第1章 計算機網路體系結構

1.1 計算機網路概述

計算機網路是一個將分散的、具有獨立功能的計算機系統，通過通訊裝置與線路連線起來，由功能完善的軟體實現資源共享和資訊傳遞的系統。
資源共享觀點：計算機網路是以能夠相互共享資源的方式互聯起來的自治計算機系統的集合。1）目的：資源共享；2）組成單元：分佈在不同地理位置的多臺獨立的自治計算機；3）網路中的計算機必須遵循的統一規則——網路協議

計算機網路的組成：
1）從組成部分上看：硬體、軟體、協議，協議是核心
2）從工作方式上看：邊緣部分（主機）和核心部分（網路、路由器）
3）從功能組成上看：通訊子網和資源子網

計算機網路的功能

：
1）資料通訊
2）資源共享
3）分散式處理
4）提高可靠性
5）負載均衡

計算機網路的分類：
1）按分佈範圍分類：廣域網、都會網路、區域網、個人區域網
2）按傳輸技術分類：廣播式網路、點對點網路
3）按拓撲結構分類：星形網路、匯流排形網路、環形網路、網狀形網路
4）按使用者分類：公用網、專用網
5）按交換技術分類：電路交換網路、報文交換網路、分組交換網路
6）按傳輸介質分類：有線網路、無線網路

計算機網路的效能指標：
1）頻寬：網路的通訊線路所能傳送資料的能力，單位赫茲Hz
2）時延：傳送時延（傳輸時延）、傳播時延、處理時延、排隊時延
傳送時延（傳輸時延）=分組長度/通道寬度
傳播時延=通道長度/電磁波在通道上的傳播速率
總時延=傳送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延

3）時延頻寬積：在傳送的第一個位元即將到達終點時，傳送端已經發出的位元數，時延頻寬積=傳播時延*通道頻寬
4）往返時延RTT：從傳送端傳送資料開始，到傳送端收到來自接收端的確認
5）吞吐量
6）速率：資料率或位元率，單位是位元每秒b/s

選擇題

2.計算機網路最基本的功能是（資料通訊）

6.計算機網路的資源主要是指（計算機硬體、軟體和資料）

12.區域網與廣域網的互聯是通過（路由器）實現的

14.廣域網的拓撲結構通常採用（網狀形）

15.在n個結點的星形拓撲結構中，有（n-1）條物理鏈路

18.世界上最早的計算機網路是（ARPAnet）

1.2 計算機網路體系結構與參考模型

計算機網路的各層及其協議的集合稱為網路的體系結構，它是計算機網路中的層次、各層的協議以及層間借介面的集合。

服務資料單元SDU、協議控制資訊PCI、協議資料單元PDU

1）第n層的實體不僅要使用第n-1層的服務，實現自身定義的功能，還要向第n+1層提供本層的服務，該服務是第n層及其下面各層提供的服務總和。
2）最底層只提供服務，是整個層次結構的基礎；中間各層既是下一層的服務使用者，又是上一層的服務提供者；最高層面向用戶提供服務。
3）上一層只能通過相鄰層間的介面使用下一層的服務，而不能呼叫其他層的服務；下一層所提供服務的實現細節對上一層透明。
4）兩個主機通訊時，對等層在邏輯上有一條直接通道，表現為不經過下層就把資訊傳送到對方。

協議是控制兩個（或多個）對等實體進行通訊的集合，也就是水平的。不對等實體之間沒有協議。協議由語法、語義和同步三部分組成。
介面是同一結點內相鄰兩層間交換資訊的連線點，不能跨層定義介面。同一結點相鄰兩層的實體通過服務訪問點SAP進行互動。
服務是指下層為緊相鄰的上層提供的功能呼叫，也就是垂直的。
本層的服務只能看見服務而無法看見下面的協議。

面向連線服務：連線建立、資料傳輸和連線釋放
無連線服務：盡最大努力交付
可靠服務：保證資料正確、可靠地傳送到目的地
不可靠服務：不能保證資料正確、可靠地傳送到目的地，盡力而為的服務
有應答服務：接收方在收到資料後向傳送方給出相應地應答，由傳輸系統內部自動實現
無應答服務：接收方接到資料後不自動給出應答

