計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)點(diǎn)全面匯總（上）

一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類

按照網(wǎng)絡(luò)的作用范圍：廣域網(wǎng)（WAN）、城域網(wǎng)（MAN）、局域網(wǎng)（LAN）；

按照網(wǎng)絡(luò)使用者：公用網(wǎng)絡(luò)、專用網(wǎng)絡(luò)。

1.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)

TCP/IP四層模型與OSI體系結(jié)構(gòu)對(duì)比：

1.3 層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

• 各層之間是相互獨(dú)立的；
• 每一層需要有足夠的靈活性；
• 各層之間完全解耦。

1.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

速率：bps=bit/s時(shí)延：發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、處理時(shí)延往返時(shí)間RTT：數(shù)據(jù)報(bào)文在端到端通信中的來回一次的時(shí)間。

二、物理層

物理層的作用：連接不同的物理設(shè)備，傳輸比特流。該層為上層協(xié)議提供了一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的可靠的物理媒體。簡單的說，物理層確保原始的數(shù)據(jù)可在各種物理媒體上傳輸。

物理層設(shè)備：

• 中繼器【Repeater，也叫放大器】：同一局域網(wǎng)的再生信號(hào)；兩端口的網(wǎng)段必須同一協(xié)議；5-4-3規(guī)程：10BASE-5以太網(wǎng)中，最多串聯(lián)4個(gè)中繼器，5段中只能有3個(gè)連接主機(jī)；
• 集線器：同一局域網(wǎng)的再生、放大信號(hào)（多端口的中繼器）；半雙工，不能隔離沖突域也不能隔離廣播域。

信道的基本概念：信道是往一個(gè)方向傳輸信息的媒體，一條通信電路包含一個(gè)發(fā)送信道和一個(gè)接受信道。

1. 單工通信信道：只能一個(gè)方向通信，沒有反方向反饋的信道；
2. 半雙工通信信道：雙方都可以發(fā)送和接受信息，但不能同時(shí)發(fā)送也不能同時(shí)接收；
3. 全雙工通信信道：雙方都可以同時(shí)發(fā)送和接收。

三、數(shù)據(jù)鏈路層

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述

數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，其最基本的服務(wù)是將源自網(wǎng)絡(luò)層來的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點(diǎn)的目標(biāo)機(jī)網(wǎng)絡(luò)層。數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質(zhì)上提供可靠的傳輸。

該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、重發(fā)等。

有關(guān)數(shù)據(jù)鏈路層的重要知識(shí)點(diǎn)：

1. 數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸；
2. 基本數(shù)據(jù)單位為幀；
3. 主要的協(xié)議：以太網(wǎng)協(xié)議；
4. 兩個(gè)重要設(shè)備名稱：網(wǎng)橋和交換機(jī)。

封裝成幀：“幀”是數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)的基本單位：

透明傳輸：“透明”是指即使控制字符在幀數(shù)據(jù)中，但是要當(dāng)做不存在去處理。即在控制字符前加上轉(zhuǎn)義字符ESC。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層的差錯(cuò)監(jiān)測(cè)

差錯(cuò)檢測(cè)：奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC

1. 奇偶校驗(yàn)碼–局限性：當(dāng)出錯(cuò)兩位時(shí)，檢測(cè)不到錯(cuò)誤。
2. 循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼：根據(jù)傳輸或保存的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生固定位數(shù)校驗(yàn)碼。

3.3 最大傳輸單元MTU

最大傳輸單元MTU(Maximum Transmission Unit)，數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀不是無限大的，數(shù)據(jù)幀長度受MTU限制.

路徑MTU：由鏈路中MTU的最小值決定。

3.4 以太網(wǎng)協(xié)議詳解

MAC地址：每一個(gè)設(shè)備都擁有唯一的MAC地址，共48位，使用十六進(jìn)制表示。

以太網(wǎng)協(xié)議：是一種使用廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，是一種應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，使用以太網(wǎng)可以完成相鄰設(shè)備的數(shù)據(jù)幀傳輸：

局域網(wǎng)分類：

Ethernet以太網(wǎng)IEEE802.3：

1. 以太網(wǎng)第一個(gè)廣泛部署的高速局域網(wǎng)
2. 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率快
3. 以太網(wǎng)硬件價(jià)格便宜，網(wǎng)絡(luò)造價(jià)成本低

