计算机网络（第七版）知识点

一、网络基础与设备

1. 主机与地址

• 主机（Host） ：每个主机都有唯一的 IP地址（Internet Protocol Address，互联网协议地址） 和 MAC地址（Media Access Control Address，介质访问控制地址）。
• IP地址（IPv4与IPv6） ：
  • IPv4：32位，通常以点分十进制表示（如192.168.1.1），分为网络部分和主机部分。
  • IPv6：128位，使用冒号分隔的十六进制表示（如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334），解决IPv4地址耗尽问题。
• MAC地址：48位，通常以十六进制表示，用于链路层设备的唯一标识。

2. 网络设备

• 集线器（Hub）：最初用于连接多个主机，通过广播方式传输数据，缺乏智能转发能力和帧缓存。
• 交换机（Switch） ：通过 交换表（Switch Table） 存储 MAC地址 与对应接口的映射，实现数据的定向转发。采用 自学习机制（Self-learning Mechanism），能够缓存帧并向指定端口转发，提高网络效率。
• 路由器（Router） ：在不同网络之间转发数据包，根据 路由表（Routing Table） 选择最佳路径。包含输入端口、交换结构和输出端口，处理数据包的解封装与重新封装。

3.数据在网络中的传输过程

（1） 同子网内的通信

• ARP表查询：主机A希望向主机B发送数据，首先检查主机A的ARP表，查看是否存在主机B的IP地址对应的MAC地址。

  • ARP表存在映射：直接使用该MAC地址封装数据帧，通过交换机发送。

  • ARP表无映射：主机A广播ARP请求，请求主机B的MAC地址。

• ARP请求广播：交换机收到ARP请求后，若其MAC地址表中无主机B的MAC地址，会将ARP请求广播到所有端口。

• ARP响应：主机B收到ARP请求后，向主机A发送ARP响应，包含自己的MAC地址。

• 更新ARP表和MAC地址表：主机A和交换机分别更新各自的ARP表和MAC地址表。

• 数据传输：主机A使用主机B的MAC地址封装数据帧，通过交换机发送到主机B。

（2） 不同子网间的通信

• 默认网关查询：主机A发现目标IP地址不在同一子网，通过ARP获取默认网关（路由器端口）的MAC地址。

• 数据传输到路由器：主机A将数据帧发送到默认网关的MAC地址，交换机根据MAC地址表将数据转发到路由器。

• 路由表查询：路由器检查路由表，确定数据包的下一跳。

  • 路由表存在路径：路由器将数据包从相应端口转发。

  • 路由表无路径：路由器返回"路由不可达"信息。

• 跨子网传输：数据包经过多个路由器转发，最终到达目标子网的路由器。

• 目标子网内传输：目标子网的路由器将数据包发送到目标主机所在的交换机，交换机根据MAC地址表或ARP表将数据转发到目标主机。

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二、网络分层模型与协议

1. TCP/IP五层模型

• 应用层（Application Layer） ：负责网络应用和数据处理，如 HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议） 、DNS（Domain Name System，域名系统）。
• 传输层（Transport Layer） ：提供端到端的通信服务，主要协议有 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） 和 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。
• 网络层（Network Layer） ：负责数据包的路由与转发，主要协议有 IPv4 和 IPv6。
• 链路层（Link Layer） ：处理物理网络上的数据传输，涉及 MAC地址 、ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）。
• 物理层（Physical Layer） ：负责比特流的实际传输，通过 网线（Ethernet Cable） 、光纤（Fiber Optic Cable） 等物理介质进行信号传输。

