计算机网络知识点

本文详细探讨了计算机网络的基础知识,包括TCP/IP协议、网络层的数据传输、拥塞控制策略以及操作系统的网络接口。通过阅读,读者将能深入了解网络运维中的关键概念和技术。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

计算机网络
学习目标:了解抽象虚拟的网络结构,更好的蹭WIFI(Wireless Fidelity 无线保真)
简述
1983年 ARPANET 采用TCP/IP 协议族
因特网标准是以RFC的形式发表
因特网的正式标准经历四个阶段:
1. 因特网草案
2. 建议标准
3. 草案标准
4. 因特网标准
因特网的组成:
边缘部分
(连接在因特网上的主机组成,用户直接使用,进行通信和资源共享)
和核心部分
(有大量网络和连这些网络的路由器组成,为边缘部分提供服务,提供连通和交换)
边缘通信方式:客户服务机方式(C/S)和对等方式(P2P)
核心部分:电路交换(建立连接——通话——释放连接)和分组交换
计算机网络定义:计算机网络是独立自治、互相连接的计算机集合。指的是将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备,通过通信链路连接起来,在网络操作系统,网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下,实现资源共享和数据通信的计算机系统。
1. 不同作用范围的网络:广域网(WAN 范围:>50km)、城域网(WAN 范围:5-50km)、局域网(LAN 范围:1km左右)、个人区域网(PAN 范围:10m左右)
2. 不同网络使用者:公用网和专用网
计算机网络性能指标:速率,带宽,吞吐量,时延(发送、传播、处理、排队),时延带宽积,往返时间RTT,利用率(网络和信道 D=D。/(1-U); D。表示空闲时延,D表示网络的当前时延,U是网络的利用率)。
网络协议的定义:协议是控制两个对等实体通信的规则的集合,协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准,其三要素是语义、语法与时序
1.物理层
物理层的主要任务为确定与传输媒体的相关的接口的一些特性:机械、电气、功能、过程特性。
数据通信系统分为三个部分:源系统,传输系统、目的系统。
通信交互方式分为:单工,半双工,全双工。
1924年,奈奎斯特的奈氏准则提出码元传输速率的上限值是新到贷款的2倍

