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计算机网络系统的主要功能、网络类型

计算机网络是将地理位置不同，且有独立功能的多个计算机系统利用通信设备和线路互相连接起来，且以功能完善的网络软件（包括网络通信协议、网络操作系统等）实现网络资源共享的系统

特点及功能

特点：

  1. 计算机系统是多个的——多机系统
  2. 异地，也就各个计算机系统所处的地理位置不同
  3. 功能独立—— 计算机是具有独立工作能力的
  4. 由通信设备和线路互相连接——互联系统
  5. 由软件进行管理——网络协议、网络操作系统等

主要功能：

  1. 数据通信：例如电子邮件，发布新闻等等

  2. 资源共享：硬件资源共享：例如网络打印机等；软件资源共享：例如FTP，网上影院等

  3. 进行数据信息的集中和综合处理

  4. 负载均衡，相互协作：例如Client/Server模式，协同式计算等

  5. 提高了计算机的可靠性和可用性：资料备份，分布式存储等

  6. 分布式处理：大型问题协作求解等

网络类型

按照分布范围划分，计算机网络分为：

  1. 广域网 WAN(大跨度，通常使用交换技术)
  2. 城域网 MAN(城市)
  3. 局域网 LAN(1km 左右，通常使用广播技术)

按照信息交换方式划分：

  1. 电路交换网
  2. 分组交换网

按照通信介质划分：

  1. 双绞线网
  2. 同轴电缆网
  3. 光纤网
  4. 卫星
  5. 无线网

按拓扑结构划分：

  1. 星型网
  2. 树型网
  3. 环型网
  4. 总线型网

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TCP/IP 模型与 OSI 模型的层次结构及各层功能（掌握）

TCP/IP 参考模型及功能

  1. 网络接口层

TCP/IP 模型的最低层，负责接收从网络层交来的 IP 数据报并将 IP 数据报通过底层物理网络发送出去，或者从底层物理网络上接收物理帧，抽出 IP 数据报，交给网络层

  1. 网络层

负责独立地将分组从源主机送往目的主机，涉及为分组提供最佳路径的选择和交换功能，并使这一过程与它们所经过的路径和网络无关

  1. 传输层

在源结点和目的结点的两个对等实体间提供可靠的端到端的数据通信。为保证数据传输的可靠性，传输层协议也提供了确认、差错控制和流量控制等机制。传输层从应用层接收数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误

  1. 应用层

涉及为用户提供网络应用，并为这些应用提供网络支撑服务，把用户的数据发送到低层，为应用程序提供网络接口

OSI 参考模型及功能

  1. 物理层

有关物理设备通过物理媒体进行互连的描述和规定；

以比特流的方式传送数据，物理层识别 0 和 1；

定义了接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性

  1. 数据链路层

负责通过物理层在两台计算机之间无差错地传输数据帧；

允许网络层通过网络连接进行虚拟无差错地传输；

实现点对点的连接

  1. 网络层

负责寻址，将 IP 地址转换为 MAC 地址；

选择合适的路径并转发数据包；

能协调发送、传输及接收设备的能力不平衡

  1. 传输层

保证不同子网的设备间数据包可靠、顺序、无错传输；

实现端到端的连接；

将收到的乱序数据包重新排序，并验证所有的分组是否都已收到

  1. 会话层

向表示层或会话用户提供会话服务；

在两结点间建立、维护和释放面向用户的连接；

对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传送

  1. 表示层

负责不同的数据格式之间进行转换；

负责数据的加密；

负责文件的压缩

  1. 应用层

提供各种网络服务

TCP/IP 参考模型各层次所对应的主要设备和数据单位

OSI 模型各层次对应的关系：

由此可以得出，TCP/IP 参考模型各层次对应的主要设备：

网络设备对应层数
中继器、hub、集线器物理层
网桥、交换机数据链路层
路由器网络层

数据单位：

局域网的体系结构与 IEEE.802 标准

局域网（local area network），简称 LAN，是处于同一建筑、同一大学或者方圆几公里远地域内专用网络。局域网常被用于连接公司办公室或工厂里的个人计算机和工作站，以便共享资源（如打印机）和交换信息

