计算机网络_校验和计算器

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第1章 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

计网功能：数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡

性能指标：

​ 带宽

​ 时延：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

​ 时延带宽积

​ 往返时延

​ 吞吐量：单位时间通过某网络的数据量

​ 速率

​ 信道利用率：指某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的

1.2 体系结构与参考模型

1.3 要点总结

第2章 物理层

2.1 通信基础

奈奎斯特定理：（在没有噪声、带宽有限时适用）

​ 极限数据传输速率 = 2Wlog₂V （单位为b/s）W是带宽，V是离散电平的数目

香农定理：（带宽受限，有高斯白噪声干扰的极限数据传输速率）

​ 极限传输速率 = Wlog₂(1+S/N) （S/N为信噪比）

​ 信噪比 = 10log₁₀(S/N) 例如：S/N=1000时，信噪比为30dB

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编码与调制

1.数字数据编码为数字信号

​ 归零编码：每个周期的中间跳变到低电平

​ 非归零编码：很普通

​ 反向非归零编码：信号开头翻转代表0，可传输时钟信号；USB2.0使用

​ 曼彻斯特编码：高到低为1，低到高为0；以太网使用；可用于时钟同步

​ 差分曼彻斯特：起始跳变为0；自同步；抗干扰性好

​ 4B/5B编码：数据流每4位为一组，转换为5位码，共32种组合，只采用其中的16种 对用16种不同的4位码，其他16种作为控制码。

2.数字数据调制为模拟信号

​ 辐移键控、频移键控、相移键控、正交振幅键控

3.模拟数据编码为数字信号

包括三个步骤

​ （1）采样：依据奈奎斯特定理 f_采样频率>=2f_{信号最高频率}

​ （2）量化：把连续的电平幅值转换为对应的数字量

​ （3）编码：把量化结果转换为对应的二进制编码

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电路交换、报文交换与分组交换

1.电路交换

​ 两个节点之间先建立一条专用的物理通信路径，直到通信结束后才被释放。

​ 优点：有序传输、实时性强、控制简单等

​ 缺点：线路独占，使用效率低；灵活性差等

2.报文交换

​ 交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。在交换节点采用的是存储转发；对报文的大小没有限制

​ 优点：动态分配线路、无需连接、提高线路可靠性和利用率，可发给多目标

3.分组交换

​ 限制了每次传送的数据块的大小，划分为合理的小数据块之后再加上必要的控制信息构成分组。

​ 优点：线路利用率高、简化存储管理、加速传输、减少出错概率和重发数据量

​ 缺点：当采用数据报服务时，可能出现失序、丢失和重复分组

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数据报与虚电路

1.数据报

​ 不同分组可以走不同路径，也可以按不同顺序到达目的节点

​ 每个分组中都包括发送端和接收端的完整地址，以便独立传输

2.虚电路

​ 在发送方和接收方之间建立一条逻辑上的虚电路，连接一旦建立就固定了虚电路所对应的物理路径

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YNuHyOMH-1661265108913)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220805100614218.png)]

