧的开始和结束SOH、EOT2.链路层功能—透明传输不管所传数据是什么样的比特组合都应当能在链路上传送。当输入非ASCII码的文本文件时用字符/字节填充法转义字符解决透明传输问题。3.链路层功能—差错控制差错位错比特位出错帧错丢失、重复、失序常见差错控制方法奇偶校验加入校验位使1的数量符合约定的奇偶性。缺点检测不出偶数个比特翻转。校验和将数据分组相加计算出一个校验值。循环冗余校验CRC位错的检测方法通过模 2 除法计算检验余数并将余数作为冗余校验信息附加在数据后面。原始数据M→补 r 个0r为生成多项式的阶数→使用生成多项式进行模 2 除法→得到 r 位 CRC 余数末r位→发送“原始数据 CRC余数”4.链路层重要协议—PPP协议最广泛使用的数据链路层协议用户使用拨号电话接入因特网时一般使用PPP协议。PPP协议实现透明传输的方法异步传输/面向字符字节填充法同步传输/面向比特零比特填充法连续5个1填充1个05.链路层重要协议—CSMA/CD协议局域网广播信道所使用。介质访问控制当多个设备共享通信介质时究竟允许谁在什么时候发送数据静态划分信道频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用动态分配信道信道并非在用户通信时固定分配给用户。– 随机接入CSMA/CD协议– 受控接入轮询访问令牌传递协议CSMA/CD协议CS载波侦听/监听。发送数据前总线上是否有其他计算机在发送数据。MA多点接入多个节点能够接入并共享同一个通信介质。CD碰撞检测边发送边监听判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。先听后发、边发边听、冲突停止、随机重发。全双工网络通常不需要CSMA/CD。6.重要网络局域网在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组使用广播信道。分类按传输介质分有线局域网IEEE 802.3、无线局域网IEEE 802.11按拓扑结构分星型网、环型网、总线网、树形网子层LLC子层逻辑链路控制子层负责识别网络层协议并对其进行封装。MAC子层介质访问控制子层数据帧的封装/卸装帧的寻址与识别、接收与发送、链路管理介质访问控制、差错控制。以太网 Ethernet目前使用范围最广的局域网。逻辑拓扑是总线型结构物理拓扑是星型或拓展星型结构传统共享式半双工以太网使用CSMA/CD 技术。网络接口卡/网卡计算机靠适配器网络接口卡/网卡连接到局域网/以太网。通常承担收发以太网帧处理MAC地址帧封装、差错控制等链路层工作。MAC地址/网卡地址每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址。MAC帧典型结构目的地址源地址类型数据帧校验以太网帧最短是64字节。包含单播帧、广播帧全F、多播帧。高速以太网速度≥100Mb/s的以太网成为高速以太网。100BASE - T以太网在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网使用IEEE802.3的CSMA/CD协议全双工不使用。吉比特以太网在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s只工作在全双工方式。7.链路层设备网桥和交换机能够分隔冲突域但普通二层转发不会直接分隔同一 VLAN 内的广播域。网桥连接两个或多个局域网网段并根据目的 MAC 地址判断是否需要将帧转发到其他网段。透明网桥网桥通过自学习MAC地址表自己决定帧往哪里转发。源路由网桥发送方事先确定路径网桥按照帧中指定的路径转发。交换机多接口网桥转发方式分类直通式交换机查完目的地址立刻转发存储转发式交换机将帧放入高速缓存并检查是否正确正确则转发否则丢弃。延迟大可靠性高可以支持具有不同速率的端口的交换。学习MAC地址交换机根据源 MAC 地址学习根据目的 MAC 地址转发。目的 MAC 已知则定向转发未知单播通常泛洪。虚拟局域网VLAN由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。以太网交换机可以通过以太网帧中的VLAN标记对不同VLAN的主机进行数据转发。网桥和交换机通常不能分割广播域但支持 VLAN 的交换机可以通过 VLAN 配置将网络划分为多个独立的二层广播域。四、网络层网络层是 OSI 参考模型中的第三层位于数据链路层之上、传输层之下向上为传输层提供主机到主机的通信服务。由于 TCP/IP 体系中网络层功能主要由 IP 协议规定和实现因此网络层也常被称为IP 层。网络层向上只提供灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务即不保证数据报一定送达、不保证按序到达、也不保证不重复可靠性交由上层传输层负责。其主要功能包括1.网络层基本功能异构网络互连通过统一的 IP 协议屏蔽底层不同网络以太网、Wi-Fi、PPP 链路等的差异使它们能够互联互通形成统一的互联网。路由选择与分组转发根据路由表为分组选择一条合适的路径路由选择并把分组从输入端口转移到合适的输出端口分组转发。拥塞控制当网络中分组数量过多导致性能下降时采取相应措施缓解拥塞。差错报告通过 ICMP 协议报告数据报传输过程中出现的差错如目的不可达、超时等。网络地址管理为每台主机分配 IP 地址实现逻辑寻址并配合子网掩码、CIDR 等机制完成地址规划。其中路由选择是「决定走哪条路」属于全局性、由路由协议完成的工作分组转发是「按已定的路把分组送出去」属于局部性、由路由器逐跳完成的工作二者共同构成网络层的核心任务。网络层向上只提供灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据包服务主要任务是把分组通过路由选择与转发从源端传到目的端。2.路由器转发分组路由器是网络层的核心设备工作在网络层负责在不同网络之间转发分组。它的基本工作流程可以概括为「接收 → 查表 → 转发」三步。