1948年,香农提出香农公式:信道的极限信息传送速率C=W log2(1+S/N) (b/s)
其中:信噪比(dB)=10log10(S/N) ,W为信道的带宽,S为信道的平均功率,N为噪声的平均功率。
传输媒体:双绞线、同轴电缆、光纤、无线
信道复用技术:频分复用(FDM:同样的时间占用不同的带宽资源),时分复用(TDM:不同的时间占用相同的频带宽度),波分复用(WDM:将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器,Multiplexer)汇合在一起,并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术),码分复用(CDM:用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号)。
宽带接入技术:xDSL技术是数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造;光钎同轴混合网(HFC网)FTTx技术(光纤到户,办公室…)
2.数据链路层
数据链路层的两种信道类型:点对点信道和广播信道。
数据链路定义:当需要在一条线路上传输数据时,需要一条物理线路和一些必要的通信协议来控制这些数据的传输,若把这些协议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路。
三个基本问题:
封装成帧:加上首部SOH(start of header)和尾部EOT(end of transmission)。
透明传输:在SOH或EOT前面插入一个转义字符ESC,即字节填充。
差错检验:循环冗余检验CRC(cyclic redundancy check)即在数据后面加上n位的冗余码,得到n+k位的数除以收发双方事先确定的(n+1)位的除数,得到的余数作为帧检验序列FCS(frame check sequence)。
点对点协议PPP(point-to-point protocol)就是用户计算机和ISP进行通信时使用的数据链路层协议。
以太网的两个标准:DIX Ethernet V2与IEEE的802.3标准。
载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD协议(carrier sense multiple access with collision detection)
10Mb/s的以太网 争用期51.2us 最短有效帧长64字节 帧间最小间隔9.6us
100Mb/s的以太网 争用期5.12us最短有效帧长64字节 帧间最小间隔0.96us
10BASE-T代表10Mb/s的数据率,BASE是指基带信号,T代表双绞线。
关于以太网的最大最小帧长:
我们从下到上分析一下:   
1.在链路层,由以太网的物理特性决定了数据帧的长度为(46+18)-(1500+18),其中的18是数据帧的头和尾,也就是说数据帧的内容最大为1500(不包括帧头和帧尾),即MTU(Maximum Transmission Unit)为1500;  
2.在网络层,因为IP包的首部要占用20字节,所以这的MTU为1500-20=1480; 
3.在传输层,对于UDP包的首部要占用8字节,所以这的MTU为1480-8=1472;   
所以,在应用层,你的Data最大长度为1472。
计算机通过适配器(网卡)与外界局域网通信。
集线器和交换机的差别
集线器的功能只是一个多端口的转发器,无论从哪个端口传出来的讯号都会整形再生放大后向所有的端口广播出去,并且所有的端口都会挤用同一个共享信带 的带宽,造成数据量大时所有端口的带宽大幅减少;而交换机相当于多端口桥,它为用户提供的是独占的点对点的连接,数据包只发向目的端口而不会向所有端口发 送,这样减少了信号在网络发生碰撞,而且交换机上的所有端口均有独享的信道带宽。
交换机是继集线器基础上开发的一新的网络连接设备,拥有着更好更强大的功能和优点,而且还有着很高的性价比,更适应当今网络的需求。通过以上分析,我们不难看出交换机与集线器相比的明显优势。我相信在不久的以后交换机将会彻底替代集线器。
3.网络层
TCP/IP协议族与IP协议配套使用的协议有:
1地址解析协议ARP(address resolution protocol)
2逆地址解析协议RARP(reverse address resolution protocol)
3网际控制报文协议ICMP(internet control message protocol)
4网际组管理协议IGMP(internet group message protocol)
各层常用的中间设备:
物理层-转发器
数据链路层-网桥
网络层-路由器
网络层以上-网关(习惯称路由器)
私有地址范围:
10.0.0.0 到 10.255.255.255
172.16.0.0 到 172.31.255.255
192.168.0.0 到 192.168.255.255
组播地址的范围: 224.0.0.0——239.255.255.255
分类的IP地址:

IP地址可指派范围:

