计算机网络考试速记

Wafer Li ... 2017-01-08 复习
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# 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

OSI TCP/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 6 6 2 0-1500 0-46 4
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 2 6 6 6 2 0-2312 4
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 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1
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