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)：

1. 類型：標(biāo)識(shí)上層協(xié)議（2字節(jié)）
2. 目的地址和源地址：MAC地址（每個(gè)6字節(jié)）
3. 數(shù)據(jù)：封裝的上層協(xié)議的分組（46~1500字節(jié)）
4. CRC：循環(huán)冗余碼（4字節(jié)）
5. 以太網(wǎng)最短幀：以太網(wǎng)幀最短64字節(jié)；以太網(wǎng)幀除了數(shù)據(jù)部分18字節(jié)；數(shù)據(jù)最短46字節(jié)；

MAC地址（物理地址、局域網(wǎng)地址）

1. MAC地址長度為6字節(jié)，48位；
2. MAC地址具有唯一性，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器對(duì)應(yīng)一個(gè)MAC地址；
3. 通常采用十六進(jìn)制表示法，每個(gè)字節(jié)表示一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)，用 - 或 : 連接起來；
4. MAC廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

四、網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的目的是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。數(shù)據(jù)交換技術(shù)是報(bào)文交換（基本上被分組所替代）：采用儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)方式，數(shù)據(jù)交換單位是報(bào)文。

網(wǎng)絡(luò)層中涉及眾多的協(xié)議，其中包括最重要的協(xié)議，也是TCP/IP的核心協(xié)議——IP協(xié)議。IP協(xié)議非常簡單，僅僅提供不可靠、無連接的傳送服務(wù)。IP協(xié)議的主要功能有：無連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸、數(shù)據(jù)報(bào)路由選擇和差錯(cuò)控制。

與IP協(xié)議配套使用實(shí)現(xiàn)其功能的還有地址解析協(xié)議ARP、逆地址解析協(xié)議RARP、因特網(wǎng)報(bào)文協(xié)議ICMP、因特網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP。具體的協(xié)議我們會(huì)在接下來的部分進(jìn)行總結(jié)，有關(guān)網(wǎng)絡(luò)層的重點(diǎn)為：

1. 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對(duì)子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由選擇。此外，網(wǎng)絡(luò)層還可以實(shí)現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)際互連等功能；
2. 基本數(shù)據(jù)單位為IP數(shù)據(jù)報(bào)；
3. 包含的主要協(xié)議：

• IP協(xié)議（Internet Protocol，因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）;
• ICMP協(xié)議（Internet Control Message Protocol，因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議）;
• ARP協(xié)議（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）;
• RARP協(xié)議（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析協(xié)議）。

4. 重要的設(shè)備：路由器。

路由器相關(guān)協(xié)議

4.1 IP協(xié)議詳解

IP網(wǎng)際協(xié)議是 Internet 網(wǎng)絡(luò)層最核心的協(xié)議。虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生：實(shí)際的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜；物理設(shè)備通過使用IP協(xié)議，屏蔽了物理網(wǎng)絡(luò)之間的差異；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)使用IP協(xié)議連接時(shí)，無需關(guān)注網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)，于是形成了虛擬網(wǎng)絡(luò)。

IP協(xié)議使得復(fù)雜的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€(gè)虛擬互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)；并且解決了在虛擬網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)報(bào)傳輸路徑的問題。

其中，版本指IP協(xié)議的版本，占4位，如IPv4和IPv6；首部位長度表示IP首部長度，占4位，最大數(shù)值位15；總長度表示IP數(shù)據(jù)報(bào)總長度，占16位，最大數(shù)值位65535；TTL表示IP數(shù)據(jù)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的壽命，占8位；協(xié)議表明IP數(shù)據(jù)所攜帶的具體數(shù)據(jù)是什么協(xié)議的，如TCP、UDP。

4.2 IP協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)流程

4.3 IP地址的子網(wǎng)劃分

A類（8網(wǎng)絡(luò)號(hào)+24主機(jī)號(hào)）、B類（16網(wǎng)絡(luò)號(hào)+16主機(jī)號(hào)）、C類（24網(wǎng)絡(luò)號(hào)+8主機(jī)號(hào)）可以用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)或路由器，D類地址作為組廣播地址，E類是地址保留。

4.4 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT技術(shù)

用于多個(gè)主機(jī)通過一個(gè)公有IP訪問訪問互聯(lián)網(wǎng)的私有網(wǎng)絡(luò)中，減緩了IP地址的消耗，但是增加了網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)雜度。

NAT 工作原理：

從內(nèi)網(wǎng)出去的IP數(shù)據(jù)報(bào)，將其IP地址替換為NAT服務(wù)器擁有的合法的公共IP地址，并將替換關(guān)系記錄到NAT轉(zhuǎn)換表中；