1路由表的结构路由表是路由器转发分组的依据其中每一行通常包含以下信息目的网络地址分组要到达的目标网络。子网掩码 / 前缀长度用于确定目的网络的范围。下一跳地址分组应该交给哪个相邻路由器。出接口分组从哪个端口发送出去。度量值如跳数、带宽、时延等用于选择最优路径。2转发分组的过程路由器从某个输入端口收到一个 IP 数据报先检查其首部校验和若出错则丢弃。提取数据报首部中的目的 IP 地址。将目的 IP 地址与路由表中各表项的子网掩码逐位相与得到目的网络地址。在路由表中查找匹配的表项采用最长前缀匹配原则若有多个表项都能匹配选择前缀最长即最具体的那一条。根据匹配表项的下一跳地址和出接口将数据报从相应端口转发出去。若路由表中没有匹配项则按默认路由0.0.0.0/0转发若连默认路由也没有则丢弃该数据报并向源主机发送 ICMP 目的不可达报文。3最长前缀匹配示例假设路由表中有如下表项目的网络前缀长度下一跳192.168.1.0/24R1192.168.1.0/25R20.0.0.0/0R3默认路由当收到目的地址为192.168.1.20的数据报时它与 /24 和 /25 两个表项都能匹配但 /25 的前缀更长、更具体因此选择下一跳 R2。4路由选择与分组转发的区别路由选择由路由协议如 RIP、OSPF、BGP完成负责构建和更新路由表是全局性、周期性的工作。分组转发由路由器根据已有路由表逐跳完成是局部性、高频次的工作要求速度快。否是是否是否收到 IP 数据报首部校验和正确?丢弃提取目的 IP 地址与各表项掩码相与存在匹配表项?最长前缀匹配按下一跳与出接口转发存在默认路由?丢弃并回送 ICMP 不可达3.IP数据报和IP地址IP首部重要字段固定部分为20B160bit版本4位首部长度4位实际 IP 首部长度B首部长度×4区分服务8位总长度 16位指首部和数据之和的长度标识16位一个数据报长度超过网络MTU时需分片标识可以区分分片是否属于同一数据报标志3位DF1表示禁止分片MF1表示后面还有分片片偏移13位分片在原始数据中的位置起始偏移/8生存时间8位协议8位承载的上层协议首部校验和16位源IP地址32位目的IP地址32位IP数据报分片1为什么要分片每种链路层协议对帧的数据字段长度都有上限这个上限称为最大传送单元 MTU以太网的 MTU 通常为 1500 字节。当一个 IP 数据报的总长度超过出口链路的 MTU 时就必须把它拆分成若干个较小的数据报再传输这个过程称为分片。2与分片相关的首部字段标识Identification16 位同一个原始数据报的所有分片具有相同的标识值接收端据此判断哪些分片属于同一个数据报。标志Flags3 位DFDon’t FragmentDF1 表示禁止分片若此时数据报超过 MTU则丢弃并返回 ICMP 差错报文DF0 表示允许分片。MFMore FragmentMF1 表示后面还有分片MF0 表示这是最后一个分片或未分片。片偏移Fragment Offset13 位表示该分片的数据部分在原数据报数据部分中的相对位置以 8 字节为单位即实际字节偏移 片偏移值 × 8。3分片的关键规则除最后一个分片外每个分片的数据部分长度必须是8 字节的整数倍这样才能用 13 位的片偏移精确表示位置。各分片首部中的「总长度」字段只表示本分片的首部加数据长度而不是原始数据报的总长度。各分片的「标识」相同「片偏移」不同最后一个分片的 MF0其余分片的 MF1。4分片的重组分片可以在源主机、中间路由器或目的主机上进行但 IPv4 规定分片的重组只在最终的目的主机上进行。若某个分片丢失且超时未到则整个数据报被丢弃。提示IPv6 取消了路由器分片功能只允许源主机进行分片中间路由器遇到超长数据报时直接返回 ICMPv6「分组过大」报文由源主机调整后再发送。分类的IP地址IP地址32位 网络号 主机号A类1~126网络号8位第一位固定为0主机号24位默认子网掩码255.0.0.0B类128~191网络号16位前两位固定为10主机号16位默认子网掩码255.255.0.0C类192~223网络号24位前三位固定为110主机号8位默认子网掩码255.255.255.0D类224~239多播地址多个接收设备加入同一个 IP 多播组后可以使用相应的多播机制接收发往该组的数据。前四位固定为1110典型地址范围224.0.0.0239.255.255.255E类240~255保留用途前四位固定为1111特殊地址全0默认路由全1本网广播地址主机号全为0网络地址表示整个网络本身主机号全为1子网的广播地址127.0.0.0/8 为环回用途保留地址块127.0.0.1 是典型本机环回地址。私有IP地址私有 IP 地址是专门保留给内部网络使用的 IPv4 地址不能在公共互联网中直接作为全球可路由的地址使用。A类 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 1B类 172.16.0.0~172.31.255.255 16C类 192.168.0.0~192.168.255.255 256NAT私有 IP 地址如何通过一个或少量公网 IP 地址访问互联网静态NAT动态NATPAT网络地址与端口转换4.IP地址的计算子网掩码与子网划分子网划分是指从原来的主机部分借用若干位作为更长的网络前缀将一个较大的地址块划分为多个较小的子网。子网划分IP地址 网络前缀 主机部分子网掩码网络位全1主机位全0CIDR前缀表示法CIDR无类别域间路由不再强制依赖 A、B、C 类默认网络长度而是直接使用前缀长度描述地址块。在 IP 地址后增加斜杠和网络前缀位数。192.168.1.10/24 表示网络前缀占24位计算网络地址子网掩码与IP地址逐位相与就得到子网网络地址。计算广播地址网络前缀保持不变主机部分全部设为 1。子网可以容纳的主机数N 2^h - 2子网数量假设原网络是 /24新子网前缀是 /27则借用位数27 - 24 3可划分子网数2^3 8反推子网掩码例如某部门需要至少 50 个可用主机地址。