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第一章：概述
1.计算机网络的两个重要基本特点：连通性和共享性
2.按照作用范围分类：计算机网络可以分为
广域网（WAN），城域网（MAN），局域网（LAN），个人区域网（PAN）
3.计算机网络的性能指标：
**速率：**数据率/比特率，单位bit/s,bps
**带宽：**最高数据率，表示网络中某信道传送数据的能力。
**吞吐量：**单位时间内，通过某网络的实际数据量
时延： 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
发送时延：又称为传输时延，指将数据从节点"推出"到通信链路上所需的时间，取决于数据包大小和链路传输速率。
发送时延链路带宽（）数据长度（）
传播时延：物理介质中从发送端传播到接收端所需的时间
传播时延信号传播速度（）信道长度（）
处理时延：指路由器或交换机在接收到分组后，进行头部解析、差错检测、查找转发表等操作所花费的时间。
排队时延：分组在路由器的输出队列中等待被发送的时间。
**丢包率:**指在数据传输过程中，因网络拥塞、缓冲区溢出、链路错误等原因未能成功到达目的地的数据包所占的比例。
丢包率发送的数据包数接收的数据包数发送的数据包数
**信道利用率：**指信道被有效用于传输数据的时间比例
4.计算机网络体系结构 从上到下依次是
OSI 七层体系结构：应用层 -> 表示层 -> 会话层 -> 运输层 -> 网络层 -> 数据链路层 -> 物理层
TCP/IP 四层体系结构：网络接口层 -> 网际层 -> 运输层 -> 应用层
原理体系结构：物理层 -> 数据链路层 -> 网络层 -> 运输层 -> 应用层
第二章：物理层
1.物理层考虑的是如何才能连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流
2.物理层协议
机械特性：指明接口的物理结构，包括接插件的形状、尺寸、引脚数量与排列、固定方式等
电气特性：规定在接口电缆上信号的电压范围、电流强度、阻抗匹配、传输速率和距离限制等电学参数；
功能特性：定义每条信号线（引脚）的用途和功能，即某条线上出现的电平代表什么控制或数据含义。
过程特性：各信号线在通信过程中工作的时序关系，即何时发送、何时响应、如何建立/释放连接等操作顺序。
3.通信双方信息交互的方式可以划分为：
单向通信（单工通信）：只有一个方向的通信，没有反方向的交互。eg.广播
双向交替通信（半双工通信）：双方都可以发送与接收数据，但不能同时发送或同时接收。eg.对讲机
双向同时通信（全双工通信）：双方可以同时发送，同时接收。eg.电话。
4.最基本的带通调制方法：调幅，调频，调相
5.奈氏准则：在理想无噪声的带通信道中 ，为避免码间串扰，最高码元传输速率不能超过信道带宽的两倍 ，即最大波特率为 2B （B 为带宽，单位 Hz）；
6.香农公式：带宽为 B （Hz）、信噪比为 SNR 的有噪声信道中，理论上能够实现无差错传输的极限信息速率（即信道容量）为 C =Blog2(1+SNR) 比特/秒
7.信噪比S/N：信噪比（SNR）是指通信系统中信号功率与噪声功率的比值 ，用于衡量信号质量的优劣，通常以分贝（dB）表示；SNR 越高，说明有用信号相对于背景噪声越强，数据传输越可靠，是决定信道容量和误码率的关键因素。
8.传输媒体：
引导型传输媒体：双绞线，同轴电缆，光纤
非引导型传输媒体：无线电波，红外线，可见光
9.信道复用技术
频分复用(FDM)： 将信道的总带宽划分为多个互不重叠的频段，每个用户占用一个固定频段进行通信。
时分复用(TDM)：将时间划分为等长的 时隙**，每个用户轮流在指定时隙内使用整个信道带宽。**
码分复用(CDM)： 所有用户在同一时间、同一频段上发送信号，但使用不同的编码序列来区分彼此。
波分复用(WDM)： 将不同波长（颜色）的光信号复用到一根光纤中传输。
第三章：数据链路层
1.数据链路层使用的信道：点对点信道（一对一通信）和广播信道（一对多共享通信）
PPP协议：简单，只检测差错，而不纠正差错，不使用序号，也不进行流量控制
CSMA/CD协议：先听后发，边听边发。冲突停止，退避重发
2.传送的协议数据单元是帧，数据链路层的三个重要问题
封装成帧： 在数据前后添加首部和尾部，构成帧，便于识别和传输。解决帧的定界 （知道帧从哪里开始、结束）和透明传输（数据中包含控制字符时不会被误判）。
差错检测： 通过校验码（如CRC）发现传输中的比特错误，出错则丢弃帧。通过在帧尾添加帧检验序列（FCS） 实现，常用方法是循环冗余校验（CRC），属于模2运算的一种。
可靠传输： 确保帧无差错、不丢失、不重复、按序到达；确认（ACK）、超时重传、序号、流量控制等，使发送方能自动重传出错或丢失的帧。
3.常见的自动重传请求（ARQ）协议。
