计网复习提纲

基础知识

OSI model：

• 应用层，表示层，会话层，运输层，网络层，链路层，物理层

TCP/IP model:

• 应用层：为应用进程提供服务
• 运输层：为两个进程提供可靠或不可靠的传输与复用服务
• 网络层：做全球寻址
• 链路层：做局部寻址
• 物理层：透明的传递bits

协议与对应层：

• 应用层：DHCP,DNS，HTTP
• 运输层：TCP,UDP
• 网络层：IP
• 链路层：ICMP，ETH

设备与层极：

• 主机：5层
• 交换机：2-3层
• 路由器：3层

分层的优缺点：

• 优点：灵活，简单
• 缺点：更多的头部信息，不同层级或许之间的信息彼此有用

网络层IP的重要性：

• 保证了上下层的迅速更新
• 原则：最聪明的终端，最傻瓜的交换机

物理层

电路交换与包交换(具体计算见谢书1-10)

• 电路交换：建立链接、传输，传播，拆除链接
  • 复用：频分复用/时分复用
  • 优点：可靠性强，只要连接建立就不受拥堵的影响。
  • 缺点：建立链接拆除连接麻烦；对突发数据交换效率低下；对交换机提出了高要求
• 分组交换：线路被占暂存；包被单独对待；包含有附带信息(地址)
  • 复用：统计复用
  • 优点：简化交换机，实现成本低；带宽共享；鲁棒性强，不依赖于某一特定链路。
  • 缺点：不保证数据一定可达。
• 注：带宽即频率范围

复用

• 时分复用TDM：实现简单
• 频分复用FDM：需要一定的技术支撑
• 空分复用：wifi
• 码分多址CDMA：利用互不相通的正交序列，接受时进行两两相乘的内积然后相加除以位数即是发送的数据。
• 统计复用：所有的需求不会同时到达；结果不可靠；除极端条件都十分有效。

链路特性(带宽，有线，无线，广播)

时延计算

• 传输时延(transmission):由分组数据长度和带宽决定，将数据推出交换机的时延
• 传播时延(progagation):由传输介质决定，数据在链路上传播的时间（一般在$2\ast 10^8-3\ast 10^{8}m/s$）
• 排队时延(W):由包到达的平均速率A和队列的平均长度L决定：$W=L/A$
• 处理时延：现在不考虑。

吞吐率R，文件大小F，总传输时间为T：

• $R=F/T$

链路层

四个主要任务

• 分帧
• 决定链路使用权
• 可靠传输
  • 通常只在无线中实现，由交换机完成，例如直接传两遍，或者查错重传
• 检查错误与纠正
  • 有线：直接丢掉，由端系统要求重传
  • 无线：要求重传

多址接入协议原则：

• 一个节点发时吞吐量：R Mb/s
• n个点发时吞吐量：R/n Mb/s
• 分散鲁棒
• 简单低廉

ALOHA

• 没有时隙的概念，随时发送数据
• 有新来的帧，立即传输之，若碰撞，则等待一个帧间隔后以P的概率立即重传
• 效率$np(1-p{)}^{2（n-1）}$，翻了两倍的原因在于$t_0$传输成功的要求在于，$t_0-1$与$t_0$时刻都不能有任何节点传输数据，最大效率为时隙的一半$1/2e$

时隙ALOHA

• 没有载波监听，想发就发
• 每个节点的时钟同步
• 一个时隙发送一个帧
• 当一个节点想要发送一个帧时，它等到下一个时隙开始时发送
• 当一个时隙发生两个帧的碰撞时，发送方在时隙结束之前会得知
• 一次完整的传输过程：
  • 等到时隙开始时传输一个帧
  • 若成功则准备传下一个帧，否则则在之后的每个时隙内以P的概率重传，直到重传成功
• 若设每个节点都在以p的概率试图传一个帧，共n个节点，那么一个节点的效率即是$p(1-p{)}^{n-1}$,时隙ALOHA的效率则是$np(1-p{)}^{n-1}$(若设链路吞吐量为单位一，此项也是ALOHA的吞吐量),最大效率为1/e
• 经常有以时隙ALOHA为底子创新的题，操作为点，冲突作边，构造图G，求最小点染色即可。

以太网基础：

• 最小帧间隔 96 bits
• 最小帧大小 512+64 bits（基于2d来判断）
• 尖刺信号 48 bits
• 最长链路长度 2500 m
• 帧格式：8B前导码，6B目标MAC，6B源MAC，2B类型，46-1500B数据，4B crc校验
• 帧同步：首尾各一个8bits哨兵，发送方对数据进行修改，使其不会出现尾哨兵，接收方先判断起始与结束，之后对数据按同样的方法还原即可

