南开大学软件学院2021年秋季学期研究生计算机网络课程（复习）

一、ARPANET核心解决的问题是什么？

ARPANET研究的核心：通信网络方案的设计两个基本问题：

• 网络拓扑结构：分布式网络结构
• 数据传输方式：分组交换

二、不同的拓扑结构的特点？

• 集中式网络结构（唯一中央交换节点）：每个节点都与唯一的中央交换节点相连，在这种架构下所有数据必须通过中央交换点发送至目标端点。如果中央交换点出现故障或无法正常运行，则会导致整个通信系统完全中断。
  • 非集中式网络结构（多个中央交换节点）：该系统采用了多个中央交换点来分担负载，在某种程度上缓解了集中式架构的局限性；然而其固有的缺点仍然无法避免。
  • 分布式网络结构（无中央交换节点）：在这样的架构中任意一个节点都与若干邻近的邻居相连从而形成了一个网状拓扑；由于其自身的特性即使在网络中出现故障或损坏仍然可以通过其他冗余路由继续完成数据传输任务；显然这种架构的设计方案既具备高度分散性又具有良好的容错能力。

三、分层模型和硬件之间的对应关系，想扩展需要修改哪些层次？

如果计算无需接入 Ethernet 网络，则该台个人计算机（PC）可在其操作系统层实现本地环境下多种应用功能。该 PC 无需配置网络接口卡（NetBIOS卡），其单机操作系统的传输层协议（TCP/UDP）功能也无需由硬件执行。此外，网络层的 IP 协议功能也无需由硬件执行。至于 MAC 协议相关的硬件和软件组件也无需配置。因此，在这种独立环境中运行时系统也不会需要 MAC 地址资源。

如果一台计算机想要连接到 Ethernet 网络，则这台 PC 的操作系统必须安装能够处理传输层 TCP/UDP 协议的应用程序，并且也需要配置能够处理网络层 IP 协议的应用程序来分配 IP 地址。此外，在该 PC 的扩展插槽中必须插入一块带有唯一 MAC 地址的 Ethernet 网络接口卡（如 10BASE-T 标准），并通过 RJ-45 双绞线将其连接到交换机以实现有效的 Ethernet 网络接入。最后，在操作系统中还需安装相应的 Ethernet 网络适配器驱动程序以确保正常运行。

四、三网融合是什么？

• 光以太网技术的推进促进了计算机网络实现三大通信系统的整合：广域网（WAN）、城域网（MAN）以及局域网（LAN）。
• 互联网的应用使得计算机网络、电信系统以及广播电视系统之间实现了有机融合。

五、IP协议的主要特点

• IP 协议是一种非实时性且不具备可靠传输特性的数据分组传输方式。
• IP 协议采用专为单播而设计的数据链路层通信方案。
• IP 协议需要避免干扰不同数据链路层架构之间以及物理层不同实现技术间的相互影响。

六、IPv6的主要特点

• 新的设计理念
• 广大的地址空间
• 分级地实现寻址与路由结构的设计
• 支持有状态与无状态地址自动配置
• 内置安全机制
• 更适合满足QoS需求

七、IPv4与IPv6报头结构的比较

八、路由器对IPv4与IPv6报文转发过程的比较

IPv4：

1. 确认当前系统运行版本号是否为4；
2. 验证报头长度是否正确无误；
3. 确保数据包的头部校验和无误无误；
4. 判断时延存活时间是否归零状态；
5. 检测是否存在选项字段信息：
   a) 如果存在，则执行相应的处理流程
   b) 如果不存在，则无需特殊操作
6. 依据源地址与目标地址查询路由表中的对应信息，
   获取下一跳的IPv4网络地址配置参数
7. 在确定转发路径后，
   根据接收下一跳网络的最大传输单元容量，
   判断是否存在流量优先级标记
8. 完成拆分操作后，
   再次验证各部分的数据完整性与一致性
9. 执行数据包发送指令至目标网络入口处

IPv6：

1. 验证版本号是否等于6；
2. 核实跳数限制HL值是否归零；
3. 确认载荷长度计算无误；
4. 解析下一个报头字段内容；
5. 规划路由路径以便通信完成；
6. 在确定转发路径后发现数据包长度超出最大传输单元MTU时，则舍弃该数据包并发送ICMPv6超长数据包报告给源节点。

