目录
一、计算机网络体系结构
1.计算机网络的定义与功能：
2.网络体系结构相关概念：
3.OSI 七层模型与 TCP/IP 模型：
4.通信方式与交换技术：
电路交换
报文交换
分组交换
5.端到端通信和点到点通信：
6.计算机网络的性能指标：
7.网络的分类
按覆盖范围分类
按拓扑结构分类
按传输介质分类
按使用性质分类
二、物理层
基本概念类
传输媒体类
编码与调制类
信道容量类（奈氏准则，香农公式）
复用技术类
物理层设备类
三、数据链路层
基本概念
封装成帧（组帧）
实现组帧的方法
透明传输
差错控制
检错编码（奇偶校验、循环冗余ROC）
纠错编码（码距、海明码）
流量控制
流量控制与滑动传输机制
可靠传输机制（s-w，GBN,SR）
信道利用率分析
介质访问控制
信道划分介质访问控制
CDMA 码分多址
随机访问介质访问控制
1.ALOHA
2.CSMA协议
3.CSMA/CD协议
4.CSMA/CA协议
5.隐蔽站问题
6.轮询访问/令牌传输协议
局域网相关
点对点协议 PPP
四、网络层
一、计算机网络体系结构
1.计算机网络的定义与功能：
什么是计算机网络？它是如何实现资源共享和数据通信的？
计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
计算机网络实现资源共享和数据通信的方式如下：
- 资源共享：
- 硬件资源共享：通过网络，用户可以使用远程计算机的硬件设备，如打印机、存储设备等。例如，一个办公室中的多台计算机可以共享一台高性能打印机，用户只需将打印任务发送到连接打印机的网络节点，即可完成打印，无需为每台计算机都配备打印机，提高了硬件设备的利用率。
- 软件资源共享：网络上的计算机可以共享软件资源，如各种应用程序、数据库等。用户可以远程访问和使用这些软件，无需在本地计算机上安装所有软件，节省了本地存储空间，同时也方便了软件的更新和维护。例如，企业内部的员工可以通过网络访问公司的数据库系统，获取和更新数据。
- 数据资源共享：这是计算机网络资源共享的重要方面。不同计算机上的数据可以通过网络进行共享和交换。例如，科研团队成员可以通过网络共享实验数据、研究报告等，方便合作与交流。
- 数据通信：
- 分组交换技术：将数据分割成若干个分组，每个分组包含一定的头部信息和数据部分。头部信息中包含源地址、目的地址等，网络中的路由器根据这些信息将分组沿着不同的路径传输到目的地，在目的地再将分组重新组装成原始数据。这种方式提高了网络的传输效率和灵活性，允许多个数据同时在网络中传输，共享网络带宽。
- 网络协议：网络协议是计算机网络中进行数据通信的规则和约定。例如，TCP/IP 协议是互联网中广泛使用的协议族。传输控制协议（TCP）负责在发送端和接收端之间建立可靠的连接，确保数据的准确传输，它会对数据进行编号和确认，若有数据丢失或错误，会自动重传。网际协议（IP）则主要负责将分组从源节点传输到目的节点，通过 IP 地址来标识网络中的设备，实现数据的路由选择。
- 通信链路：计算机通过各种通信链路连接在一起，如双绞线、光纤、无线链路等。这些链路提供了数据传输的物理通道，不同的链路具有不同的传输速率和传输距离限制。例如，光纤具有高带宽、低损耗的特点，适合长距离、高速数据传输，常用于骨干网络；而无线链路则方便移动设备接入网络，实现随时随地的数据通信。
计算机网络的主要功能有哪些？请举例说明在实际生活中的应用。
计算机网络的组成
2.网络体系结构相关概念：
解释网络体系结构的定义，为什么要采用分层的体系结构？分层结构有什么优点和缺点？
以下是对网络体系结构相关问题的回答：
网络体系结构的定义
网络体系结构是指计算机网络的各层及其协议的集合，它从功能上描述了计算机网络的结构，规定了网络中各层的功能、各层之间的接口以及各层所使用的协议。它是一种抽象的概念，用于指导计算机网络的设计、实现和维护，使得不同厂家的设备能够相互通信和协同工作。
采用分层体系结构的原因
- 简化网络设计：将复杂的网络功能分解为多个层次，每个层次负责特定的功能，使得网络设计和实现更加容易。可以分别对每个层次进行设计、开发和测试，降低了整体设计的复杂度。
- 促进标准化：分层结构使得不同厂家可以针对不同层次进行标准化设计和生产。只要遵循相同的层次结构和协议标准，不同厂家的设备就能够实现互操作性，有利于网络技术的推广和应用。
- 便于维护和升级：当网络中的某一功能需要修改或升级时，只需对相应的层次进行调整，而不会影响到其他层次。这使得网络的维护和升级更加方便，提高了网络的可扩展性和适应性。
分层结构的优点
- 独立性强：各层之间相互独立，每一层只负责完成本层的功能，不依赖于其他层的具体实现。这样，当某一层的功能发生变化时，只要保持层间接口不变，就不会影响到其他层的正常工作。
- 灵活性好：由于各层相对独立，因此可以根据需要灵活地选择不同的实现方式。例如，在传输层可以根据不同的应用需求选择 TCP 协议或 UDP 协议，而不影响网络层和应用层的功能。
- 易于实现和调试：分层结构将复杂的网络功能分解为多个简单的层次，每个层次的功能相对单一，便于实现和调试。可以分别对每个层次进行单独的测试和优化，提高了网络系统的可靠性和稳定性。
- 有利于网络技术的发展：分层结构使得新的网络技术可以很容易地融入到现有的网络体系中。只要新的技术能够与现有的层次结构和协议相兼容，就可以在不改变整个网络体系的前提下进行应用和推广。
分层结构的缺点
- 增加了系统开销：分层结构中，数据在不同层次之间传输时需要进行封装和解封装操作，这会增加一定的系统开销，包括处理时间和数据传输量。例如，在网络层封装 IP 数据包时，需要添加包头信息，这会使数据量增加。
- 可能导致性能下降：由于数据需要在多个层次之间传递，每个层次都可能对数据进行处理和转发，这可能会导致数据传输的延迟增加，从而影响网络的性能。特别是在处理实时性要求较高的业务，如视频会议、在线游戏等时，分层结构可能会带来一定的性能问题。
- 层次划分的合理性问题：如果层次划分不合理，可能会导致某些功能在不同层次之间重复实现，或者某些层次的功能过于复杂，而其他层次的功能又过于简单，从而影响整个网络体系结构的效率和性能。
说明服务、接口和协议的概念以及它们之间的关系。
