计算机网络

点对点信道，使用一对一的点对点通信方式。广播信道，使用一对多的广播通信方式，所以可以连接多个计算机，不过必须使用专门的共享信道协议来协调。

装帧 网络层的IP数据报下传到数据链路层成为帧的数据部分，在前后分别加上首部和尾部，封装成一个完整的帧。数据链路层使用物理层提供的服务传输帧。数据链路层的接收方为了能以帧为单位处理接受的数据，要进行帧定界，以正确识别帧的开始和结束。首部和尾部的作用之一就是进行帧定界。帧定界的多种实现方法：在传输的帧和帧之间插入时间间隔（如以太网）、首部设一个帧长度字段来定位（不适合数据链路层）、每个帧首尾添加特殊的帧定界标志（面向字符的传输中，可以使用某个不可打印的控制字符作为帧定界符）等等。

透明传输 对上层交给的传输数据没有任何限制。面对字符的数据链路可以采用

字节填充或字符填充（添加转义字符）。对于面向比特的链路，可采取比特填充。PPP协议中帧定界标志为“01111110”，采用零比特填充法，发送前数据部分逢五个1就填一个0，接收后数据部分逢五个1就删一个0。

差错控制 在数字通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控制，以提高数字消息传输的完整性和准确性。自动请示重发ARQ和前向纠错FEC是进行差错控制的两种方法。误码率指一段时间内传输错误占所传输比特总数的比率。差错检测是差错控制的基础。利用差错检测码EDC是实现差错检测的基本原理（要发送的数据DATA的差错检测码EDC=f (DATA)，将DATA与EDC一起发送给接收方，接收方得到数据DATA’，若EDC≠EDC’=f (DATA’)则认为检测出差错。注意，接收方未检测出差错并不代表传输的数据中一定没有差错，只是概率极小）。凡是接收端数据链路层里通过差错检测并接受的帧，都以接近1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错。接收端丢弃的帧虽然曾经收到了但因为有差错又被丢弃，即没有被接收。综上，近似地，凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错。

循环冗余检验 数据链路层通常采用循环冗余检验技术CRC进行差错检测。①假设代传送的数据D=101001（d=6），生成式G=1101（G (X)=X3+X2+1，r=3），经过模2除法运算得到冗余码R=001（R=D‧2r/G的余数，比特数为r），②将冗余码拼接在数据D后面作为d+r比特的帧101001001发送出去，③接收端将收到的数据除以同样的除数生成式G（模2运算），检查得到的余数R’。若无差错，余数一定为0；出现误码时，余数R’=0的概率是极小的。

可靠传输 发送端发送什么，在对应的接收端就收到什么。要求上层实体间的数据传输，无比特差错、分组丢失、分组重复、分组失序。可靠传输协议是要在不可靠的信道上实现可靠的数据传输服务。滑动窗口帮助解决流量控制和可靠传输。自动请求重传ARQ（停止等待、超时重传、滑动窗口、回退N帧、选择重传）。信道利用率U=TD/(TD+RTT+TA)=(L/C)/T（发送分组用时TD，等于分组长度L除以数据传输率C；TA是发送确认分组需要的时间；RTT是往返时间；发送周期T等于TD+RTT+TA）。信道吞吐率=信道利用率×发送方的发送速率。

停止等待SW协议，也就是发送窗口为1的GBN协议

回退N帧GBN协议，假设接收窗口大小为4

选择重传SR协议，只重传出现差错的帧

媒体介入控制/介质访问控制，两大类：静态划分信道（FDM、TDM、WDM、CDM）、动态划分信道（随机接入（ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA）、受控接入（集中控制的多点轮询协议、分散控制的令牌传递协议））。ALOHA，随机发送，想发就发。CSMA，多址接入、载波监听（CSMA/CA，碰撞避免，对于无线局域网；CSMA/CD，碰撞检测，对于有线局域网。）

局域网 使用广播信道。主要拓扑结构：星型、总线型、环形、树形。计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器的。在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址（全球唯一，48位二进制，常用6个十六进制数表示）。

以太网 应用最广泛的局域网。总线型、星型（逻辑总线型）。提供无连接（不必先建立连接就可以直接发送数据）、不可靠（尽最大努力交付）的服务。10BASE-T以太网，传送基带信号的双绞线以太网，传输速率为10Mb/s。

帧格式 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把接收到的MAC数据上交给上一层的这个协议。FCS是帧检验序列，使用CRC检验。有帧开始定界符但没有帧结束定界符是因为采用了曼彻斯特编码，发送数据时一定有电压变化而不发送时电压不会变化，所以不必加上帧结束定界符，且帧之间会有最小间隔。

