计网复习

计算机网络复习

写在前面：

为 fzu-se 期末而写，不代表计网所有知识

面向考试题目的复习，不保证严谨的逻辑

参考课程：王道考研b站视频

注意理解知识点，运用 star 法则将一个技术的背景、成因、过程、结果能够复述出来。比如ARP协议，比如DNS协议，又比如TCP三握四挥

第一章 绪论

三种数据交换

三种交换的性能与比较

性能指标：速率

性能指标：带宽

性能指标：时延

性能指标：时延带宽积

第二章 物理层

信号、信源、信宿、信道

• 信号：数据的载体
• 信源：信号的来源（发送方）
• 信宿：信号的去向（接收方）
• 信道：传输信号的通道（发送信道&接收信道）

数字 & 模拟信号

• 数字信号：值离散的信号
• 模拟信号：值连续的信号

码元与比特

一个信号周期内可能出现几种信号，每一个信号就是一个码元。

• 二进制码元：可能出现两种信号，0和1。则一码元携带 1bit。
• 四进制码元：可能出现四种信号，0，1，2，3。一码元携带 2bit。
• 十六进制码元：可能出现16种信号，0……F。一码元携带4bit，从0000到1111。

以此类推，总结成码元与比特的关系：

若一个周期可能出现 K 种不同的信号，就是 K进制码元。一码元携带 log2(K) 比特。

速率的另一种表示——波特率

速率：

• 比特率：每秒传输几个比特。单位bit/s、b/s、bps
• 波特率：每秒传输几个码元。单位 码元/秒，或波特（Baud）

噪声（Noise）

噪声会影响信道的数据传输效果

信道容量的两大定理

奈奎斯特定理

无噪声情况下，信道的极限波特率 = 2W（单位：波特，码元/秒）

• W 表示信道的带宽，以 Hz 为单位

我们知道，码元可以转为 比特，一码元携带 log2(K) bit，K为信号种类数。那么奈奎斯特定理还可以延伸为比特率表示：

无噪声情况下，信道的极限比特率 = 2W log2(K) （单位bps）

• W表示信道的带宽，以 Hz 为单位
• K表示一个信号频率包含的不同信号数

香农定理

有噪声情况下，信道的极限比特率 = W log2(1 + S / N)

• W表示信道的带宽，以 Hz 为单位
• S/N 表示信噪比（无符号）

信噪比：信道内信号的功率 / 信道内噪声的功率

有两种表示方法：

• 无符号版本：两个功率直接相除
• 有符号版本：1dB = 10 * lg(S/N)。类似科学计数法，如：无符号的10000表示为 40dB。

码分复用

王道和湖科大视频里都没讲到……先跳

第三章 数据链路层

数据链路层的职责：

• 组帧：将网络层传下来的 IP数据报分组 封装成帧。
  • 界定帧：划定每个帧的界限
  • 透明传输：不管数据是什么，链路层都能原封不动地将数据发送给接收方
• 差错控制：发现并解决一个帧内部的位错误
• 可靠传输：发现并解决帧错（帧丢失，帧重复，帧乱序）
• 流量控制
• 介质访问控制：广播信道需要，因为总线型拓扑多个节点会争抢传输介质的使用权

循环冗余校验码

思路：传送的数据（被除数）除以一个传输双方约定好的除数。如果余数为零，则传输没有错误；否则有错。

被除数由两部分组成：

• 信息位 K位
• 校验位 R位

这 K + R 位数据共同构成了被除数。

例：设生成多项式为 G(x) = x^3 + x^2 + 1, 信息码为 101001，求对应的CRC码。

1. 除数通常从提干给的生成多项式中求出。
G(x) = 1 * x^3 + 1 * x^2 + 0 * x^1 + 1 * x^0
则除数为 1101

2. 校验码的长度为生成多项式最高幂的值，此题为3
3. 被除数为 信息码 + 校验码补零，即 101001000
4. 被除数和除数进行模二除法，和模二减法，得到的余数就是校验码的值，那么CRC码就是 信息码+ 算出的校验码。

