（持续更新）计算机网络复习整理框架+思维导图+各个章节知识总结+名词解释+公式梳理

整理框架

1. 计算机网络体系结构
   - 计算机网络概述：定义、组成、功能、分类、性能指标
   - 计算机网络体系结构与参考模型：分层结构、协议、接口、服务概念、ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型
2. 物理层
   - 通信基础：基本概念、信道极限容量、编码与调制
   - 传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质、物理层接口的特性
   - 物理层设备：中继器、集线器
3. 数据链路层
   - 数据链路层的功能：封装成帧、透明传输、差错检测
   - 组帧：字符计数法、字节填充法、零比特填充法、违规编码法
   - 差错控制：检错编码、纠错编码
   - 流量控制与可靠传输机制：流量控制、滑动窗口机制、停止-等待协议、后退N帧协议、选择重传协议
   - 介质访问控制：信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制、轮询访问介质访问控制
   - 局域网：基本概念与体系结构、以太网与IEEE 802.3、IEEE 802.11无线局域网、VLAN基本概念与基本原理
   - 广域网：基本概念、点对点协议
   - 数据链路层设备：网桥、以太网交换机
4. 网络层
   - 网络层的功能：异构网络互连、路由与转发、SDN基本概念、拥塞控制
   - 路由算法：静态路由与动态路由、距离-向量路由算法、链路状态路由算法、层次路由
   - IPv4：IPv4分组、IPv4地址与NAT、子网划分与子网掩码、CIDR、路由聚合、ARP、DHCP与ICMP
   - IPv6：IPv6的主要特点、IPv6地址
   - 路由协议：自治系统、域内路由与域间路由、RIP路由协议、OSPF路由协议、BGP路由协议
   - IP多播：多播的概念、IP多播地址
   - 移动IP：移动IP的概念、移动IP通信过程
   - 网络层设备：路由器的组成和功能、路由表与路由转发
5. 传输层
   - 传输层提供的服务：传输层的功能、传输层的寻址与端口、无连接服务与面向连接服务
   - UDP：UDP数据报、UDP检验
   - TCP：TCP的特点、TCP报文段、TCP连接管理、TCP可靠传输、TCP流量控制、TCP拥塞控制
6. 应用层
   - 网络应用模型：客户/服务器模型、P2P模型
   - 域名系统：层次域名空间、域名服务器、域名解析过程
   - 文件传输协议：FTP的工作原理、控制连接与数据连接
   - 电子邮件：电子邮件系统的组成结构、电子邮件格式与MIME、SMTP和POP3
   - 万维网：WWW的概念与组成结构、超文本传输协议

思维导图

各章总结

第一章 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述
1. 概念  
   计算机网络：由分散、自治的计算机系统通过通信设备和线路连接，通过软件实现资源共享和信息传递的系统。  
   互连网（internet）与互联网（Internet）的区别：互连网是多个网络的互联（任意协议），而互联网特指全球最大的使用TCP/IP的互连网。

2. 组成  
   硬件：主机、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）、通信处理机（网卡）。  
   软件：资源共享软件（FTP、邮件等）、用户工具软件。  
   协议：核心规则，规定数据传输规范。  
   边缘部分：用户直接使用的主机（如PC、服务器）。  
   核心部分：路由器和网络，提供连通性与交换服务。  
   通信子网：传输介质、通信设备及协议，负责数据传输。  
   资源子网：实现资源共享的设备和软件。

3. 功能  
   数据通信（基础功能）、资源共享（软硬件数据共享）、分布式处理、提高可靠性（互为备份）、负载均衡。

4. 数据交换方式  
   电路交换  
   步骤：建立连接→传输数据→释放连接。  
   优点：时延小、有序传输、实时性强。  
   缺点：建立连接时间长、线路利用率低、灵活性差。  
   适用场景：长时间连续数据传输（如电话）。  
   
   报文交换  
   存储转发整个报文，无专用链路。  
   优点：线路利用率高、灵活。  
   缺点：时延大、缓存要求高。  
    
   分组交换  
   将报文分割为固定长度的分组，逐个传输。  
   优点：存储管理方便、传输效率高、可靠性高。  
   缺点：存在存储转发时延、额外控制信息开销。  
   对比：比报文交换时延更小，适用于突发式数据。

