计算机网络期末复习（知识点）

第1章：概述

1. 计算机网络的组成（边缘部分，核心部分）

• 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机（端系统）组成。这是用户直接使用的部分。

• 功能：进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。

• 功能：为边缘部分提供服务，主要功能是连通性和交换（将数据包转发到目的地）。

2. C/S和P2P特点和区别

• C/S（客户/服务器方式）：

• 特点：严格区分服务请求方（客户）和服务提供方（服务器）。服务器通常是高性能计算机，需24小时在线。

• 缺点：服务器是性能瓶颈，随着客户数量增加，服务器负载加重。

• P2P（对等连接方式）：

• 特点：两台主机通信时不区分服务请求方和服务提供方。只要运行了P2P软件，它们就是平等的（Peer），既是客户又是服务器。

• 优点：支持大量用户，可扩展性强（用户越多，服务能力越强）。

3. 三种交换方式的对比

4. 时延性能指标
总时延 =发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

• 发送时延= 数据帧长度 / 发送速率 （受带宽影响）
• 传播时延= 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率 （受距离和介质影响）

5. 计算机网络体系结构每一层的作用（以五层协议为例）

1. 物理层：传输比特流，定义物理接口特性（电压、接口形状）。
2. 数据链路层：将网络层交下来的数据报组装成帧，负责链路上的点对点传输（差错检测、MAC寻址）。
3. 网络层：负责为分组进行路由选择（IP寻址），实现不同网络间的互连。
4. 运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务（TCP/UDP）。
5. 应用层：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用（HTTP, FTP, DNS）。

第2章：物理层

1. 几种编码方式

• 不归零制 (NRZ)：正电平代表1，负电平代表0（无法自同步）。

• 曼彻斯特编码：位周期中心的跳变既代表数据也作为时钟信号（具有自同步能力）。

• 通常：低到高跳变=0，高到低跳变=1（或反之）。

• 差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表0，无跳变代表1（抗干扰性强）。

2. 信噪比、香农公式、码元

• 信噪比：信噪比是信号功率与噪声功率的比值，用于衡量信号质量，通常用分贝（dB）表示。

• 香农公式：信道的极限信息传输速率 (b/s)。

• 结论：信道的带宽或信噪比越大，极限传输速率越高。

• 码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

3. 传输媒体类型

• 导引型：双绞线（最常用）、同轴电缆、光纤（带宽大、衰减小、抗干扰）。
• 非导引型：微波（地面微波、卫星通信）、无线电波、红外线。

4. 信道复用

• 频分复用 (FDM)：所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽。
• 时分复用 (TDM)：所有用户在不同的时间占用同样的频率带宽。
• 码分复用 (CDM/CDMA)：用户使用经过特殊挑选的不同码型（正交），在同样的时间使用同样的频带进行通信，互不干扰。

第3章：数据链路层

1. 差错控制（CRC）

• 原理：利用生成多项式 进行模2除法运算，计算出帧检验序列 FCS，添加到数据后面。
• 检错：接收端将收到的数据除以同样的 ，若余数为0，则认为无差错；否则丢弃。
• 注意：CRC 只能实现“无差错接受”（凡是接受的帧都没差错），不能保证可靠传输（丢弃的帧不重传）。

2. CSMA/CD协议

• 名称：载波监听多点接入/碰撞检测。
• 要点：

1. 多点接入：总线型网络。
2. 载波监听：发送前先监听，信道空闲才发送（先听后说）。
3. 碰撞检测：发送时继续监听，若检测到电压变化（碰撞），立即停止发送，发送人为干扰信号（边听边说）。
4. 退避算法：发生碰撞后，执行截断二进制指数退避算法等待随机时间。

• 集线器 vs 交换机：
• 集线器 (Hub)：物理层设备，逻辑上是总线，广播转发，所有端口在一个碰撞域。
• 交换机 (Switch)：数据链路层设备，全双工，存储转发，每个端口是一个独立的碰撞域（隔离碰撞）。

