三、数据链路层（一）数据链路层的功能数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其主要作用是：加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。1.为网络层提供服务无确认的无连接服务有确认的无连接服务有确认的面向连接服务帧传输过程：建立数据链路、传输帧、释放数据链路注：有连接就一定有确认，不存在无确认的面向连接服务。2.链路管理链路管理，指数据链路层连接的建立、维持和释放过程，主要服务于面向连接的通信。局域网等多站点共享同一物理信道时，信道的分配与管理也归属于数据链路层的链路管理范畴。3.帧定界、帧同步与透明传输帧封装两台主机传输信息时，网络层的分组需要被封装成帧进行传送。通过在一段数据的前后分别添加首部和尾部来构成帧，帧长等于数据部分长度加上首部和尾部后的总长度。帧定界帧的首部和尾部包含控制信息，其重要作用之一是确定帧的界限，即帧定界。帧同步指接收方能够从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止。例如，在 HDLC 协议中，使用标识位 F（01111110）来标识帧的开始和结束。透明传输当所传输的数据中恰好出现了与帧定界符相同的比特组合时，会导致接收方误判帧的结束。因此需要采取措施解决这个问题，实现透明传输，即无论所传数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上正常传送。最大传送单元（MTU）为了提高帧的传输效率，应使帧的数据部分长度尽可能大于首部和尾部的长度，但每种数据链路层协议都规定了帧的数据部分长度上限，即最大传送单元（MTU）。4.流量控制流量控制实际上就是限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力。这个过程需要通过某种反馈机制使发送方能够知道接收方是否能跟上自己，即需要有一些规则使得发送方知道在什么情况下可以接着发送下一帧，而在什么情况下必须暂停发送，以等待收到某种反馈信息后继续发送。流量控制不是数据链路层特有的功能，许多高层协议中也提供此功能。在 OSI 体系结构中，数据链路层具有流量控制的功能；而在 TCP/IP 体系结构中，流量控制功能被移到了传输层。5.差错控制差错控制是数据链路层用于确保数据正确传输的核心机制，主要处理位错和帧错两类问题：位错控制检测：采用循环冗余校验（CRC）等方法，在数据帧后附加冗余校验码，接收方据此检测传输中出现的比特错误。重传：通过自动重传请求（ARQ）机制，若接收方检测到错误则丢弃该帧，发送方超时后自动重传，直至确认接收正确。帧错控制针对帧的丢失、重复或失序等问题，在数据链路层引入定时器和编号机制，确保每一帧最终都能被正确、有序地交付给目的结点。（二）组帧组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输等问题。通常有以下4种方法实现组帧：1.字符计数法在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。缺点：如果计数字段出错，帧边界划分失效，无法继续帧同步。2.字符填充的首尾定界符法帧定界使用控制字符 SOH（Start of Header）表示帧的首部开始。使用控制字符 EOT（End of Transmission）表示帧的结束。透明传输当数据段中出现与定界符（SOH、EOT）相同的字符时，会在其前面插入转义字符 ESC（转义字符是 ASCII 码中的一个字符，而非 “E”“S”“C” 的组合），以避免被误判为帧边界。接收方收到数据后，会自动删除插入的 ESC 字符，从而还原原始数据。如果转义字符 ESC 本身也出现在数据中，则在其前面再插入一个 ESC 字符进行转义。3.零比特填充的首尾标志法零比特填充法允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个字符的编码包含任意个数的比特。帧定界使用特定的比特模式 01111110 作为帧的首尾标志，用于标识一帧的开始和结束。透明传输发送方处理：在信息位中，每遇到连续 5 个 “1”，就自动在其后插入一个 “0”，以避免信息位中出现与帧标志01111110相同的比特组合，防止被误判为帧边界。接收方处理：执行逆操作，每收到连续 5 个 “1”，就自动删除后面紧跟的 “0”，从而恢复原始信息。零比特填充法很容易由硬件实现，性能优于字符填充法。4.违规编码法违规编码法是一种在物理层实现帧定界的技术，它利用了物理层编码中的冗余特性。在物理层进行比特编码时，某些电平对或码型是违规的，即正常数据比特不会使用这些编码。例如，在曼彻斯特编码中：数据比特 “1” 被编码为 “高 - 低” 电平对。数据比特 “0” 被编码为 “低 - 高” 电平对。而 “高 - 高” 和 “低 - 低” 电平对在正常数据中是违规的。这些违规的编码序列可以被借用，用来定界帧的起始和终止。局域网 IEEE 802 标准 就采用了这种违规编码法来实现帧定界。常用组帧方法由于字符计数法中计数字段的脆弱性，以及字符填充法实现上的复杂性与不兼容性，目前较常用的组帧方法是：零比特填充法、违规编码法。（三）差错控制比特在传输过程中可能发生翻转（1 变 0 或 0 变 1），这种现象称为比特差错，它是传输差错的一种，本节重点讨论此类差错。主要利用编码技术进行差错控制，分为两大类：自动重传请求（ARQ）：接收端检测到差错时，通知发送端重发，直至收到正确码字。该方式仅能检错，无法纠错。前向纠错（FEC）：接收端不仅能发现差错，还能确定错误比特的位置并加以纠正。基于上述技术，差错控制可分为检错编码和纠错编码两种方式。1.检错编码（1）奇偶校验码奇校验码/偶校验码：由n-1位信息元和1位校验元组成。奇校验码：附加一个校验元后，码长为n的码字中“1”的个数为奇数；偶校验码：附加一个校验元后，码长为n的码字中“1”的个数为偶数。检错能力：可以检测出所有奇数个比特错误（如 1 个、3 个比特翻转）。无法检测出偶数个比特错误（如 2 个、4 个比特翻转），因为此时奇偶性不变。无法定位错误位置，也不能纠正错误，只能发现错误。（2）循环冗余码通过模2除法（不进位的异或运算），在原始数据后附加一段校验码。发送方： 数据 M ÷ 生成多项式 G → 取余数作为校验码。完整数据=原始数据+校验码。接收方： 完整数据 ÷ 生成多项式 G → 余数为 0 则数据正确。计算示例 (典型步骤)已知条件：待发数据：1101生成多项式：$G(X) = X^3 + X + 1$ (对应二进制 1011)计算过程：补零： 多项式最高阶为 3，在数据后补 3 个 0 → 1101000。模2除法（异或）： 用 1101000 除以 1011。1101 XOR 1011 = 0110 (首位为1则除)落下下一位 0 → 1100 XOR 1011 = 0111落下下一位 0 → 1110 XOR 1011 = 0101取余： 最终得到的 3 位余数为 101。最终发送： 1101 101 (原始数据 + 校验码)可检测所有奇数位错、所有偶数位错、所有突发错（长度≤生成多项式位数），检错率极高。循环冗余码（CRC）是具有纠错功能的，只是数据链路层仅使用了它的检错功能，检测到帧出错则直接丢弃，是为了方便协议的实现。2.纠错编码（3）海明码海明码是一种具有一位纠错能力的多重奇偶校验码。通过在有效信息位中插入若干校验位，使得每一个校验位控制一组特定的数据位。当某位发生错误时，会引起相关的多个校验位发生变化，从而精确定位错误位置。计算步骤假设有效信息位为 $n$ 位，校验位为 $k$ 位：确定校验位个数 $k$：需满足不等式 $2^k \ge n + k + 1$。校验位 $k$ 是满足该式的最小整数。确定位置：校验位 $P_i$ 必须放在海明码全码的 $2^{i-1}$ 位置（如第1, 2, 4, 8...位）。分组校验：每个数据位的位置索引（二进制形式）决定了它由哪些校验位负责。例如，位置7（$111_2$）由 $P_1$ (001), $P_2$ (010), $P_4$ (100) 共同校验。计算校验位值：通常采用偶校验，即每一组包含校验位在内的“1”的个数为偶数。典型题目题目：求有效信息 1100 的海明码（采用偶校验）。第一步：确定校验位个数 $k$信息位 $n = 4$。代入公式：$2^k \ge 4 + k + 1$当 $k=2$ 时，$4 < 7$（不成立）当 $k=3$ 时，$8 \ge 8$（成立）所以需要 3 个校验位，总码长为 $4 + 3 = 7$ 位。第二步：确定位置并填入数据校验位 $P_1, P_2, P_3$ 分别占据第 $1, 2, 4$ 位。将信息位 $D_1, D_2, D_3, D_4$ 按序填入剩余空格：位置索引1234567位置类型$P_1$$P_2$$D_1$$P_3$$D_2$$D_3$$D_4$数据填充??1?100第三步：分组并计算校验位将所有数据位的位置索引写成二进制：$D_1$ (位置3): $3 = 1+2 = 2^0 + 2^1$ → 由 $P_1, P_2$ 校验$D_2$ (位置5): $5 = 1+4 = 2^0 + 2^2$ → 由 $P_1, P_3$ 校验$D_3$ (位置6): $6 = 2+4 = 2^1 + 2^2$ → 由 $P_2, P_3$ 校验$D_4$ (位置7): $7 = 1+2+4 = 2^0 + 2^1 + 2^2$ → 由 $P_1, P_2, P_3$ 校验计算校验位（偶校验下，组内异或运算结果应为0）：$P_1$ 负责位置 {1, 3, 5, 7}（二进制倒数第1位为1的位置）：$P_1 \oplus 1 \oplus 1 \oplus 0 = 0 \Rightarrow \mathbf{P_1 = 0}$$P_2$ 负责位置 {2, 3, 6, 7}（二进制倒数第2位为1的位置）：$P_2 \oplus 1 \oplus 0 \oplus 0 = 0 \Rightarrow \mathbf{P_2 = 1}$$P_3$ 负责位置 {4, 5, 6, 7}（二进制倒数第3位为1的位置）：$P_3 \oplus 1 \oplus 0 \oplus 0 = 0 \Rightarrow \mathbf{P_3 = 1}$第四步：写出最终海明码将计算出的 $P$ 值填回原表：位置1234567最终码0111100答案：1100 的海明码为 0111100。