计算机网络期中复习提纲-酷酷的聪整理版

第一章 概述

1.请介绍计算机网络在逻辑上的组成及其各自的作用。

计算机网络在逻辑上可以分为终端子网和通信子网两部分。

终端子网是指连接计算机与网络的部分,主要负责将数据从计算机发送到通信子网,或将从通信子网接收到的数据传输到计算机。终端子网通常包括物理层和数据链路层,其中物理层主要负责数据的物理传输,数据链路层则负责数据的逻辑传输和错误控制。常见的终端子网包括以太网、Wi-Fi、蓝牙等。

通信子网是指连接不同终端子网的部分,主要负责将数据从源计算机传输到目标计算机。通信子网通常包括物理层、数据链路层、网络层和传输层。物理层和数据链路层的功能和终端子网中的相同,网络层负责对数据进行路由和寻址,传输层负责可靠地传输数据。常见的通信子网包括因特网、局域网、广域网等。

2.请介绍网络体系结构的概念

网络体系结构是指计算机网络中不同层次、模块和组件之间的关系和交互方式,以及它们共同实现网络功能和性能的组织和结构。网络体系结构可以看作是对计算机网络整体结构和运行机制的一种抽象和概括,其核心目标是实现网络的可靠、高效、安全和灵活运行。

3.请介绍网络的类型（包括网络拓扑结构、网络覆盖范围）

根据网络的不同特征,可以将网络分为不同的类型。其中,常见的分类方式包括网络拓扑结构和网络覆盖范围两种。

1.网络拓扑结构

网络拓扑结构是指计算机网络中各个节点之间连接方式的组织形式。常见的网络拓扑结构包括：

总线型网络：所有节点连接到同一条总线上,节点之间通过总线进行通信。

星型网络：所有节点都连接到一个中心节点上,节点之间通过中心节点进行通信。

环形网络：所有节点连接成一个环形,节点之间通过环形网络进行通信。

树型网络：将多个星型网络通过一个中心节点连接起来,形成一个层次结构的树型网络。

网状型网络：节点之间通过多个连接路径进行通信,具有很高的可靠性和灵活性。

2.网络覆盖范围

网络覆盖范围是指计算机网络在空间上所覆盖的范围。常见的网络覆盖范围包括：

局域网（LAN）：覆盖范围通常在几百米至几千米之间,用于连接一个建筑物或校园内的多个设备和计算机。

城域网（MAN）：覆盖范围通常在几公里至十几公里之间,用于连接一个城市内的多个局域网。

广域网（WAN）：覆盖范围通常在几千公里至全球之间,用于连接不同城市、不同国家和地区的计算机和设备。

无线网络：通过无线电波传输信号的网络,包括无线局域网（WLAN）、蓝牙、移动通信网络等。

互联网：全球性的计算机网络,由多个不同的网络通过互联网协议（TCP/IP）相互连接而成。

4.请介绍协议概念和协议三要素的名称、含义。

协议（Protocol）是指计算机网络中规定的通信规则和标准。网络中的每个设备都必须遵循特定的协议才能进行通信,协议在网络中起着非常重要的作用。

协议的三要素包括：

1.语法:指协议中定义的数据格式和数据的编码方式以及数据的长度和顺序等.

2.语义:指协议中定义的数据的含义和处理规则以及各种状态和错误处理等。

3.同步:指协议中规定的时序要求,包括传输速率、时钟同步、消息响应时间等.

