王道计算机网络知识点总结

计算机网络知识点总结

一、计算机网络体系结构

（一）计算机网络概述

计算机网络概念：互连的、自治的计算机系统的集合，目的是资源共享，组成包括多台自治计算机，规则是网络协议。

计算机网络的组成：硬件、软件、协议。工作方式分为边缘部分（用户主机）和核心部分（路由器、网络）；功能组成包括通信子网（物理层、数据链路层、网络层）和资源子网（会话层、表示层、应用层）。

计算机网络的功能：数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡。

计算机网络分类：

• 范围分类：
  • 广域网（WAN）：10km-1000km，互联网、交换技术。
  • 城域网（MAN）：5km-50km，以太网。
  • 局域网（LAN）：10m-5km，广播技术。
  • 个人局域网（PAN）：0-10m，无线技术。
• 传输技术：广播式网络、点对点网络。
• 拓扑结构：总线型、星型、环形、网状。
• 使用者：共用网、专用网。
• 交换技术：
  • 电路交换网络：专用通路，优点是数据直接传送、时延小，缺点是线路利用率低、不便于差错控制。
  • 报文交换网络：数据加上源地址、目的地址等信息封装成报文，优点是充分利用线路容量、便于差错控制，缺点是增加资源开销、缓冲延时。
  • 分组交换网络：数据分成固定长度的数据块，优点是缓冲易于管理、易于标准化。

传输介质：有线网络、无线网络。

（二）计算机网络体系结构与参考模型

1. 计算机网络分层结构

分层原则：每层实现相对独立的功能，降低复杂度；各层之间界面清晰，交流少；功能定义独立于具体实现方法；保持下层对上层的独立性；促进标准化工作。

实体：第n层中的活动元素，可发送或接收信息的硬件或软件进程。

对等层：不同机器上的同一层。

服务数据单元（SDU）：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。

协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。

协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据单位。

层次结构的含义：第n层实体使用第n-1层的服务，同时为第n+1层提供服务；最低层是基础，中间层既是使用者也是提供者，最高层面向用户。

2. 计算机网络协议、接口、服务的概念

协议：网络中对等实体数据交换的规则、标准或约定，由语法、语义和同步三部分组成。

接口：同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，通过服务访问点（SAP）进行交互。

服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用，分为面向连接服务与无连接服务、可靠服务和不可靠服务、有应答服务和无应答服务。

3. ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

OSI参考模型：国际标准化组织提出的7层模型，自下而上为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

• 物理层：传输单位是比特，定义数据终端设备和数据通信设备的物理与逻辑连接方法。
• 数据链路层：传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组装成帧，功能包括成帧、差错控制、流量控制和传输管理。
• 网络层：传输单位是IP数据报，任务是把分组从源端传到目的端，关键问题是路由选择。
• 传输层：传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP），负责主机中两个进程之间的通信。
• 会话层：允许不同主机上的各个进程之间进行会话。
• 表示层：处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。
• 应用层：为特定类型的网络应用提供访问OSI参考模型环境的手段。

TCP/IP模型：ARPA提出的4层模型，从低到高依次为网络接口层、网际层、传输层和应用层。

• 网络接口层：功能类似于OSI参考模型的物理层和数据链路层。
• 网际层：关键部分，定义了标准的分组格式和协议，即IP。
• 传输层：使用TCP和UDP协议，TCP是面向连接的，UDP是无连接的。
• 应用层：包含所有的高层协议，如FTP、SMTP、HTTP等。

TCP/IP模型与OSI参考模型的比较：

• 相同点：都采取分层的体系结构，基于独立的协议栈的概念，都能解决异构网络的互连。
• 不同点：OSI模型精确定义了服务、协议和接口，TCP/IP模型则没有明确区分；OSI模型通用性良好，TCP/IP模型更适合于TCP/IP协议栈。

5层协议体系结构：综合OSI参考模型和TCP/IP模型的优点，采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的5层结构。

二、物理层

（一）通信基础

1. 基本概念

数据、信号与码元：

• 数据：传送信息的实体，传输方式有串行传输和并行传输。
• 信号：数据的电气或电磁表现，分为模拟信号和数字信号。
• 码元：用一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字。

信源、信道与信宿：

• 信源：产生和发送数据的源头。
• 信道：信号的传输媒介，分为模拟信道和数字信道，按传输介质分为无线信道和有线信道。
• 信宿：接收数据的终点。

速率、波特与带宽：

• 速率：数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。
• 波特率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。
• 信息传输速率：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数。