5. 分类  
   按分布范围：广域网（WAN，长距离）、城域网（MAN，城市范围）、局域网（LAN，局部区域）、个人区域网（PAN）。  
   按传输技术：广播式网络（共享信道，如局域网）、点对点网络（逐段转发，如广域网）。  
   按拓扑结构：总线形（单线连接）、星形（中央设备连接）、环形（闭环连接）、网状（多路径冗余）。  
   按使用者：公用网（电信运营）、专用网（单位自建）。  
   按传输介质：有线（双绞线、光纤）、无线（Wi-Fi、蓝牙）。

6. 性能指标  
   速率（比特率，单位b/s）、带宽（最高数据传输速率）、吞吐量（实际通过的数据量）。  
   时延：  
   发送时延 = 分组长度 / 发送速率  
   传播时延 = 信道长度 / 传播速率  
   总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延  
   时延带宽积（链路容量）= 传播时延 × 带宽  
   往返时延（RTT）：发送到确认返回的总时间。  
   信道利用率：有数据通过的时间占比，过高会导致拥塞。

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 1.2 计算机网络体系结构与参考模型
1. 分层结构  
   目的：将复杂系统分解为层次，每层完成特定功能，便于设计和管理。  
   协议：水平方向的对等实体规则（语法、语义、同步）。  
   接口：相邻层间交换信息的约定。  
   服务：下层为上层提供的功能（面向连接/无连接）。

2. OSI参考模型（七层）  
   物理层：传输比特流，定义接口、电压等物理特性。  
   数据链路层：成帧、差错控制（CRC）、流量控制（滑动窗口）。  
   网络层：路由选择（IP）、拥塞控制、异构网络互联。  
   传输层：端到端通信（TCP/UDP），可靠传输、差错恢复。  
   会话层：建立/管理会话（如断点续传）。  
   表示层：数据格式转换（加密、压缩）。  
   应用层：用户接口（HTTP、FTP）。

3. TCP/IP模型（四层）  
   网络接口层：对应OSI的物理层+数据链路层。  
   网际层：IP协议，路由和寻址。  
   传输层：TCP（可靠）、UDP（不可靠）。  
   应用层：整合OSI的上三层，提供应用服务（DNS、SMTP）。

4. 对比OSI与TCP/IP  
   OSI：理论完善，但复杂未普及。  
   TCP/IP：实际应用广泛，简化了层次结构。  
   主要差异：OSI严格分层，TCP/IP更灵活；OSI支持多种协议，TCP/IP以IP为核心。

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关键考点
数据交换方式：电路/报文/分组交换的优缺点及计算（如时延、分组大小）。  
性能指标计算：发送时延、传播时延、总时延、时延带宽积。  
分层模型：OSI与TCP/IP各层功能对比，协议与服务的区别。  
网络分类：广域网、局域网的特点及适用场景。

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通过掌握以上内容，可以系统地理解从物理层到应用层的各个层次的功能、协议及其实现方式。

第二章 物理层

 2.1 通信基础
1. 基本概念  
   数据：信息的实体（数字或模拟）。  
   信号：数据的电磁/电气表示形式（模拟信号连续，数字信号离散）。  
   码元：固定时长的信号波形，表示k比特信息（如二进制码元k=1，四进制码元k=2）。  
   速率：  
   波特率（码元传输速率）：单位时间传输的码元数（单位：Baud）。  
   比特率（信息传输速率）：单位时间传输的比特数（单位：b/s）。  
   关系：比特率 = 波特率 × log₂M（M为码元进制数）。  

2. 信道的极限容量  
   奈奎斯特定理（无噪声信道）：  
   极限码元速率 = 2W（W为信道带宽，单位Hz）。  
   极限数据速率 = 2W × log₂M（M为码元状态数）。  
   香农定理（有噪声信道）：  
   极限数据速率 = W × log₂(1 + S/N)（S/N为信噪比，单位dB）。  
   信噪比换算：S/N(dB) = 10log₁₀(S/N)。  