扩展以太网 利用转发器、集线器或者光纤在物理层扩展的以太网是一个碰撞域（冲突域，在任意时刻，每个碰撞域中只能有一个站点在发送数据），都仅仅相当于延长了共享的传输媒体。不同系统使用不同的以太网技术就不能用集线器将它们互连起来。网桥和以太网交换机在数据链路层扩展以太网。网桥采用存储转发技术，依靠转发表（转发数据库或路由目录）来转发帧，它将多个以太网连成更大的以太网，原先的以太网被称为一个网段，各个网段都是被隔离开的碰撞域。当网桥收到一个帧时不会向所有接口转发这个帧，而是先检查目的MAC地址，再确定将该帧转发到哪个接口或者将它丢弃掉（也就是过滤）。网桥在转发帧时不会改变帧的源地址。网桥的优点：过滤通信量，增大吞吐量；扩大物理范围；提高可靠性；可以互连不同物理层、不同MAC子层、不同速率的以太网。网桥分类：透明网桥、源路由网桥。以太网交换机实质是多接口网桥。

透明网桥，透明是指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，即插即用，通过自学习算法逐步建立转发表（基本思想是，如果网桥现在能够从接口x收到从站点A发来的帧，那么以后就可以从接口x将一个目的地址为A的帧转发到站点A）。源路由网桥，在发送帧时把详细的最佳路由信息放在帧的首部中，具体方法是源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。

虚拟局域网VLAN，只是局域网给用户提供的一种服务。管理员可以通过逻辑配置来建立多个逻辑上独立的局域网：将连接在交换机上的站点按需要划分为多个与物理位置无关的逻辑组，每个逻辑组是一个VLAN。同属于一个VLAN的站点之间可以直接进行通信，而不属于同一个VLAN的站点之间不能直接通信。连接在同一个交换机上的两个站点可以属于不同的VLAN，属于同一个VLAN中的两个站点也可能连接在不同的交换机上。基于交换机接口的VLAN，在逻辑上交换机为每个VLAN维护一个转发表，并且仅在同一个VLAN内的接口间才能转发帧，从而将一个物理的交换机划分成多个逻辑上独立的交换机。某些VLAN要跨越多个交换机时，互连VLAN交换机较好的办法是使用VLAN干道技术，trunk技术（将交换机的某个接口配置为trunk接口，两个交换机间用一对trunk接口互连）。

第四章 网络层

1．领会物理网络与虚拟IP网络的概念

2．熟练掌握IP地址、地址解析与ARP协议、IP数据报格式

3．掌握子网、超网的应用

4．熟练掌握IP路由表及IP路由、IP数据包转发

5．了解IP层其它协议

没有一种单一的网络能适应所有用户的需求。TCP/IP体系在网络互连上采用的做法是在网络层采用了标准化协议，但相互连接的网络则可以是异构的。参与互连的计算机网络都使用相同的网络协议，因此可以把互连后的计算机网络看作一个虚拟互联网络，简称虚拟IP网或IP网，也就是逻辑互连网络（互连起来的各种物理网络（互连的底层网络）的异构性客观存在，但利用IP协议可以使他们在网络层看起来好像是一个统一的网络）。互联网可以由多种异构网络互连组成。

IP地址 整个因特网就是一个单一的逻辑网络。IP地址给因特网上每个主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32位标识符。

IP地址的编制方式 ①分类编址：{<网络号>,<主机号>}

A类1~127，B类128.1~191.255，C类192.0.1~223.255.255（保留地址（私有地址）：A类10.0.0.0~10.255.255.255，B类172.16.0.0~172.31.255.255，C类192.168.0.0~192.168.255.255）；②划分子网：{<网络号>,<子网号>,<主机号>}，在两级IP地址的基础上自行决定划分成三级IP地址。两级IP地址的子网掩码：网络号全1，主机号全0；三级IP地址的子网掩码：网络号+子网号全1，主机号全0。子网掩码与IP地址逐位相与就得到子网网络网址（相与运算：0和任何数相与都等于0，1和任何数相与都等于任何数本身），③无分类编制CIDR：{<网络前缀>,<主机号>}，记法为IP地址后加上“/+网络前缀位数”，如128.14.32.0/20。子网掩码，地址掩码：网络前缀全1，主机号全0。路由聚合，也称构成超网，就是将多个子网聚合成一个较大的子网，具体方法时将网络前缀缩短。在查找路由表时就依据最长前缀匹配。在CIDR中子网号是可以全1或者全0的。【特殊的IP地址，只能在特定情况使用：①网络号全0，主机号全0，可作为源地址，代表在本网络上的本主机；②网络号全0，主机号host-id，可作为源地址，代表在本网络上的某台主机host-id；③网络号全1，主机号全1，可作为目的地址，代表在本网络上进行广播，各路由器均不转发；④网络号net-id，主机号全1，可作为目的地址，代表对net-id上的所有主机进行广播；⑤网络号127，主机号非全0或非全1的任何数，可作为源地址，可作为目的地址，环回地址，用于本地软件换回测试。】

