• 本文为 计算机网络 第五版 的知识点总结
• 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

  

  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

  

  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：

  

  

  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：

  

• 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）

• 是data link的底部。使得两结点之间相互通信，不会互相干扰
• 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
• 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：

    

    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：

    

    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

• 路由器作用：路由选择、分组转发
• 动态路由：
  • 距离向量，RIP
  • 链路状态，OSPF
• 层次路由：IGP（域内），EGP（域间，BGP）
• 路由表的构成：目标IP，子网掩码，下一跳IP，接口号
• 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。
• 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
• 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
• ARP是地址解析协议，从IP到MAC
• DHCP是动态分配IP的协议（是个应用层协议，使用UDP）
• ICMP用于报告差错和异常（网络层协议）
• 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

• 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）
• TCP：
  • 20B首部
  • 计算校验和时，以4B为一组算
  • 面向字节流
  • 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
  • 建立连接的过程，三次握手：
    • 请求，去
    • 同意，回
    • 确认，去
  • 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
  • 过程中如果收到了超时或者冗余的ACK，都会重传
  • 流量控制：利用滑动窗口来控制发送速率
  • 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