计算机网络

Zzz2024年11月3日约 3827 字大约 13 分钟

网络体系结构

带宽，数据传输率，信号的频率范围.
传播时延，信号在信道上移动花的时间.传输时延，信号完全进入信道花费的时间.

物理层

码元传输速率，波特率，信号变化的频率，如果一个码元携带 $n$ 种电平，则需要 $\log n$ 位的 $\text{bit}$ ， $n=2$ 则波特率和比特率在数值上相等.
模拟信道传输模拟信号，正弦余弦波；数字信号，电平跳变.
码间串扰，由于带宽限制，导致信号的波峰波谷消失，缺少界限.
奈奎斯特定理，理想情况下，不存在噪声.
- $\text{2W}\log \text N$ ， $\text W$ 表示带宽， $\text N$ 表示电平的变化数目.
香农定理，有噪声
- 信噪比，带单位 $\text{dB}$ ，信噪比 $=10\log_{10}(\text{S/N})$ ， $\text{S/N}$ 信噪比，但是不带单位.
- $\text W\log_2(\text{1+S/N})$ .
有同步信号的编码曼彻斯特编码.
$f_采=2f$ .
$\text{10BASE-F}$ ，则表示通过光纤传输 $\text{10Mb/s}$ 的基带信号，如果是 $\text T$ 表示使用双绞线进行传输.
单模光纤和多模光纤，单模光纤的直径等于一个波的直径，折损率较少，支持远距离传输.
物理层的作用透明传输比特流，集线器（ $\text{HUB}$ ，一分多，一个端口收到信号，从其他端口全部转发），中继器（放大数字信号），放大器（放大模拟信号），由于是傻瓜层的设备，所以不能隔离冲突域和广播域.
中继器的原理是信号重生.

数据链路层

有连接一定要有确认，不存在无确认的面向连接服务，有连接有确认的协议 $\text{TCP}$ ， $\text{HTTP}$ ， $\text{POP3}$ ， $\text{SMTP}$ ， $\text{FTP}$ .
直播用没有确认的协议 $\text{UDP}$ ，网站上看视频用有确认的协议 $\text{TCP}$ .
组帧的作用是将比特流拆分成帧.
字符计数法，一帧中的首个数字代表帧的字节数.
字节填充法，使用控制字符表示开始和结束.
零比特填充法，遇到 $5$ 个1就在后面插入一个0.
奇偶校验码，奇校验，则在数据后面加 $1$ 位，使得 $1$ 的个数是奇数个；只能检测奇数位的错误，不能检测偶数位的错误.
循环冗余校验码在帧上.
海明码能纠错， $n+k\le 2^k-1$ ， $k$ 是检验位的位数， $n$ 是原来数据的长度.
能检测出 $d$ 位的错误，则需要海明距为 $d+1$ 的编码方案，如果要纠正 $d$ 位错误则需要海明距为 $2d+1$ .
停止等待协议，发送窗口 $=1$ ，接收窗口 $=1$ ，接收方收到的数据有序的.
后退 $\text N$ 帧协议，发送窗口 $>1$ ，接收窗口 $=1$ ，发送窗口大小 $1<\text W\le2^ n-1$ ，累计确认，接收方收到的数据有序的.
选择重传协议，发送窗口 $=$ 接收窗口 $>1$ ，发送窗口 $1<\text W\le2^{(n-1)}$ ，没有累计确认，收到的数据不一定有序.
$\text{GBN}$ 数据传输率 $\cfrac{\text{nT}_\text D}{\text T_\text D+\text{RTT+T}_\text A}$ ， $\text T$ 是发送时延， $\text{RTT}$ 往返时延，
- 当 $\text{nT}_\text D\ge \text T_\text D+\text{RTT}+\text T_\text A$ ，可以不间断发送数据，信道利用率为 $1$ .
- 当 $\text{nT}_\text D < \text T_\text D+\text{RTT}+\text T_\text A$ ，发送窗口数据发送完之后，确认帧还没到，发送是断断续续的，信道利用率低于 $1$ .
静态介质访问控制协议， $\text{FDM}$ ， $\text{TDM}$ ， $\text{WDM}$ ， $\text{CDM}$ 并不是动态控制，在传输之前就定好了协议.
$\text{ALOHA}$ ，想发就发.
$\text{CSMA}$ ，载波监听访问协议，发送之前监听信道，没有数据再发送.
$\text{CSMA/CD}$ ，带冲突检测的载波监听访问协议，发送之前监听信道，没有数据再发送，并且过了争用期之后才认为数据发送成功，没有确认.
截断二进制退避算法，重发次数 $\text k$ ，在 $[1,2^{min(k,10)}-1]$ 取随机数 $\times \text{RTT}$ 时间后进行重发， $16$ 次表示不可达.
最短帧长 $64\text B=51.2\text{us}\times 10\text{Mb/s}$ ，即 $\text{RTT}\times$ 传输速率.
以太网 $\text{MAC}$ 帧，最短帧长 $64\text B$
目的MAC地址源MAC地址类型数据部分（IP数据报 FCS
$6\text B$ $6\text B$ $2\text B$ $46\sim 1500\text B$ $4\text B$
无线局域网的 $802$ 帧有两种，其中地址部分有两种

