八股文·计算机网络

文章目录

• 网络的模型
• • OSI模型：七层模型
  • • 应用层：向用户提供应用程序服务
    • 表示层：对`格式进行转换`，例如`加密/解密`，`压缩和解压缩`
    • 会话层：建立和管理`通信双方的会话`，例如`腾讯会议双方的通信`。
    • 传输层：提供`进程为单位`的端到端的传输服务。
    • 网际层：`不同网络`之间的通信服务，IP协议，路由和转发。
    • 链路层：`同一局域网下`的通信服务，例如成帧，`差错检验`，`信道冲突`和`无线网络`。
    • 物理层：二进制比特流的传输服务。
  • TCP/IP模型：只有四层
• 物理层
• • *链路类型：全双工，半双工，单工
  • • 单工：谁能发送、谁能接收，是固定的；数据流只能`沿一个固定方向传输`；应用：家庭电话。
    • 半双工：谁发送、谁接收，可以变化，但必须轮流；数据流可以沿两个相反方向传输，但同一时间`只能传输一个方向`的数据流；应用：无限局域网
    • 全双工：谁发送、谁接收，可以变化，并且可以同时进行；数据流可以沿两个相反方向传输，同一时间`可以传输相反方向`的数据流；应用：TCP双向连接。
  • 信道传输速率
  • • 奈奎斯特定律
    • 香农定律
  • 数字调制Modulation：将模拟信号转换数字信号
  • • 基带传输
    • • 曼切斯特编码：将时钟信号叠加到编码中
      • 翻转-NRZ编码：0-1编码，编码跳转的信号，仍然无法解决静默问题
    • 宽带传输：多路复用技术
    • • 码分复用技术：共享信道支持同时发送消息
• 链路层：成帧，差错检验，信道冲突和无限网络
• • 成帧：区分不同帧
  • 差错检验：冗余位技术---汉明码，奇偶校验，循环冗余码
  • • 奇偶检验：只能检验奇数位。
    • 汉明距离：定义为从一个码字转换为另一个有效码字的最短距离，检验和修复的最短位数？
    • 循环冗余码：使用多项式除法决定冗余位
  • 流量控制：滑动窗口协议
  • • 重要的点
    • • 捎带确认：在传输数据时顺便传输ACK确认，不单独发送一个ACK确认报文
      • 累计确认：ACKx表示对于前x个报文的累计确认
      • 窗口大小：W s + W R ≤ 2 m W_s+W_R\leq2^{m}Ws​+WR​≤2m,m mm表示用于编码报文的位数；防止：窗口移动，`相同编号`报文带来的歧义问题。
    • 停止-等待 Stop-and-wait：接受和发送窗口都为1
    • 退回N步 Go-back-N：接受窗口为1，发送窗口为N
    • `选择性重传 Selective Repeat`：接受和发送窗口数大于等于1
  • 链路利用率的计算方式
  • 传输时延和传播时延
  • MAC层：媒体访问控制，数据链路层的一个子层
  • • 信道划分：静态划分和动态划分
    • • 静态划分：时分/频分/码分复用信道
      • 动态划分：CSMA/CD协议
    • CSMA/CD协议：载波监听，如果`有冲突不发送`；冲突避免，发送后还需要`检测冲突`，如果`有冲突随机等待`并且重发
    • • 冲突检测时间和如何避免`冲突检测不及时`：规定数据大小，约束帧的`传输时间`>信道上的往返`传播时延`
    • 以太网：802.3
    • • 以太网帧的结构
      • MTU：单个网络中最大传输单元，表示为`以太网帧的负载`
      • • 透明传输：每一个路由器负责包裹的`拆分和整合`
        • 非透明传输：每一个路由器`只负责包裹的拆分`，整合工作在接受方
      • 以太网的`传输`速率：标准以太网10Mbps，快速100Mbps等
    • WIFI：802.11
    • • 连接过程：与基站连接，分为积极连接(主动探索基站)，消极连接(基站主动介绍)
      • *隐藏终端和暴露终端问题
• 网络层
• • IP协议：互联网协议
  • • IPv4地址：32位，0.0.0.0-255.255.255.255，8bit/1字节为一组，分别私有和公开IP地址。
    • IP数据报封装
    • IP寻址：网络id+主机id---分类寻址，子网寻址，CIDR
    • • 分类寻址：网络id和主机id的地址范围进行分类
      • 子网寻址：确定网络id+子网id+主机id，固定/可变子网划分，默认网关和`子网掩码`
      • • 寻址方式
      • CIDR：无分类域间路由，只区分前缀id和主机id，路由聚合确定`共同前缀和掩码`和最长前缀匹配确定`网络`
      • • 路由聚合
        • 最长前缀匹配：进行子网掩码匹配时，取最长匹配
    • NAT：网络地址翻译
    • • 私有地址和公开地址
  • 互联网控制协议
  • • ICMP：互联网控制消息协议，用于`错误报告`和`回复请求`(`ping`命令)