如何纠错？接收端收到后，重新计算各组的奇偶性（记为 $G_1, G_2, G_3$）：$G_1 = P_1 \oplus D_1 \oplus D_2 \oplus D_4$$G_2 = P_2 \oplus D_1 \oplus D_3 \oplus D_4$$G_3 = P_3 \oplus D_2 \oplus D_3 \oplus D_4$将结果排列为 $G_3 G_2 G_1$，若结果为 000 则无错；若结果为 110（十进制 6），则说明第 6 位出错了，直接取反即可纠正。（四）流量控制与可靠传输机制1.流量控制、可靠传输与滑动窗口机制流量控制：控制发送方的发送速率，确保接收方有足够缓冲空间接收数据，避免过载。常见方式有停止 - 等待协议和滑动窗口协议。1. 停止 - 等待流量控制原理：发送方每发送一帧，必须等待接收方的应答信号，才能发送下一帧；接收方每接收一帧，反馈一个应答信号。特点：每次只允许发送一帧，传输效率低。2. 滑动窗口流量控制核心概念：发送窗口：发送方维护的一组连续允许发送的帧序号，其大小 WT 代表未收到确认时最多可发送的数据帧数。接收窗口：接收方维护的一组连续允许接收的帧序号，只有序号落在窗口内的数据帧才会被收下，否则丢弃。窗口滑动规则：发送端收到确认帧后，发送窗口向前滑动；窗口内无待发帧时停止发送，直到窗口可滑动。接收端收到数据帧后，窗口向前移动并回发确认帧，落于窗口外的帧被丢弃。重要特性：只有接收窗口向前滑动（同时发送确认帧）时，发送窗口才可能向前滑动。不同协议的窗口大小：停止 - 等待协议：发送窗口 = 1，接收窗口 = 1后退 N 帧协议：发送窗口 > 1，接收窗口 = 1选择重传协议：发送窗口 > 1，接收窗口 > 1接收窗口大小为 1 时，可保证帧的有序接收。数据链路层滑动窗口协议的窗口大小在传输中固定（与传输层协议不同）。3. 可靠传输机制实现方式：通过确认和超时重传完成。确认：接收方反馈应答，告知发送方数据被正确接收；可采用捎带确认（将确认捎在回复帧中）提高效率。超时重传：发送方发送数据帧后启动计时器，若超时未收到确认，则重传该帧。自动重传请求（ARQ）：分类：停止 - 等待 ARQ、后退 N 帧（Go-Back-N）ARQ、选择性重传（Selective Repeat）ARQ。后两种是滑动窗口与请求重发技术的结合，窗口足够大时可实现连续流传输，又称连续 ARQ 协议。注意：实际有线网络的数据链路层很少采用可靠传输，多数教材将此内容放在传输层，本书按 408 考纲保留在链路层。2.单帧滑动窗口与停止-等待协议本质：从滑动窗口角度看，停止 - 等待协议就是发送窗口 = 1、接收窗口 = 1的滑动窗口协议。差错处理：数据帧丢失 / 破坏：发送方超时重传，直到正确到达。确认帧丢失 / 破坏：接收方已收到正确帧，但发送方超时重传；接收方收到重复帧后丢弃并重传确认帧。序号与缓存：用 1bit 编号（0 和 1 交替），区分新帧和重传帧。发送方缓存帧副本，收到 ACK 后清除；接收方也需缓存以判定重复帧。缺点：信道利用率低，因此产生了后退 N 帧协议和选择重传协议。3.多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）核心特点：发送方无需等待上一帧 ACK，可连续发送多帧；接收窗口 = 1，保证按序接收。若检测到帧丢失 / 出错，需重传出错帧及之后所有未确认帧。确认机制：采用累积确认：对第 n 号帧的确认，表示前 n 号帧均已正确接收。接收端按序接收，丢弃出错帧后的所有无差错帧。窗口约束：若用 n 比特编号，发送窗口 $$W_T$$ 需满足 $$1 < W_T \le 2^n - 1$$，否则无法区分新帧和旧帧。缺点：信道质量差时，重传大量已正确到达的帧，传输效率降低。4.多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）核心特点：仅重传出错或超时的单个帧，避免重传已正确到达的帧。接收窗口 WR 和发送窗口 WT 均大于 1，可缓存乱序帧，等缺失帧到齐后再交付主机。确认机制：对单帧进行确认，若怀疑出错，发送否定确认 NAK，要求重传指定帧。窗口约束：若用 n 比特编号，最大窗口 $W_{max} = 2^{n-1}$，否则无法区分新数据帧和重传数据帧。代价：接收端需要更大的缓存区来暂存未按序到达的帧。补充概念：信道利用率（信道效率）：从时间角度定义，指发送方在一个发送周期内，有效发送数据的时间占整个发送周期的比率。$$\text{信道利用率} = \frac{L/C}{T}$$其中 $T$ 为发送周期，$L$ 为发送数据量，$C$ 为传输速率。信道吞吐率：信道利用率 $\times$ 发送方的发送速率。（五）介质访问控制介质访问控制所要完成的主要任务是，为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输。用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，称为介质访问控制（Medium Access Control, MAC）子层。常见的介质访问控制方法有信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制和轮询访问介质访问控制。其中前者是静态划分信道的方法，而后两者是动态分配信道的方法。1.信道划分介质访问控制信道划分介质访问控制通过分时、分频、分码等方式，将一条广播信道逻辑上划分为多条互不干扰的子信道，实现多设备共享信道、互不干扰。(1) 频分多路复用（FDM）原理：将多路信号调制到不同频率的载波上，叠加成复合信号传输；每个子信道独占一段带宽。特点：同一时间可同时传输多路信号，充分利用信道带宽。相邻信道间需加入 “保护频带”，防止干扰。优点：充分利用传输介质带宽，系统效率高，技术成熟易实现。(2) 时分多路复用（TDM）原理：将物理信道按时间分成若干时间片，轮流分配给多个信号使用，每个时间片由一个信号占用。特点：就某一时刻看，信道仅传输一对设备的数据；就某段时间看，是多路复用。统计时分复用（STDM）：不固定分配时间片，按需动态分配，提高线路利用率。示例：线路速率 8000b/s，4 个用户平均速率 2000b/s；采用 TDM 时，每个用户最高速率为 2000b/s；采用 STDM 时，总最高速率可达 8000b/s。(3) 波分多路复用（WDM）原理：光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，各波长光信号互不干扰，最后通过波分复用器分解各路波长。特点：光纤频带极宽，可实现多路复用，通信容量大。(4) 码分多路复用（CDM/CDMA）原理：采用不同的编码（码片序列）区分各路原始信号，共享信道、共享时间。每个站被分配唯一的 m 位码片序列（如 64 位或 128 位），发送 1 时发送码片本身，发送 0 时发送码片的反码。关键特性：任意两个不同站的码片序列正交（内积为 0），任意站的码片序列与自身的规格化内积为 1。优点：频谱利用率高、抗干扰能力强、保密性强、语音质量好，可减少投资和降低运行成本，主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。2.随机访问介质访问控制注：此部分内容较复杂，预习阶段不深入理解。随机访问（争用型）协议不采用集中控制，所有用户可随机发送数据，通过竞争获取信道使用权，核心思想是 “胜利通过争用获得信道”。它将广播信道的共享转化为逻辑上的点对点通信。(1) ALOHA 协议分为纯 ALOHA和时隙 ALOHA两种：纯 ALOHA 协议核心思想：站点需要发送数据时，不进行任何检测就立即发送；若未收到确认，则认为发生冲突，等待一段随机时间后重传，直至成功。特点：实现简单，但冲突概率高，信道利用率低。最大吞吐量：当网络负载 G=0.5 时，吞吐量 S 达到最大值 Smax=0.5e−1≈0.184。时隙 ALOHA 协议核心思想：将时间划分为等长的时隙，所有站点同步，只能在每个时隙开始时发送数据，避免了随机发送，减少了冲突。特点：冲突概率降低，信道利用率是纯 ALOHA 的两倍。最大吞吐量：当 G=1 时，吞吐量 S 达到最大值 Smax=e−1≈0.368。(2) CSMA 协议（载波监听多路访问）CSMA 在 ALOHA 基础上增加了 “载波监听” 机制，发送前先检测信道是否空闲，以降低冲突概率。根据监听后信道忙时的处理方式，分为三类：类型核心思想优点缺点1 - 坚持 CSMA信道空闲则立即发送；信道忙则持续监听，一旦空闲立即发送抢占信道，减少信道空闲时间多个站点同时监听时，冲突概率大非坚持 CSMA信道空闲则立即发送；信道忙则等待一个随机时间后再监听避免多个站点同时争抢，降低冲突增加了数据在网络中的平均延迟，信道利用率降低p - 坚持 CSMA信道空闲则以概率 p 发送，以概率 1−p 推迟到下一时隙；信道忙则持续监听折中方案，兼顾吞吐量和延迟实现复杂，需合理选择 p 值(3) CSMA/CD 协议（载波监听多路访问 / 碰撞检测）CSMA/CD 是 CSMA 的改进方案，增加了 “碰撞检测”，适用于总线形或半双工以太网，全双工网络无需使用。核心流程：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发。载波监听：发送前持续检测信道，空闲则发送。碰撞检测：发送过程中同时监听信道，若检测到碰撞，立即停止发送。