应该分配多大的子网路由聚合把多个满足条件的连续地址块用一个更短的共同前缀表示。例如192.168.0.0/24192.168.1.0/24 → 192.168.0.0/235.网络层重要协议IP协议TCP/IP 体系中网际层的核心协议。它主要负责将来自上层的数据封装成 IP 数据报再通过网络转发最终尝试交付到目的主机。无连接尽最大努力交付基于逻辑地址路由器主要根据目的 IP 地址进行路由查找ICMP协议网际控制报文协议发送控制消息提供问题反馈典型工具是 ping 和 traceroute。差错控制报文目的不可达、超时、参数问题、重定向……查询或信息报文Echo Request回送请求、Echo Reply回送应答ARP协议ARP 通常运行在链路层之上、IP 层之下的边界位置直接封装在以太网帧中地址解析协议将IPv4 地址解析为链路层地址注意ARP 解析当前链路下一跳的 MAC 地址而不一定是最终目的主机的 MAC 地址IP 数据报目的地址仍为最终目的地址。RARP协议反向地址解析协议,已知自己的 MAC 地址向 RARP 服务器查询对应的 IPv4 地址。IGMP协议网际组管理协议,用于 IPv4 网络中管理主机与其相邻多播路由器之间的多播组成员关系。IGMP 用于帮助相关网络设备知道哪些链路上存在希望接收某个 IPv4 多播组流量的主机(需要主机自己加入多播组。6.路由选择协议内部网关协议IGPRIP路由信息协议、OSPF开放式最短路径优先算法外部网关协议EGPBGP边界网关协议IPv4 协议字段编号ICMP 1IGMP 2TCP 6UDP 17ARP 不通过 IPv4 协议字段标识。五、传输层1.传输层概述提供进程和进程之间的逻辑通信靠套接字Socket主机IP地址端口号提供应用进程传输层对收到的报文进行差错控制。2.UDP协议传输数据之前不需要建立连接收到UDP报文后也不需要给出任何确认不可靠、无连接、时延小3.UDP数据报首部固定 8 字节由源端口、目的端口、长度、检验和四个字段组成。4.TCP协议面向连接的传输控制协议传输数据之前必须建立连接数据传输后要释放连接。可靠、面向连接、时延大每一条TCP连接只能是点对点的可靠交付无差错、不丢失、不重复、按需到达提供全双工通信发送缓存、接收缓存5.TCP数据报源端口和目的端口 各2B传输层与应用层的服务接口序列号 4B本报文段所发送数据的第一个字节的序号确认号4B期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号数据偏移4位表示首部长度数据偏移的单位是4B-窗口2B现在允许对方发送的数据量6.TCP连接连接建立 → 数据传送 → 连接释放三次握手客户端发送连接请求报文段SYN 1,seq x随机服务端返回确认报文段SYN 1,ACK 1,seq y随机ack x1客户端返回确认的确认SYN 0,ACK 1,seq x1ack y1四次挥手客户端发送连接释放报文段FIN 1,seq u服务端返回确认报文段ACK 1,seq vack u1服务端发完数据后发出连接释放报文段FIN 1,ACK 1,seq wack u1客户端返回确认报文段ACK 1,seq u1ack w1可靠传输TCP实现可靠传输的机制校验序号确认重传7.拥塞控制、流量控制流量控制TCP利用滑动窗口机制实现流量控制。接收方根据自己接收缓存的大小动态地调整接收窗口rwnd发送方发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值拥塞控制拥塞窗口发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值反应网络当前容量拥塞控制四种方法慢开始从较小的拥塞窗口开始指数级增加窗口大小拥塞避免达到慢开始门限 ssthresh 后改为保守地增加快重传发送方收到3 个重复 ACK后通常判断有报文段丢失并立即重传缺失数据而不必等待重传计时器超时快恢复不将cwnd降到最小只将窗口或相应门限按照一定比例降低如果不是3个重复ACK而是重传超时RTO则要降至1重新慢开始六、应用层应用层对应用程序的通信提供服务。应用层的功能文件传输、访问和管理电子邮件虚拟终端查询服务远程作业登录。1.网络应用模型P2P、C/SC/S模型客户/服务器模型优点 资源集中管理、权限控制方便、数据一致性比较容易维护。缺点 服务器可能成为性能瓶颈如果缺少冗余服务器故障可能影响大量客户端。易错点C/S 不是说必须只有一台服务器也不是说客户端永远不能发送数据。P2P模型点对点模型优点 资源分散在多个节点能够利用各节点的上传能力和存储资源系统具有一定扩展性。缺点 资源发现、节点管理、安全控制、数据可用性等可能比较复杂。2.域名系统DNS根据域名找IP地址。例如www.example.com.从右向左理解.根域com顶级域TLDexample二级域标签www更低一级的名称标签DNS 服务器的查询过程客户端 → 递归DNS解析器 → 根服务器查询对应顶级域信息 → 顶级域服务器获取权威服务器信息 → 权威服务器获取目标DNS记录 → 递归解析器将结果返回客户端常见端口与传输协议UDP/TCP 533.电子邮件SMTP、POP3、IMAPSMTP主要负责电子邮件的发送、提交和服务器之间的传输。常见端口与传输协议TCP 25POP3主要用于邮件客户端从服务器邮箱中获取邮件。常见端口与传输协议TCP 110IMAP主要负责在服务器上访问、管理和同步邮件。常见端口与传输协议TCP 1434.文件传输协议 FTP它主要用于在客户端和服务器之间上传、下载与管理文件。FTP 使用两条用途不同的连接控制连接与数据连接。控制连接用于传输 FTP 命令与服务器响应例如登录、列目录、请求下载文件。数据连接用于实际传输文件内容或某些目录列表数据。常见端口与传输协议控制端口 TCP 21连接端口 TCP 205.万维网WWW和HTTP协议-WWW网页Web Page浏览器能够展示的 Web 文档。网站Website具有一定关联的一组网页和资源。超链接Hyperlink使用户能够从一个页面跳转到另一个资源。HTTP超文本传输协议。特点请求—响应模式无状态可以使用持续连接GET主要用于获取资源。POST主要用于向服务器提交数据供处理。常见端口与传输协议TCP80HTTPS常见端口与传输协议TCP 443总结计算机网络浅学 
