[國家電網備考]計算機網絡

計算機網絡的概述

概念:
用通信設備與線路將地理位置不同,功能獨立的計算機系統互連起來,以功能完善的網絡軟件實現網絡中資源共享和信息傳遞的系統
自治計算機:
能夠自我管理,配置,維護的計算機(目前我們使用的電腦)
以前的終端只有顯示器,不能叫做自治計算機

計算機網絡向用戶提供的最重要的功能

連通性
共享性

接入網

接入網AN:由終端連接到邊緣路由器的物理鏈路,由ISP提供
ISP: 互聯網服務提供者,根據提供服務覆蓋面積大小以及擁有的ip地址的不同,分為不同層次的ISP: 主干ISP,地區ISP 和本地ISP
接入方式:

家庭接入: 數字用戶線(DSL)
使用已有的數字電話線,光纖,電纜,頻分復用…
企業(家庭)接入:Ethernet
以太網交換機及鏈路構成接入網
企業(家庭接入):無線局域網
基站,共享,wifi
廣域無線接入:3G/4G/5G
電信公司提供,使用現有的蜂窩電話網絡

計算機網絡的性能指標

速率
b/s ,數據的傳輸速率
帶寬
單位時間,信道能通過的最高數據率
在通信領域意義不同
吞吐率
鏈路上每秒傳輸的bit數,b/s
時延
總時延 = 發送時延(傳輸時延) + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延

電路交換,報文交換,分組交換

電路交換
先建立源點到終點的鏈路,面向連接,然后傳輸報文
階段:1) 建立連接 2)通信 3)釋放連接
優點:時延小,實時性高
缺點:難以應對突發情況,效率低,無糾錯能力

報文交換
報文先傳到相鄰節點,存儲,再查找轉發表,轉發到下一個節點
缺點:傳輸時延大
分組交換
單個分組先傳到相鄰節點,存儲,再查找轉發表,轉發到下一個節點
缺點:傳輸時延比報文交換小
因特網使用的是分組交換,實際應用中分為數據報和虛電路兩種方式
數據報:無連接,不可靠,可以通過高層協議如tcp的差錯控制與流量控制保證可靠性與有序性
虛電路:面向連接,可靠,通過差錯控制,流量控制來保證數據的可靠性與有序性

計算機網路的發展

網絡發展階段
面向終端的計算機網絡->計算機-計算機網絡->開放式標準化網絡->因特網廣泛應用與高速網絡技術發展
網路發展趨勢
寬帶網絡;全光網絡;多媒體網絡;移動網絡;下一代網絡
電話系統組成
本地網絡,干線,交換局
ChinaNET
CHINAPNC;CHINADDN;PSTN;文件共享,信息瀏覽,電子郵件,網絡電話,視頻點播,FTP,網上會議
高速網絡技術表現
寬帶骨干網,寬帶接入網
目前最主要的三種網絡
電信網絡(電話網),有線電視網絡,計算機網絡(發展最快,信息時代的核心技術)
三網合一
將電話網,電視網,計算機網絡融合
internet 與 Internet
前者指得是一般的互連網
后者專有名詞,指的是因特網,世界范圍的互連網,又稱互聯網,使用TCP/IP協議簇,前身是ARPANET(阿帕網)

計算機網絡的體系結構與參考模型

OSI七層模型

物理層 : 物理連接
數據鏈路層 : 邏輯連接,硬件地址尋址,差錯校驗
網絡層:IP地址與路由選擇
傳輸層:端到端的連接
會話層:建立,管理,維護會話
表示層:數據格式轉化,加密
應用層:為應用程序提供服務

計算機網絡協議

組成 = 語法 + 語義 + 時序(同步)