在计算机网络中，服务、接口和协议是三个重要的概念，它们相互关联，共同确保网络中数据的正确传输和通信的有效进行。以下是它们的概念及关系说明：
概念
- 服务：是指网络中某一层向其上层提供的一组功能。它定义了该层能够为上层做什么，例如，网络层为传输层提供的服务是将数据包从源节点传输到目的节点，而不涉及数据包的具体内容和含义。服务描述了层与层之间的抽象接口，上层通过这个接口来使用下层提供的功能。
- 接口：也称为服务访问点（SAP），是同一节点内相邻两层之间交换信息的连接点，即上层访问下层所提供服务的入口。它规定了上层实体如何请求下层服务，以及下层实体如何向上层提供服务，包括服务的调用方式、参数传递等细节。例如，传输层通过网络层的接口将数据交给网络层进行传输，并指定目的地址等参数。
- 协议：是指通信双方为了实现通信而制定的规则、约定和标准。它定义了在不同节点的对等层之间交换的信息格式、顺序以及如何对这些信息进行处理。例如，在 TCP/IP 协议族中，IP 协议规定了数据包的格式和路由规则，TCP 协议则规定了如何建立连接、进行可靠的数据传输以及流量控制等。
关系
- 服务是由下层通过接口提供给上层的，接口是服务的具体实现方式，它规定了上层如何使用下层的服务。协议则是在不同节点的对等层之间进行通信时所遵循的规则，用于实现服务的传递。
- 协议与服务相互独立，协议是水平方向的，即不同节点的对等层之间通过协议进行通信；而服务是垂直方向的，是同一节点内不同层之间的关系，下层为上层提供服务。
- 接口是服务和协议之间的桥梁，它将上层对服务的请求转换为对下层协议的操作，使得上层能够通过接口使用下层协议所实现的服务。同时，下层协议通过接口向上层提供服务，实现了服务的封装和抽象，使得上层不需要了解下层协议的具体实现细节。
分层的依据
层次结构的含义
3.OSI 七层模型与 TCP/IP 模型：
简述 OSI 七层模型各层的主要功能、数据传输单位和常见协议13。
OSI 七层模型从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。以下是各层的主要功能、数据传输单位和常见协议：
- 物理层
- 主要功能：负责处理物理介质上的信号传输，包括电缆、光纤、无线等介质。其功能包括信号的编码解码、数据的传输与接收、物理连接的建立维护与拆除等，为数据链路层提供物理连接。
- 数据传输单位：比特（bit）。
- 常见协议：EIA/TIA - 232、EIA/TIA - 449、V.35 等，这些协议规定了物理接口的电气、机械和功能特性。
- 数据链路层
- 主要功能：将物理层传来的原始比特流组成帧，进行差错检测和纠正，同时实现介质访问控制，确保数据在物理链路上的可靠传输。
- 数据传输单位：帧（Frame）。
- 常见协议：以太网协议（IEEE 802.3）、PPP（Point - to - Point Protocol）协议、HDLC（High - level Data Link Control）协议等。以太网协议用于局域网中，PPP 协议常用于拨号连接和广域网链路，HDLC 协议是一种面向比特的链路层协议。
- 网络层
- 主要功能：负责将数据包从源节点通过网络传输到目的节点，主要功能包括寻址、路由选择、拥塞控制等。它为传输层提供端到端的通信服务。
- 数据传输单位：数据包（Packet）。
- 常见协议：IP（Internet Protocol）协议、ICMP（Internet Control Message Protocol）协议、IGMP（Internet Group Management Protocol）协议等。IP 协议是网络层的核心协议，负责寻址和路由；ICMP 协议用于在网络设备之间传递控制消息和错误信息；IGMP 协议用于管理多播组。
- 传输层
- 主要功能：提供端到端的可靠或不可靠的数据传输服务，确保数据的完整性和顺序性。它负责将应用层的数据分段，并在接收端重新组装。同时，还提供流量控制和错误恢复等功能。
- 数据传输单位：段（Segment）（TCP）或用户数据报（Datagram）（UDP）。
- 常见协议：TCP（Transmission Control Protocol）协议和 UDP（User Datagram Protocol）协议。TCP 协议提供面向连接的、可靠的字节流服务；UDP 协议提供无连接的、不可靠的数据包服务，常用于对实时性要求高但对数据准确性要求相对较低的应用，如视频流、音频流等。
- 会话层
- 主要功能：负责建立、维护和管理会话，包括会话的建立、拆除和同步等功能。它允许不同主机上的应用程序之间进行会话，并提供会话控制和管理机制。
- 数据传输单位：数据单元（Data Unit），通常没有明确的特定名称，其数据格式和大小取决于具体的应用和协议。
- 常见协议：NetBIOS（Network Basic Input/Output System）协议、SQL（Structured Query Language）中的会话管理部分等。NetBIOS 协议用于在局域网中建立和管理会话，实现计算机之间的通信和资源共享；SQL 中的会话管理部分用于数据库应用中建立和管理与数据库服务器的会话。
- 表示层
- 主要功能：对数据进行处理和转换，以确保不同系统之间能够正确地理解和交换数据。其功能包括数据加密解密、数据压缩解压缩、字符编码转换等。
- 数据传输单位：数据单元（Data Unit），同样没有明确的特定名称。
- 常见协议：SSL/TLS（Secure Sockets Layer/Transport Layer Security）协议、JPEG（Joint Photographic Experts Group）标准、ASCII（American Standard Code for Information Interchange）编码等。SSL/TLS 协议用于加密网络通信，确保数据的安全性；JPEG 标准用于图像压缩；ASCII 编码是一种常用的字符编码方式。
- 应用层
- 主要功能：为用户提供直接的网络服务，如文件传输、电子邮件、网页浏览等。它是最接近用户的一层，负责处理应用程序的逻辑和数据交互。
- 数据传输单位：消息（Message）。