開放系統互聯參考模型，簡稱OSI參考模型：物理層、資料鏈路層、網路層、運輸層、會話層、表示層、應用層。低三層統稱為通訊子網，高三層統稱為資源子網，運輸層承上啟下。
1）物理層：傳輸單位是位元，任務是透明地傳輸位元流，定義資料終端裝置DTE和資料通訊裝置DCE的物理和邏輯連線方法
物理層介面標準：EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21
雙絞線、光纜、無線通道並不在物理層協議之內而在物理層協議下面。
2）資料鏈路層：傳輸單位是幀，任務是將網路層傳下來的IP資料報組裝成幀。功能：成幀、差錯控制、流量控制、傳輸管理等
資料鏈路層協議：SDLC、HDLC、PPP、STP和幀中繼
3）網路層：傳輸單位是資料報，任務是把網路層的協議資料單元（分組）從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通訊服務。功能：路由選擇、流量控制、擁塞控制、差錯控制和國際互聯等
網路層協議：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF
4）傳輸層：傳輸單位是報文段（TCP）或使用者資料報（UDP），任務是負責主機中兩個程序之間的通訊。功能是為端到端連線提供可靠地傳輸服務；流量控制、差錯控制、服務質量、資料傳輸管理等
資料鏈路層提供的是點到點的通訊，傳輸層提供端到端的通訊
傳輸層協議：TCP、UDP
5）會話層：不同主機上各程序之間的會話，負責管理主機間的會話程序
6）表示層：處理在兩個通訊系統中交換資訊的表示方式
7）應用層：是使用者與網路的介面，使用的協議最多，FTP、SMTP、HTTP等

TCP/IP模型：網路介面層、網際層、傳輸層、應用層
1）網路介面層：類似於OSI的物理層和資料鏈路層，從主機或結點接收IP分組，並把它們傳送到指定的物理網路上
2）網際層（主機-主機）：將分組傳送到任何網路，併為之獨立地選擇合適的路由，但不保證各個分組有序到達，有序交付由高層負責
3）傳輸層（應用-應用，或程序-程序）：傳輸控制協議TCP、使用者資料報協議UDP
4）應用層（使用者-使用者）：Telnet、FTP、DNS、SMTP、HTTP

選擇題

1.（定義功能執行的方法）不是對網路模型進行分層的目標

3.協議是指在（不同結點對等實體）之間進行通訊的規則或約定

15.資料的格式轉換及壓縮屬於OSI參考模型中（表示層）的功能

23.TCP/IP參考模型的網路層提供的是（無連線不可靠的資料報服務）

第2章 物理層

2.1 通訊基礎

通道
單工：只有一個方向的通訊，而沒有反方向的互動，僅需要一條通道
半雙工：通訊雙方都可以傳送、接收資訊，但不能同事傳送接收，需要兩條通道
全雙工：通訊雙方可以同時傳送、接收資訊，需要兩條通道

碼元傳輸速率：表示單位時間內數字通訊系統所傳輸的碼元個數（也可稱為脈衝個數或訊號變化的次數），單位是波特Baud，1波特表示數字通訊系統每秒傳輸一個碼元
資訊傳輸速率：表示單位時間內數字通訊系統傳輸的二進位制碼元個數（即位元數），單位是位元/秒（b/s）
若一個碼元攜帶n位元的資訊量，則M波特的碼元傳輸速率所對應的資訊傳輸速率為M*n bit/s。
頻寬是指訊號具有的頻頻寬度，單位是赫茲Hz，表示在單位時間內從網路中的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”，此時單位是bit/s。

奈奎斯特定理，又稱奈氏準則，指出在理想低通（沒有噪聲、頻寬有限）的通道中，極限碼元傳輸率為2W波特，其中W是理想低通訊道的頻寬，單位為Hz。若用V表示每個碼元離散電平的數目（碼元的離散電平數目是指有多少種不同的碼元，比如有16種不同的碼元，則需要4位二進位制位，因此資料傳輸率是碼元傳輸率的4倍），則極限資料率為：
理想低通訊道下的極限資料傳輸率=2Wlog2 V（單位b/s）