长河君 · 2026/10/31 6:57:16 · 阅读 1.2k 计算机网络浅学
提示文章写完后目录可以自动生成如何生成可参考右边的帮助文档文章目录前言一、计算机网络概述1.定义与分类一些易错点2.组成与功能3.发展历史4.数据交换方式5.OSI参考模型一些易错点6.TCP/IP参考模型7.网络协议、层次、接口二、物理层1.物理层概念2.数据通信部分名词3.多路复用4.编码与调制编码调制5.求极限传输速率奈氏准则和香农定理奈氏准则香农定理6.传输介质导引型非导引型7.物理层设备三、数据链路层1.链路层功能---封装成帧2.链路层功能---透明传输3.链路层功能---差错控制4.链路层重要协议---PPP协议5.链路层重要协议---CSMA/CD协议6.重要网络局域网以太网 Ethernet高速以太网7.链路层设备网桥交换机四、网络层1.网络层基本功能2.路由器转发分组3.IP数据报和IP地址IP首部重要字段固定部分为20B160bitIP数据报分片分类的IP地址私有IP地址NAT4.IP地址的计算子网掩码与子网划分CIDR前缀表示法5.网络层重要协议IPv4 协议字段编号五、传输层1.传输层概述2.UDP协议3.UDP数据报4.TCP协议5.TCP数据报6.TCP连接三次握手四次挥手可靠传输7.拥塞控制、流量控制流量控制拥塞控制拥塞控制四种方法六、应用层1.网络应用模型P2P、C/S2.域名系统DNS3.电子邮件SMTP、POP3、IMAP4.文件传输协议 FTP5.万维网WWW和HTTP协议总结前言计算机网络浅学一、计算机网络概述1.定义与分类计算机网络利用通信线路和交换设备将地理位置分散的、具有独立功能的多台计算机连接起来按照某种协议进行数据通信、实现资源共享的信息系统按分布范围广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个域网PAN按使用者公用网、专用网按拓扑结构总线型、星型、环型、网状型按数据交换技术电路交换、报文交换、分组交换一些易错点区别局域网和广域网之间的关键在于覆盖范围和所采用的协议。局域网接入广域网主要是通过路由功能来实现的。局域网技术主要涉及物理层和数据链路层。2.组成与功能计算机网络从物理构成上看主要由硬件、软件和协议三大部分组成硬件包括主机计算机、服务器、手机等终端设备、通信设备路由器、交换机、网桥、中继器以及通信线路双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等。软件包括网络操作系统、网络协议软件、网络管理软件以及各类网络应用浏览器、邮件客户端等。协议是通信双方必须共同遵守的规则和约定是计算机网络能够正常通信的核心可以说协议是计算机网络的灵魂。从逻辑功能上看计算机网络又可以分为资源子网和通信子网两部分资源子网由主机、终端、软件与数据资源组成负责数据处理和向用户提供网络服务。通信子网由通信设备与通信线路组成负责数据的传输、交换与转发。计算机网络的功能主要体现在以下几个方面数据通信实现计算机之间信息的快速传递如电子邮件、即时通信、文件传输这是最基本的功能。资源共享包括硬件资源打印机、存储设备、软件资源和数据资源的共享提高资源利用率。分布式处理当某台计算机负担过重时可将任务分配给网络中其他计算机协同完成提高整体处理能力。提高可靠性网络中的计算机可以互为备份某台设备出现故障时可由其他设备替代保证系统持续可用。负载均衡将工作任务均衡地分配到多台计算机上避免单点过载。3.发展历史ARPANET三级结构因特网多层次ISP结构-主机A → 本地ISP → 主干ISP → 地区ISP → 本地ISP → 主机B4.数据交换方式电路交换通信前先建立一条独占的物理通道通信结束后再释放。主要分成三个阶段建立连接 → 传输数据 → 释放连接假设 A 想和 B 通话网络先为这次通话建立一条通信电路。在整个通话期间相关通信资源被这次连接占用。优点是建立连接后传输比较稳定时延可预测性较好。缺点是即使双方暂时没有说话已分配的通信资源也可能处于闲置状态。传输数据量大且传送时间远大于呼叫时间时选择电路交换电路交换传输时延最小。报文交换以报文为数据交换的单位发送方将完整报文发送给中间节点中间节点收到整个报文后再转发给下一节点。报文携带有目的地址、源地址等信息。优点是不必事先建立专用电路。缺点是报文很长时中间节点需要较大的缓存空间而且必须等待整个报文接收完成容易造成较长时延。分组交换将较长的数据划分成较小的数据单元分组分别进行传输。分组交换有一个非常重要的特点不需要等整个文件传输到中间节点以后才开始转发。报文交换与分组交换采用存储转发的传输方式5.OSI参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层主要负责向应用程序提供网络通信服务。表示层用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。数据格式转换、数据加解密、数据压缩与解压缩会话层通信双方进行的一次有组织的交流过程。传输层负责进程到进程的端到端通信利用端口号区分通信端点处理差错控制和流量控制。传输单位是报文段。重要设备网关网络层把分组数据报从源结点传到目的结点为分组交换网上的不同主机提供通信服务。逻辑寻址、路由选择与分组转发重要设备路由器数据链路层把网络层传下来的数据报组装成帧可以承担链路寻址、差错检测和媒体访问控制等功能。重要设备网桥交换机物理层在物理媒体上实现比特流的透明传输应用层处理网络应用需求表示层解决数据表示问题会话层管理会话传输层负责进程通信网络层负责跨网络传送分组数据链路层负责传输帧物理层负责传输比特。实体计算机网络中能够发送或接收信息的硬件或软件进程。协议主要规定同一层对等实体之间如何通信。