计算机网络知识点复习

网络广播与路由

一、广播类型区分 1. 二层广播（数据链路层）
• MAC地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF

• 作用范围：仅在同一局域网（LAN）内泛洪，交换机/网桥会转发到所有端口（除接收端口外）。

• 示例：ARP请求、DHCP发现阶段。

  1. 三层广播（网络层）
    • IP地址：255.255.255.255（受限广播）或子网广播地址（如192.168.1.255/24）。

    • 作用范围：

    ◦ 255.255.255.255：仅当前子网（路由器不转发）。

    ◦ 子网广播地址：目标子网内的所有主机。

    • 示例：DHCP请求（客户端初始无IP时用255.255.255.255）。

二、大题考点解析 1. 子网划分与IP地址分配
• 题目示例：给定子网号（如192.168.1.0/24），要求：

• （1）写出某主机的IP地址（如192.168.1.10）。

• （2）判断是否属于同一子网：比较目标IP和子网掩码的网络部分。

• 关键公式：

• 网络地址 = IP地址 AND 子网掩码

• 广播地址 = 网络地址 OR (NOT 子网掩码)

2. 拓扑结构与最短路径
• 方法：

• OSPF/Dijkstra算法：基于链路带宽计算最短路径（代价=参考带宽/实际带宽）。

第一章：Internet基础概念

  1. Internet的定义
    • 英文：A global network of interconnected networks using TCP/IP protocols.

    • 中文：基于TCP/IP协议的全球互联网络集合。

    • 关键特性：

    ◦ 分层架构（应用层、传输层、网络层等）。

    ◦ 无中心控制（分布式管理）。

  2. 吞吐量（Throughput）
    • 定义：一条链路的实际数据传输速率，取决于最小带宽的链路（瓶颈链路）。

    • 示例：若路径有3段链路（100Mbps、1Gbps、10Mbps），吞吐量=10Mbps。

第二章：Internet服务与协议

2.1 Internet的“尽力而为”服务 • 为什么无保障？

• 英文：Internet provides best-effort service (no guarantees on delivery, timing, or order).

• 中文：不保证数据包必达、时序或顺序（对比ATM的QoS保障）。

• 反例ATM：提供带宽、延迟、丢包率等服务质量（QoS）保证。

2.1.3 运输层服务要求 • 四大核心需求：

  1. 可靠性（Reliability）：TCP提供，UDP不提供。
  2. 吞吐量（Throughput）：TCP/UDP均不保障（应用层自适应）。
  3. 定时（Timing）：TCP/UDP均不保障。
  4. 安全性（Security）：需TLS/SSL等额外协议。
    • TCP vs UDP：
特性 TCP UDP
可靠性 ✅（重传、确认） ❌
流量控制 ✅（滑动窗口） ❌
吞吐量/定时保障 ❌ ❌

2.4 电子邮件协议 • SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：

• 功能：用于推送邮件（客户端→服务器，或服务器间传输）。

• 端口：25（明文）或 465/587（加密）。

• POP3/IMAP：

• POP3：下载邮件到本地后删除服务器副本（端口110/995）。

• IMAP：在服务器管理邮件（端口143/993）。

2.5 DNS（域名系统）分类 1. 递归查询：客户端→本地DNS→根DNS→...→返回结果。
2. 迭代查询：本地DNS依次向根DNS、顶级DNS等查询。
3. 记录类型：
• A记录：域名→IPv4。

• AAAA记录：域名→IPv6。

• MX记录：邮件服务器地址。

2.7 TCP三次握手（重点） • 发生时机：建立TCP连接时（如HTTP请求前）。

• 过程：

  1. SYN：客户端发送ISN（初始序列号）。
  2. SYN-ACK：服务器确认并发送自己的ISN。
  3. ACK：客户端确认，连接建立。

高频考题速记 1. 吞吐量计算：吞吐量 = min(链路1带宽, 链路2带宽, ...)。
2. SMTP vs POP3/IMAP：
• SMTP只管“发”，POP3/IMAP只管“收”。