IP地址 & 物理地址
32位 48位
_ARP>
<RARP
地址解析协议ARP
ARP高速缓存存放本局域网内各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表
分组转发算法:
1. 从数据报的首部提取目的主机的IP地址D,得到目的网络地址N;
2. 若N是此路由器直接相连的某个网络地址,则进行直接交付,直接把数据交付给目的主机;否则间接交付,执行3;
3. 如路由表中有目的地址为D的特定主机路由,则把数据报传送给路由表所指明的下一路由器;否则执行4;
4. 如路由表中有到达网络N的路由,则把数据报传送给路由表所指明的下一路由器;否则执行5;
5. 如路由器中有默认路由,,则把数据报传送给路由表所指明的默认路由器;否则报告转发分组错误。
划分子网:
1.从网络的主机号借用若干位作为子网号 subnet-id,
2.三级IP<网络号,子网号,主机号>
3.子网掩码:子网掩码也是32位,所有网络必须使用子网掩码。子网掩码是网络号位数对应的1的个数。
4.子网掩码和IP地址进行AND运算就可以得出网络地址。
无分类编址CIDR(构造超网)
IP地址<网络前缀,主机号>
CIDR记法:128.14.35.7/20=10000000 00001110 00100011 00000111
网络前缀都相同的连续IP地址组成一个“CIDR地址块”。
斜线记法中,斜线后面的数字(包括子网号的网络前缀)就是地址掩码(子网掩码)中1的个数。
128.14.35.7/20地址块的子网掩码:11111111 11111111 11110000 00000000
由斜线记法计算最大最小地址:
192.199.170.82/27这个地址块的最小地址是:192.199.170.64
最大地址是:192.199.170.95
由于一个CIDR地址块中有很多地址,所以在路由表中就利用CIDR地址块查找目的网络,这种地址的聚合为路由聚合,也称为构造超网。
网络前缀越短,其地址块包含的地址数越多。
采用最长前缀匹配选择路由,运用二叉线索+压缩技术。
含有子网的路由器转发分组算法:
1.从数据报的首部提取目的主机的IP地址D;
2.对路由器直接相连的网络逐个进行检查,用各网络的子网掩码与D诸位进行AND操作,看能否与相应网络地址匹配;若能匹配,则进行直接交付,转发任务结束;否则间接交付,执行3;
3.如路由表中有目的地址为D的特定主机路由,则把数据报传送给路由表所指明的下一路由器;否则执行4;
4.如路由表中的每一行(目的网络地址,子网掩码,下一跳地址),用其中的子网掩码和D诸位AND,其结果为N,若N与该行的目的地址匹配,则把数据报传送给路由表所指明的下一路由器;否则执行5;
5.如路由器中有默认路由,,则把数据报传送给路由表所指明的默认路由器;否则报告转发分组错误。
路由选择协议的分类:
内部网关协议IGP(Interior gateway protocol)
RIP(Routing Information Protocol)协议是基于距离向量的路由协议,适合比较小型的网络,但是当前Internet网络的迅速发展和急剧膨胀使RIP协议无法适应今天的网络。
OSPF(Open shortest Path First)协议是采用分布式的链路状态协议,是在Internet网络急剧膨胀的时候制定出来的,它克服了RIP协议的许多缺陷。
OSPF和RIP的比较
DSPF优点:1、收敛速度快;2、支持无类别的路由表查询、VLSM和超网技术;3、支持等代价的多路负载均衡;4、路由更新传递效率高(区域、组播更新、DR/BDR);5、根据链路的带宽进行最优选路,采用了区域、组播更新、增量更新、30分钟重发LSA.
  1.RIP协议一条路由有15跳(网关或路由器)的限制,假如一个RIP网络路由跨越超过15跳(路由器),则它认为网络不可到达,而OSPF对跨越路由器的个数没有限制。
  2.OSPF协议支持可变长度子网掩码(VLSM),RIP则不支持,这使得RIP协议对当前IP地址的缺乏和可变长度子网掩码的灵活性缺少支持。
  3.RIP协议不是针对网络的实际情况而是定期地广播路由表,这对网络的带宽资源是个极大的浪费,非凡对大型的广域网。OSPF协议的路由广播更新只发生在路由状态变化的时候,采用IP多路广播来发送链路状态更新信息,这样对带宽是个节约。
  4.RIP网络是一个平面网络,对网络没有分层。OSPF在网络中建立起层次概念,在自治域中可以划分网络域,使路由的广播限制在一定的范围内,避免链路中继资源的浪费。
  5.OSPF在路由广播时采用了授权机制,保证了网络安全。
  上述两者的差异显示了OSPF协议后来居上的特点,其先进性和复杂性使它适应了今天日趋庞大的Internet网,并成为主要的互联网络由协议。
外部网关协议EGP(external gateway protocol)
边际网关协议(BGP)采用路径向量路由选择协议,其目的是力求寻找至少一个能够到达目的网络且比较好的路由,并非寻找一条最优路由。
IP多播的实现:多播IP和硬件多播
虚拟专用网(VPN: Virtual Private Network)

网络地址转换(NAT):是一种将私有(保留)地址转化为合法IP地址的转换技术;作用:NAT不仅完美地解决了lP地址不足的问题,而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击,隐藏并保护网络内部的计算机。
4.运输层
运输层的两个不同的运输协议:传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。
端口号:具有网络功能的应用软件的标识号,为了标志本计算机应用层中各个进程在和运输层交互式的层间接口,相关的端口号没有关联,一个软件拥有不同的端口号,以证明这个软件拥有不止一种网络功能。
FTP:21 SMTP:25 HTTP:80 TELNET:23 DNS:53
TCP与UDP的区别:
1.基于连接与无连接;
2.对系统资源的要求(TCP较多,UDP少);
3.UDP程序结构较简单;
4.流模式与数据报模式 ;
5.TCP保证数据正确性,UDP可能丢包,TCP保证数据顺序,UDP不保证。
TCP连接建立



1 主机A通过向主机B 发送一个含有同步序列号的标志位的数据段给主机B ,向主机B 请求建立连接,通过这个数据段,
主机A告诉主机B 两件事:我想要和你通信;你可以用哪个序列号作为起始数据段来回应我.
2 主机B 收到主机A的请求后,用一个带有确认应答(ACK)和同步序列号(SYN)标志位的数据段响应主机A,也告诉主机A两件事:
我已经收到你的请求了,你可以传输数据了;你要用哪佧序列号作为起始数据段来回应我
3 主机A收到这个数据段后,再发送一个确认应答,确认已收到主机B 的数据段:"我已收到回复,我现在要开始传输实际数据了
这样3次握手就完成了,主机A和主机B 就可以传输数据了.