5.请介绍OSI/RM和TCP/IP体系结构中每一层的名称和主要功能

OSI/RM体系结构的七层

1.物理层：提供物理介质传输数据的基本功能。

2.数据链路层：负责建立和管理相邻节点之间的数据链路,传输有组织的数据块,并且控制传输速率等。

3.网络层：负责数据的传输和路径选择,将数据传输到目标地址,并且进行网络拓扑结构的管理。

4.传输层：负责在网络节点之间建立可靠的数据传输连接,并且提供端到端的数据传输服务。

5.会话层：负责建立、管理和终止会话连接,以及提供数据交换的控制和同步。

6.表示层：负责数据的编码、解码和转换,以及提供数据格式的表示和交换。

7.应用层：负责网络应用的处理,如电子邮件、文件传输、网页浏览等。

TCP/IP体系结构的四层

1.网络接口层：类似于OSI/RM的物理层和数据链路层,提供对底层网络的访问,如以太网、Wi-Fi等。

2.互联网层：类似于OSI/RM的网络层,负责进行分组交换和寻址,如IP协议。

3.传输层：提供端到端的可靠数据传输服务,如TCP协议和UDP协议。

4.应用层：类似于OSI/RM的应用层,提供各种网络应用服务,如HTTP协议、SMTP协议等。

6.请介绍封装的概念

封装（Encapsulation）是在计算机网络中传输数据时的一种处理方式，它是指将要传输的数据添加上一层或多层数据头（Header）和数据尾（Trailer）的过程。发送方在发送数据时会将数据加上一层或多层的协议头，这些协议头包含了网络协议所需的各种信息，例如源地址、目标地址、数据类型等。接收方在接收到数据时，会逆向地解析数据头，将数据解包，还原出发送方发送的原始数据。

第二章 数据通信技术基础

1.请介绍多路复用技术的概念和分类,CDMA中码片序列的特点？

多路复用技术是一种将多条信息流合并在一条物理信道中传输的技术。它的目的是提高信道的利用率,减少通信线路的数量和成本。多路复用技术可以分为时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、码分复用（CDMA）等。

多路复用技术指的是将多个信号传输通道合并为一个传输通道进行数据传输的技术。通过多路复用技术，可以有效地利用有限的传输资源，提高数据传输的效率和带宽利用率。

根据多路复用技术的不同实现方式，可以将其分为以下几类：

1.频分复用（FDM）：将频带划分为多个不同的频段，每个用户被分配一个不同的频段进行数据传输，不同用户之间的数据通过频分复用技术进行合并传输。

2.时分复用（TDM）：将时间划分为多个不同的时隙，每个用户被分配一个或多个时隙进行数据传输，不同用户之间的数据通过时分复用技术进行合并传输。

3.码分复用（CDMA）：通过给不同用户分配不同的码片序列，将所有用户的数据混合在一起进行传输，接收端通过解码技术将对应的用户数据分离出来。

4.波分复用（WDM）：将一个传输通道的光波分成多个不同波长的光信号，每个波长对应一个用户进行数据传输，不同用户之间的数据通过波分复用技术进行合并传输。

5.空分复用（SDM）：通过将传输通道空间划分为多个不同的区域，每个区域分配给一个用户进行数据传输，不同用户之间的数据通过空分复用技术进行合并传输。

CDMA中码片序列具有以下特点：

1.随机性：码片序列是随机生成的,使得多个用户使用不同的码片序列进行通信,可以避免碰撞和冲突。

2.正交性：CDMA码片序列之间具有正交性,即彼此之间互不影响,使得多个用户可以同时使用同一频带进行通信。

3.低相关性：码片序列之间的相关性很低,即使两个码片序列有一部分相同,它们在大部分时刻仍然是不同的,可以有效降低误码率。

4.可变性：CDMA码片序列的长度和周期可以根据需要进行调整,以适应不同的通信需求。

2.请介绍三种数据交换技术的主要特点

在计算机网络中,常用的三种数据交换技术分别是电路交换、报文交换和分组交换。

1.电路交换

1）建立专用电路传输数据

2）线路保留期间不允许其他通信

3）传输时延短,但线路利用率低

2.报文交换

1）数据分成报文传输

2）报文中包含控制信息,可检测和纠正错误

3）线路利用率高,但报文时延和传输时延较大

3.分组交换

1）数据分成固定长度的数据包（分组）传输

2）每个数据包中包含控制信息和目的地址

3）允许并发通信,灵活可靠,但传输时延不固定

3.请介绍汉明码中数据位长度和校验位长度的关系以及（7,4）汉明码的编码以及接收端纠错的过程

在汉明码中,数据位长度n和校验位长度m之间的关系可以用以下公式表示：

2m >= n + m + 1

也就是说,至少需要m个校验位才能够对n个数据位进行完整的检错和纠错。

以(7,4)汉明码为例,这种编码方案中每个数据块包含4个数据位和3个校验位,共计7位。在发送端,对这7位进行编码,生成包含7位信息的编码块,并将其发送到接收端。在接收端,首先对接收到的编码块进行校验,检查是否存在错误。如果存在错误,需要对错误进行纠正。

