【总结笔记】计算机网络核心考点

整合16个笔记文件，去除重复，按考点分类。五大模块：① IP编址与子网划分 ② 网络层协议与路由 ③ 数据链路层 ④ 传输层TCP ⑤ 高频易错

模块一：IP编址、子网划分与NAT

1.1 CIDR基础

IP地址结构：网络前缀（网络号+子网号） + 主机号，共32位

$n （前缀位） + h （主机位） = 32$

CIDR斜线记法：202.118.1.0/25 → 前25位是网络前缀，主机位 $h = 7$

子网掩码速查（掩码长度→第4字节）：

掩码	主机位h	步长S	掩码第4字节	可用主机数
/24	8	256	.0	254
/25	7	128	.128	126
/26	6	64	.192	62
/27	5	32	.224	30
/28	4	16	.240	14
/29	3	8	.248	6
/30	2	4	.252	2（点对点链路专用）

魔数法：遇到不是255也不是0的掩码字节 → 256 - 该字节值 = 步长

1.2 子网地址范围计算（三步法）

核心：只看”发生变化的那个字节”（408中90%的题变化在第4字节）

Step 1. 算步长： $S = 2^{h} = 2^{32 - n}$

Step 2. 找网络地址：设变化字节值为X，则 $k = ⌊ X \div S ⌋, 网络地址变化字节 = k \times S$

Step 3. 得出范围：

网络地址（全0）：变化字节 = $k \times S$
广播地址（全1）：变化字节 = $k \times S + S - 1$
可用主机范围：网络地址+1 到广播地址-1
可用主机数： $N = 2^{h} - 2$

例：IP=183.80.72.x，掩码255.255.192.0

变化字节：第3字节；步长 = 256-192 = 64
k = ⌊72÷64⌋ = 1，网络地址第3字节 = 64
网络地址：183.80.64.0；广播地址：183.80.127.255；可用：183.80.64.1～183.80.127.254

1.3 特殊地址速查

地址	特征	说明
网络地址	主机号全0	代表子网本身，不分配给主机
广播地址	主机号全1	向子网内所有主机广播，不分配给主机
私有地址	`10.x.x.x`、`172.16-31.x.x`、`192.168.x.x`	公网路由器直接丢弃，经NAT才能出公网
受限广播	`255.255.255.255`	路由器不转发，仅在本网段内广播

1.4 路由聚合（超网汇聚）

将多条路由合并为一条更短前缀的路由。两个铁律：

铁律一：各子网的下一跳IP和出口接口必须完全相同
铁律二：各子网的二进制地址在截断位处必须互补连续（取遍0和1的所有组合）

聚合步骤：各子网地址转二进制 → 找最长公共前缀 → 截断位即为新掩码长度

1.5 NAT网络地址转换

工作原理：内网主机出公网，路由器将数据包源IP（私有地址）替换为路由器公网接口IP

解题关键：

“经NAT后的源IP” = NAT路由器连接公网的接口IP
看到私有地址 → 不能是NAT转换后的外网源地址

NAPT/端口映射（外网访问内网服务）：外网发包到路由器公网IP+端口 → 路由器把目的IP改为内网服务器IP转发

推导点对点链路对端IP（以/30为例）：

已知R1 = 195.123.0.34/30，步长=4
34在区间[32,35]中；区间可用IP：.33和.34
R1占了.34，则R2必为 195.123.0.33

模块二：网络层协议与路由

2.1 网络互连设备

设备	工作层次	隔离冲突域	隔离广播域
集线器Hub	物理层（1层）	✗	✗
交换机Switch	链路层（2层）	✅每端口独立	✗
路由器Router	网络层（3层）	✅	✅

找网关口诀：看拓扑图，找”与主机所在交换机直连的路由器接口”，该接口IP = 网关，该接口斜线后缀 = 本网段掩码

交换机自学习：根据帧的源MAC记录{MAC→端口}；未主动发帧的节点不会在表中

2.2 IP数据报首部关键字段

字段	大小	考点
首部长度	4bit	单位4字节，无选项时=5（即20B）
总长度	16bit	首部+数据，字节为单位
TTL	8bit	每过一个路由器-1；为0时丢弃，回ICMP超时
协议	8bit	TCP=6，UDP=17，ICMP=1
标识	16bit	同一数据报的所有分片共用同一标识
片偏移	13bit	单位8字节（片偏移=数据字节偏移/8）
MF标志	1bit	=1还有后续分片；最后一片MF=0