目的MAC地址	源MAC地址	类型	数据部分（IP数据报	FCS
$6\text B$	$6\text B$	$2\text B$	$46\sim 1500\text B$	$4\text B$

去往AP	来自AP	地址1	地址2	地址3
	$\surd$	接收地址 $=$ 目的地址	发送地址 $\text{=AP}$ 源地址	源地址
$\surd$		接收地址 $\text{=AP}$ 地址	发送地址 $=$ 源地址	目的地址

$\text{PPP}$ 包含链路控制协议，网络控制协议，将 $\text{IP}$ 数据报封装到串行链路的方法.
交换机和网桥，隔离冲突域，不可以隔离广播域，可以增加总带宽，采用全双工模式
- 如果转发的数据目的地址不在转发表中，则会将数据从其他的所有端口进行转发，转发会记录数据的源地址.

网络层

网络层的两种服务
- 电路交换
  - 建立物理线路，独占的.
  - 接收的数据是有序的.
- 报文交换
  - 不需要建立链路.
  - 通过路由器进行查询转发.
- 分组交换
  - 将数据报拆分成分组，实现流水线传输.
  - 数据出现错误，重发代价较小.
  - 出现失序，在接收端需要重排序.
  - 包含虚电路和数据报两种方式.
    - 虚电路需要建立虚拟连接，数据接收有序，分组首部不包含地址.
    - 数据报不需要建立连接，数据接收无序，需要重排序，分组首部包含地址.
拥塞控制，开环控制静态控制，闭环控制动态控制方式.
$\text{IPv4}$
- 首部长度 $20\text B$
- $1$ 总 $8$ 偏首 $4$ （单位大小）.
- 分片中的标志字段MF=1表示后续还有分片，MF=0表示最后一个分片，DF=0表示允许分片.
- $\text A$ 类地址可以指派的网络数 $2^7 -2$ ， $127$ 不可用，127.0.0.1是环回地址， $\text B$ 类(起始地址 $10$ )地址总数 $2^{14}$ ， $\text C$ 类(起始地址 $110$ )地址总数 $2^{21}$ ，主机数均需要 $- 2$ .
$\text{NAT}$ 传输层的协议，使用了端口，解决 $\text{IPv4}$ 用尽问题，连接内网和外网之间的通信，数据在发送到公网之前会被修改源 $\text{IP}$ 地址，数据在传入内网设备时会被修改目的 $\text{IP}$ 地址.
$\text{CIDR}$ 中的网络总数需要减 $2$ ，即全 $0$ 和全 $1$ 地址不可用.
子网划分是从主机号部分进行划分子网的.
转发 $\text{IP}$ 分组的过程，路由转发表，包含目的 $\text{IP}$ 地址，下一跳.
默认路由地址0.0.0.0/0.
$\text{ARP}$ ， $\text{IP}$ 地址转 $\text{MAC}$ 地址（IP地址转物理地址）， $\text{ARP}$ 表由主机进行保存，如果没有对应表项则发送广播分组ff-ff-ff-ff-ff-ff，响应分组是单播发送.
路由转发数据的过程中首先需要将IP地址转化为 $\text{MAC}$ 地址，根据 $\text{MAC}$ 地址找到下一跳路由器，因此在不同的网络中进行数据传输时， $\text{MAC}$ 帧的源地址和目的地址会变化.
$\text{SDN}$ ，将网络层分为控制层和数据传输层.
$\text{DHCP}$ 应用层协议，基于 $\text{UDP}$ ，动态主机配置协议，
- $\text{DHCP}$ 发现报文是广播报文，源地址是0.0.0.0，目的地址是255.255.255.255.
- $\text{DHCP}$ 提供，源地址是服务器地址，目的地址是255.255.255.255.
- $\text{DHCP}$ 接收，源地址是0.0.0.0，目的地址是255.255.255.255.
- $\text{DHCP}$ 确认，源地址是服务器地址，目的地址是255.255.255.255.
$\text{ICMP}$ 网际控制报文协议， $\text{ICMP}$ 差错报文的类型
- 终点不可达，线路问题不可达.
- 源点抑制，因为拥塞问题不可达.
- 时间超时.
- 参数问题.
- 改变路由.
$\text{IPv6}$ 解决了地址耗尽问题，端到端不支持分片，灵活的首部选项，首部默认 $40\text B$ ，单播地址点对点，多播`是给一组计算机，任播是给一组计算机最终只有一个计算机能收到.
距离向量路由算法， $\text{RIP}$ ，每一次转发只指定下一个地址.
- 路由转发表的结构.
- $\text{IP}$ 地址 $|$ 距离 $|$ 下一跳 .
- 跳数 $=16$ 表示目的地址不可达.
- 路由器仅仅和邻近的路由器交换信息.
- 交换的是路由表
- 固定时间间隔进行交换信息，网络拓扑发生变化也可以进行交换信息.
- 限制网络规模，坏消息传的慢.
- 使用 $\text{UDP}$ 协议进行传输.
链路状态路由算法， $\text{OSPF}$ ，知道整个网络的状态.
- 更新方法：洪泛法，向本自治系统的所有路由发送信息.
- 发送的信息是本自治系统的链路状态，当链路状态发生变化的时候才会更新.
- 使用 $\text{IP}$ 数据报进行传送.
$\text{IGP}$ 内部网关协议， $\text{EGP}$ 外部网关协议， $\text{BGP}$ ，力求能够到达目的地的路由，而不是最佳路由，基于 $\text{TCP}$ 进行传输.
$\text{IP}$ 多播就是发送给一组主机， $\text{IP}$ 地址为224.0.0.0~239.255.255.255.
- 对多播地址不产生 $\text{ICMP}$ 差错报文
路由器能隔离冲突域和广播域.

