计网期末预习笔记

概述

1. 绪论

1. 数据通信的概念及模型

   五个组成部分：报文、发送方、接收方、传输介质、协议

2. 数据流：单工、半双工、全双工

3. 连接类型和拓扑结构

   1. 连接类型：点到点、多点
   2. 拓扑结构：网状、星型、总线、环状
4. 网络分类：局域网、广域网、城域网

5. 协议和标准

   1. 语法：格式
   2. 语义：解释含义，进行的操作
   3. 格式：报文发送的时间、次序

2. 网络模型

1. 层次结构、层间接口和封装

2. OSI 参考模型的概念和各层功能

   1. 物理层：定义了接口与传输介质的机械和电气特性。
   2. 数据链路层：将物理层的数据无差错地传递给网络层。
   3. 网络层：将各个分组从源地址传递到目的地址。
   4. 传输层：负责一个报文从一个进程到另一个进程的传递。
   5. 会话层：对话控制和同步。
   6. 表示层：翻译、加密和压缩数据。
   7. 应用层：用户提供服务。
3. TCP/IP 协议簇和各层的功能

   

4. 物理地址、逻辑地址和端口地址

物理层和介质

接口与介质的物理特性，位的表示，数据速率，位同步，线路配置，物理拓扑结构，传输方式

3. 物理层

1. 数字信号：基带传输、低通通道、宽带传输的概念

2. 传输减损：衰减、失真、噪声和信噪比的概念

   • 信噪比：$SNR=\frac{\text{平均信号功率}}{\text{平均噪声功率}}$

3. 数据速率限制

   1. 奈奎斯特速率：$C=2\times B\times \log_2(L)$（bps）

      • 其中 $B$ 是带宽，$L$ 是信号电平的数量。
   2. 香农容量定理：$C=B\times \log_2(1+SNR)$（bps）
   3. 分贝：${SNR}_\text{dB}=10\times \log_{10}\frac{P_1}{P_2}$
4. 性能：带宽、吞吐量、延迟、传播时间、传输时间、排队时间、带宽与延迟的乘积的概念

4. 数字传输

1. 线路编码：数据元素、信号元素、数据速率、信号速率、最小带宽、最大数据速率、直流分量、自同步

   1. 数据速率与信号速率：$S=c\times N\times \frac{1}{r}$

      • 其中 $S$ 为信号速率（baud），$N$ 为数据速率（bps），$c$ 为情形因子（一般为 $\frac{1}{2}$），$r$ 为数据元素和信号元素的比率。
   2. 最小带宽：$B_\text{min}=c\times B\times \frac{1}{c}$（Hz）
   3. 最大数据速率：$N_\text{max}=\frac{1}{c}\times B\times r$

2. 线路编码方案

   1. 单极性编码（NRZ）：不归零，正电平表示 1，零电平表示 0。

   2. 极性编码（NRZ-L 和 NRZ-I）

      1. NRZ-L：正负电平分别表示两个不同的二进制数
      2. NRZ-I：有反相表示 1，无反相表示 0。

   3. 归零码（RZ）

      • 低-零电平表示 0，高-零电平表示 1。

   4. 双相码（Manchester 和 Differential Manchester）

      1. 曼彻斯特编码：下降表示 0，上升表示 1。
      2. 差分曼彻斯特编码：（曼彻斯特 + NRZ-I）反相表示下一位是 0，无反相表示下一位是 1。

   5. 双极性编码（AMI 和伪三进制码）

      1. AMI：零电平表示 0，交替的正负电平表示 1。
      2. 伪三进制码：零电平表示 1，交替的正负电平表示 0。
   6. 多电平编码（mBnL，2B1Q、8B6T、MLT-3）
3. 块编码：4B/5B、8B10B
4. 扰码：B8ZS 和 HDB3