**停止等待协议：**发送方每发送一个帧后就停止并等待接收方的确认ACK，只有收到接收方的确认ACK之后，才发送下一帧，若长时间未收到接收方的确认ACK，则重发该帧。
**回退N帧协议：**发送方连续发送多个帧，不超过窗口大小，接收方只按照顺序接收，若某帧出错或者丢失，则丢弃其后面所有已接收的帧，并重复发送最后一个正确帧的ACK，发送方超时后需从出错帧开始重传所有后续帧
**选择重传协议：**发送方和接收方都是用滑动窗口，接收方可缓存乱序到达的正确帧，仅请求重传出错或者丢失的特定帧，发送方只重传那些未被确认的帧
4.CRC循环冗余校验计算
接收方收到 101001001，用同样的生成多项式 1101 做模2除法：
101001001 ÷ 1101 的余数应为 0 → 表示无错。
5.共享通信媒体 的方法：静态划分信道（4种复用技术），动态接入控制（CSMA/CD）
6.使用集线器 的双绞线 以太网在物理上是星形网，在逻辑上是总线网 ，使用交换机 的 以太网 在物理上和逻辑上都是星形网
集线器、转发器 ：工作在物理层，用于扩展以太网物理范围，但扩展后仍为一个碰撞域，所有站点共享带宽，易产生冲突，不适合连接过多设备。
网桥 ：工作在数据链路层，可连接不同物理网络或不同速率的以太网，转发帧时不改变源地址，能过滤流量、减少冲突、提高吞吐量和可靠性，支持跨物理层互连；缺点是增加延迟，可能引发广播风暴。
交换机（交换式集线器） ：又称二层交换机，是多端口网桥，每个接口直接连接主机或交换机，支持全双工通信；能同时实现多对主机间的无冲突通信，每对通信如同独占信道，显著提升网络性能。
8.以太网的适配器有过滤功能：包括三种帧--- 单播帧、广播帧、多播帧
第四章：网络层
1.网络层的两大核心功能：
分组转发：分组转发就是路由器根据转发表将接收到的分组从某一个接口转发出去
路由选择：网络层决定分组转发路径，最终生成提供分组转发的转发表
2.提供面向连接服务的计算机网络称为虚电路网络 ，提供无连接服务的计算机网络称为数据报网络
3.IP地址的分类
| 类别 | 前缀位 | 第一个字节范围 | 网络号长度 | 主机号长度 | 网络数量 | 每个网络最大主机数 | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0 |
1 -- 126 | 8 位（1字节） | 24 位（3字节） | 126 | 224−2=16,777,214 | 大型网络 |
| B | 10 |
128 -- 191 | 16 位（2字节） | 16 位（2字节） | 16,384 | 216−2=65,534 | 中型网络 |
| C | 110 |
192 -- 223 | 24 位（3字节） | 8 位（1字节） | 2,097,152 | 28−2=254 | 小型网络 |
| D | 1110 |
224 -- 239 | --- | --- | --- | --- | 组播（多播） |
| E | 1111 |
240 -- 255 | --- | --- | --- | --- | 保留（实验/研究） |
-
网络号全0或全1不使用 ，主机号全0表示网络地址，全1表示广播地址，故主机数减2。
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127.0.0.0 -- 127.255.255.255属于A类，但保留作回环测试 （如127.0.0.1），不用于实际网络。
4.无分类域间路由选择(CIDR) ：CIDR 取消A/B/C类地址划分 ，采用"网络前缀 + 主机号 "的灵活结构，用 斜线记法（如 192.168.0.0/24） 表示IP地址块，其中 /n 表示前 n 位为网络前缀 ，其余为可分配的主机部分；通过地址聚合（超网），将多个连续子网合并为一条路由，大幅压缩路由器的路由表。
5**.CIDR的32位地址掩码(或子网掩码)** 由前面连续的一串1和后面连续的一串0组成 ，1的个数就是前缀的长度。只要把IP地址和地址掩码逐位进行"逻辑与(AND)"运算，就很容易得出网络地址。
6.物理地址**（MAC地址）是数据链路层或物理层使用的地址** ，IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址
7.地址解析协议 ARP协议 ：将IP地址解析为物理地址，解决同一局域网上的主机或路由器的IP地址和物理地址的映射问题，ARP的高速缓存可以大大减少网络上的通信量
8.IP数据报分为首部和数据部分。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有数据报必须具有的(源地址、目的地址、总长度等重要字段都在固定首部中)。一些长度可变的选项字段放在固定首部的后面。
9.IP首部中的生存时间字段给出了IP数据报在互联网中所能经过的最大路由器数 ，可防止IP数据报在互联网中无限制地兜圈子。
