计算机网络

计算机网络学习笔记分享！这门课理解和记忆上都有难度，用于计算机网络知识梳理，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等知识点。学会运用思维导图，大大提高复习效率，有帮助的话可以收藏呀!

计算机网络

• 数据链路层
  • 可靠
  • 功能
    • 为网络层提供服务
      • 无确认的无连接服务
        • 以太网
      • 有确认的无连接服务
        • 无线通信
      • 有确认的面向连接服务
    • 链路管理
      • ？？？P63
    • 组帧
      • 解决的问题
        • 帧定界
          • 帧需要有尾部，而分组（IP数据报）不需要
        • 帧同步
        • 透明传输
          • 采取有效措施避免误认标识位
      • 四种方法
        • 字符计数法
          • 在帧的开头给出自己的长度
            • 计数位一错马上GG
        • 字符填充的首位定界符法
        • 比特填充的首位标志法
          • 01111110
            • 五一加零
        • 违规编码法
          • 冗余编码，比如曼彻斯特编码中的“高高”和“低低”
    • 差错控制
      • 检错
        • 奇偶
        • CRC
          • CRC其实是可以纠错的，但是与所选的生成多项式有关，比较复杂
      • 纠错
        • 海明
    • 流量控制与可靠传输机制
      • 流量控制
        • 停止—等待协议
        • 滑动窗口协议
      • 可靠传输
        • 确认
        • 超时重传（自动重传请求，ARQ）
      • 数据链路层中，这两者是交织在一起的
        • 停止—等待协议
          • 接收方的确认帧ACK0或ACK1表示期望收到0或1（交替）
          • 收到重复帧接收方丢弃之后也会重发确认帧
        • 后退N帧协议GBN
          • 发送窗口 Wt不能取2的n次，否则接收方无法分辨新帧旧帧， 联想一下接收方窗口是1，就很容易理解了
          • 注意这里接收方的确认帧中的序号就是接受的序号，而不是期望的序号（即下一个）
        • 选择重传协议SR
          • 比前面的协议更严格，接收方可以发送否定帧NAK，不用等超时之后再重传
        • 选择题考点：信道利用率、信道吞吐率
          • 根据传送图计算
          • 这里79页14题答案解释得不好，15题答案解释是错的，简直垃圾
    • 介质访问控制（MAC子层）
      • 信道划分
        • 频分/时分/波分/码分多路复用
          • STDM（统计，又称异步）是TDM的改进
          • CDMA码分多址是CDM的一种方式
            • 各分量正交，注意芯片序列可以写成1和0的组合，但是发送的向量是1和-1的组合，这样自己的规格化内积才能是1（这里规格化是除以个数m）
      • 随机访问（争用型协议）
        • ALOHA
          • 纯ALOHA
            • 吞吐量S与网络负载G（单位时间总发送数）的关系：S=G e^-2G
              • G=0.5时S有最大值0.5e^-1 = 0.184
          • 时隙ALOHA
            • S = G e^-G
              • G=1,S=e^-1 = 0.368
        • CSMA(载波侦听多路访问）
          • 1-坚持
          • 非坚持
          • p-坚持
            • 这里王道上的书应该有错误
        • CSMA/CD（有线局域网）
          • 先听后发，边发边听，冲突停发，随机重发
          • 以太网的争用期为51.2微妙，10M/s，所以以太网规定最短帧长为512b也就是64B （因为如果发生冲突一定会在64B之内检测到然后中断，无效帧都小于64B）
        • CSMA/CA（无线局域网）
          • 预约信道，ACK帧，RTS/CTS帧（可选，用于解决无线网中的“隐蔽站”问题）
      • 轮询访问（令牌传递协议）
        • 非常适合负载很高的广播信道，因为如果用随机访问则必然经常冲突，效率极低，而轮询保证了一轮可以发送一帧
  • 局域网
    • 以太网（IEEE 802.3）（有线网）
      • 同轴电缆粗的500m，细缆185m，总线型
        • 10base-T （UTP）100m，星形
      • 无连接，无确认，不可靠
    • IEEE 802 .11（无线网）
      • 有确认
  • 广域网
    • PPP（面向字节）
      • LCP+NCP
        • PPP只支持全双工（不知道王道里面这句话用意何在）