码分复用（CDM）

属于信道划分的介质访问控制技术。

CSMA 协议

场景：多个节点共享一个信道传输信号，两个节点同时发送信号会产生冲突。

CSMA/CD 协议

即 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多点接入/碰撞检测。要点是：

先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发。

比如 A 节点在发之前会监听信道中是否有其他信号，如果没有，才发自己的信号——先听后发。

A 节点在发送信号的过程中也会不停的监听信道，如果有别的节点发送信号，产生冲突，立即停止发送——边听边发，冲突停发。

A 节点停止发送后会随机等待一段时间再尝试重新发送，随机等待会使用二进制指数退避算法——随机重发。

CSMA/CA 协议

局域网

IEEE 802

IEEE 下属的 802 工作组专门研究局域网技术的标准化和推广，又分为两大类别：

• IEEE 802.3 有线局域网（LAN）：以太网
• IEEE 802.11 无线局域网（WLAN）：WIFI

MAC层

数据链路层下设 MAC层（Media Access Control，数据访问控制层） 和 LLC层（Logical Link Control，逻辑链路控制层）。

局域网的特点

• 覆盖较小的地理范围
• 较低的时延和误码率
• 局域网内各节点以帧为单位进行传输，支持单播、多播、广播
  • 单播：A ->B
  • 多播：A -> B,C,D,E
  • 广播：A -> 局域网内其他所有

PPP协议

PPP帧格式：

PPP如何实现透明传输？

• 字节填充（用于异步传输）：
  • 数据部分每出现一个 7E 字节，转义成 7D 5E 两字节
  • 数据部分每出现一个 7D 字节，转义成 7D 5D 两字节
• 零比特填充（用于同步传输）：除了首尾的帧界定符之外，只要发现5个连续的1就在后面加一个0（发送方），接收方则是只要有5个1 就把后面的零去掉。

以太网交换机

“以太网可以视作一种多端口的网桥，网桥的知识点学过以太网交换机就会了。”

自学习功能

• 每台交换机内部维护一个交换表，初始为空，记录 MAC地址 - 端口号的映射关系。本质是一个缓存
• 交换机每收到一个MAC帧，就将发送方的 MAC地址 和 当前端口 记录下来
• 接收方有两种情况：
  • 交换机缓存里没有接收方端口映射的记录，就把帧广播到其他端口。
  • 知道接收方端口，就直接精准推送到目标端口。
• 交换表每项都设置“有效时间”（TTL）

第四章 网络层

网络层功能：

• 异构网络互联

  每个网络的拓扑结构不同，下层（物理层、链路层）实现不同。网络层通过路由器（Router）连接，路由器也称为网关

• 路由与转发

• 拥塞控制：

IP数据报（分组）格式

• 版本信息 - 4bit，区分IP协议版本，v4 / v6
• 首部长度 - 4bit，实际首部长度是这个值乘以4B
• 区分信息 - 8bit，不管
• 总长度 - 16bit，包括首部和数据的整个IP分组的长度，实际总长是这个值乘以1B
• 分片信息
  • 标识 - 16bit，标识这个IP分组，比如一个大IP分组因为链路上的MTU限制被拆成多个小分组，那么小分组都写同一个标识，目的主机就能重新组装它们。
  • 标志 - 3bit，只看最低位和次低位
    • 最低位（More Fragment）：这个分组后面是否还有更多分片
    • 次低位（Don’t Fragment）：这个分组是否不要做分片
  • 片位移 - 13bit，当前分片在原分组中的偏移量，实际偏移量是这个值乘以8B
• 生存时间TTL - 8bit，设置该分组能通过的最大路由器数量，超出直接丢弃，并向源主机发送一个ICMP报文
• 协议 - 8bit
• 首部校验和 - 16bit

IP分组的“分片”

IP地址（IPv4）

这部分讲的是IP地址最初的分配方案。

IP地址大小为 32bit。

单播地址（主机）：

• A 类地址（1 - 126）：前 8bit 网络号，后 24bit 主机号
• B 类地址（128 - 191）：前 16bit 网络号，后 16bit 主机号
• C 类地址（192 - 223）：前 24bit 网络号，后 8bit 主机号

多播地址：

• D 类（224 - 239）

在一个内部机构中（如企业、学校），IP地址的网络号部分是由IP地址供应商提供的，需要申请；后面的主机号是由机构内的网络管理人员按需求分配的。

子网划分 / 子网掩码

子网划分的过程是：

若某单位租用了一个IP地址段，假设原本的主机号占 n bit，那么可以将前 k bit 拿出来作为子网号，那么剩余的 n - k bit 就是新的主机号。这样划分出 2^k 个子网，每个子网包含的IP地址块大小相等。

