王道计网学习笔记

NuoYan要成为高手

已于 2025-06-17 15:27:10 修改

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文章标签：学习笔记网络 tcp/ip 网络协议

于 2025-06-16 23:22:00 首次发布

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来源：王道计网考研…

一、计网概念

计算机网络是一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

1、计算机网络、互联网、互连网区别

计算机网路：由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。

结点：可以是计算机、集线器、交换机、路由器等

链路可以是有线链路、无线链路

路由器：可以把两个或多个计算机网络互相连接起来，形成规模更大的计算机网络，也可称为“互连网“。

交换机：可以把多个结点连接起来，组成一个计算机网络。

互联网：由各大ISP和国际机构组件的，覆盖全球范围的互连网(internet）。

互联网必须使用TCP/IP协议通信，互连网可以使用任意协议通信。

2、计网的组成

从组成部分：

从工作方式：

从逻辑功能：

3、计网的功能

4、三种交换技术

电路交换

通过物理线路的连接，动态地分配传输线路资源。

过程：

1、建立连接（尝试占用通信资源）

2、通信（一直占用通信资源）

3、释放连接（归还通信资源）

优点：

1、通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时问内，两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直送，传输速率高。

缺点：

1、建立/释放连接，需要额外的时间开销。

2、线路被通信双方独占，利用率低。

3、线路分配的灵活性差。

4、交换节点不支持“差错控制”(无法发现传输过程中的发生的数据错误)。

电路交换更适用于:低频次、大量地传输数据。

报文交换

存储转发的思想:把传送的数据单元先存储进中间节点，再根据目的地址转发至下一节点。

优点：

1、通信前无需建立连接。

2、数据以“报文”为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配。

3、在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高。

4、交换节点支持“差错控制’(通过校验技术)。

缺点：

1、报文不定长，不方便存储转发管理。

2、长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大。

3、长报文容易出错，重传代价高。

分组交换

报文（不定长）message：控制信息（源地址、目的地址等）+数据（分组）

分组（定长）packet：首部header（源地址、目的地址、分组号等）+数据

分组交换机：路由器。

优点：

1、通信前无需建立连接。

2、数据以“分组”为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配。

3、在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高。

4、交换节点支持“差错控制”(通过校验技术)。

5、相比于报文交换，分组交换改进了如下问题:

分组定长，方便存储转发管理。
分组的存储转发时间开销小、缓存开销小。
分组不易出错，重传代价低。

缺点：

1、相比于报文交换，控制信息占比增加。

2、相比于电路交换，依然存在存储转发时延。

3、报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序、丢失等问题，增加处理的复杂度。

虚电路交换技术

虚电路交换的过程：

①建立连接(虚拟电路)

②通信(分组按序、按已建立好的既定线路发送，通信双方不独占线路)

③释放连接

5、三种交换技术的性能

电路交换

报文交换

分组交换

对比

6、计网分类

按分布范围分类：

1、广域网WAN

2、城域网MAN

3、局域网LAN（以太网技术）

4、个域网PAN

按传输技术分类：

1、广播式网络：当一台计算机发送数据分组时，广播范围内所有计算机都会收到该分组，并通过检查分组的日的地址决定是否接收该分组。Eg:所有无线网络都是“广播式”。

2、点对点网络：数据只会从发送方“点对点”发到接收方，精准送达。Eg：路由器转发的数据分组。

按拓扑结构分类：

1、总线型结构：数据”广播式“传输;存在“总线争用”问题。典型代表:集线器连接的设备。

2、环形结构：数据“广播式”传输;通过令牌”解决总线争用问题，令牌顺环形依次传递，拿到令牌者可使用总线。典型代表:令牌环网(流行于2000年以前的局域网技术)

3、星型结构：由中央设备实现数据的“点对点”传输;不存在““总线争用”问题。典型代表:以太网交换机连接的设备。

4、网状结构：数据通过各中间节点逐一存储转发:属于“点到点”传输。典型代表:由众多路由器构建的广域网。

按使用者分类：

公用网、专用网。

按传输介质分类：

有线网络、无线网络。

7、计网的性能指标

1、速率

信道(Channel):表示向某一方向传送信息的通道(信道≠通信线路)一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道。

速率(Speed)：指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。也称数据率或比特率，数据传输速率。

单位：bit/s，b/s，bps（1B（字节）=8b（比特））

K->M->G->T(10^3->106->10^9->1012)(千兆吉太)