3. 交换机的自学习能力

• 原理：交换机维护一张交换表（MAC地址表）。
• 过程：

1. 收到帧后，记录帧的源MAC地址与进入的接口映射关系（登记）。
2. 根据目的MAC地址查表：

• 若表中有记录且接口非入口：明确转发。

• 若表中无记录：泛洪（向除入口外的所有接口转发）。

• 多交换机场景：A -> Switch1 -> Switch2 -> B。Switch1 学到 A 在接口1；Switch2 收到包后，学到 A 在连接 Switch1 的那个接口。

4. 虚拟局域网 VLAN

• 定义：利用交换机将局域网内的设备逻辑地划分成网段。
• 作用：隔离广播域，抑制广播风暴，提高安全性。
• 实现：802.1Q 帧（在以太网帧中插入 VLAN Tag）。

第4章：网络层

1. 分类的IP地址

• A类：0开头，1-126。网络号8位。
• B类：10开头，128-191。网络号16位。
• C类：110开头，192-223。网络号24位。
• 私有IP：10.0.0.0/8，172.16.0.0/12，192.168.0.0/16。
• 特殊IP：127.0.0.1（环回地址），全1（广播），全0（本网络）。

2. CIDR（无分类域间路由）

• 特点：消除了传统的A/B/C类划分，使用斜线记法（如 /20）表示网络前缀。
• 地址聚合（超网）：将多个前缀较长的地址块合并为一个前缀较短的地址块（取共同前缀）。
• 可分配IP数：（为主机号位数，减去网络地址和广播地址）。

3. 子网掩码

• 作用：将 IP 地址与子网掩码进行AND（按位与）运算，得出网络地址。

4. ARP（地址解析协议）

• 作用：将IP地址解析为MAC地址。
• 过程：

1. 检查本地 ARP 缓存。
2. 若无，发送ARP 请求（广播帧）：“我的IP是A，MAC是X，谁的IP是B？”
3. 目标主机收到后，发送ARP 响应（单播帧）：“我是B，MAC是Y。”
4. 写入缓存。

5. 路由器识别路由表项转发过程

• 提取目的IP地址 。
• 遍历路由表，将 与每一行的子网掩码做与运算。
• 若结果与该行的目的网络匹配，则为候选项。
• 最长前缀匹配：从所有匹配项中选择网络前缀最长（掩码最长）的一个作为下一跳。

6. IPv4和IPv6区别

• 地址长度：IPv4 是 32位，IPv6 是128位。
• 首部：IPv6 首部固定为 40 字节，简化了处理；IPv4 是变长的。
• 分片：IPv6 只能由源主机分片，路由器不分片。
• 校验和：IPv6 取消了首部校验和（由运输层负责），提高转发速度。

7. RIP路由协议

• 特点：基于距离向量算法，只和相邻路由器交换信息。
• 度量：以跳数为度量，最大 15 跳，16 跳表示不可达。
• 坏消息传得慢：存在“计数到无穷”问题。

8. VPN和NAT

• VPN (虚拟专用网)：利用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。核心技术是隧道技术和加密。
• NAT (网络地址转换)：将专用网内部的私有IP转换为互联网上的全球IP。解决IPv4耗尽问题。

9. SDN (软件定义网络) 特点

• 控制层面与数据层面分离。
• 集中控制：由 SDN 控制器统一管理网络。
• 开放接口：如 OpenFlow 协议，可编程化。

第5章：运输层

1. TCP/UDP的特点与区别

2. 端口

• 熟知端口：FTP (21/20), SSH (22), Telnet (23), SMTP (25), DNS (53), HTTP (80), HTTPS (443)。
• 端口类型：熟知端口 (0-1023)，登记端口 (1024-49151)，短暂端口 (49152-65535)。

3. TCP可靠传输

• 机制：校验和、序列号（保证有序）、确认应答（ACK）、超时重传（ARQ）。

4. TCP序号和确认号

• 序号 (Seq)：本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
• 确认号 (Ack)：期望收到对方下一个报文段的第一个字节的序号（若 Ack=N，则 N-1 为止的所有数据都已正确收到）。

5. TCP流量控制

• 目的：防止发送方发太快，接收方来不及接收。
• 手段：滑动窗口机制。接收方在 TCP 首部中告知接收窗口 (rwnd)大小，发送方的发送窗口不能超过该值。

6. TCP有效传输效率

• 指数据部分占总报文长度的比例。如果发送很小的数据（如1字节），加上20字节TCP首部和20字节IP首部，开销很大。
• Nagle算法：发送方将数据缓存，凑够一个MSS或收到前一个确认后再发送，提高效率。