服务上层通过接口使用下层服务下层则通过自己的功能和协议实现相应能力。一些易错点拥塞控制网络层、传输层流量控制数据链路层相邻节点间、网络层网络中、传输层端到端提供用户和网络的接口应用层物理层不参与数据封装工作OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信但在传输层仅支持面向连接的通信TCP/IP模型在网络层仅有无连接的通信而在传输层支持无连接和面向连接的通信。6.TCP/IP参考模型应用层、传输层、网际层、网络接口层应用层为网络应用提供通信服务OSI 的应用层、表示层、会话层 → TCP/IP 应用层常见协议HTTP、DNS、SMTP传输层进程到进程的数据传输常见协议TCP、UDP网际层IP 寻址、路由与分组转发常见协议IPv4、IPv6、ICMP网络接口层链路上的传输与物理信号通信OSI 数据链路层、物理层 → TCP/IP 网络接口层7.网络协议、层次、接口这三个概念是理解分层网络体系结构的关键它们分别回答了「怎么通信」「怎么分层」「层与层之间怎么衔接」三个问题。网络协议Protocol协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。一个完整的协议由三要素组成语法规定数据与控制信息的结构与格式即「怎么表示」。语义规定需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应即「表示什么含义」。同步时序规定事件实现顺序的详细说明即「什么时候做、按什么顺序做」。层次Layer计算机网络采用分层的思想把复杂的通信问题分解为若干个相对独立的子问题每一层只负责一部分功能并向上层提供服务、使用下层提供的服务。分层带来的好处各层之间相互独立某一层的实现变化不影响其他层灵活性好便于各层分别采用最合适的技术实现结构上可分割易于实现和维护能促进标准化工作。接口Interface接口是同一结点内相邻两层之间交换信息的连接点上层通过接口使用下层提供的服务下层通过接口向上层提供服务。接口定义了上层可以使用下层的哪些服务以及如何使用但不涉及下层内部的具体实现细节。三者的关系协议是水平方向的只有同一层的对等实体之间才需要遵守相同的协议。接口是垂直方向的同一结点内相邻两层之间通过接口交互。层次是整体框架协议和接口都依附于分层结构而存在。可以用一句话概括协议是对等层之间的通信规则接口是相邻层之间的服务通道层次是组织这些规则与通道的整体架构。二、物理层1.物理层概念是计算机网络OSI模型中最低的一层也是最基本的一层确保原始的数据可在各物理媒体上传输。传输比特流特性机械特性、电气特性、功能特性、规程特性2.数据通信码元用一个固定时长的信号波形代表不同离散数值的基本波形。码元传输速率单位时间内传输的码元个数单位是波特Baud。M进制码元码元的离散状态有M个。码元≠比特如四种电平分别映射为 00、01、10、11每码元比特数 log2 M比特率 R B log2 M B为码元速率部分名词消息要传达的内容数据0/1 ……信号 数据在传输过程中所表现出来的电磁或光学等物理形式。信道单工通信广播、半双工通信对讲机、全双工通信打电话基带信号来自信源的信号编码变成数字信号带通调制变成模拟信号带通信号3.多路复用把多个信号组合在一条物理信道上进行传输使得多个计算机或终端设备共享信道资源提高信道利用率。频分多路复用FDM生活中的例子——广播电台时分多路复用TDM同步时分复用每个用户被分配固定时隙即使用户 A 暂时没有数据属于 A 的时隙也可能闲置。统计时分复用STDM如果 A 没有数据可以把传输机会分配给其他有数据的用户。波分多路复用WDM在同一根光纤中使用不同波长的光承载不同的数据通道码分多路复用CDM让不同用户使用不同的编码序列在相同时间、相同频带上发送信号并通过编码区分各用户的信息。利用码片4.编码与调制编码非归零编码高1低0缺点连续相同比特可能形成长时间不跳变的信号影响接收端时钟恢复。归零编码高1低0后半段归零曼彻斯特编码前高后低1前低后高0曼彻斯特编码的1和0对应可以自己定义重点是强制中间跳变差分曼彻斯特编码看每个比特开始处是否发生跳变跳变为0不变为1同样强制中间跳变。调制利用某种信号控制载波的特征使载波能够携带我们想要传输的信息。调幅AM改变载波的幅度。调频FM改变载波的频率。调相PM改变载波的相位波形在比特边界发生相位变化。5.求极限传输速率奈氏准则和香农定理奈氏准则在理想低通信道无噪声带宽受限的条件下极限码元传输速率为B_max 2W (BaudR_max 2W log2 V (bit/s)W为信道带宽单位是HzV是码元离散电平数目。从公式看出增加码元状态数就能提高每个码元携带的比特数量。但是真实信道中有噪声码元状态越多接收端越难准确地区分这些状态。香农定理在带宽受限且有噪声的信道中为了不产生误差信息的数据传输速率有上限值。信噪比SNR S / NS信号功率 N噪声功率信噪比越高代表信号相对于噪声越强。分贝(dB)SNR_dB 10 log10 (S/N)香农公式对于带宽为W、信噪比为 S/N 的理想带限加性高斯白噪声信道C W log2 (1 S/N)C信道容量bit/sW信道带宽在规定的信道模型中带宽和信噪比共同决定可靠通信的理论极限速率。传输介质是发送设备与接收设备之间传递物理信号所依赖的物质或传播空间。6.传输介质导引型信号沿着有形介质传播双绞线同轴电缆光纤非导引型信号主要通过自由空间传播无线电波微波红外线激光7.物理层设备中继器集线器三、数据链路层1.链路层功能—封装成帧链路层信道模型一对一点对点信道一对多广播信道封装成帧在一段数据的前后部分添加首部和尾部构成一个帧。帧定界接收端在收到物理层上交的比特流后根据首部和尾部的标记识别帧的开始和结束SOH、EOT2.链路层功能—透明传输不管所传数据是什么样的比特组合都应当能在链路上传送。当输入非ASCII码的文本文件时用字符/字节填充法转义字符解决透明传输问题。3.链路层功能—差错控制差错位错比特位出错帧错丢失、重复、失序常见差错控制方法奇偶校验加入校验位使1的数量符合约定的奇偶性。