2、带宽

带宽：某信道所能传送的最高数据率

节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽、节点性能共同限制。

3、吞吐量

吞吐量(Throughput):指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量。

吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响。

4、时延

时延(Delay):指数据(一个报文或分组，甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

5、时延带宽积

时延带宽积=传播时延*带宽

时延带宽积的含义:一条链路中，已从发送端发出但尚未到达接收端的最大比特数

6、往返时延

往返时延RTT)(Round-Trip Time):表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。

7、信道利用率

某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的

=（有数据通过的时间）/（有数据通过的数据+没有数据通过的时间）

信道利用率不能太低，浪费资源

信道利用率也不能太高，容易导致网络拥塞

8、计算机网络的分层结构

五层模型：应用层-传输层-网络层-数据链路层-物理层

TCP/IP模型：应用层-传输层-网际层-网络接口层

网络的体系结构(Network Architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。

实现 (implementation)是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。

实体:在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素(软件+硬件)通常称为第n层实体。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。

协议：即网络协议(NetworkProtocol)，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。

接口:即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，又称为服务访问点。

服务:服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。

协议数据单元(PDU):对等层次之间传送的数据单位。第n层的PDU记为n-PDU。

服务数据单元(SDU):为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第n层的SDU记为n-SDU。

协议控制信息(PCI):控制协议操作的信息。第n层的PCI记为n-PCI。

三者的关系为n-SDU+n-PCl=n-PDU=(n-1)-SDU

协议三要素：语法、语义、同步(时序)

9、OSI模型

应用层-表示层-会话层-传输层-网络层-数据链路层-物理层

物理层（比特）

任务：实现相邻节点之间比特(0或1)的传输。

1、需定义电路接口参数(如:形状、尺寸、引脚数等)

2、需定义传输信号的含义、电气特征(如:5V表示1，1V表示0;每比特电信号持续时间0.1ms)

数据链路层（帧）

任务:确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错。包含以下功能：

1、差错控制:检错+纠错或检错+丢弃+重传（局部）

2、流量控制:协调两个节点的速率

网络层（分组）

任务：把“分组”从源结点转发到目的结点。包含以下功能：

1、路由选择：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径。

2、分组转发：将“分组”从合适的端口转发出去。

3、拥塞控制：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞。

4、网际互联：实现异构网络互联。

5、其他功能（以分组为单位）：差错控制、流量控制、连接建立与释放（确保分组有序、不重复到达）、可靠传输管理（接收方需返回分组确认消息）。

传输层（报文段）

任务：实现端到端通信（即实现进程到进程的通信）（以报文段segment为单位传输）。

1、复用和分用:发送端几个高层实体复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
2、其他功能（以报文段为单位）:差错控制、流量控制、连接建立与释放（确保报文段有序、不重复到达）、可靠传输管理（接收方需返回报文段确认消息）。

会话层（报文）

任务：管理进程间会话

主要功能:会话管理（采用检查点机制，当通信失效时从检查点继续恢复通信)

表示层（报文）

任务：解决不同主机上信息表示不一致的问题

主要功能：数据格式转换(如编码转换、压缩/解压、加密/解密)

应用层（报文）

实现特定的网络应用

10、TCP/IP模型

应用层-传输层-网络层-网络接口层

TCP/IP 的理念:

1、如果某些应用需要数据格式转换、会话管理功能，就交给应用层的特定协议去实现。

2、网络接口层为网络层传输“分组”。但TCP/IP 并未具体描述网络接口层的功能、协议(交给网络设备商自由发挥)。

3、网络层：路由转发、分组转发、拥塞控制、网际互联。（数据传输是不可靠的）。

4、传输层：复用和分用、差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理（在TCP/IP模型中，由传输层负责保证数据传输的正确性、可靠性）。

二、物理层

任务：实现相邻节点之间比特（0or1）的传输

1、通信基础

信源:信号的来源(即数据的发送方)。

信号:数据的载体。

信宿:信号的“归宿(即数据接收方)。

信道:信号的通道（注:一条物理线路通常包含两条信道，即发送信道、接收信道）

码元：每一个信号就是一个码元。若一个周期可能出现K种信号，就是K进制码元
，1码元携带 log2K bit

波特率：每秒传输几个码元。单位:码元/秒，或波特(Baud)