因特网校验和

• 16bits一组，遍历相加，最后若结果超过16bits则右移16bits后互相加，如此往复，直至小于16bits为止
• 最后取反码，结束。

CRC冗余校验

• 目标：D | R (r bits)
• D：数据
• R：校验位r bits
• G：约定好的生成多项式 r + 1 bits
• 公式：$R=reminder(D<<r)/G$
• 注意：运算是模二除法（异或），只要保证首位是1，且位数是r+1位即可上1
• 检验时，将D|R除以G，若余数为0则无措，否则有错

CSMA/CD

• 先监听/等待尖刺信号，若链路空闲且空闲时间达到最小帧间隔96 bits，后发送
• 发送后持续监听链路，若发生碰撞立即停止数据发送并发送一个48 bits 的尖刺，之后以 0 - k 的随机时间间隔重新发送，设该数据已经碰撞了m次，则$k=2^m-1$(k的单位是发送 512 bits 进入以太网所需的时间)
• 若已过k时间而网络仍被占用，则继续等待直至网络空闲且空闲时间达到96 bits

CSMA/CA：

• 发送数据后不再进行碰撞检测。
• 若线路空闲，则等待一个最短帧间隔96 bits后发送数据
• 否则随机选择一个值k，当检测到线路空闲时，递减该值，否则不变
• 当k=0时，发送整个数据(需要等待最小帧间隔吗？)
• 若未收到确认，则重新进入选k阶段，此时在一个更大范围内选择

无线网络：

• 组织方式：单跳/多跳，自组织/架构
• 特性：信号递减，容易干扰，多路传播，广播媒介，半双工
• 信噪比SNR与比特错误率BER：
  • 给定调制速率，SNR越高，BER越低
  • 给定SNR，调制速率越高，BER越高
  • 由于SNR难以控制，所以调制技术往往动态选择
• 对抗BE：
  • 加强辐射
  • 加强纠错检测
  • 通知运输层处理

802.11协议

• 基本构件模块：基本服务集BSS，包含多个无线站点和一个中央基站AP
• 每个无线站点都有一个6B的MAC地址
• 基础设施：多个AP通过交换机练到一个更大的网络
• 一个AP 对应一个信道 对应一个SSID
• 共有11个信道，其中最大不重合信道集合为：{1，6，11}
• 设备连入AP：
  • 被动扫描
    • AP周期性的发送信标帧
    • 主机选取
    • AP响应
  • 主动扫描
    • 主机探测
    • AP回应信标帧
    • 主机选取
    • AP响应
• 设备连入子网：
  • 由AP发送DHCP请求，为设备分配IP地址等信息

802.11帧字段

• 由三个地址构成
  • 目的无线站点MAC地址
  • 上一跳的MAC地址
  • 路由器接口MAC地址
• 运行
  • 强调AP是链路层设备
  • 当一个以太网帧到达AP时，AP将自己的MAC地址填入地址2，将路由器接口填入地址3，转变为802.11帧结构后，将其发给目标无线站点，无线站点于是知道了路由器的MAC地址
  • 当一个802.11帧到达AP时，地址1已经由无线站点填入路由器地址，AP将自己的MAC地址填入地址2，于是转变为以太网帧发送给路由器。

隐藏终端解决方案：

• 先发送RTS，预约线路
• 接收方返回CTS，则预约成功，此时收到CTS的各个节点都不再尝试发送
• 发送data
• 接收方返回ACK，此时其他节点可以发送数据

交换机的自学习：

• 注：网桥就是单接口的交换机
• 初始化为空
• 每当一个帧 到来时，若无记录，则记录它的MAC地址，到达端口，到达时间
• 有老化时间,超过此时间则删去表项；（我们称这种状态为软状态）
• 要传递一个不知道目标端口的帧，则将其放入除源端口外的所有端口。
• 设计理念：广播，缓存，软状态

DHCP协议：

• 主机请求，多个服务器响应，主机选择其中一个
• 内容包括：IP地址，DNS服务器地址，网关地址，掩码，可用时长

生成树算法：

• 开始：广播自己为root（X,0,X）
• 收到其他人的广播提议(Y,D,Z),Z提议Y为ROOT，且Z距离Y为D；之后开始检查是否放弃自己认定的root。
• 若放弃，则检查自己与Y的距离是否小于D+1,并决定是否更换最短路
• 一段时间后，再无异议，此后root会不断地广播自己
• 当有一段时间未收到root的广播后，将发起自己为root的提议进行重构。
• 注意：生成树算法是牺牲带宽的，在数据中心不被接受