5. 脉码调制 PCM：采样、量化等级、量化误差

   1. 采样率：$f_s=\frac{1}{T_s}$

      • 其中 $f_s$ 是采样率，$T_s$ 是采样间隔。
   2. $f_s=2f$，其中 $f$ 是奈奎斯特速率，此时能够最低成本达到最好的采样效果。

   3. 量化等级：$n_b=\log_2 L$

      • 其中 $L$ 为量化等级数，$n_b$ 为编码位数。
   4. 量化误差：$SNR_\text{dB}=6.02n_b+1.76\text{ dB}$
   5. 最大带宽：$N=f_s\times n_b=2\times B\times \log_2 L \text{ bps}$
6. Delta调制的概念
7. 传输模式：异步传输、同步传输、并行传输、串行传输的概念

5. 模拟传输

1. 比特率和波特率

   比特率是每秒发送的位数， 波特率是每秒发送的信号元素数。 在数字数据模拟传输中， 波特率小于等于比特率。

   $$S=N\times \frac{1}{r} \text{波特}$$

   • 其中 $N$ 是数据速率（bps），$r$ 是一个信号元素携带的数据个数。

2. 数字到模拟转换

   1. ASK 的概念及 ASK 的带宽
   2. FSK 的概念及 BFSK 的带宽
   3. PSK、BPSK、QPSK 和 QAM 的概念

3. 模拟信号调制

   1. AM、FM 和 PM 的概念
   2. AM 带宽、FM 带宽和 PM 带宽

6. 带宽利用

1. 复用：FDM（频分复用）、同步 TDM、统计 TDM 和 WDM（波分复用）的概念

2. 数字层次、T1 载波、E1 载波

   1. 电话公司通过一种数字信号的层次结构实现 TDM ，称为数字信号或数字层次结构。
   2. T1：速率 1.544 Mbps，语音通道：24
   3. E1：速率 2.048 Mbps，语音通道：30
3. 波分和码分的概念
4. 扩频：FHSS 和 DSSS 的概念

7. 传输介质

1. 导向介质：双绞线、同轴电缆和光纤的概念
2. 无线传输介质：无线波普、无线电波、微波和红外波

8. 交换

1. 电路交换的概念

   • 电路交换网是由物理链路连接一组交换机组成，每条链路划分成 n 个通道。电路交换在物理层进行。在电路交换中，建立阶段期间必须预留资源，整个数据传输期间资源保留专用直到拆除阶段。

2. 数据包交换的概念

   • 在数据报网络中，每个分组独立处理与其他分组无关。这个方法的分组称为数据报。没有建立阶段和拆除阶段。

3. 虚电路交换的概念

   • 虚电路网络是结合电路交换网络与数据报网的产物。它具有两者一些特性。
4. 三种交换的优缺点

数据链路层

成帧，物理寻址，流量控制，差错控制，访问控制

10. 检错与纠错

1. 差错的类型
2. 块编码
3. 差错检测的方法

4. 纠错的概念与方法：汉明距离、最小汉明距离、检错和纠错的最小汉明距离

   1. 检错最小汉明距离：$d_\text{min}=s+1$
   2. 纠错最小汉明距离：$d_\text{min}=2t+1$
5. 线性块编码：线性块编码的距离、简单奇偶校验编码、两维奇偶校验编码、汉明码
6. 循环冗余编码 CRC（不包含硬件实现）（注意除数的长度）、CRC的检错能力分析（检测单个位差错、两个独立的位差错、奇数个差错、突发性差错）
7. 校验和及其计算方法

11. 数据链路控制

1. 组帧

2. 流量控制和差错控制的概念

   1. 流量控制：是一系列程序，用来限制发送方在等到确认之前发送的数据数量。
   2. 差错控制：使得接收方能够提示发送方在传输过程中有帧的丢失或破坏， 井协调发送方重新传输这些帧 。

3. 停止等待 ARQ、后退 N 帧 ARQ 和选择重发 ARQ、窗口、最大链路利用率

   1. 滑动窗口：大小必须 $< 2^m$，其中 $m$ 是序列号的位数。
   2. 最大链路利用率（一般忽略 ACK 传输时间）
      $$\eta=\frac{T_\text{传输}}{T_\text{传输}+T_\text{传播}+T_\text{ACK传输}}$$