强化碰撞：发送人为干扰信号，通知所有站点已发生碰撞。退避重传：采用截断二进制指数退避算法计算随机等待时间，避免再次冲突。关键概念：争用期（碰撞窗口）：端到端传播时延 τ 的 2 倍（2τ），站点在发送后最多经过 2τ 就能确认是否发生碰撞。最短有效帧长：为确保在争用期内检测到碰撞，规定了以太网的最短帧长为 64 字节，小于此长度的帧为无效帧。局限性：仅适用于半双工通信，无法用于无线网络（存在 “隐蔽站” 问题）。(4) CSMA/CA 协议（载波监听多路访问 / 碰撞避免）CSMA/CA 是为无线局域网（如 802.11）设计的协议，无法简单使用 CSMA/CD，主要原因是无线信号强度变化大，碰撞检测硬件成本高，且存在 “隐蔽站” 问题。核心思想：不是完全避免碰撞，而是通过设计尽量降低碰撞概率，使用确认帧（ACK）*和*退避机制保证可靠传输。关键机制：帧间间隔（IFS）：不同类型的帧等待不同的时间后再发送，如 SIFS（短）、PIFS（中）、DIFS（长）。退避机制：信道从忙变为空闲时，站点需等待 DIFS 时间，再进入退避窗口，随机选择退避时间，退避到 0 才能发送。RTS/CTS 机制（可选）：发送前先广播短的请求发送（RTS）帧，AP 响应允许发送（CTS）帧，为发送方预留信道，解决 “隐蔽站” 问题，但会降低信道效率。与 CSMA/CD 的区别：碰撞检测：CSMA/CD 可检测并处理碰撞；CSMA/CA 无法检测碰撞，只能尽量避免。传输介质：CSMA/CD 用于有线以太网；CSMA/CA 用于无线 802.11 等。检测方式：CSMA/CD 通过电缆电压变化检测；CSMA/CA 采用能量检测、载波检测和能量载波混合检测。3.轮询访问：令牌传递协议核心概念轮询访问（令牌传递）是一种集中式控制的介质访问控制方式，用户不能随机发送信息，必须通过监控站以循环方式轮询每个结点，决定信道的分配。典型协议为令牌传递协议，主要用于令牌环局域网。令牌传递协议原理令牌（Token）：一个特殊的 MAC 控制帧，本身不包含信息，仅用于控制信道使用权，确保同一时刻只有一个站点独占信道。工作机制：令牌在环形拓扑的各结点间依次传递，结点只有取得令牌后才能发送数据帧，因此不会发生碰撞。发送完成后，站点释放令牌，供其他结点使用。令牌按顺序依次传递，对所有入网结点而言，访问权是公平的。无数据发送时：令牌在环网上持续循环游荡；只有拿到令牌的计算机才能发送数据帧，因此不会发生冲突。令牌环网中令牌和数据的传递过程网络空闲时：环路中只有令牌在循环传递。有数据发送时：令牌传递到有数据要发送的站点，该站点修改令牌标志位，附加数据，将令牌变为数据帧并发送。数据帧沿环传输，各结点检查目的地址，仅目的站复制该帧。数据帧到达源站后，源站不再转发，通过返回帧检查传输是否出错，若有错则重传。源站完成传送后，重新生成令牌并传递给下一站。协议特点适用场景：非常适合负载很高的广播信道（多结点同时高概率发送数据），能有效避免冲突，满足通信需求。信道特性：既不共享时间，也不共享空间，在随机访问控制的基础上，限定了只有一个结点拥有发送权。逻辑拓扑：传输介质的物理拓扑不必是环形，但令牌传递的逻辑通路必须是一个环。（六）局域网1.局域网的概念和体系结构定义：在小地理范围（如学校、办公室）内，通过双绞线、同轴电缆等介质连接计算机、外部设备和数据库，实现资源与信息共享的计算机互连网络。主要特点：(1) 为一个单位所拥有，地理范围和站点数目有限。(2) 所有站点共享较高的总带宽（数据传输速率高）。(3) 较低的时延和较低的误码率。(4) 各站点为平等关系，而非主从关系。(5) 支持广播和组播。决定局域网特性的三要素：(1) 拓扑结构：常见有星形、环形、总线形，以及星总线复合型。(2) 传输介质：主流为双绞线，也可使用铜缆、光纤等。(3) 介质访问控制方式（最重要）：决定局域网技术特性，主要包括 CSMA/CD、令牌总线、令牌环。典型局域网拓扑实现：以太网：逻辑拓扑为总线形，物理拓扑为星形或拓展星形，是目前使用最广的局域网。令牌环（Token Ring, IEEE 802.5）：逻辑拓扑为环形，物理拓扑为星形。FDDI（光纤分布数字接口，IEEE 802.8）：逻辑拓扑为环形，物理拓扑为双环结构。IEEE 802 局域网参考模型：对应 OSI 模型的数据链路层和物理层，并将数据链路层拆分为两个子层：(1) 媒体接入控制子层（MAC）：处理与接入传输媒体相关的内容，向上层屏蔽对物理层访问的差异，提供对物理层的统一访问接口，主要功能包括组帧 / 拆帧、比特传输差错检测、透明传输。(2) 逻辑链路控制子层（LLC）：与传输媒体无关，向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送 4 种不同的连接服务类型。由于以太网的垄断地位，LLC 子层作用已不大，许多网卡仅装有 MAC 协议。2.以太网与 IEEE 802.3IEEE 802.3：基带总线形局域网标准，定义了物理层和数据链路层 MAC 子层的实现方法，通常与 DIX Ethernet V2 标准统称为以太网。以太网特点：逻辑上为总线拓扑，共享总线，采用广播方式发送。使用CSMA/CD进行总线访问控制。无连接、最大努力交付，不提供可靠服务，差错纠正由高层完成。采用曼彻斯特编码，每个码元中间有一次电压转换，便于提取同步信号。(1) 传输介质与网卡常用传输介质：粗缆、细缆、双绞线、光纤，典型标准如下：标准传输媒体编码方式拓扑结构最大段长最多结点数10BASE5粗缆曼彻斯特编码总线形500m10010BASE2细缆曼彻斯特编码总线形185m3010BASE-T非屏蔽双绞线曼彻斯特编码星形100m210BASE-FL光纤曼彻斯特编码点对点2000m2网卡（NIC）：工作在数据链路层和物理层，实现数据的串 / 并转换、帧的收发与封装拆封、介质访问控制、编码解码等功能。每块网卡出厂时都有唯一的MAC 地址（48 位），用于控制主机在网络上的数据通信。(2) MAC 帧与地址MAC 地址：6 字节（48 位），高 24 位为厂商代码，低 24 位为网卡序列号，一般用 12 个十六进制数表示（如02-60-8c-e4-b1-21）。以太网 V2 MAC 帧格式：前导码：8 字节，用于同步，其中最后 1 字节为帧开始定界符。目的地址：6 字节（MAC 地址）。源地址：6 字节（MAC 地址）。类型：2 字节，指示数据域应交给哪个协议实体处理。数据：46~1500 字节，包含高层协议消息；不足 46 字节时需填充至 64 字节最小长度。校验码（FCS）：4 字节，采用 32 位 CRC 校验，校验范围从目的地址到数据段末尾。802.3 帧格式：用 “长度域” 替代了 “类型域”，用于指出数据域的长度，最大为 1500 字节。(3) 高速以太网100BASE-T：双绞线传输，100Mb/s，星形拓扑，支持全 / 半双工。全双工下不使用 CSMA/CD，最短帧长不变，最大电缆长度减至 100m，帧间间隔缩短为 0.96μs。吉比特以太网（1Gb/s）：支持全 / 半双工，半双工下使用 CSMA/CD，与 10/100BASE-T 兼容。10 吉比特以太网（10Gb/s）：仅使用光纤，工作在全双工方式，不使用 CSMA/CD，帧格式与传统以太网完全一致。3.IEEE 802.11 无线局域网(1) 无线局域网的组成无线局域网主要分为两大类：有固定基础设施的无线局域网协议标准：IEEE 802.11 系列（如 802.11a/b/g/n），也称为 Wi-Fi。拓扑结构：星形拓扑，中心为接入点（AP），在 MAC 层使用 CSMA/CA 协议。基本构件：基本服务集（BSS）：由一个 AP 和若干移动站组成，是无线局域网的最小构成单元。基本服务区（BSA）：一个 BSS 覆盖的地理范围，一般不超过 100m。扩展服务集（ESS）：通过 AP 连接到分配系统（DS），再连接到多个 BSS 构成。门户（Portal）：作为无线局域网和有线以太网的桥接设备。标识：AP 需要配置SSID（服务集标识符）和信道，SSID 是该无线局域网的名称。无固定基础设施的移动自组织网络又称自组网络（ad hoc network），由一些平等状态的移动站组成临时网络，无中心 AP。各结点地位平等，可作为转发结点，因此具备路由器功能。网络拓扑随移动结点的出现和移动而动态变化，路由协议需特别设计。(2) 802.11 局域网的 MAC 帧帧类型：数据帧、控制帧、管理帧。帧组成：MAC 首部：共 30 字节，包含 4 个重要的地址字段（MAC 地址）。帧主体：承载数据，不超过 2312 字节。FCS：4 字节的帧检验序列。地址字段（4 个）：地址字段的含义由控制字段中的 “去往 AP” 和 “来自 AP” 两位决定：去往 AP=1，来自 AP=0：地址 1 是 AP 的 MAC 地址，地址 2 是源站 A 的 MAC 地址，地址 3 是目的站 B 的 MAC 地址。去往 AP=0，来自 AP=1：地址 1 是目的站 B 的 MAC 地址，地址 2 是 AP 的 MAC 地址，地址 3 是源站 A 的 MAC 地址。与有线网互联：当无线局域网通过 AP 连接到有线以太网时，地址 3 用于标识以太网中的路由器接口 MAC 地址，是实现无线与有线网互联的关键。4.VLAN基本概念与基本原理(1) 为什么需要 VLAN一个大的以太网是一个大的广播域，会带来以下问题：大量广播帧（如 ARP、DHCP）占用网络带宽，影响性能。不同部门共享同一网络，不利于信息保密和安全。虚拟局域网（VLAN） 可以将一个大的物理局域网，在逻辑上分割成多个小的广播域，与地理位置无关。(2) VLAN 的实现原理（802.1Q 标准）帧格式扩展：在标准以太网帧的源地址和类型字段之间，插入一个 4 字节的 VLAN 标签，形成 802.1Q 帧。VLAN 标签结构：前 2 字节：标签类型，固定为 0x8100，表示这是一个 802.1Q 帧。后 2 字节：标签控制信息，其中 12 位为 VID（VLAN ID），唯一标识该帧所属的 VLAN，最多可识别 4096 个不同的 VLAN。