比特率：每秒传输几个比特。单位:bit/s，或b/s，bps

内在联系:一个码元携带几个比特?（1码元=log2K bit—一个周期k种信号）

2、信道的极限容量

奈奎斯特定理：对于一个理想低通信道（没有噪声，带宽有限的信道），极限波特率=2W（单位：波特，即码元/秒，w是信道的频率带宽（单位：Hz）），极限比特率=2Wlog2 K b/s。

香农定理：对于一个有噪声、带宽有限的信道，极限比特率=Wlog2(1+S/N)（单位:b/s）。W是信道的频率带宽，S/N信噪比。（信号的功率/噪声的功率）（信噪比越高，噪声对数输的影响越小）（信噪比=10 log10S/N，单位:dB(分贝)）（先化为无单位的s/n）。

3、编码和调制

变换器:将二进制数据转换为信号。

反变换器:将信号转换为二进制数据。

二进制数据—编码->数字信号，数字信号—解码->二进制数据（有线网络适配器(编码-解码器)）

二进制数据—调制->模拟信号，模拟信号—解调->二进制数据（光猫(调制-解调器)）

常用的编码方法：

常用的调制方法：

注意:以太网默认使用曼彻斯特编码

4、传输介质

常用的传输介质：

1、导向型：双绞线、同轴电缆、光纤。

2、非导向型：无线传输介质。

双绞线

抗电磁干扰能力强：提高绞合度、增加屏蔽层

信道噪声功率低
信道极限速率高

同轴电缆

主要构成：内导体(用于传输信号)+外导体屏蔽层(用于抗电磁干扰)。

抗干扰能力 – 好。屏蔽层带来良好的抗干扰性。

内导体越粗，电阻最低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长

光纤

纤芯（高折射率）+包层（低折射率）
利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号

单模光纤 – 只有一条光线在一根光纤中传输，适合长距离传输，信号传输损耗小
多模光纤 – 多条光线在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离传输光信号容易失真。

抗干扰能力 --非常好，光信号对电磁干扰不敏感。

其他优点：信号传输损耗小，长距离传输时中继器少，很细很省布线空间

以太网对有线传输介质的命名规则：速度+Base +介质信息

10Base5：10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m。

10BaseF*：10Mbps，光纤。可以是其他信息，如10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP

10BaseT*：10Mbps，双绞线。可以是其他信息，如10BaseT1S、10BaseT1L

无限传输介质

无线电波

特点:穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱

如：手机信号、WiFi

微波通信

特点:频率带宽高、信号指向性强、保密性差(容易被窃听)

如：卫星通信

其他

红外线通信、激光通信等 —信号指向性强

结论:
长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、高速通信，若用于长距离通信需建立中继站；短波有号指向性强，要求信号接收器“对准”信号源。

5、物理层接口特性

6、物理层设备

中继器

中继器只有两个端口。通过一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一端口(信号再生会产生一些时延）

仅支持半双工通信(两端连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”)

中继器两个端口对应两个“网段”

集线器

本质上是多端口中继器。集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后，转发到所有其他端口。

各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”

集线器的N个端口对应N个“网段”，各网段属于同一个“冲突域“

冲突域：

如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”,则这两台主机处于同一个“冲突域”。

处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行“信道争用”。

以太网交换机可以’隔离”冲突域。

其他特性

集线器、中继器不能“无限串联”，如:(10Base5的 5-4-3 原则）（5-4-3原则:使用集线器(或中继器)连接10Base5网段时，最多只能串联5个网段，使用4台集线器(或中继器)，只有3个网段可以挂接计算机。）

集线器连接的网络，物理上是星形拓扑，逻辑上是总线型拓扑（数据“广播式”传输，存在“信道争用”问题）

集线器连接的各网段“共享带宽”

集线器可以连接不同的传输介质，因此两个网段的物理层接口特性可以不同(这就意味着集线器连接的网段，“物理层协议”可以不同)

集线器如果连接了速率不同的网段，会导致所有网段“速率向下兼容”

三、数据链路层

1、数据链路层的功能

地位

数据链路层使用物理层提供的"比特传输”服务

数据链路层为网络层提供服务，将网络层的IP数据报(分组)封装成帧，传输给下一个相邻结点。

物理链路:传输介质(0层)+物理层(1层)实现了相邻结点之间的“物理链路”
逻辑链路:数据链路层需要基于“物理链路”，实现相邻结点之间逻辑上无差错的“数据链路(逻辑链路）。

