6.19

第1章 计算机网络概述
1.1 计算机网络的定义与组成
定义：计算机网络是将分布在不同地理位置、具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，在网络操作系统和通信协议的管理下，实现数据通信和资源共享的系统。

组成（从组成角度看）：

硬件：主机（端系统）、通信链路（双绞线、光纤、微波等）、交换设备（路由器、交换机）

软件：网络操作系统、应用软件

协议：通信双方必须遵循的规则和约定

组成（从工作方式角度看）：

边缘部分：所有连接在网络上的主机，直接面向用户

核心部分：由路由器和网络构成，为边缘部分提供连通性和交换服务

1.2 三种交换方式
交换方式 特点 优点 缺点
电路交换 面向连接，需建立专用物理通路 实时性好，无额外延迟 线路利用率低，建立时间长
报文交换 存储转发，整份报文转发 线路利用率高 时延长，需要大缓存
分组交换 存储转发，将报文分成更小的分组 时延小，灵活性高 需要额外的分组头信息
分组交换是当今互联网的核心交换方式。

1.3 网络协议的三要素
语法：数据与控制信息的结构或格式

语义：需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种响应

同步：事件实现顺序的详细说明

1.4 网络体系结构
OSI/RM七层模型（从下到上）：物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 运输层 → 会话层 → 表示层 → 应用层

TCP/IP四层模型：网络接口层 → 网际层 → 运输层 → 应用层

五层协议体系结构（学习中最常用）：物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 运输层 → 应用层

各层协议数据单元（PDU）：

应用层：报文（Message）

运输层：报文段（Segment）——TCP / 用户数据报（Datagram）——UDP

网络层：数据报（Datagram）/ 分组（Packet）

数据链路层：帧（Frame）

物理层：比特（Bit）

封装：数据从应用层向下传递时，每层在数据前添加自己的首部（有的层还添加尾部），形成新的协议数据单元。

1.5 主要性能指标
速率：数据的传输速率，单位bit/s（bps）

带宽：网络通信线路所能传输数据的能力

吞吐量：单位时间内通过网络的实际数据量

时延：

发送时延 = 数据长度 / 发送速率

传播时延 = 信道长度 / 电磁波传播速率

处理时延：路由器处理分组的时间

排队时延：分组在路由器队列中等待转发的时间

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽，表示链路中正在传输的比特数

往返时间RTT：从发送方发送数据到收到确认所需的时间

第2章 物理层
2.1 物理层的基本概念
物理层解决的是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体本身。

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的四大特性——

特性 说明
机械特性 接口接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
电气特性 接口电缆各条线上出现的电压范围
功能特性 某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
过程特性（规程特性） 对不同功能的各种可能事件的出现顺序
2.2 数据通信的基础知识
数据通信系统的三大部分：

源系统（发送端）：源点（产生数据）→ 发送器（编码/调制）

传输系统（传输网络）

目的系统（接收端）：接收器（解码/解调）→ 终点（处理数据）

基本术语：

数据：运送信息的实体，通常是有意义的符号序列

信号：数据的电气或电磁表现，分为模拟信号（连续）和数字信号（离散）

码元：代表不同离散数值的基本波形

信道：向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路通常包含发送信道和接收信道

三种通信方式：

单工通信：只能有一个方向的通信（如电视广播）

半双工通信：双方都可以发送信息，但不能同时发送

全双工通信：双方可以同时发送和接收信息

2.3 编码与调制
基带信号与带通信号：

基带信号：来自信源的原始信号

带通信号：将基带信号进行载波调制后，搬移到较高频段的信号

常用编码方式：

不归零制：正电平代表1，负电平代表0

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

曼彻斯特编码：位周期中心的跳变代表数据（向上跳变代表0，向下跳变代表1，可反向定义）

差分曼彻斯特编码：通过位周期开始时的电平是否变化来表示数据，抗干扰性能优于曼彻斯特编码

2.4 信道极限容量
奈氏准则（Nyquist）：在理想（无噪声）信道条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率存在上限值。

香农公式（Shannon）：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率：

C = W · log₂(1 + S/N)

