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高校春季计算机网络重点讲义

前言

本讲义旨在梳理计算机网络课程的核心知识点与重点难点，为同学们春季学期的学习与复习提供系统性的指导。计算机网络是计算机科学与技术领域的基石，其知识体系繁杂且实践性强。本讲义将围绕TCP/IP协议栈的核心层次展开，强调理论与实际应用的结合，帮助同学们构建清晰的网络知识框架，并培养分析和解决网络问题的基本能力。

第一章计算机网络概述

1.1计算机网络的定义与分类

计算机网络是将地理上分散的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路和通信设备连接起来，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。

网络分类方式多样，按覆盖范围可分为广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）和个人区域网（PAN）。理解不同网络类型的特点、典型技术及应用场景，是把握网络整体架构的基础。

1.2网络拓扑结构

常见的网络拓扑结构包括总线型、星型、环型、树型和网状型。每种拓扑结构在可靠性、成本、扩展性及管理复杂度方面各有优劣。实际网络往往是多种拓扑的混合体。

1.3网络性能指标

衡量网络性能的关键指标包括带宽、吞吐量、时延（发送时延、传播时延、处理时延、排队时延）、时延带宽积、往返时间（RTT）和丢包率。理解这些指标的定义及其相互关系，对于评估和优化网络性能至关重要。

1.4网络体系结构与协议

网络体系结构是计算机网络各层及其协议的集合。协议三要素为语法（数据与控制信息的结构或格式）、语义（需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应）和同步（事件实现顺序的详细说明）。

OSI七层模型与TCP/IP四层（或五层）模型是两种重要的体系结构参考。重点理解TCP/IP模型各层的核心功能，以及层与层之间如何通过服务访问点（SAP）进行交互。

本章重点与难点：协议三要素；OSI与TCP/IP模型的层次划分及各层功能对比；网络性能指标的计算与理解。

第二章物理层

2.1物理层基本概念

物理层主要解决在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流的问题，其主要任务是确定与传输媒体的接口有关的特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

2.2数据通信的基础知识

理解数据、信号、码元、信道等基本概念。区分基带传输与频带传输；串行传输与并行传输；单工、半双工与全双工通信。

掌握奈奎斯特定理和香农定理，它们分别从码元传输速率和信息传输速率的角度描述了信道的极限容量，是分析信道带宽与数据率关系的重要工具。

2.3传输介质

传输介质分为导向传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）和非导向传输介质（无线电波、微波、红外线、可见光）。了解各种传输介质的传输特性、优缺点及适用场景。

2.4物理层设备

中继器和集线器（Hub）是物理层常用设备，它们工作在物理层，主要功能是对信号进行再生和放大，以延长信号的传输距离。集线器本质上是多端口的中继器，但其共享带宽的特性限制了其在现代网络中的应用。

本章重点与难点：奈奎斯特定理与香农定理的应用；各种传输介质的特点；物理层设备的功能。

第三章数据链路层

3.1数据链路层的基本功能

数据链路层的主要功能包括：封装成帧、透明传输、差错控制和流量控制。此外，还涉及MAC（介质访问控制）子层的信道接入问题。

3.2差错控制

实际通信链路存在噪声干扰，可能导致比特差错。差错控制常用的方法是差错检测编码（如奇偶校验、循环冗余校验CRC）。CRC码具有很强的检错能力，是目前应用最广泛的检错码之一。

3.3流量控制与可靠传输机制

流量控制旨在使发送方的发送速率不超过接收方的接收能力。基本的流量控制机制包括停-等协议和滑动窗口协议。

可靠传输机制则是在存在差错的物理链路上实现无差错的数据传输，通常通过确认和重传机制来实现。自动重传请求（ARQ）是实现可靠传输的基础。

3.4介质访问控制（MAC）

MAC子层主要解决共享信道的分配问题。随机接入协议如ALOHA、CSMA、CSMA/CD（用于以太网），以及受控接入协议如令牌传递，是两类重要的MAC协议。理解CSMA/CD协议的“先听后发、边听边发、冲突检测、随机重发”工作原理。

3.5以太网与IEEE802.3

以太网是目前应用最广泛的局域网技术。了解以太网的帧格式、MAC地址的概念。快速以太网、千兆以太网及万兆以太网的技术演进，其核心思想是保持以太网帧格式不变，提高传输速率和改进介质访问控制方法。

3.6广域网数据链路层协议

PPP（点对点协议）是目前广域网中应用最广泛的数据链路层协议，它支持多种网络层协议，具有简单、灵活、可扩展等特点。了解PPP协议的组成和基本工作过程。

本章重点与难点：CRC校验原理；滑动窗口协议实现可靠传输的机制；CSMA/CD协议的工作原理；以太网帧结构与MAC地