2. 数据封装与解封装

（1） Sender（发送端）的封装过程

• Application Layer（应用层）：

  • 数据从应用程序生成，封装为 Message（消息）。

• Transport Layer（传输层）：

  • 将 Message（消息） 封装为 Segment（段），添加传输层头部（如TCP/UDP头部），包含端口号等信息。

• Network Layer（网络层）：

  • 将 Segment（段） 封装为 Datagram（数据报），添加网络层头部（如IP头部），包含源IP地址和目标IP地址。

• Link Layer（链路层）：

  • 将 Datagram（数据报） 封装为 Frame（帧），添加链路层头部（如以太网头部），包含源MAC地址和目标MAC地址。

• Physical Layer（物理层）：

  • 将 Frame（帧） 转换为 Bitstream（比特流），通过物理介质（如网线、光纤）传输。

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（2） Switch（交换机）的处理过程

• Physical Layer（物理层）：

  • 接收 Bitstream（比特流） ，将其转换为 Frame（帧）。

• Link Layer（链路层）：

  • 从 Frame（帧） 中提取目标 MAC Address（MAC地址） ，查询 Switch Table（交换表），决定从哪个端口转发。

• Physical Layer（物理层）：

  • 将 Frame（帧） 重新封装为 Bitstream（比特流） ，通过物理介质发送到 Router（路由器）。

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（3） Router（路由器）的处理过程

• Physical Layer（物理层）：

  • 接收 Bitstream（比特流） ，将其转换为 Frame（帧）。

• Link Layer（链路层）：

  • 解封装 Frame（帧） ，提取 Datagram（数据报）。

• Network Layer（网络层）：

  • 从 Datagram（数据报） 中提取目标 IP Address（IP地址） ，查询 Router Table（路由表），决定从哪个端口转发。

• Link Layer（链路层）：

  • 将 Datagram（数据报） 重新封装为 Frame（帧），添加新的链路层头部（如新的MAC地址）。

• Physical Layer（物理层）：

  • 将 Frame（帧） 转换为 Bitstream（比特流） ，通过物理介质发送到下一个 Router（路由器） 或 Switch（交换机）。

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（4） Receiver（目标端）的解封装过程

• Physical Layer（物理层）：

  • 接收 Bitstream（比特流） ，将其转换为 Frame（帧）。

• Link Layer（链路层）：

  • 解封装 Frame（帧） ，提取 Datagram（数据报）。

• Network Layer（网络层）：

  • 解封装 Datagram（数据报） ，提取 Segment（段）。

• Transport Layer（传输层）：

  • 解封装 Segment（段） ，提取 Message（消息）。

• Application Layer（应用层）：

  • 将 Message（消息） 传递给目标应用程序。

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三、数据链路层（Link Layer）

1. 以太网交换与ARP

• 以太网交换（Ethernet Switching） ：
  • 集线器（Hub）：广播数据，存在广播风暴和冲突问题。
  • 交换机（Switch） ：使用 交换表（Switch Table） 根据 MAC地址 定向转发数据（通过ARP表），提升网络效率。
• 地址解析协议（ARP） ：
  • 将 IP地址 转换为 MAC地址。
  • ARP表（ARP Table） ：存储 IP地址 与 MAC地址 的映射关系。
  • ARP请求（ARP Request） ：广播请求目标 MAC地址。
  • ARP应答（ARP Reply） ：目标主机响应并提供 MAC地址 ，交换机更新 交换表。

2. 错误检测与纠正

• 错误检测码（Error Detection Code，EDC） ：
  • 奇偶校验（Parity Check）：包括奇校验和偶校验，通过增加一位校验位使1的个数符合要求。
  • 校验和（Checksum）：对数据进行求和，检测传输错误。
  • 循环冗余校验（CRC，Cyclic Redundancy Check）：利用多项式除法生成校验码，检测复杂错误。需要发送方与接收方互相约定一个数G，先获取这个数G的位数，然后这个位数减去一个位数就是CRC的位数r，所以G的位数是r+1，最后需要保证的点是数据D乘2的r次方再加上r位的CRC（这里加法不进位，所以就是异或操作）得到的结果除G得能够被整除，就说明这个frame没有损坏。