九、IPv4地址类型

十、路由算法

路由算法参数：延时、带宽、跳数、负载、可靠性、开销

静态路由表特征：

1. 静态路由选择算法也被认为是非自适应型的 routing 算法，在实现上较为简单且运行开销较低的特点下，
   但该类算法无法根据网络状态变化（包括流量状况与网络拓扑结构）进行实时调整，
   而是采用预先设定好的固定路径进行传播。
2. 静态路由表是通过人工构建的方法建立起来的。
   系统管理员需要手动配置以保持静态路由表的正确性。
   静态路由表通常仅用于小型局域网环境，在这些环境中网络架构相对稳定且不会频繁变化。

动态路由表特征：

1. 动态路由选择算法也被称作自适应 routing 算法，在其显著特点是可以较为有效地适应网络状态的变化，并且尽管实现上相对复杂但所需的资源消耗也较为可观。
2. 在大型互联网络中通常会采用动态 routing tables 作为基础架构组件，在运行时该系统会自动维护并更新这些动态 routing tables 以确保数据传输路径的高效性。
3. 动态 netting agent protocol 不仅能够持续更新所有路由器中的当前连接信息以维持正确的 routing 配置还能根据实时网络条件快速响应以保证通信质量。

十一、路由表生成

十二、路由表汇聚：最长前缀匹配原则

十三、路由选择算法和路由协议

该网络层组件之间存在主要区别。
该网络层组件在设计上存在主要区别。
该网络层组件的设计重点在于生成路由表以实现为路由器转发IP分组找出合适下一跳路由器。
该网络层组件的设计重点在于实现路由表中存储的各条链路信息能够即时动态地进行更新。

十四、路由协议/网关协议

内部网关协议

RIP路由信息协议

• 路由信息协议遵循了基于距离-矢量（Vector-Distance, V-D） 的内部路由选择算法作为其核心机制，在当前的主要内部网关协议中占据重要地位。
• 每个运行RIPng路由器都会管理一个通向所有目的网络的完整路由表，在每30秒的时间间隔内会对相邻路由器发送一次新的路由更新信息。
• 根据该路由选择算法，在任何一条较优路径出现时才会对路由表中的相应路径记录进行更新；反之，则会持续保留该记录直至问题解决为止。当某条关键路径失效时，在其对应的记录仍然存在于路由表中会导致系统因路径环路的存在而导致 Slow Convergence 现象发生。
• RIP方案的优势在于其配置与部署过程简单明了；然而其明显的局限性则在于无法有效应对大型网络或复杂的动态变化环境。

OSPF开放最短路径优先协议

• OSPF协议采用了链路-状态机制来实现其功能。
• 在OSPF体系结构中，默认情况下会根据连接关系自动划分主干区域与自治系统内部的区域。
• 每个路由器每隔30秒发送一次链路状态数据库给所有相连的路由器。
• 每个路由器基于接收到的信息计算出以自身为根节点的最短路径树。
• 区域划分带来的好处是：将洪泛法交换的信息局限于单一区域内而非整个网络。
• 每个路由器仅掌握本区域内完整的网络拓扑信息而不了解其他分区的情况。
• OSPF的优势在于能够高效处理大规模网络并确保路由选择更加精确；然而其缺点也是显而易见的：路由器需要具备较强的计算能力并且广播路由数据会占用一定带宽资源。

外部网关协议

BGP外部网关协议

• 基于路径向量机制（Path Vector Mechanism, PVM）。
  • 在配置BGPD时，在管理端为每个AS指定至少一台路由器作为BGPD服务提供者；这些BGPD服务提供者之间需进行路由信息交换。
  • 在IGP家族中使用的另一种方式则是通过TCP协议直接传输数据。

十五、LS、VD、PV的对比

十六、IPv4向IPv6过渡

双协议层和双协议栈

隧道技术

• 路由器-路由器隧道
• 主机-路由器隧道
• 主机-主机隧道
• 6cover4
• 6to4
• ISATAP

十七、SDN软件定义网络

SDN是一种新兴的网络体系结构,其核心支撑技术是OpenFlow.
层级划分包括:应用层面、管理层面以及网络基础层面.三大核心机制包括:
*基于数据流量的分组转发机制;
*中心化的路径规划与路由决策机制;
*针对应用程序的智能网元编程模式.