其他重要概念

實體:
任意可以發送或接收消息的硬件與軟件進程
協議:
控制兩個實體進行通信的規則的集合
接口:
服務訪問點SAP
協議數據單元:
PDU 傳送的數據單位

TCP/IP 參考模型

四層體系結構
應用層,傳輸層,網絡層,網絡接口層

物理層

物理層的功能

實現比特流的透明傳輸,為數據鏈路層提供數據傳輸服務

設備類型與連接方式

DTE
數據終端設備,如用戶計算機,打印機,硬件接口是針式,即針頭
DCE
數據電路連接設備或數據通信的設備,如多路復用器,硬件接口是孔式,即針孔

連接方式

非平衡方式:每個電路使用一個導線,收發雙方共用一根信號地線
差動接收器的非平衡方式:每個電路用一根導線,每個方向使用獨立的信號地線
平衡方式:每個電路使用2根導線

信號線分類:
數據信號線,控制信號線,定時信號線,接地線

物理層下的傳輸媒體

分類

導引型媒體:
銅線,光纖
非導引性媒體:
無線傳輸,衛星,無線電,紅外等

常用的傳輸媒體

雙絞線:
STP,UTP無屏蔽雙絞線
同軸電纜
粗纜以太網,細纜以太網
混合光纖同軸電纜(不是電纜類型)
光纖
射頻電磁信號
影響傳輸速率的因素:
距離,多徑衰落,遮擋衰落,干擾等

以太網

10BASTE-T , 10Base-5 屬于以太網標準
命名規則:
10:10Mbps 傳輸速率
Base:基帶傳輸,Broad:寬帶傳輸
5:單段網線長度(基準單位是100m)
T:傳輸介質,這里是雙絞線

分組傳輸網中的延遲

產生延遲的原因:

節點處理 : 檢查bit錯誤,確定輸出鏈路
排隊:受鏈路擁塞情況影響
傳輸延遲
設R=帶寬,L=分組長,將分組發送到鏈路上的時間=L/R
傳播延遲
設D=物理鏈路長,s=信號傳播速度,delay=D/s

傳輸時延 VS 傳播時延
傳輸時延:是路由器把分組發送出去所需要的時間,與兩個路由器間的距離沒有關系
傳播時延:是一個bit從發送路由器到接收路由器傳播所需的時間

排隊延遲與流量強度

排隊與丟包: 輸出隊列有限,隊列滿時 ,新到達的分組被丟棄
端到端吞吐量:發送端與接收端之間的bit傳輸速率
瞬時吞吐量:給定時刻的傳輸速度
平均吞吐量:較長時間的傳輸速度

有線寬帶接入技術

非對稱數字用戶線 ADSL
用數字技術模擬電話用戶線
光纖同軸混合網 HFC網
電視網基礎上的一種寬帶接入網
FTTX技術
實現寬帶接入網的方案,代表多種光纖接入方式
FTTH光纖到戶
FTTB光纖到大樓
FTTC光纖到路邊

通信基本理論

數據通信系統的模型

源系統
傳輸系統
目的系統

常見術語

消息:文字,圖像等
數據:運送消息的實體
信號:數據的電磁表現
模擬的:信號的參數的取值,在時間與數值上是連續的
數字的:信號的參數的取值,在時間與數值上是離散的
碼元:在時域的數值表示數字信號時,代表不同離散數值的基本波形
模擬數據:在時間與數值上連續變化的值
數字數據:在時間與數值上的變化都是離散的值
信源:產生與發送信息的設備或計算機
信宿:接收與處理信息的設備或計算機
信道:信源與信宿之間的通信線路

調制與解調

編碼

信道復用技術

RS-22通信標準

數據鏈路層

一些術語

節點:
計算機網絡中,中級,集線器,交換機或路由器等設備統稱為節點
物理鏈路
簡稱鏈路,分為有限鏈路與無線鏈路,是一條無源的點到點的物理線路段,中間沒有其他交換節點
數據鏈路
又稱邏輯鏈路,=鏈路+實現協議的軟件+硬件
如網卡(網絡適配器)

數據鏈路的兩種類型

點到點鏈路
僅連接了一個發送方和一個接收方的鏈路,這種信道使用一對一的點對點的通信方式
廣播鏈路
連接了多個節點的單一共享鏈路,這種信道使用一對多的廣播通信方式

三個基本問題

封裝成幀
幀是數據鏈路層傳輸的最小協議數據單元(PDU)
幀 = 首部+數據+尾部
首部尾部的作用是進行幀定界
數據部分<=MTU最大傳送單元
SOH,EOT 特殊的幀定界符,當數據是ASCLL碼組成的文本文件時使用