3. 媒体访问控制协议

• 多路访问协议（Media Access Protocol） ：
  • 分信道多路复用（Channel Partitioning） ：
    • 时分多路复用（TDMA，Time Division Multiple Access）：将时间划分为时隙，分配给不同设备。
    • 频分多路复用（FDMA，Frequency Division Multiple Access）：将频谱划分为不同频段。
    • 码分多路复用（CDMA，Code Division Multiple Access）：通过不同码序列区分信号。
  • 随机接入协议（Random Access Protocols） ：
    • ALOHA ：
      • 纯ALOHA（Pure ALOHA）：设备随机发送数据，冲突率高。
      • 时隙ALOHA（Slotted ALOHA）：时间划分为时隙，减少冲突概率。
    • 载波监听多路访问（CSMA，Carrier Sense Multiple Access） ：
      • CSMA/CD（CSMA with Collision Detection，带冲突检测的CSMA）：检测到冲突后立即停止发送并重试。
  • 轮流协议（Taking Turns Protocols） ：
    • 轮询协议（Polling Protocol）：主节点轮询各个从节点，控制发送权限。
    • 令牌传递协议（Token Passing Protocol）：持有令牌的节点可发送数据，发送后将令牌传给下一个节点。

4. 最大传输单元（MTU）

• MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元） ：链路层能传输的最大帧大小，超出需进行 分片（Fragmentation）。
• 分片（Fragmentation） ：
  • 标识（Identification）：唯一标识同一原始数据报的所有分片。
  • 标志（Flags） ：
    • 第一个标志位：保留，通常为0。
    • 第二个标志位：不分片（DF，Don't Fragment），1表示不允许分片。
    • 第三个标志位：更多分片（MF，More Fragments），1表示后续还有分片。
  • 片偏移（Fragment Offset）：指示当前分片在原始数据报中的位置，以8字节为单位。

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四、网络层（Network Layer）

1. IP协议

IPv4 ：数据报格式：

• 版本（Version）：IPv4为4。
• 首部长度（IHL，Internet Header Length）：通常为20字节。
• 服务类型（TOS，Type of Service）：指示服务质量需求。
• 总长度（Total Length）：整个数据报的长度。
• 标识（Identification）、标志（Flags）、片偏移（Fragment Offset）：用于数据报分片与重组。
• 生存时间（TTL，Time To Live） ：每经过一个路由器减1，减至0时丢弃并发送 ICMP超时消息（ICMP Time Exceeded Message）。
• 协议（Protocol）：指示上层协议，如TCP或UDP。
• 头部校验和（Header Checksum）：校验头部数据。
• 源IP地址和目标IP地址。

IPv6 ：数据报格式：

• 版本（Version）：IPv6为6。
• 流标签（Flow Label）：标识数据流的优先级。
• 负载长度（Payload Length）：数据部分的长度。
• 下一个头部（Next Header）：指示传输层协议。
• 跳数限制（Hop Limit）：类似TTL，每经过一个路由器减1。
• 源地址和目标地址：128位。
• 特点 ：
  • 无校验和。
  • 不支持分片，取消了选项字段。
  • 需通过 隧道（Tunnel） 技术与 IPv4 互通。

2. 路由与转发

• 转发（Forwarding） ：由 路由器（Router） 根据 路由表（Routing Table） 将数据从一个接口转发到另一个接口。
• 路由（Routing） ：由 控制面板（Control Plane） 通过 路由算法（Routing Algorithm） 决定数据报路径并构建路由表。