有以下特征：

  1. 网络覆盖范围小

  2. 数据传输速率高，误码率低

  3. 结构简单

局域网的体系结构

拓扑结构

星型拓扑

以中央节点为中心，把若干个外围节点连接起来的辐射是互连结构，中央结点对各设备间的通信和信息交换进行集中控制和管理

优点：

  1. 结构简单，可扩充性强
  2. 故障的检测和隔离方便

缺点：

  1. 需要大量电缆，成本较高
  2. 中央节点产生故障，则全部计算机都无法上网

环型结构

各节点通过一条首尾相连的通信线路连接起来形成一个封闭的环

优点：

  1. 结构简单，建网容易
  2. 能够有效避免冲突：节点一旦发生故障，系统自动旁路。
  3. 一般采用多环结构，可靠性强

缺点：

  1. 环形结构中的网卡等通信部件比较昂贵且管理复杂

总线型拓扑

用一根总线连接个节点的设备。网络中的各界点通过总线进行信息传输。作为总线的通信线路可以是同轴电缆，也可以是光纤等

优点：

  1. 结构简单，实现容易
  2. 易于安装维护

缺点：

  1. 传输介质故障难以排除
  2. 总线故障都会导致全网瘫痪

树形结构

优点：

  1. 易于扩展

  2. 故障隔离方便

缺点：

  1. 根结点发生故障，全网瘫痪

星型环拓扑

优点：

  1. 故障诊断和隔离方便

  2. 易于扩展

  3. 安装电缆方便

缺点：

  1. 需要智能的集中器

  2. 安装不方便

网状拓扑

优点：

  1. 结点间路径多

  2. 可靠性高

  3. 网络扩充比较灵活、简单

缺点：

  1. 网络关系复杂

  2. 建网和网络控制机制复杂

IEEE 802 标准

局域网 IEEE 802 标准：

IEEE 802 系列标准是 IEEE 802 LAN/MAN 标准委会制定的局域网、城域网技术标准。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责

IEEE 802 标准所描述的局域网参考模型只对应 OSI 参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层 LLC 子层和介质访问控制 MAC 子层

数据链路层的编址方式和交换机工作原理

编址方式

数据链路层分为：

  1. 逻辑链路控制层
  2. 介质访问控制层
  3. 物理层

各自动能：

层数名作用
逻辑链路控制层LLC 层负责数据帧的封装和拆除。提供面向连接和非连接的服务
介质访问控制层MAC 层负责控制对传输介质的访问，帧的寻址，识别
物理层以比特流的方式传送数据，物理层识别 0 和 1；定义了接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性

交换机工作原理

以太网交换机（以下简称交换机）是工作在 OSI 参考模型数据链路层的设备，外表和集线器相似。它通过判断数据帧的目的 MAC 地址，从而将帧从合适的端口发送出去。交换机的冲突域仅局限于交换机的一个端口上。例如，一个站点向网络发送数据，集线器将会向所有端口转发，而交换机则通过对帧的识别，只将帧单点转发到目的地址对应的端口，而不是向所有端口转发，从而有效地提高了网络的可利用带宽。以太网交换机实现数据帧的单点转发是通过 MAC 地址的学习和维护更新机制实现的。以太网交换机的主要功能包括 MAC 地址的学习、帧的转发及过滤和避免回路

转发数据帧时遵循的规则(即规则)：

  1. 如果数据帧目的 MAC 地址是广播地址或者组播地址，则向交换机所有端口转发
  2. 如果数据帧的目的地址是单播地址，且这个地址并不在交换机的 MAC 地址表中，也会向所有的端口转发
  3. 如果数据帧的目的地址在交换机的 MAC 地址表中，那么就根据 MAC 地址表转发到响应的端口
  4. 如果数据帧的目的地址与数据帧的源地址在同一个网段上，就会丢弃这个数据帧，交换也不会完成

常用的 MAC 协议、数据链路层 CSMA/CD 的主要原理

常用的 Mac 协议

ARP

ARP：Address Resolution Protocol，地址解析协议

功能：将 IP 地址转换为物理地址(MAC 地址)

RARP

RARP：Reverse Address Resolution Protocal，逆地址解析协议

功能：允许局域网的物理机器从网关服务器的 ARP 表或缓存上请求 IP 地址

ICMP

ICMP是 Internet Control Message Protocol，因特网控制消息协议

功能：用来检测网络，发现路由、阻塞、服务质量等问题

应用实例：

CSMA/CD 主要原理

CSMA/CD 的中文翻译是"带冲突检测的载波监听多路访问"

其工作原理是：

简述工作原理：

工作示意图：

交换机 VLAN 原理与划分方法（掌握）

VLAN 的优点：

  1. 有利于优化网络性能
  2. 提高了网络的安全性
  3. 便于对网络进行管理和控制
  4. 提供了基于第二层的通信优先级服务

VLAN 的组网方式：

原理

传统以太网的冲突域问题——采用了交换机来对网段进行逻辑划分。交换机虽然能解决冲突域问题，却不能克服广播域问题——虚拟局域网的出现

虚拟局域网（VLAN，Virtual Local Area Network）是以局域网交换机为基础，通过交换机软件实现根据功能、部门、应用等因素将设备或用户组成虚拟工作组或逻辑网段的技术