2. 奈奎斯特定理与香农定理

奈奎斯特定理：规定在理想低通信道中，极限码元传输速率为2W波特，极限数据率为2Wlog₂V（单位为b/s）。

香农定理：信道的极限数据传输速率为Wlog₂（1+S/N）（单位为b/s），其中S为信号功率，N为噪声功率。

3. 编码与调制

数字数据编码为数字信号：

• 归零编码：每个时钟周期中间跳变到低电平。
• 非归零编码：不归零，传输效率高。
• 反向非归零编码：信号翻转代表0，保持不变代表1。
• 曼彻斯特编码：一个码元分成两个相等间隔，中间电平跳变。
• 差分曼彻斯特编码：根据码元的前半个码元的电平决定后半个码元的电平。
• 4B/5B编码：将4位数据转换为5位码。

数字数据调制为模拟信号：

• 幅移键控（ASK）：改变载波信号的振幅。
• 频移键控（FSK）：改变载波信号的频率。
• 相移键控（PSK）：改变载波信号的相位。
• 正交振幅调制（QAM）：结合ASK与PSK。

模拟数据编码为数字信号：脉码调制（PCM），包括采样、量化和编码。

模拟数据调制为模拟信号：使用频分复用（FDM）技术。

4. 电路交换、报文交换与分组交换

电路交换：建立专用通路，优点是传输时延小，缺点是线路利用率低。

报文交换：存储转发，优点是线路利用率高，缺点是转发时延大。

分组交换：限制数据块大小，优点是线路利用率高，缺点是存在传输时延。

5. 数据报与虚电路

数据报：每个分组独立选择路由，不保证分组的有序到达。

虚电路：建立逻辑连接，保证分组的有序到达。

（二）传输介质

1. 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

双绞线：价格便宜，抗电磁干扰能力较强。

同轴电缆：抗干扰特性良好，传输距离远。

光纤：传输损耗小，抗干扰性能好，保密性好。

无线介质：包括无线电波、微波、红外线和激光。

2. 物理层接口的特性

包括机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

3. 物理层设备

中继器：放大信号，扩大网络传输距离。

集线器：多端口的中继器，不能分割冲突域。

（三）数据链路层

1. 数据链路层的功能

为网络层提供服务，封装成帧与透明传输，流量控制，差错控制。

2. 组帧

包括字符计数法、字符填充的首尾定界符法、零比特填充的首尾标志法和违规编码法。

3. 差错控制

采用检错编码和纠错编码，如奇偶校验码、循环冗余码和海明码。

4. 流量控制与可靠传输机制

包括滑动窗口机制、停止-等待协议、后退N帧协议和选择重传协议。

5. 介质访问控制

包括信道划分介质访问控制（如频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用）和随机访问介质访问控制（如ALOHA协议、CSMA协议、CSMA/CD协议、CSMA/CA协议）。