      • 格式
        • 首部比HDLC多一个协议字段
    • HDLC（面向比特）
      • 格式
        • 控制字段最重要
          • 第一位是0，为信息帧（I）
          • 10，监督帧（S）
            • 流量控制，差错控制
          • 11，无编号帧（U）
            • 链路的建立，拆除
  • 设备
    • 网桥
      • 工作在链路层的MAC子层
        • 因此没有流量控制功能（编号机制的实现在LLC子层）
      • 透明网桥
        • 自学习，生成树，非最佳路由
      • 源路由网桥
        • 源主机广播一个发现帧，收到多个带有路径信息的响应帧，选择最佳路由
    • 交换机
      • 直通式
        • 不需存储，所以计算转发延迟时只考虑目的地址的长度，即6B，也可以理解成它只接收6B数据，剩下的直通送走
      • 存储转发式
        • 注意，网桥只有存储转发方式
• 网络层
  • 功能
    • 异构网络互联
    • 路由与转发
      • 路由算法
        • 静态（非自适应）
        • 动态（自适应）
          • 距离向量路由算法
            • RIP 慢收敛是导致路由环路的原因
          • 链路状态路由算法
            • OSPF 快速收敛
          • 层次路由
            • IGP
              • RIP
                • 16跳表示不可达（避免在环路中循环）
                • 规定30秒广播一次
                  • 超过180秒没收到相邻路由器的更新则将其设为不可达16
                • 每个网络的子网掩码必须相同，新的RIP2中无此限制
                • 应用层协议，使用UDP传送数据（端口520）
              • OSPF
                • 网络层协议
                • 自洽系统内划分区域
                • 五种分组类型
                  • 问候分组
                  • 数据库描述分组
                  • 链路状态请求/更新/确认分组
            • EGP
              • BGP
                • 应用层协议，基于TCP
                • 路径向量路由选择协议
          • 概要
    • 拥塞控制
      • 开环控制
        • 静态
      • 闭环控制
        • 反馈
  • IPv4
    • 格式
      • 首部
        • 首部长度4位4，总长度16位1，片偏移13位8
        • 数据报分片
          • MF，DF
            • 以太网的最大传送单元MTU为1500字节
            • 广域网PPP协议中也提到1500字节
    • ip地址
      • 五类
        • 1—126
        • 128—191
        • 192—223
      • 路由器有至少两个ip地址，因为它连接（处于）多个网络
      • NAT
        • 私有（可重用，本地）IP地址网段
          • 10
          • 172.16—172.31
          • 192.168.0—192.168.255
        • 普通路由器不改变源和目的IP地址，NAT路由器要改变
          • 普通路由器只工作在网络层，NAT路由器需要查看和转换传输层的端口号
        • 子网划分
          • {网络号，子网号}=子网地址
          • CIDR
            • {网络前缀，主机号}
              • 斜线记法
            • 路由聚合可以简化路由表
            • CIDR查找路由方法：最长前缀匹配，用树形结构查找效率最高
    • 相关协议
      • ARP
        • 路由器在转发ip数据报的过程中链路层封装使用的MAC地址是不断变化的
      • DHCP
        • 应用层协议，基于UDP，客户/服务器方式
        • DHCP发现，DHCP提供，DHCP请求，DHCP确认
          • 都是用的广播帧，因为客户还没有IP地址，这也正解释了为什么是基于UDP而不是TCP
      • ICMP
        • 差错报告报文
          • 终点不可达，源点抑制，时间超过，参数问题，改变路由
          • 不应发送DHCP差错报文的情况
            • 对差错报文不再发送差错报文，只对第一个分片发送，组播不发送，特殊地址不发送
        • 询问报文