3. 编码与调制  
   数字数据 → 数字信号：  
   归零编码（RZ）：信号中间归零，需同步时钟。  
   非归零编码（NRZ）：无归零，无法同步。  
   曼彻斯特编码：位中间跳变表示0/1（以太网使用）。  
   差分曼彻斯特编码：位起始跳变表示0，无跳变表示1。  
   模拟数据 → 数字信号：  
   脉冲编码调制（PCM）：采样→量化→编码（如电话语音）。  
   数字数据 → 模拟信号：  
   调幅（ASK）、调频（FSK）、调相（PSK）、正交振幅调制（QAM）。  
   模拟数据 → 模拟信号：  
   频分复用（FDM）技术，如无线电广播。  

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2.2 传输介质
1. 导向型传输介质  
   双绞线：  
   屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP），常用RJ-45接口。  
   传输距离短（≤100m），抗干扰能力较弱。  
   同轴电缆：  
   抗干扰强于双绞线，用于有线电视（带宽高）。  
   光纤：  
   单模光纤：直径小，激光光源，传输距离远（千米级）。  
   多模光纤：直径大，LED光源，传输距离短（百米级）。  

2. 非导向型传输介质  
   无线电波：全向传播（如Wi-Fi、蓝牙）。  
   微波：定向传播（地面微波接力、卫星通信）。  
   红外线/激光：短距离直线传播（需无障碍物）。  

3. 物理层接口特性  
   机械特性：接口形状、引脚数量（如RJ-45）。  
   电气特性：电压范围、阻抗匹配。  
   功能特性：引脚功能定义（如发送/接收线）。  
   规程特性：工作流程与时序（如握手协议）。  

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2.3 物理层设备
1. 中继器（Repeater）  
   功能：放大信号，延伸网络传输距离。  
   限制：不能连接不同协议的网络，且遵循“5-4-3规则”（最多5段，4个中继器，3段连接主机）。  

2. 集线器（Hub）  
   多端口中继器，广播方式转发数据。  
   缺点：  
   所有端口属于同一冲突域，无法隔离冲突。  
   带宽共享（如10Mb/s集线器连接4台主机，每台实际带宽2.5Mb/s）。  

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关键考点与易错点
1. 奈奎斯特 vs 香农定理  
   奈奎斯特：无噪声，限制来自码元状态数（M）。  
   香农：有噪声，限制来自信噪比（S/N）。  

2. 编码方式对比  
   曼彻斯特编码：自含时钟，抗干扰强（用于以太网）。  
   差分曼彻斯特编码：抗干扰更强，通过位起始跳变判断数据。  

3. 传输介质选择  
   光纤：远距离、高速率（如骨干网）。  
   双绞线：短距离、低成本（如局域网）。  

4. 物理层设备特性  
   中继器/集线器：仅放大信号，不隔离冲突域/广播域。  
   冲突域：同一时间只能有一台设备发送数据（集线器所有端口属于同一冲突域）。  

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典型计算题
1. 奈奎斯特计算  
   例：信道带宽4kHz，采用16种码元，求最大数据速率。  
   解：2×4k×log₂16 = 8k×4 = 32kb/s。  

2. 香农定理计算  
   例：信道带宽3kHz，信噪比30dB，求极限速率。  
   解：S/N(dB)=30 → S/N=1000，速率=3k×log₂(1+1000)≈3k×10≈30kb/s。  

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通过掌握以上内容，可系统理解物理层的核心原理与技术，为后续数据链路层的学习奠定基础。

第三章 数据链路层

3.1 数据链路层的功能
1. 核心功能  
   链路管理：建立、维护和释放数据链路（如PPP协议的握手过程）。  
   封装成帧：将网络层的数据包添加首部和尾部，形成帧（Frame）。  
   透明传输：避免数据中的特殊字符被误认为帧边界（通过字节填充/比特填充）。  
   差错控制：检测或纠正传输中的错误（如CRC校验、ARQ重传）。  
   流量控制：协调发送方与接收方的速率（如滑动窗口协议）。  

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3.2 组帧方法
1. 字符计数法  
   帧首部标明帧内字符数，实现简单但易因计数错误导致后续帧全部错误（已淘汰）。  