十八、TCP协议的特点

1. 支持可靠性保障的连接型服务其可靠的保障在于在实际数据传输前必须先建立一条源进程与目标进程之间的传输通道
2. 支持基于字节的数据流传输一个有效的流stream应确保无报文丢失重复或顺序错乱并采用缓存机制以实现高效的数据传递
3. 提供全双工通信服务的协议层架构基于可靠性的双向通信机制使得客户端能够同时向服务器发送信息而服务器也能同步返回相关的指令或数据
4. 采用确认机制作为提供可靠信息传递保障的技术基础通过该机制可确保消息既不会丢失也不会被篡改或破坏

十九、TCP的可靠性机制

1. 应用数据按照TCP协议被认为是适合分片传输的最大数据块。
2. 在发送一个报文段后,TCP启动了一个计时器,等待目的端确认接收到该报文段,若未能及时确认,则会重传该报文段。
3. 当TCP接收到来自其连接另一端的TCP数据时,它会发送一个确认标记。
4. TCP将确保其头部信息、数据内容以及相关的校验和保持完整性和一致性。
5. 接收方必须对已接收到的数据进行重新排序,然后将正确的顺序重新传递给应用层。
6. 如果IP数据报发生重复传输,则接收方的TCP必须检查并丢弃所有重复的数据。
   7.TCP采用可变窗口方法实现流量控制,根据接收方缓冲区容量来协调发送速度,以防止缓冲区溢满导致数据丢失。

二十、TCP流量控制/滑动窗口

• 采用滑动窗口协议实现流量控制的目标是一种常用的方法，在网络领域内也有广泛应用；TCP协议同样采用了这一方法；其数据传输量由该滑动窗口来决定。
• 目标进程在其每一个ack报文中均可自行设定window size；其window size与ack number相关。
• 其window size的变化取决于目标进程的通知。
• 该滑动窗口机制由TCP协议采用。
• 其发送端window size的变化将在ack segment中被报告。

二十一、TCP拥塞控制

二十二、TCP连接的建立与释放

1. 建立：
   1. 客户端➡服务器：SYN；
   2. 服务器➡客户端：ACK+SYN；
   3. 客户端➡服务器：SYN；
2. 释放：
   1. 客户端➡服务器：FIN1；
   2. 服务器➡客户端：ACK1；
   3. 服务器➡客户端：FIN2；
   4. 客户端➡服务器：ACK2；

二十三、UDP协议的主要特点

• UDP协议主要提供的是"非阻塞"式的传输服务。
• UDP是一种主要特点包括无连接性和不可靠性的典型传输层协议。
• 其优势在于无需先建立连接就能进行数据传输从而降低了通信开销与延迟。
• 除了能够计算校验码外UDP几乎没有任何机制来保证数据传输过程中的可靠性。
• 当接收的数据包出现错误时UDP会将其丢弃并既不会向发送方确认错误也不会指示需要重新发送该数据包。

二十四、UDP协议是一种适用于实时语音与视频传输的传输层协议

二十五、远程登录协议与Telnet协议

• 不同架构计算机间的互联问题。
• Telnet协议引入了网络虚拟终端的概念，并通过专用键盘实现跨平台兼容。
• 远程登录服务采用了传统的客户端/服务器架构。
• Telnet已经成为了TCP/IP协议族中最基础且最重要的成员之一。

二十六、电子邮件服务与SMTP协议

通常情况下, 邮件服务器被划分为两大类:
发送邮件的主要 server 称为SMTP server, 它负责向客户端发送邮件;
接收邮件的主要 server 为:
POP3 server, 收集并存储在本地主机上;
IMAP server, 收集并存储在远程 server 上;
HTTP protocol 是基于 Web 的电子邮件应用中, 客户代理通过 HTTP 协议与远程邮箱建立连接的技术基础。
在 SMTP 协议中, 其局限性在于只能传输 ASCII 格式的报文, 而 MimeType 协议则允许 Alice 和 Bob 利用 NTPS 进行通信。

二十七、文件传输服务与FTP、TFTP协议

• 位于传输层的FTP采用了面向连接且具有可靠性和安全性的FTPP/TP协议体系结构设计。
• 该网络系统通过应用基于Web的应用程序实现了远程访问管理功能。
• 系统能够实时监控服务器运行状态并自动进行故障预警与响应。