缺点检测不出偶数个比特翻转。校验和将数据分组相加计算出一个校验值。循环冗余校验CRC位错的检测方法通过模 2 除法计算检验余数并将余数作为冗余校验信息附加在数据后面。原始数据M→补 r 个0r为生成多项式的阶数→使用生成多项式进行模 2 除法→得到 r 位 CRC 余数末r位→发送“原始数据 CRC余数”4.链路层重要协议—PPP协议最广泛使用的数据链路层协议用户使用拨号电话接入因特网时一般使用PPP协议。PPP协议实现透明传输的方法异步传输/面向字符字节填充法同步传输/面向比特零比特填充法连续5个1填充1个05.链路层重要协议—CSMA/CD协议局域网广播信道所使用。介质访问控制当多个设备共享通信介质时究竟允许谁在什么时候发送数据静态划分信道频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用动态分配信道信道并非在用户通信时固定分配给用户。– 随机接入CSMA/CD协议– 受控接入轮询访问令牌传递协议CSMA/CD协议CS载波侦听/监听。发送数据前总线上是否有其他计算机在发送数据。MA多点接入多个节点能够接入并共享同一个通信介质。CD碰撞检测边发送边监听判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。先听后发、边发边听、冲突停止、随机重发。全双工网络通常不需要CSMA/CD。6.重要网络局域网在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组使用广播信道。分类按传输介质分有线局域网IEEE 802.3、无线局域网IEEE 802.11按拓扑结构分星型网、环型网、总线网、树形网子层LLC子层逻辑链路控制子层负责识别网络层协议并对其进行封装。MAC子层介质访问控制子层数据帧的封装/卸装帧的寻址与识别、接收与发送、链路管理介质访问控制、差错控制。以太网 Ethernet目前使用范围最广的局域网。逻辑拓扑是总线型结构物理拓扑是星型或拓展星型结构传统共享式半双工以太网使用CSMA/CD 技术。网络接口卡/网卡计算机靠适配器网络接口卡/网卡连接到局域网/以太网。通常承担收发以太网帧处理MAC地址帧封装、差错控制等链路层工作。MAC地址/网卡地址每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址。MAC帧典型结构目的地址源地址类型数据帧校验以太网帧最短是64字节。包含单播帧、广播帧全F、多播帧。高速以太网速度≥100Mb/s的以太网成为高速以太网。100BASE - T以太网在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网使用IEEE802.3的CSMA/CD协议全双工不使用。吉比特以太网在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s只工作在全双工方式。7.链路层设备网桥和交换机能够分隔冲突域但普通二层转发不会直接分隔同一 VLAN 内的广播域。网桥连接两个或多个局域网网段并根据目的 MAC 地址判断是否需要将帧转发到其他网段。透明网桥网桥通过自学习MAC地址表自己决定帧往哪里转发。源路由网桥发送方事先确定路径网桥按照帧中指定的路径转发。交换机多接口网桥转发方式分类直通式交换机查完目的地址立刻转发存储转发式交换机将帧放入高速缓存并检查是否正确正确则转发否则丢弃。延迟大可靠性高可以支持具有不同速率的端口的交换。学习MAC地址交换机根据源 MAC 地址学习根据目的 MAC 地址转发。目的 MAC 已知则定向转发未知单播通常泛洪。虚拟局域网VLAN由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。以太网交换机可以通过以太网帧中的VLAN标记对不同VLAN的主机进行数据转发。网桥和交换机通常不能分割广播域但支持 VLAN 的交换机可以通过 VLAN 配置将网络划分为多个独立的二层广播域。四、网络层网络层是 OSI 参考模型中的第三层位于数据链路层之上、传输层之下向上为传输层提供主机到主机的通信服务。由于 TCP/IP 体系中网络层功能主要由 IP 协议规定和实现因此网络层也常被称为IP 层。网络层向上只提供灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务即不保证数据报一定送达、不保证按序到达、也不保证不重复可靠性交由上层传输层负责。其主要功能包括1.网络层基本功能异构网络互连通过统一的 IP 协议屏蔽底层不同网络以太网、Wi-Fi、PPP 链路等的差异使它们能够互联互通形成统一的互联网。路由选择与分组转发根据路由表为分组选择一条合适的路径路由选择并把分组从输入端口转移到合适的输出端口分组转发。拥塞控制当网络中分组数量过多导致性能下降时采取相应措施缓解拥塞。差错报告通过 ICMP 协议报告数据报传输过程中出现的差错如目的不可达、超时等。网络地址管理为每台主机分配 IP 地址实现逻辑寻址并配合子网掩码、CIDR 等机制完成地址规划。其中路由选择是「决定走哪条路」属于全局性、由路由协议完成的工作分组转发是「按已定的路把分组送出去」属于局部性、由路由器逐跳完成的工作二者共同构成网络层的核心任务。网络层向上只提供灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据包服务主要任务是把分组通过路由选择与转发从源端传到目的端。2.路由器转发分组路由器是网络层的核心设备工作在网络层负责在不同网络之间转发分组。它的基本工作流程可以概括为「接收 → 查表 → 转发」三步。1路由表的结构路由表是路由器转发分组的依据其中每一行通常包含以下信息目的网络地址分组要到达的目标网络。子网掩码 / 前缀长度用于确定目的网络的范围。下一跳地址分组应该交给哪个相邻路由器。出接口分组从哪个端口发送出去。