帧长变化：插入标签后，以太网最大帧长从 1518 字节变为 1522 字节，FCS 校验序列也必须重新计算。(3) VLAN 的工作机制跨交换机 VLAN：一个 VLAN 可以跨越多个交换机，前提是交换机支持 VLAN 协议。链路类型：接入链路：主机与交换机之间，传输标准以太网帧，主机不知道自己的 VID。干线链路（Trunk）：交换机之间，传输带 VLAN 标签的 802.1Q 帧，用于传递 VLAN 信息。转发流程：交换机根据帧的源 MAC 地址或端口，确定其所属 VLAN。若在同一交换机的同一 VLAN 内转发（如 A→B），则直接转发普通以太网帧。若转发到另一交换机（如 A→E），则在转发前插入 VLAN 标签，形成 802.1Q 帧；接收交换机在转发给主机前，移除标签。若在不同 VLAN 之间通信（如 A→C），则需要通过第 3 层的路由器或三层交换机来转发。(4) 核心结论VLAN 只是局域网提供的一种逻辑服务，并非新型局域网技术。它通过隔离广播域，提升了网络的性能、安全性和管理灵活性。（七）广域网1.广域网的基本概念定义：覆盖范围广（远超一个城市）的长距离网络，是因特网的核心部分，负责长距离传送主机数据。组成：由结点交换机（负责存储转发分组）和高速链路（光缆、卫星链路等）组成，结点间为点到点连接，通常一个结点交换机会与多个结点相连以提高可靠性。与互联网的区别：广域网≠互联网，互联网通过路由器连接不同类型的网络（局域网、广域网）。局域网可通过广域网与远距离的另一局域网通信。层次差异：局域网协议主要在数据链路层（少量在物理层）。广域网协议主要在网络层，核心问题是路由选择和分组转发。广域网与局域网的区别与联系：对比项广域网局域网覆盖范围很广，通常跨区域较小，通常在一个区域内连接方式结点间点到点连接，一个结点常连多个结点普遍采用多点接入技术OSI 层次三层：物理层、数据链路层、网络层两层：物理层、数据链路层着重点强调数据传输强调资源共享联系1. 均为互联网重要组成，地位平等；2. 网内通信使用物理地址同上广域网数据链路层协议：PPP 协议：目前使用最广泛。HDLC 协议：已很少使用。2.PPP协议PPP（Point-to-Point Protocol）是一种面向字节的点对点链路层协议，用于在串行线路上建立连接、传输数据。(1) PPP 协议的组成链路控制协议（LCP）：建立、配置、测试和管理数据链路。网络控制协议（NCP）：为不同的网络层协议（如 IP）配置并建立逻辑连接。封装机制：将 IP 数据报封装到串行链路的帧中，信息部分长度受最大传送单元（MTU）限制。(2) PPP 帧格式标志字段 F（1 字节）：固定为7E (01111110)，用于帧定界。地址字段 A（1 字节）：固定为0xFF。控制字段 C（1 字节）：固定为0x03。协议字段（2 字节）：标识信息字段承载的协议类型，如0x0021表示 IP 数据报。信息字段（0~1500 字节）：承载网络层数据报。帧校验序列 FCS（2 字节）：对地址、控制、协议和信息字段进行 CRC 校验。(3) 透明传输当信息字段中出现与标志字段 7E 相同的比特组合时，需进行填充：异步线路（默认）：采用字符填充法，使用转义字符7D。同步线路（如 SONET/SDH）：采用比特填充法（与 HDLC 相同）。(4) PPP 协议的特点不可靠传输：提供 CRC 差错检测，但不提供纠错、序号和确认机制。仅支持点对点链路：不支持多点线路，因此无需 CSMA/CD 协议。全双工通信：支持双向同时传输。兼容性强：两端可运行不同的网络层协议，但仍可使用同一 PPP 通信。面向字节：所有 PPP 帧长度均为整数个字节。(5) PPP 链路状态过程静止状态：无物理层连接。建立状态：检测到载波信号，建立物理连接，LCP 协商选项。身份验证状态：协商成功后进行身份验证。网络层协议状态：通过 NCP 配置网络层。打开状态：可进行数据传输。终止状态：数据传输完成后，线路终止，回到静止状态。3.HDLC协议HDLC（高级数据链路控制）是一种面向比特的数据链路层协议，具有以下核心特点：主要特性：透明传输：通过 “0 比特插入法” 实现，发送端检测到 5 个连续的 1 时，自动插入一个 0；接收端检测到 5 个连续的 1 后紧跟一个 0 时，删除该 0，还原原始比特流。全双工通信：传输效率高。差错控制：所有帧采用 CRC 校验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重发，传输可靠性高。传输控制与处理功能分离：灵活性强。帧格式：HDLC 帧由以下字段构成：标志字段 F（8bit）：固定为01111110，用于帧定界。地址字段 A（8bit）：表示从站或应答站的地址。控制字段 C（8bit）：实现流量控制、差错控制等重要功能。信息字段 Info（可变长度）：承载用户数据。帧校验序列 FCS（16bit）：用于差错检测。标志字段 F（8bit）：帧结束定界。特性HDLC 协议PPP 协议面向对象面向比特面向字节协议字段无有（2 字节，值为0x0021时表示 IP 数据报）可靠传输信息帧使用编号和确认机制，提供可靠传输不使用序号和确认机制，仅保证无差错接收（CRC 校验），端到端差错检测由高层协议负责（八）数据链路层设备1.网桥的基本概念工作层次：数据链路层的 MAC 子层。核心作用：连接多个以太网网段，扩大覆盖范围，同时将各网段隔离为独立的碰撞域（冲突域），过滤通信量，避免一个网段的故障影响其他网段。具备路径选择功能，接收数据帧后检查帧中的地址：若目的地址在另一网段，则转发到对应网段；若目的地址在本网段，则丢弃该帧（源站和目的站可直接通信，无需网桥转发）。与转发器对比：工作在物理层的转发器不具备隔离碰撞域的功能。2.局域网交换机1. 交换机的原理和特点本质：多端口的网桥，工作在数据链路层，通常工作在全双工方式。核心原理：检测数据帧的源和目的 MAC 地址，与内部动态交换表（MAC 地址表）比较，将帧转发到对应端口；若地址不在表中，则广播该帧。主要特点：每个端口可直接与单台主机相连，一般工作在全双工方式。支持多对主机同时通信，每对通信独占信道，无碰撞传输。即插即用，内部交换表通过自学习算法自动建立。采用专用交换结构，交换速率高。独占传输媒体带宽，可显著提升网络总容量（如 N 个 10Mb/s 端口的交换机，总容量可达 N×10Mb/s）。两种交换模式：直通式交换机：仅检查目的地址，帧接收后立即转发，速度快，但缺乏智能性和安全性，不支持不同速率端口的转换。存储转发式交换机：先将帧缓存，检查数据正确性后再转发，可靠性高，支持不同速率端口转换，但延迟较大。应用扩展：可实现虚拟局域网（VLAN），隔离冲突域和广播域。2. 交换机的自学习功能核心机制：交换机通过 “过滤”（丢弃本网段帧）和 “转发”（转发到其他端口）的过程，自动学习并维护交换表。自学习过程：初始时交换表为空。当交换机从某端口收到一帧时，会将帧的源 MAC 地址与入端口号写入交换表。若目的 MAC 地址在交换表中，则按表中端口转发；若不在，则向除入端口外的所有端口广播该帧。交换表中的表项具有有效时间，超时自动更新，以适应网络拓扑变化。优势：实现即插即用，无需人工配置，使用非常方便。
二、物理层（一）通信基础1.基本概念数据、信号与码元数据：连续变化的数据称为模拟数据；取值离散的数据称为数字数据。信号：连续变化的信号称为模拟信号；取值离散的信号称为数字信号。串行传输、并行传输码元：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位 k 进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位。这个时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元宽度。1 码元可以携带若干比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元：一种代表 0 状态，另一种代表 1 状态。信源、信道与信宿数据通信是数字终端间的通信，系统主要由三部分构成：信源：产生和发送数据的源头（如计算机）。信道：信号的传输媒介，是线路的逻辑部件，包含发送信道和接收信道。信宿：接收数据的终点（如计算机）。图示为一个单向通信系统的模型，实际的通信系统大多为双向的，包括一条发送信道和一条接收信道，信道可以进行双向通信。信道的分类：(1) 按传输信号形式模拟信道：传输模拟信号。数字信道：传输数字信号。(2) 按传输介质无线信道：如无线电波。有线信道：如双绞线、光纤。(3) 按传输信号类型基带信号：将数字信号 1 和 0 直接用不同电压表示，在数字信道上传输（基带传输）。宽带信号：将基带信号调制后形成频分复用模拟信号，在模拟信道上传输（宽带传输）。通信双方的交互方式：(1) 单向通信：仅一个方向通信，无反向交互，仅需一条信道。例：无线电广播、电视广播。(2) 半双工通信：双方均可发送 / 接收，但不能同时进行，需两条信道。(3) 全双工通信：双方可同时发送和接收信息，需两条信道。速率、波特与带宽速率也称数据率，指的是数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。指标名称别名定义单位关键特性码元传输速率波特率、调制速率单位时间内传输的码元个数（脉冲 / 信号变化次数）波特（Baud）1 波特 = 每秒传输 1 个码元；与码元进制数无关，可适用于二进制 / 多进制信息传输速率信息速率、比特率单位时间内传输的二进制码元个数（比特数）比特 / 秒（b/s）反映实际有效信息的传输效率若一个码元携带 n 比特信息量，则：信息传输速率 = 码元传输速率 × n（单位：b/s）带宽存在物理本义和网络应用义两个核心维度，实际网络中以应用义为主。物理本义：指信号的频带宽度，反映信号的频率范围，单位为赫兹（Hz）。网络应用义：表示通信线路所能传输数据的最高能力，即单位时间内从一点到另一点可通过的最高数据率，此时单位为比特 / 秒（b/s）。