划分方法

实验目的：通过两个交换机的VLAN划分分割同一子网的不同机器。

img

配置方法如下：

  1. 首先配置每台机器的IP地址、子网掩码、网关
主机IP地址子网掩码网关
PC0192.168.1.10255.255.255.0不需要配置
PC1192.168.1.20255.255.255.0
PC2192.168.1.30255.255.255.0
PC3192.168.1.40255.255.255.0

默认情况下四台机器皆能连通

  1. 然后配置交换机

现在要实现 PC0 与 PC2 之间连通，PC1 与 PC3 之间连通，其余机器之间不连通，所以可配置 VLAN 如下：

交换机端口VLAN号
Switch00/010
Switch01/020
Switch10/010
Switch11/020
Switch02/0Trunk
Switch12/0Trunk

数据链路层数据检错与纠错方法、海明距离

提前了解的知识

例如待发送的信息时 101001，生成多项式为 G(x) = x3 + x2 + 1，计算余数和发送的信息(包括冗余码)：

  1. 根据生成式多项式 G(x)，判断冗余位有三位，将待发送的信息补位，变成 101001<u>000</u>(G(x)有多少位在后面就补多少个零)
  2. 101001<u>000</u> 与多项式 G(x) 生成的二进制码(1101) 相除，得到余数 001
  3. 将待发送时的信息补上余数，即是发送的信息 101001<u>001</u>

接收方接受到信息为 101101001，生成多项式为 G(x) = x3 + x2 + 1，判断传输是否误码？

  1. 接受的信息 101101001 与生成多项式 G(x) 生成的二进制码(1101)相除，得到余数
  2. 如果余数补不为 0，则误码

CRC 可以校验是否出错，但是不能校验哪个位置出错了

二进制除法是做异或操作，即相异为真

检错与纠错方法

海明距离

海明距离：两个码字不相同的位的个数

路由器静态路由设置方法（掌握）

设置路由器的路由协议，实现不同子网之间的不同路由传输。

配置方法如下：

  1. 首先配置每台机器和路由器的IP地址、子网掩码、网关
主机IP地址子网掩码网关
PC1192.168.1.10255.255.255.0192.168.1.1
PC2192.168.1.20255.255.255.0192.168.1.1
PC3192.168.2.10255.255.255.0192.168.2.1
PC4192.168.2.20255.255.255.0192.168.2.1
Server0192.168.3.20255.255.255.0192.168.3.1
Router0（0/0）192.168.1.1255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
Router0（2/0）10.0.0.1255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
Router0（3/0）10.0.1.1255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
Router1（0/0）192.168.2.1255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
Router1（2/0）10.0.0.2255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
Router1（3/0）10.0.2.2255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
Router2（0/0）192.168.3.1255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
Router2（2/0）10.0.1.3255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
Router2（3/0）10.0.2.3255.255.255.0通过指令配置或图形界面配置
  1. 配置路由器的静态路由

如果要建立路由之间的连接，例如 router0 的数据包转发到 router1 和 router2，那么需要对 router0 添加静态路由：

考试根据题意记得把来回都写上，这里只是单向的一个例子

网络拓扑连接线的选择方式

告诉一个拓扑结构，来判断设备怎么处理

IP 数据包的主要字段含义与应用（掌握）

IP 地址结构

IP 数据包分段与重组（掌握）

IP 数据包

各段作用：

段名所占 bit作用
版本号4 bit指定 IP 协议版本(IPv4 还是 IPv6)
首部长度4 bit以 32 位(4B)长度为单位，不足需填充，最大长度是 60 字节。固定长度 20 字节
服务类型8 bit为了获得更好的服务，但至今被没用过
总长度16 bit首部和数据之和的长度，因此理论上数据报的最大长度为2^16-1=65535字节，总长度不能超过最大传送单元 MTU
标识16 bit让目的主机判断新来的分段属于哪个分组（分割段），所有属于同一分组的分段包含同样的标志值
标志3 bit用来标志是否所有分段都已到达，用于由于网络最大分组不一致引起的分割段过程
分段偏移13 bit较长数组在分片后某片在原分组中的相对位置
生命期8 bitTTL(Time To Live)
协议8 bit指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP 层将数据部分上交给哪个处理过程
报头检验和16 bit只检验数据报的首部，不包括数据部分
源地址4 bit
目的地址4 bit
选择项主要用于网络测试或调试，包括安全性、严格的路由选择、松散的源路由选择、记录路由、时间标记等

