计算机网络期末复习 - 期末复习
计算机网络期末复习
计网 选择 填空 判断 简答 分析 综合2个
概论
计算机网络定义:
- 按照网络协议，以共享资源为主要目的，将地理上分散且独立的计算机互相连接起来的集合体。
- 是互连，自治的计算机集合。
计算机网络的网络结构：
- 网络 (Network) 由若干结点 (Node) 和连接这些结点的链路 (Link) 组成。
- 计算机网络由通信子网和资源子网组成
- 从层次结构上来看，计算机网络的结构可以分为三层，分别是网络边界（端系统HOST），网络核心（骨干网）
计算机网络的诞生与演变：
- 第一阶段：1969 第一个分组交换网ARPNET 1983 TCP/IP成为ARPNET的标准协议（标志互联网诞生）
- 第二阶段：三级结构NSFNET (主干网、地区网和校园网)，覆盖美国机构大学等
- 第三阶段：1993年，NSFNET被商用因特网主干网替代；政府机构不再负责因特网运营，让各种因特网服务提供者ISP来运营。WWW出现。
三种交换方式
- 电路交换、分组交换、报文交换
计算机网络分类：
- 按覆盖范围：个区网PAN、局域网LAN 、（无线局域网WLAN、园区网CN）、城域网MAN、广域网 WAN
- 按数据交换方式：FDM (频分复用)、TDM (时分复用)
- 拓扑结构分：星型、环型、总线、网状型
- 互连网 internet：广域网 WAN、通信子网、资源子网
性能指标
- 传输速率 1TB/s = \(10^3\)Gb/s = \(10^6\)Mb/s = \(10^9\)Kb/s = \(10^{12}\)b/s (bps) ，数据量的KB，MB和数率M的是完全不一样的！
- 带宽（信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围）Hz
- 时延 = 发送时延+传播时延+处理时延（+排队时延） 发送时延 = 分组长度(b)/发送速率(b/s) 传播时延 = 信道长度/传播时延
- 往返时间 RTT ； 利用率\(D=D_0/(1-U)\)
分组交换的传输时延 = n+m-1个分组发送时延 + m个传输时延
计算机网络的体系结构：
- OSI参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。
- 物理层：如何在信道上可靠传输01
- 数据链路层：实现相邻（Neighboring）网络实体间的数据传输，成帧
- 网络层：将数据包跨越网络从源设备发送到目的设备（host to host），分组（IP数据报）
- 传输层：将数据从源端口发送到目的端口
- 会话层：在应用程序之间建立和维持会话
- 表示层：为上层用户提供数据或信息语法的表示变换。（数据编码（语言翻译）、压缩、加密、认证等）
- 应用层：提供应用程序便捷的网络服务调用，规范化和标准化
- TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层（ARPNET采用）
- 五层协议的体系结构：应用层 、运输层 、网络层 、数据链路层、物理层
计算机网络体系结构中的专用术语
- 网络设计中采用的结构化设计方法：计算机网络采用分层结构。每层完成一定的功能，每层都向它的上层提供一定的服务，而将如何实现服务的细节对上层屏蔽，即低层协议对高层而言是透明的。相邻两层之间为层间接口。对等层用户通话时所必须遵守的规则称为对等层协议 。
- 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，对等实体即收发双方相同层次的实体
- 协议：对等实体通信的规则、标准和约定，控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。
- 协议三要素：语义（讲什么）、语法（如何讲）和时序（讲的次序）
- 接口：定义下层向上层提供的服务原语
- 服务：服务是各层实体向其上层实体提供的一组原语操作
- 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型
- 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换的一些命令
- 协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)：对等层次之间传送的数据包
- 服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包，可划分为多个PDU