  1. DNS递归查询：本地DNS代劳所有查询；迭代查询需客户端逐步请求。
  2. TCP三次握手：SYN → SYN-ACK → ACK（序列号+1确认）。

第三章：运输层核心知识点详解

一、状态转换图（图3-52） TCP连接状态机
• 关键状态：

  1. CLOSED → SYN_SENT（客户端发起连接，发送SYN）
  2. SYN_RCVD（服务器收到SYN，回复SYN-ACK）
  3. ESTABLISHED（三次握手完成，数据传输）
  4. FIN_WAIT_1/2（主动关闭方发送FIN）
  5. TIME_WAIT（等待2MSL，确保最后一个ACK到达）

示例场景：
• 客户端主动关闭：

ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED

二、校验和（Checksum）计算 步骤：
1. 数据分组：将数据按16位（2字节）分段，不足则补零。
2. 求和：所有分段相加（二进制求和）。
3. 溢出回卷：若结果超过16位，将高位溢出加到低位（循环进位）。
4. 取反：对最终和取反码，得到校验和。

示例：
• 数据：0x4500 + 0x0030 + 0x0000 → 和为 0x4530 → 校验和 = ~0x4530 = 0xBACF

三、拥塞控制 vs 流量控制 | 特性 | 拥塞控制 | 流量控制 | | -------- | ------------------------------- | ------------------------------- | | 触发位置 | 路由器缓存溢出（网络层） | 接收方缓冲区满（运输层） | | 目标 | 避免全局网络过载 | 匹配发送速率与接收能力 | | 实现机制 | 慢启动、拥塞避免、快重传/快恢复 | 滑动窗口（通过ACK中的窗口字段） |

关键算法：
• 拥塞控制：

• 慢启动：窗口从1开始指数增长。

• 拥塞避免：窗口线性增长（阈值后）。

• 快重传：收到3个重复ACK立即重传。

• 流量控制：

• 接收方通过rwnd（接收窗口）字段限制发送方窗口大小。

四、多路复用与多路分解 1. 多路复用（Multiplexing）：
• 发送端将多个应用进程的数据合并到一个运输层报文段中（通过端口号区分）。

• 示例：HTTP（80）和SMTP（25）数据通过同一TCP连接发送。

  1. 多路分解（Demultiplexing）：
    • 接收端根据端口号将数据分发到正确的应用进程。

封装（Encapsulation）：
• 链路层称为成帧（Framing）：添加帧头（MAC地址）和帧尾（FCS校验）。

• 层次关系：

1
应用数据 → TCP/UDP段 → IP包 → 数据帧

五、高频考点总结 1. 校验和计算：求和→溢出回卷→取反。
2. 拥塞控制：关注网络全局状态（路由器缓存），通过窗口调整速率。
3. 流量控制：关注接收方缓冲区，通过rwnd动态调整。
4. 多路复用/分解：端口号是核心标识符。

第四章：网络层核心知识点详解

一、IP数据报校验机制 4.4.1 首部校验和（Header Checksum）
• 为什么双重校验？

• IP层校验：仅验证头部完整性（如TTL、源/目标IP），防止因路由器硬件错误导致路由混乱。

• TCP层校验：覆盖整个数据+TCP头，确保端到端数据传输无误。

• 分工：IP校验保护路由正确性，TCP校验保护数据可靠性。

IPv6改进：
• 取消首部校验和：依赖数据链路层和传输层（TCP/UDP）校验，减少路由器计算开销。

• 地址长度：128位（IPv4为32位），地址空间扩大 (2^{96}) 倍。

二、路由算法分类 4.5 全局 vs 分布式路由算法
| 类型 | 算法代表 | 特点 | | -------------- | ------------------- | -------------------------------------- | | 全局（集中式） | Dijkstra（OSPF） | 所有路由器掌握完整拓扑，计算最优路径。 | | 分布式 | Bellman-Ford（RIP） | 邻居间交换路由表，迭代收敛。 |