2. 字节填充法（面向字符）  
   使用特殊字符（如FLAG=0x7E）作为帧边界，数据中的FLAG通过转义字符ESC处理。  
   示例：数据中的0x7E → 替换为ESC 0x7E。  

3. 零比特填充法（面向比特）  
   帧边界为01111110，发送方在数据中每5个连续1后插入一个0，接收方删除插入的0。  
   示例：数据01111101 → 填充后011111001。  

4. 违规编码法  
   利用物理层编码规则中未使用的电平组合表示帧边界（如曼彻斯特编码中的高-高电平）。  

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3.3 差错控制
1. 检错编码  
   奇偶校验：1位校验位，检测奇数位错误（无法检测偶数位错误）。  
   循环冗余校验（CRC）：  
   生成多项式（如CRC-32）计算余数作为校验码，可检测突发错误。  
   计算步骤：数据位后补0 → 除以生成多项式 → 余数作为校验码。  

2. 纠错编码  
   海明码（Hamming Code）：  
   通过冗余位定位并纠正单比特错误。  
   冗余位数：满足 \(2^r \geq k + r + 1\)（k为数据位，r为冗余位）。  

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3.4 流量控制与可靠传输
1. 停止-等待协议  
   每发送一帧需等待确认（ACK），超时重传。  
   缺点：信道利用率低（\(U = \frac{T_d}{T_d + 2T_p}\)，\(T_d\)为发送时延，\(T_p\)为传播时延）。  

2. 滑动窗口协议  
   后退N帧（GBN）：  
   发送窗口大小 \(W_T \leq 2^n -1\)（n为帧序号位数）。  
   接收方累积确认，出错时丢弃后续所有帧，发送方重传全部未确认帧。  
   选择重传（SR）：  
   发送窗口与接收窗口大小相等且 \(W_T = W_R \leq 2^{n-1}\)。  
   接收方缓存乱序帧，仅重传丢失或错误的帧。  

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3.5 介质访问控制
1. 信道划分  
   频分复用（FDM）：不同频率划分信道（如无线电广播）。  
   时分复用（TDM）：固定时隙轮流占用信道（效率低，可能空闲时隙）。  
   码分复用（CDMA）：通过编码区分信号（如3G移动通信）。  

2. 随机访问  
   ALOHA协议：  
   纯ALOHA：随时发送，冲突则随机等待重发（信道利用率≈18.4%）。  
   时隙ALOHA：只能在时隙开始时发送（利用率≈36.8%）。  
   CSMA协议：  
   1-坚持CSMA：侦听到空闲立即发送；非坚持CSMA：随机等待后重试。  
   CSMA/CD（以太网）：  
   边发送边侦听，冲突后执行二进制指数退避算法。  
   最小帧长：确保发送时延≥2倍传播时延（\(L_{\text{min}} = 2\tau \times R\)，\(\tau\)为端到端时延）。  
   CSMA/CA（无线局域网）：  
   通过RTS/CTS预约信道，避免隐蔽站问题，使用ACK确认。  

3. 轮询访问  
   令牌传递：令牌在逻辑环中传递，持有令牌的站点可发送数据（如令牌环网）。  

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3.6 局域网（LAN）
1. 以太网（IEEE 802.3）  
   MAC帧格式：目的地址（6B）| 源地址（6B）| 类型（2B）| 数据（46-1500B）| FCS（4B）。  
   MAC地址：全球唯一，48位（如`00-1A-2B-3C-4D-5E`）。  
   扩展以太网：  
   网桥：基于MAC地址过滤帧，隔离冲突域。  
   交换机：多端口网桥，支持全双工通信，通过自学习构建转发表。  

2. 无线局域网（IEEE 802.11）  
   CSMA/CA：避免冲突，使用ACK确认帧。  
   帧结构：包含4个地址字段（源、目的、AP、AP所属网络）。  

3. 虚拟局域网（VLAN）  
   功能：逻辑划分广播域，隔离不同VLAN的通信。  
   实现：交换机通过VLAN标签（802.1Q协议）标识帧所属VLAN。  

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3.7 广域网（WAN）
1. PPP协议（点对点协议）  
   特点：支持身份验证（PAP/CHAP），透明传输（字节填充）。  
   帧格式：标志字段（0x7E）| 地址字段（0xFF）| 控制字段（0x03）| 协议字段 | 数据 | FCS | 标志字段。  