1 bit = 8 Byte

1 Byte = 8 位

IP 数据包的分段

在最终的目的主机上将接收到的所有分片进行重新组装的过程就是 IP 数据报重组

根据不同协议的 MTU 判断 Length 的最大长度

协议MTU/字节
令牌环(16Mbps)17914
令牌环(4Mbps)4464
FDDI4352
以太网(主要)1500
X.25576
PPP296

TCP/IP 模型各层使用的主要协议，各种常用网络协议所处的层次结构

IPv4/6 地址长度、网关地址、子网掩码的概念与应用（掌握）

IPv4/6 的值长度

ipv4的地址是32位，ipv6 的地址是128位

网关地址

连接两个不同的网络的设备都可以叫网关设备；网关的作用就是实现两个网络之间进行通讯与控制。

网关设备可以是 交互机（三层及以上才能跨网络）、路由器、启用了路由协议的服务器、代理服务器、防火墙等

网关地址就是网关设备的IP地址，用于实现不同网段设备之间的通讯

子网掩码

子网掩码(subnetmask)通常与 IP 地址配对出现，其功能是告知主机或路由设备，IP 地址的哪一部分代表网络号部分，哪一部分代表主机号部分

IP 地址分类（A/B/C、私有地址）、个数与子网划分方法（掌握）

IP 地址为了适应不同规模的网络，将 IP 地址分类形成有类地址

IP 地址分类

IP 地址类别适用范围表示地址表示
A 类地址拥有大量主机的网络编址8bit 网络位，24bit 主机位1.x.x.x - 127.x.x.x
B 类地址中等规模的网络编织16bit 网络位，16bit 主机位128.0.x.x - 191.255.x.x
C 类地址小型局域网编址24bit 网络位，8bit 主机位192.0.0.x - 223.255.255.x
D 类地址提供网络组播服务或作为网络测试
E 类地址实验地址，保留给未来扩充使用

IP 地址个数

地址数个数
A 类地址网络数：127，主机数：2^24 - 2
B 类地址网络数：2^14，主机数：2^16 - 2
C 类地址网络数：2^21，主机数：2^8 - 2

网络表示不能出现全 0 或全 1 的状态；

主机标识不能出现全 0 或全 1 的状态

子网划分方法

当网络中的主机总数未超出所给定的某类网络可容纳的最大主机数，但内部又要划分成若干个分段（segment）进行管理时，就可以采用子网划分的方法

在划分子网时应遵循以下的基本规则：

  1. 同一个局域网上的 IP 主机，特别指出：在同一广播域内应该使用同一 IP 子网内的 IP 地址

  2. 通过点到点的租用线路直连的两个路由器接口地址应该在相同的 IP 子网内

  3. 被至少一台路由器分割开的不同局域网的主机，应该使用不同 IP 子网内的 IP 地址

  4. 互联网内的 IP 地址应该是唯一的

子网 IP 地址格式：

例如 C 类网络进行子网划分后的子网掩码：

划分位数子网掩码
2255.255.255.192(<u>11</u>000000)
3255.255.255.224(<u>111</u>00000)
4255.255.255.240(<u>1111</u>0000)
5255.255.255.248(<u>11111</u>000)
6255.255.255.252(<u>111111</u>00)

例题：

学校新建5个机房，每个房间有30台机器，如果给定一C类网络地址：192.168.1.0，问如何将其划分为5个子网，子网掩码该如何设置

  1. 5 个机房，则划分的主机位数 m 满足 2^m >= 5，每个房间有 30 台机器，则满足 2 ^(8-m) - 2 >= 30，得 m = 3
  2. 得出答案：
机房号子网掩码IP地址范围
机房1255.255.255.224192.168.1.1 ~ 192.168.1.30
机房2255.255.255.224192.168.1.33 ~ 192.168.1.62
机房3255.255.255.224192.168.1.65 ~ 192.168.1.94
机房4255.255.255.224192.168.1.97 ~ 192.168.1.126
机房5255.255.255.224192.168.1.129 ~ 192.168.1.158

最短路径 Dijsktra 算法和距离矢量路由算法的原理（掌握）

Dijsktra 算法

贪心算法

距离矢量算法

传输层的两种主要协议（TCP/UDP）

传输层是 TCP/IP 网络体系结构中至关重要的一层，它的主要作用就是保证端对端数据传输的可靠性。在 IP 互联网中,传输控制协议(TCP, Transport Control Protocol)和用户数据报协议(UDP, User Datagram Protocol)是传输层最重要的两种协议，它们为上层用户提供不同级别的通信可靠性

传输层的端到端通信编址方式

计算机中的不同进程可能同时进行通信，这时不同进程之间的通信可以通过网络地址和端口号的组合达到唯一标识目的，即套接字（Socket）

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端口的作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给传输层，以及让传输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。

常用的网络数据传输协议及对应的 TCP/IP 模型层次

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TCP 建立连接与释放连接的三次握手过程