计算机网络

兑生

2644人浏览 · 2023-11-19 15:05:15

兑生 · 2023-11-19 15:05:15 发布

文章目录

💖 前言
💝 速成大纲
一、概述
二、物理层
三、数据链路层
四、网络层
五、传输层
六、应用层
六、网络安全
- 🌰 学习通章节练习
- - 第12周作业 7.1-7.4，7.7
😴 总结

💖 前言

✨ 参考资料

✨ 专业名词

三网融合：互联网、广播电视网、电信网
ISP（Internet Server Provider）：互联网服务提供商
LAN （Local Area Network）：局域网
封装：封装是指将数据在不同协议层之间进行包装、传输和解包的过程
调制：是指将数字信号或模拟信号转换为适合传输或储存的调制信号的过程
解调：从调制后的信号中恢复原来的调制信号的过程
单工：信息只能沿一个方向传输的通信方式
半双工：信息可以双方向传播但不能同时进行
全双工：可以同时进行双向数据传输
以太网：当今局域网采用的标准通信协议标准。以太网（Ethernet）是一种计算机网络技术，它定义了在局域网（LAN）中传输数据的方式。是一种基于载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）机制的通信技术，它允许多个设备在同一网络中同时发送和接收数据。
ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线技术，就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。ADSL 技术就把0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line) 的缩写。）
HFC（Hybrid Fiber Coax）：光纤同轴混合网
ICMP（Internet Control Message Protocol）：因特网控制报文协议，是一个差错报告机制，是TCP/IP协议簇中的一个重要子协议。
TTL（Time to live）：存活时间。限制了数据包在网络中经路由器跳转的次数。
CIDR（Classless Inter-Domain Routing）：无分类域间路由。使用斜线记法，即”/24”诸如此类，表示该网络前缀的比特数量。
RIP（Routing Information Protocol）：路由信息协议，是基于距离矢量算法的路由协议，利用跳数来作为计量标准。
端口
- 物理端口是用于连接物理设备之间的接口，如ADSL Modem、集线器、交换机、路由器上用于连接其他网络设备的接口。
- 逻辑端口是指逻辑意义上用于区分服务的端口，比如用于浏览网页服务的80端口，用于FTP服务的21端口等。
三次握手：建立TCP可靠连接前的三次通信。主要作用是同步双方的序列号。
DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）：动态主机配置协议。主要作用是集中的管理、分配IP地址，使网络环境中的主机动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。
防火墙（Firewall）：是通过有机结合各类用于安全管理与筛选的软件和硬件设备，帮助计算机网络于其内、外网之间构建一道相对隔绝的保护屏障，以保护用户资料与信息安全性的一种技术。
NAT（NetworkAddressTranslation）：网络地址转换
路由表更新

在这里插入图片描述

✨ 学习通小知识点

1. C/S模式（客户/服务器模式）与P2P模式（对等模式）

在C/S模式中，是大量客户计算机和少量服务器来进行通信的模式，客户是服务请求方，服务器是服务提供方，并且服务器总是在运行状态，等待客户的服务请求；

在P2P模式中，并没有严格区分客户和服务器之前的关系，而是每一个加入互联网的主机都不仅是服务的请求方，也是服务的提供方。

两者的联系：可以理解为P2P模式是C/S模式的双向应用，P2P实际上仍然是C/S，只不过每一台主机都同时成为了服务的请求方和提供方。

2. 发送时延、传输时延计算

在网络中，发送时延和传播时延的计算方式如下：

发送时延：发送时延是指从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。公式如下：
发送时延 = 数据帧长度（比特） / 带宽（发送速率或数据传输速率）（比特/每秒）
传输时延：传输时延是指电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。公式如下：
传输时延 = 距离（信道）（米） / 信号传播速率（信号在信道上的传输速率）（米/每秒）

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延。其中，处理时延和排队时延的具体数值取决于具体的网络环境，因此在计算时，往往忽略这两部分，只计算发送时延和传播时延。