12. 多路访问

1. 随机访问：纯 ALOHA、时隙 ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA。

   1. 纯 ALOHA

      1. 脆弱时间：$2\times T_\text{fr}$

         • 其中 $T_\text{fr}$ 为一个帧的平均传输时间

      2. 吞吐量：$S=G\times e^{-2G}$。当 $G=\frac{1}{2}$ 时，最大 $S_\text{max}=0.184$。

         • 其中 $G$ 为一个帧传输时间内系统产生的帧的平均数量

   2. 时隙 ALOHA

      1. 脆弱时间：$T_\text{fr}$
      2. 吞吐量：$S=G\times e^{-G}$。当 $G=1$ 时，最大 $S_\text{max}=0.368$

   3. CSMA（载波侦听多路访问）

      1. 脆弱时间：传播时间 $T_p$
      2. 持续方法：1-持续方法（一直侦听，易冲突）、非持续方法（随机等待，效率低）、p-持续方法（时隙）
   4. CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）

      最小帧长：帧传输时间 $T_r$ 至少是最大传播时间 $T_p$ 的两倍（$T_\text{fr}\ge 2\times T_p$）。

   5. CSMA/CA（带避免冲突的载波侦听多路访问）
2. 最小帧长、传播时延、传输时延。
3. 受控访问：预约、轮询、令牌环（了解）

13. 有线局域网：以太网

1. IEEE 标准：LLC（逻辑链路控制层）和 MAC（介质访问控制层）

2. 标准以太网（10 Mbps）的 MAC 子层：帧格式、MAC 地址（6 字节，48 位）、最短帧长（64 字节，512 比特）、编码和解码

   • MAC 地址：单播地址（第一个字节的最低位为 0），多播地址，广播地址（所有位均为 1）
3. 桥接以太网、交换式以太网、全双工以太网

14. 无线局域网

1. WLAN 体系结构与 IEEE 802.11 标准
2. 802.11 MAC子层、帧结构
3. 802.11 物理层、寻址方式、隐蔽终端和暴露终端

15. 连接局域网、主干网和虚拟局域网

1. 连接设备：无源集线器、中继器（可以再生信号）、有源集线器、网桥、透明网桥、生成树、二层交换机（有许多端口的网桥）、路由器、三层交换机（本质是路由器）、网关。
2. 虚拟局域网（VLAN）：概念、划分方法。

网络层

逻辑寻址和路由选择

19. 逻辑寻址

1. IPv4 地址：A、B、C、D 和 E 类地址、掩码、子网和超网

   1. 掩码：IP 地址与掩码按位与，得到网络号。
   2. 五类地址

1. 子网划分（做题，偏应用）
2. NAT 的概念
3. IPv6 地址（128 位，8 部分，每部分 2 字节）

20. IP 协议

1. IP 分组（数据报）的格式

   • 头部（IPv4）

     • 版本（4）
     • 头部长度（4）
     • 服务（8）
     • 总长度（16）
     • 标识（16）
     • 标记（3）
     • 分段偏移（13）
     • 生存时间（8）
     • 协议（8）
     • 头部检验和（16）
     • 源 IP 地址（32）
     • 目的 IP 地址（32）
     • 选项
   • 数据