二十八、支持Web服务的三个关键技术

• HTTP超文本传输协议；
• HTML超文本标记语言；
• URL统一资源定位符；

二十九、DNS域名服务系统

• DNS的主要功能之一是将主机的域名转换为对应的IP地址。
• 从本质上讲, DNS旨在构建一个基于层次结构且以域为基础的名字系统,并通过分布式的数据库和名字解析机制来实现对域名服务功能的支持。
• 在实现功能方面, DNS涵盖了以下几个关键组件:一是定义了一个包含所有可能主机域名的空间;二是确保每台主机都有唯一的 DOMAIN 名称标识;三是提供有效的 DOMAIN 到 IP 地址之间的转换机制。
• 在构成方面, DNS主要由以下三个要素组成:一是构建了一个覆盖所有可能主机 DOMAIN 空间的基础设施;二是部署了一系列专门负责处理 DNS 请求的服务器节点;三是集成了一个高效的 DNS 解析程序。

三十、DNS解析过程

1. 自回归（Recursive DNS）：当本地DNS服务器无法提供所需的结果时，则会承担起转达请求的任务，并最终将响应返回给客户端。
2. 迭代（Iterative）：当本地DNS服务器无法提供所需的结果时，则会告知客户端能够处理该DNS记录的主机IP地址，并让客户端程序向下一个DNS servers发送新的请求。经过多次尝试后成功获取所需的结果。

三十一、DHCP协议是基于UDP协议

三十二、SNMP协议是基于TCP/IP协议

三十三、集中式P2P网络

集中式P2P网络的特点：

每个P2P网站中的节点都通过中心目录服务器登录并形成星型拓扑结构。
所有节点的资源索引信息存储于中心目录服务器中的资源索引表中，并使该服务器成为管理全局资源的主要入口。
这些信息包含文件名、关键词以及相关节点的信息等。
Napster

集中式P2P网络的优缺点

优点：

在本系统中实施全面且高效的查找功能能够显著提升数据检索速度。
该系统采用先进的中央管理与认证授权流程确保资源的安全分配。
系统设计具备良好的易用性和可扩展性以满足未来的增长需求。

缺点：

• 单点故障容易引起瓶颈，易于被攻击
• 中央服务器控制所有对等方

三十四、非结构化P2P网络

• 去中心化的纯粹P2P网络结构
• 基于广度优先的分层数据传播机制
• 多级分布式数据检索及内容路由策略
• Gnutella

特点：

去中心化：

• 没有中央控制管理
• 可以移去任何节点而不影响系统功能

非结构化

• 基于覆盖网络的随机生成过程，并没有预先设定任何结构。
  • 尽管存在不可靠性风险（即无法保证每次查询都能获得结果），但系统仍需应对这些挑战。
  • 该系统面临大量安全威胁（如数据泄露、权限滥用等）。

三十五、结构化P2P网络

• 网络节点的结构保持稳定状态
  • 逻辑地址由hash函数生成
  • 分布式散列表DTH用于路由
  • Chord

三十六、混合式P2P网络

• 基于集中式架构的P2P网络与基于结构化架构的P2P网络
  • 普通用户节点、文件搜索节点以及文件索引节点
    • 普通用户节点仅提供查询和共享服务功能；
    • 文件搜索节点负责管理其所属用户的文件列表；
    • 文件索引节点仅提供查询文件存储位置的服务，并不支持下载文件或获取版权信息。

三十七、P2P文件传输原则

最稀缺优先：

• 最稀缺块即为那些位于下载方相邻节点且副本量最少的块；
  • 最稀缺块将获得更加迅速的再转发机制,其主要目标是大体上趋于均衡每个块在网络洪流中的副本量分布情况；

最高速率优先：

• 效果是对等方能够以趋向于找到彼此的协调的速率上载。

三十八、移动IP的设计目标与主要目标

移动IP的设计目标

• 当移动节点更换接入点时，在不同网络或物理传输介质间转移无需修改IP地址。
• 所有网络线路都可通过固定IP与该设备实现连接。
• 转接到新链路后仍可正常实现与通信对端主机的数据传输。

移动IP协议满足的要求

• 保持通信
• IP不变
• 与非移动节点通信
• 减少协议开销，提高协议效率
• 安全

移动IP协议的基本特征

• 与现有互联网协议保持兼容
• 避免直接暴露底层物理传输介质
• 对上层网络层及以上的数据链路以上协议透明
• 支持良好的扩展性设计，并保证通信过程中的可靠性与安全性

