计算机网络知识点速查-MuQYY的博客

计算机网络核心知识点速查表

第一章：概述

端系统间通信方式 (C/S & P2P)
- C/S (Client/Server, 客户/服务器模型)：客户端主动请求，服务器被动响应。服务集中在服务器，易于管理和控制。
- P2P (Peer-to-Peer, 对等模型)：每个节点既是客户端也是服务器，节点间直接通信，资源分散，无中心服务器。
数据交换方式
- 电路交换：独占资源。通信前需建立一条物理专线，直到通信结束才释放。
  - 特点：时延稳定，无冲突，但线路利用率低。常用于电话网。
- 报文交换：以完整报文（Message）为单位，存储转发。
  - 特点：无需建连，线路利用率高，但报文大小不一，时延不确定。
- 分组交换：将数据切分成固定大小的“分组”（Packet），存储转发。是当前网络的核心。
  - 特点：高效、灵活、可靠。兼具报文交换的优点，且分组短小，时延较低，便于差错控制。
网络的分类
- 按范围：个域网 (PAN)、局域网 (LAN)、城域网 (MAN)、广域网 (WAN)。
- 按使用者：公用网、专用网。
网络性能指标（时延）
- 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
  - 发送时延 (传输时延)：数据从主机网卡推上链路所需时间。发送时延 = 数据长度 / 信道带宽。
  - 传播时延：信号在介质中传播所需时间。传播时延 = 信道长度 / 传播速率。
  - 处理时延：路由器/交换机处理分组所需时间（检错、查路由表等）。
  - 排队时延：分组在路由器缓存中等待转发的时间。
网络协议三要素
- 语法 (Syntax)：数据与控制信息的结构或格式。
- 语义 (Semantics)：规定了要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。
- 同步 (Timing)：对事件实现顺序的详细说明。
计算机网络体系结构
- OSI/RM (开放系统互连参考模型)：7层，从下到上为物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层。是法定标准，理论模型。
- TCP/IP模型：4层，从下到上为网络接口层、网际层(IP)、运输层(TCP/UDP)、应用层。是事实标准，实际应用。

第二章：物理层

奈氏准则 & 香农定理
- 奈氏准则 (Nyquist)：理想无噪声信道中，为避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W (W是带宽)。结论：带宽决定了最高码元速率。
- 香农定理 (Shannon)：有噪声信道中，极限信息传输速率 C = W * log2(1 + S/N) (S/N是信噪比)。结论：带宽和信噪比共同决定了最高信息速率。
- 关系：奈氏管“一秒最多传几个码元”，香农管“一个码元最多能承载几比特信息”。
速率
- 码元速率 (波特率)：单位时间内传输的码元个数，单位是波特 (Baud)。
- 信息速率 (比特率)：单位时间内传输的比特个数，单位是比特/秒 (bps)。
- 关系：信息速率 = 码元速率 * log2(M) (M是码元的种类数，即一个码元代表几比特)。
传输码型 & 编码方法
- 常见码型：归零码、不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。
- 曼彻斯特编码：将时钟信号编码进数据，每一位中间都有跳变，既是时钟信号也是数据信号。信息速率是码元速率的1/2。
信道复用方式
- 频分复用 (FDM)：所有用户在同一时间占用不同频率带宽。应用：广播、有线电视。
- 时分复用 (TDM)：所有用户在不同时间占用相同的频率带宽。
- 波分复用 (WDM)：光的频分复用，在一根光纤上传输多种不同波长（频率）的光信号。
- 码分复用 (CDM)：所有用户在同一时间同一频段，但使用不同的编码（码片序列）来区分。
CDMA (码分多址)
- 工作原理：给每个用户分配一个独特的、相互正交（点积为0）的码片序列。发送数据1时，发送该码片序列；发送0时，发送其反码。接收方用相同的码片序列对信号进行内积运算，结果为+1则为数据1，-1则为数据0，0则为其他用户信号（被过滤）。
- 码片序列特点：每个序列规格化内积为1，不同序列间内积为0（正交）。