带宽与数据率存在数值互换关系，是衡量网络通信线路传输能力的核心指标。2.奈奎斯特定理与香农定理奈奎斯特定理（奈氏准则）适用场景： 理想低通信道（无噪声、带宽有限）。核心公式： $C = 2W \log_2 V$ （单位：b/s）$W$：信道带宽（Hz）$V$：每个码元的离散电平数目（码元进制数）核心结论：任何信道的码元传输速率存在上限，超过则会产生严重码间串扰，导致接收端无法正确识别码元。信道带宽越宽，可支持的码元传输速率越高。奈氏准则仅限制码元传输速率，不限制每个码元携带的比特数。要提高数据传输速率，需采用多元制调制方法，让每个码元携带更多比特信息。香农定理适用场景： 带宽有限且受高斯白噪声干扰的信道。核心公式： $C = W \log_2 (1 + S/N)$ （单位：b/s）$W$：信道带宽（Hz）$S$：信号平均功率$N$：信道内部高斯噪声功率$S/N$：信噪比（无量纲），也可表示为分贝形式：$\text{信噪比(dB)} = 10 \log_{10}(S/N)$核心结论：信道带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率越高。对于给定的带宽和信噪比，极限传输速率是确定的上限。只要传输速率低于该极限，理论上可找到无差错的传输方法。香农定理给出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的速率远低于此值。两者对比：奈奎斯特定理： 仅考虑带宽，限制码元传输速率，未考虑噪声影响。香农定理： 同时考虑带宽和信噪比，给出了更现实的极限信息传输速率，指出一个码元对应的二进制位数是有限的。3.编码与调制数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的，都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输；模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。数字数据编码为数字信号数字数据编码用于基带传输，核心目标是有效区分数字信号 “0” 和 “1”，同时兼顾自同步（时钟基准）与传输效率。基础编码类（核心区分 0/1）编码方式核心规则核心优势核心劣势关键考点(1) 归零编码（RZ）高电平 = 1、低电平 = 0；每个时钟周期中间必须跳变归零自带自同步，接收方可精准校准时钟占用额外带宽，传输效率低对比 NRZ 的 “不归零”(2) 非归零编码（NRZ）全程不归零，一个周期完整传输数据带宽利用率高无时钟信号，难以同步，需额外时钟线编码最简单但同步差跳变优化类（平衡同步与效率）编码方式核心规则核心优势关键定位(3) 反向非归零码（NRZI）信号翻转 = 0，信号保持 = 1结合 NRZ 的高效与 RZ 的同步，开销小USB 2.0 标准编码(4) 曼彻斯特编码每个码元中间跳变：前高后低 = 1，前低后高 = 0（或相反）中间跳变同时作为时钟 + 数据，自带同步以太网 标准编码（必考）(5) 差分曼彻斯特编码中间必跳变（同步）；码元边界电平不变 = 1，变 = 0（或相反）抗干扰性优于曼彻斯特编码局域网传输，抗干扰强效率优化类（解决长连续 0/1 问题）(6) 4B/5B 编码原理：将每 4 位数据组转换为 5 位码（32 种组合中仅用 16 种对应 4 位数据，其余 16 种作控制码）。目的：解决长串 “0” 导致的同步丢失问题，提高编码效率，减少冗余开销。数字数据调制为模拟信号数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应调制解调器的调制和解调过程。幅移键控 (ASK, Amplitude Shift Keying)原理：通过改变载波信号的振幅来表示数字信号 1 和 0，而载波的频率和相位保持不变。特点：方法简单，容易实现，但抗噪声和抗干扰能力较差。频移键控 (FSK, Frequency Shift Keying)原理：通过改变载波信号的频率来表示数字信号 1 和 0，而载波的振幅和相位保持不变。特点：容易实现，抗干扰能力较强，是目前应用较为广泛的调制方式。相移键控 (PSK, Phase Shift Keying)原理：通过改变载波信号的相位来表示数字信号 1 和 0，而载波的振幅和频率保持不变。分类：绝对调相：利用相位角本身的数值表示信息。相对调相 (DPSK)：利用前后码元的相位差表示信息。正交振幅调制 (QAM, Quadrature Amplitude Modulation)原理：在载波频率相同的前提下，将 ASK（幅移键控） 与 PSK（相移键控） 结合，形成振幅与相位共同叠加的复合信号。速率公式：若波特率为 $B$，调制方式采用 $m$ 个相位，且每个相位有 $n$ 种不同的振幅，则该调制方式的状态数 $V = m \times n$。根据数据传输速率（位速率）公式：$$R = B \log_2(m \times n) \quad (\text{单位: b/s})$$模拟数据编码为数字信号最典型的方式是脉码调制（PCM），用于将模拟信号（如音频）转换为数字信号，包含三个核心步骤：采样定义：对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变为离散信号。采样定理（奈奎斯特定理）：若原始信号最高频率为 $f$，则采样频率 $f_{\text{采样}} \ge 2f$，才能保证采样后的信号无失真地代表原始模拟数据。量化定义：将采样得到的电平幅值按分级标度转换为离散的数字值并取整，把连续的电平值转为离散量。编码定义：将量化后的结果转换为对应的二进制编码。模拟数据调制为模拟信号目的：为了实现传输的有效性，将模拟数据（如声音）加载到更高频率的载波信号上进行传输。技术：可使用 频分复用（FDM） 技术，充分利用带宽资源。应用：电话机和本地局交换机就采用这种方式，将模拟的声音数据加载到模拟的载波信号中进行传输。4.电路交换、报文交换与分组交换电路交换核心流程：分为连接建立→数据传输→连接释放三个阶段，建立后通路被双方独占，直到通信结束释放。关键特点：结点采用 “直通方式”，无存储转发耗时；适用于数据量大、传输时间远大于呼叫时间的场景。典型应用：传统电话网。报文交换核心机制：以 “完整报文” 为单位，交换结点采用存储转发模式，无需预先建立专用通路。关键局限：对报文大小无限制，要求结点具备大缓存空间；转发时延包含存储、校验、排队等环节，效率较低。现状：早期用于电报通信网，现基本被分组交换取代。分组交换核心改进：将长报文拆分为固定大小的分组，添加源地址、目的地址、编号等控制信息，解决报文交换的大缓存和高时延问题。两种服务类型：数据报服务：可能出现分组失序、丢失、重复，需接收方排序重组。虚电路服务：无失序问题，有呼叫建立、数据传输、电路释放三个过程。适用场景：端到端多链路、计算机之间的突发式数据通信（当前互联网的核心交换方式）。交换方式核心特征传输单位关键机制核心优势核心劣势电路交换建立独占物理通路连续数据无存储转发，直通传输时延小、有序无冲突、实时性强建立连接慢、线路独占（利用率低）、故障容错差报文交换无专用通路，存储转发完整报文接收→存储→校验→转发无需建连、线路利用率高、多目标服务转发时延大、需大缓存、早期技术（现已少用）分组交换无专用通路，存储转发分组（Packet）报文拆分→分组传输→重组时延适中、线路利用率高、缓存易管理、可靠性强有存储转发时延、额外控制信息开销、可能失序 / 丢失5.数据报与虚电路数据报服务传输过程：报文拆分为带序号的分组→每个分组独立路由→中间结点短暂存储转发→分组可能经不同路径、无序到达接收方。关键优势：无需建连、故障适应性强、资源利用率高、存储转发时延小。关键劣势：分组可能失序 / 丢失，需主机端负责排序、重传和流量控制。虚电路服务核心机制：建立阶段分配虚电路号，各结点维护 “虚电路表”（记录电路号、前后结点标识）；传输阶段按虚电路号转发，无需重复选路；结束后发送 “释放请求” 拆除电路。关键优势：分组有序、开销小、网络提供可靠性保障，适合长时高频通信。关键劣势：建连 / 拆连耗时，对交互式短分组通信不经济；故障时虚电路整体瘫痪，容错性差。对比维度数据报服务虚电路服务连接建立无需建立，随时发送分组必须建立（呼叫请求→呼叫应答），分 “建立→传输→释放” 三阶段地址携带每个分组含完整源 / 目的地址仅建立阶段用完整地址，传输阶段仅带虚电路标识符（开销小）路由选择每个分组独立选路，路径可能不同仅建立阶段选路，传输阶段固定路径转发分组顺序不保证有序到达（接收方需重组排序）保证分组按序到达可靠性保障网络不保证，由用户主机负责网络保证（有序、无丢失），可由网络 / 主机负责流量控制故障适应性故障结点丢失分组，其余分组重新选路，不影响整体故障结点 / 链路失效，该虚电路所有分组均无法传输适用场景突发式数据、短分组、对有序性要求低的通信长时间、频繁的大数据交换，对有序性 / 可靠性要求高的通信（二）传输介质1.双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质(1) 传输介质分类：传输介质是数据传输的物理通路，分为两大类：导向传输介质：电磁波沿固体媒介（铜线、光纤）传播，如双绞线、同轴电缆、光纤。非导向传输介质：电磁波在空气、真空、海水等中传播，如无线电波、微波、红外线、激光。(2) 导向传输介质：双绞线结构：两根绝缘铜导线按规则绞合，可减少电磁干扰。非屏蔽双绞线（UTP）：无额外屏蔽层，价格便宜。屏蔽双绞线（STP）：增加金属丝屏蔽层，抗干扰能力更强。应用：局域网、传统电话网，模拟 / 数字传输均可，通信距离为几千米到数十千米，距离过远需放大器或中继器。同轴电缆结构：由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。分类：50Ω 基带同轴电缆：用于基带数字信号传输，局域网中应用广泛。75Ω 宽带同轴电缆：用于宽带信号传输，主要用于有线电视系统。