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计算机网络考试速记

1. OSI 参考模型

从低到高:

  1. 物理层

    通信信道的原始 比特,机械、电子、时序、物理介质

  2. 数据链路层

    数据帧,控制对共享信道的访问(介质访问控制子层)

  1. 网络层

    控制子网的运行,数据包的端到端传输,路由算法,处理拥塞

  2. 传输层

    向会话层提供服务,为应用层提供抽象,与网络层一起处理拥塞

  3. 会话层

    令牌管理,同步,崩溃恢复

  4. 表示层

    传递信息的语法和语义,统一不同计算机的数据格式并提供抽象接口。

  5. 应用层

    OSI 最顶层,通常包含用户需要的各种协议,如 HTTP

2. TCP/IP 参考模型

  1. 链路层

    实际上是一个接口,而不是层

  2. 互联网层

    大致对应 OSI 网络层

  3. 传输层

    OSI 中的传输层

  4. 应用层

    TCP/IP 中没有会话层和表示层,应用层将其整合了。

与 OSI 的对比

OSITCP/IP
应用层应用层
表示层 
会话层 
传输层传输层
网络层互联网层
数据链路层 
物理层 

OSI 先有层级,后有协议;

TCP/IP 先有协议,后有层级

3. 信息传输介质

  1. 磁介质

    低成本,短途运输速率高,延迟高

  2. 双绞线

    即常用的网线。低噪声,低延迟,拥有足够的带宽,是目前应用最为广泛的信息传输介质

  3. 同轴电缆

    带宽比双绞线大,抗噪性较好,主要用于 长距离信息运输

  4. 电力线

    布置方便;但电源信号专用,频率不符,目前应用低

  5. 光纤

    超高带宽,主要用于长距离通信
    光纤相对于铜线,具有高带宽,低衰减,重量轻,部署难,接口费用高 的特点

4. 多路复用

  1. 频分复用

    将频谱分为几个频段,每个用户 完全拥有 其中一个频段进行通信。
    OFDM 已经广泛应用于 802.11、有线电视网络和电力线网络

  2. 时分复用

    用户以循环的方式轮流工作,周期性地获得 整个带宽 非常短的一个时间
    TDM 广泛用于电话网络和蜂窝网络中

  3. 码分复用

    通过码片来提取叠加信号中的信息。
    通过不同的码片序列来提取对应的信息,并将其他的信息都当做噪声
    CDMA 被用于卫星通信和蜂窝网络以及有线电视网络

5. 数据链路层

数据链路层操作的对象是数据帧,向网络层提供服务,进行差错控制和流量控制。

5.1 分帧

  1. 字节长度

    通过计算字节长度来分帧
    不准确,很少使用

  2. 填充字节标志

    帧变长
    某些情况会干扰帧分界

  3. 填充比特

    确保最小转换密度,有助于物理层保持同步
    USB 使用该技术

  4. 物理层编码违禁法

    通过使用一些物理层的违法编码或者冗余字节来进行分帧
    不需要填充数据

802.11 和以太网综合使用了上述方法(不包括字节长度)

5.2 差错检测和修正

5.2.1 纠错码——不可靠信道(WIFI)

  1. 海明码

    纠错存储器
    检测 dd 个错误,需要距离为 d+1d + 1 的编码方案

  2. 卷积码

    GSM 使用

  3. 里德罗门码

    纠错能力强,处理突发错误能力强
    应用于光盘,卫星通信

  4. 低密度奇偶校验

    纠错性能最佳
    使用于 802.11,数字广播,万兆以太

5.2.2 检错码——可靠信道(光纤)

  1. 奇偶校验

    只能检查一处错误

  2. 校验和

    16 位字节和,可以检验奇偶校验检查不出的错误

  3. 循环冗余检验

    多项式检验
    最可靠,使用最广泛
    使用于局域网和点到点连接

5.3 回退 N 步与选择重传

  1. 停等协议

    直到接收到确认后才发下一帧

  2. 回退 N 步

    不需要等到回报才发下一帧;而是直接发 ww 帧;
    如果 ww 个帧都没有回报,则堵塞。

    出错时,直接丢弃,发送方回退,重新发送错误之后的帧。
    错误多时,影响带宽

  3. 选择重传

    相比回退 N 步,不是由发送方回退 N 个窗口后重发;
    而是由接收方缓存接下来的帧,直到错误帧重发后,进行合并。

  4. 两者的流量控制

    通过滑动窗口来进行流量控制。
    只有接收方的窗口滑动时(回报),发送方的窗口才能滑动
    回报没有拿到,则发送方的窗口阻塞,如果超时,则尝试重发

6. MAC 子层

  1. MAC: Medium Access Control,介质访问控制子层

  2. 用途: 用于确定多道访问中的下一个使用者

  3. 使用原因

    多个网络使用者交流无序会导致混乱和信道拥塞,为了确定消息发送和传输测序,保证信道畅通。

6.1 信道分配

  1. 静态分配

    用户固定一个信道
    无法解决突发流量问题

  2. 动态分配假设

    单信道是核心;
    冲突可观察是最基本的的假设

6.2 多路访问协议

6.2.1 ALOHA

6.2.1.1 纯 ALOHA
  1. 发送不受限制
  2. 冲突的帧将损坏
  3. 等待随机时间后重发
  4. 最好的信道利用率为 18%
6.2.1.2 分槽 ALOHA
  1. 用户只能在下一个时间槽的开始时刻发送帧