• 子网划分前，IP地址两级结构 = <网络号，主机号>
• 子网划分后，IP地址三级结构 = <网络号，子网号，主机号>

子网掩码：

子网掩码构成：

• <网络号，子网号> 部分全1
• <主机号> 部分全0

用子网掩码逐位与 IP地址，算出< 网络号，子网号>，合成“网络前缀”，只有网络前缀相同的IP地址，才属于同一个网络。

默认子网掩码：由子网掩码构成易得：

• A 类默认：255.0.0.0
• B 类默认：255.255.0.0
• C 类默认：255.255.255.0

无分类编址 CIDR

CICR 是1993年为了缓解IP地址数量紧张而提出的。

路由聚合

对于一个路由转发表，如果几条路由转发项的转发接口相同，部分网络前缀也相同，那么可以将这几项聚合成一条，称为路由聚合。

如下图中的1,2,3项前27位网络前缀都相同，且出发接口都为G1，那么就聚合为项4

网络地址转换 NAT

NAT 是1994年同样为了缓解 IP地址数量紧张而提出的。

NAT 将 IP地址分为了外网 IP 和内网 IP。

• 外网IP：全球IP地址，通常由 ISP 提供，全球唯一
• 内网IP：每个局域网内自行分配这些私有IP，只要求局域网内唯一，不要求全球唯一。

NAT 路由器是一种特殊的路由器，和普通路由器的不同之处在于，它会在转发IP分组时，进行内网IP和外网IP的相互映射。它用到了NAT表来记录映射关系。

NAT表记录映射关系，格式为：<内网IP:内网端口 - 外网IP:外网端口>

下面的IP只允许内网用，公网不允许：

• 10.0.0.0 - 10.255.255.255
• 172.16.0.0 - 172.31.255.255
• 192.168.0.0 - 192.168.255.255

地址解析协议 ARP

ARP协议用于在一个局域网内部，通过ARP协议查询到一个IP地址对应的MAC地址。

ARP表（缓存）

ARP会维护一个缓存表，记录 IP地址和MAC地址 的映射关系。

每台主机、路由器都有自己的一个ARP表。

ARP过程

请求阶段

比如局域网中一台主机要向网关/互联网中的另一台主机，whatever，发送一个IP数据报。

一开始发送方肯定不知道对方的MAC地址（那么为什么需要MAC地址呢，这是链路层组帧的需求……这里skip了），那么它会先发送一个ARP请求分组。

ARP请求分组中写明

1. 我是谁？我的IP地址是X，MAC地址是Y
2. 我想找谁？它的IP地址是Z，MAC地址就是我要找的

接着ARP请求分组封装成MAC帧，帧的源地址是Y，目的地址全1，表示广播帧。

响应阶段

广播帧会广播给局域网内的所有主机，那么the right one收到请求分组将回复一个ARP响应分组。

ARP响应分组写明，我就是你要找的主机，我的IP地址是Z，MAC地址是V

接着ARP响应分组同样封装成MAC帧，帧源地址是V，目的地址是Y。

路由算法

路由算法的目标是 找到转发IP分组的“最佳路径”。

路由算法分为静态和动态路由算法。下面是两种典型的动态路由算法：

距离向量路由算法（RIP基于）

• 本质是 Bellman-Ford 算法
• 路由器不必关心整个网络拓扑结构，只需关心和邻居之间的距离，各个邻居和目的网络的最短距离

链路状态路由算法（OSPF基于）

分层次的路由协议

由于全世界数以亿计的路由器和网络，所以不可能要求所有的路由器使用统一的一个路由协议，那么分层次的路由协议因运而生。

自治系统AS：

• 全世界的互联网被划分为相互独立的自治系统AS，每个AS都有唯一的 编号ASN。

• 每个AS都有至少一台边界路由器，与其他AS相连。

• AS之间是平级关系，不存在包含关系。

自治系统内外使用的路由协议分不同的叫法：

• 内部网关协议（IGP）：AS内部的路由协议，由AS自行选择
• 外部网关协议（EGP）：AS之间的路由选择，如 BGP

RIP协议

• 应用层协议，它使用 UDP 传送数据，端口 520
• RIP如何定义路径长度？
  • 使用跳数（Hop Count）衡量，每经过一个路由器跳数加一；路由器到直连网络的距离为1。
  • RIP认为好的路由就是跳数最少的那个。
  • 一条合法路径长度不超过15，距离等于16时表示网络不可达。
  • 由上条，适用于小型的自治系统。