- 常见协议：HTTP（Hypertext Transfer Protocol）协议、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）协议、FTP（File Transfer Protocol）协议、DNS（Domain Name System）协议等。HTTP 协议用于网页浏览；SMTP 协议用于发送电子邮件；FTP 协议用于文件传输；DNS 协议用于将域名转换为 IP 地址，实现域名解析功能。
TCP/IP 模型有哪几层？与 OSI 模型相比有什么不同之处？为什么 TCP/IP 模型得到了更广泛的应用123？
TCP/IP 模型分为四层，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。以下是 TCP/IP 模型与 OSI 模型的不同之处，以及 TCP/IP 模型得到广泛应用的原因：
TCP/IP 模型与 OSI 模型的不同之处
- 分层结构：OSI 模型严格分为七层，层次清晰，功能明确；TCP/IP 模型分为四层，相对更简洁，将 OSI 模型中的物理层和数据链路层合并为网络接口层，同时将会话层和表示层的功能归到应用层中。
- 协议设计：OSI 模型先有模型后有协议，协议是基于模型的框架进行设计的；TCP/IP 模型则是先有协议，然后才根据协议总结出模型，模型是对现有协议的一种归纳和总结。
- 应用场景：OSI 模型更侧重于理论研究和教学，它提供了一个完整的网络体系结构框架，有助于理解网络通信的原理；TCP/IP 模型则更注重实际应用，它是互联网的基础架构，被广泛应用于实际的网络建设和数据通信中。
TCP/IP 模型得到广泛应用的原因
- 简洁实用：TCP/IP 模型的四层结构相对简单，没有过多的理论层次，更符合实际网络应用的需求。它将重点放在了网络层、传输层和应用层，能够有效地实现数据的传输和应用的支持，避免了一些复杂的功能和概念，降低了实现的难度和成本。
- 开放性和兼容性：TCP/IP 协议是开放的标准，不受任何厂商或组织的控制，任何人都可以免费使用和实现这些协议。这使得不同厂商的设备和软件能够很容易地相互兼容，实现互联互通。无论是大型企业网络还是个人计算机，只要遵循 TCP/IP 协议，就能够接入互联网，与其他设备进行通信。
- 适应互联网发展：TCP/IP 模型是为互联网的发展而设计的，它很好地适应了互联网的分布式、异构性等特点。随着互联网的迅速发展，TCP/IP 协议逐渐成为了事实上的网络标准，被广泛应用于各种网络环境中，包括局域网、广域网和互联网等。
- 成熟的应用支持：在 TCP/IP 模型的基础上，发展出了丰富的应用层协议，如 HTTP、SMTP、FTP、DNS 等，这些协议为各种网络应用提供了有力的支持，使得用户能够方便地进行网页浏览、电子邮件发送、文件传输等操作。同时，大量的网络应用和服务也推动了 TCP/IP 模型的进一步普及和发展。
在五层协议中，各层的作用是什么？请分别从应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层进行阐述12。
五层协议的体系结构是综合了 OSI 七层模型和 TCP/IP 四层模型的优点，将计算机网络分为应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。以下是各层的作用：
- 应用层
- 提供服务接口：为用户的应用程序提供网络服务接口，使应用程序能够通过该接口访问网络资源，如文件服务器、邮件服务器等。
- 处理应用逻辑：负责处理特定的应用程序逻辑，如网页浏览中的 HTML 解析、电子邮件的撰写和阅读、文件传输的进度显示等。不同的应用层协议对应不同的应用场景和功能，如 HTTP 用于网页访问，SMTP 用于邮件发送，FTP 用于文件传输。
- 传输层
- 提供端到端通信：负责在不同主机的应用程序之间提供端到端的通信服务，确保数据能够准确无误地从源端传输到目的端。
- 数据分段与重组：将应用层传来的大数据块分割成适合网络传输的小段，并在接收端将这些小段重新组装成原始的数据。例如，TCP 协议会根据网络情况和接收方的处理能力，将大文件分成多个 TCP 段进行传输。
- 流量控制与拥塞控制：通过一些机制来控制数据的传输速率，避免发送方发送数据过快导致接收方无法处理，以及防止网络出现拥塞。如 TCP 协议通过滑动窗口机制实现流量控制，通过慢启动、拥塞避免等算法实现拥塞控制。
- 网络层
- 逻辑寻址：为网络中的设备分配逻辑地址，如 IP 地址，用于在不同网段之间标识设备的位置，实现数据包在网络中的路由选择。
- 路由选择：根据网络拓扑结构和路由算法，确定数据包从源节点到目的节点的最佳路径。路由器就是工作在网络层的设备，它根据路由表转发数据包，将数据从一个网络传输到另一个网络。
- 拥塞控制：对网络中的拥塞情况进行监测和控制，通过调整路由或限制数据传输速率等方式，避免网络出现严重的拥塞，保证网络的正常运行。
- 数据链路层
- 成帧：将网络层传来的数据包封装成帧，添加帧头和帧尾，帧头包含了源地址、目的地址、帧类型等信息，帧尾包含了用于差错检测的校验码，使数据能够在物理链路上以帧为单位进行传输。
- 差错检测与纠正：通过校验码等方式对传输过程中的数据进行差错检测，发现错误后可以通过重传等方式进行纠正，确保数据在链路层的传输可靠性。例如，循环冗余校验（CRC）就是一种常用的差错检测方法。
- 介质访问控制：当多个设备共享同一物理介质时，数据链路层负责控制这些设备对介质的访问，避免数据冲突，提高介质的利用率。如以太网中的 CSMA/CD（载波监听多路访问 / 冲突检测）协议就是一种介质访问控制方法。
- 物理层
- 信号传输：负责将数据链路层传来的数字信号转换为适合在物理介质上传输的信号形式，如电信号、光信号或无线信号等，并通过物理介质进行传输。同时，将接收端收到的信号转换为数字信号，传递给数据链路层。
- 物理介质管理：定义了物理介质的特性，如电缆的类型、接口的形状、信号的传输速率、传输距离等，确保不同设备之间能够通过合适的物理介质进行连接和通信。
- 比特同步：实现收发双方的比特同步，使接收方能够准确地从接收到的信号中提取出数据，保证数据传输的准确性。
数据传输过程
4.通信方式与交换技术：
电路交换、报文交换和分组交换的原理是什么？它们各自的特点和适用场景是什么？