夏農定理：給出了頻寬受限且有高斯白噪聲干擾的通道的極限資料傳輸速率
通道的極限資料傳輸速率=Wlog2 (1+S/N)（單位b/s）
其中W為通道的頻寬，S為通道所傳輸訊號的平均功率，N為通道內部的高斯噪聲功率。S/N為信噪比，信噪比=10log10 (S/N)（單位dB），即當S/N=1000時，信噪比為30dB

調製：把資料變換為模擬訊號的過程
編碼：把資料變換為數字訊號的過程
數字資料編碼為數字訊號：
1）非歸零碼：沒有檢錯功能，難以保持同步
2）曼徹斯特編碼：將一個碼元分成兩個相等的間隔，前一個間隔為高電平後一個間隔為低電平表示碼元1，碼元0則正好相反。可用於同步，乙太網使用這種編碼方式
3）差分曼徹斯特編碼：若碼元為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的後半個碼元的電平相同，若為0，則相反。可以實現自同步，且抗干擾性較好。
4）4B/5B編碼

數字資料調製為模擬訊號：幅移鍵控（振幅）、頻移鍵控（頻率）、相移鍵控（相位）、正交振幅調製（幅移鍵控、相移鍵控相結合）
模擬資料編碼為數字訊號：常用於對音訊訊號進行編碼的脈衝調製
1.抽樣 2.量化 3.編碼
取樣頻率必須大於等於最大頻率的兩倍，才能保證取樣後的數字訊號完整保留原始模擬訊號的資訊
模擬資料調製為模擬訊號：頻分複用技術等

電路交換：兩結點之間建立一條專用（雙方獨佔）的物理通訊路徑，傳輸期間一直獨佔。連線建立、資料傳輸、連線釋放
報文交換：無需建立專門連線，報文攜帶有目標地址等資訊，採用儲存轉發的傳輸方式
分組交換：採用儲存轉發方式，把報文分割成小的資料塊，加上必要的控制資訊進行傳輸
1）無連線的資料報：不需要建立連線，網路盡最大努力交付，不保證可靠性，分組之間可能存在不同路徑，各個分組分別轉發
2）面向連線的虛電路：在傳送方和接收方建立一條邏輯上相連的虛電路，分組沿著虛電路傳輸，虛電路建立、資料傳輸、虛電路釋放

	資料報	虛電路
連線的建立	不要	必須有
目的地址	每個分組都有完整的目的地址	僅在建立連線階段使用，之後每個分組使用長度較短的虛電路號
路由選擇	每個分組獨立地進行路由選擇和轉發	屬於同一條虛電路的分組按照同一路由轉發
分組順序	不保證分組的有序到達	保證分組的有序到達
可靠性	不保證可靠通訊，可靠性由使用者主機來保證	可靠性由網路保證
對網路故障的適應性	出故障的結點丟失分組，其他分組可正常傳輸	所有經過故障結點的虛電路均不能正常工作
差錯處理和流量控制	由使用者主機進行流量控制，不保證資料報的可靠性	可由分組交換網負責，也可由使用者主機負責

選擇題

25.資料經過網路的傳輸延遲長而且是不固定的，不能用於語音資料傳輸的是（報文交換）

26.乙太網採用的是（分組交換技術）

27.為了使資料在網路中傳輸時延最小，首選的交換方式是（電路交換）

30.為了使資料在網路中的傳輸時延最小，首選的交換方式時（電路交換），為保證資料無差錯地傳送，不應選用的交換方式是（電路交換），分組交換對報文交換的主要改進是（傳輸單位更小且有固定的最大長度），這種改進產生的直接結果是（減少傳輸時延），在出錯率很高的傳輸系統中，選用（資料報方式）更合適。