度量值如跳数、带宽、时延等用于选择最优路径。2转发分组的过程路由器从某个输入端口收到一个 IP 数据报先检查其首部校验和若出错则丢弃。提取数据报首部中的目的 IP 地址。将目的 IP 地址与路由表中各表项的子网掩码逐位相与得到目的网络地址。在路由表中查找匹配的表项采用最长前缀匹配原则若有多个表项都能匹配选择前缀最长即最具体的那一条。根据匹配表项的下一跳地址和出接口将数据报从相应端口转发出去。若路由表中没有匹配项则按默认路由0.0.0.0/0转发若连默认路由也没有则丢弃该数据报并向源主机发送 ICMP 目的不可达报文。3最长前缀匹配示例假设路由表中有如下表项目的网络前缀长度下一跳192.168.1.0/24R1192.168.1.0/25R20.0.0.0/0R3默认路由当收到目的地址为192.168.1.20的数据报时它与 /24 和 /25 两个表项都能匹配但 /25 的前缀更长、更具体因此选择下一跳 R2。4路由选择与分组转发的区别路由选择由路由协议如 RIP、OSPF、BGP完成负责构建和更新路由表是全局性、周期性的工作。分组转发由路由器根据已有路由表逐跳完成是局部性、高频次的工作要求速度快。否是是否是否收到 IP 数据报首部校验和正确?丢弃提取目的 IP 地址与各表项掩码相与存在匹配表项?最长前缀匹配按下一跳与出接口转发存在默认路由?丢弃并回送 ICMP 不可达3.IP数据报和IP地址IP首部重要字段固定部分为20B160bit版本4位首部长度4位实际 IP 首部长度B首部长度×4区分服务8位总长度 16位指首部和数据之和的长度标识16位一个数据报长度超过网络MTU时需分片标识可以区分分片是否属于同一数据报标志3位DF1表示禁止分片MF1表示后面还有分片片偏移13位分片在原始数据中的位置起始偏移/8生存时间8位协议8位承载的上层协议首部校验和16位源IP地址32位目的IP地址32位IP数据报分片1为什么要分片每种链路层协议对帧的数据字段长度都有上限这个上限称为最大传送单元 MTU以太网的 MTU 通常为 1500 字节。当一个 IP 数据报的总长度超过出口链路的 MTU 时就必须把它拆分成若干个较小的数据报再传输这个过程称为分片。2与分片相关的首部字段标识Identification16 位同一个原始数据报的所有分片具有相同的标识值接收端据此判断哪些分片属于同一个数据报。标志Flags3 位DFDon’t FragmentDF1 表示禁止分片若此时数据报超过 MTU则丢弃并返回 ICMP 差错报文DF0 表示允许分片。MFMore FragmentMF1 表示后面还有分片MF0 表示这是最后一个分片或未分片。片偏移Fragment Offset13 位表示该分片的数据部分在原数据报数据部分中的相对位置以 8 字节为单位即实际字节偏移 片偏移值 × 8。3分片的关键规则除最后一个分片外每个分片的数据部分长度必须是8 字节的整数倍这样才能用 13 位的片偏移精确表示位置。各分片首部中的「总长度」字段只表示本分片的首部加数据长度而不是原始数据报的总长度。各分片的「标识」相同「片偏移」不同最后一个分片的 MF0其余分片的 MF1。4分片的重组分片可以在源主机、中间路由器或目的主机上进行但 IPv4 规定分片的重组只在最终的目的主机上进行。若某个分片丢失且超时未到则整个数据报被丢弃。提示IPv6 取消了路由器分片功能只允许源主机进行分片中间路由器遇到超长数据报时直接返回 ICMPv6「分组过大」报文由源主机调整后再发送。分类的IP地址IP地址32位 网络号 主机号A类1~126网络号8位第一位固定为0主机号24位默认子网掩码255.0.0.0B类128~191网络号16位前两位固定为10主机号16位默认子网掩码255.255.0.0C类192~223网络号24位前三位固定为110主机号8位默认子网掩码255.255.255.0D类224~239多播地址多个接收设备加入同一个 IP 多播组后可以使用相应的多播机制接收发往该组的数据。前四位固定为1110典型地址范围224.0.0.0239.255.255.255E类240~255保留用途前四位固定为1111特殊地址全0默认路由全1本网广播地址主机号全为0网络地址表示整个网络本身主机号全为1子网的广播地址127.0.0.0/8 为环回用途保留地址块127.0.0.1 是典型本机环回地址。私有IP地址私有 IP 地址是专门保留给内部网络使用的 IPv4 地址不能在公共互联网中直接作为全球可路由的地址使用。A类 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 1B类 172.16.0.0~172.31.255.255 16C类 192.168.0.0~192.168.255.255 256NAT私有 IP 地址如何通过一个或少量公网 IP 地址访问互联网静态NAT动态NATPAT网络地址与端口转换4.IP地址的计算子网掩码与子网划分子网划分是指从原来的主机部分借用若干位作为更长的网络前缀将一个较大的地址块划分为多个较小的子网。子网划分IP地址 网络前缀 主机部分子网掩码网络位全1主机位全0CIDR前缀表示法CIDR无类别域间路由不再强制依赖 A、B、C 类默认网络长度而是直接使用前缀长度描述地址块。在 IP 地址后增加斜杠和网络前缀位数。192.168.1.10/24 表示网络前缀占24位计算网络地址子网掩码与IP地址逐位相与就得到子网网络地址。计算广播地址网络前缀保持不变主机部分全部设为 1。子网可以容纳的主机数N 2^h - 2子网数量假设原网络是 /24新子网前缀是 /27则借用位数27 - 24 3可划分子网数2^3 8反推子网掩码例如某部门需要至少 50 个可用主机地址。应该分配多大的子网路由聚合把多个满足条件的连续地址块用一个更短的共同前缀表示。例如192.168.0.0/24192.168.1.0/24 → 192.168.0.0/235.网络层重要协议IP协议TCP/IP 体系中网际层的核心协议。