TCP连接释放


TCP建立连接要进行3次握手,而断开连接要进行4次
1 当主机A完成数据传输后,将控制位FIN置1,提出停止TCP连接的请求
2 主机B收到FIN后对其作出响应,确认这一方向上的TCP连接将关闭,将ACK 置1
3 由B 端再提出反方向的关闭请求,将FIN置1
4 主机A对主机B的请求进行确认,将ACK置1,双方向的关闭结束.

由TCP的三次握手和四次断开可以看出,TCP使用面向连接的通信方式,大大提高了数据通信的可靠性,使发送数据端和接收端在数据正式传输前就有了交互,为数据正式传输打下了可靠的基础。
名词解释
ACK TCP报头的控制位之一,对数据进行确认.确认由目的端发出,用它来告诉发送端这个序列号之前的数据段
都收到了.比如,确认号为X,则表示前X-1个数据段都收到了,只有当ACK=1时,确认号才有效,当ACK=0时,确认号无效,这时会要求重传数据,保证数据的完整性.
SYN 同步序列号,TCP建立连接时将这个位置1
FIN 发送端完成发送任务位,当TCP完成数据传输需要断开时,提出断开连接的一方将这位置
拥塞控制算法:慢开始和拥塞避免,快重传和快恢复。
流量控制使用一种基于滑动窗口协议的流量控制机制。包括接受窗口(rwnd)和发送窗口(也称为拥塞窗口:cwnd):rwnd限制发送方向网络注入报文的速率,cwnd根据对当前网络拥塞程度的估计而确定的窗口值。发送方的发送窗口实际大小是取rwnd和cwnd中最小值。
拥塞控制的四种算法:慢开始、拥塞避免、快重传、和快恢复。
慢开始算法要点:
1. TCP连接建立好,开始发送TCP报文段时,拥塞窗口cwnd=1;
2. 使用慢开始算法,每经过一个传输轮次,拥塞窗口cwnd就加倍,即cwnd大小就呈指数形式增长;
3. 当拥塞窗口cwnd增大到一个规定的慢开始门限(阈值),然后执行拥塞避免算法;

拥塞避免算法要点:
1. 加法增大:拥塞窗口每经过一个RTT(往返时间)就增大一个MSS,而不再是加倍;
2. 乘法减小:当出现一次超时(网络拥塞)时,将慢开始门限改为当先拥塞窗口cwnd的一半,拥塞窗口重新设置为1,执行慢开始算法;
根据cwnd的大小执行不同的算法,归结如下:
1. 当cwnd<ssthresh时,使用慢开始算法;
2. 当cwnd>ssthresh时,停止使用慢开始算法,而改为拥塞避免算法;
3. 当cwnd=ssthresh时,既可以使用慢开始算法,也可以使用拥塞避免算法;
经典的满开始和拥塞避免算法如下图所示:

快重传算法要点:
1. 冗余ACK检测丢包的发生(丢包意味着网络发生了拥塞);
2. 当发送方连续收到三个重复的ACK报文时,直接重传对方尚未收到的报文段,而不必等待那个报文段设置的重传计时器超时;
3. 理解本算法需要明确可靠传输的机制;
快恢复算法要点:
1. 当发送方连续收到三个重复的ACK报文时,执行乘法减小,把慢开始门限ssthresh减半;
2. 拥塞窗口设置为慢开始门限ssthresh减半后的数值(与慢开始算法不同,慢开始算法将拥塞窗口设置为1);
3. 然后执行加法增大,使拥塞窗口缓慢地线性增大;
4. 由于跳过了拥塞窗口cwnd从1起始的慢开始过程,所以称为快恢复;




评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值