          • 回送请求和回答报文，时间戳请求和~，掩码地址请求和~，路由器询问和通告报文
        • 两个常见的应用（这里有点乱，王道只有几句话）
          • PING
            • 使用了回送请求和回答报文
              • 因此若在ping后面指定组播地址，将不会收到相应
            • 工作在应用层
          • traceroute
            • 使用了时间超过报文
            • 工作在网络层
  • IPv6
    • 只有在包的源节点才能分片，传输路径中的路由器不能分片
    • 首部长度是8B的整数倍，IPv4则是4B
      • 固定部分分别为40B和20B
    • 多了一种任播地址类型，目的地址是一组，但是只交付其中一个，通常为最近的一个
    • 地址书写
      • 八个16位，：隔开
        • FFFF:0000:0000:0000:FFFF:0AAA:000B:1234
      • 缩写
        • 每个隔间内开头的0可以省略，但不能为空，全是0也要留一个0
          • FFFF:0:0:0:FFFF:AAA:B:1234
        • 连续的0隔间，可用双冒号收起，但只能用一次，否则无法判断收起了多少个
          • FFFF：：FFFF:AAA:B:1234
  • IP组播
    • IPv4中的D类地址空间就是组播地址
      • MAC地址：01-00-5E-00-00-00 ~ 01-00-5E-7F-FF-FF
        • 后23位从ip组播地址截取，所以不是一一对应的
    • IGMP协议
  • 移动IP
    • 移动结点（就是主机），归属（本地）代理，外部代理
      • 后两者又统称移动代理
  • 网络层设备
    • 路由器
      • 组成
        • 路由选择（控制部分）
          • 选择处理机
        • 分组转发
          • 交换结构，一组输入端口和一组输出端口
            • （交换结构本身就是一个网络）？？
• 传输层
  • 提供的服务
    • 功能
      • 应用进程之间的逻辑通信，端到端
      • 复用和分用（通过端口）
        • 注意网络层的复用是指不同协议，而不是不同主机，这与传输层的复用不平行
      • 对首部和数据都进行差错检验
      • 提供无连接的UDP和面向连接的TCP
    • 端口号16位
      • 服务端
        • 熟知端口号0-1023
          • 常用的列在下面了
        • 登记端口号1204-49151
          • 互联网地址指派机构（IANA）
      • 客户端
        • 49152-65535
      • 套接字
        • （IP地址，端口号）
  • UDP协议（不可靠）
    • TFTP（69），DNS（53），SNMP（161），RTP
    • 首部一共8字节，两个端口占一半，剩下长度和检验
    • UDP校验
      • 加上12B的伪首部，（按16位）二进制反码求和再取反
  • TCP协议（可靠）
    • FTP（20，21） ，HTTP（80），TELNET（23），SMTP（25），POP3（110）
    • 首部固定20B，以4B为单位，和IP首部一致
      • 开头和UDP一样，2个端口号
      • 序号和确认号，用于可靠传输
        • 面向字节编号，其中确认号是期望号
      • 数据偏移
        • 这个数据偏移就是首部长度，无语死，直接叫首部长度不就好了吗，简直智障
        • 以4B为单位，4位，所以最长60B，这也和IP首部一致
      • 6个标识位
        • 紧急位URG
          • 配合下面的紧急指针使用
        • 确认位ACK
          • 表明上面的确认号是否有效
        • 推送位PSH
          • 尽快交付给应用进程，不等缓存填满
        • 复位位RST
          • 释放连接，然后重新建立（关机重启）
        • 同步位SYN
          • 表示这是一个连接请求或连接接收报文
            • ACK=0为请求，否则为接收（就是对请求报文的响应）
        • 终止位FIN
          • 发送完毕
      • 窗口字段
        • 接收方发给发送方的，告知接受窗口的剩余大小（字节）
      • 检验和
        • 与UDP校验一样，只不过把伪首部的第四个字段，即协议字段从17改为6
      • 紧急指针
        • 指出数据中前多少个字节的数据是紧急数据
      • 选项字段
        • MSS最大报文段长度（数据字段，不含首部）
    • 连接管理
      • 建立
        • TCP连接的端点是套接字而不是传输层的协议端口
        • 采用客户/服务器方式
        • 三次握手