特点：抗干扰性好，传输速率高、距离远，但价格高于双绞线。光纤原理：利用光导纤维传递光脉冲通信，有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0。结构：纤芯（高折射率）+ 包层（低折射率），光线在纤芯中通过全反射传输。分类：多模光纤：允许多条光线同时传输，光源为发光二极管，易失真，适合近距离传输。单模光纤：纤芯极细，光线直线传播，光源为半导体激光器，衰减小，适合远距离（数十千米）传输。优点：通信容量大、传输损耗小、抗雷电和电磁干扰、保密性好、体积小重量轻。(3) 无线传输介质：无线电波特点：穿透能力强，传输距离远，信号向所有方向散播，接收设备无需对准发射方向。应用：移动电话、无线局域网（WLAN）等。微波、红外线和激光共性：均为视线介质，需收发方之间存在视距通路，方向性强，沿直线传播。微波通信：频率高、频段宽、通信容量大，地面传播距离有限，需中继接力；卫星通信可利用地球同步卫星实现全球通信，优点是容量大、距离远、覆盖广，缺点是保密性差、传播时延长。红外线 / 激光通信：将信号转换为红外光或激光信号，直接在空间中传播。2.物理层接口的特性物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性:(1) 机械特性。指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。(2) 电气特性。指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。(3) 功能特性。指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。(4) 过程特性。或称规程特性。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。常用的物理层接口标准有 EIA RS-232-C、ADSL 和 SONET/SDH等。（三）物理层设备1.中继器核心功能中继器工作在物理层，主要功能是对信号进行整形并放大再生，以消除信号长距离传输后的失真和衰减，从而扩大网络传输距离。其原理是信号再生，而非简单放大衰减的信号。工作特点端口：仅有两个端口，数据从一端输入，另一端输出。作用范围：仅作用于信号的电气部分，不检测数据错误或适用性。连接对象：用于连接网段，而非子网。连接后的多个网段仍属于同一个局域网，且两端网段必须使用同一协议，且速率必须相同（因无存储转发功能）。重要规则与限制“5-4-3 规则”：在 10BASE5 以太网规范中，互相串联的中继器不能超过 4 个，且用 4 个中继器串联的 5 段通信介质中，只有 3 段可挂接计算机，其余 2 段仅用作链路扩展，不能接计算机。数量限制：理论上中继器可无限使用，但受网络标准中信号延迟范围限制，超范围会引发网络故障。与放大器的区别放大器：放大模拟信号，原理是直接放大衰减的信号。中继器：放大数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。2.集线器本质定义集线器是一个多端口的中继器，工作在物理层。它本质上并非智能网络设备，而是单纯的信号转发装置。工作原理(1) 信号处理：接收信号后进行整形放大再生（恢复信号），并转发给除输入端口外的其他所有端口。(2) 冲突机制：若同时有两个或多个端口输入数据，会发生冲突，导致数据无效。(3) 共享式设备：信息传输方向固定，所有端口共享带宽，逻辑上属于同一个总线网络。核心特征与局限(1) 共享带宽：所有端口属于同一个冲突域。只能在半双工状态下工作，吞吐率受限。例：10Mb/s 集线器连接 8 台计算机，若同时工作，每台计算机实际带宽仅为 1.25Mb/s。(2) 集中式管理：组网灵活，以 Hub 为中心集中管理各结点。故障隔离：可隔离出问题的工作站，防止其影响全网运行。(3) 连接方式：主要使用双绞线组建共享网络，是服务器连接桌面的经济方案。交换式网络中，Hub 直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面。
六、应用层（一）网络应用模型1.客户/服务器（C/S）模型在客户/服务器（C/S）模型中，有一个总是打开的主机称为服务器，它服务于许多来自其他称为客户机的主机请求。工作流程：服务器持续处于接收请求的待机状态；客户机向服务器发送服务请求，并等待响应结果；服务器接收请求后，完成解析、处理，将结果返回给客户机。主要特征：客户机是服务请求方，服务器是服务提供方主要特点还有：特点具体解读典型示例地位不平等网络中计算机分层管理，服务器可限制客户机权限，网络管理集中化服务器禁止客户机随意删除服务器端数据客户机不直连客户机之间无直接通信链路，需通过服务器中转Web 应用中，两个浏览器无法直接交互可扩展性受限受服务器硬件性能、网络带宽约束，支持的客户机数量存在上限高并发场景下，单台 Web 服务器易出现访问拥堵2.P2P模型C/S、P2P 对比C/S 模型痛点：性能依赖中心服务器，大量用户请求时服务器易成为系统瓶颈。P2P 模型核心：网络传输内容不存储于中心服务器，所有结点兼具下载、上传功能，权利与义务对等，无固定客户机与服务器划分。P2P模型看似去中心化，实则本质上仍然使用客户/服务器模式，每个结点均兼具 “客户”（访问资源）与 “服务器”（提供资源）双重身份，对等方（Peer）可直接通信。P2P 的优势：(1) 降低服务器依赖：减轻中心服务器计算压力，消除单点依赖，任务分布式分配，提升系统效率与资源利用率。(2) 支持点对点共享：多个客户机之间可直接共享文档等资源。(3) 可扩展性强：突破传统服务器的响应能力与带宽限制，能承载更多请求。(4) 网络健壮性高：单个结点失效不会影响其他结点的正常运行。P2P 的缺点：(1) 本地性能损耗：结点在获取服务的同时需为他人提供服务，占用大量内存，降低整机运行速度，频繁 P2P 下载还会损耗硬盘。(2) 网络拥塞问题：P2P 流量占互联网总流量的 50%~90%，易造成网络拥堵，因此多数 ISP（互联网服务提供商）对其持反对态度。（二）域名系统1.层次域名空间定义：因特网采用层次树状结构的命名方法，每个连接到因特网的主机或路由器都有一个唯一的层次结构名称，即域名（Domain Name）。标号规则英文不区分大小写。除连字符（-）外，不能使用其他标点符号。每个标号不超过 63 个字符，完整域名最长不超过 255 个字符。顶级域名（TLD）分类(1) 国家（地区）顶级域名（nTLD）：代表不同的国家或地区，如 .cn（中国）、.us（美国）、.uk（英国）。其下注册的二级域名由对应国家（地区）自行确定。(2) 通用顶级域名（gTLD）：常见的有 .com（公司）、.net（网络服务机构）、.org（非营利性组织）、.gov（政府部门）等。(3) 基础结构域名：只有一个，即 .arpa，用于反向域名解析，又称反向域名。域名空间的管理：域名空间是一个倒置的树状结构，每个域由不同的组织进行管理。管理组织可以将其域再分成一定数目的子域，并委托给其他组织管理。例如，中国管理 .cn 域，并将 edu.cn 子域授权给 CERNET 管理。2.域名服务器DNS 系统整体设计结构：因特网的域名系统（DNS）是一个联机分布式数据库系统，采用客户 / 服务器模型。核心任务：完成域名到 IP 地址的解析。特点：域名到 IP 地址的映射并非集中存储，而是分布在所有 DNS 服务器上，通过分布式设计实现了高可扩展性和健壮性。四种主要域名服务器类型(1) 根域名服务器地位：最高层次的域名服务器，是整个 DNS 体系的 “入口”。作用：存储所有顶级域名服务器的 IP 地址。当本地域名服务器无法解析时，会首先求助于根域名服务器。根服务器通常不直接转换域名，而是告知下一步应查询的顶级域名服务器地址。部署：因特网上共有 13 个根域名服务器，每个服务器实际上是一个冗余服务器集群，以保障安全性和可靠性。(2) 顶级域名服务器（TLD）作用：负责管理在该顶级域名（如.com、.cn）下注册的所有二级域名。响应：收到查询请求后，可能给出最终结果，也可能返回下一步应查询的授权域名服务器的 IP 地址。(3) 授权域名服务器（权限域名服务器）作用：每台主机都必须在授权域名服务器处登记，该服务器负责保存其管辖区域内所有主机的域名到 IP 地址的映射，并能将这些主机名转换为对应的 IP 地址。建议：为了可靠工作，一台主机最好至少配置两个授权域名服务器。许多域名服务器同时充当本地域名服务器和授权域名服务器。(4) 本地域名服务器作用：当一台主机发出 DNS 查询请求时，首先将请求发送给本地域名服务器。它对 DNS 系统的性能至关重要，是用户主机与整个 DNS 系统交互的入口。归属：通常由 ISP、大学或机构提供，我们在 Windows 系统中配置的 “DNS 地址”，就是本地域名服务器的地址。当本地域名服务器无法解析时，会迭代查询根服务器、顶级域名服务器，最终找到授权域名服务器，完成解析。这种层次化、分布式的设计，使得 DNS 系统能够高效、可靠地支撑全球因特网的域名解析需求。3.域名解析域名解析定义：将域名映射为 IP 地址（正向解析），或将 IP 地址映射为域名（反向解析）的过程。工作方式：客户端通过本机 DNS 客户端构造 DNS 请求报文，以UDP 数据报方式发往本地域名服务器。两种查询方式(1) 递归查询本地域名服务器只需向根服务器查询一次，后续的多次查询都由其他服务器递归完成。特点：给根域名服务器造成的负载过大，因此在实际中几乎不使用。(2) 递归与迭代相结合的查询（实际主流）主机 → 本地域名服务器：采用递归查询。若本地服务器不知道答案，就以 DNS 客户的身份继续查询，而非让主机自己进行下一步操作。本地域名服务器 → 根 / 顶级 / 授权服务器：采用迭代查询。服务器收到请求后，要么给出最终 IP 地址，要么告知下一步应查询的服务器地址，让本地服务器自行继续查询。解析过程示例（以查询 y.abc.com 为例）(1) 客户机向本地域名服务器发出递归查询请求。