其中W为信道带宽（Hz），S为信号平均功率，N为噪声平均功率。信道的带宽或信噪比越大，极限传输速率就越高。

2.5 传输介质
导引型传输介质：

双绞线：最常用，分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）

同轴电缆：抗干扰能力强

光纤：传输距离远、速率高、抗干扰性强

非导引型传输介质：

无线电波、微波、红外线等

2.6 信道复用技术
频分复用FDM：所有用户在同一时间占用不同的频率带宽资源

时分复用TDM：将时间划分为等长的帧，每个用户占用固定序号的时隙

波分复用WDM：光的频分复用

码分复用CDM（码分多址CDMA）：不同用户使用不同的码型，可在同一时间同一频率上通信

第3章 数据链路层
3.1 数据链路层概述
数据链路层负责在相邻节点之间可靠地传输数据帧。

核心功能：

将物理层可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路

将网络层下发的IP数据报封装成帧

提供流量控制和差错控制

三个基本问题：

封装成帧：在数据前后添加首部和尾部来界定帧的边界

透明传输：数据中若出现与帧界定符相同的比特组合，能正确传输

差错控制：检测并处理传输错误

3.2 封装成帧与透明传输
封装成帧：在数据前后分别添加帧首部和帧尾部，构成完整的数据帧。

透明传输的实现：

字符填充法：在数据中与帧首部/尾部相同的数据前插入转义字符，接收端遇到转义字符时将其后的数据视为帧数据而非界定符。

零比特填充法：发送端扫描数据，发现连续的5个1就在后面加一个0，接收端遇到连续的5个1就将后面的0删除。

3.3 差错控制
循环冗余检验CRC：数据链路层最常用的检错技术。

发送端在数据后添加冗余码（帧检验序列FCS）

接收端用相同的生成多项式进行除法检验

能检测出大多数错误，但不能纠错（需重传）

3.4 流量控制与可靠传输
停止-等待协议：发送方发送一个分组后停止，等待接收方的确认后再发送下一个。

滑动窗口协议：

后退N帧协议GBN（Go-Back-N）：发送方可连续发送多个帧，接收方只接收按序到达的帧，出错则从出错处开始全部重传。

选择重传协议SR（Selective Repeat）：独立确认和缓存每个分组，只重传出错的分组，效率更高。

3.5 介质访问控制
CSMA/CD协议（载波监听多点接入/碰撞检测）：以太网的核心协议。

核心原则："先听后说，边听边说，冲突停发，随机重发"

