計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

  • 本文為 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 第五版 的知識(shí)點(diǎn)總結(jié)
  • 較為零散，可差缺補(bǔ)漏式的看看

引言

  • 廣域網(wǎng)使用router將多個(gè)局域網(wǎng)連接起來
  • 廣域網(wǎng)中通信是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)
  • 報(bào)文流有邊界，字節(jié)流無邊界
  • 低三層（物理、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)）被稱為 通信子網(wǎng)
  • data link是點(diǎn)到點(diǎn)（host主機(jī)到host主機(jī)），transfer是端到端（進(jìn)程到進(jìn)程）
  • OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層可以是面向連接或無連接的，TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層只能是無連接的（因?yàn)槭褂玫腎P協(xié)議無連接）
  • 各個(gè)硬件設(shè)備：
    • Hub物理層。不能隔離沖突域和廣播域
    • Switch、Bridge數(shù)據(jù)鏈路層。可以隔離沖突域，不可隔離廣播域
    • Router網(wǎng)絡(luò)層?？梢愿綦x沖突域和廣播域

物理層

  • 基帶傳輸，直接傳輸0,1電壓

  • 物理層需要做寬帶調(diào)制和頻分復(fù)用

  • Nyquist（奈式）定理，決定了傳播信號(hào)速率上限

    max = 2Wlog_2V (b/s)

    其中W為采樣率，單位是Hz；V是進(jìn)制數(shù)

  • Shannon（香農(nóng)）定理，決定了有噪聲情況下的最大傳播速率

    max=Wlog_2(1+S/N)

    其中W單位Hz，S/N為信噪比。（db轉(zhuǎn)換為10lg(S/N)）

  • 各個(gè)信號(hào)編碼模式

  • 分組交換有兩種：

    • 數(shù)據(jù)報(bào)
    • 虛電路：先在邏輯上建立一條虛電路，之后類似電路交換

數(shù)據(jù)鏈路層

  • data link要做：

    • 流量控制：控制發(fā)送速度
      • 停等協(xié)議（即Wt=Wr=1的滑動(dòng)窗口）
      • 滑動(dòng)窗口協(xié)議：Wt發(fā)送窗口，表示還可以發(fā)送多少，收到ACK向前滑；Wr接受窗口，收到就前滑并返回ACK
      • 后退N協(xié)議：按序發(fā)送N個(gè)幀后，發(fā)現(xiàn)N前的那個(gè)未收到ACK，就將其和其之后的全部重傳。此外，連續(xù)正確才發(fā)送ACK，即第N幀的ACK表示N和N以前的都正確。發(fā)送窗口需要小于2^n-1，否則無法分辨新舊幀
      • SR選擇重傳協(xié)議：和GBN類似，但在發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)后會(huì)緩存收到的正確幀，不必全部重傳。此外，發(fā)現(xiàn)懷疑有錯(cuò)，需要發(fā)送NAK來表示懷疑。其Wt=Wr
    • 差錯(cuò)控制：
      • CRC冗余校驗(yàn)，一
      • 海明碼可以糾錯(cuò)
      • ARQ重傳，F(xiàn)EC前向糾錯(cuò)
    • 成幀：即定界并打包。
      • 比特填充：例如HDLC，F(xiàn)(011111110)作為界。中間5個(gè)1填1個(gè)0
      • 字節(jié)填充：例如PPP

  • 以太網(wǎng)是無確認(rèn)無連接，無線是有確認(rèn)無連接

  • 信道利用率的計(jì)算：

    利用率=\frac{L/C}{T}

    T=L/C+2R

    其中L為發(fā)送的比特?cái)?shù)，C為傳輸率，T為發(fā)送周期，R為單播時(shí)間。此外，如果是滑動(dòng)窗口協(xié)議，則為：

    \frac{NT_{frame}}{2T_{prop}+T_{frame}}

  • 吞吐量=利用率*發(fā)送速率

  • 注意ACK幀是額外發(fā)送的

介質(zhì)訪問控制子層（MAC）

  • 是data link的底部。使得兩結(jié)點(diǎn)之間相互通信，不會(huì)互相干擾
  • 多路復(fù)用：1條鏈路，多個(gè)信道
    • FDM頻分復(fù)用：可以保護(hù)頻帶
    • TDM時(shí)分：時(shí)間片，輪流來
    • WDM波分
    • CDM碼分：用不同的編碼方式來區(qū)分。一種方法，設(shè)置碼片使得任意兩個(gè)碼片正交。如果要發(fā)送1，則發(fā)送該碼片；如果發(fā)送0則發(fā)送反碼片（全部取反）。之后將存在的各個(gè)結(jié)果累加。將信號(hào)分到各個(gè)編碼，只需要將總信號(hào)和碼片點(diǎn)積即可
  • 隨機(jī)訪問介質(zhì)：解決不同用戶訪問同一個(gè)信道的問題

    • 純ALOHA，自由，用戶占全部速率，碰撞則重傳。其吞吐量為：

      S=Ge^{-2G}

      其中G為負(fù)載。在G為0.5時(shí)，S為0.184，為最大吞吐量

    • 時(shí)隙ALOHA，將時(shí)間分為多個(gè)時(shí)隙，而非連續(xù)的時(shí)間。其吞吐量為：

      S=Ge^{-G}

      在G為1時(shí)，S為0.368，為最大吞吐量

    • CSMA (Carrier Sense Multiple Access)，載波偵聽。其思想為不斷檢測信道是否被占用，直到發(fā)現(xiàn)信道空閑之后再發(fā)送。其可分為以下幾種：