电路交换、报文交换和分组交换是三种不同的数据交换方式，以下是它们的原理、特点和适用场景：
电路交换
- 原理：在通信双方之间建立一条专用的物理通信电路，在通信过程中，这条电路被双方独占，直到通信结束后才释放。就像打电话时，从拿起听筒到通话结束，电话线路始终保持连接状态，双方独占该线路进行语音传输。
- 特点
- 优点：通信实时性强，数据传输时延小，且传输速率固定，不会出现数据丢失或乱序的情况，适合对实时性要求高的业务。
- 缺点：电路建立和拆除过程耗时较长，在通信过程中即使没有数据传输，电路也被独占，线路利用率低。
- 适用场景：传统的电话通信系统是电路交换的典型应用场景，因为语音通话需要实时、连续的传输，对时延和数据完整性要求高。
报文交换
- 原理：将整个报文作为一个整体进行传输，报文在传输过程中会在各个节点进行存储和转发。发送方将报文发送到第一个节点，节点收到整个报文后，根据报文中的目的地址，选择下一个节点进行转发，直到报文到达目的地。
- 特点
- 优点：不需要建立专用的通信电路，线路利用率高，多个报文可以共享同一线路。而且可以对报文进行差错控制和流量控制，提高了数据传输的可靠性。
- 缺点：报文传输时延大，因为每个节点都需要接收完整的报文后才能进行转发，并且报文大小不固定，对节点的存储和处理能力要求较高。
- 适用场景：早期的电报系统采用了报文交换方式，现在一些对实时性要求不高、数据量较大且可以容忍一定时延的业务，如电子邮件、文件传输等，也可以使用报文交换的思想。
分组交换
- 原理：将报文分割成若干个固定长度的分组，每个分组都包含有分组头和数据部分。分组头中包含了目的地址、源地址等控制信息，然后将这些分组独立地在网络中进行传输。网络中的节点根据分组头中的信息，对分组进行存储转发，最终将所有分组送到目的地，再在接收端将分组重新组装成原始报文。
- 特点
- 优点：传输灵活性高，分组可以根据网络的拥塞情况选择不同的路径进行传输，提高了网络的可靠性和吞吐量。同时，分组长度固定，便于节点的存储和处理，传输时延相对较小且比较稳定。
- 缺点：由于需要对报文进行分割和重组，增加了额外的处理开销。而且分组在传输过程中可能会出现丢失、乱序等情况，需要复杂的协议来保证数据的完整性和顺序性。
- 适用场景：分组交换是现代计算机网络中最常用的交换方式，广泛应用于互联网、局域网等各种数据网络中，适用于各种类型的数据业务，如网页浏览、视频播放、在线游戏等。
虚电路交换与电路交换、分组交换有什么区别？它是如何综合两者优点的？
虚电路交换与电路交换、分组交换有以下区别：
- 连接建立方式
- 电路交换：在通信前需要建立一条专用的物理连接，通信结束后释放该连接1。
- 虚电路交换：属于分组交换的一种，在通信前建立的是一条逻辑连接，并非实际的物理连接1。
- 分组交换（数据报方式）：无需事先建立连接，每个分组独立地在网络中传输，根据目的地址进行路由选择3。
- 数据传输单位
- 电路交换：以比特流的形式进行数据传输，数据在整个连接上连续传输，没有明确的边界和分组。
- 虚电路交换：和分组交换一样，将数据分割成固定大小的分组进行传输，每个分组包含分组头和数据部分。
- 分组交换：将数据分割成固定大小的数据包进行传输，每个数据包包含有关该数据块的信息，如源地址、目的地址、序列号、校验和等2。
- 传输路径选择
- 电路交换：在建立连接时确定了固定的传输路径，通信过程中所有数据都沿着这条路径传输。
- 虚电路交换：在建立虚电路时确定了一条逻辑上的传输路径，所有分组都沿着这条路径按顺序传输3。
- 分组交换：每个分组独立地进行路由选择，不同分组可能通过不同的路径到达目的地2。
- 差错控制和流量控制
- 电路交换：通常由终端设备负责差错控制和流量控制，交换设备只是简单地转发数据，对数据不进行差错检测和纠正4。
- 虚电路交换：在每个节点上会进行差错检测，由于分组按顺序传输，所以可以较容易地进行差错控制和流量控制3。
- 分组交换：每个分组独立传输，可能会出现丢失、重复和乱序等情况，需要复杂的协议来实现差错控制和流量控制。
虚电路交换综合了电路交换和分组交换的优点，具体如下：
- 面向连接的通信：虚电路交换像电路交换一样，在通信前建立连接，使得数据能够按照顺序沿着预先确定的路径传输，保证了数据的有序性和可靠性，满足了对数据传输顺序有要求的应用场景，如视频流、音频流等实时性业务，这一点与电路交换相似，克服了分组交换中数据报方式可能出现的分组乱序问题3。
- 资源动态分配：虚电路交换采用分组交换的存储转发技术，多个虚电路可以共享网络资源，不像电路交换那样独占线路，提高了线路的利用率。网络中的节点可以根据当前的网络状况，动态地为虚电路分配带宽等资源，实现了资源的灵活分配，这是分组交换的优点3。
- 简化的路由选择：在虚电路建立后，分组只需沿着虚电路进行传输，节点不需要为每个分组进行独立的路由选择，只需根据虚电路号进行转发，减少了路由选择的开销和复杂度，提高了数据传输的效率，同时也在一定程度上降低了网络拥塞的可能性
5.端到端通信和点到点通信：
解释端到端通信和点到点通信的概念，它们之间有什么区别和联系？
端到端通信和点到点通信是计算机网络中两种不同的通信方式，以下是它们的概念、区别与联系：
概念
- 端到端通信：指的是在网络中，从源端系统到目的端系统之间的整个通信过程。它强调的是通信的最终目标，即实现两个终端设备（如两台计算机）之间的数据传输，而不关心中间经过的具体网络节点和链路。例如，当你从一台电脑向另一台电脑发送电子邮件时，就是端到端通信，邮件从你的电脑（源端）经过一系列网络设备，最终到达对方电脑（目的端）。
- 点到点通信：是指在网络中两个直接相连的节点之间进行的数据传输。这种通信方式关注的是相邻节点之间的信息传递，数据在两个特定的点之间通过一条物理链路或逻辑链路进行传输。例如，在一个局域网中，一台计算机通过网线直接与交换机相连，计算机与交换机之间的通信就是点到点通信。
区别
- 通信范围
- 端到端通信：覆盖的范围是从源端到目的端的整个网络路径，可能涉及多个中间节点和多种不同的网络链路。
- 点到点通信：只涉及两个直接相连的节点，范围局限于这两个节点之间的链路。
- 协议层次
- 端到端通信：通常在网络层及以上层次实现，如传输层的 TCP 协议负责端到端的可靠数据传输，应用层的各种协议（如 HTTP、SMTP 等）也是基于端到端的通信模型。
