计算网络相关知识点整理

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概述

OSI 参考模型

  • 应用层：用户与网络的界面，为应用程序提供访问 ISO 的手段
  • 表示层：数据解密加密、压缩、格式转换
  • 会话层：会话管理和同步
  • 传输层：流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理
    • 报文段(TCP)
    • 用户数据报(UDP)
  • 网络层：流量控制、拥塞控制、差错控制、网际互连(分组、数据报)
  • 数据链路层：成帧、差错控制、流量控制、传输管理(帧)
  • 物理层：透明传输比特流(比特)

在ISO/OSI中，网络层支持面向链接和非链接
而在TCP/IP中，则是在传输层

物理层

  1. 基带信号： 数字信号 ==> 数字信道(近距离)
    宽带信号： 基带信号 ==> 模拟信号 ==> 模拟信道(远距离)
  2. M Baud的码元传输率(若是一码元包含n bit信息量) ==> 数据传输率：M·n bit/s
  3. 奈奎斯特定理：(理想条件下)
    $极限数据传输率 = 2Wlog_2V$
  4. 香农定理：(有噪声的条件下)
    $极限数据传输率=Wlog_2{(1+S/N)}$
    $信噪比=10log_{10}{(S/N)}$
    • $当S/N=10时，信噪比为10dB$
    • $当S/N=100时，信噪比为30dB$
  5. 编码：
    • 曼彻斯特编码：1下0上
    • 差分曼彻斯特编码：1同0异

  6. 调制：
    $f_{采样频率} \geq 2f_{信号最高频率}$

    • ASK(调幅)
    • FSK(调频)
    • PSK(调相)

    • QAM(正交振幅)

      $若波特率为B，m个相位，n个振幅，则R=Blog_2{(m*n)}$

  7. 存储转发交换：

    • 电路交换(不提供差错控制)
    • 报文交换(长度无限制，只适用于数字信号)
    • 分组交换(有长度限制)
      • 数据报方式
      • 虚电路方式

  8. 传输介质：(不属于物理层)

    • 导向型
      • 双绞线
        1. 屏蔽
        2. 非屏蔽
      • 同轴电缆
      • 光纤
        1. 多模
        2. 单模
    • 非导向型
      • 无线电波
      • 微波
        • 地面微波接力通信
        • 卫星通信
      • 红外、激光

  9. 接口特性：

  • 机械特性：规格、引线数、引脚数、排列情况
  • 电气特性：信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率、距离限制
  • 功能特性：电平电压表示的意义、信号线的用途
  • 规程特性：工作规程、时序关系
  1. 物理层设备:(不分割冲突域)

  • 中继器(转发器)：再生数字信号

    • “5-4-3”规则
    • 无存储转发功能，协议相同，速率相同

  • 集线器:多端口中继器

数据链路层

问题与对应的方案

  1. 重复帧 ==> 帧编号
  2. 帧丢失 ==> 计时器超时重传
  3. 差错控制 ==> 校验码

差错控制：

  1. 奇偶校验码
    只检查奇数个比特错误，检错能力50%

  2. 循环冗余码:(CRC)

    • 异或：相同为0，相异为1
    • 多项式n位，阶为n-1
    • 步骤：
      • 通过多项式判断阶数n
      • 数据加上n个0
      • 数据除以多项式
      • 异或相除，得余数即为FCS
      • 发送：数据+FCS

  3. 海明码：(第一位为一号)(从左往右)
    发现双比特错，纠正单比特错

  • 海明不等式：
    $2^r \geq K+r+1 (r为冗余信息位，K为信息位)$

  • 纠错d位，码距则需要2d+1
    检错d位，码距则需要d+1

  • 编码为2的幂的位是检验位

    $P_1 \bigoplus D_1 \bigoplus D_2 \bigoplus D_4$
    $P_2 \bigoplus D_1 \bigoplus D_3 \bigoplus D_4$
    $P_3 \bigoplus D_2 \bigoplus D_3 \bigoplus D_4$

介质访问控制

信道划分

  • 频分复用(FDM)
    用于模拟信号，类似于”并行”

  • 时分复用(TDM)
    用于数字信号，类似于”并发”

  • 波分复用(WDM)
    “光的频分复用”

  • 码分复用(CDM)：1=>1 、-1 => 0

    • $S$为A站的码片向量
      $T$为B站的码片向量
      则$S·T=0$
    • 合并$(S, T)$
    • 分离，取A：
      $S(S, T)· \frac{1}{|S(S, T)|}$

随机访问

  1. Aloha协议

    • 不进行任何检测就发，想发就发
    • 一段时间内未收到$ack$，则意味着发生冲突
    • 过一段再发

  2. 间隙Aloha协议

    • 只有在时间片开始才能发送

  3. CSMA(先听再发)

CSMA.png

  1. CSMA/CD(总线型，半双工)
  • 发的时候还在监听
  • $ \tau$为单程传播时延，$2\tau$称为争用期
  • 最小帧长=$2 \tau * 数据传输率$
  • 以太网规定：$2\tau=51.2\mu s$
    因此$10Mb/s ==> 64B最小帧长$
  • 指数退避 $K = min[重传次数， 10] $
    重传次数小于16，$[0, 1 …,2^k-1]$,取一个$r$ ==> $t=2r \tau$
  1. CSMA/CA
    先广播告诉其他结点，在某一段时间内不要发送数据

广域网协议

PPP协议

  • 面向字节
  • 结构
    • 链路控制协议LCP
    • 网络控制协议NCP
    • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
  • 信息段 0~1500 字节
  • 有差错检测，但无纠错，不使用序号和确认机制
  • 仅点对点，仅全双工
  • 两种模式
    • 异步线路：字节填充法
    • 同步线路：比特填充法