10.路由聚合**(把许多前缀相同的地址用一个来代替)有利于减少路由表中的项目**、提高查表速度并减少路由器之间的路由选择信息的交换，从而提高了整个互联网的性能。
11**.网际控制报文协议ICMP** ：ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告 。ICMP报文有两种：ICMP差错报告报文和ICMP询问报文 。其中，ICMP差错报告报文有四种：终点不可达，时间超过，参数问题，改变路由
ICMP的一个重要应用就是分组网间探测(PING)，用来测试两台主机之间的连通性。PING使用了ICMP回送请求报文与回送应答报文。
12.路由选择协议有两大类
内部网关协议(或自治系统内部的路由选择协议)，如RIP和OSPF:
RIP是分布式的基于距离向量算法的路由选择协议，到本自治系统中所有网络的(最短)距离，以及到每个网络应经过的下一跳数.跳路由器。
OSPF是分布式的基于链路状态算法的路由选择协议，"度量"可表示费用、距离、时延、带宽等，可统称为"代价"。
外部网关协议(或自治系统之间的路由选择协议)，如BGP-4。
BGP-4力求寻找一条能够到达目的网络(可达)且比较好(不兜圈子)的路径，而并非要寻找一条最佳路由，但该路径需要满足某些管理上的策略。
13."转发"是单个路由器的动作 ，而**"路由选择"是许多路由器协作的过程** ，这些路由器相互交换信息，目的是生成路由表，再从路由表导出转发表。
14.虚拟专用网(VPN) 利用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体，IP隧道
15**.NAT能使大量使用内部专用地址的专用网用户共享少量外部全球地址来访问互联网上的主机和资源**
16.移动IP在IP层为上层网络应用提供移动透明性 。移动IP技术允许移动主机在网络之间漫游时保持其IP地址不变。
17.IPv6:首部长度改为8字节整数倍（IPv4是4字节）。IPv6将地址从IPv4的32位增大到了128位。
冒号十六进制记法------零压缩，可以省略开头的0，但要保证每一组至少还有一个数字或字母，一连串连续的0可以用：：表示，但是任一地址都只能用一次零压缩。
18.ICMPv6包括了原来ARP和IGMP的功能 。邻居请求报文和邻居通告报文代替了原来的ARP ，而多播听众发现报文代替了原来的IGMP。
第五章：运输层
1.网络层为主机间的通信提供服务 ，而运输层则在网络层的基础上，为应用进程之间的通信提供服务
2.两个重要协议
UDP：UDP 是一种无连接、不可靠的传输层协议，发送数据前无需建立连接，也不保证数据顺序、不重传丢失包、无拥塞控制；其头部仅8字节，开销小、传输快，适用于对实时性要求高、能容忍少量丢包的应用，如视频会议、在线游戏、DNS查询和VoIP。
TCP：TCP 是一种面向连接、可靠 的传输层协议，通过三次握手建立连接，提供按序交付、差错重传、流量控制和拥塞控制机制，确保数据完整、有序、不丢失地到达；其头部至少20字节，开销较大，但可靠性高，广泛用于网页浏览（HTTP）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）等场景。
3.软件端口
软件端口（Port） 是传输层用于标识不同应用进程 的逻辑地址，范围为 0～65535，共 65536 个。它使得一台主机上的多个网络应用程序能同时通信而不互相干扰。
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作用 ：在接收端，操作系统根据报文中的目的端口号 将数据交给对应的上层应用进程；在发送端，源端口号用于标识发送进程，便于对方回传数据。
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熟知端口（Well-known Ports）：0～1023，预留给系统或常用服务（如 HTTP=80，HTTPS=443，FTP=21，SSH=22）；
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注册端口（Registered Ports）：1024～49151，可被用户或应用程序注册使用；
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动态/私有端口（Dynamic/Private Ports）：49152～65535，通常由客户端临时选用作为源端口。
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IP 地址定位主机，端口号定位主机上的具体应用进程。
4.TCP流量控制：用于防止发送方发送数据过快，导致接收方缓冲区溢出 。TCP通过接收窗口（rwnd） 实现：接收方在ACK报文中告知发送方自己当前可用的缓冲区大小，发送方据此调整发送速率，确保不超出接收方处理能力。本质是点对点的、基于接收方状态的控制机制。