物理地址（硬件地址）是数据链路层和物理层使用的地址，IP地址是网络层及以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。数据链路层看不到数据报的IP地址。

地址解析与ARP协议 已知机器的IP地址（或物理地址），需要找到它的物理地址（或IP地址）。ARP地址解析，RARP逆地址解析。在支持硬件广播的局域网中可以使用ARP协议来解决IP地址与物理地址的动态映射问题，主要方法是在主机ARP高速缓存中存放一个本局域网内各主机或路由器的IP地址到物理地址的映射表，并且映射表不断动态更新（新增或超时删除）。ARP cache中每个映射地址项目都设置了生存时间，凡超时了就删除（因为地址映射可能发生更改）。

使用ARP的4中典型情况：①发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机，此时用ARP找到目的主机的物理地址；②发送方是主机，要把IP数据报发送到另一个网络上的主机，此时用ARP找到本网络上的一个路由器；③发送方是路由器，要把IP数据报发送到本网络上的一个主机，此时用ARP找到目的主机的物理地址；④发送方是路由器，要把IP数据报发送到另一个网络上 的主机，此时用ARP找到本网络上的另一个路由器的物理地址。不需要发送ARP请求分组的情况：①ARP缓存中已有该IP地址项目；②广播分组。物理地址的形式是多样的，在通信中使用IP地址并调用ARP寻找相应物理地址能简化过程。

IP数据报格式 版本，IP协议的版本，IPv4或IPv6；首部长度，单位为4B，固定长度为20B所以该字段最小为0101，也就是5；区分服务，指示希望获得哪种类型的服务；总长度，单位为1B，该字段长度为16位所以IP数据报的最大长度为216-1B，但一般不会达到因为会分片；标识，帮助分片后的数据报分片在目的地能正确地重装成为原来的数据报；标志，最低位MF，MF=1表示后面还有分片，MF=0表示这是若干分片的最后一片，中间位DF，DF=1表示不能分片，DF=0才允许分片；片偏移，较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置，以8B为单位，也就是说每个分片的长度都是8B的整数倍；生存时间TTL，数据报在网络中的寿命，每经过一个路由器就减小1，TTL=0时丢弃数据报，防止被错误路由的数据报无限制地在因特网中兜圈子；协议，指出数据报携带的数据使用哪种协议，特别记住TCP是6，UDP是17；首部检验和，只检验首部。

最大传送单元MTU，链路层数据帧可封装数据的上限，以太网的MTU是1500B。同一数据报的分片使用同一个标识。标志字段中，只有DF=0时MF才是有意义的。

IP路由表及IP路由、IP数据报转发 IP路由表包括目的网络地址、子网掩码、下一跳地址、接口。在互联网上转发数据报是从一个路由器转发到下一个路由器。

网际控制报文协议ICMP，为了更有效的转发IP数据报和提高交付成功的机会，允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。共两种：ICMP差错报告报文（终点不可达、源点抑制、超时、参数问题、改变路由/重定向）、ICMP询问报文（回送请求和回答、时间戳请求和回答）。不应发送ICMP差错报文的情况：对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文、对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文、对具有多播地址的数据报都不发生ICMP差错报告报文、对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送ICMP差错报告报文。ICMP的应用：PING（测试两主机之间的连通性，分组网间探测，使用ICMP回送请求和回答报文）、traceroute/tracert（跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用ICMP超时差错报告报文）。

路由算法可划分为静态路由选择策略（非自适应，适合简单的小网络）和动态路由选择算法（自适应，适合较复杂的大网络）两类。因特网将整个互联网划分为许多个小的自治系统（AS是在单一的技术管理下的一组路由器。这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在AS内的路由，同时使用一种AS之间的路由选择协议确定在AS之间的路由），因此需要两种路由选择协议：内部网关协议IGP（有RIP和OSPF）、外部网关协议EGP（有BGP）。