杂七杂八的知识点
- 世界上第一个计算机网络是：ARPANET
- 计算机网络通信系统是数据通信系统
- 通信子网的主要组成是网络节点和通信链路
- 广播式网络工作在数据链路层
- 主干网络一般是分布式的
- 本地接入网一般是集中的
- 分组交换网由通信子网和资源子网组成，以通信子网为中心
- ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line 非对称数字用户线路） 是一种宽带接入技术，该技术使用的传输介质是电话线
- 互联网（internet）是网络的集合，是网络中的网络；因特网（Internet）是采用TCP/IP协议的世界范围的internet
- 基于TCP的应用层协议有: HTTP、FTP、SMTPQ、TELNET、SSH
- 基于UDP的应用层协议: DNS、TFTP (简单文件传输协议)、SNMP:简单网络管理协议、BOOTP、DHCP
物理层
接口的特性：
屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
信号类型及信号变换
调制方法：（基带传输）基带信号 to （频带传输） 带通信号
- 调幅、调频、调相
奈氏准则、香农公式
基带信号：始矩形脉冲电信号 ；带通信号：将基带信号调制到高频带
模拟信号经F频率采样成为离散信号：要求F≥2f，f是模拟信号的最高频率。
波特率B：每秒信号调制次数(次/秒) $B_{max} =2 H $ ，H - 低通信道的带宽(Hz)
奈氏公式(理想信道)：$ C = 2H_2L$ , C - 信道的最大数据传输率 信息传输速率(b/s)
Shannon定理（有噪声信道）：\(C=H\log_2(1+S/N)\) \(分贝数=10\log_{10}s/n\)。
数字数据的数字信号编码：
- 归零RZ，不归零NRZ,NRZI(反向NRZ)
- 曼彻斯特编码：一个周期T,
分前后T/2。前高后低为1，前低后高为0。
- 每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步
- 差分曼彻斯特编码： 一个周期T, 分前后T/2。无跳变为1，跳变为0。
复用技术：
将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，提高通信线路利用率
- 频分复用(FDM)、时分复用(TDM)
- 统计时分复用 (STDM)：指动态地按需分配共用信道的时隙，时隙中还必须要有用户的地址信息，因此造成开销
- 波分复用(WDM)：用多个激光器在 单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术
- 码分复用(CDMA)：每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。相互正交：\(\mathbf{S}\bullet\mathbf{T}\equiv\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}S_iT_i=\mathbf{0}\)，发送可叠加
交换技术：
- 线路交换：电路交换
- 存储转发交换：报文交换和分组交换
互连设备
- 中继器(Repeater)：双向接收、放大并重发信号
- HUB (共享式集线器) 同一个广播域 同一个冲突域
数据链路层
逻辑链路控制LLC+介质访问控制MAC
提供的服务
- 无确认无连接服务：以太网
- 有确认无连接服务 每一帧都得到单独的确认
- 有确认有连接服务
成帧 - 带字节填充的定界符法
- 收到FLAG（0111-1110） − 则为帧的边界
- 收到ESC − 则后一字节无条件成为有效载荷
- 核心思想：选择的定界符不会在数据部分出现
成帧 - 带比特填充的定界符法
- 发送方：若在有效载荷中出现连续5个1比特，则直接插入1个0比特
- 接收方：若出现连续5个1比特
- 若下一比特为0，则为有效载荷，直接丢弃0比特
- 若下一比特为1，则连同后一比特的0，构成定界符，一帧结束
差错检测和纠正
- 纠错码
- 码字：一个包含m个数据位和r个校验位的n位单元 n=m+r ；
- 码率：码字中不含冗余部分所占的比例m/n
- 码距（海明距离）：两个码字之间对应位置不同比特的数目。
- d-1为能检错位数，(d-1)/2为纠错能力
典型检错码
奇偶检验
校验和：主要用于TCP/IP体系中的网络层和传输层
循环冗余校验（CRC）：数据链路层广泛 使用