透明傳輸
為避免數據鏈路層錯誤的找到幀的邊界,解決透明傳輸的問題
1. 字節/字符填充,異步傳輸的時候使用
2. 零比特填充,同步傳輸的時候使用
差錯控制
傳輸的過程中肯產生比特差錯,1可能變0
誤碼率BER :傳輸錯誤的bit占傳輸bit總數的比率,與信噪比有關系
需要進行差錯檢測

PPP

PPP是點對點的數據鏈路層協議,面向字節,ppp幀的長度都是整數字節
組成:
一種在串行線路上的組幀方式
一個鏈路控制協議LCP
一組網絡控制協議NCP
PPP幀格式
在這里插入圖片描述

F:幀邊界
A:地址
C:控制信息
協議:指出載荷字段中攜帶的是哪類分組
IP數據報:0x0021
網絡控制數據:0x8021
PPP鏈路控制數據:0xc021
鑒別數據:0xC023
信息部分:載荷字段,長度可變
FCS:幀校驗序列,采用CRC校驗

數據鏈路層的兩個子層

在這里插入圖片描述

邏輯鏈路控制 LLC
與傳輸媒體無關
媒體接入控制MAC
與傳輸媒體有關
由于TCP/IP經常使用的局域網不是802.3標準中的,所以802委員會制定的邏輯鏈路控制子層LLC作用不大,很多廠家生產的適配器上僅裝有mac協議

MAC地址

每一個網卡(網絡適配器)有唯一的地址,稱為MAC地址,也叫物理地址,硬件地址,鏈路層地址等
MAC地址長6個字節

MAC地址類型

單播地址
目的適配器的mac地址,地址最高bit為0
多播地址
標識一個多播組的邏輯地址,地址最高比特為1
廣播地址 1:1:1:1:1:1

以太網

Ethernet 計算機局域網技術,有兩個主要的技術標準,IEEE 80.3,DIX Ethernet V2
實現的是無連接,不可靠的數據傳輸
分類:
標準以太網,快速以太網,千兆以太網,萬兆以太網
以太網常見結構
共享以太網 : 總線型拓撲,基于集線器的星型拓撲
沖突域:共享以太網所有節點位于一個沖突域,使用CSMA/CD協議避免沖突,共享信道
基于交換機的星型拓撲

沖突域 VS 廣播域

沖突域:
位于物理層
一個站點,向另一個站點發送消息,除了目的站點外,有多少站點能收到這個信息,這些站點就構成了一個沖突域
廣播域:
位于數據鏈路層
網絡中的一組設備的集合,即同一廣播包能到達的所有設備構成一個廣播域