3. 路由算法与协议

• 路由算法 ：
  • 链路状态算法（Link State Algorithm） ：
    • 例如 Dijkstra算法。
    • 每个路由器通过 链路状态通告（LSA） 向整个网络广播自己的链路状态信息（如连接的邻居和链路成本）。每个路由器收集所有LSA，构建全局网络拓扑图（链路状态数据库）。每台路由器各自使用 最短路径算法（如Dijkstra算法）计算到其他网络的最短路径。当某个router的链路状态发生变化的时候，该router立即广播LSA。
  • 距离矢量算法（Distance Vector Algorithm） ：
    • 每个路由器维护 距离矢量表（Distance Vector Table），记录到其他网络的距离和下一跳路由器。
    • 定期向邻居路由器发送信息，更新路由表。
    • 毒性逆转（Poison Reverse） ：解决计数到无限（Counting to Infinity） 问题（但不能根除），通过将路由信息设为无穷大来隔离错误路由。
• 路由协议 ：
  • 内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP） ：
    • RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）：基于距离矢量算法，每30秒向邻居路由器广播传递advertisement（这个advertisement中包含了这个router到其他subnet的hops信息，就是每一行列举了一个subnet以及这个router到这个subnet需要经历的hops，每个通告最多包含25个subnet的信息，通告报文是通过UDP协议来传送），每台router都会根据自己的routing table和收到的advertisement来重新构建自己的路由表
    • OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）：基于链路状态算法，构建全局拓扑图并计算最短路径。
  • 外部网关协议（Exterior Gateway Protocol，EGP） ：
    • BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议） ：用于 自治系统（Autonomous System，AS） 之间的路由，边界路由器（Border Router） ：通过eBGP从外部AS学习路由信息。通过iBGP将路由信息传播给AS内部的其他路由器。内部路由器（Internal Router）：通过iBGP从边界路由器接收外部路由信息。根据路由策略和路径属性选择最佳路径。

4. 地址解析与转换

• 地址解析协议（ARP） ：将 IP地址 转换为 MAC地址。
• 网络地址转换（NAT，Network Address Translation） ：
  • 将私有 IP地址（LAN Side Address，局域网侧地址） 转换为公有 IP地址（WAN Side Address，广域网侧地址） ，解决 IPv4地址短缺 问题。
  • NAT转换表（NAT Translation Table）：记录私有IP地址与端口到公有IP地址与端口的映射。
  • NAT Traversal ：外部请求访问内部网络的解决方案：
    • 转发外部请求到特定的内部私有IP地址。
    • 使用 UPnP（Universal Plug and Play，通用即插即用） 自动配置端口映射规则。

5. ICMP协议

• ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议） ：
  • 网络不可达消息：通知发送方目标网络或主机不可达。
  • TTL超时消息：数据包超过TTL限制时发送超时通知。
  • 常用工具 ：
    • Ping：发送ICMP请求测试连通性。
    • Traceroute：利用ICMP逐跳显示路由路径。

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五、传输层（Transport Layer）

1. TCP与UDP

• TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） ：
  • 面向连接（Connection-oriented）：需要建立连接后传输数据。
  • 可靠传输 ：通过 确认应答（ACK，Acknowledgement） 和 重传机制 保证数据可靠到达。
  • 流量控制（Flow Control） ：使用 窗口机制（Window Mechanism） 控制发送速率，防止接收端缓存溢出。
  • 拥塞控制（Congestion Control） ：通过 慢启动（Slow Start） 、拥塞避免（Congestion Avoidance） 等算法动态调整发送速率。
  • 三次握手（Three-way Handshake）：建立连接的过程。
  • 四次挥手（Four-way Handshake）：断开连接的过程。

• UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议） ：
  • 无连接（Connectionless）：无需建立连接，直接发送数据。
  • 不保证可靠性：不保证数据包的顺序和完整性，适用于实时应用。

2. 可靠数据传输协议

可靠数据传输协议（Reliable Data Transfer, RDT）下的停止等待协议（Stop-and-Wait）是RDT的一种简单实现，以下是rdt1.0到rdt3.0的进化

版本	解决的问题	新增机制	特点
rdt1.0	无	无	理想信道，无错误检测和重传机制。
rdt2.0	比特错误	校验和、ACK、NAK	检测比特错误，支持重传。
rdt2.1	ACK/NAK错误	序列号	解决ACK/NAK错误问题。
rdt2.2	简化协议	去掉NAK，仅使用ACK	简化设计，隐式表示是否需要重传。
rdt3.0	丢包	超时重传	解决丢包问题，实现真正的可靠传输。

