计算机网络 知识点总结
文章目录
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引言
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物理层
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数据链路层
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介质访问控制子层（MAC）
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网络层
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传输层
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本文为 计算机网络 第五版 的知识点总结
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较为零散，可差缺补漏式的看看
引言
- 广域网使用router将多个局域网连接起来
- 广域网中通信是点对点
- 报文流有边界，字节流无边界
- 低三层（物理、数据链路、网络）被称为 通信子网
- data link是点到点（host主机到host主机），transfer是端到端（进程到进程）
- OSI模型的网络层可以是面向连接或无连接的，TCP/IP的网络层只能是无连接的（因为使用的IP协议无连接）
- 各个硬件设备：
- Hub物理层。不能隔离冲突域和广播域
- Switch、Bridge数据链路层。可以隔离冲突域，不可隔离广播域
- Router网络层。可以隔离冲突域和广播域
物理层
基带传输，直接传输0,1电压
物理层需要做宽带调制和频分复用
Nyquist（奈式）定理，决定了传播信号速率上限
max = 2Wlog_2V (b/s)
其中W为采样率，单位是Hz；V是进制数
Shannon（香农）定理，决定了有噪声情况下的最大传播速率
max=Wlog_2(1+S/N)
其中W单位Hz，S/N为信噪比。（db转换为10lg(S/N)）
各个信号编码模式
分组交换有两种：
* 数据报
* 虚电路：先在逻辑上建立一条虚电路，之后类似电路交换数据链路层
data link要做：
* 流量控制：控制发送速度
* 停等协议（即Wt=Wr=1的滑动窗口）
* 滑动窗口协议：Wt发送窗口，表示还可以发送多少，收到ACK向前滑；Wr接受窗口，收到就前滑并返回ACK
* 后退N协议：按序发送N个帧后，发现N前的那个未收到ACK，就将其和其之后的全部重传。此外，连续正确才发送ACK，即第N帧的ACK表示N和N以前的都正确。发送窗口需要小于2^n-1，否则无法分辨新旧帧
* SR选择重传协议：和GBN类似，但在发现差错后会缓存收到的正确帧，不必全部重传。此外，发现怀疑有错，需要发送NAK来表示怀疑。其Wt=Wr
* 差错控制：
* CRC冗余校验，一
* 海明码可以纠错
* ARQ重传，FEC前向纠错
* 成帧：即定界并打包。
* 比特填充：例如HDLC，F(011111110)作为界。中间5个1填1个0
* 字节填充：例如PPP以太网是无确认无连接，无线是有确认无连接
信道利用率的计算：
利用率=\frac{L/C}{T}
T=L/C+2R
其中L为发送的比特数，C为传输率，T为发送周期，R为单播时间。此外，如果是滑动窗口协议，则为：
\frac{NT_{frame}}{2T_{prop}+T_{frame}}
吞吐量=利用率*发送速率
注意ACK帧是额外发送的
介质访问控制子层（MAC）
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是data link的底部。使得两结点之间相互通信，不会互相干扰
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多路复用：1条链路，多个信道
- FDM频分复用：可以保护频带
- TDM时分：时间片，轮流来
- WDM波分
- CDM码分：用不同的编码方式来区分。一种方法，设置码片使得任意两个码片正交。如果要发送1，则发送该码片；如果发送0则发送反码片（全部取反）。之后将存在的各个结果累加。将信号分到各个编码，只需要将总信号和码片点积即可
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随机访问介质：解决不同用户访问同一个信道的问题
纯ALOHA，自由，用户占全部速率，碰撞则重传。其吞吐量为：
S=Ge^{-2G}
其中G为负载。在G为0.5时，S为0.184，为最大吞吐量
时隙ALOHA，将时间分为多个时隙，而非连续的时间。其吞吐量为：
S=Ge^{-G}
在G为1时，S为0.368，为最大吞吐量
CSMA (Carrier Sense Multiple Access)，载波侦听。其思想为不断检测信道是否被占用，直到发现信道空闲之后再发送。其可分为以下几种：
* 1-persistent CSMA。1坚持的含义是，监听如果发现信道空闲，发送的概率是1。如果监听忙，等待；如果发现冲突，随机等待
* non-persistent CSMA。如果忙，随机等待一段时间，然后再继续监听
* p-persistent CSMA。如果空闲，以p的概率发送
* CSMA/CD (Collision Detection)。802.3（以太网）就采用此，是一种半双工。其思维是监听碰撞，且边听边发。
* 注意，假设总线传播时延为τ，则需要2τ时间知道是否冲突。所以，最小帧长=2τ*传输速率。
* 以太网2τ=51.2μs，其传输速率为10Mb/s。故其最小帧长为512b = 64B
* 一旦发生了冲突，则使用二进制指数退避来避免，其退避时间为2rτ
* CSMA/CA (Collision Avoidance)。802.11a（wifi）使用此。其思维为，尽力避免冲突，不等待检测冲突。具体为先等待，再进入冲突窗口，计算退避时长。
* 轮询/令牌- NIC网卡是计算机与传输介质之间的接口
网络层
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路由器作用：路由选择、分组转发
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动态路由：
- 距离向量，RIP
- 链路状态，OSPF
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层次路由：IGP（域内），EGP（域间，BGP）
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路由表的构成：目标IP，子网掩码，下一跳IP，接口号
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IPv4，注意首部长度、总长度、片偏移分别为4B、1B、8B。注意DF、MF值和分片的关系等。
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通常下，IPv4地址可以分为网络号和主机号，网络只分配网络号。
- 网络号根据其数值，可以分为ABC类网络
- 主机号全零表示本机，全1表示广播
- 注意：计算IP地址分配问题，可以支持多少主机
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而如果有子网掩码的话，则变为了三级IP，{网络号, 子网, 主机号}。子网掩码和IP逐位与得到结果
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ARP是地址解析协议，从IP到MAC
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DHCP是动态分配IP的协议（是个应用层协议，使用UDP）
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ICMP用于报告差错和异常（网络层协议）
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IPv6的首部是8B的整倍数，其地址是128位
- 注意，IPv6中，连续的0可以省略，直接写作::。但是一个地址中只能有一个双冒号。（因为多个双冒号则无法推断0的个数）
传输层
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UDP:
- 8B首部
- 计算校验和时，以2B为一组，求和后其反码为校验和（要加上伪首部）
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TCP：
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20B首部
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计算校验和时，以4B为一组算
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面向字节流
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其头部有几个特殊的字段：
- 确认号：希望得到下一个TCP包的序号
- ACK（acknowledge）：其值为1时，确认号才有用
- SYN（synchronize）：在建立连接时有用
- FIN：终止符
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建立连接的过程，三次握手：
- 请求，去
- 同意，回
- 确认，去
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断开连接的过程，四次挥手：
- 发起断开，去
- 同意并开始最后一次传输，回
- 传输完成，回
- 确认断开，去。需要等待2MSL之后才能确认关闭了
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过程中如果收到了超时或者冗余的ACK，都会重传
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流量控制：利用滑动窗口来控制发送速率
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拥塞控制：其思想是有接受窗口rwnd和拥塞窗口cwnd，可发送的数目为他们的最小值。rwnd固定，而cwnd不断增长，其增长方式有以下两种：
- Tahoe慢开始+拥塞避免。cwnd从1开始，每过一个时间单位翻倍；如果到达了thresh，则变为每次加1。如果过程中发生了拥塞，则thresh减半，cwnd重新置为1
- Reno快重传+快恢复。与Tahoe类似，但发生拥塞之后thresh减半，cwnd从减半后的thresh开始加1
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