2. HDLC协议  
   模式：正常响应模式（NRM）、异步平衡模式（ABM）。  
   帧格式：标志字段（0x7E）| 地址字段 | 控制字段 | 数据 | FCS | 标志字段。  

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3.8 数据链路层设备
1. 网桥  
   功能：连接不同局域网，基于MAC地址转发帧，隔离冲突域。  
   生成树协议（STP）：防止网络环路，通过阻塞冗余路径构建树形拓扑。  

2. 交换机  
   自学习：记录源MAC地址与端口的映射关系。  
   转发方式：  
   直通式（快速但可能转发错误帧）。  
   存储转发式（缓存完整帧，校验后转发）。  

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数据链路层关键考点与易错点  

**1. CSMA/CD vs CSMA/CA**  

*   **CSMA/CD (载波侦听多路访问/冲突检测):**  
    *   用于**有线以太网**。  
    *   核心思想是**检测冲突**：先侦听信道是否空闲，若空闲则发送数据，发送过程中若检测到冲突则立即停止发送并发送阻塞信号。  

*   **CSMA/CA (载波侦听多路访问/冲突避免):**  
    *   用于**无线网络** (例如 WiFi)。  
    *   核心思想是**避免冲突**：通过预约信道，降低冲突发生的概率。  由于无线网络信号衰减等问题，很难像有线网络一样准确检测冲突。  

**易错点:** 容易混淆 CD 和 CA 的应用场景。 记住 CD 用于有线，CA 用于无线。  

**2. 最小帧长计算**  

*   **背景:** 以太网中，为了保证发送端在发送完数据帧之前能够检测到冲突，规定了最小帧长。  

*   **公式:**  `L_min = 2 * 端到端时延 * 数据传输速率`  

*   **示例:**  
    *   以太网速率 1Gb/s，端到端时延 10μs，求最小帧长。  
    *   解： L_min = 2 * 10μs * 1Gb/s = 20 * 10^-6 * 10^9 = 20,000 bits = 2500 Bytes。  

**易错点:** 单位换算！ 确保时延和速率的单位一致 (例如都换算成秒和比��每秒)，最终结果注意单位是 bit 还是 Byte。  注意公式中乘以 2， 因为需要保证发送方在发送完帧之前收到冲突信号。  

**3. CRC 校验计算**  

*   **背景:**  循环冗余校验 (CRC) 是一种常用的差错检测方法。  

*   **步骤:**  
    1.  在数据 M 后面补 k 个 0，k 等于生成多项式 G 的阶数 (G 的最高次幂)。  
    2.  将补 0 后的数据除以生成多项式 G (模 2 除法，即异或运算)。  
    3.  得到的余数就是 CRC 校验码。  

*   **示例:**  
    *   数据 M = 101001，生成多项式 G = 1101，求 CRC 校验码。  
    *   解：  
        1.  G 的阶数为 3，补 3 个 0  → 101001000。  
        2.  101001000 除以 1101，余数 = 001。  
        3.  CRC 校验码为 001。  

**易错点:**  模 2 除法 (异或运算) 的规则。  确保补 0 的位数正确。  

**4. 滑动窗口协议效率**  

*   **背景:**  滑动窗口协议用于控制数据传输的流量和可靠性。  

*   **GBN (Go-Back-N):**  
    *   窗口满时效率：`U = min( (1 + 2 * T_p) / T_d , W)`， 其中 `T_p` 是单向传播时延， `T_d` 是发送一个帧的时延， `W` 是窗口大小。  
    *  如果  `(1 + 2 * T_p) / T_d` 大于 W, 那么 U = W.  这意味着窗口大小限制了效率。  

*   **SR (Selective Repeat):**  
    *   理想情况下，窗口满时效率：`U = W`。  SR 协议可以只重传出错的帧，因此效率更高。  

**易错点:**  GBN 协议的效率计算公式。 理解 SR 协议在理想情况下可以达到更高的效率。 需要记住 T_p 和 T_d 代表的含义。  

**总结:**  

通过掌握以上内容，可以深入理解数据链路层的核心机制，为网络层的学习奠定基础。