2.3 IP分片计算步骤

触发：数据报总长 > 链路MTU时，路由器分片，目的主机重组

原数据载荷： $L_{数据} = L_{原总长} - 20$ （首部20B）
每片最大数据： $每片 = ⌊(MT U - 20) \div 8 ⌋ \times 8$ （必须8的倍数！）
分片总数： $⌈ L_{数据} \div 每片 ⌉$
第i片（从0起）片偏移 = $i \times 每片 \div 8$
标志：最后一片MF=0，其余MF=1

2.4 路由协议对比

协议	类别	算法	度量	最大跳数	收敛速度
RIP	IGP（AS内）	距离向量	跳数	15	慢
OSPF	IGP（AS内）	链路状态	代价(开销)	无限制	快
BGP	EGP（AS间）	路径向量	AS路径	-	-

RIP收敛时间：信息从源点传播k跳所需时间 = $(k - 1) \times T$ （T=30s）

OSPF工作原理：路由器洪泛LSA → 全网建立相同LSDB → 各自用Dijkstra算最短路

BGP选路：优先AS-Path最短（中间经过的自治系统数最少）；eBGP在AS间，iBGP在AS内传播

模块三：数据链路层

3.1 以太网MAC帧结构

$目的 MAC(6B) + 源 MAC(6B) + 类型 (2B) + 数据 + FCS(4B)$

固定开销：18B；数据载荷 = 帧总长 - 18B
类型字段：0800H=IPv4，0806H=ARP
最小帧长：64B（数据最少46B）

3.2 通信模式

方式	能否同时收发	典型协议
单工	否（单向）	广播电视
半双工	否（交替）	CSMA/CD以太网、Wi-Fi(CSMA/CA)
全双工	✅	交换机端口、光纤（无需碰撞检测）

3.3 CSMA/CD（总线以太网碰撞检测）

$τ = \frac{d}{v} (v \approx 2 \times 1 0^{8} m/s)$

争用期（碰撞窗口）： $2 τ$ （检测碰撞的最长时间）
最小帧长： $L_{min} = 2 τ \times 带宽$ （必须发完这么多才能检测到碰撞）

3.4 ARP地址解析协议

作用：已知IP → 获取MAC

逐跳传输铁律：

IP地址全程不变（不考虑NAT）
MAC地址每一跳都变
跨网段时：目的MAC = 下一跳路由器接口MAC（网关MAC）

工作流程：查ARP缓存 → 未命中则广播ARP请求（全F MAC）→ 目标单播应答 → 更新缓存

3.5 DHCP四步交互（DORA）

步骤	方向	源IP	目的IP	关键原因
Discover	主机→广播	`0.0.0.0`	`255.255.255.255`	无IP，不知道服务器在哪
Offer	服务器→主机	服务器IP	广播或主机IP	提供预留IP
Request	主机→广播	`0.0.0.0`	`255.255.255.255`	IP未正式确认；需通知所有服务器
ACK	服务器→主机	服务器IP	广播或主机IP	正式下发IP/掩码/网关/DNS

续约（Renew）：租期过半，源IP=自己IP，目的IP=原服务器IP（单播）

地址池规则：路由器接口、固定服务器等静态配置的IP不能放入地址池

3.6 滑动窗口协议

基本公式： $a = \frac{τ}{T _{f}}, T_{f} = \frac{L}{B}$

$a$ ：传播时延与帧传输时延之比； $τ$ ：单向传播时延； $T_{f}$ ：帧传输时延； $L$ ：帧长； $B$ ：带宽

信道利用率：

协议	利用率公式	满载条件
停止等待（W=1）	$U = \frac{1}{1 + 2 a}$	-
滑动窗口（窗口W）	$U = \frac{W}{1 + 2 a}$	$W \geq 1 + 2 a$