從公共互聯(lián)網(wǎng)返回的IP數(shù)據(jù)報(bào)，依據(jù)其目的的IP地址檢索NAT轉(zhuǎn)換表，并利用檢索到的內(nèi)部私有IP地址替換目的IP地址，然后將IP數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

4.5 ARP協(xié)議與RARP協(xié)議

地址解析協(xié)議 ARP（Address Resolution Protocol）：為網(wǎng)卡（網(wǎng)絡(luò)適配器）的IP地址到對(duì)應(yīng)的硬件地址提供動(dòng)態(tài)映射?？梢园丫W(wǎng)絡(luò)層32位地址轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)鏈路層MAC48位地址。

ARP 是即插即用的，一個(gè)ARP表是自動(dòng)建立的，不需要系統(tǒng)管理員來配置。

RARP(Reverse Address Resolution Protocol)協(xié)議指逆地址解析協(xié)議，可以把數(shù)據(jù)鏈路層MAC48位地址轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)層32位地址。

4.6 ICMP協(xié)議詳解

網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議（Internet Control Message Protocol），可以報(bào)告錯(cuò)誤信息或者異常情況，ICMP報(bào)文封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)當(dāng)中。

ICMP協(xié)議的應(yīng)用：

• Ping應(yīng)用：網(wǎng)絡(luò)故障的排查；
• Traceroute應(yīng)用：可以探測(cè)IP數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中走過的路徑。

4.7網(wǎng)絡(luò)層的路由概述

關(guān)于路由算法的要求：正確的完整的、在計(jì)算上應(yīng)該盡可能是簡單的、可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的變化、穩(wěn)定的公平的。

自治系統(tǒng)AS ：指處于一個(gè)管理機(jī)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備群，AS內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)自治管理，對(duì)外提供一個(gè)或多個(gè)出入口，其中自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由協(xié)議為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，如RIP、OSPF等；自治系統(tǒng)外部的路由協(xié)議為外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，如BGP。

靜態(tài)路由 ：人工配置，難度和復(fù)雜度高；

動(dòng)態(tài)路由：

1. 鏈路狀態(tài)路由選擇算法LS：向所有隔壁路由發(fā)送信息收斂快；全局式路由選擇算法，每個(gè)路由器計(jì)算路由時(shí)，需構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；利用Dijkstra算法求源端到目的端網(wǎng)絡(luò)的最短路徑；Dijkstra(迪杰斯特拉)算法
2. 距離-向量路由選擇算法DV：向所有隔壁路由發(fā)送信息收斂慢、會(huì)存在回路；基礎(chǔ)是Bellman-Ford方程（簡稱B-F方程）；

4.8 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議之RIP協(xié)議

路由信息協(xié)議 RIP(Routing Information Protocol)【 應(yīng)用層 】，基于距離-向量的路由選擇算法，較小的 AS（自治系統(tǒng)） ，適合小型網(wǎng)絡(luò)；RIP報(bào)文，封裝進(jìn)UDP數(shù)據(jù)報(bào)。

RIP協(xié)議特性：

1. RIP在度量路徑時(shí)采用的是跳數(shù)（每個(gè)路由器維護(hù)自身到其他每個(gè)路由器的距離記錄）；
2. RIP的費(fèi)用定義在源路由器和目的子網(wǎng)之間；
3. RIP被限制的網(wǎng)絡(luò)直徑不超過15跳；
4. 和隔壁交換所有的信息，30主動(dòng)一次（廣播）。

4.9 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議之OSPF協(xié)議

開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議 OSPF(Open Shortest Path First)【網(wǎng)絡(luò)層】，基于鏈路狀態(tài)的路由選擇算法（即Dijkstra算法），較大規(guī)模的AS ，適合大型網(wǎng)絡(luò)，直接封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸。

OSPF協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：

1. 安全；
2. 支持多條相同費(fèi)用路徑；
3. 支持區(qū)別化費(fèi)用度量；
4. 支持單播路由和多播路由；
5. 分層路由。

RIP與OSPF的對(duì)比（路由算法決定其性質(zhì)）：

4.10外部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議之BGP協(xié)議

BGP（Border Gateway Protocol）邊際網(wǎng)關(guān)協(xié)議【應(yīng)用層】：是運(yùn)行在AS之間的一種協(xié)議,尋找一條好路由：首次交換全部信息，以后只交換變化的部分,BGP封裝進(jìn)TCP報(bào)文段.