2.2 传输介质

双绞线、同轴电缆（半双工）、光纤、无线传输介质

物理层接口特性：机械特性（尺寸、引脚数目等）。电气特性（电压的范围）、功能特性（某一电平的电压表示什么意义）、过程特性（各种可能事件的出现顺序）

2.3 物理层设备

转发器：只有放大模拟信号功能

中继器：将数字信号整形并放大再转发出去，5-4-3规则（最多5个网段、4个中继器/集线器、3个网段为主机段）

集线器（hub）:主要使用双绞线组建共享网络

2.4 要点总结

第3章 数据链路层

3.1 链路层功能

将网络层的分组前后分别添加首部和尾部，封装成帧。

流量控制：限制发送方的数据流量

差错控制：采用CRC循环冗余校验法发现位错。在数据链路层引入定时器（放丢失）和编号机制（放重发），保证每一帧一次正确的交付给目的节点。

3.2 组帧

把比特组合成帧为单位传输，是为了在出错时只重发出错的帧，而不必重发全部数据。

字符计数法：在帧头部使用一个计数字段来表明帧内字符数（包括该计数字段）

字符填充的首尾定界法：为了使信息位中出现的特殊字符不被误判为帧的首尾定界符，可在特殊字符前面填充一个转义字符（ESC）来区分。

零比特填充的首尾标志法：01111110标志帧的开始和结束，若在信息位中遇到5个连续的1时，将自动在其后插入一个0 。 容易由硬件来实现，性能优于字符填充法。

违规编码法：比特1编码为“高-低”电平对，比特0编码为“低-高”电平对。

3.3 差错控制

检错编码

1.奇偶校验码

​ 如果是奇校验，在附加一个校验元后，码长为n的码字中1的个数为奇数

2.循环冗余校验码

​ 《计网复习指导》P₇₂

纠错编码

详见p₇₃

（1）确定海明码的位数

​ n为有效信息的位数，k为校验位的位数，则 n+k<=2^k-1

（2）确定校验位分布

​ 校验位p_i在海明位号2^i-1的位置上，其余为信息位

（3）确定校验位的值

3.4 流量控制与可靠传输机制

停止-等待流量控制

​ 发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧；接收方同理

滑动窗口流量控制

​ 双方各自维护一个发送窗口和接收窗口，只能发送或接收窗口内的序号的数据

单帧滑动窗口与停止等待协议

​ 信道利用率低

多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）

​ 接收方只允许按顺序接收帧

​ 大小为n的滑动窗口崔多可以有n-1个已发送但未确认。

​ 发送窗口尺寸：采用n比特对帧编号，发送窗口的尺寸W_T满足1<=W_T<=2ⁿ-1

多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）

​ 只重传出现差错或者计时器超时的数据帧

​ 采用n比特对帧编号，则窗口大小 W_Tmax=W_Rmax=2^n-1

补充

​ 发送方在周期T内共发送L比特数据，发送方的数据传输速率位C，则发送方有效发送时间为L/C，信道利用率为 (L/C)/T

​ 信道吞吐率=信道利用率*发送方发送速率

3.5 介质访问控制

1.频分多路复用

​ 只适合传输模拟信号，将不同频率的信号调制到不同频率载波上，相邻子信道间要加入“保护频带”

2.时分多路复用

​ 划分时间片，轮流使用

3.波分多路复用

​ 在光纤中传输不用频率的光信号

4.码分多路复用CDM

​ 更常用的是码分多址CDMA

随机访问介质访问控制

1.ALOHA协议

​ 直接发送数据，若未收到确认则认为冲突，然后重发

​ 时隙ALOHA协议：把所有各站在时间上同步起来，划分时隙，在每个时隙开始时才能发送一个帧，从而减少了冲突的可能性，提高了信道利用率

2.CSMA协议

​ 先监听信道，空闲则传输

​ 1-坚持CSMA：忙则一直监听，直到空闲马上传输

​ 非坚持CSMA：信道空闲则立即发送；信道忙，则等待一个随机事件再重复上述过程

​ p-坚持CSMA：用于时分信道，若信道忙则持续侦听；若空闲则以概率p发送数据，概率1-p推迟到下一个时隙；在下一个时隙仍然是概率p发送

3.CSMA/CD协议

​ 适用于总线型或半双工网络。先听先发，边听边发，冲突停发，随即重发

​ 最小帧长=总线传播时延 * 数据传输速率 * 2

​ 二进制指数退避算法：解决碰撞问题。 定义k等于重传次数，k不超过10 。 从整数集合[0,1,… 2^k-1]中取出一个r，退避时间即为 2r┏ ， 重传16次仍不成功时，则抛弃帧并向高层报告。

4.CSMA/CS协议

​ 广泛用于无线局域网

​ 步骤（1）检测到信道空闲，等待DIFS后发送整个数据帧 （2）否则执行退避算法，选取一个随即回退值。检测到信道忙，退避计数器保持不变。只要信道空闲，则继续进行倒计时 （3）计数器为0时就发送数据帧 （4）发送站如果收到确认，就知道已经被正确接收。若要发送第二帧，就从步骤*（2）*开始。