纠错的过程是通过比较接收到的编码块和参照编码块的差异来实现的。参照编码块可以通过预先设置的生成矩阵进行计算得到。接收端将接收到的编码块和参照编码块逐位进行异或运算,得到一个错误向量。根据错误向量可以确定出错误的位置,进而进行纠正。

(7,4) 汉明码是一种纠错编码方式，可以在数据传输过程中检测并纠正单个比特的错误。

编码过程：

假设需要传输的原始数据为 4 个比特，分别为 D1、D2、D3、D4，编码过程如下：1.首先将原始数据按位分割，得到 4 个比特：

D1 D2 D3 D4

2.计算校验比特的值。

首先计算需要校验的 3 个位置，根据奇偶校验规则，在这 3 个位置上分别插入校验比特 C1、C2、C3，使得每个位置上 1 的个数为奇数：

C1 D1 C2 D2 D3 C3 D4

校验比特的值分别计算如下：

C1 = D1 ⊕ D2 ⊕ D4

C2 = D1 ⊕ D3 ⊕ D4

C3 = D2 ⊕ D3 ⊕ D4

3.将原始数据和校验比特按位组合，得到一个 7 位的汉明码：

C1 D1 C2 D2 D3 C3 D4

接收端纠错过程：

在接收端，接收到一个汉明码后，需要检测是否有比特错误，并尝试纠正错误。纠错的过程如下：

1.计算接收到的汉明码的校验比特的值。

和编码过程中一样，分别计算 C1、C2、C3 的值。

2.如果所有校验比特的值都为 0，则说明没有比特错误，直接将 D1、D2、D3、D4 作为正确的数据。

3.如果某个校验比特的值不为 0，则说明有比特错误。可以通过比特翻转来尝试纠正错误。

首先确定错误的比特位置：

如果只有一个校验比特的值不为 0，那么对应的比特位置就是错误的位置。

如果有多个校验比特的值不为 0，那么将这些比特的位置转化为二进制数，得到一个 3 位的二进制数，对应的十进制数就是错误比特的位置。

例如，如果 C1 和 C3 的值都不为 0，那么对应的二进制数为 101，对应的十进制数就是 5，说明第 5 个比特位置出现错误。

然后将错误位置上的比特翻转即可得到正确的数据。

4.熟记物理层接口的四个技术特性

物理层接口的四个技术特性如下：

1.机械特性：指接口的物理形状、引脚数目、位置和尺寸等机械特性,确保设备之间的物理连接。

2.电气特性：指接口的电气特性参数,如电压、电流、时序等,保证信号在接口中正确传输。

3.功能特性：指接口传输的数据格式、速率、同步方式等功能特性,确保设备之间的数据能够正确传输。

4.协议特性：指接口的协议特性,如通信协议、错误检测和纠正机制等,确保数据能够按照规定的协议传输,且在传输过程中能够被正确检测和纠正错误。

5.香农公式和奈氏定理两个公式适用的信道条件是什么？

香农公式适用于有噪声的有限带宽的信道；奈氏定理适用于无噪声有限带宽的低通信道。

香农公式:C = W * log2(1 + S/N)

其中，C表示最高可靠数据传输速率（单位为比特/秒），W表示信道的带宽（单位为赫兹），S表示信道的信号功率（单位为瓦特），N表示信道的噪声功率（单位为瓦特）。

奈氏定理的公式：C = W * log2(M)

其中C表示最大传输速率，W表示信道带宽，M表示信道每个符号可以表示的离散级别数。

第三章  数据链路层

1.滑动窗口的基本概念

滑动窗口是数据链路层的一种流量控制机制,用于控制发送方向接收方发送数据的速率。发送方在发送数据时,会将数据分成多个分组,并按照一定的顺序发送。接收方接收数据时,会向发送方发送确认信息,告知其哪些数据已经成功接收。滑动窗口就是用来控制发送方的发送速率和接收方的接收速率的。