5.TCP拥塞控制：用于防止过多数据注入网络，造成路由器缓存溢出和网络拥塞 。TCP通过拥塞窗口（cwnd） 动态调整发送速率，结合慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复等算法，根据网络反馈（如超时或重复ACK）探测并适应网络承载能力。本质是全局性的、基于网络状态的控制机制。
实际发送窗口 = min(接收窗口 rwnd, 拥塞窗口 cwnd)。
6.TCP三次握手，四次挥手
TCP 三次握手（建立连接）： 为确保通信双方都能正常收发数据，TCP 在传输数据前需通过三次报文交换建立可靠连接：
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客户端 → 服务器 ：发送
SYN=1，随机序号seq=x； -
服务器 → 客户端 ：回复
SYN=1, ACK=1，确认号ack=x+1，自身序号seq=y； -
客户端 → 服务器 ：发送
ACK=1，确认号ack=y+1，序号seq=x+1。 完成三次握手后，连接建立，可双向传输数据。
TCP 四次挥手（释放连接）： 由于 TCP 连接是全双工的，需分别关闭两个方向的数据流，因此需要四次交互：
-
主动方 → 被动方 ：发送
FIN=1，序号seq=u，表示不再发送数据； -
被动方 → 主动方 ：回复
ACK=1，确认号ack=u+1（此时被动方可继续发送数据）； -
被动方 → 主动方 ：当被动方也无数据发送时，发送
FIN=1, ACK=1，序号seq=v，确认号仍为ack=u+1； -
主动方 → 被动方 ：回复
ACK=1，确认号ack=v+1，进入 TIME-WAIT 状态（等待 2MSL 后彻底关闭）。 至此，连接完全释放。
第六章：应用层
1.应用层的核心功能
-
为用户提供访问网络资源的接口（如浏览器、邮件客户端）；
-
定义应用进程间通信的协议格式、语义和时序；
-
依赖传输层（TCP/UDP）实现端到端数据传输。
2.常见应用层协议及用途
| 协议 | 用途 | 传输层协议 | 默认端口 |
|---|---|---|---|
| HTTP/HTTPS | 网页浏览 | TCP | 80 / 443 |
| FTP | 文件传输 | TCP | 21（控制）、20（数据） |
| SMTP/POP3/IMAP | 电子邮件发送与接收 | TCP | 25 / 110 / 143 |
| DNS | 域名解析（将域名转为IP） | UDP（通常）、TCP（大响应） | 53 |
| DHCP | 自动分配IP地址 | UDP | 67（服务器）、68（客户端） |
| SNMP | 网络管理 | UDP | 161 |
| Telnet/SSH | 远程登录 | TCP | 23 / 22 |
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协议数量最多、最贴近用户；
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多数协议基于客户-服务器（C/S）模型，也有 P2P 模式（如 BitTorrent）；
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现代应用常使用应用层网关、代理、API（如 RESTful） 实现更复杂功能。
3.SMTP用于从用户代理到邮件服务器及邮件服务器之间的邮件传送 。但用户代理从邮件服务器读取邮件时，则要使用POP3(或IMAP)
4.文件传送协议**(FTP)使用TCP可靠的运输服务来传送文件** 。FTP的客户和服务器之间要建立两个并行的TCP连接:控制连接和数据连接。
5.通过DHCP，计算机可以从DHCP服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器等网络配置信息，并对网络接口进行自动配置。
交换机、路由器、集线器、网桥、网关之间的关系与区别
| 设备 | 工作层次 | 地址依据 | 隔离冲突域 | 隔离广播域 | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| 集线器 | 物理层（L1） | 无 | ❌ | ❌ | 信号中继，已基本淘汰 |
| 网桥 | 数据链路层（L2） | MAC地址 | ✅ | ❌ | 连接两个局域网段 |
| 交换机 | 数据链路层（L2） | MAC地址 | ✅（每端口） | ❌ | 局域网内部高速交换 |
| 路由器 | 网络层（L3） | IP地址 | ✅ | ✅ | 连接不同网络，跨网通信 |
| 网关 | 传输层及以上（L4~L7） | 协议内容 | ✅ | ✅ | 异构网络协议转换 / 默认出口 |