​ 处理隐蔽站问题：RTS和CTS

​ 源站发送之前先广播一个RTS控制帧，若信道空闲则AP广播一个CTS控制帧声明这次通信的持续时间。在这个时间内其他站不能发送数据

轮询访问：令牌传递协议

​ 逻辑上的环形网络，需要发送的计算机只有在拿到令牌之后才能发送数据，因此不会发生冲突。

​ 适合繁忙的网络

​ 存在的问题：令牌开销、等待延迟、单点故障

3.6 局域网

以太网

​ 以太网逻辑上采用总线型拓扑

​ 10BASE/T非屏蔽双绞线以太网拓扑结构为星形网，中心为集线器，逻辑上仍然是总线型网

​ 网卡工作在数据链路层和物理层

​ 由于CSMA/CD算法的限制，以太网帧必须满足最小长度64字节，太短时要填充

​ 高速以太网：（1）100BASE-T以太网，在双绞线上传送100M/s基带信号的星形拓扑结构以太网，使用CSMA/CD协议，支持全双工和半双工

​ （2）吉比特以太网 ， 1Gb/s速率下可用全双工和半双工，半双工下使用CSMA/CD协议

​ （3）10吉比特以太网， 只有全双工

802.11无线局域网

MAC帧地址字段

​

VLAN

​ 在交换机端口划分虚拟子网分割广播域

3.7 广域网

基本概念

节点之间是点到点连接；分布在物理层、数据链路层和网络层；采用分组交换技术；强调资源共享

PPP协议

是数据链路层协议；串行线路通信的面向字节的协议，信息段占0~1500字节

3.8 链路层设备

网桥

具有链路选择功能，分割冲突域；

局域网交换机

若有N个用户，则每个用户占有的平均贷款只有1/N；但一个用户在通信时是独占的，所有交换机的总容量为N倍带宽。

交换机有自学习功能

3.9 要点总结

热噪声引起随机差错

冲击噪声引起突发差错（无法通过提高信噪比来避免）

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网桥可互联不同的物理层、不同的MAC子层和不同速率的以太网

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以太网交换机多个端口可以并行传输

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13真题

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-enDADeKP-1661265108914)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220806110224506.png)]

只需检测目的地址6B 解析

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VLAN可以隔离冲突域和广播域

第4章 网络层

4.1 网络层功能

4.2 路由算法

4.3 IPv4

IP数据报分片

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QQmbaYl2-1661265108914)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220728091303910.png)]

IPv4地址

​

网际控制报文协议（ICMP）

4.4 IPv6

4.5 路由协议

RIP和OSPF都是内部网关协议，BGP是外部网关协议

路由信息协议（RIP）

​ RIP距离向量算法图解

​ 路由表项结构：<目的网络N，距离d，下一跳路由器地址X>

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-bynViDj8-1661265108915)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220801080711767.png)]

RIP协议特点：限制了网络的规模，最大距离为15（16表示不可达）。

​ 出现故障时，会出现慢收敛现象，俗称坏消息传得慢，使更新过程的收敛时间较长。

​ 是应用层协议，使用UDP传送。

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开放最短路径优先（OSPF）协议

​ 特点：使用IP数据报传送。

​ 成本度量（metric）。

​ 只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有邻居路由器发送此信息，并且更新过程收敛得快。

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边界网关协议（BGP）

​ 描述：BGP所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS的较好路由。

​ 特点：BGP是应用层协议，借助TCP传送。

​ 交换的网络可达性信息是 到达目的网络经过的各个自治系统的序列而不仅仅是下一跳

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三种路由协议比较

4.6 IP组播

IP组播地址： 地址范围是224.0.0.0~239.255.255.255（D类地址），一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址，源地址总是单播地址。

组播数据报尽最大努力交付，不可靠，应用于UDP

IP组播地址：地址映射是将D类IP地址的后23位转换为16进制挪下来，开头是01:00:5E

​ 例如：224.215.145.230----> 230 (E6) ; 145 (91) ; 另外215 (1101 0111)的最高位变为0，则为0101 0111=5E

​ 所以映射结果位01-00-5E-57-91-E6

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5k592kSM-1661265108916)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220802083903757.png)]