（四）局域网

1. 局域网的基本概念和体系结构

覆盖范围小，数据传输速率高，可靠性高，多采用分布式控制和广播式通信。

2. 以太网与IEEE 802.3

以太网采用CSMA/CD协议，逻辑上是总线形拓扑结构，物理上是星形或拓展星形结构。

3. IEEE 802.11无线局域网

使用星形拓扑，中心为接入点（AP），采用CSMA/CA协议。

4. VLAN基本概念与基本原理

VLAN可以分割广播域，通过802.1Q帧格式实现。

（五）广域网

1. 广域网基本概念

覆盖范围广，主要使用分组交换技术。

2. PPP协议

点对点协议，用于串行线路通信，不可靠。

3. HDLC协议

面向比特的数据链路层协议，实现可靠传输。

（六）数据链路层设备

1. 网桥

连接两个或多个以太网，工作在链路层的MAC子层。

2. 局域网交换机

多端口的网桥，工作在数据链路层，可以经济地将网络分成小的冲突域。

三、网络层

（一）网络层功能

互联网在网络层提供无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

（二）异构网络互联

使用路由器进行网络互连和路由选择。

（三）路由转发

路由器完成路由选择和分组转发。

（四）SDN基本概念

采用集中式的控制平面和分布式的数据平面，通过Openflow协议实现集中式控制。

（五）拥塞控制

确保子网能够承载所达到的流量，是一个全局性的过程。

（六）路由算法和路由协议

1. 静态路由与动态路由

静态路由由网络管理员手工配置，动态路由由路由器之间交换信息优化。

2. 距离-向量路由算法

如RIP协议，适用于小互联网。

3. 链路状态路由算法

如OSPF协议，适用于大型互联网。

4. 层次路由

将互联网划分为自治系统，使用内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）。

（七）IPv4

1. IPv4分组

包括首部和数据部分，首部长度固定为20字节。

2. IPv4地址与NAT

IPv4地址由网络号和主机号组成，分为A、B、C、D、E五类。NAT用于将专用网络地址转换为公用地址。

3. 子网划分与子网掩码、CIDR

子网划分增加子网号段，子网掩码用于表达对原网络中主机号的借位。CIDR消除传统A、B、C类网络划分，支持超网构造。

（八）ARP、DHCP与ICMP

ARP：地址解析协议，完成IP地址到MAC地址的映射。

DHCP：动态主机配置协议，给主机动态分配IP地址。

ICMP：网际控制报文协议，提高IP数据报交付成功的机会。

（九）IPv6

1. IPv6的主要特点

更大的地址空间，扩展的地址层次结构，灵活的首部格式，改进的选项，支持即插即用和资源预分配。

2. IPv6数据报格式

包括基本首部和有效载荷，有效载荷允许有多个扩展首部。

3. IPv6地址

包括单播、多播和任播三种类型。

4. IPv4向IPv6过渡

采用双栈协议和隧道技术。

（十）IP组播

1. 组播的概念

让源计算机一次发送的单个分组可以抵达多个目标主机。

2. IP组播地址

使用D类地址，范围是224.0.0.0~239.255.255.255。

3. IGMP与组播路由算法

IGMP协议让组播路由器知道本局域网上是否有主机加入或退出某个组播组。组播路由选择协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。

（十一）移动IP

1. 移动IP的概念

移动站以固定的网络IP地址实现跨越不同网段的漫游功能。

2. 移动IP通信过程

包括获得转交地址、发送注册报文、接收注册响应等步骤。

（十二）网络层设备

1. 冲突域和广播域

冲突域是连接到同一物理介质上的所有结点的集合，广播域是接收同样广播消息的结点集合。

2. 路由器的组成和功能

路由器连接不同的网络并完成路由转发，结构包括路由选择部分和分组转发部分。

3. 路由表与路由转发

路由表根据路由选择算法得出，转发表由路由表得来，用于完成转发功能。

四、传输层

（一）传输层提供的服务

提供端到端通信、复用和分用、差错检测，支持两种不同的传输协议：TCP和UDP。

（二）传输层的寻址与端口

端口是传输层服务访问点，标识主机中的应用进程。端口号分为服务器端使用的端口号和客户端使用的端口号。

（三）UDP协议

1. UDP数据报

UDP是无连接的，减少开销和发送数据之前的时延，使用最大努力交付，适合一次性传输少量数据的网络应用。

2. UDP校验

在计算校验和时，要在UDP数据报之前增加12字节的伪首部。

（四）TCP协议

1. TCP协议的特点

面向连接，提供可靠交付的服务，全双工通信，面向字节流。

2. TCP报文段

包括首部和数据两部分，首部的前20字节是固定的。

3. TCP连接管理

TCP连接的建立采用三次握手，连接的释放采用四次握手。

4. TCP可靠传输

使用校验、序号、确认和重传等机制来达到可靠数据传输服务。

5. TCP流量控制

提供基于滑动窗口协议的流量控制机制。

6. TCP拥塞控制

防止过多的数据注入网络，采用慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复算法。

五、应用层

（一）网络应用模型

1. 客户/服务器模型

服务器提供服务，客户机请求服务。

2. P2P模型

各计算机没有固定的客户和服务器划分，任意一对计算机直接相互通信。

（二）域名系统（DNS）

1. 层次域名空间

因特网采用层次树状结构的命名方法，任何一个连接到因特网的主机或路由器都有一个唯一的层次结构名称。

2. 域名服务器

因特网的域名系统被设计成一个联机分布式的数据库系统，采用客户/服务器模型。

3. 域名解析过程

包括正向解析和反向解析，采用递归查询或递归与迭代相结合的查询。

（三）文件传输协议（FTP）

1. FTP的工作原理

基于TCP，可靠传输，基于客户/服务器的协议。

2. 控制连接与数据连接

FTP使用两个并行的TCP连接：控制连接和数据连接。

（四）电子邮件

1. 电子邮件系统的组成结构

包括用户代理、邮件服务器、邮件发送协议和读取协议。

2. SMTP和POP3

SMTP用于发送邮件，POP3用于读取邮件。

3. 电子邮件格式与MIME

电子邮件分为信封和内容两部分，内容又分为首部和主体。MIME用于传送非ASCII码的邮件。

（五）万维网（WWW）

1. WWW的概念与组成结构

万维网是一个分布式、联机式的信息存储空间，由统一资源定位符（URL）、超文本传输协议（HTTP）和超文本标记语言（HTML）构成。

2. 超文本传输协议（HTTP）

定义了浏览器怎样向服务器请求万维网文档，以及服务器怎样把文档传送给浏览器。

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以上是计算机网络知识点的总结，希望对你的学习有所帮助。如果你有任何问题或需要进一步的解释，请随时告诉我。