2. 分片与 MTU（最大传输单元），最大帧长：1518 bytes

   • 标识，标记，分段偏移三个字段与分段相关（P390）
3. IPv4 校验和：划分为 16 位的部分计算

4. IPv6 分组格式、长度

   • 基本头部（40 字节）

   • 有效载荷（最长 65535 字节）

     • 扩展头部（可选）
     • 来自上层的数据
5. IPv4 向 IPv6 过渡

21. 地址映射、差错报告和多播

1. ARP（地址解析协议）：概念、分组格式、封装、4 种操作
2. DHCP（动态主机配置协议）

3. ICMP：概念、报文格式、5 种差错报告报文（常考）、查询报文。

   1. 报文格式：类型（8），代码（8），校验和（16）……

   2. 差错报告报文

      1. 目的端不可达
      2. 源端抑制
      3. 时间超时
      4. 参数问题
      5. 重定向

   3. 查询报文

      1. 回送请求和回答
      2. 时间戳请求和回答
      3. 地址掩码请求和回答
      4. 路由器询问和通告
4. IGMP

22. 传递、转发和路由选择

1. 转发技术和转发过程
2. 路由表、地址聚合和最长掩码匹配
3. Dijkstra 算法和 Bellman-Ford 算法（常考，占分大）

4. 单播路由协议：AS 的概念、RIP 协议（路由选择信息协议）（基于距离）和 OSPF 协议（开放最短路径优先协议）（基于链路状态）

   1. AS（Autonomous System，自治系统）：一个单一的管理机构管辖下的一组网络和路由器。
   2. RIP 协议：跳数衡量距离
   3. OSPF 协议
5. 多播概念、多播路由（了解）

传输层

服务点寻址，分段和组装，连接控制，流量控制，差错控制

23. UDP、TCP 和 STCP

1. 端口、套接字

   • 端口：使运行在不同操作系统的计算机的应用进程能够相互通信

2. UDP 协议：概念、数据报结构、校验和的计算、UDP 的操作、常用端口号

   1. 数据报结构

      • 头部

        • 源端口号（16）
        • 目的端口号（16）
        • 总长度（16）
        • 校验和（16）
      • 数据

   2. 校验和的计算：伪头部 + 头部

      • 伪头部

        • 源 IP 地址（32）
        • 目的 IP 地址（32）
        • 全 0（24）
        • 协议（8）
        • UDP 总长度（16）
   3. 常用端口号：DNS（53）

3. TCP 的特点与服务、流传递、段格式、常用端口号

   1. 段格式

      • 头部

        • 源端口地址（16）
        • 目的端口地址（16）
        • 序列号（32）
        • 确认号（32）
        • 头部长度（4）
        • 保留（6）
        • 标记（6），分别表示 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN
        • 窗口大小（16）
        • 校验和（16）
        • 紧急指针（16）
        • 选项
      • 数据

   2. 常用端口号

      端口	协议
      7	Echo
      9	Discard
      11	Users
      13	Daytime
      17	Quote
      19	Chargen
      20	FTP 数据
      21	FTP 控制
      23	Telnet
      25	SMTP
      53	DNS
      67	BOOTP
      79	Finger
      80	HTTP
      111	RPC

4. TCP 三次握手（建立连接和拆除连接）、数据传输过程、序列号、确认号（ACK 不占序列号）

   1. 三次握手

      1. 客户端→服务器（SYN）占用序列号
      2. 服务器→客户端（SYN+ACK）占用序列号
      3. 客户端→服务器（ACK）不占用序列号
5. TCP 流量控制（信贷滑窗协议）、TCP 差错控制（校验和，确认，超时）

24. 拥塞控制和服务质量

TCP 拥塞控制（慢启动、拥塞避免）

• 慢启动：指数增长。每次收到一个确认时，窗口大小增加。窗口是慢速启动，但是按指数规则增长的。
• 拥塞避免：加性增加。当拥塞窗口的大小达到慢速启动的阈值时，慢速启动阶段停止，加性增加阶段开始。
• 拥塞检测：乘性减少。

应用层

（通常和网络层结合考）

1. 会话层：对话控制，同步
2. 表示层：翻译，加密，压缩
3. 应用层：网络虚拟终端，文件传输访问管理，邮件服务，目录服务

25. 域名系统

1. DNS 工作原理
2. 域名空间、通用域、国家域和反向域
3. 域名解析
4. DNS 报文

26. 远程登录、电子邮件和文件传输

1. Telnet 原理
2. 电子邮件：电子邮件架构、邮件报文、SMTP 和 MIME、POP3 和 IMAP
3. 文件传输：FTP 的原理、FTP 的连接、FTP 的传输方式

27. 万维网和超文本传输协议

1. URL、Cookies 概念
2. HTTP 概念、报文结构、HTTP 操作