三十九、移动IPv4的基本工作过程

代理发现

• 移动代理定期向系统发送定期更新信息，并根据本地需求主动响应本地移动节点的请求。
• 当接收到来自不同接入域的过渡报告时，请根据报告来源判断该报告是来自本地接入域还是外部接入域。
• 在完成切换至外部接入域后，请根据系统指示选择通过本地接入域与外部接入域之间的过渡接口进行处理。

注册

目的

• 通过动态路由机制实现移动节点与外地代理之间的通信链路互通。
• 家乡代理实时获取本地用户最新的通信地址信息。
• 动态维护本地用户注册信息时，在接收到已过保质期或超出地理覆盖范围的通知时进行相应操作。

过程

通过外地代理注册的流程：

1. 移动节点生成并发送注册请求报文至外地代理。
2. 外地代理接收并处理来自移动节点的注册请求报文后，并将其转发给家乡代理。
3. 家乡代理生成并发送相应的应答信息给外地代理机构，并明确表示同意或拒绝。
4. 外地代理接收来自家乡代理人机构的应答信息，并将审核结果反馈给移动节点。

移动节点直接到家乡代理注册的过程：

1. 移动节点发起注册请求报文给家乡代理。
2. 家乡代理生成一个确认响应并反馈给移动节点的状态结果。

分组路由

单播

1. 移动节点在本地网络中接收单播分组时，通常会先通过其家乡的代理服务器进行处理；
2. 当本地节点要在外部发送单播流量时，则可以选择直接使用外部的边缘节点或者先路由至本地的边缘服务器进行转发。

多播

1. 移动节点接收多播数据分组：采用家乡代理和外地代理均可；
2. 移动节点发送多播数据分组：采用家乡代理和外地代理均可；

注销

如果移动节点已经回到家乡网络，那么它需要向家乡代理进行注销。

四十、移动IP的服务质量QoS问题

• 考虑基于TCP的通信机制
• TCP计时器在数据包传输过程中起到关键作用
• 在通信切换过程中产生的中断时间与其分组传输路径的变更有关
• 新的传输路径可能无法完全满足分组传输所需的标准
• 区分服务机制不适合动态变化的移动环境
• 资源预留协议RSVP能够确保在通信切换完成后及时释放已分配的所有资源。

四十一、QoSR与RSVP、DiffServ与MPLS

QoSR

QoSR涵盖的问题：

• 该协议主要负责网络节点间的交互和对网络状态信息的收集。
• 基于已掌握的信息环境来确定能够满足现有服务质量需求的具体算法实现。
• 支持采用以下技术：RSVP、DiffServ以及MPLS。

与流量工程的关系：

• 流量工程研究的核心任务是通过均衡负载分配来减少数据包在传输网络中堆积的可能性，并且QoSR作为流量工程中的关键技术手段之一发挥着重要作用；
  • 平衡负载以提升数据传输效率同样是QoSR研究的重要课题。

目的

为所有接入的QoS业务流提供服务质量和性能要求保障，并使网络的整体资源实现最优配置。

RSVP

• 流量被定义为具有相同源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号以及协议标识符与服务质量要求的一系列数据分组序列。
  • RSVP资源预留协议的核心理念在于，在会话建立前确保源主机与目的主机之间形成一个通信通道。其技术实现过程包括两个关键步骤：首先，在会话开始时由源主机向目的地发起连接请求，并通过一系列确认报文确认双方已达成通信对接；其次，在完成会话后系统自动释放相关资源。值得注意的是，在此过程中必须确保路径上的每个路由器都预先分配了能够承载本次对话所需的数据传输带宽以及足够的缓存空间。

DiffServ

RSVP建立在某个对话的基础上，而DiffServ则基于某种服务类型。
RSVP每台路由器都需要依赖支持该协议，而DiffServ则只需一组路由器即可完成配置。
协议既简单又有效且具有扩展性。

MPLS

• IP路由是负责数据包转发的关键任务，在路由器中实现根据目的IP地址动态选择下一跳的目标路由器及其输出接口。
• 数据帧的交换仅需关注其携带的一组简单的二进制数字信息——以太网帧包含MAC地址或虚通路号信息。
• MPLS的核心机制在于路径选择仍依赖于基于Third-Generation Routing protocols（3GR）的技术方案，在此基础之上结合Second-Layer switch实现高效的流量控制与优先级管理功能。