    即帧的发送必须等待时间槽

  2. 利用率: 37% 空槽,37% 成功, 26% 冲突

6.2.2 载波侦听多路访问

称为 CSMA 协议。

CSMA: Carrier Sense Protocol

6.2.2.1 坚持和非坚持
  1. 1-坚持

    侦听信道,直到信道空闲
    冲突发生,等待随机时间后重发
    冲突的发生概率和信道带宽延迟积有关

  2. 非坚持

    侦听信道,如果信道忙,随机等待
    其余与 1-坚持 相同

6.2.2.2 带冲突检测的 CSMA

称为 CSMA/CD (CSMA with Collision Detection)

冲突检测:传输时 侦听信道,如果读回的信号不同于其发出的信号特征,则发生了冲突。

与普通 CSMA 的不同:CSMA/CD 会在检测到冲突后,立即停止帧的发送;而普通的 CSMA 不会

6.2.3 无冲突协议

  1. 位图协议

    通过在竞争槽中的对应槽插入位来向网络中广播站的发帧意愿
    高序号的站比低序号的站平均等待时间要短

  2. 令牌协议

    令牌的拥有者具有发帧权限
    发帧与否,都必须将令牌传到下一站
    不存在高序号站和低序号站的差别

  3. 二进制倒计数

    通过逻辑或来得到位时间
    站通过检测位时间和地址对应位的相同与否,来确定是否获取信道

6.2.4 有限竞争协议

低负载下,竞争有利于提高延迟;

高负载下,采用无冲突技术能获取更好的信道效率。

通过给某些站赋予更高的成功获取信道的概率,或者增减时间槽内的站数量来实现。

6.2.5 无线局域网冲突问题

由于无线覆盖范围的差别,站在开始传送时,无法知道接收方是否有无线电活动。

  1. 隐藏终端问题

    由于竞争者离得太远,无法检测到潜在的竞争者

  2. 暴露终端问题

    发送方相距太近,而接收方不在危险范围内,导致信道的浪费

解决办法称为 MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) 冲突避免多路访问。

6.2.6 冲突避免多路访问

发送方在发送帧之前,先发送一个 RTS 短帧;

接收方回报一个 CTS 短帧。

其他站检测到这两个帧,保持静默。

RTS: Request To Send

CTS: Clear To Send

6.3 以太网

6.3.1 MAC 协议

MAC 地址有 6 字节, 48 位

8 字节6620-15000-464
前导码目标地址原地址类型数据填充校验和
  1. 以太网限制有效帧至少 64 字节长

    防止由于帧过短导致传输时间短,从而引起冲突误判为非冲突

  2. 二进制指数后退

    冲突后,在对应区间选择等待的时间槽数量 ($0 \sim 2^i -1 $),最大为 1023
    冲突少时,确保低延迟;
    冲突多时,确保解决问题的时间间隔

6.3.2 交换机和集线器的区别

交换机:

  1. 全双工电缆不存在冲突问题
  2. 通过缓冲来解决输出端口的冲突问题

6.4 802.11 WiFi MAC 协议

无线电存在信号弱,半双工特性,冲突代价大,所以试图去避免冲突。

  1. 采用冲突避免 CSMA (CSMA/CA)

    在发送前侦听信道,和冲突后指数后退(等待时间槽)
    通过 ACK 来确认推断冲突是否发生

  2. 使用 NAV 来确认信道忙的时间段

    NAV 是在站自身管理的;
    在帧中夹带 NAV 信息,但是不单独传输 NAV

帧结构:

2 字节266620-23124
帧控制持续时间接收地址发送地址远端地址序号数据帧检验序列

帧控制结构:

2 比特2411111111
协议版本类型子类型去往 DS来自 DS更多段重传电源管理更多数据受保护的顺序

WiFi 定义了关联服务和重新关联服务。

关联服务用于连接 AP;

重新关联服务用于改变首选 AP。

WiFi 连接前必须验证,使用 WPA2

6.5 网桥

6.5.1 网桥转发算法

  1. 如果目标地址端口和源端口相同,丢弃该帧

  2. 如果去往目标地址的端口与源端口不同,转发

  3. 如果目标端口未知,进行泛洪,转发到除了源端口的所有其他端口

6.5.2 生成树网桥

是为了解决由于网桥间存在 冗余链路 导致的 泛洪循环 问题。

通过确定根,通过根生成一个生成树来确保泛洪算法不出现循环。

6.6 VLAN

由于安全性,负载均衡,广播风暴问题,需要将 LAN 在内部分成多个 LAN 并进行动态调整,此时就出现了 VLAN。

通过虚拟的网桥来进行连接和交换, VLAN 通过在帧中加上 VLAN 协议(包括优先级和 VLAN 标识符) 来确定设备位置。

VLAN 兼容旧设备,在最后的 VLAN 端口处,有 VLAN 的帧会被还原为原来的普通数据帧。

7. 交换设备

  1. 网关工作在 应用层和传输层

  2. 路由器工作在 网络层

  3. 网桥和交换机工作在 数据链路层

  4. 中继器,集线器工作在 物理层