- 点到点通信：主要在数据链路层实现，数据链路层协议负责将数据从一个节点可靠地传输到相邻节点，如 PPP 协议用于点到点链路的数据传输。
- 可靠性保证
- 端到端通信：需要考虑整个通信路径上的各种因素来保证数据的可靠传输，如网络拥塞、节点故障等。它通过端到端的差错控制、流量控制等机制来确保数据能够准确无误地到达目的端。
- 点到点通信：主要关注相邻节点之间的传输可靠性，通过链路层的差错检测和重传机制来保证数据在链路上的正确传输。但对于整个端到端的通信来说，点到点通信的可靠性只是其中的一部分。
联系
- 点到点通信是端到端通信的基础：端到端通信是由多个点到点通信组成的。数据在从源端到目的端的传输过程中，需要经过一系列中间节点，每个中间节点之间的通信都是点到点通信。通过多个点到点通信的有序连接和协作，才能实现端到端的通信。
- 共同完成网络通信：在实际的网络通信中，端到端通信和点到点通信相互配合。端到端通信负责实现高层的通信功能，如数据的语义理解、应用程序的交互等；点到点通信则负责在底层提供可靠的链路传输，确保数据能够在相邻节点之间正确地传递。两者缺一不可，共同构成了完整的网络通信体系。
说明在计算机网络中，各层是如何实现端到端通信和点到点通信的？
在计算机网络中，不同层次通过不同的机制和协议来实现端到端通信和点到点通信，以下是各层的具体实现方式：
物理层
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点到点通信：负责在物理介质上传输原始的比特流，实现相邻节点之间的物理连接。通过定义物理介质的特性、信号的编码方式、传输速率等，确保比特能够在两个直接相连的设备之间准确传输。例如，以太网通过双绞线或光纤等物理介质，使用曼彻斯特编码将数字信号转换为适合在介质上传输的电信号或光信号，实现点到点的比特传输。
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端到端通信：物理层为端到端通信提供了底层的物理传输基础，但并不直接参与端到端的通信控制。它只是确保数据能够在各个点到点的链路上进行传输，为上层协议实现端到端通信提供了可靠的物理链路。
数据链路层
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点到点通信：将物理层接收到的比特流组装成帧，以帧为单位进行数据传输。通过链路层协议，如 PPP（点对点协议）、HDLC（高级数据链路控制协议）等，实现对帧的封装、差错检测和纠正、流量控制等功能，确保数据在相邻节点之间的可靠传输。例如，PPP 协议在点到点链路上，对数据进行封装成帧，并通过 CRC（循环冗余校验）进行差错检测，若发现错误则要求对方重传，从而实现点到点的可靠通信。
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端到端通信：在一些简单的网络中，数据链路层也可以提供一定程度的端到端通信支持。例如，在一个由多个点到点链路组成的链状网络中，数据链路层协议可以确保数据从源端经过中间节点逐跳传输到目的端。但在复杂的网络拓扑中，数据链路层主要还是为网络层提供点到点的可靠传输服务，网络层则负责实现端到端的通信路径选择和数据转发。
网络层
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点到点通信：负责将分组从一个节点转发到另一个节点，根据分组的目的地址和网络拓扑结构，选择合适的下一跳节点。网络层协议如 IP（网际协议），通过查找路由表来确定分组的转发路径，将分组从源节点逐跳传输到目的节点。例如，在一个基于 IP 的网络中，路由器根据 IP 地址和路由表信息，将数据包从一个接口转发到另一个接口，实现点到点的分组传输。
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端到端通信：主要功能是实现源端到目的端的通信路径选择和数据包的转发。通过路由协议，如 RIP（路由信息协议）、OSPF（开放最短路径优先协议）等，网络层构建网络拓扑图，计算出到达目的网络的最佳路径。然后，将数据包沿着这些路径从源端传输到目的端，实现端到端的通信。例如，当一台主机要向另一台位于不同网络的主机发送数据时，网络层的 IP 协议会根据目的 IP 地址，通过路由器在不同网络之间转发数据包，最终到达目的主机。
传输层
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点到点通信：传输层不直接涉及点到点的通信，它主要关注的是端到端的通信。然而，在实现端到端通信的过程中，传输层需要利用网络层提供的点到点传输服务，将数据从源端传输到目的端。
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端到端通信：为应用程序提供端到端的通信服务，确保数据在源端和目的端之间的可靠传输。传输层协议如 TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议），通过端口号来标识不同的应用程序进程。TCP 提供可靠的面向连接的服务，通过三次握手建立连接，使用滑动窗口进行流量控制和差错控制，确保数据的有序、无差错传输。UDP 则提供无连接的不可靠服务，适用于对实时性要求高但对数据准确性要求相对较低的应用，如视频流、音频流等。
应用层
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点到点通信：应用层一般不直接涉及点到点通信的具体实现，它是建立在传输层提供的端到端通信服务之上，为用户提供各种网络应用服务。
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端到端通信：负责实现具体的应用程序功能，如 HTTP（超文本传输协议）用于 Web 浏览，SMTP（简单邮件传输协议）用于电子邮件发送，DNS（域名系统）用于域名解析等。这些应用层协议通过调用传输层的服务，实现端到端的应用程序之间的通信。例如，当用户在浏览器中输入网址访问网页时，HTTP 协议在应用层将用户的请求封装成 HTTP 消息，通过传输层的 TCP 或 UDP 协议将消息发送到服务器端，服务器端响应后再将数据通过同样的方式返回给用户，实现端到端的 Web 应用通信。