4.7 移动IP

4.8 网络层设备

​ 三层设备区别

4.9 要点总结

21统考真题：子网划分

上题解析：每个选项拥有的主机数和题目给的子网的主机数再加上另一个子网的主机数（需视情况判断）的总数目要等于2ⁿ。视频解析

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16统考真题（易错题）

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1I5SwtCi-1661265108916)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220801100841477.png)]

解析：链接

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路由器主要实现 网络层、数据链路层、物理层的功能

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第5章 传输层

5.1 传输层服务

​ 1.提供应用进程间的逻辑通信；与网络层的区别是，网络层提供的是主机之间的逻辑通信。端到端服务

​ 2.复用和分用；复用是指发送方不同的应用进程都可使用同一个传输层协议传送数据；分用是指接收方的传输层在剥去报文的首部后能正确交付到目的进程。

​ 3.对收到的报文差错检测。而网络层只检查IP数据报的首部，不检验数据部分是否出错。

​ 4.提供两种协议；TCP可靠面向连接，时延大，适用于大文件。 UDP不可靠，无连接，时延小，适用于小文件。

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传输层常用应用程序对应端口号

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OKAJaVwz-1661265108917)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220802163155267.png)]

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在网络中采用发送方和接收方的套接字组合来识别端点，套接字唯一标识了网络中的一个主机和它上面的一个进程。

5.2 UDP协议

UDP首部格式

​ 分组首部只有8B的开销

​ 没有拥塞控制，适用于实时应用

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-TKorkcvI-1661265108917)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220802171022571.png)]

分用时，找不到对应的目的端口号，就丢弃报文，并给发送方发送ICMP“端口不可达”差错报告报文。

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5.3 TCP协议（重点）

TCP特点

TCP报文段首部格式

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-waAq011q-1661265108917)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220804083149009.png)]

TCP首部包括：源端口和目的端口，序号，确认好，数据便宜，保留(占6位)，6个控制位，窗口，校验和，紧急指针，选项，填充。

​ 6个控制位分别如下↓

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TCP连接管理

三次握手建立连接

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-b8zyd3zz-1661265108918)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220802210322739.png)]

四次握手释放连接

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NUdJrrr1-1661265108918)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220802210731510.png)]

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SYN洪泛攻击

​ 利用TCP协议的特性三次握手。攻击者发送TCP SYN，而当服务器返回ACK后，该攻击者就不对其进行再确认，那这个TCP连接就处于挂起状态，服务器收不到再确认，就会重复发送ACK给攻击者。这样更加会浪费服务器的资源。攻击者就对服务器发送非常大量的这种TCP连接，由于每一个都没法完成三次握手，这些TCP连接会因为挂起状态而消耗CPU和内存，最后服务器可能死机。

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TCP可靠传输

1.序号

2.确认

3.重传：①超时 ②冗余ACK（冗余确认）

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TCP流量控制（重点）

基本流程

TCP为每一个连接设有一个持续计时器，只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。
若持续计时器设置的时间到期,就发送一个零窗口探测报文段。接收方收到探测报文段时给出现在的窗口值。
若窗口仍然是0，那么发送方就重新设置持续计时器。

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传输层和数据链路层流量控制的区别是：传输层定义端到端之间的流量控制，数据链路层定义两个中间的相邻节点的流量控制；数据链路层的滑动窗口协议的窗口大小不能动态变化，传输层则可以动态变化。

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TCP拥塞控制（重点）

接收窗口rwnd

拥塞窗口cwnd：发送方自己估算出的窗口值，如果未出现拥塞，就增大拥塞窗口，否则减小拥塞窗口。

发送窗口的上限值 = min [rwnd, cwnd ]

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1.慢开始和拥塞避免

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KTcLSle3-1661265108919)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220803095048005.png)]

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2.快重传和快恢复

5.4 要点总结

TCP提供流量控制和拥塞控制，而UDP不提供。

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若使用UDP进行数据传输，那么必须在应用层提供可靠性方面的全部工作

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接收方接收到出错的UDP数据报时，直接丢弃

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UDP的伪首部包括源IP和目的IP，是IP分组报头的一部分；伪首部只在源和目的主机校验和计算器间建立，并不发送