rdt3.0

• 发送方 ：
  1. 发送数据包并启动定时器。
  2. 接收到 ACK（Acknowledgement，确认应答） 后，停止定时器并发送下一个数据包。
  3. 如果定时器超时，重传数据包。
• 接收方 ：
  1. 接收数据包并检查序列号。
  2. 如果数据包正确且序列号匹配，发送ACK。
  3. 如果数据包重复，丢弃并重新发送上一个ACK。
• 协议对比 ：
  • 停止等待协议（Stop-and-Wait Protocol）：每个分组到达后才发送ACK，效率较低。
  • 流水线协议（Pipeline Protocol） ：分组到达即发送ACK，允许多个分组在传输中，提高效率。
    • GBN（Go-Back-N）：如果到达的分组不是期待的顺序的分组，也还是会发送ACK，但是是前一个分组的ACK，如果到达的分组是期待的分组的ACK，则发这个分组的ACK，代表之前的分组都到达了。
    • SR（Selective Repeat） ：如果到达的分组不是期待的顺序的分组，也会发这个分组的ACK（并缓存它），GBN 中的丢失分组的重传靠前一个分组的ACK，SR中丢失分组的重传靠该分组的定时器超时。

GBN和SR的对比

特性	Go-Back-N (GBN)	Selective Repeat (SR)
窗口大小	发送窗口大小为 NN。	发送窗口和接收窗口大小均为 NN。
乱序数据包处理	接收方丢弃乱序数据包。	接收方缓存乱序数据包。
重传机制	超时后重传所有未确认的数据包。	超时后只重传丢失的数据包。
ACK机制	累积ACK，发送最近按序接收的数据包的ACK。	单独ACK，为每个接收的数据包发送ACK。
实现复杂度	简单。	复杂，需要为每个数据包维护定时器和缓存。
带宽利用率	较低，因为可能重传大量数据包。	较高，因为只重传丢失的数据包。
适用场景	适合错误率较低的网络环境。	适合错误率较高的网络环境。

3. TCP连接管理

唯一确定TCP连接 ：通过 套接字（Socket，四元组：源IP地址、目标IP地址、源端口、目标端口） 唯一标识一个TCP连接。

三次握手（Three-way Handshake）：

1. SYN：客户端发送带有随机序列号的SYN标志位报文段。
2. SYN-ACK：服务器响应，带有自己的序列号和确认号。
3. ACK：客户端发送确认报文，连接建立。

四次挥手（Four-way Handshake）：

1. 客户端发送带FIN标志位的报文段，表示关闭连接。
2. 服务器确认并发送ACK。
3. 服务器发送带FIN标志位的报文段。之后服务器端就先关闭了连接。
4. 客户端确认并关闭连接。

4. TCP流量控制与拥塞控制

• 流量控制（Flow Control） ：
  • 接收窗口（Receive Window）：接收方通知发送方可接收的字节数，防止发送过快导致接收端缓存溢出。
  • 接收方： rcvbuffer>=lastbytercvd（进入缓存）-lastbyteread（出缓存）
  • 发送方：rcvwindow>=lastbytesent（进入缓存）-lastbyteacked（出缓存）
• 拥塞控制（Congestion Control） ：
  • 拥塞窗口（Congestion Window，CongWin）：控制发送速率。
  • 慢启动（Slow Start） ：CongWin初始为1个最大报文段（MSS），这个阶段每经历一次RTT， 每收到一个ACK，**CongWin大小就乘2，**呈指数增长。
  • 拥塞避免（Congestion Avoidance） ：CongWin超过阈值（Threshold）后，线性增长（**每经历一次RTT，**CongWin+1MSS）。
  • 快速重传（Fast Retransmit） ：收到连续三个重复ACK时，立即重传丢失的报文段，并调整CongWin。Threhold设置为当前Congwin的二分之一，Congwin设置为Threhold+3，进入CA阶段。
  • 超时重传（Timeout Retransmission）：定时器超时时，CongWin重置为1MSS，重新进入慢启动阶段。