6.计算机网络的性能指标：
带宽、时延、时延带宽积等性能指标的定义是什么？它们是如何影响网络性能的？
以下是带宽、时延、时延带宽积等性能指标的定义以及它们对网络性能的影响：
带宽
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定义：带宽是指在单位时间内网络中能够传输的数据量，通常用比特每秒（bps）来表示。它反映了网络传输数据的能力，类似于道路的宽度，带宽越大，网络能够承载的数据量就越多。
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对网络性能的影响：较高的带宽能使数据传输速度更快，用户在进行下载、上传、视频播放等操作时，能获得更高的速率，减少等待时间。例如，在下载大型文件时，100Mbps 带宽的网络会比 10Mbps 带宽的网络快得多。
时延
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定义：时延是指数据从发送端传输到接收端所经历的时间。它包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。发送时延是指发送数据时，数据块从节点进入到传输媒体所需要的时间；传播时延是电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间；处理时延是指节点在收到分组时进行处理的时间，如分析首部、检查错误等；排队时延是分组在路由器等设备的队列中等待转发所经历的时间。
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对网络性能的影响：时延越小，用户体验到的实时性就越好。对于实时性要求高的应用，如在线游戏、视频会议等，低时延至关重要。高时延会导致游戏画面卡顿、视频会议出现延迟和卡顿，影响用户体验。
时延带宽积
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定义：时延带宽积是指网络的传播时延与带宽的乘积。它表示在一个往返时延内，网络链路所能容纳的数据量，类似于一个管道的容量，该管道的长度是传播时延，横截面积是带宽。
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对网络性能的影响：时延带宽积反映了网络的拥塞程度和数据传输效率。较大的时延带宽积意味着网络中可以容纳更多的数据在传输中，若发送方发送数据过快，容易导致网络拥塞；若发送方发送数据过慢，则不能充分利用网络带宽，降低了传输效率。例如，在卫星通信网络中，由于传播时延较大，时延带宽积也较大，需要采用特殊的流量控制和拥塞控制机制来避免数据丢失和提高传输效率。
其他指标：
如何计算网络中的总时延？请分别说明排队时延、处理时延、传输时延和传播时延的含义和计算方法。
网络中的总时延是指数据从发送端传输到接收端所经历的总时间，它等于排队时延、处理时延、传输时延和传播时延之和，即：总时延 = 排队时延 + 处理时延 + 传输时延 + 传播时延。以下分别介绍这四种时延的含义和计算方法：
- 排队时延
- 含义：分组在路由器等设备的队列中等待转发所经历的时间。当分组到达路由器时，如果路由器的输出队列已满或者正在处理其他分组，那么新到达的分组就需要在队列中等待，直到轮到它被处理和转发。
- 计算方法：排队时延的计算较为复杂，它取决于网络的拥塞程度、分组到达的速率以及路由器的调度策略等因素，没有一个固定的计算公式。一般来说，在轻载网络中，排队时延较小；而在重载网络中，排队时延可能会很大，甚至导致分组丢失。
- 处理时延
- 含义：节点在收到分组时进行处理的时间，包括分析分组首部、检查错误、查找路由表以确定转发端口等操作所花费的时间。处理时延主要取决于节点设备的性能，如 CPU 的处理速度、内存的读写速度等。
- 计算方法：处理时延通常相对稳定，对于特定的设备和协议，其处理时延可以通过实验或根据设备的技术规格来估算。例如，某路由器处理一个分组的平均时间为 1 微秒，那么处理时延就是 1 微秒。但在实际网络中，由于不同分组的处理复杂度可能不同，处理时延也会有所变化。
- 传输时延
- 含义：发送数据时，数据块从节点进入到传输媒体所需要的时间，也就是将分组的所有比特推送到链路所需的时间。它与数据分组的长度和链路的传输速率有关。
- 计算方法：传输时延 = 数据分组长度（比特）/ 链路传输速率（比特每秒）。例如，要发送一个长度为 1000 比特的数据分组，链路的传输速率为 100Mbps（100×10^6 比特每秒），则传输时延 = 1000 / (100×10^6) = 10 微秒。
- 传播时延
- 含义：电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间。传播时延取决于信道的长度和电磁波在信道中的传播速度。
- 计算方法：传播时延 = 信道长度（米）/ 电磁波在信道中的传播速度（米每秒）。在自由空间中，电磁波的传播速度约为 3×10^8 米每秒；在光纤中，传播速度约为 2×10^8 米每秒。例如，一条光纤链路长度为 1000 米，那么传播时延 = 1000 / (2×10^8) = 5 微秒。
7.网络的分类
网络可以按照不同的标准进行分类，以下是一些常见的分类方式：
按覆盖范围分类
- 广域网（WAN）
- 覆盖范围通常跨越城市、国家甚至全球，用于连接不同地区的计算机网络。
- 例如，国际互联网（Internet）是最大的广域网，它将世界各地的计算机和网络连接在一起。
- 城域网（MAN）
- 覆盖范围一般为一个城市，通常用于连接城市内的多个局域网或企业网络。
- 例如，城市的教育城域网，将市内各学校的网络连接起来，实现资源共享和通信。
- 局域网（LAN）
- 覆盖范围较小，一般局限于一个建筑物、一个校园或一个企业园区内。
- 如家庭网络、企业办公室网络、学校机房网络等，通常使用交换机、路由器等设备进行连接。
- 个人区域网（PAN）
- 覆盖范围围绕个人，通常在 10 米左右的范围内，用于连接个人设备，如手机、平板电脑、耳机、智能手表等。