32.同一報文中的分組可以由不同的傳輸路徑通過通訊子網的方法是（資料報）

2.2 傳輸介質

無線：無線電波、微波、紅外線和鐳射
有線：雙絞線、同軸電纜、光纖

物理層介面的特性：機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性

選擇題

3.利用一根同軸電纜互連主機構成乙太網，則主機間的通訊方式是（半雙工）

4.同軸電纜比雙絞線的傳輸速度更快，得益於（同軸電纜具有更高的遮蔽性，同時具有更好的抗噪聲性）

5.不受電磁干擾和噪聲影響的傳輸介質是（光纖）

6.多模光纖傳輸光訊號的原理是（光的全反射特性）

11.在物理層介面特性中，用於描述完成每種功能的事件發生順序的是（過程特性）

2.3 物理層裝置

中繼器：又稱為轉發器，主要功能是將訊號整形並放大再轉發出去，以消除訊號的失真和衰減問題，使訊號的波形和強度達到所需要的要求，來擴大網路傳輸的距離。其原理是訊號再生（而不是簡單地將衰減訊號放大）。兩端的網路部分是網段，而不是子網。若出現故障，對相鄰兩個網段的工作將產生影響。
具有5-4-3規則：互相串聯的中繼器的個數不能超過4個，而且用4箇中繼器串聯的5段通訊介質中只有3個段可以掛接計算機，其餘兩個段只能用作擴充套件通訊範圍的鏈路段。
集線器：實質上是一個多埠的中繼器，只起到訊號放大和轉發作用，其目的是擴大網路的傳輸範圍，而不具備訊號的定向傳送能力。主要用於使用雙絞線元件共享網路。由集線器組成的網路是共享式網路，每個埠連線的網路部分是同一個網路的不同網段，只能在半雙工下工作。對訊號進行放大後發到其他所有埠

選擇題

7.一般來說，集線器連線的網路在拓撲結構上屬於（星形）

8.用集線器連線的工作站集合（同屬一個衝突域，也同屬一個廣播域）

第3章 資料鏈路層

3.1 資料鏈路層的功能

功能：為網路層提供服務、鏈路管理、幀定界、幀同步與透明傳輸、流量控制和差錯控制

3.2 組幀

字元計數法：在幀頭部使用一個計數字段來標明幀內字元數
字元填充的首尾定界符法：使用特定字元定界幀的開始和結束，在資料中的特殊字元前面用轉義字元填充
位元填充的首尾填充法：資料區每遇到連續5個1就填充0
違規編碼法：訊號傳輸過程中採用違規的編碼來表示幀的起始和終止

3.3 差錯控制

檢錯編碼：奇偶校驗碼、迴圈冗餘碼
糾錯編碼：海明碼

3.4 流量控制與可靠傳輸機制

可靠傳輸：資料鏈路層通常使用確認和超時重傳兩種機制來保證可靠傳輸
流量控制：
1）停止等待協議：傳送方每傳送一幀都要等待接收方的應答訊號才能傳送下一幀
傳送視窗大小=1，接收視窗大小=1
2）後退N幀協議：傳送方一次可傳送N幀，按序接收，重傳從最後一個確認開始
傳送視窗大小>1，接收視窗大小=1
當接收視窗大小為1時，可保證幀的有序接收。
若採用n個位元對幀編號，則其傳送視窗的尺寸WT應滿足：1≤WT≤2^n-1
3）選擇重傳協議：傳送方一次可傳送N幀，可以不按序接收，重傳沒有確認的幀
傳送視窗大小>1，接收視窗大小>1
若採用n個位元對幀編號，需滿足條件：接收視窗WR+傳送視窗WT≤2^n；接收視窗WR≤2 ^(n-1)。當接收視窗為最大值時，WTmax=WRmax=2 ^(n-1)

通道的效率，也稱為通道利用率，是對傳送方而言的，是指傳送方在一個傳送週期的時間內，有效地傳送資料所需要的時間佔整個傳送週期的比率。
例如，傳送方從開始傳送資料，到收到第一個確認幀為止，稱為一個傳送週期，設為T，傳送方在這個週期內共傳送L位元的資料，傳送方的資料傳輸率為C，則傳送方用於傳送有效資料的時間為L/C，在這種情況下，通道的利用率為(L/C)/T
通道吞吐率=通道利用率*傳送方的傳送速率