GBN（后退N帧）：

发送窗口最大值： $W_{s} \leq 2^{n} - 1$ （n位序号）
出错后：从出错帧开始，重传该帧及之后所有帧
接收窗口：1（失序帧直接丢弃）
确认方式：累积确认（ACK n = n及之前全OK）

SR（选择重传）：

发送/接收窗口： $W_{s} = W_{r} \leq 2^{n - 1}$
只重传出错帧，接收方缓存失序帧

模块四：传输层TCP

4.1 关键术语

缩写	含义	说明
swnd	发送窗口	$min (c w n d, r w n d)$ ，取小值
cwnd	拥塞窗口	发送方自估网络承载能力（拥塞控制）
rwnd	接收窗口	接收方缓存剩余（流量控制），通过ACK告知
MSS	最大报文段	TCP数据载荷最大字节数（不含首部）
RTT	往返时间	发数据到收ACK的总时延
ssthresh	慢开始门限	区分指数增长和线性增长的分界线
ISN	初始序号	握手时随机生成的起始序号
MSL	最长报文段寿命	主动关闭方等待2MSL才彻底关闭

4.2 拥塞控制四阶段

阶段	触发条件	cwnd变化
慢开始	cwnd < ssthresh	每收一个ACK，cwnd+1 MSS（宏观上每RTT翻倍）
拥塞避免	cwnd ≥ ssthresh	每轮RTT，cwnd+1 MSS（线性增长）
超时重传	超时未收ACK	ssthresh=cwnd/2，cwnd=1，重新慢开始
快重传+快恢复	连续收到3个重复ACK	ssthresh=cwnd/2，cwnd=ssthresh，进入拥塞避免

4.3 序号机制

SYN和FIN各消耗1个序号（不含数据但占位）
数据第1字节序号 = ISN + 1
序号是字节编号，不是报文段编号

4.4 三次握手与四次挥手

三次握手（建立）：

A→B: SYN, seq=x
B→A: SYN+ACK, seq=y, ack=x+1
A→B: ACK, ack=y+1

四次挥手（断开）：

A→B: FIN, seq=u
B→A: ACK, ack=u+1
B→A: FIN, seq=v
A→B: ACK, ack=v+1   ← A进入TIME_WAIT，等2MSL

为什么三次握手：两次握手B无法确认A能收到；三次才能验证双方发/收均正常 为什么等2MSL：保证B能收到最后的ACK；若ACK丢失B重发FIN，A还能在2MSL内收到并重新确认

4.5 时延分析

$T_{发送} = \frac{L ( 字节 )}{B ( bps )}, T_{传播} = \frac{d}{v}$

综合时延 = 各段发送时延 + 传播时延之和（根据题目给出的拓扑逐段计算）

模块五：高频易错汇总

错误写法	正确做法
可用主机数 = 2^h	可用 = 2^h - 2（去网络地址和广播地址）
/30子网有4个可用IP	/30可用只有2个（掐头去尾）
路由聚合只看前缀连续	还需要下一跳相同 + 二进制互补
片偏移 = 数据字节偏移	片偏移单位是8字节，需÷8
每片数据量任意	除最后一片外，每片数据必须是8字节的倍数
DHCP Request源IP=Offer的IP	Request时IP未确认，源IP仍是 0.0.0.0
DHCP Request目的IP=服务器IP	Request目的IP是 255.255.255.255（需通知所有服务器）
IP地址每跳都变	IP全程不变；MAC每跳都变（跨网段目的MAC=网关MAC）
交换机隔离广播域	交换机不隔离广播域，只有路由器隔离
慢开始每RTT翻倍是规则	翻倍是宏观现象；底层规则是每收1个ACK就+1 MSS
GBN发送窗口最大=2^n	GBN最大发送窗口 = 2^n - 1（避免接收方混淆新旧帧）
超时和三重复ACK处理相同	超时→cwnd=1重新慢开始；三重复ACK→cwnd=ssthresh进拥塞避免
看到私有IP可以当外网源地址	私有IP经NAT后才能上公网，原私有IP不能作为公网源地址

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