关键区别：
• 全局算法：需要全局信息，适合稳定网络（如OSPF）。

• 分布式算法：适应动态网络，但可能收敛慢（如RIP）。

三、广播域与冲突域（4.6）

  1. 广播类型对比：
    | 层级 | 广播类型 | 地址形式 | 设备隔离能力 | | ---- | ---------- | ------------------- | -------------------------- | | 二层 | MAC广播 | FF-FF-FF-FF-FF-FF | 路由器隔离，交换机不隔离。 | | 三层 | IP受限广播 | 255.255.255.255 | 路由器默认不转发。 |

  2. 设备作用：
    • 路由器：隔离广播域（二层和三层广播）。

    • 交换机：隔离冲突域（因点对点通信），但泛洪广播帧。

四、NAT与DHCP（重点） 1. NAT（网络地址转换）
• 功能：将私有IP（如192.168.1.10）映射为公有IP（如203.0.113.5）。

• 类型：

• 静态NAT：一对一固定映射。

• 动态NAT：从地址池分配临时公有IP。

• PAT（端口复用）：多私有IP共享单一公有IP，通过端口号区分。

  1. DHCP（动态主机配置协议）
    • 四个步骤（基于UDP协议）：

  2. DISCOVER：客户端广播寻找DHCP服务器（0.0.0.0:68 → 255.255.255.255:67）。

  3. OFFER：服务器回应可用IP（单播/广播）。

  4. REQUEST：客户端确认选择IP。

  5. ACK：服务器最终分配IP（含子网掩码、网关等）。

五、子网划分核心要点

  1. 子网号计算：
    • 公式：网络地址 = IP地址 AND 子网掩码

    • 示例：

    ◦ IP：192.168.1.100，掩码：255.255.255.0 → 网络地址：192.168.1.0。

  2. 子网操作：
    • 借用主机位：如/24 → /26，划分4个子网（每个子网62主机）。

    • 广播地址：子网最后一个IP（如192.168.1.63/26）。

高频考点总结 1. IPv6：128位地址，取消首部校验和。
2. 路由算法：
• OSPF（全局） vs RIP（分布式）。

  1. 广播隔离：
    • 路由器隔离所有广播，交换机仅隔离冲突域。

  2. NAT/DHCP：
    • NAT解决IP短缺，DHCP自动分配IP（UDP端口67/68）。

  3. 子网划分：
    • 重点掌握网络地址、广播地址、可用主机范围计算。

第四章：网络层核心知识点详解

一、IP数据报校验机制 4.4.1 首部校验和（Header Checksum）
• 为什么双重校验？

• IP层校验：仅验证头部完整性（如TTL、源/目标IP），防止因路由器硬件错误导致路由混乱。

• TCP层校验：覆盖整个数据+TCP头，确保端到端数据传输无误。

• 分工：IP校验保护路由正确性，TCP校验保护数据可靠性。

IPv6改进：
• 取消首部校验和：依赖数据链路层和传输层（TCP/UDP）校验，减少路由器计算开销。

• 地址长度：128位（IPv4为32位），地址空间扩大 (2^{96}) 倍。

二、路由算法分类 4.5 全局 vs 分布式路由算法
| 类型 | 算法代表 | 特点 |
|------------------|-------------------|-----------------------------------|
| 全局（集中式） | Dijkstra（OSPF） | 所有路由器掌握完整拓扑，计算最优路径。 |
| 分布式 | Bellman-Ford（RIP） | 邻居间交换路由表，迭代收敛。 |

关键区别：
• 全局算法：需要全局信息，适合稳定网络（如OSPF）。

• 分布式算法：适应动态网络，但可能收敛慢（如RIP）。

三、广播域与冲突域（4.6） 1. 广播类型对比：
| 层级 | 广播类型 | 地址形式 | 设备隔离能力 |
|-----------|--------------------|---------------------------|--------------------------|
| 二层 | MAC广播 | FF-FF-FF-FF-FF-FF | 路由器隔离，交换机不隔离。|
| 三层 | IP受限广播 | 255.255.255.255 | 路由器默认不转发。 |