- 典型的个人区域网技术是蓝牙，它可以在短距离内实现设备之间的无线通信。
按拓扑结构分类
- 总线型拓扑
- 所有设备都连接在一条总线上，数据沿着总线进行传输，任何设备发送的数据都能被总线上的其他设备接收。
- 这种拓扑结构简单，成本低，但可靠性较差，一旦总线出现故障，整个网络就会瘫痪。
- 星型拓扑
- 有一个中心节点（如交换机、集线器），其他节点都与中心节点相连，数据通过中心节点进行转发。
- 便于集中管理和控制，容易检测和隔离故障，但中心节点负担较重，一旦中心节点出现故障，会导致整个网络瘫痪。
- 环型拓扑
- 网络中的节点通过点到点链路连接成一个闭合的环，数据在环中沿着一个方向逐站传输。
- 数据传输具有确定性，每个节点都有平等的访问权，但任何一个节点或链路出现故障都会导致整个网络瘫痪，而且重新配置网络比较困难。
- 树型拓扑
- 节点按照层次进行连接，形状像一棵倒置的树，顶端是根节点，向下分支连接多个子节点。
- 易于扩展，可以方便地增加新的节点和分支，但对根节点的依赖性较大，如果根节点出现故障，可能会影响到其下属的多个分支节点。
- 网状型拓扑
- 网络中的节点之间存在多条链路相互连接，形成一个网状结构。
- 可靠性高，任何一条链路出现故障不影响数据传输，网络的冗余度高，但线路成本高，网络结构复杂，配置和管理难度大。
按传输介质分类
- 有线网络
- 通过有形的传输介质来传输数据，如双绞线、同轴电缆、光纤等。
- 双绞线常用于局域网中，成本较低；同轴电缆曾广泛应用于有线电视网络和早期的计算机网络；光纤具有高带宽、低损耗、抗干扰能力强等优点，常用于长距离传输和对带宽要求高的网络。
- 无线网络
- 利用无线电磁波在自由空间中传输数据，包括 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、移动通信网络（如 4G、5G）等。
- 具有灵活性高、部署方便等优点，适用于移动设备接入和难以铺设线缆的场所，但信号容易受到干扰和遮挡，传输速率和稳定性相对有线网络可能会低一些。
按使用性质分类
- 公用网
- 由电信运营商等机构建设和运营，面向公众提供服务的网络，如普通的互联网接入服务、电话网络等。
- 任何人只要按照规定缴纳费用，都可以使用公用网进行通信和数据传输。
- 专用网
- 为特定的机构或组织内部使用而建设的网络，不对外公开服务。
- 例如，银行的内部网络、军队的军事通信网络等，这些网络通常具有较高的安全性和保密性要求，只有授权用户才能访问和使用。
二、物理层
基本概念类
- 物理层的作用是什么：
- 实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异，让数据链路层不必考虑网络的具体传输介质4。
- 物理层接口特性有哪些：
- 包括机械特性，如接口所用接线器的形状和尺寸等；
- 电气特性，如接口电缆各条线上的电压范围；
- 功能特性，即某条线上某一电平电压表示的意义；
- 过程特性，指不同功能的各种可能事件的出现顺序2。
- 其他概念
传输媒体类
- 常见的传输媒体有哪些，各有什么特点：
- 双绞线：价格便宜，易于安装，抗干扰能力一般，适用于短距离传输。
- 同轴电缆：抗干扰能力较强，传输带宽较宽，常用于有线电视网络等。
- 光纤：传输损耗小、带宽高、抗干扰能力强、保密性好，但成本较高，安装和维护复杂。
- 无线传输媒体：包括无线电波、微波、红外线等，可实现移动设备的网络连接，无需布线，但信号易受干扰和衰减。
- 双绞线：价格便宜，易于安装，抗干扰能力一般，适用于短距离传输。
- 如何选择合适的传输媒体：
- 需考虑传输距离、带宽需求、抗干扰能力、成本、安装维护难度等因素。
- 例如，长距离高速传输可选择光纤；
- 家庭网络中，短距离可使用双绞线，无线设备连接则采用无线传输媒体。
编码与调制类
- 不归零编码（NRZ）、归零编码（RZ）、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的特点及区别：
- 不归零编码NRZ：在整个码元时间内电平不发生变化，需额外传输线传输时钟信号。
- 归零编码RZ：每个码元传输结束后信号归零，接收方在信号归零后采样，无需单独时钟信号。
- 曼彻斯特编码：用码元中间时刻跳变表示时钟和数据，可自行定义正跳变和负跳变表示的比特值。
- 差分曼彻斯特编码：用码元中间时刻跳变表示时钟，码元开始处电平是否变化表示数据，变化表示 0，不变表示 1。
- 什么是调制，常见的调制方式有哪些：
- 调制是将数字信号转换为模拟信号的过程，以便在模拟信道上传输。常见的调制方式有振幅调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）等，以及它们的组合，如正交振幅调制（QAM）。
信道容量类（奈氏准则，香农公式）
- 奈氏准则的内容是什么，有什么作用：
- 奈氏准则指出了码元传输速率是受限的，不能任意提高，否则接收端无法正确判定码元。在理想低通信道下，最高码元传输速率为 2W 波特，W 是信道带宽。它给出了无噪声情况下码元传输速率的上限，为设计数字传输系统提供了理论依据。
- 香农公式的内容是什么，与奈氏准则有什么区别：
- 香农公式给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率，公式为C=Wlog2(1+S/N)，其中C是信息传输速率，W是信道带宽，S/N是信噪比。
- 奈氏准则主要关注码元传输速率，未对信息传输速率给出限制，且是在理想条件下；
- 香农公式考虑了噪声对信息传输速率的影响，给出了实际信道中信息传输速率的极限。
复用技术类
- 频分复用、时分复用、波分复用和码分复用的原理及应用场景：
- 频分复用：给每个信号分配唯一载波频率，通过单一媒体传输多个独立信号，用于有线电视、无线广播等。
- 时分复用：把多个信号复用到单个硬件传输信道，每个信号在短时间内使用信道，常见于数字电话系统。
- 波分复用：光的频分复用，用于光纤通信，可增加光纤的传输容量。
- 码分复用：用一组包含互相正交码字的码组携带多路信号，各用户使用不同码型，抗干扰能力强，用于移动通信等。
- 如何计算时分复用系统中每个用户的传输速率：