常見的網絡設備

物理層設備:
中繼器,集線器,總線, :不能隔離沖突域與廣播域
數據鏈路層:
網橋,交換機:可以隔離沖突域
網絡層
路由器:可以隔離廣播域與沖突域

以太幀

構成 = 前導碼+目的地址(6B)+源地址(6B)+類型(2B)+數據+循環校驗碼(4B)
最小幀長:64B
最大幀長:1518B

PPPoE

通過以太網進行寬帶接入使用PPPoE方式

網絡層

IPv4 地址

IP地址 : 給連接在互聯網終端額主機(或路由器)的每一個接口分配互聯網的唯一標識符
IPv4地址: 是32位的二進制代碼,采用點分十進制標識

單播地址被分為網絡號與主機號兩部分

網絡號:標識一個物理網絡
主機號:標識該物理網絡上的一個網絡接口

地址分配

因特網中每個接口具有唯一的IP地址

網絡號: 互聯網名字和數字分配機構ICANN 統一分配
主機號: 由網絡管理員統一分配
建有私有網絡的組織可以自己選擇網絡號,但要保證唯一性

特殊的IP 地址

在這里插入圖片描述

IPv4的三種編址方式

IP數據報

IPv6

為了解決IPv4網絡資源地址不足的問題,產生了新的IP版本

表示方法

地址長度128位,采用冒號16進制記法,允許0壓縮

網際控制報文協議 ICMP

ip使用icmp向源節點發送錯誤報告

ICMP 報文分類

ICMP 詢問報文
ICMP差錯報告報文

使用ICMP 的網絡命令

ping tracert

路由選擇協議

任務: 為路由器提供路由信息
自治系統AS : 一個有權決定采用什么路由協議的小型單位

分類

內部網關協議IGP
尋找最佳路徑
RIP,OSPF
外部網關協議EGP
BGP-4
尋找可達路徑

路由算法

又稱為選路算法,選擇最佳路徑,如RIP

選路算法分類

根據路由表信息范圍與計算方式分類

全局算法
知道所有信息
OSPF
分布式算法
只知道鄰居信息
RIP

根據路由表更新方法分類

靜態算法
動態算法
RIP,OSPF

路由信息協議RIP

一種分布式,基于距離向量的路由選擇協議,只適用于小型互聯網

協議要點

跳數,最大15跳

距離矢量(DV)選路算法

RIP通告

NAT 網絡地址轉換

將網絡地址從一個地址空間轉換到另外一個地址空間

技術術語

全球地址(公網地址)
本地地址(專用地址,私網地址)

多播

將分組交付給網絡中的一組節點,

多協議標記交換MPLS

傳輸層

端口號與套接字

在運輸層使用16位的協議端口號,通常簡稱為端口,來標識進程

兩大類端口號

服務端端口號

熟知端口號(0-1023)
登記端口號(1024-49151)

客戶端端口號(短暫端口號)
49152-65535

套接字 = 端口號 + IP地址

TCP連接的端口叫做套接字或插口

UDP用戶數據報協議

提供復用與分用,差錯檢測
無連接不可靠面向報文
首部開銷小 8字節

報文結構

用戶多路復用/多路分解的字段
源端口號,目的端口號
用于檢測報文段錯誤的字段
長度:udp數據報的長度,最小值是8字節
校驗和:檢測是否有錯,有錯就丟棄

TCP報文結構

首部+ 數據部分

TCP 首部

序號seq
確認號ack
數據偏移
確認位 ack
同步位 syn
終止位 fin
窗口
校驗和

TCP 流量控制

調節發送速度,使得接收緩存不會溢出,利用滑動窗口實現

應用層

網絡應用架構

客戶-服務器架構 , 對等架構
服務器 : 具有永久IP地址 ,總是在線
客戶機 : 動態IP地址
P2P架構 : 沒有總是運行的服務器,任意對端系統之間可以直接通信

HTTP 協議

80端口 TCP
無狀態

WWW

萬維網 www 稱為 Web , 3W,
link
HTTP
HTML
URL

文件傳輸協議

FTP
主從進程
TCP
控制連接:21
數據連接:20

TFTP
UDP數據報

TELNET

遠程終端協議
遠程登錄與控制
客戶-服務器方式
TCP
數據與命令轉化成網絡虛擬終端NVT格式

電子郵件系統

用戶代理UA
電子郵件客戶端軟件
郵件服務器
發送與接受郵件,向發信人報告郵件發送情況,C-S
相關標準與協議
SMTP 發送郵件
POP3,IMAP 讀取郵件
電子郵箱與電子郵件
電子郵箱:計算機存儲區域
電子郵件地址:23112@qq.com,23112用戶信箱,qq.com 郵件服務器
電子郵件:信封+內容
通用互聯網郵件擴充MIME
彌補SMTP的不足,定義傳送非ASCLL碼的編碼規則

域名系統DNS

將域名轉化為IP地址
根域名服務器
13套
頂級域名服務器
權限域名服務器
本地域名服務器

域名解析

遞歸查詢 , 迭代查詢

網絡安全

計算機網絡面臨的安全威脅

被動攻擊

攻擊者在網絡上竊聽他人的通信內容,這類攻擊稱為截獲
在被動攻擊中,攻擊者知識觀察與分析某一個協議數據單元PDU ,以便了解交換的數據的某種性質但不干擾信息流
這樣的攻擊稱為 流量分析