传输层

套接字： $\text{IP}$ 地址：端口号.
$\text{UDP}$ 协议的特点.
- 不需要建立连接.
- 不可靠传输.
- $\text{UDP}$ 首部开销小， $\text{TCP}$ 有 $20\text B$ 首部， $\text{UDP}$ 有 $8\text B$ .
- 没有拥塞控制.
- 需要将首部和数据部分一起校验.
- $\text{UDP}$ 校验
  - 中间值加最后一个结果，有进位则反卷相加（将进位放入最低位再次相加），最后整体取反.
$\text{TCP}$ 协议的特点.
- 建立一条逻辑连接.
- 保证可靠传输.
- 提供全双工通信.
- 面向字节流.
- 首部的最大长度是 $60\text B$ .
- 数据偏移指的是首部长度，跟 $\text{IPv4}$ 的偏移不同.
确认号表示自己想要接收到的数据序号.
$\text{URG}$ 紧急位，URG=1表示数据紧急，应该尽快传送.
$\text{ACK}$ 确认位，ACK=1表示确认字段有效.
$\text{PSH}$ 推送位，收到PSH=1之后立即响应.
$\text{RST}$ 复位位，RST=1表示链路出错需要重新建立连接.
$\text{SYN}$ 同步位，SYN=1表示连接请求或者连接接收的报文，出现在三次握手的第一次和第二次.
$\text{FIN}$ 终止位，FIN=1表示发送方需要关闭连接，此时发送发不再发送数据.
填充，使得首部长度是 $4\text B$ 的整数倍.
$\text{TCP}$ 的三次握手， $\text A$ 为客户机， $\text B$ 为服务器.
- 第一次， $\text{A->B}$ ，SYN=1,seq=x.
- 第二次， $\text{A<-B}$ ，SYN=1,ACK=1,ack=x+1,seq=y.
- 第三次， $\text{A->B}$ ，ACK=1,seq=x+1,seq=y+1，可以携带数据.
- 双方进入ESTABLISHED状态.
$\text{TCP}$ 四次挥手，释放连接， $\text A$ 为客户机， $\text B$ 为服务器.
- 第一次， $\text{A->B}$ ，FIN=1,seq=u.
- 第二次， $\text{A<-B}$ ，ACK=1,ack=u+1,seq=v.
- 第三次， $\text{A<-B}$ ，FIN=1,seq=w,ACK=1,ack=u+1，服务器进入LAST-ACK状态.
- 第四次， $\text{A->B}$ ，ACK=1,ack=w+1,seq=u+1，客户机进入TIME-WAIT状态，经过 $\text{2MSL}$ 之后释放连接.
拥塞控制，慢开始，拥塞避免，快重传，快恢复.
- 发送窗口大小 $=\text{MIN}$ （接收窗口，拥塞窗口）.
- $\text{MSS}$ 最大报文段长度作为拥塞窗口大小的单位.