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UDP校验和不是必须的，若不使用则将校验和字段设置为0

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TCP中端口号80标识web服务器端的HTTP进程

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滑动窗口的单位是 字节B

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TCP确认号是指下一次希望收到的报文段编号

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滑动窗口设置太小会导致产生过多ACK，若太大，则会由于传送的数据过多而使路由器拥挤，可能丢失分组。

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若TCP发送端连续收到了3个冗余ACK报文，则应使用快恢复算法

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20统考真题

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1k4oG10y-1661265108919)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220804085204891.png)]

本题解析：连接之前要经过三次握手，第一次握手序号为1000，第三次握手时甲向乙发送的序列号为1001，此时是可以携带数据的，所以第一个数据的序号为1001；最后的FIN段中5001不携带数据；所以发送的数据字节数为5001-1001=4000

20年计网统考真题解析

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第6章 应用层

6.1 网络应用模型

C/S模型

P2P模型

6.2 域名（DNS）

递归查询和迭代查询、、高速缓存

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PpFrypkr-1661265108920)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220804095201240.png)]

6.3 文件传输协议(FTP)

FTP在工作时使用两个并行的TCP连接

21端口一般为TCP控制连接

20端口一般为服务器提供的用于TCP数据连接的端口，而客户端的数据连接端口不固定。

数据连接在每次数据传输完后就关闭

6.4 电子邮件

邮件发送过程（全程使用传输层的TCP连接传送数据）

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8kRxb66c-1661265108920)(D:\右文件夹\考研资料\计算机网络\img\image-20220804155733285.png)]

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邮件地址格式：用户名@邮箱所在的主机域名

SMTP不能用于接收电子邮件

SMTP熟知端口号：25

6.5 万维网（WWW）

​ HTTP协议在传输层使用的是TCP，但HTTP本身是无连接的

​ HTTP既可以使用持久连接也可以使用非持久连接；非持久连接的每个网页对象的传输都需要单独建立一个TCP连接；持久连接又分为流水线和非流水线方式。

6.6 要点总结

域名与IP地址不具有一一对应关系

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每台主机必须在授权域名服务器注册登记，所以授权域名服务器一定能将其管辖的主机名转换为IP地址

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DNS使用传输层的UDP服务发送数据

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访问一个网站，从网络层到应用层都使用了哪些协议？

答：应用层：HTTP：WWW访问协议； DNS：域名解析服务

​ 传输层：TCP：为HTTP提供可靠的数据传输； UDP：NDS使用UDP传输

​ 网络层：IP：IP包传输和路由选择； ICMP：提供网络传输中的差错检测； ARP：将本机的默认网关IP地址映射成物理MAC地址。

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6.3 文件传输协议(FTP)

FTP在工作时使用两个并行的TCP连接

21端口一般为TCP控制连接

20端口一般为服务器提供的用于TCP数据连接的端口，而客户端的数据连接端口不固定。

数据连接在每次数据传输完后就关闭

6.4 电子邮件

邮件发送过程（全程使用传输层的TCP连接传送数据）

[外链图片转存中…(img-8kRxb66c-1661265108920)]

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邮件地址格式：用户名@邮箱所在的主机域名

SMTP不能用于接收电子邮件

SMTP熟知端口号：25

6.5 万维网（WWW）

​ HTTP协议在传输层使用的是TCP，但HTTP本身是无连接的

​ HTTP既可以使用持久连接也可以使用非持久连接；非持久连接的每个网页对象的传输都需要单独建立一个TCP连接；持久连接又分为流水线和非流水线方式。

6.6 要点总结

域名与IP地址不具有一一对应关系

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每台主机必须在授权域名服务器注册登记，所以授权域名服务器一定能将其管辖的主机名转换为IP地址

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DNS使用传输层的UDP服务发送数据

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访问一个网站，从网络层到应用层都使用了哪些协议？

答：应用层：HTTP：WWW访问协议； DNS：域名解析服务

​ 传输层：TCP：为HTTP提供可靠的数据传输； UDP：NDS使用UDP传输

​ 网络层：IP：IP包传输和路由选择； ICMP：提供网络传输中的差错检测； ARP：将本机的默认网关IP地址映射成物理MAC地址。

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