3. 七层、四层、五层的体系结构

七层体系结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层
四层体系结构：网络接口层、网际层、运输层、应用层
五层体系结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层

关系如下图所示：

在这里插入图片描述

4. 数据链路层的三个基本问题

封装成帧：封装成帧就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。
透明传输：保证所有数据都能传输，不会和链路层的帧开始或结束标志有冲突有歧义。
差错检测：发现和识别数据包可能出现的比特差错。在实际的通信链路中，比特在传输过程中可能由于噪声、干扰或其他原因发生变化，即从1变为0或从0变为1，这就是比特差错。差错检测技术主要包括奇偶校验、循环冗余校验（CRC）

5. 码元速率、调制方法及数据率的关系及相关计算

数据率（bit/s） = 码元速率 * 每个码元携带的比特数

码元速率（baud rate）：是指单位时间内传输的码元（symbol）数量，单位通常是波特（baud），即每秒传输的码元数量。
调制方法：是指将数字信号转换成可以在物理介质上传输的模拟信号的过程。常见的调制方法有：调幅（AM）、调频（FM）、调相(PM)等。
数据率（data rate）：指单位时间内传输的数据量，单位通常是比特每秒（bps）。

🌰 以调频（FM）为例，假设每个码元携带2比特的信息，那么数据率（bps）等于码元速率（baud）乘以每个码元携带的比特数（2）。例如，如果码元速率为1000波特，那么数据率就是2000bps。

6. 集线器和交换机的区别

集线器（Hub）：
工作在物理层，它简单地将接收到的信号放大后发送给所有连接设备。不能分割冲突域，所有设备共享带宽。
交换机（Switch）：
工作在数据链路层，它可以根据MAC地址转发数据包。可以分割冲突域，每个端口都有自己的带宽。

7. 中继器、集线器、网桥、交换机、三层交换机、路由器这些连网设备有什么区别？各工作在哪一层？各用于什么场合?

中继器：
- 物理层
- 接收网络信号，将其放大，然后重新发送出去。
- 信号放大，消除信号噪声，延长传输距离
集线器：
- 物理层
- 一个口收到的信号，原封不动的发送给所有其他的口，由其他的口上的设备自己决定是否接收信号
- 信号放大，数据转发给所有连接的设备，延长传输距离

中继器与集线器的区别：在于连接设备的线缆的数量。一个中继器通常只有两个端口，而一个集线器通常有4至20个或更多的端口。

物理层设备和其他层次的设备(如：交换机、网桥、路由器)最大的区别：
集线器和中继器工作在同一个网段下的，而交换机、路由器等设备是工作在不同网段下的。
网段：指一个计算机网络中使用同一物理层设备(传输介质、中继器、集线器）能够直接通信的那一部分。也就是说，互联网划分为大大小小的网络，而一个网段只属于互联网中的某一个网络。

网桥：
- 数据链路层
- 连接不同的局域网（LAN），并根据MAC地址转发数据帧。
- 作用：
  隔离碰撞域，提高网络性能和稳定性。
  扩展网络范围，连接不同的网段或拓扑结构。
  进行链路层的协议转换，实现不同类型的LAN之间的互通。
交换机：
- 数据链路层
- 意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。可以隔离碰撞域，有自学习功能，即登记帧的源目的MAC地址和进入交换机的端口号；
三层交换机：
- 数据链路层
- 三层交换机是在二层交换机的基础上，增加了路由选择功能的网络设备，能够基于 ASIC 和 FPGA 实现网络功能和转发分组。二层交换机能够基于数据链路层的 MAC 地址，进行数据帧或 VLAN 的传输功能。三层交换机能够基于网络层的 IP 地址，实现路由选择以及分组过滤等功能。