  1. 设备作用：
    • 路由器：隔离广播域（二层和三层广播）。

    • 交换机：隔离冲突域（因点对点通信），但泛洪广播帧。

四、NAT与DHCP（重点） 1. NAT（网络地址转换）
• 功能：将私有IP（如192.168.1.10）映射为公有IP（如203.0.113.5）。

• 类型：

• 静态NAT：一对一固定映射。

• 动态NAT：从地址池分配临时公有IP。

• PAT（端口复用）：多私有IP共享单一公有IP，通过端口号区分。

  1. DHCP（动态主机配置协议）
    • 四个步骤（基于UDP协议）：

DISCOVER：客户端广播寻找DHCP服务器（0.0.0.0:68 → 255.255.255.255:67）。

OFFER：服务器回应可用IP（单播/广播）。

REQUEST：客户端确认选择IP。

ACK：服务器最终分配IP（含子网掩码、网关等）。

五、子网划分核心要点 1. 子网号计算：
• 公式：网络地址 = IP地址 AND 子网掩码

• 示例：

 ◦ IP：`192.168.1.100`，掩码：`255.255.255.0` → 网络地址：`192.168.1.0`。

  1. 子网操作：
    • 借用主机位：如/24 → /26，划分4个子网（每个子网62主机）。

    • 广播地址：子网最后一个IP（如192.168.1.63/26）。

高频考点总结 1. IPv6：128位地址，取消首部校验和。
2. 路由算法：
• OSPF（全局） vs RIP（分布式）。

  1. 广播隔离：
    • 路由器隔离所有广播，交换机仅隔离冲突域。

  2. NAT/DHCP：
    • NAT解决IP短缺，DHCP自动分配IP（UDP端口67/68）。

  3. 子网划分：
    • 重点掌握网络地址、广播地址、可用主机范围计算。

第五章：链路层核心知识点详解

一、多路访问协议分类 1. 共享信道协议（可能冲突）
• 以太网（Ethernet）：

• 冲突风险：多个设备同时发送数据时可能冲突（需CSMA/CD解决）。

• CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）：

◦ 步骤：先监听信道空闲→发送数据，若检测到冲突→立即停止并随机退避后重试。  

◦ 适用场景：传统半双工以太网（现代全双工以太网无需）。

• 轮询协议（Polling）：

• 主设备控制：主节点轮流询问从设备是否发送数据，无冲突但效率低。

  1. 非共享信道协议（无冲突）
    • PDM（时分复用）：每个设备分配固定时间片。

• FDM（频分复用）：每个设备分配不同频率。

• 特点：信道被物理/逻辑分割，无竞争，但资源利用率低。

二、PPP协议（Point-to-Point Protocol） • 作用：用于点对点链路（如拨号、路由器直连）。

• 功能：

  1. 封装：支持多种网络层协议（IP/IPX）。
  2. 认证：PAP（明文密码）或CHAP（加密挑战）。
  3. 链路控制：建立、维护和断开连接。
    • 帧格式：

1
| Flag | Address | Control | Protocol | Data | FCS | Flag |
• Flag：定界符（0x7E）。

• FCS：帧校验序列（类似以太网CRC）。

三、交换机工作原理 1. 自学习（Self-Learning）
• 步骤：

  1. 学习源MAC：收到帧时，记录源MAC和进入端口到转发表。

  2. 转发决策：
    ◦ 目标MAC已知→转发到对应端口。

    ◦ 目标MAC未知→泛洪（广播到所有端口，除接收端口）。

• 示例：

• 主机A从端口1发送帧到主机B（MAC未知）→ 交换机记录MAC_A: Port 1并泛洪。

• 主机B回复→ 交换机记录MAC_B: Port 2，后续通信直接转发。

  1. 特点
    • 隔离冲突域：每个端口独立冲突域（全双工下无冲突）。

• 不隔离广播域：广播帧仍会泛洪（需路由器隔离）。

四、高频考点总结 1. 多路访问协议：
• 冲突协议：以太网（CSMA/CD）。

• 无冲突协议：轮询、PDM、FDM。

  1. PPP协议：点对点链路，支持认证和多种网络协议。

  2. 交换机：
    • 自学习生成转发表，隔离冲突域但不隔离广播域。

    • 转发规则：已知MAC→定向转发；未知MAC→泛洪。