第三章：数据链路层

数据链路层三个基本问题
- 封装成帧：在数据前后添加首部和尾部，确定帧的界限。
- 透明传输：无论传输什么样的数据比特组合，都应能正确传输，不能因为数据内容与帧定界符恰好相同而导致错误。
- 差错检测：通过差错编码（如CRC），使接收方能发现传输中产生的比特差错。
CRC (循环冗余校验)
- 基本原理：收发双方约定一个“生成多项式 G(x)”。发送方计算出“冗余码”，附加在数据后面，使得“数据+冗余码”能被 G(x) 整除。接收方用收到的数据去除以 G(x)，若余数为0则认为无差错。
- 冗余码计算：在原始数据后补 k 个0（k是生成多项式阶数），然后用这个新数据模2除以生成多项式，得到的余数就是CRC冗余码。
透明传输的实现
- 字符填充：在与控制字符相同的字符前，插入一个“转义字符”。
- 零比特填充：当数据中出现连续5个1时，自动在其后插入一个0，破坏“标志字段（01111110）”的出现可能。
PPP (点对点协议)
- 面向字节的协议，常用于广域网。
- 帧格式：F(标志) - A(地址) - C(控制) - Protocol(协议) - Information(信息) - FCS(校验) - F(标志)。
- 透明传输：使用字符填充法。
CSMA/CD协议 (带冲突检测的载波侦听多路访问)
- 思想：先听后发，边发边听，冲突停发，随机重发。
- 争用期：也叫冲突窗口，是以太网端到端往返时延 2τ。只有经过争用期还没检测到冲突，才能肯定本次发送不会冲突。
- 最短帧长：最短帧长 = 争用期 * 数据传输速率。以太网为64字节。目的是确保在帧发送完毕前，能检测到可能发生的最远距离的冲突。
- 二进制指数退避算法：发生冲突后，等待一个随机时间再重发。等待时间从 {0, 1} 中随机选，再次冲突则从 {0, 1, 2, 3} 中选，以此类推，上限为1023。
以太网帧格式 (Ethernet V2)
- 目的MAC(6B) - 源MAC(6B) - 类型(2B) - 数据(46-1500B) - FCS(4B)。
- 数据字段不足46字节时需要填充。
局域网扩展
- 在物理层扩展：使用中继器或集线器 (Hub)。只是放大信号，不能隔离冲突。
- 在数据链路层扩展：使用网桥或交换机 (Switch)。可以隔离冲突域。
冲突域和广播域
- 冲突域：一个网络中，任何两个节点同时发送数据会产生冲突的范围。交换机的每个端口都是一个独立的冲突域。集线器的所有端口同属一个冲突域。
- 广播域：一个节点发送广播帧，能接收到该帧的所有节点的集合。路由器可以隔离广播域。
- 扩大方法：使用集线器扩大冲突域，使用交换机和路由器扩大广播域。
- 吞吐量：隔离冲突域能显著提高网络总吞吐量。
虚拟局域网 (VLAN)
- 将一个物理LAN在逻辑上划分成多个广播域（VLAN）。
- Trunk链路：交换机之间连接的链路，用于承载来自不同VLAN的数据流量。通过在帧上添加 VLAN标签 (IEEE 802.1Q) 来区分。