适用于总线型以太网

检测到冲突后立即停止发送，等待随机时间后重试

3.6 以太网与MAC地址
MAC地址：48位物理地址，全球唯一，固化在网络适配器（网卡）中。

网卡：实现了数据链路层和物理层两层的功能。

网桥与交换机：

透明网桥：工作在数据链路层，通过自学习算法建立MAC地址转发表

交换机：多端口网桥，功能更强，能隔离冲突域

第4章 网络层
4.1 网络层概述
网络层为不同主机之间提供逻辑通信服务。

两大核心功能：

路由选择（Routing）：确定数据从源主机到目的主机经过的路径

分组转发（Forwarding）：将数据从输入端口转发到合适的输出端口

两种服务模型：

虚电路服务：面向连接，数据传输前需建立连接，所有分组沿同一路径传输

数据报服务：无连接，每个分组独立选择路径转发

4.2 IP地址（IPv4）
基本格式：32位地址，采用点分十进制表示（如192.168.1.1）

无分类编址CIDR：消除了传统的A、B、C类地址划分，采用"网络前缀 + 主机号"的方式。

特殊IP地址：

网络号全0：表示本网络

主机号全0：表示网络地址

主机号全1：表示广播地址

127.x.x.x：环回地址（用于本机测试）

4.3 IP数据报
首部结构（固定20字节 + 可选字段）：

版本：IPv4或IPv6

首部长度：以4字节为单位

服务类型：区分服务

总长度：首部+数据的总长度

标识、标志、片偏移：用于分片和重组

生存时间TTL：每经过一个路由器减1，防止无限循环

协议：指示上层协议（TCP=6，UDP=17，ICMP=1）

首部检验和：只校验首部

源IP地址、目的IP地址

分片：当IP数据报长度超过网络的MTU（最大传输单元）时，需要分成多个较小的数据报片进行传输。

4.4 ARP协议（地址解析协议）
功能：将IP地址解析为对应的MAC地址。

工作过程：

发送主机在本地ARP缓存中查找目标IP对应的MAC地址

若未找到，发送ARP请求广播（目标MAC为FF-FF-FF-FF-FF-FF）

目标主机收到请求后回复ARP应答（单播）

发送主机将解析结果存入ARP缓存

4.5 ICMP协议（因特网控制报文协议）
功能：传递差错报告和控制信息。

典型应用：

Ping：测试网络连通性，使用ICMP回送请求和回送应答

Traceroute：跟踪数据报经过的路由路径

4.6 路由选择协议
RIP（路由信息协议）：

基于距离向量算法

以跳数作为度量标准（最大15跳）

适用于小型网络

每30秒广播一次路由表

OSPF（开放最短路径优先）：

基于链路状态算法

使用Dijkstra最短路径算法计算路由

适用于大型网络

收敛速度快

4.7 VPN与NAT
VPN（虚拟专用网）：通过隧道技术在公共网络上构建专用的、安全的虚拟网络。

NAT（网络地址转换）：

将私有IP地址转换为公网IP地址

解决了IPv4地址短缺问题

实现了内网对外网的访问（但外网无法主动访问内网）

4.8 IPv6
特点：

128位地址，采用冒号十六进制表示

从根本上解决了IPv4地址枯竭问题

简化了首部格式

支持即插即用（无需DHCP）

内置IPsec安全支持

第5章 运输层
5.1 运输层概述
运输层为不同主机上的应用进程之间提供逻辑通信服务。

核心功能：

多路复用：多个应用的数据通过不同端口共享同一个网络接口

多路分解：通过IP地址+端口号将接收到的数据分发到对应的应用进程

两种协议对比：

特性 UDP TCP
面向连接 否 是
可靠性 尽力而为，不保证 可靠传输
流量控制 无 有（滑动窗口）
拥塞控制 无 有
适用场景 DNS、视频流、实时应用 HTTP、SMTP、文件传输
5.2 UDP协议（用户数据报协议）
特点：

无连接，无状态

开销小，传输快

报文段可能丢失或乱序，无自动重传

首部仅8字节

UDP首部格式：

源端口号（16位）

目的端口号（16位）

长度（16位）：整个报文段长度

校验和（16位）：差错检测

5.3 可靠数据传输原理（rdt）
rdt协议演进：

版本 解决的问题 机制
rdt1.0 信道可靠 无需校验
rdt2.x 比特差错 加入ACK/NAK确认
rdt3.0 丢包问题 加入超时重传
5.4 TCP协议（传输控制协议）
TCP报文段结构：

字段 说明
源端口号 发送方应用进程端口
目的端口号 接收方应用进程端口
序号（Seq） 当前数据流中首字节的编号
确认号（Ack） 期望收到的下一个字节编号
数据偏移 首部长度
标志位 SYN、ACK、FIN、RST、PSH、URG
窗口大小 接收方当前可接收的数据量（流量控制）
校验和 差错检测
紧急指针 紧急数据的结束位置
TCP连接管理：