5. 超时间隔（Timeout Interval）

• 计算公式 ：
  • EstimatedRTT = (1 - α) × EstimatedRTT + α × SampleRTT，α = 0.125（1/8）。
  • DevRTT = (1 - β) × DevRTT + β × |SampleRTT - EstimatedRTT|，β = 0.25（1/4）。
  • Timeout Interval = EstimatedRTT + 4 × DevRTT。

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六、应用层（Application Layer）

1. 应用层架构

• 客户端-服务器模型（Client-Server Model） ：
  • 服务器（Server）：在特定端口上监听，等待客户端请求。
  • 客户端（Client）：发送请求并接收服务器响应。
• 对等网络模型（Peer-to-Peer Model） ：
  • 每个节点既能作为客户端，也能作为服务器，节点之间可以直接通信，无需中央服务器。

2. HTTP协议

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）：

• 请求与响应：客户端发送HTTP请求，服务器返回响应。
• 连接管理 ：
  • 非持续连接（Non-Persistent Connection） ：
    • 串行非持续连接（Serial Non-Persistent Connection）：一次只建立一个TCP连接，传输完后关闭，每个请求需要一个RTT。
    • 并行非持续连接（Parallel Non-Persistent Connection）：允许多个并行连接，提高传输效率。
  • 持续连接（Persistent Connection） ：
    • 一个TCP连接可传输多个HTTP请求，减少连接建立次数。
    • 管道化（Pipelining）：允许多个请求在一个连接中并行发送，提高效率。

Web缓存（Web Cache / Proxy Server）：

• 代理服务器（Proxy Server）：缓存最近请求的对象，减少重复访问，提高响应速度。

3. 域名系统（DNS）

• DNS（Domain Name System，域名系统） ：
  • 功能：将域名转换为对应的IP地址。
  • 传输层协议：UDP
  • 服务器类型 ：
    • 根DNS服务器（Root DNS Server）：顶层，负责全局域名解析。
    • 顶级域DNS服务器（Top-Level Domain DNS Server）：负责特定顶级域，如 .com。
    • 权威DNS服务器（Authoritative DNS Server）：负责具体域名的解析。
    • 本地DNS服务器（Local DNS Server）：由ISP或企业维护，负责递归或迭代查询。
  • 查询类型 ：
    • 递归查询（Recursive Query） ：
      • 由本地DNS服务器完成所有查询工作，客户端等待最终结果。
      • 特点：对客户端更高效，但本地DNS服务器负担较重。
      • 适用场景：客户端通常使用递归查询。
    • 迭代查询（Iterative Query） ：
      • 本地DNS服务器提供查询线索，客户端逐步查询。
      • 特点：本地DNS服务器负担较轻，但客户端效率较低。
      • 适用场景：DNS服务器之间通常使用迭代查询。

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七、网络性能与延迟

1. 网络延迟

• 节点处理时延（Node Processing Delay）：路由器处理数据包所需时间。
• 排队时延（Queuing Delay）：数据包在队列中等待传输的时间。
• 传输时延（Transmission Delay）：数据包通过链路传输所需时间，计算公式：L（数据包大小）/ 带宽。
• 传播时延（Propagation Delay）：信号在链路上传播所需时间，计算公式：链路长度 / 信号传播速度。
• 总节点时延（Total Node Delay）：上述四种时延之和。

2. 吞吐量与带宽

• 带宽（Bandwidth，带宽）：链路的传输能力，物理属性，通常以比特每秒（bps）表示。
• 吞吐量（Throughput，吞吐量）：实际传输的数据量，受带宽、延迟和网络状况影响，计算公式：成功传输的数据量 / 传输时间。
• 区别：带宽是理论上的传输能力，而吞吐量是实际的传输速度。