链路与网络的几个对比：

• 选路：

  网络	链路
  基于所有链接	基于生成树
  有地址聚合	无地址聚合
  路由算法	基于交换机自学习

• 地址

  Ip	MAC
  32 bits	48bits
  自设置	硬编码
  不可移动	可移动
  全球寻址	局部寻址

网络层

服务

• 路由，转发，建立链接（虚电路）

虚电路ATM网络：

• 有链接的服务，可靠

• 建立链接：网络层决定路劲，并为路径上的每一段链路决定VC号，路劲上的路由器添加一个表项：

  入接口	VC号	出接口	VC号

• 传递数据：路由器将包头VC号填入出口VC号

• 拆除链路：路由器删除表项

数据报IP网络

• 路由器不用存储任何链路状态信息，尽力交付，无连接，有冗余的头部信息，
• 只有路由与转发服务，其余只是尽力而为
• 地址聚合

路由有效检测

• global state 有效 $\iff$无环路，无死路
• 检测：跳出特定IP地址组；将下一跳用箭头标记出来（一个节点只有一个出链路）
• 死路：某点无出路
• 环路：独立连通量

IP地址分类与表达

• A类：8位网络号
• B类：16位网络号
• C类：24位网络号
• D类：多播使用
• E类：实验室用
• CIDR表达：IP地址/网络号位数

全局路由算法

• 指知道整张图所有信息的算法
• link state LS算法
• 自己看例题去
• OSPF：向所有路由器广播自己的信息。

分布式路由算法

• 指每个节点迭代，分布的进行计算，已知信息只有自已与周围的几个节点的算法，
• DV 算法，自己看例题去
• 无穷计数问题就是用了老旧的信息造成的
• RIP：仅仅向相邻路由器广播自己的信息

LS与DV的复杂度对比

	LS	DV
信息传递	$\mathrm{O}(NE)$	$\mathrm{O}(N)$
时延	$\mathrm{O}(D)$	$\mathrm{O}(D)$
转发表项	$\mathrm{O}(N)$	$\mathrm{O}(N)$
无穷计数	无	有
收敛速度	$\mathrm{O}(n^2)$	无穷计数
健壮性	强	弱

BGP

• 功能：域间路由选择协议
• 基本报文类型：eBGP边界，iBGP内部

IPv4报文格式

• 版本号，首部长度，服务类型，数据报长度，标识标志偏移量，TTL，协议，首部校验和，源地址，目的地址，选项，数据
• 首部长度：一般是20字节
• 标识标志偏移量用于分片
• TTL：防止循环
• 协议：指出上层协议
• 其中标红的是保留给IPv6的特性
• 数据字段可放ICMP报文

IPv6报文格式与IPv4对比

• 128bits 地址空间
• 去除分片与可变长报文，自然不用首部校验
• 上层协议变为下一个协议，既可以是四层也可以是三层

IP分片

• MTU 一个链路层帧能容纳的最大数据量
• 路由器不可避免地承担的了这一任务
• 端系统负责重组
• 标识：标识重组时应该放一起的片
• 标志：可逆位R，可分位D，可继续位M。
• 偏移量：指示该片在原数据段的位置，第一片位0，即不包括头部

NAT原理与优缺点

• 作用：允许一个整体机构以一个公用IP地址出现在Internet上。顾名思义，它是一种把内部私有网络地址（IP地址）翻译成合法网络IP地址的技术
• NAT的基本工作原理是，当私有网主机和公共网主机通信的IP包经过NAT网关时，将IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之间进行转换。
• 优点：节省地址；安全；灵活。
• 缺点：延迟；配置复杂；鲁棒性不高

ICMP的用途：

• trace route：利用TTL[1…n]即可
• MTU值：将可分位D设为不可分，不断测试，直至路由器返回段太大的报文。
• ping

移动IP：

• https://wenku.baidu.com/view/e81ebc3ff01dc281e43af033.html

组播相关概念

• IGMP： 为一台主机提供一种手段，让它能够通知与之直接相连的路由器，本机上有一个应用程序想要加入特定的多播组
• 多播路由协议：协调其他路由器
• 单播：单点到单点的数据传输
• 组播（多播）：多点到多点的数据传输

传输层

基本服务

• 多路复用与多路分解（多个APP共用一个IP的问题）
• 解决网络层产生的各种错误问题（可选）

TCP与UDP的服务对比

• TCP：多路复用与多路分解，有链接，时延，流控，拥塞控制，按序，可靠，特殊服务处理，差错检测…
• UDP：多路复用与多路分解，无连接，UDP校验

端口号与套接字

• 0-1023：知名端口号
• UDP套接字：（目的IP地址，目的端口号）
• TCP套接字：（源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号）
• 套接字：（源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号，TCP/UDP）