第四章：网络层

分类的IP地址
- A类：0.0.0.0 - 127.255.255.255 (网络号8位，第1位为0)
  - （其中需要排除网络号为0，以及为127的情况）
- B类：128.0.0.0 - 191.255.255.255 (网络号16位，前2位为10)
- C类：192.0.0.0 - 223.255.255.255 (网络号24位，前3位为110)
IP地址 vs 硬件地址(MAC地址)
- IP地址：逻辑地址，工作在网络层，由软件实现，标识主机在网络中的位置，可变。
- MAC地址：物理地址，工作在数据链路层，固化在网卡上，全球唯一，不变。
ARP (地址解析协议)
- 作用：在同一个局域网内，通过一个已知的IP地址，查询其对应的MAC地址。
- 工作过程：
  1. 主机A要查主机B的MAC，先查自己的ARP缓存表。
  2. 若无，A在局域网内广播一个ARP请求分组，内容为“我是IP_A，MAC_A，谁是IP_B？请告诉我你的MAC地址”。
  3. 局域网内所有主机收到请求，但只有B会响应。
  4. B向A单播一个ARP响应分组，内容为“我是IP_B，我的MAC地址是MAC_B”。
  5. A收到响应，将(IP_B, MAC_B)存入缓存表，并发送数据。
分组转发算法
- 路由器根据收到的IP数据报的目的IP地址，查询自己的路由表。
- 通过将目的IP与路由表中的子网掩码进行“与”运算，匹配到对应的目的网络地址。
- 若匹配成功，则将数据报从指定的接口或转发给下一跳地址。
- 若匹配多条，则选择最长前缀匹配的条目。
- 若无匹配，则走默认路由。
子网划分 & CIDR
- 子网划分：从主机号部分借用若干位作为子网号，将一个大网络划分成多个小网络（子网）。通过子网掩码来确定网络号和主机号的边界。
- CIDR (无分类域间路由)：消除了A、B、C类的概念，使用 IP地址/网络前缀长度 的形式表示。
  - 特点：更灵活，能有效减少路由表条目（路由聚合）。
  - 网络地址数量：网络前缀为n，则主机位为32-n，地址数量为 2^(32-n)。
IP数据报首部格式 & 分片
- 首部格式：固定部分20字节，包含源/目的IP、协议号、生存时间(TTL)等。
- 分片：当数据报长度超过链路的MTU时，需要分片。
  - 标志位 (Flags)：3位。
    - DF (Don't Fragment): DF=1禁止分片。
    - MF (More Fragments): MF=1表示后面还有分片；MF=0表示是最后一个分片。
  - 片偏移: 该分片在原始数据中的位置，以8字节为单位。
路由协议
- 内部网关协议 (IGP)：在一个自治系统（AS）内部使用的协议。
  - RIP (路由信息协议)：基于距离向量，与邻居交换整个路由表。算法简单，但收敛慢，易产生环路。
  - OSPF (开放最短路径优先)：基于链路状态，向区域内所有路由器广播链路状态信息，自己计算最短路径。无环路，收敛快，但复杂。
- 外部网关协议 (EGP)：在不同自治系统之间交换路由信息。
  - BGP (边界网关协议)：寻求一条“比较好”且不产生环路的路由，而非最佳路由。
路由器结构
- 路由选择部分 (控制层面)：核心是路由选择处理机，负责运行路由协议，生成路由表。
- 分组转发部分 (数据层面)：由交换结构、输入端口和输出端口组成，负责根据路由表对分组进行线速转发。
IPv6
- 地址格式：128位，通常写成8组、每组4个十六进制数的格式。
- 首部长度：固定40字节，简化了处理。
- 过渡方法：双栈（一台设备同时支持IPv4和IPv6）、隧道技术（将IPv6包封装在IPv4包中传输）。
NAT & NAPT
- NAT (网络地址转换)：在私网出口，将私网IP地址转换为公网IP地址。一对一转换。
- NAPT (网络地址端口转换)：在转换时，不仅转换IP，还转换TCP/UDP端口号。实现了多对一转换（多个私网主机共享一个公网IP）。这是最常用的形式。