選擇題

11.對於視窗大小為n的滑動視窗，最多可以有（n-1）幀已傳送但沒有確認

3.5 介質訪問控制

介質訪問控制的任務是為使用介質的每個結點隔離來自同一通道上其他結點所傳頌的訊號，以協調活動結點的傳輸。

通道劃分介質訪問控制：
頻分多路複用FDM：將多路基帶訊號調製到不同頻率載波上再進行疊加形成一個複合訊號
時分多路複用TDM：將物理通道按時間分為若干時間片，輪流給不同訊號使用
波分多路複用WDM：在一根光纖中傳輸多種不同波長（頻率）的光訊號
碼分多路複用CDM：靠不同的編碼來區分各種原始訊號，既共享通道的頻率，又共享時間，例如分碼多重進接CDMA技術

隨機訪問介質訪問控制：
1）ALOHA協議
純ALOHA：不檢測直接傳送，若無確認則等待重發
時隙ALOHA：將時間劃分為若干等長時隙，按時傳送
2）CSMA協議
1-堅持：閒則傳送，忙則繼續監聽
非堅持：閒則傳送，忙則等待一個隨機時間再聽
p-堅持：閒則以概率p傳送，1-p等待下一個時隙，忙則等待一個隨機時間再聽

通道狀態	1-堅持	非堅持	p-堅持
空閒	立即傳送資料	立即傳送資料	以概率p傳送資料，以概率1-p推遲到下一個時隙
忙	繼續堅持監聽通道	放棄監聽，等待一個隨機的時間後再監聽	放棄監聽，等待一個隨機的時間後再監聽

3）載波偵聽多路訪問/碰撞檢測CSMA/CD協議：不可能同時進行傳送和接收，所以不可能進行全雙工通訊，只能進行半雙工通訊，適用於匯流排型網路或半雙工網路
流程：先聽後發，邊聽邊發，衝突停發，隨機重發
碰撞解決：採用二進位制指數退避演算法來解決碰撞問題

爭用期：乙太網端到端往返時間
最小幀長=匯流排傳播時延 * 資料傳輸速率 * 2
乙太網規定最短幀長為64B，凡長度小於64B的都是由於衝突而異常終止的無效幀。

問題：
a. 接收訊號的強度往往會遠小於傳送訊號的強度，且在無線介質上訊號強度動態變化範圍很廣，因此若要實現碰撞檢測，那麼在硬體上需要的花費就會過大
b. 在無線通道中，並非所有的站點都能夠聽見對方，即“隱蔽站”問題

4）載波偵聽多路訪問/碰撞避免CSMA/CA協議：
避免碰撞：預約通道、ACK幀、RTS/CTS幀
解決碰撞：採用二進位制指數退避演算法來解決碰撞問題

CSMA/CD與CSMA/CA主要有如下區別：
1）CSMA/CD可以檢測衝突，但無法避免；CSMA/CA傳送包的同時不能檢測到通道上有無衝突，本結點處沒有衝突並不意味著在接收結點處就沒有衝突，只能儘量避免
2）傳輸介質不同。CSMA/CD用於匯流排式乙太網，而CSMA/CA則用於無線區域網802.11a/b/g/n
3）檢測方式不同。CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測；而CSMA/CA採用能量檢測、載波檢測和能量載波混合檢測三種檢測通道空閒的方式
4）在本結點處有（無）衝突，並不一定意味著在接收結點處就有（無）衝突
總結：CSMA/CA協議的基本思想是在傳送資料時先廣播告知其他結點，讓其他結點在某段時間內不要傳送資料，以免出現碰撞。CSMA/CD協議的基本思想是傳送前偵聽，邊傳送邊偵聽，一旦出現碰撞馬上停止傳送。

輪詢訪問介質訪問控制：令牌傳遞協議，只有得到令牌的機器才能傳送資料，其他必須等待，非常適合負載很高的廣播通道

選擇題

2.時分多路複用TDM所利用的傳輸介質的性質是（介質的位速率大於單個訊號的位速率）

3.從表面上看，FDM比TDM能更好地利用通道的傳輸能力，但現在計算機網路更多地使用TDM而不是FDM，其原因是（TDM可用於數字傳輸而FDM不行）

4.（統計時分多路複用）具有動態分配時隙的功能

12.乙太網總，當資料傳輸率提高時，幀的傳送時間就會相應的縮短，這樣可能會影響到衝突的檢測。為了能有效地檢測衝突，可以使用的解決方案是（減少電纜介質的長度或增加最短幀長）