    • ARP：MAC地址寻求协议，用于查询某个IP地址对应的MAC地址，如果不属于一个局域网，则改为`发送默认网关的ARP请求`。
    • DHCP：动态主机控制协议，为每一个主机分配IP地址，子网掩码和默认网关等网络必备信息。
    • • 本地DHCP服务器和DHCP缓存
    • 路由算法
    • • 路由和转发的含义
      • 泛洪：与广播类似，对于不同局域网的概念，保证不会出现环
      • 距离矢量算法：分布式的Bellman-Fold算法，代表：路由信息算法
      • • 缺点：坏消息传递慢，被相邻节点误导
      • 链路状态算法：全局式的Dijsktra算法，代表：开放最短路径算法
      • • 缺点：维护全局拓扑结构的代价昂贵
      • 边界路由算法：自治系统，内层边界路由算法，外层边界路由算法
      • • 自治系统：不同路由器所连接的一个`网络整体`
        • 内层边界路由算法：每一个网络整体所使用的路由算法，例如OBPF和RIP算法
        • 外层边界路由算法：`边界路由器`，不同网络整体所使用的路由算法，`公平性且非最优`
      • 网际层中的多播和广播(泛洪)
• 传输层：提供进程级端到端的服务
• • 网络套接字-Socket：应用层与传输层通信的一个抽象接口，包括IP地址(主机)+端口号(进程)
  • 端口号：知名端口号
  • TCP：面向连接，基于字节流的服务
  • • 数据格式：TCP Segment-TCP段
    • TCP Header结构：端口号，SYN/FIN/ACK表示，序列号字段
    • • 序列号-Sequence Number：负载中`第一个字节`的序号，例如Seq=100，表示负载中下一次传递的第一个字节序号为100
      • 确认码-ACK Number：期待接受的`下一个字节`的序号，例如序号101，表示预期接受导的下一个字节序号为101
    • TCP连接建立：三次握手，SYN占据一个字节
    • • 为什么不能改为二次握手：`滞留的`TCP连接建立请求
    • TCP连接取消：四次挥手，FIN占据一个字节
    • • 为什么不能改为四次挥手：服务器可能还有数据需要传输给客户
    • TCP流量控制
    • • 流量控制的动机：发送方和接受方的发送/接受速率不匹配
      • 滑动窗口协议：序列号，剩余接受窗口大小
    • TCP超时时间管理：确认合适的超时时间，SRTT，RTO等
    • TCP拥塞控制：快启动，拥塞避免，快重传，快回复
    • • 最大段长-MSS：拥塞控制中，数据传输的基本单位
      • MTU和MSS：帧的负载的长度=IP包裹的总长度=IP头+TCP段=IP头+TCP头+TCP段
      • 快启动：小于拥塞阈值时，每返回一个MSS的`ACK`，窗口大小+1，乘法增加
      • 拥塞避免：大于等于拥塞阈值时，每一个`RTT`，窗口大小+1，线性增加
      • 快回复：遇到连续三个重复的ACK时，窗口和阈值缩小为`一半`
      • 快重传：遇到连续三个重复的ACK时，直接重传`丢失的TCP段`
      • 超时处理：阈值变为一半，窗口变为1
      • TCP Reno和Tahoe：前者包含快速重传和回复的逻辑
    • QUIC：快速UDP网络连接
  • UDP：无连接，不可靠的连接服务
  • • UDP数据报的格式
• 应用层
• • 网络应用架构/模型-Application Architecture：CS模式和P2P模式
  • • CS模式：架构简单，方便管理，随时可提供服务；不易扩展，服务器压力大
    • P2P模式：架构复杂，不方便管理，消息传递复杂；容易扩展，分布式，扩展性强
  • 域名系统-DNS：网址-IP地址
  • • 根服务器：提供顶级域名服务器的IP地址
    • 顶级域名服务器：包含edu/com等顶级域名的服务器
    • 权威服务器：包含所需域名的名称服务器，查询时`直接返回IP地址`
    • DNS缓存和本地DNS服务器：包含一些常用域名缓存的本地服务器
    • 迭代查询和递归查询
  • URL：统一资源定位符
  • HTTP/HTTPs
  • • Cookie和Session
  • HTML
  • 邮件系统：用户代理和邮件服务器
  • • 发送协议：简单邮件传输协议-SMTP，`只能发送文本类数据`；MIME，可以`发送多媒体数据`
    • 接受协议：POP3协议，IMAP-允许用户以文件夹形式管理邮件
• 网络设备
• • 集线器：存在冲突，信道共享，需要开启CSMA/CD协议
  • 交换器和网桥：不存在冲突，信道独立，分割`冲突域`
  • 直接转发 / 存储转发机制
  • • 为什么路由器需要存储转发：根据IP地址查找路由表(非根本)，`检验数据`，`修改条数`,等
  • 路由器：分割`不同网络`/`广播域`
  • • 路由功能：交换控制信息，更新路由表
    • 转发功能：根据路由表+路由算法决定下一跳