功能

2、组帧

四种组帧方法：字符计数法、字节填充法、零比特填充法、违规编码法

字符计数法

原理:在每个帧开头，用一个定长计数字段表示帧长

最大缺点:任何一个计数字段出错都会导致后续所有忱无法定界

帧长=计数字段长度+帧的数据部分长度

字节填充法

头：控制字符SOH：01h

尾：控制字符EOT：04h

中间转义字符ESC

如果帧的数据部分包含“特殊字符”则发送方需要在这些“特殊字符”前填充“转义字符 ESC”(接收方要做逆处理)

零比特填充法

特殊比特串表示帧开始/结束：01111110

发送方需要对帧的数据部分进行处理，每当遇到连续5个1，就填充一个0；
接受方需要对帧的数据部分进行逆处理，每当遇到连续5个1，就删掉后面的0。

违规编码法

使用"违规信号”，表示帧的开头、结尾(这种方法需要物理层配合)

如:采用曼彻斯特编码时，使用“中间不跳变”作为“违规信号”，标记帧的开头、结尾

3、差错控制

目标:发现并解决一个帧内部的“位错”。

检错编码：奇偶校验码、CRC校验码

接收方发现比特错后丢弃帧，并通知发送方重传帧

纠错编码：海敏校验码

接收方发现并纠正比特错误

奇偶校验

信息位(有效数据)：指帧的”数据部分

校验位(冗余位):即为了给帧的"数据部分"检错/纠错而附加的一些冗余比特

奇校验码:整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为奇数;如1-1001101

偶校验码:整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为偶数;如0-1001101

无法检测出偶数位错误

奇偶校验码仅能检测出奇数位错误，无纠错能力

循环冗余校验码（CRC校验码）

循环冗余校验码的思想：数据发送、接受方约定一个“除数”，K个信息位+R个校验位作为“被除数”，添加校验位后需保证除法的余数为0，在信息位后加校验位。

收到K+R位数据，与生成多项式模二除，计算R位余数
余数为0，说明无错误
余数非0，说明出错

海敏校验码

海明码设计思路:将信息位分组进行偶校验–>多个校验位–>多个校验位标注出错位置

信息位：n，校验位：k； 2^k>=n+k+1

4、流量控制、可靠传输、滑动窗口机制

流量控制、可靠传输两种功能都可以基于滑动窗口机制来实现

滑动窗口机制：

5、停止-等待协议（S-W）

6、后退N帧协议（GBN）

缺点：如果接收方接收帧的速度很慢，或在信道误码率很高的情况下，可能会导致发送方的发送进度经常需要“后退”，传输效率低下

7、选择重传协议（SR）

8、三种协议的信道利用率

S-W协议

GBN、SR协议

滑动窗口协议：GBR、SR

ARQ协议–即Automatic repeat request，通常译为“自动重传请求”协议，包含S-W、GBN、SR三种协议。

连续ARQ协议：GBN、SR

9、信道划分介质访问控制

介质访问控制(MediumAccess Control，MAC):多个节点共享同一个“总线型”广播信道时，可能发生“信号冲突”。

时分复用(TDM)

统计时分复用(STDM)

频分复用(FDM)

波分复用(WDM)

码分复用(CDM)

10、随机访问介质访问控制

纯ALOHA、时隙ALOHA

CSMA协议

CSMA协议在ALOHA协议基础上提出改进:在发送数据之前，先监听信道是否空闲,只有在信道空闲时，才会尝试发送。（节点的网络适配器安装“载波监听装置”）

1-坚持CSMA协议

非坚持CSMA协议

p-坚持CSMA协议

CSMA/CD 协议（冲突检测）

用于早期的有线以太网(总线型)

CSMA/CA 协议（冲突避免）

适用于无线网络(如:IEEE802.11标准的无线局域网技术，即 WiFi)