- 已知时分复用系统的总传输速率和用户数，每个用户的传输速率等于总传输速率除以用户数。例如，总速率为 10Mbps，有 10 个用户，则每个用户的传输速率为 1Mbps。
物理层设备类
- 中继器和集线器的工作原理及作用是什么：
- 中继器：工作在物理层，对信号进行再生和还原，将衰减的信号增强到原始强度，以延长信号传输距离。
- 集线器：是多端口的中继器，将接收到的信号广播到所有端口，连接多个设备组成一个局域网，但所有设备共享同一带宽，易产生冲突。
- 中继器和集线器能否隔离冲突域和广播域：
- 中继器和集线器都不能隔离冲突域和广播域，会将冲突和广播信号传播到整个网络，导致网络效率降低。
三、数据链路层
基本概念
数据链路层的功能是什么：
主要功能包括封装成帧、透明传输、差错检测，还负责将网络层的 IP 数据报封装成帧进行传输，以及在相邻节点间实现可靠的数据帧传输等。
简述链路和数据链路的区别：
链路是从一个结点到相邻结点的一段物理线路。
数据链路是把实现相关协议的硬件和软件加载到链路上，通常使用适配器（如网卡）来实现这些协议的硬件和软件，它包括了数据链路层和物理层这两层的功能。
数据链路层使用的信道
数据链路层的地位
链路管理
封装成帧（组帧）
什么是封装成帧
封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。
首部和尾部包含许多必要的控制信息，其重要作用是进行帧定界，使接收端能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
MTU 的作用是什么
每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限，即最大传送单元 MTU。它限制了帧中数据部分的最大长度，确保数据能在特定的链路中正确传输，避免因数据过长导致传输错误或链路堵塞。
实现组帧的方法
透明传输
透明
字节填充和零比特填充的原理分别是什么
字节填充用于面向字符的同步传输，当数据中出现与帧定界控制字符相同的比特组合时，在其前面插入一个转义字符。接收端收到数据后删除插入的转义字符以还原原始数据。
零比特填充用于 PPP 协议在 SONET/SDH 链路的同步传输，发送端扫描信息字段，发现 5 个连续 1 就立即填入一个 0；接收端扫描比特流，发现 5 个连续 1 就把后面的一个 0 删除，以保证透明传输。
为什么要实现透明传输
为了使所传输的数据中的任何比特组合都能正常传输，而不会因为与帧定界控制字符的比特编码相同而引起帧定界错误，确保数据在传输过程中不被误解或错误截断。
差错控制
常见错误
3)比特差错：1->0 0->1
常用的差错控制技术：自动重传请求（ARQ）前向纠错（FEC）
检错编码（奇偶校验、循环冗余ROC）
循环冗余检验（CRC）的原理是什么
在发送端，将数据 M 除以一个特定的除数 P（生成多项式），得到余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去。在接收端，把收到的每一个帧都除以同样的除数 P 进行 CRC 检验，若得到的余数为 0，则认为该帧无差错；若余数不为 0，则说明该帧有差错。
除了 CRC，还有哪些差错检测方法
还有奇偶校验码，通过在数据中添加一个冗余位，使整个数据中 “1” 的个数为奇数或偶数，用于检测奇数位错误，但无法检测偶数位错误和纠错。
纠错编码（码距、海明码）
流量控制
流量控制与滑动传输机制
数据链路层与传输层的滑动窗口协议的区别
可靠传输机制（s-w，GBN,SR）
信道利用率分析
介质访问控制
信道划分介质访问控制
CDMA 码分多址
随机访问介质访问控制
1.ALOHA
2.CSMA协议
3.CSMA/CD协议
CSMA/CD 协议的工作过程是怎样的
首先，站点在发送数据前先监听总线是否空闲，若总线忙则不发送；若总线空闲则把准备好的数据发送到总线上。在发送数据的过程中，工作站边发送边检测总线，看是否有冲突。若无冲突，则继续发送直到全部数据传完；若有冲突，则立即停止发送数据，等待一个预定的随机时间，且在总线为空闲时，再重新发送未发完的数据。
什么是争用期和最短帧长
争用期是以太网的端到端往返时间 2τ，它决定了在这段时间内发送数据的站点可能会发生冲突。最短帧长是指在以太网中，为了确保发送数据的站点能够在发送完整个帧之前检测到可能发生的冲突，规定的帧的最小长度。如果帧长度小于最短帧长，在发送过程中就无法检测出冲突。
4.CSMA/CA协议
CSMA/CD 与CSMA/CA 对比
5.隐蔽站问题
6.轮询访问/令牌传输协议
局域网相关
局域网的拓扑类型有哪些？各有什么特点
主要有星形网、环形网、总线网。
星形网的特点是便于集中管理和控制，容易检测和隔离故障，但中心节点负担较重；
环形网数据传输具有确定性，每个节点都有平等的访问权，但任何一个节点或链路出现故障都会导致整个网络瘫痪；
总线网结构简单、成本低，所有节点都能接收总线上的信号，但传输效率较低，且总线任何一点出现故障，整个网络都将瘫痪。
以太网
以太网的 MAC 地址有什么特点
MAC 地址是数据链路层的地址，长度为 48 位二进制数，全球唯一。它固化在网卡的 ROM 中，用于在局域网中标识不同的设备，实现数据帧的正确传输和接收。
VLAN
广域网
广义表与局域表
点对点协议
PPP 协议的组成部分有哪些
包括一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法，支持异步链路和面向比特的同步链路；
一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议 LCP；
一套网络控制协议 NCP，用于支持不同的网络层协议。
PPP 协议如何实现透明传输
在同步传输时采用零比特填充方法，在发送端，扫描整个信息字段，只要发现有 5 个连续 1，就立即填入一个 0；接收端收到帧后，对其中的比特流进行扫描，每当发现 5 个连续 1 时，就把这 5 个连续 1 后面的一个 0 删除。在异步传输时采用字节填充法，当信息字段中出现和标志字段一样的比特组合时，在其前面插入一个转义字符，接收端收到数据后进行相反的变换以还原信息。
PPP的特点
设备（网桥，交换机）
四、网络层
五、传输层
六、应用层