- 事先选定一个n+1 位二进制位模式 G（最高位为1），本质就是让n+r的二进制串能被G整除
典型纠错码：
\((m + r + 1) \le 2^r\)
停止等待协议和时延：
滑动窗口协议：
回退N协议：
对应接收窗口为1的情况
- 当发送方发送了N个帧后，若发现该N帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方就重新发送出错帧及其后的N帧。
选择重传协议：
- 在发送过程中，如果一个数据帧计时器超时，就认为该帧丢失或者被破坏；接收端只把出错的的帧丢弃，其后面的数据帧保存在缓存中， 并向发送端回复NAK；发送端接收到NAK时，只重传出错的帧
- 如果落在窗口内的帧从未接受过，那么存储起来，等比它序列号小的 所有帧都正确接收后，按次序交付给网络层
- 接收端收到的数据包的顺序可能和发送的数据包顺序不一样，因此在数据包里必须含有顺序号来帮助接收端进行排序。
\(\text{信道利用率}\quad=\mathrm{W}^*\mathrm{T}_f/\mathrm{~(T}_f+\mathrm{R)}\)
HDLC：（High-Level Data Link Control）
HDLC协议属于面向 比特 的同步控制协议；用 01111110 来实现帧定界；它有三种 不同类型的帧，分别称为 信息帧、 监控帧、 无编号帧，分别用于 数据传输、 监督控制、 链路管理。
SLIP（Serial IP）和 PPP（Point to Point Protocol）
PPP用于点到点的链接，无须知道对方的数据链路层地，重要功能便是提供了身份验证功能
Internet的两个数据链路层协议是 SLIP 和 PPP 协议
SLIP协议属于面向_____字符_______协议。PPP协议属于面向_____比特_______协议，PPP主要包 含_____3_______个方面内容，分别是_帧格式定义、LCP_、_NCP_____。
- 链路静止状态：不存在物理层的连接
- 链路建立状态： 建立链路层的连接
- 鉴别状态：身份验证
- 网络层协议状态 ：进行网络层配置
- 链路打开状态 ：打开链路连接
- 链路关闭状态：关闭链路连接
PPPoE（PPP over Ethernet）:
使用PPP协议自带认证功能，加上以太网链路上广播网络的属性得到，将PPP数据帧封装在以太网数据帧里边的PPPoE。即“在以太网上的PPP协议”。
（1）本站的 IP 地址；（2）主、辅域名服务器的 IP 地址；（3）网关 的 IP 地址或 MAC 地址。PPPOE 协议可以动态分配这些地址。请问如何获取这些地址？
PPPoE 通过发现阶段的前两步获取网关的 MAC 地址及其名称：客户端以广播方式发送 PADI 报文，网关响应 PADO 报文，从其中的以太帧头的源 MAC 地址 即可获取网关的 MAC 地址，从 PPPoE 报文的 TAG 中可以获得网关的名称；
PPPoE 通过会话阶段的 IPCP 来获取本站的 IP 地址和主、辅域名服务器的 IP 地址：客户端向服务器发送 config-request 报文，报文中指定需要协商本站 IP 地址、主、辅域名服务器 IP 地址参数，服务器回答 config-NAK，重新为这三个地址参数赋值，客户端利用服务器给定的这三个地址参数的新值，重新发送 config-request，服务器回答 config-ACK，完成客户端 IP 地址和主、辅域名服务器的 IP 地址的分配。
信道共享技术
两大通信共享技术：
- (物理层)物理信道划分复用
- (链路层+物理层)多点接入(Multiple Access)共享
频分复用FDM：
- 信号被划分成若干通道(频道、波段)，每个通道互不重叠， 独立进行数据传递。每个载波信号形成一个不重叠、相互隔离( 不连续)的频带。接收端通过带通滤波器来分离信号。
- 例如：ADSL
时分复用TDM：
- 时分多路复用将用于传输的时间划分为若干个时间 片段，每个用户分得一个时间片(时隙)。
波分复用WDM→DWDM：
- 多束不同频率的光通过棱柱或光栅，合成到一根共享的光纤，传到目的地后再将它们分解开来。
多址方式：
- 以不同的移动信道分隔，防止相互干扰的技术方式称为多址方式。
- 频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA) 、码分多址(CDMA)
纯ALOHA：
- 每个站自由的发送数据帧，若冲突，则等待一段随机时间后，重发。
时隙ALOHA：
- 将时间划分为一段段时隙(Time Slot)，每个站只能 在时隙开始时自由的发送数据帧，若冲突，则等待一段 随机时间后，重发。