AP(Access Point)–接入点，也就是平时连接的无线WiFi热点
校园网=路由器+n个交换机+n*m个AP

11、轮询访问介质访问控制

令牌传递协议

令牌环网技术：核心特点:环形拓扑结构，各节点“轮询访问”（获得令牌）信道，不会发生信道冲突。

MAU：多站接入单元，用于集中控制“令牌环网”。

12、局域网的基本概念和体系结构

特点

1.覆盖较小的地理范围

2.较低的时延和误码率

3.局域网内的各节点之间以“帧”为单位进行传输

4.支持单播、广播、多播

单播(一对一发送帧):如 A→B

广播(一对全部发送帧):如 A→B+C+D+E+F+G

多播(一对部分发送帧):如 A→B+D+E

分类

有线局域网（LAN）

从拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式来看。

令牌环网

环形

同轴电缆或双绞线

令牌传递协议

以太网/802.3

物理层采用曼切斯特编码

同轴电缆以太网(早期)

总线型

同轴电缆（可用中继器连接多个同轴电缆网段）

CSMA/CD协议

光纤以太网（用于扩大以太网覆盖范围）

点对点（用于中继器/集线器/交换机之间的传输，也就是说通常不会直接连接终端节点）

光纤

NULL（用两条光纤实现全双工通信）

双绞线以太网

用集线器连接

物理上星形，逻辑上总线形

双绞线(用集线器连接)

CSMA/CD协议

用交换机连接

物理上、逻辑上都是星形

双绞线(用交换机连接)

CSMA/CD协议(半双工模式) 或 NULL(全双工模式)

无线局域网（WLAN）

WiFi/802.11

IEEE 802.11 定义为星形(1个AP+N台移动设备)

无线(Wireless)

CSMA/CA 协议

硬件架构

13、以太网与IEEE802.3

同轴电缆只能半双工

双绞线
速率<2.5Gbps可支持半双工or全双工(节点连接时协商)

速率≥2.5Gbps仅支持支全双工

光纤只支持全双工

注:MAC地址是数据链路层的概念。路由器、交换机都有MAC地址，而集线器没有MAC地址。

注意:路由器R收到广播帧后，不会再转发至其他网络只有同一个局域网内的各节点才属于同一个“广播域“

14、VLAN的基本概念与基本原理

可将一个大型局域网分割成若干个较小的VLAN，每个VLAN是一个广播域

需要使用支持VLAN功能的以太网交换机来实现

每个VLAN对应一个VID。

VLAN划分方式：

基于接口

基于MAC地址

基于IP地址

注:这种方式可以让VLAN范围跨越路由器，让多个局域网的主机组成一个VLAN(需要网络层功能支持)

15、IEEE802.11 无线局域网

通过门户(Portal)设备将两类局域网连接变成一个更大的局域网

802.11无线局域网是星形拓扑，中心称为接入点(AP)，也可称为无线接入点(WAP)

基本服务集 BSS:1个基站(AP)+多个移动站（1个WiFi热点连了很多台手机电脑）（使用CSMA/CA协议）

服务集标识符SSID:也就是无线局域网的名字，不超过32字节（WiFi名字）

基本服务区BSA:指一个基本服务集能够覆盖的地理范围（站在哪里可以搜到WiFi?）

门户(Portal):可将802.11无线局域网接入802.3有线以太网。

扩展服务集ESS:将多个AP连接到同一个分配系统，组成一个更大服务集（全屋WiEi）

漫游:一个移动站从一个基本服务集切换到另一个基本服务集，仍然可以保持通信（丝滑切换Wifi热点）

16、广域网

先跳过

17、以太网交换机

四、网络层

1、网络层的功能

网络层为传输层提供服务，将传输层的数据封装成“IP数据报”。网络中的路由器根据IP数据报首部中的源IP地址、目的IP地址进行“分组转发”。因此，网络层实现了“主机到主机”的传输。

数据链路层为网络层提供服务，将网络层的IP数据报(分组)封装成帧，传输给下一个相邻结点。

2、IPv4分组

实际传输过程中，“数据部分”的长度受下一段链路的最短/最长帧长限制

重要概念:一个链路层数据帧能承载的最大数据量称为最大传送单元(MTU)。如以太网的MTU=1500B

分片重组：

理解：

3、IP地址

特殊的IP地址

4、子网划分、子网掩码

5、无分类编址（CIDR）

6、路由聚合

对于一个路由转发表，如果几条路由表项的转发接口相同，部分网络前缀也相同，那么可以将这几条路由表项聚合为一条。这种地址的聚合称为路由聚合，也称构成超网。

(assets/image-20250613174828515.png)

特点：

路由聚合可以减少路由表的大小，查询速度更快

路由聚合可能会引入额外的无效地址。（因为可能没有使用）

遵循最长匹配原则。