3. RTT（Round-Trip Time，往返时间）

• 定义：从发送一个数据包到接收到其确认所需的时间。
• 影响因素：网络延迟、路由器处理时延、传输时延等。

4. 连接建立与HTTP传输

• 串行非持续连接（Serial Non-Persistent Connection） ：
  • 每次建立一个TCP连接，传输完后关闭。
  • 总RTT数目：资源数 × 2 × RTT。
• 并行非持续连接（Parallel Non-Persistent Connection） ：
  • 允许多个并行TCP连接，同时传输多个对象。
  • 总RTT数目：约为资源数 / 并行连接数 × RTT。
• 持续连接（Persistent Connection） ：
  • 一个TCP连接传输多个请求，减少连接建立次数。
  • 无管道化（Non-Pipelining）：每个请求依次发送，总RTT数目：1 + 资源数 × RTT。
  • 管道化（Pipelining）：多个请求在一个RTT内并行发送，总RTT数目：2 × RTT。

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八、网络核心技术

1. 交换方式

• 电路交换（Circuit Switching） ：
  • 在通信前建立固定的信道，连接期间独占带宽。
  • 适用于电话网络，建立连接后传输稳定，但资源利用率较低。
• 分组交换（Packet Switching） ：
  • 链路带宽共享，数据被分为分组（Packet），按需在交换机中转发。
  • 适用于互联网，灵活高效，但可能存在延迟和拥塞问题。

2. 路由器内部结构

• 输入端口（Input Ports） ：
  1. 接收来自物理层的比特流。
  2. 根据链路层协议解封装为 数据报（Datagram）。
  3. 根据数据报中的 IP地址 查找合适的输出端口，并缓存数据报。
• 交换结构（Switching Fabric） ：
  • 基于内存（Via Memory）：数据通过总线传输到内存，再从内存传输到输出端口，效率较低。
  • 基于总线（Via Bus）：直接通过总线在输入和输出端口之间传输，受限于总线带宽。
  • 交叉开关（Crossbar）：支持并发转发多个数据报，克服总线带宽限制。
• 输出端口（Output Ports） ：
  1. 缓存来自交换结构的数据报。
  2. 根据链路层协议封装为 帧（Frame）。
  3. 转换为比特流通过物理层传输。
• 速度匹配问题 ：
  • 输入端口与输出端口速度不匹配可能导致缓存溢出和数据丢失。

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九、网络服务模型与连接类型

1. 网络层服务模型

• 尽力而为（Best Effort） ：
  • 不保证带宽、顺序、不丢包、不延迟。
  • 无拥塞反馈机制。
• 恒定比特率（CBR，Constant Bit Rate） ：
  • 保证恒定的带宽、无丢包、无乱序、无延迟。
  • 不存在拥塞问题。

2. 连接类型

• 网络层连接：在两个主机之间建立连接。
• 传输层连接：在两个进程（Processes）之间建立连接。

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十、其他重要概念

1. DHCP协议

• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议） ：
  • 功能：动态分配IP地址，支持固定分配和临时分配。
  • 工作流程 ：
    1. Discover ：主机发送 DHCP Discover 报文，源IP地址为0.0.0.0，目标地址为广播地址255.255.255.255，包含事务ID。
    2. Offer ：DHCP服务器回复 DHCP Offer 报文，推荐IP地址及租用时间。
    3. Request ：主机发送 DHCP Request 报文，确认选择的IP地址。
    4. ACK ：服务器发送 DHCP ACK 报文，确认IP地址分配。
  • 传输层协议 ：使用 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

2. 网络适配器

• 网络适配器（Network Adapter / NIC，Network Interface Card，网络接口卡） ：
  • 实现链路层功能，将数据报封装为帧进行传输。
  • 每个适配器有唯一的 MAC地址（48位）。
  • 一个设备拥有多个网络适配器时，拥有多个 MAC地址。

3. 网络地址与子网划分

• IP地址划分 ：
  • 类间地址（Classful Addressing） ：
    • A类：网络部分8位，主机部分24位。
    • B类：网络部分16位，主机部分16位。
    • C类：网络部分24位，主机部分8位。
  • CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类域间路由） ：
    • 允许任意位数的网络前缀，通过斜杠表示（如192.168.1.0/24）。
  • 子网掩码（Subnet Mask） ：
    • 用1表示网络位，0表示主机位。
    • 通过与运算获取子网号。
    • 子网号（Subnet Number）：将IP地址与子网掩码进行与运算得到。