滑动窗口协议可以实现流量控制和可靠传输,提高了数据传输的效率和可靠性。

流量控制指的是发送方根据接收方的接收能力来控制发送数据的速率,以避免发送过多的数据导致接收方无法处理。

可靠传输指的是保证数据的传输正确,不丢失不出错,具有数据的完整性和可靠性。

2.请描述停止－等待协议的工作过程

停止-等待协议是一种简单的可靠传输协议,其工作过程如下：

1.发送方发送数据帧,并启动计时器以等待确认帧；

2.接收方接收数据帧,并发送确认帧；

3.发送方接收到确认帧后,停止计时器,并发送下一个数据帧。

如果发送方在计时器超时前没有收到确认帧,则会重发当前的数据帧。接收方收到重复的数据帧时会直接丢弃,只发送上一次确认的帧,这样就可以保证数据的可靠传输

3.掌握连续ARQ、选择ARQ的工作过程

连续ARQ和选择ARQ是一种比停止等待协议更高效的差错控制协议,具有更快的速度和更低的传输开销。

1.连续ARQ的工作过程

在连续ARQ中,发送方可以连续发送多个数据帧,而不需要等待接收方发送确认帧。接收方仍然通过发送ACK确认接收到的数据帧。如果发送方没有收到ACK确认帧,则假定已经丢失了数据帧,它会发送未确认的数据帧（Nak）请求重传。发送方会一直重传未确认的数据帧,直到接收到ACK确认帧。

2.选择ARQ的工作过程

选择ARQ是一种基于窗口的ARQ协议,它允许发送方同时发送多个数据帧,并等待接收方发送确认帧。接收方使用滑动窗口技术来选择和确认已经接收的数据帧,而发送方则使用相同的技术来跟踪哪些帧已经被确认。

发送方在接收到确认帧之前会继续发送数据帧。如果发送方收到了Nak帧,它将只重传请求的帧,而不是所有未确认的帧。

4.熟记HDLC中三种帧的类型,掌握HDLC的零比特插入删除法和PPP的字节填充方法

HDLC（High-level Data Link Control）是一种数据链路层协议,支持点对点和点对多点两种通信方式。它定义了三种帧的类型：

1.信息帧（I帧）：用于数据传输,包含序号和确认信息,可进行流量控制和可靠传输。

2.监督帧（S帧）：用于监控传输过程,包含确认信息和请求重传信息。

3.无编号帧（U帧）：用于控制通信连接的建立、维持和释放等,包含控制信息和确认信息。

在 HDLC 中,为了解决数据中出现连续零比特（011111）的问题,引入了零比特插入删除法。即在数据中出现连续五个 1 时,自动插入一个零比特,接收端在收到零比特时删除。

PPP（Point-to-Point Protocol）是一种在串行链路上使用的数据链路层协议。它采用了字节填充方法来解决数据中出现特殊字符的问题,即在数据中出现和特殊字符相同的字符时,在该字符前面插入一个转义字符。PPP 的特殊字符为 0x7E（01111110）,转义字符为 0x7D（01111101）,对应的填充方式为：0x7E 替换为 0x7D 0x5E,0x7D 替换为 0x7D 0x5D。接收端在收到转义字符后,将其后面的字符取反得到原始数据。

第四章  局域网与广域网

1.掌握CSMA/CD协议（原理、争用期、最短帧的计算、以太网MAC帧格式、帧填充、退避时间的决定因素）

CSMA/CD协议是一种常用于以太网局域网的介质接入控制协议,其原理是在发送数据之前先监听信道,如果信道空闲,则立即发送数据,否则等待一段随机时间再次尝试发送,如果发现数据在发送过程中发生了冲突,则立即停止发送并等待一段时间后再次尝试发送。

CSMA/CD协议的争用期指的是在发送数据时,由于多个节点都可以访问信道,可能会发生数据冲突的一段时间。最短帧是指在信道上发送的最短帧长度,为64个字节。这是由于在信道上传输的时间需要达到一定的长度,以确保在数据帧到达接收方之前,所有的信号都已经传播到整个网络。

以太网的MAC帧格式包括帧前导、目的地址、源地址、长度/类型、数据、校验和等部分。帧前导用于表示数据帧的开始,长度/类型表示数据的长度或者类型,数据部分则是要传输的数据。为了保证传输的数据帧长度达到最短长度,需要使用帧填充技术。

退避时间是指当发生冲突时,节点需要等待的一段时间后再次尝试发送数据的时间间隔。这个时间间隔是随机的,其决定因素包括冲突的次数和冲突的最大次数,通过指数退避算法计算得出。