(2) 本地服务器查询本地缓存，若无记录则以 DNS 客户身份向根服务器发出迭代查询。(3) 根服务器返回.com顶级域名服务器dns.com的 IP 地址。(4) 本地服务器向dns.com发起迭代查询。(5) dns.com返回abc.com授权域名服务器dns.abc.com的 IP 地址。(6) 本地服务器向dns.abc.com发起迭代查询。(7) dns.abc.com返回y.abc.com的 IP 地址。(8) 本地服务器将结果缓存，并返回给客户机。性能优化：高速缓存为提高查询效率、减少 DNS 报文数量，DNS 服务器广泛使用高速缓存。当服务器收到查询结果时，会将信息缓存。后续相同域名查询可直接从缓存返回 IP 地址，无需再向其他服务器查询。由于主机名和 IP 地址的映射并非永久有效，DNS 服务器会在一段时间后丢弃高速缓存中的信息。（三）文件传输协议概念：文件传输协议（FTP） 是因特网上使用最广泛的文件传输协议，采用客户 / 服务器模式，基于可靠的 TCP 传输服务。核心特点：屏蔽了各计算机系统的细节，适合在异构网络的任意计算机之间传送文件。主要功能：(1) 提供不同主机系统之间的文件传输能力。(2) 以用户权限管理的方式提供对远程 FTP 服务器上的文件管理能力。(3) 支持匿名 FTP，实现公用文件共享。工作原理FTP 服务器进程由两大部分组成：主进程：负责接收新的请求。从属进程：负责处理单个客户端请求，处理完毕后即终止。工作步骤：打开熟知端口 21（控制端口），等待客户连接。等待客户进程发起连接请求。启动从属进程处理客户请求，主、从进程并发执行。从属进程处理完毕后终止，主进程回到等待状态，继续接收新请求。注：FTP 服务器在整个会话期间必须保留用户状态信息，如用户账户、当前远程目录位置等。控制连接与数据连接FTP 使用两个并行的 TCP 连接，这是其重要特征：连接类型服务器端口作用特点控制连接21传输控制信息（如连接请求、传送请求、中止命令等），控制信息以 7 位 ASCII 格式传送整个会话期间一直保持打开，不用于传送文件数据连接20用于实际的文件数据传输传输完毕后即关闭由于控制信息和数据传输使用不同的连接，FTP 的控制信息被称为带外（Out-of-band）传送。数据连接的两种传输模式数据连接的建立由客户端决定，分为两种模式：主动模式（PORT）客户端随机开放一个端口，发送 PORT 命令告知服务器。服务器通过端口 20 主动连接到客户端开放的端口进行数据传输。特点：“服务器” 连接到 “客户端” 的端口。被动模式（PASV）客户端发送 PASV 命令，服务器在本地随机开放一个端口并告知客户端。客户端主动连接到服务器开放的端口进行数据传输。特点：“客户端” 连接到 “服务器” 的端口。与 NFS 的对比FTP：若要修改服务器上的文件，必须先将文件下载到本地，修改后再上传回服务器，来回传输耗费时间。网络文件系统（NFS）：允许进程直接打开一个远程文件，并在文件的特定位置开始读写数据，无需复制整个文件，效率更高。（四）电子邮件1.电子邮件系统的组成结构电子邮件的核心特点异步通信：通信时不需要双方同时在场，邮件被发送到收件人邮件服务器的收件箱中，收件人可随时读取。应用广泛：是因特网上流行的通信方式，适合非实时信息传递。电子邮件系统的三大组成构件(1) 用户代理（UA）：是用户与电子邮件系统的接口，提供友好的界面用于撰写、显示和处理邮件。(2) 邮件服务器：负责发送和接收邮件，并向发件人报告邮件传送状态（已交付、被拒绝、丢失等）。工作方式：采用客户 / 服务器模式，同时充当客户和服务器。例如，当服务器 A 向服务器 B 发送邮件时，A 是 SMTP 客户，B 是 SMTP 服务器；反之亦然。(3) 电子邮件协议发送协议（SMTP）：用于用户代理向邮件服务器发送邮件，或邮件服务器之间转发邮件。采用 “推（Push）” 方式，主动将邮件送达服务器。读取协议（POP3/IMAP）：用于用户代理从邮件服务器读取邮件。采用 “拉（Pull）” 方式，由用户代理主动向服务器请求邮件。邮件传输的基本流程① 发信人调用用户代理来撰写和编辑要发送的邮件。用户代理用 SMTP 把邮件传送给发送端邮件服务器。② 发送端邮件服务器将邮件放入邮件缓存队列中，等待发送。③ 运行在发送端邮件服务器的 SMTP 客户进程，发现邮件缓存中有待发送的邮件，就向运行在接收端邮件服务器的 SMTP 服务器进程发起建立 TCP 连接。④ TCP 连接建立后，SMTP 客户进程开始向远程 SMTP 服务器进程发送邮件。当所有待发送邮件发完后，SMTP 就关闭所建立的 TCP 连接。⑤ 运行在接收端邮件服务器中的 SMTP 服务器进程收到邮件后，将邮件放入收信人的用户邮箱，等待收信人在方便时进行读取。⑥ 收信人打算收信时，调用用户代理，使用 POP3（或 IMAP）协议将自己的邮件从接收端邮件服务器的用户邮箱中取回（如果邮箱中有来信的话）。2.电子邮件格式与MIME电子邮件格式整体结构：电子邮件由信封和内容两大部分组成，其中内容又分为首部和主体。首部格式：由 RFC 822 规定，包含若干关键字段，每个字段由 “关键字：字段值” 组成。必需字段：To：收件人邮箱地址，格式为用户名@邮件服务器域名（如abc@cskaoyan.com），保证地址全网唯一。From：发件人邮箱地址，通常由邮件系统自动填入。可选字段：Subject：邮件主题，概括邮件主要内容。分隔规则：首部与主体之间用一个空行分隔。多用途网际邮件扩充（MIME）产生背景：SMTP 协议仅能传送有限长度的 ASCII 码邮件，无法传输中文、二进制文件等非 ASCII 内容，因此提出 MIME 作为补充。核心作用：MIME 不改动或取代 SMTP，而是在其基础上增加了邮件主体的结构，定义了非 ASCII 码的编码规则，使其能在现有邮件系统下传输。主要内容：新增 5 个邮件首部字段，包括 MIME 版本、内容描述、内容标识、传送编码和内容类型。标准化了多媒体电子邮件的内容格式。定义了传送编码，可将任意内容格式转换，避免被邮件系统误改。3.SMTP和POP3SMTP（简单邮件传输协议）SMTP 是一种可靠的电子邮件传输协议，采用客户 / 服务器模式，基于 TCP 连接，使用熟知端口 25。其通信分为三个阶段：(1) 连接建立发送方邮件服务器的 SMTP 客户定期扫描邮件缓存，发现邮件后，与接收方邮件服务器的 SMTP 服务器直接建立 TCP 连接。接收方服务器返回 220 Service ready 表示就绪。SMTP 客户发送 HELO 命令，附上发送方主机名，完成握手。特点：SMTP 不使用中间邮件服务器，TCP 连接直接在发送方和接收方服务器之间建立。(2) 邮件传送MAIL 命令：开始传送，指明发件人地址（如 MAIL FROM: <hoopdog@hust.edu.cn>），服务器回复 250 OK 表示就绪。RCPT 命令：指明收件人地址（如 RCPT TO: <收件人地址>），用于提前确认地址有效性，避免浪费资源。DATA 命令：开始传输邮件内容，以 <CRLF>.<CRLF> 标识内容结束。(3) 连接释放邮件发送完毕后，SMTP 客户发送 QUIT 命令。服务器返回 221 表示服务关闭，同意释放 TCP 连接。POP3 和 IMAP（邮件读取协议）(1) POP3（邮局协议第 3 版）采用 “拉（Pull）” 方式，用户代理向邮件服务器发出请求，取回邮件。基于 TCP 连接，使用熟知端口 110。两种工作方式：下载并保留：邮件读取后仍保存在服务器，用户可再次读取。下载并删除：邮件一旦被读取，即从服务器删除，无法再次读取。(2) IMAP（因特网报文存取协议）比 POP3 更复杂，提供了创建文件夹、移动邮件、远程查询邮件头等高级功能。服务器维护会话状态信息，允许用户只获取报文的部分内容（如首部），适合低带宽环境。(3) 基于万维网的电子邮件如 Hotmail、Gmail 等，用户通过浏览器访问。特点：用户与邮件服务器之间使用 HTTP 协议，而邮件服务器之间的传输仍使用 SMTP。（五）万维网（WWW）1.WWW 的概念与组成结构定义：万维网是一个分布式、联机式的信息存储空间，其中的有用事物被称为 “资源”，并由 统一资源定位符（URL） 唯一标识。资源通过 超文本传输协议（HTTP） 传送，用户通过点击超链接即可获取资源。通过超链接实现从一个站点到另一个站点的便捷访问，支持主动按需获取信息。万维网的三大核心标准(1) 统一资源定位符（URL）：负责标识万维网上的各种文档，使每个文档在整个万维网内具有唯一的标识符。一般形式：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>协议：获取文档的方式，如 http、ftp 等。主机：存放资源的主机域名或 IP 地址。端口和路径：有时可省略，URL 不区分大小写。(2) 超文本传输协议（HTTP）：应用层协议，使用 TCP 连接进行可靠传输，是客户端和服务器交互必须遵守的协议。(3) 超文本标记语言（HTML）：一种文档结构标记语言，使用约定标记对页面上的文字、声音、图像、视频等信息及格式进行描述，方便超链接跳转和页面显示。万维网的工作方式——客户 / 服务器模式客户端：用户使用的浏览器（如 Chrome、Edge）。服务器：存放万维网文档的主机，即万维网服务器。工作流程：用户通过浏览器（指定 URL）与 Web 服务器建立连接，并发送浏览请求。服务器将 URL 转换为文件路径，返回请求的万维网文档。通信完成，关闭连接。万维网的地位：万维网是无数网络站点和网页的集合，构成了因特网最主要的部分（因特网还包括电子邮件、Usenet 和新闻组等其他服务）。2.超文本传输协议（HTTP）定义：HTTP 是面向事务的应用层协议，定义了浏览器（客户端）与万维网服务器之间的请求 / 响应格式与规则，是可靠交换多媒体文件的基础。HTTP 操作过程：用户单击鼠标后所发生的事件按顺序如下（以访问清华大学的网站为例）：1)浏览器分析链接指向页面的URL (http://www.tsinghua.edu.cn/chn/index.htm)。