7. 拥塞控制

• 拥塞窗口 (cwnd)：取决于网络拥塞程度。
• 四种算法：

1. 慢开始：cwnd 指数增长 () 直到门限 ssthresh。
2. 拥塞避免：cwnd 线性增长 (+1)。
3. 快重传：收到3个重复确认，立即重传丢失报文。
4. 快恢复：发生快重传后，ssthresh 减半，cwnd 设置为新门限值，执行拥塞避免。

8. 三报文握手建立连接

1. SYN：客户端发送 SYN=1, seq=x。进入 SYN-SENT。
2. SYN-ACK：服务端回复 SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1。进入 SYN-RCVD。
3. ACK：客户端回复 ACK=1, seq=x+1, ack=y+1。进入 ESTABLISHED。

• 为什么三次？为了防止已失效的连接请求报文段突然传到了服务端，产生错误连接浪费资源。

第6章：应用层

1. FTP协议

• 特点：基于 TCP。
• 双连接：
• 控制连接(端口21)：传输控制命令，整个会话期间保持打开。
• 数据连接(端口20/随机)：用于传输文件，传完即断开。

2. HTTP协议

• 工作过程：浏览器分析 URL -> DNS 解析 IP -> 建立 TCP 连接 (80端口) -> 发送 HTTP 请求报文 -> 服务器响应 -> 浏览器渲染 -> 释放 TCP。
• HTTP/1.0 vs 1.1：1.0 是非持久连接（短连接），1.1 默认持久连接（长连接，Keep-Alive）。

3. 电子邮件过程
发送方 UA 发送端邮件服务器 接收端邮件服务器 接收方 UA。

• 推：SMTP。拉：POP3/IMAP。

4. 邮件客户端 vs 浏览器电子邮箱

• 邮件客户端 (如 Outlook)：在用户PC上运行软件，直接使用SMTP发信，使用POP3/IMAP收信。
• 浏览器 (Web Mail)：用户代理是浏览器。用户与邮件服务器之间使用HTTP协议。只有邮件服务器之间传输邮件才使用 SMTP。

5. DNS解析过程

• 查询方式：主机向本地域名服务器查询（递归），本地域名服务器向根/顶级/权限域名服务器查询（迭代）。
• 流程：查本地缓存 -> 查本地域名服务器 -> 查根域名服务器 -> 查顶级域名服务器 (.com) -> 查权限域名服务器 (baidu.com) -> 获得IP。

第7章：网络安全

1. 面临的威胁

• 被动攻击：截获（监听流量，不篡改）。
• 主动攻击：中断（拒绝服务 DoS）、篡改、伪造。

2. 对称加密和非对称加密

• 对称加密 (DES, AES)：加密和解密使用同一个密钥。效率高，但密钥分发困难。
• 非对称加密 (RSA)：公钥加密，私钥解密（或反之）。密钥分两把，安全性高，密钥管理容易，但效率低。

3. 数字签名原理

• 作用：保证报文的完整性和不可否认性（真实性）。
• 过程：

1. 发送方对报文进行 Hash 运算得到摘要。
2. 发送方用自己的私钥对摘要进行加密（签名）。
3. 接收方用发送方的公钥解密得到摘要，与自己计算的报文摘要对比。

4. 数字证书和CA

• CA (认证中心)：可信的第三方机构。
• 数字证书：包含用户的公钥和用户的身份信息，并由 CA 用自己的私钥进行数字签名。
• 作用：证明公钥确实属于声称的那个人，防止中间人攻击。

第8章：无线网络与移动网

1. 无线网络和有线网络的传输特点

• 有线：信道质量稳定，误码率低，可以全双工检测碰撞 (CSMA/CD)。
• 无线：
• 信号衰减严重，存在多径效应。
• 隐蔽站问题：两个站点听不见对方，但都发给同一个接收端导致碰撞。
• 无法使用 CSMA/CD，只能使用CSMA/CA(碰撞避免)。