2.理解 10BASE-T,10BASE-F 等以太网的几个技术特性（传输技术、传输介质、拓扑结构、介质访问控制方法等）

1.10BASE-T（10:带宽10Mb/s,BASE:基带传输,T:双绞线）和10BASE-F（10:带宽10Mb/s,BASE:基带传输,F:光纤）是以太网的传输技术。

2.拓扑结构：10BASE-T和10BASE-F都支持星型拓扑结构。

3.介质访问控制方法：10BASE-T和10BASE-F都使用CSMA/CD介质访问控制方法。

3.CSMA/CD的工作原理（补：完善第一点）

CSMA/CD是一种局域网技术，采用的是多点接入的方式，任何一台计算机都可以向局域网上发送数据，并且所有计算机都可以接收这些数据。CSMA/CD的工作原理主要包括以下三个部分：

1.载波监听

任一站要发送数据之前，首先要监测总线，用来判断介质上有无其他站正在发送信号，如果介质状态忙，则继续检测。直到发现介质空闲。如果检测到介质为空闲，则可以立即发送。

2.多路访问

网络是所有主机首发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。

3.冲突检测

每一站在发送帧期间，同时具有检测冲突的能力。一旦检测到冲突，就立即停止发送数据，并向总线上发一串阻塞信号，通报总线上各站已发送冲突。

4.掌握集线器和网桥的工作层次、原理

集线器和网桥都是用于连接计算机网络中多个设备的网络设备,它们工作在OSI/RM中的不同层次,具有不同的工作原理。

1.集线器（Hub）

集线器是一种工作在物理层的网络设备,它通过放大和重新发送信号来扩展网络的范围,将来自一个端口的数据广播到其他所有端口。

2.网桥（Bridge）

网桥是一种工作在数据链路层的网络设备,它通过学习MAC地址表,将数据包从一个物理网段转发到另一个物理网段,以实现不同物理网段之间的通信。网桥能够识别并区分广播域和碰撞域,它在不同的广播域之间隔离了碰撞域,从而提高了网络的性能和可靠性。网桥还能够根据MAC地址表,将数据包定向到目标设备,避免了广播。

网桥通过监听网络中的数据包,学习并存储源地址和对应的端口信息,建立一个MAC地址表。当数据包到达网桥时,网桥会查找目标MAC地址对应的端口,并将数据包转发到该端口。如果目标MAC地址未知,网桥会广播该数据包到所有其他端口,以便学习新的MAC地址。

5.掌握网桥（交换机）帧过滤和转发表更新的算法

网桥（交换机）通过查看每个帧的目标MAC地址，来实现帧的过滤和转发。其中，网桥的帧过滤包括静态过滤和动态过滤。

静态过滤是指管理员手动配置网桥的过滤表，将每个端口对应的MAC地址存储在表中，从而实现对目标地址的匹配和过滤。这种方式适用于小型网络，但对于较大规模的网络，手动配置工作量过大，不方便管理。

动态过滤采用自学习算法，当帧进入网桥时，网桥会将源MAC地址存储在转发表中，并记录此MAC地址出现在哪个端口上。当网桥需要转发帧时，会在转发表中查找目标MAC地址，然后将帧转发到相应的端口。如果转发表中没有目标MAC地址的记录，则将帧广播到所有端口上，以便让目标设备响应并回应自己的MAC地址。通过动态学习，网桥可以自动适应网络中设备的变化，更加灵活方便。

转发表的更新包括两个主要的过程：学习和老化。学习指的是当网桥接收到新的帧时，将源MAC地址和接口号存储到转发表中。老化指的是转发表中的记录会随时间推移而失效，可以通过设定老化时间（通常为5分钟）来控制。