21.根據CSMA/CD協議的工作原理，需要提高最短幀長度的是（衝突域的最大距離不變，網路傳輸速率提高）

23.令牌環網路的拓撲結構為環狀，只有獲得了令牌的主機才能傳送資料，因此（不存在衝突）

3.6 區域網

區域網是在一個較小的地理範圍內將各種計算機、外部裝置和資料庫系統等通過雙絞線、同軸電纜等連線介質互相連線起來，組成資源和資訊共享的計算機網際網路絡。
1）拓撲結構：星形結構、環形結構、匯流排形結構、星形和匯流排形結合的複合型結構
2）傳輸介質：雙絞線、同軸電纜、光纖
3）介質訪問控制方式：CSMA/CD、令牌匯流排、令牌環，前兩種用於匯流排形區域網，令牌環用於環形區域網
乙太網：邏輯拓撲是匯流排形結構，物理拓撲是星形或拓展星形結構
令牌環：邏輯拓撲是環形結構，物理拓撲是星形結構
FDDI（光纖分佈數字介面）：邏輯拓撲是環形結構，物理拓撲是環形結構

IEEE 802.3標準是一種基帶匯流排型的區域網標準，描述物理層和資料鏈路層的MAC子層的實現方法。
通常將802.3區域網簡稱為乙太網：無連線、不對傳送的資料幀編號、也不要求接收方傳送確認，即乙太網盡最大努力交付資料，提供不可靠服務，對於差錯的糾正則由高層完成

引數	10BASE5	10BASE2	10BASE-T	10BASE-FL
傳輸媒體	基帶同軸電纜（粗纜）	基帶同軸電纜（細纜）	非遮蔽雙絞線	光纖對（850nm）
編碼	曼徹斯特編碼	曼徹斯特編碼	曼徹斯特編碼	曼徹斯特編碼
拓撲結構	匯流排型	匯流排型	星形
最大段長	500m	185m	100m	2000m
最多結點數目	100	30	2	2

無線區域網：有固定基礎設施無線區域網、無固定基礎設施的無線區域網自組織網路

選擇題

6.網絡卡實現的主要功能在（物理層和資料鏈路層）

3.7 廣域網

	廣域網	區域網
覆蓋範圍	很廣，通常跨區域	較小，通常在一個區域內
連線方式	結點之間都是點到點連線，但為了提高網路的可靠性，一個結點交換機往往與多個結點交換機相連	普遍採用多點接入技術
OSI層次	三層：物理層、資料鏈路層、網路層	兩層：物理層、資料鏈路層
聯絡與相似點	1.廣域網與區域網都是網際網路的重要組成構件，從網際網路的角度上看，二者平等 2.連線在一個廣域網或一個區域網上的主機在該網內進行通訊時，只需要使用其網路的實體地址即可
著重點	強調資源共享	強調資料傳輸

PPP協議：面向位元組，採用位元組填充方式，只支援全雙工鏈路，提供差錯檢測但不提供糾錯功能，只保證無差錯接收
高階資料鏈路控制HDLC協議：面向位元，採用0位元插入法，幀類分為資訊幀、監督幀和無編號幀，使用了編號和確認機制，能夠提供可靠傳輸

3.8 資料鏈路層裝置

網橋：把兩個或多個乙太網通過網橋連線起來變成一個網段，工作在鏈路層的MAC子層
1）透明網橋：按照自學習演算法填寫轉發表，按轉發錶轉發
2）源路由網橋：先發送發現幀，按返回結果轉發（選擇最佳路由）

區域網交換機：實際就是一個多埠網橋，工作在資料鏈路層
1）直通式：幀在接收後只檢查目的地址，幾乎能馬上就被傳出去
2）儲存轉發：先將接收到的幀快取到快取記憶體器，檢查資料正確性
相同點：按MAC地址轉發，都能隔離衝突域，不能隔離廣播域

選擇題

10.通過交換機連線的一組工作站（組成一個廣播域，但不是一個衝突域）

11.一個16埠的集線器的衝突域和廣播域的個數分別是（1,1）

12.一個16個埠的乙太網交換機，衝突域和廣播域的個數分別是（16,1）

第4章 網路層

4.1 網路層的功能