第五章：运输层

UDP vs TCP
- UDP (用户数据报协议)：无连接、不可靠、尽最大努力交付、开销小、支持一对多。
- TCP (传输控制协议)：面向连接、可靠、点对点、全双工、提供流量控制和拥塞控制。
可靠传输机制
- 停止-等待协议：发一个，等一个确认，再发下一个。信道利用率极低。
- 滑动窗口机制：允许发送方一次性发送多个分组（窗口大小），提高了信道利用率。是 GBN 和 SR 协议的基础。
TCP报文段首部格式
- 序号 (Sequence Number)：指本报文段所发送数据的第一个字节在整个字节流中的编号。
- 确认号 (Acknowledgement Number)：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。
- 超时重传时间 (RTO) 计算：使用加权平均算法，动态估算 RTT 和 RTT的偏差(RTTVAR)，RTO = SRTT + 4 * RTTVAR。
TCP流量控制
- 目的：防止发送方速度过快，导致接收方缓存溢出。
- 方法：使用滑动窗口。接收方通过TCP首部的“窗口大小”字段，告知发送方自己当前还能接收多少数据。
TCP拥塞控制
- 目的：防止过多数据注入网络，导致网络过载。
- 算法：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。
- 拥塞窗口 (cwnd) 变化：
  - 慢开始：cwnd指数增长 (1->2->4->8...)，直到达到ssthresh。
  - 拥塞避免：cwnd线性增长 (cwnd+1)。
  - 发生超时：ssthresh变为cwnd/2，cwnd重置为1，重新慢开始。
  - 收到3个重复ACK (快重传)：ssthresh变为cwnd/2，cwnd也变为ssthresh，进入快恢复（线性增长）。
TCP连接管理
- 三次握手 (建立连接)：
  1. 客户端 -> 服务器: SYN=1, seq=x
  2. 服务器 -> 客户端: SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
  3. 客户端 -> 服务器: ACK=1, seq=x+1, ack=y+1
- 四次挥手 (释放连接)：
  1. 客户端 -> 服务器: FIN=1, seq=u (客户端无数据发送)
  2. 服务器 -> 客户端: ACK=1, ack=u+1 (服务器同意关闭)
  3. 服务器 -> 客户端: FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1 (服务器也无数据发送)
  4. 客户端 -> 服务器: ACK=1, ack=w+1 (客户端确认)

第六章：应用层

DNS (域名系统)
- 功能：将人类易于记忆的域名解析为计算机网络使用的IP地址。
- 组成：分布式域名服务器系统。
- 解析方法：递归查询（一路问到底）和迭代查询（挨个问，自己去下一步）。
- 高速缓存：DNS服务器会缓存查询结果，以提高效率。
FTP & TFTP
- FTP (文件传输协议)：使用两条TCP连接（控制连接21，数据连接20），功能完善，但开销大。
- TFTP (简单文件传输协议)：使用UDP，代码简单，开销小，但不可靠，仅用于小文件传输。
万维网 (WWW) & HTTP
- WWW原理：基于客户/服务器模型，浏览器向Web服务器发送HTTP请求，服务器返回HTTP响应（通常是HTML文档）。
- HTTP协议：无连接（每次请求都需新建TCP连接），无状态（服务器不记录客户端历史信息）。
- HTTP/1.0 vs 1.1：1.1支持持续连接(长连接)、管道化、更多的状态码等。
- 文档类型：
  - 静态文档：内容固定不变。
  - 动态文档：服务器在收到请求后，在服务器端运行程序动态生成页面。
  - 活动文档：将一段代码（如Java Applet, JavaScript）发送给浏览器，在客户端运行。
电子邮件 (E-mail)
- 使用协议：SMTP (发送邮件)，POP3/IMAP (接收邮件)。
- SMTP (简单邮件传输协议)：基于TCP，使用推(Push)的协议，用于用户代理到邮件服务器，以及服务器之间。
- MIME (多用途互联网邮件扩展)：扩展了SMTP，使其能传输非ASCII码的文本、图像、音视频等。主要编码方式如下：
  - Base64编码：用于二进制数据（附件、图片），将3字节数据转为4个ASCII字符。例：Man -> TWFu
    1. A-Z -> 0-25
    2. a-z -> 26-51
    3. 0-9 -> 52-61
    4. + -> 62
    5. / -> 63
  - Quoted-Printable编码：用于大部分为ASCII的文本，仅对特殊字符编码，保持可读性。例：München -> M=C3=BCnchen。
- POP3 vs IMAP：
  - POP3：将邮件从服务器下载到本地，然后从服务器删除。
  - IMAP：在客户端操作邮件，所有操作都会与服务器同步，邮件始终在服务器上。
DHCP (动态主机配置协议)
- 原理：使用UDP，允许网络中的计算机自动获取IP地址、子网掩码、默认网关等配置信息。
- 工作流程 (Discover, Offer, Request, ACK)：
  1. 发现: 客户端广播DHCP发现报文。
  2. 提供: DHCP服务器单播提供IP地址等信息。
  3. 请求: 客户端广播，正式请求使用该IP。
  4. 确认: 服务器广播，确认租约。
- DHCP中继：路由器可以配置成DHCP中继代理，帮助不同广播域（子网）的客户端向DHCP服务器请求地址。