随机接入CSMA与CSMA/CD 和退避算法：
- “先听后发”
- ①经侦听，如果介质空闲，开始发送
- ②如果介质忙，则等待一个随机分布的时间，然后重复步骤①
- CSMA/CD：监听到信道空闲就发送数据，并继续监听下去，(电磁 波在电缆中以有限速率传播)，如果听到发生冲突，立即放弃此数据帧的传送。同时发送Jam 信号(通常采 用32 bit长的1和0交替的比特块) ，使网上所有用户 知道发生了冲突。
- CSMA/CD：带有冲突检测的CSMA协议 —— CDMA 码分多路复用
- CSMA/CA，带有冲突避免的载波多路访问协议
受控接入：
- 轮叫轮询：主机按顺序从站1开始逐个询问，直到站N；一轮完成再从站1重新开始新一轮。被询问站若有数据发送即可发给主机；若无发一控制 帧给主机，表示无数据可发；然后主机询问下一站。
- 传递轮询：主机向站N发出轮询帧。 站N在发送完数据或告诉主机没有数据发送时，将相邻站N1的地址附上。 站N-1检测到自己的地址，知道站N把发送权转移到本站； 以此类推，直到站1。站1完成后将主机地址附上，把发送 权交回主机。
- 令牌环：得到令牌的站点获得在信道上发送的权利，如果该站点有报文 待发，就将令牌置为“忙”，表示通道已被占用，然后发 报，发完之后，就将令牌置为“空”，随即将令牌传递给 下一站点；如果该站点无报文发送，则随即将刚收到的令 牌转发给下一站点。
局域网技术
局域网的组成：
LAN 由硬件和软件两部分组成。
- 硬件：计算机（包括服务器和工作站）、网卡、联网设备、电缆及其附属设备
- 软件：NOS、驱动程序、通信协议、其它网络系统软件
信道访问协议
总线网访问协议：ALOHA，CSMA，CSMA/CD
ALOHA协议
CSMA协议
载波监听多重访问协议 CSMA 可以分为_1-坚持 CSMA、_非-坚持 CSMA 、P-坚 持 CSMA 。
- 1-坚持型CSMA => 若信道忙，则继续(坚持)监听直至信道由忙变闲
- 非坚持型CSMA => 若信道忙，则不再坚持侦听，退避一段随机时间，然后重新开始发送过程
- P-坚持CSMA => 若发现信道空闲，则以概率 p 发送数据，以概率(1-p)延迟至下一个时隙再重新开始侦听。
具有冲突检测功能的 CSMA(CSMA/CD)
carrier sense multiple access/collision detection （顾名思义多了一个冲突检测的功能)
最小帧长:
以太网规定最短有效帧长为 64 字节
最小帧长 = 碰撞窗口大小 报文发送速率，碰撞窗口大小 = 2 传播时延
传播时延=转发器（中继器）的时延 + 线路时延
IEEE802标准
在局域网标准中将数据链路层划分为两个子层，分别是___MAC__子层与___LLC_子层。 其中，组帧属于___MAC子层的功能；共享信道分配属于_MAC子层的功能；向上提供服务访问点组帧属于_LLC__子层的功能。
- MAC（Media Access Control或者Medium Access Control）地址，意译为媒体访问控制，或称为物理地址、硬件地址，用来定义网络设备的位置
- 信道访问协议也叫MAC (Multiple Access Control 多路访问控制 或 Medium Access Control 介质访问控制 )协议
- LLC => 逻辑链路控制(Logical Link Control)
网络层
实现端系统间多跳传输可达
无连接服务（数据报服务）：
- 网络层向上只提供简单灵活无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
- 时不需要先建立连接，数据报独立转发，相同源-目的的数据报可能经过不同的路径
- 网络层不提供服务质量的承诺，不提供端到端的可靠传输服务
面向连接服务（虚电路服务）：
- 通信之间先建立逻辑连接
- 结合使用可靠传输的网络协议，保证所发送的分组无差错按序到达终点
虚电路网络：
- 虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接（电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接）
学习Internet网络层协议：IPv4/IPv6, ICMP, DHCP, NAT, ARP
数据报分片：
- IPv4分组在传输途中可以多次分片
- IPv4分片只在目的IP对应的目的端系统进行重组
分类的IP地址：
CIDR和子网划分：