HDLC协议

  • ISO制定，不属于TCP/IP协议簇
  • 面向比特
  • 全双工
  • 0比特插入法，5 “1” 1 “0”
  • 站
    • 主站
    • 从站
    • 复合站
  • 数据操作方式
    • 正常响应
    • 异步平衡
    • 异步响应
  • 帧类型
    • 信息帧
    • 监督帧
    • 无编号帧
  • 使用编号和确认机制，提供可靠传输

轮询访问

  • 令牌传递
  • 不产生冲突，占全部带宽
  • 易发生单点故障

设备

  • 物理层：
    • 中继器：基带(以太网)
    • 放大器：带宽
  • 数据链路层：
    • 网桥
    • 交换机

网络层

IPV4

  • A类(1~126) ===> 1 ===> 126
  • B类(128~191) ===> 128.1 ===> 191.255
  • C类(192~223) ===> 192.0.1 ===> 223.255.255
  • D类(224~239)
  • E类(240~255)

网络地址转换NAT

将专用网络地址转换为公用地址 ===> {ip: 端口}

CIDR

IP地址/网络前缀所占比特数

  • 指派地址数(除了本地测试与全网广播)：$2^N-2$
  • 最长前缀匹配
  • 构造超网/路由聚合

ARP协议

IP -> MAC映射

  • ARP工作在网络层
  • NAT工作在传输层

DHCP(动态主机配置协议)

  • 用于给主机动态分配IP地址
  • 应用层协议，基于UDP
  • 广播方式进行交互
    DHCP.png

ICMP(网际控制报文)

  • 主机或者路由器报告差错和异常情况
  • ICMP是IP层协议(网络层)
  • PING工作在应用层，使用网络层的ICMP
    Traceroute/tracert工作在网络层

路由协议

路由协议.png

IP组播

(IGMP协议)(224.0.0.0 ~ 239.255.255.255)

  • 基于UDP,尽最大努力交付
  • 组播地址，只用于目的地址
  • 不产生ICMP差错报文
  • 并非所有D类地址都可以作为组播地址
  • IP的后23位与MAC地址后23位对应，而MAC前(48-23)=25位中第25位为0

移动IP

  • 当移动结点跑到其他网络(外部代理)时，要向本来的网络(本地代理)注册一个转交地址
  • 本地代理就会为这个转交地址弄个隧道，当收到信息都会从这个隧道发过去

传输层

概述

套接字 = (主机IP， 端口号)
唯一标识了网络中的一个主机和其上的一个应用

  • TCP: 全双工可靠的逻辑信道(FTP、HTTP、远程登录TELNET)
  • UDP: 在IP之上仅附加了
    • 多路复用
    • 数据的错误检查

基于UDP的协议：TFTP(小文件传输)、DNS、SNMP(简单网络管理协议)、RTP(实时协议)

UDP协议：

  • 首部仅8B开销
  • 面向报文，不可分割
  • 可靠性在应用层完成
  • 二进制反码运算求和取反
    不为偶数个字节需要填入一个全0字节

熟知端口

熟知端口.png

TCP

  • 面向字节流
  • 首部长度 20~60字节
    • 数据偏移为4位，因此一位为4B单位

流量控制

流量控制手段

  • 数据链路层：接收方收下就不回确认
  • 传输层：接收方给发送方一个窗口公告

滑动窗口

  • 停-等协议：
    发送窗口 = 1，接收窗口 = 1
  • 后退N帧：
    发送窗口 > 1，接收窗口 = 1
  • 选择重传：
    发送窗口 > 1，接收窗口 > 1

自动重传请求(ARQ)

  • 停-等协议
    • 只需要1bit来编码
  • 后退N帧(GBN)
    • 重传的是出错的帧以及随后N个帧
    • 接收方只允许按顺序接收帧
    • 可使用累计确认
    • 接收窗口为1
      发送窗口为$1 \leq W_t \leq 2^n-1$(采用n比特编号)
  • 选择重传(SR)
    • 数据帧逐一确认，收一个确认一个(即不是按序接收的，不累积确认)
    • 只重传出错帧
    • 接收方有缓存
    • $W_R + W_T \leq 2^n$
      $又因为W_R \leq 2^(n-1)$
      $所以W_{Tmax} = W_{Rmax} = 2^{n-1} $

信道利用率

$信道利用率 = \frac{T_D}{T_D + RTT + T_A} = \frac{L/C}{T}$

$其中，L为T内发送Lbit数据，C为发送方数据传输率，T为发送周期(T_D+RTT+T_A)$

$信道吞吐率= 信道利用率*发送方的发送速率$

TCP链接的建立和释放

建立链接

建立TCP.png

释放链接

释放TCP.png

拥塞控制

拥塞控制.png

应用层

  • P2P模型(所有计算机都对等)
  • C/S模型

  • DNS系统

  • FTP服务器

    • 控制链接(21端口)：一直开启
    • 数据链接(20端口，服务器的)：只有在传数据时打开
    • 主进程：接收请求
    • 从属进程：处理单个请求

  • 电子邮件

电子邮件系统.png

Hotmail、Gmail在浏览器用HTTP，在不同邮件服务器之间才用SMTP
POP3在传输层使用明文密码

  • 万维网www
    • URL：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>
    • HTTP:80TCP端口，无状态，无连接(虽然用了TCP)
    • 对非持久链接：文档传输时间=2RTT+传输时间