总的来说，网桥（交换机）的帧过滤和转发表更新算法非常灵活，可以根据网络规模和需求，选择合适的静态过滤或动态过滤方式来实现对网络流量的控制和管理。

6.掌握以太网交换机转发帧的过程,三种转发方式及其特点

以太网交换机是现代局域网中广泛使用的网络设备,其主要作用是将数据帧从一个端口转发到另一个端口。其转发过程包括以下几个步骤：

1.接收数据帧：当交换机从一个端口接收到数据帧时,它会对数据帧进行解析和处理。

2.记录源MAC地址：交换机将源MAC地址存储在转发表中,以便在未来需要转发数据帧时使用。

3.查找目标MAC地址：交换机查找目标MAC地址,以确定数据帧应该转发到哪个端口。

4.转发数据帧：交换机将数据帧转发到相应的端口。

以太网交换机的三种转发方式分别为：存储转发、直通和无碎片直通。

1.存储转发：在接收到整个帧之后,交换机会将整个帧存储到内存中,然后再转发给目标设备。这种方式可以进行帧的差错检测,并且适用于所有的帧类型,但是处理延迟较大。

2.直通：在接收到目标设备的地址后,交换机就直接将该帧转发给目标设备,而不是等待整个帧的到来。这种方式可以减少处理延迟,但是无法进行差错检测,并且只适用于非广播帧。

3.无碎片直通：当交换机接收到一个大于MTU（最大传输单元）的帧时,它会将该帧拆分成多个片段（碎片）,并且在每个片段的帧头中添加一个特殊标志。然后,交换机会直接将这些片段转发给目标设备,目标设备会将这些片段重新组装成原始帧。这种方式可以减少处理延迟,并且可以提高网络吞吐量,但是需要目标设备支持IP分片和重新组装的功能。

7.理解碎片帧的含义

碎片帧是指在数据链路层传输过程中,由于 MTU（最大传输单元）限制,而被分割成多个较小的帧进行传输的数据帧。这些分割出来的小帧称为碎片帧。在接收方,这些碎片帧会根据 IP 协议中的片偏移量信息和其他相关字段被重新组装成完整的数据帧。

第五章 网络层与网际互连

1.IP地址的类型。

A类地址：1~127

B类地址：128~191

C类地址：192~223

D类地址：224~239

E类地址：240~255

2.根据给出的一个MAC帧（或者IP数据报）,能够分析IP数据报首部的关键字段

MAC帧只能分析数据链路层的信息,而IP数据报包含了网络层的信息。以下是IP数据报头部的一些关键字段：

版本（Version）：占4位,表示IP协议的版本号,IPv4和IPv6分别对应4和6。

头部长度（Header Length）：占4位,表示IP数据报头部的长度,以4字节为单位。

服务类型（Type of Service）：占8位,用于标识IP数据报的优先级、延迟和可靠性等服务质量信息。

总长度（Total Length）：占16位,表示整个IP数据报的长度,包括头部和数据部分。

标识（Identification）：占16位,用于识别该IP数据报,通常由发送端随机生成。

标志（Flags）：占3位,用于分片和重组IP数据报。第1位是保留位,第2位表示是否可以分片,第3位表示是否是最后一个分片。

片偏移（Fragment Offset）：占13位,用于指定该分片相对于原始IP数据报头部的偏移量,以8字节为单位。

生存时间（Time to Live）：占8位,表示IP数据报在网络中最多能被路由器转发多少次,用于避免IP数据报在网络中无限循环。

协议（Protocol）：占8位,表示IP数据报携带的上层协议类型,如TCP、UDP、ICMP等。

校验和（Header Checksum）：占16位,用于检验IP数据报头部的完整性。

源IP地址（Source IP Address）和目的IP地址（Destination IP Address）：分别占32位,表示源主机和目的主机的IP地址。

3.掌握IP数据报分片的原因以及相关计算

IP数据报分片是由于网络层发送的数据报大小大于底层网络链路MTU（最大传输单元）时产生的。网络层会将大数据报分成若干个小数据报进行传输,接收方再将这些小数据报重新组合成完整的数据报。

IP数据报分片时,每个分片都有自己的IP首部和一个数据负载。其中,IP首部中的标识字段用于标识一个数据报的所有分片属于同一个数据报,片偏移字段表示该分片在原始数据报中的偏移量,以及更多分片标志字段和生存时间字段等。

在进行IP数据报分片计算时,需要先计算数据报总长度,然后减去IP首部长度,得到数据负载的长度。接着,根据底层网络链路的MTU大小,计算出每个分片能够承载的最大数据负载长度（MTU IP首部长度）,并根据分片大小的限制将数据负载分割为多个分片。最后,计算每个分片的片偏移量,设置分片标志字段,组合IP首部和数据负载,形成多个IP数据报分片进行传输。