主動攻擊

篡改
篡改網絡上傳送的報文
惡意程序
計算機病毒,計算機蠕蟲,特洛伊馬,流氓軟件
拒絕服務
攻擊者向互聯網上的某個服務器不停地發送大量分組,使得服務器無法提供正常的服務,甚至完全癱瘓

分布式拒絕服務DDos

如果互聯網成百上千的主機集中攻擊一個網站,導致該網站的信息系統服務能力下降

安全的計算機網絡

保密性
端點鑒別
信息的完整性
運行的安全性

信息安全的基本屬性

1.信息安全的核心需求,信息安全三要素CIA

保密性
完整性
可用性
2.信息安全其他屬性
可認證性,不可否認性(不可抵賴),可控性,可審查性,可存活性

訪問控制

三要素
主體客體安全訪問規則

數據加密模型

密鑰
加密過程

密碼體制

對稱密碼體制
單鑰,私鑰密碼體制
包括分組密碼,序列密碼,消息認證碼,信息認證碼,哈希函數,認證加密算法
加密解密一把密鑰
常用的對稱密碼算法:DES,3-DES,AES,IEDA,RC4
非對稱密碼體制
雙密,公鑰密碼體制
加密解密的密鑰不同
RSA,ECC,ELGAMAL

散列函數

又稱為哈希函數,雜湊函數,信息摘要函數
可以把任意長度的輸入轉換為固定長度的輸出,一種單項密碼體制
沒有密鑰,具有抗碰撞能力
常用的哈希函數:MD5,SHA,SHA-1,SHA-2,SHA-3

互聯網使用的安全協議

網絡層安全協議 IPsec
傳輸層安全協議
SSL,TLS
應用層安全協議
PGP(有關電子郵件的安全協議)

防火墻

一種訪問控制技術,可以軟件可以硬件
防火墻內部是可信的網絡,外部是不可信的網絡
防火墻技術

基于分組過濾(包過濾)
根據定義好的過濾規則(訪問控制列表 ACL)
ACL配置的兩種方式 : 嚴策略,寬策略
基于應用代理 — 應用層

入侵檢測系統與入侵防御系統

入侵檢測系統 IDS
- 基于主機的IDS (HIDS)
- 基于網絡的IDS (NIDS)
入侵防御系統IPS
主動的檢測

無線網絡與移動網絡

WLAN 分類

有固定基礎設施的無線局域網
一個基本服務集BSS 包括一個基站和若干個移動站,
基本服務集內的基站叫做接入點 AP
無固定基礎設施的無線局域網
移動自組網絡,又稱自組網絡

IEEE 802.11 無線局域網

IEEE 802.11 是無線以太網的國際標準

星型拓撲,中心點叫做接入點AP
AP是無線局域網的基礎設施,也是一個鏈路層設備
AP也叫做無線接入點WAP
無線局域網中的站點對網內或者網外的通信都必須通過AP
MAC層使用CSMA/CA 協議

凡使用802.11 協議的局域網又稱為 WIFI

組成

802.11 WLAN 基本組成單元基本服務集 BSS
- 一個BSS 包括: 若干無線終端(移動站),一個無線接入點AP(基站)
- 一個BSS 所覆蓋的地理范圍叫做一個基本服務區BSA,一般不超過100米
- 管理員安裝AP時,必須為AP 分配一個不超過32字節的服務集標識符SSID(AP的無線局域網名字)和一個通信信道
- 每個無線接口(終端及AP)均有一個全局唯一的48位MAC地址,AP的MAC地址名稱叫做基本服務集標識符BSSID

2.使用2.4GHZ 和5GHz頻段
3.擴展服務集ESS
一個BSS 可以通過AP連接到一個分配系統DS,再連接到另外一個BSS,構成一個擴展服務集ESS