网桥和交换机的主要区别在于端口数量和传输速率。网桥通常只有两个端口，而交换机可以有多个端口。网桥只能在两个端口之间建立一个通道，而交换机可以在多个端口之间建立多个通道。这样，交换机可以提供更高的传输速率和更大的带宽利用率。

路由器：
- 网络层
- 通过IP地址转发数据包，互连不同的局域网，同时隔离广播域和碰撞域；

下图：冲突域 == 碰撞域
在这里插入图片描述

8. CSMA/CD协议的工作过程

在这里插入图片描述

CSMA/CD协议是指：载波监听、多点接入、碰撞检测，用于有线互联网

载波监听：在发送帧前对总线进行载波监听，若检测到96bit空闲时间则立即发送帧，反之持续检测；
多点接入：多台主机连接在一条主线上，共享总线带宽；
碰撞检测：边发送边检测，若检测到碰撞，则停止发送，并退避一段时间后再发送。

9. A、B、C、D类网络地址的区别及范围

⭐ A类地址网络段全为0 (0000000)表示特殊网络，这个网络段是不能直接使用

在这里插入图片描述

⭐ 全零为网络地址，全一为广播地址

10. 网络地址、广播地址的计算

网络地址：将IP地址和子网掩码相与得到网络地址

广播地址：网络号不变，主机号变为全1为广播地址。

11. 星型、树型、总线型、网状拓扑结构的特点及适用范围

星型拓扑结构：
特点：使用集线器来连接各个节点，易于维修、某个节点故障不会影响到其他节点、性能快，节点少，添加、移动、删除设备很容易。
适用范围：适用于需要频繁扩展的环境，例如企业办公室、数据中心等。
树型拓扑结构：
特点：有一个根节点和其他节点，是分层拓扑结构；易维护、易扩展、易检错，单个节点故障不影响其他节点的正常工作。
适用范围：适用于分支管理和控制的系统。
总线型拓扑结构：
特点：使用一根主线连接所有节点，经济适用、易于扩展、传输快；
适用范围：广泛适用于规模较小、简单或临时的网络。
网状拓扑结构：
特点：网络上每台计算机相互连接，所有设备之间建立点对点连接，提供高级别的冗余；有易扩展，无流量问题，健壮性强，线路多，某一条链路堵塞也可通过其他链路到达，每个系统都有私密性和安全性。
适用范围：适用范围很广。

12. 私网地址的范围及特点

在这里插入图片描述

IP地址分为5类，其中A、B、C分别保留3个区域作为专用网络地址，私有网络地址不能出现在公共网络上，但只能在内部网络中使用。所有路由器不能发送目标地址为专用网络地址的数据报。

13. 多播地址的特点

以1110开头

14. CP流量控制的工作过程

⭐ rwnd（Receive window）：接受窗口
⭐ cwnd（Congestion Window）：拥塞窗口

15. TCP拥塞控制的工作过程及相关计算

⭐ Cwnd：拥塞窗口大小
⭐ ssthresh：慢开始门限值

工作过程：

慢开始：指的是cwnd值将随着发送方接收到的确认报文的个数而指数型增长；
拥塞避免：到达ssthresh的值后，cwnd将随着每次收到的确认报文而线性+1
若检测到发生了网络拥塞（例如出现了报文段的丢失），则进行以下操作：
- 将ssthresh的值减小为当先cwnd的值的一半
- 将cwnd减小为1
- 接着继续按照上述的慢开始和拥塞避免算法增加cwnd的值
快重传：
快恢复：若触发了快重传算法，则表示并不是发生了拥塞而是个别几个报文段丢失了，此时采用快恢复算法，即将cwnd和ssthresh的值都变为当前cwnd的值的一半，并在之后直接使用拥塞避免算法线性增加cwnd的值。