三次握手（建立连接）：SYN → SYN+ACK → ACK

四次挥手（释放连接）：FIN → ACK → FIN → ACK

TCP流量控制：接收方通过rwnd（接收窗口） 通知发送方可接收的数据量，防止接收方缓存溢出。

TCP拥塞控制（四种算法）：

慢开始：拥塞窗口从1开始，每收到一个ACK指数增长

拥塞避免：达到慢开始门限后，窗口线性增长

快重传：收到3个重复ACK立即重传，无需等待超时

快恢复：将慢开始门限减半后进入拥塞避免

TCP定时与重传：

RTT估算：EstimatedRTT = (1-α) × EstimatedRTT + α × SampleRTT

超时计算：TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 × DevRTT

重传触发条件：超时 或 快速重传（连续3个相同ACK）

第6章 应用层
6.1 应用层概述
应用层是计算机网络体系结构的最顶层，直接面向用户，提供各种网络服务和应用程序的接口。

两种体系结构：

C/S模型（客户端-服务器）：服务器7×24小时提供服务，IP固定；客户端间歇性接入，发起请求

P2P模型（对等方）：每个节点既可做客户端也可做服务器，节点间直接通信

6.2 进程通信与套接字
进程标识：进程的标识符 = IP地址 + 端口号

套接字（Socket）：应用进程与运输层之间的软件接口，是进程通信的"门"。

6.3 DNS（域名系统）
功能：将域名解析为IP地址的分布式数据库。

两种查询方式：

递归查询：本地DNS服务器代为向其他DNS服务器查询，直到得到最终结果

迭代查询：本地DNS服务器依次向各级DNS服务器查询，各服务器返回下一级服务器的地址

6.4 HTTP（超文本传输协议）
HTTP概述：

Web应用使用C/S通信方式

客户端（浏览器）发送HTTP请求，服务器返回HTTP响应

URL格式：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>

HTTP连接方式：

非持久连接：每个对象单独建立TCP连接（HTTP/1.0）

持久连接：多个对象共用同一TCP连接（HTTP/1.1）

HTTP报文格式：

请求报文：请求行（方法+URL+版本）→ 首部行 → 实体主体

响应报文：状态行（版本+状态码+短语）→ 首部行 → 实体主体

常见状态码：200 OK、301 Moved Permanently、302 Found、304 Not Modified、404 Not Found、500 Internal Server Error

Cookie与Web缓存：

Cookie：在客户端存储少量信息，用于会话跟踪

Web缓存（代理服务器）：缓存Web对象副本，减少访问延迟和带宽消耗

6.5 FTP（文件传输协议）
特点：使用两个TCP连接：

控制连接（端口21）：传送命令

数据连接（端口20）：传送数据

带外控制：控制信息与数据信息使用不同的连接传输。

6.6 电子邮件协议
电子邮件系统组成：用户代理 → 邮件服务器 → 邮件服务器 → 用户代理

三个核心协议：

SMTP（简单邮件传输协议）：用于发送邮件

POP3（邮局协议第3版）：用于接收邮件（下载后删除服务器端副本）

IMAP（因特网邮件访问协议）：功能更强大，可在服务器端管理邮件

6.7 DHCP（动态主机配置协议）
功能：自动为网络中的主机分配IP地址（包括IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器等），简化网络管理。

第7章 网络安全
7.1 网络安全概述
网络安全的目标：

保密性：信息不被未授权者访问

完整性：信息在传输和存储过程中不被篡改

可用性：合法用户能够正常访问资源

网络安全威胁：

被动攻击：窃听、流量分析（不破坏数据）

主动攻击：篡改、伪造、拒绝服务DoS、分布式拒绝服务DDoS

7.2 密码体制
对称密钥密码体制：

加密和解密使用相同密钥

代表算法：DES、AES

优点：加密速度快

缺点：密钥分发困难

公钥密码体制（非对称）：

加密和解密使用不同密钥（公钥 + 私钥）

代表算法：RSA

优点：密钥分发容易

缺点：加密速度慢

7.3 数字签名与身份认证
数字签名：

发送方用私钥对信息签名

接收方用发送方公钥验证签名

提供不可否认性（发送方无法否认发送过该信息）

身份认证：验证通信双方的真实身份，防止假冒。

7.4 网络安全协议
SSL/TLS（安全套接层/传输层安全）：

保障Web通信安全（HTTPS基于TLS）

提供加密、认证和完整性保护

IPsec：

保障IP层的安全

广泛用于VPN（虚拟专用网）

7.5 防火墙
功能：位于内部网络与外部网络之间的安全设备，根据预设规则过滤进出网络的数据包，阻止非法访问。

防火墙类型：

包过滤防火墙：基于IP地址、端口号等过滤

应用层网关（代理防火墙）：在应用层进行更细粒度的控制