- 慢开始，每轮（ $\text{RTT}$ ）收到一个确认之后将拥塞窗口值 $+1$ ，拥塞窗口呈现 $2$ 的等比数列.
- 当拥塞窗口值 $=\text{ssthresh}$ ，改为拥塞避免算法，每一轮将拥塞窗口加 $1$ ，呈现等差数列.
- 发生拥塞的时候，会将拥塞窗口 $\text{cwnd}$ 设置为 $1$ ，将 $\text{ssthresh}$ 变为拥塞窗口的一半，拥塞窗口的值在慢开始阶段不会大于 $\text{ssthresh}$ .
- 快恢复：在发生拥塞之后，将拥塞窗口设置为发生拥塞窗口值的一半，值等于 $\text{ssthresh}$ （在拥塞的时候变为拥塞窗口的一半）.
- 快重传：当连续收到三个相同的确认就会立即重传该序号的数据.

应用层

$\text{DNS}$ ，域名转 $\text{IP}$ 地址，运行在 $\text{UDP}$ 之上，53端口，域名服务器根域名服务器，顶级域名服务器，权限域名服务器，本地域名服务器 $\text{GDQB}$ ， $\text{DHCP}$ 也是建立在 $\text{UDP}$ 传输协议上的.
- 递归查询，类似 $\text{DFS}$ .
- 迭代查询中，本地域名服务器向上层域名服务器请求返回的是下层域名服务器的 $\text{IP}$ 地址.
$\text{FTP}$ 建立在 $\text{TCP}$ 传输协议上，使用两个熟知端口，21控制链接，20数据控制.
邮件服务的协议， $\text{SMTP}$ 25， $\text{POP3}$ 110，都是建立在 $\text{TCP}$ 连接上的，接收方取邮件使用 $\text{POP3}$ ，其余都是 $\text{SMTP}$ .
$\text{MINE}$ 的作用：定义了邮件格式，定义了传送编码.
万维网的内核包含三个标准.
- $\text{URL}$ ：统一资源定位符.
- $\text{HTTP}$ 超文本传输协议，端口是80，使用 $\text{TCP}$ 进行传输连接， $\text{HTTPS}$ 端口是443，更加安全，是无状态，后续请求和前面的请求没有什么关系，使用 $\text{cookie}$ 来解决.
- $\text{HTTP}1.1$ 支持持续连接Connection:keep-alive.
- $\text{HTTP}$ 请求方式
  - GET用来获取数据.
  - POST用来新增数据.
  - PUT用来更新数据.
  - DELETE用来删除数据.
- 状态码,4开头的一般都是客户机问题，5开头的是服务器问题.
  - 404 $\text{URL}$ 对应的资源不存在.
  - 400请求参数错误.
  - 200请求成功.
  - 301永久重定向，302暂时重定向.
- 访问一个网站的流程
  - 域名输入之后通过 $\text{DNS}$ 解析成 $\text{IP}$ 地址.
  - 通过 $\text{TCP}$ 的三次握手与服务器建立连接.
  - 数据传送.