          • 值得注意的是，服务器端的资源是在完成（发出）第二次握手时分配的，客户端则是第三次（可以理解成都是在响应阶段分配资源）
        • 释放
    • 可靠传输
      • 校验
      • 不必赘述
      • 序号
      • 确认
      • 重传
        • 超时
          • 超时时间RTO的自适应算法
            • RTTs
              • 初始值为第一个RTT
              • α表示新RTT样本的权重，推荐为0.125
            • RTTd
              • 初始值为第一个RTT的一半
              • β表示新的RTT样本与RTTs的偏差，推荐为0.25
            • RTO=RTTs+4RTTd
        • 冗余ACK
          • 发送方收到某个序号的3个冗余ACK时则重发丢失帧，（快速重传技术）
    • 流量控制
      • 接收窗口rwnd
      • 拥塞窗口cwnd
    • 拥塞控制
      • 慢开始算法
        • 出现超时
          • 拥塞避免
        • 出现冗余ACK
          • 快重传
          • 快恢复
• 应用层
  • 网络应用模型
    • 客户/服务器
    • P2P
  • 域名系统DNS
    • 层次域名空间
      • .com是顶级域名
    • 域名服务器
      • 根域名服务器
      • 顶级域名服务器
      • 授权域名服务器
      • 本地域名服务器
    • 域名解析过程
      • 递归查询
      • 递归和迭代结合
  • 文件传输协议FTP
    • 服务器两个进程：主进程（监控请求）和从属进程（响应请求）
    • 两个并行的TCP连接：控制连接21和数据连接20
  • 电子邮件
    • 发件人用户代理—发送方邮件服务器—接受方~—收件人~（3处都是TCP）
    • 邮件发送协议（1,2）SMTP（25），邮件读取协议（3）POP3（110)（或IMAP）
      • SMTP不使用中间邮件服务器，连接后发送数据前再发RCPT收件人信息确认地址无误，内容以回车点回车为结束标志。
      • POP3有下载并保留和下载并删除模式
      • 基于万维网的电邮如Gmail，两端用HTTP协议，仅在邮件服务器之间使用SMTP
    • MIME
      • 将非ASCII码转为ASCII码，SMTP才能处理
  • 万维网
    • URL
    • HTTP
      • 无状态（没有客户机服务记录）
      • HTTP本身是无连接的(没有建立HTTP连接这种情况），尽管使用的TCP是面向连接的
      • 持久连接与非持久连接
        • 每传递一个元素都要重新建立连接
        • 发送响应报文之后仍然保持连接，继续使用
      • 报文格式
        • 开始行
          • 请求报文中趁请求行，响应报文中为状态行
        • 首部行
        • 实体主体
    • HTML
• 物理层
  • SDU+PCI=PDU
  • 通信基础
    • 基本概念
      • 半双工通信也要两条信道
      • 波特=码元/秒
    • 两个定理
      • 奈奎斯特
        • 2W 波特
      • 香农定理
        • W log(1+S/N) b/s
    • 编码&调制
      • 数字信号
        • 编码
          • NRZ
            • INRZ（0不动，1翻转）
          • 曼彻斯特
            • 差分曼彻斯特
        • 调制
          • FSK，ASK+QSK=QAM（共四种）
      • 模拟
        • 编码
          • 抽样，量化，编码（这个编码就是上面的数字编码）
        • 调制
    • 传输方式（？）
      • 电路交换
      • 报文交换
      • 分组交换
        • 数据报
        • 虚电路
  • 传输介质
    • 也称传输媒体，并不是物理层，而是0层
      • 介质中传输的是（电）信号，而物理层中传输的是比特流
    • 双绞线，同轴电缆，光纤，无线传输介质（不知道能怎么考，遇到再看）
      • STP，UTP
    • 物理层接口
      • 特性
        • 机械
        • 电气
          • 电压高低，阻抗匹配等
        • 功能
          • 电压信号解读方法，信号线的用途（数据线、控制线，定时线）
        • 规程
          • ？？？
      • 常用标准
        • EIA RS-232-C、ADSL、SONET/SDH
  • 设备
    • 中继器
      • 整型放大转发，抵消信号衰减
    • 集线器
      • hub，无脑转发，一个冲突域