      • 1-persistent CSMA。1堅(jiān)持的含義是，監(jiān)聽如果發(fā)現(xiàn)信道空閑，發(fā)送的概率是1。如果監(jiān)聽忙，等待；如果發(fā)現(xiàn)沖突，隨機(jī)等待
      • non-persistent CSMA。如果忙，隨機(jī)等待一段時(shí)間，然后再繼續(xù)監(jiān)聽
      • p-persistent CSMA。如果空閑，以p的概率發(fā)送
      • CSMA/CD (Collision Detection)。802.3（以太網(wǎng)）就采用此，是一種半雙工。其思維是監(jiān)聽碰撞，且邊聽邊發(fā)。
        • 注意，假設(shè)總線傳播時(shí)延為τ，則需要2τ時(shí)間知道是否沖突。所以，最小幀長=2τ*傳輸速率。
        • 以太網(wǎng)2τ=51.2μs，其傳輸速率為10Mb/s。故其最小幀長為512b = 64B
        • 一旦發(fā)生了沖突，則使用二進(jìn)制指數(shù)退避來避免，其退避時(shí)間為2rτ
      • CSMA/CA (Collision Avoidance)。802.11a（wifi）使用此。其思維為，盡力避免沖突，不等待檢測沖突。具體為先等待，再進(jìn)入沖突窗口，計(jì)算退避時(shí)長。
      • 輪詢/令牌
  • NIC網(wǎng)卡是計(jì)算機(jī)與傳輸介質(zhì)之間的接口

網(wǎng)絡(luò)層

  • 路由器作用：路由選擇、分組轉(zhuǎn)發(fā)
  • 動(dòng)態(tài)路由：
    • 距離向量，RIP
    • 鏈路狀態(tài)，OSPF
  • 層次路由：IGP（域內(nèi)），EGP（域間，BGP）
  • 路由表的構(gòu)成：目標(biāo)IP，子網(wǎng)掩碼，下一跳IP，接口號(hào)
  • IPv4，注意首部長度、總長度、片偏移分別為4B、1B、8B。注意DF、MF值和分片的關(guān)系等。
  • 通常下，IPv4地址可以分為網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)，網(wǎng)絡(luò)只分配網(wǎng)絡(luò)號(hào)。
    • 網(wǎng)絡(luò)號(hào)根據(jù)其數(shù)值，可以分為ABC類網(wǎng)絡(luò)
    • 主機(jī)號(hào)全零表示本機(jī)，全1表示廣播
    • 注意：計(jì)算IP地址分配問題，可以支持多少主機(jī)
  • 而如果有子網(wǎng)掩碼的話，則變?yōu)榱巳?jí)IP，{網(wǎng)絡(luò)號(hào), 子網(wǎng), 主機(jī)號(hào)}。子網(wǎng)掩碼和IP逐位與得到結(jié)果
  • ARP是地址解析協(xié)議，從IP到MAC
  • DHCP是動(dòng)態(tài)分配IP的協(xié)議（是個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，使用UDP）
  • ICMP用于報(bào)告差錯(cuò)和異常（網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議）
  • IPv6的首部是8B的整倍數(shù)，其地址是128位
    • 注意，IPv6中，連續(xù)的0可以省略，直接寫作::。但是一個(gè)地址中只能有一個(gè)雙冒號(hào)。（因?yàn)槎鄠€(gè)雙冒號(hào)則無法推斷0的個(gè)數(shù)）

傳輸層

  • UDP:
    • 8B首部
    • 計(jì)算校驗(yàn)和時(shí)，以2B為一組，求和后其反碼為校驗(yàn)和（要加上偽首部）
  • TCP：
    • 20B首部
    • 計(jì)算校驗(yàn)和時(shí)，以4B為一組算
    • 面向字節(jié)流
    • 其頭部有幾個(gè)特殊的字段：
      • 確認(rèn)號(hào)：希望得到下一個(gè)TCP包的序號(hào)
      • ACK（acknowledge）：其值為1時(shí)，確認(rèn)號(hào)才有用
      • SYN（synchronize）：在建立連接時(shí)有用
      • FIN：終止符
    • 建立連接的過程，三次握手：
      • 請(qǐng)求，去
      • 同意，回
      • 確認(rèn)，去
    • 斷開連接的過程，四次揮手：
      • 發(fā)起斷開，去
      • 同意并開始最后一次傳輸，回
      • 傳輸完成，回
      • 確認(rèn)斷開，去。需要等待2MSL之后才能確認(rèn)關(guān)閉了
    • 過程中如果收到了超時(shí)或者冗余的ACK，都會(huì)重傳
    • 流量控制：利用滑動(dòng)窗口來控制發(fā)送速率
    • 擁塞控制：其思想是有接受窗口rwnd和擁塞窗口cwnd，可發(fā)送的數(shù)目為他們的最小值。rwnd固定，而cwnd不斷增長，其增長方式有以下兩種：
      • Tahoe慢開始+擁塞避免。cwnd從1開始，每過一個(gè)時(shí)間單位翻倍；如果到達(dá)了thresh，則變?yōu)槊看渭?。如果過程中發(fā)生了擁塞，則thresh減半，cwnd重新置為1
      • Reno快重傳+快恢復(fù)。與Tahoe類似，但發(fā)生擁塞之后thresh減半，cwnd從減半后的thresh開始加1
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