它主要负责将来自上层的数据封装成 IP 数据报再通过网络转发最终尝试交付到目的主机。无连接尽最大努力交付基于逻辑地址路由器主要根据目的 IP 地址进行路由查找ICMP协议网际控制报文协议发送控制消息提供问题反馈典型工具是 ping 和 traceroute。差错控制报文目的不可达、超时、参数问题、重定向……查询或信息报文Echo Request回送请求、Echo Reply回送应答ARP协议ARP 通常运行在链路层之上、IP 层之下的边界位置直接封装在以太网帧中地址解析协议将IPv4 地址解析为链路层地址注意ARP 解析当前链路下一跳的 MAC 地址而不一定是最终目的主机的 MAC 地址IP 数据报目的地址仍为最终目的地址。RARP协议反向地址解析协议,已知自己的 MAC 地址向 RARP 服务器查询对应的 IPv4 地址。IGMP协议网际组管理协议,用于 IPv4 网络中管理主机与其相邻多播路由器之间的多播组成员关系。IGMP 用于帮助相关网络设备知道哪些链路上存在希望接收某个 IPv4 多播组流量的主机(需要主机自己加入多播组。6.路由选择协议内部网关协议IGPRIP路由信息协议、OSPF开放式最短路径优先算法外部网关协议EGPBGP边界网关协议IPv4 协议字段编号ICMP 1IGMP 2TCP 6UDP 17ARP 不通过 IPv4 协议字段标识。五、传输层1.传输层概述提供进程和进程之间的逻辑通信靠套接字Socket主机IP地址端口号提供应用进程传输层对收到的报文进行差错控制。2.UDP协议传输数据之前不需要建立连接收到UDP报文后也不需要给出任何确认不可靠、无连接、时延小3.UDP数据报首部固定 8 字节由源端口、目的端口、长度、检验和四个字段组成。4.TCP协议面向连接的传输控制协议传输数据之前必须建立连接数据传输后要释放连接。可靠、面向连接、时延大每一条TCP连接只能是点对点的可靠交付无差错、不丢失、不重复、按需到达提供全双工通信发送缓存、接收缓存5.TCP数据报源端口和目的端口 各2B传输层与应用层的服务接口序列号 4B本报文段所发送数据的第一个字节的序号确认号4B期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号数据偏移4位表示首部长度数据偏移的单位是4B-窗口2B现在允许对方发送的数据量6.TCP连接连接建立 → 数据传送 → 连接释放三次握手客户端发送连接请求报文段SYN 1,seq x随机服务端返回确认报文段SYN 1,ACK 1,seq y随机ack x1客户端返回确认的确认SYN 0,ACK 1,seq x1ack y1四次挥手客户端发送连接释放报文段FIN 1,seq u服务端返回确认报文段ACK 1,seq vack u1服务端发完数据后发出连接释放报文段FIN 1,ACK 1,seq wack u1客户端返回确认报文段ACK 1,seq u1ack w1可靠传输TCP实现可靠传输的机制校验序号确认重传7.拥塞控制、流量控制流量控制TCP利用滑动窗口机制实现流量控制。接收方根据自己接收缓存的大小动态地调整接收窗口rwnd发送方发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值拥塞控制拥塞窗口发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值反应网络当前容量拥塞控制四种方法慢开始从较小的拥塞窗口开始指数级增加窗口大小拥塞避免达到慢开始门限 ssthresh 后改为保守地增加快重传发送方收到3 个重复 ACK后通常判断有报文段丢失并立即重传缺失数据而不必等待重传计时器超时快恢复不将cwnd降到最小只将窗口或相应门限按照一定比例降低如果不是3个重复ACK而是重传超时RTO则要降至1重新慢开始六、应用层应用层对应用程序的通信提供服务。应用层的功能文件传输、访问和管理电子邮件虚拟终端查询服务远程作业登录。1.网络应用模型P2P、C/SC/S模型客户/服务器模型优点 资源集中管理、权限控制方便、数据一致性比较容易维护。缺点 服务器可能成为性能瓶颈如果缺少冗余服务器故障可能影响大量客户端。易错点C/S 不是说必须只有一台服务器也不是说客户端永远不能发送数据。P2P模型点对点模型优点 资源分散在多个节点能够利用各节点的上传能力和存储资源系统具有一定扩展性。缺点 资源发现、节点管理、安全控制、数据可用性等可能比较复杂。2.域名系统DNS根据域名找IP地址。例如www.example.com.从右向左理解.根域com顶级域TLDexample二级域标签www更低一级的名称标签DNS 服务器的查询过程客户端 → 递归DNS解析器 → 根服务器查询对应顶级域信息 → 顶级域服务器获取权威服务器信息 → 权威服务器获取目标DNS记录 → 递归解析器将结果返回客户端常见端口与传输协议UDP/TCP 533.电子邮件SMTP、POP3、IMAPSMTP主要负责电子邮件的发送、提交和服务器之间的传输。常见端口与传输协议TCP 25POP3主要用于邮件客户端从服务器邮箱中获取邮件。常见端口与传输协议TCP 110IMAP主要负责在服务器上访问、管理和同步邮件。常见端口与传输协议TCP 1434.文件传输协议 FTP它主要用于在客户端和服务器之间上传、下载与管理文件。FTP 使用两条用途不同的连接控制连接与数据连接。控制连接用于传输 FTP 命令与服务器响应例如登录、列目录、请求下载文件。数据连接用于实际传输文件内容或某些目录列表数据。常见端口与传输协议控制端口 TCP 21连接端口 TCP 205.万维网WWW和HTTP协议-WWW网页Web Page浏览器能够展示的 Web 文档。网站Website具有一定关联的一组网页和资源。超链接Hyperlink使用户能够从一个页面跳转到另一个资源。HTTP超文本传输协议。特点请求—响应模式无状态可以使用持续连接GET主要用于获取资源。POST主要用于向服务器提交数据供处理。常见端口与传输协议TCP80HTTPS常见端口与传输协议TCP 443总结计算机网络浅学