- 将32位的IP地址划分为前后两个部分，并采用斜线记法，即在IP地址后 加上“/”，然后再写上网络前缀所占位数
- 一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合或者构成超网
- 允许前缀重叠，数据包安最长匹配前缀发送
IP包转发：
- 直接交付：与目的主机在同一个IP子网内
- 间接交付：与目的主机不在同一个IP子网内（交换机）
DHCP动态主机配置协议：
- DHCP 客户从UDP端口68以广播形式向服务器发送发现报文（ DHCPDISCOVER）
- DHCP 服务器单播发出提供报文（DHCPOFFER）
- DHCP 客户从多个DHCP服务器中选择一个，并向其以广播形式发送 DHCP请求报文（DHCPREQUEST）
- 被选择的DHCP服务器单播发送确认报文（DHCPACK）
NAT网络地址转换：
- 出数据报：外出数据报用 NAT IP地址(全局), 新port # 替代 源IP地址(私有), port #
- NAT转换表：每个 (源IP地址, port #)到(NAT IP地址, 新port #) 映射项
- 入数据报：对每个入数据报的地址字段用存储在NAT表中的(源IP地址, port #)替代对 应的 (NAT IP地址, 新port #)
ICMP协议（ 互联网控制报文协议）：
- 终点不可达：无法转发该IP数据报（不知道怎么到因为路由表上没有）
- 源点抑制：过于拥塞了，某路由器丢弃该IP数据报并发送ICMP差错报文
- 时间超过：TTL归 0，丢弃该IP数据报并发送ICMP差错报文
- 参数问题：路由器收到IP数据报时发现存在误码，丢弃该IP数据报并发送ICMP差错报文
- 改变路由：知道下次应该把数据报发送给另外的路由（可通过更好的路由）改变差错
PING是测试主机是否可达的一个常用命令。它属于 ICMP 协议的一个子功能。
路由算法：
- 常用的 Internet 路由算法为： DV (Distance Vector) 和 LS(Link State Routing Algorithm)
- 常用的 Internet 域内路由协议为： RIP， OSPF
- 其中，RIP 实现 DV 路由算法；
- OSPF 实现 LS 路由算法
掌握Internet路由协议：OSPF、RIP、BGP，了解MPLS
- RIP用UDP（RIP用到传输层），所以RIP是应用层的协议；
- OSPF用IP（RIP用到网络层），所以OSPF是传输层协议；（有不同的说法）
- BGP用TCP（RIP用到传输层），所以BGP是应用层协议；
网际互连
传输层
UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议，支持单播多播广播，线上提供无连接不可靠传输服务
TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议，只支持单播
TCP流量控制
- 所谓流量控制 (flow control)就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收
- 利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现对发送方的流量控制
- TCP接收方利用自己的接收窗口的大小来限制发送方发送窗口的大小。
- TCP发送方收到接收方的零窗口通知后，应启动持续计时器。持续计时器超时后，向接收方发送零窗口探测报文。
TCP发送方的发送窗口=min[自身拥塞窗口，TCP接收方的接收窗口]
三次握手
TCP的拥塞控制
应用层
每个应用层协议都是为了解决某一应用问题，通过位于不同主机 中的多个应用进程之间的通信和协同工作来完成
- 客户/服务器（C/S, Client/Server）方式
- 浏览器/服务器（B/S，Browser/Server） 方式
- 对等（P2P，Peer to Peer）方式
动态主机配置协议DHCP
域名解析DNS
域名服务器：
- 根服务器
- 每个根服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名及其IP地址
- 根服务器并不直接把主机用户所查的域名转换成IP地址
SMTP 邮件 （POP3 IMAP）
为什么不能使用SMTP获取邮件？
- 因为取邮件是 一个拉操作，而 SMTP 是一个推协议，通过引入最终交付（邮件访问）协议来解决这个问题。
万维网
- Cookie是服务器为浏览器生成的，表面浏览器曾经访问过
P2P
FTP