工作过程图：
在这里插入图片描述

16. 各类应用层协议，它们的名称、作用以及对应的传输层端口号

动态主机配置协议DHCP：可以为局域网中各主机自动配置IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器；运输层端口号：DHCP使用UDP协议封装，DHCP客户使用68号端口，DHCP服务器使用67号端口
域名系统DNS：DNS是因特网使用的命名系统，用来把便于人们记忆的含有特定含义的主机名（例：www.baidu.com），转换为便于机器处理的IP地址；并且为了提高DNS的查询效率，在域名服务器和主机中广泛加入了DNS高速缓存；使用UDP协议53号端口
文件传送协议FTP：FTP是因特网上使用的最广泛的文件传送协议，常见用途是计算机之间传输文件，尤其是用于批量传输文件；FTP服务器使用端口号21和FTP客户建立用于传送控制命令的TCP连接；当要传输数据时，客户通过命令通道通知服务器建立另一个TCP通道，也就是用于传输数据的TCP通道
邮件发送协议SMTP：用于客户和服务器之间，客户和接收方服务器之间进行邮件的传输；不过SMTP不能传输可执行文件或其他二进制对象，如今传输使用邮件扩展MIME来进行转换；SMTP使用端口号25建立TCP连接；
超文本传输协议HTTP：是用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。它不仅保证计算机正确快速地传输超文本文档，还确定传输文档中的哪一部分，以及哪部分内容首先显示(如文本先于图形)等。使用TCP端口80；
安全超文本协议HTTPS：它使用安全套接字层(SSL)进行信息交换，简单来说它是HTTP的安全版,是使用TLS/SSL加密的HTTP协议。使用TCP端口443；

17. 公钥密码体制加密模型（略）

18. 子网划分计算（略）

19. 路由聚合计算

对于给出的多个IP地址，通过对比得出比特位相同的位数，然后将剩余的部分全部取零，得到聚合后的IP地址。

在这里插入图片描述

20. CRC算法中除数的多项式表示方法

使用生成多项式G(x)来表示

21. 对于IP 地址耗尽的问题，我们有什么解决方法（至少知道三种，每种方法的原理）？

无类别域间路由（CIDR）：
原理：通过将IP地址分为网络部分和主机部分，并允许不同大小的网络部分，从而提高了IP地址的利用率。例如，一个CIDR地址块∗∗∗.∗∗∗.∗.∗/24包含256个IP地址，但只有254个可用地址（除去网络地址和广播地址）。通过使用CIDR，可以将多个小网络合并成一个大网络，从而减少地址浪费。
网络地址转换（NAT）：
原理：NAT是一种在网络边缘设备（如路由器或防火墙）上将私有IP地址转换为公有IP地址的技术。这样，多个内部网络设备可以共享一个或多个公有IP地址，从而节省IP地址资源。例如，一个家庭或小型办公室网络可以通过一个公有IP地址连接到互联网。
IPv6：
原理：IPv6是IPv4的继承者，它使用128位地址空间，提供了大量的IP地址。IPv6不仅可以解决IPv4地址耗尽的问题，还提供了许多其他优点，如更好的安全性、更快的路由、更好的移动性等。然而，由于IPv6与IPv4不兼容，因此需要升级网络设备才能使用IPv6。

22. 几种信道复用技术的原理

时分复用（TDM）：
原理：时分复用是将时间划分为若干个时间段，每个时间段（时隙）用于传输一路信号。通过在每个时间段内传输不同的信号，可以实现多路信号的同时传输。
频分复用（FDM）：
原理：频分复用是将频率划分为若干个频段，每个频段（子信道）用于传输一路信号。通过在每个频段内传输不同的信号，可以实现多路信号的同时传输。
码分多址（CDMA）：
原理：码分多址是一种扩频技术，它将每个信号编码为一个独特的码序列，然后在同一信道上同时传输这些码序列。由于每个码序列是唯一的，因此接收方可以通过特定的码序列来区分不同的信号。
波分复用（WDM）：
原理：波分复用是一种光纤通信技术，它将不同波长的光信号合并到同一根光纤中传输。在接收端，通过特定的波长滤波器可以将不同波长的光信号分离出来。