2)浏览器向 DNS 请求解析www.tsinghua.edu.cn的IP地址。3)域名系统 DNS 解析出清华大学服务器的IP地址。4)浏览器与该服务器建立 TCP 连接（默认端口号为80）。5)浏览器发出 HTTP 请求：GET /chn/index.htm。6)服务器通过 HTTP 响应把文件index.htm发送给浏览器。7)释放 TCP 连接，8)浏览器解释文件index.htm，并将 Web 页显示给用户。HTTP 核心特点：(1) 传输层依赖：使用 TCP 保证可靠传输，但 HTTP 本身是无连接的，通信前无需建立 HTTP 连接。(2) 无状态性：服务器不记忆客户端的历史访问，简化了服务器设计。实际应用中通过 Cookie + 数据库跟踪用户活动。Cookie 原理：服务器为用户生成唯一识别码，通过 Set-cookie 首部写入浏览器；后续请求时，浏览器在 Cookie 首部带回识别码，服务器据此查询用户活动记录。(3) 连接方式：非持久连接：每个网页元素（如图片、Flash）都需单独建立 TCP 连接，开销大，每个对象导致 2×RTT 延迟。持久连接（HTTP/1.1 支持）：连接在响应后保持，可复用传输后续请求。非流水线方式：客户端需等待前一个响应后才能发送下一个请求，连接易空闲。流水线方式（默认）：客户端可连续发送多个请求，所有对象共享 1 个 RTT 延迟，减少空闲时间，提升效率。HTTP 报文结构：HTTP 是面向文本的协议，报文字段均为 ASCII 码串，分为请求报文和响应报文两类，均由三部分组成：组成部分请求报文响应报文开始行请求行：方法 + URL + 版本状态行：版本 + 状态码 + 短语首部行说明浏览器、服务器或报文主体信息说明服务器、响应内容等信息实体主体通常不用部分响应报文包含返回数据常用请求方法：GET：请求读取由 URL 标识的资源。HEAD：请求读取资源的首部。POST：向服务器添加信息（如提交表单）。CONNECT：用于代理服务器。常见应用层协议小结FTP 数据连接：TCP，端口 20FTP 控制连接：TCP，端口 21TELNET：TCP，端口 23SMTP：TCP，端口 25DNS：UDP，端口 53TFTP：UDP，端口 69HTTP：TCP，端口 80POP3：TCP，端口 110SNMP：UDP，端口 161
「计算机网络」预习：（一）计算机网络体系结构
计算机网络1、计算机网络体系结构2、物理层3、数据链路层4、网络层5、传输层6、应用层章节建议天数难度系数核心任务1. 体系结构1天⭐⭐⭐定基调：搞懂分层、服务、协议、SAP、原语2. 物理层1天⭐⭐重概念：信号、码元、速率、信道复用技术（不深究通信数学）3. 数据链路层2天⭐⭐⭐重逻辑：封装成帧、差错检测、流量控制、MAC协议（特别是以太网）4. 网络层3天⭐⭐⭐⭐⭐最难啃：IP协议、子网划分、路由算法（RIP/OSPF）、ARP协议5. 传输层2.5天⭐⭐⭐⭐最核心：TCP/UDP、三次握手/四次挥手、流量控制/拥塞控制6. 应用层1.5天⭐⭐轻应用：HTTP、DNS、FTP、SMTP（结合抓包工具体验最佳）一、计算机网络体系结构（一）计算机网络概述1.概念：3种观点，由低级到高级广义观点：强调物理层面的网络连通。——计算机网络发展低级阶段计算机网络是“用通信线路（如光纤、网线、微波）将分布在不同地理位置、具有独立功能的多台计算机系统（以及终端、外设）连接起来，以功能完善的网络软件（网络协议、操作系统等）实现数据通信的系统”资源共享观点：强调共享资源（软件、硬件、数据）——当前计算机网络的基本特征“以相互共享资源（硬件、软件、数据）为目的而连接起来的、具有各自独立功能的计算机系统的集合”用户透明性观点：分布式系统，强调服务与抽象——计算机网络未来发展理想状态“存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，它能够调用用户所需要的资源，而整个网络就像一个虚拟的巨型计算机系统，对用户是透明的”比如你使用百度网盘时，你不需要关心你的文件存在哪个机房的哪块硬盘上，系统自动帮你完成了这一切，这即是“透明性”的体现。2.组成：3种角度从组成部分角度来看：计算机网络由硬件、软件、协议三大部分组成。从工作方式角度来看：计算机网络分为边缘部分和核心部分。从功能组成角度来看：计算机网络由通信子网和资源子网组成。3.功能：5大功能数据通信资源共享分布式处理提高可靠性负载均衡4.分类：6种角度按分布范围分类(1) 广域网(远程网)（WAN）(2) 城域网（MAN）(3) 局域网 （LAN）(4) 个人局域网（PAN）注：若中央处理器之间的距离非常近(如<=1m)，一般称为多处理器系统，而不称为计算机网络。按传输技术分类(1) 广播式网络(2) 点对点网络按拓扑结构分类(1) 总线形(2) 星形(3) 环形(4) 网状按使用者分类(1) 公用网(2) 专用网按交换技术分类(1) 电路交换网络(2) 报文交换网络(3) 分组交换网络按传输介质分类传输介质可以分为有线和无线两大类，因此网络可以分为：(1) 有线网络(2) 无线网络5.性能指标：7个指标带宽：最高数据传输速率，单位：比特/秒。时延：数据从网络的一段传送到另一端的总耗时。包括4部分：(1) 发送时延（传输时延）：发送时延 = 分组长度/信道宽度(2) 传播时延：传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率(3) 处理时延(4) 排队时延：在输入队列中排队、在输出队列中排队总时延计算：总时延 = (1) + (2) + (3) + (4)注1：计算时，(3)(4)一般忽略不计。注2：高速链路减少了发送时延而非传播时延。时延带宽积：链路管道可以容纳的比特数量。时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽往返时延：从发送端发出一个短分组，到收到确认的总时延。吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量。速率：数据传输速率。最高传输速率称为带宽。信道利用率：信道有数据通过的时间所占总时间的比例。信道利用率 = 有数据通过的时间/总时间（二）计算机网络体系结构与参考模型1.计算机网络分层结构不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。第n层使用第n-1层的服务，向第n+1层提供服务，称为服务提供者。最高层向用户提供服务。下一层提供服务的实现细节对上一层透明；两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方。2.计算机网络协议、接口、服务协议：网络协议只存在于对等层。协议由语法、语义、同步三部分组成。一个完整的协议通常具有线路管理、差错控制、数据转换等功能。接口：同一结点内，相邻两层之间交换信息的连接点。在典型的接口上，相邻两层的实体通过SAP（服务访问点）进行交互。服务：下层为上层提供的功能调用。上层使用下层提供的服务时，必须交换一些命令，在OSI参考模型中称为服务原语。OSI将服务原语分为4类：请求、指示、响应、证实。服务可以按照3种角度分类：(1) 面向连接服务与无连接服务(2) 可靠服务和不可靠服务(3) 有应答服务和无应答服务3.ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型OSI参考模型ISO提出的网络体系结构模型，称为开放系统互连参考模型（OSI/RM），简称OSI参考模型。OSI参考模型有7层，自下而上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。其中，低三层统称为通信子网，高三层统称为资源子网。(1) 物理层(2) 数据链路层(3) 网络层(4) 传输层(5) 会话层(6) 表示层(7) 应用层TCP/IP模型TCP/IP模型从低到高依次为网络接口层（对应物理层和数据链路层）、网际层、传输层、应用层（对应会话层、表示层、应用层）。比较相同点(1) 二者都采取分层的体系结构，将庞大且复杂的问题划分为若干较容易处理的、范围较小的问题，而且分层的功能也大体相似。(2) 二者都是基于独立的协议栈的概念。(3) 二者都可以解决异构网络的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信。不同点(1) OSI 参考模型精确地定义了三个主要概念：服务、协议和接口；TCP/IP 模型在这三个概念上却没有明确区分。(2) OSI 参考模型：先有模型，后有协议，通用性强，但因设计者经验不足，功能分层不够合理。TCP/IP 模型：先有协议，后有模型，协议与模型匹配度高，但通用性差，仅适用于自身协议栈。(3) TCP/IP 模型在设计之初就考虑到了多种异构网的互连问题，并将网际协议（IP）作为一个单独的重要层次。OSI 参考模型最初只考虑到用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连。OSI 参考模型认识到 IP 的重要性后，只好在网络层中划分出一个子层来完成类似于 TCP/IP 模型中的 IP 的功能。(4) OSI 参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。TCP/IP 模型认为可靠性是端到端的问题，因此它在网际层仅有一种无连接的通信模式，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。无论是 OSI 参考模型还是 TCP/IP 模型，都不是完美的，对二者的讨论和批评都很多。学习计算机网络时，我们往往采取折中的办法，采用只有 5 层协议的体系结构，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。