回退N步GBN协议

• 接收方不缓存乱序包
• 采用累计确认，每次只确认base，且代表base之前的都被收到
• 窗口总是只能滑动一格
• 可能会经历SR中不必要的重传

选择重传SR协议

• 接受方缓存乱序包，并发送ACK
• 不采用累计确认，不代表ACK之前全部收到
• 窗口在接收到base时滑动，且有可能一下子滑动N格

TCP报文段

• 源端口号，目的端口号
• 序号与确认号：实现可靠性
• 首部长度：通常为20字节
• 标志位：用于建立链接与确认报文
• 接收窗口：流量控制
• 因特网校验和
• 选项
• 数据

TCP 可靠数据传输

• 采用累计确认与缓存乱序包的方法
• $MSS（MAXsegmentsize）:=MTU-ethdr-iphdr:=MTU-40$
• 序号字段：填入该报文段在原来数据中所处的偏移
• 确认字段：填入希望接受的下一个序号

往返时间RTT的估算

• 我们称形如r=(1-a)r+a*b的式子为：r是关于b的EWMA

• 记ERTT是当前RTT值，SRTT是新采样的RTT值，ERTT是关于SRTT的EWMA,则有公式：

  $ERTT=(1-\alpha )ERTT+\alpha SRTT$

• DRTT显示了估算的RTT的波动值,DRTT是关于|SRTT-ERTT|的EWMA：

  $DRTT=(1-\beta )DRTT+\beta |ERTT-SRTT|$

• 记T为超时间隔，则有

  $T=ERTT+4\ast DRTT$

• 注：为避免歧义，重传包不纳入计算中

TCP建链与TCP拆链

• 建链：SYN,SYNACK,将SYN置为0，第一次发送数据
• 四次拆链：FIN(客户),FINACK,|半开放模式|,FIN（主机）,FINACK
• 三次拆链：FIN,FINACK,ACK
• 突发：RST

TCP流量控制

• rwnd指示对方的缓冲区还有多少容量

TCP拥塞控制

• 慢启动：一个MSS开始，每次传输轮回翻倍。
  • 超时：ssthresh=cwnd/2，cwnd=1；
  • cwnd>=ssthresh:拥塞避免
  • 四个相同ACK：ssthresh=cwnd/2;cwnd=cwnd/2(+3);
• 拥塞避免：一个传输轮回长一个MSS
  • 超时：ssthresh=cwnd/2，cwnd=1；
  • 四个相同ACK：ssthresh=cwnd/2;cwnd=cwnd/2(+3);
• 快速恢复：cwnd+=3;拥塞避免；
  • 超时/重传：cwnd=1;ssthresh=cwnd/2;慢启动。
• 总结：
  • 超时总是进入慢启动，并cwnd=1,ssthresh=cwnd/2;
  • 重传总是进入快速恢复,并cwnd=cwnd/2(+3),ssthresh=cwnd/2
  • ssthresh总是设为cwnd的一半

TCP 效率评估：

• 默认cwnd从W/2变为W只丢一个包，于是若设这之中的总发报数为S，丢包率L=1/S

• 吞吐量B的计算，记从W/2变为W经历k格传输轮回，则

  $B=\frac{S\ast MSS}{(K+1)RTT}$

• TCP吞吐量：

  $B=\frac{1.22MSS}{\sqrt{L}\ast RTT}$

应用层

HTTP

• HTTP1.0:可并行（浏览器），不持续的链接（一次建链只下载一个文件）
• HTTP1.1:可并行，持续链接（一次建链可下载多个文件）
  • 非流水线：等待HTTP响应才能发下一个HTTP请求
  • 流水线：无需等待响应，访问所有对象只需花费一个RTT时间
  • 注：HTML文件与其链接的文件之间总是不可以并行的
• HTTPS：

DNS

• 本地域名服务器，根域名服务器，顶级域名服务器，权限域名服务器
• 把待请求的域名放在DNS请求报文中，递归的向本地域名服务器查询，本地域名服务器迭代的向更顶级的域名服务器查询，查询到了之后将结果返回
• 高速缓存

网络安全

对称密钥加密

• 任意两个人都需要一个密钥
• 凯撒：字母固定映射
• 多码代替密码：字母不再固定映射
• 块密码：DES,3DES,AES
  • 一个块为k bit，将来对每个块单独加密
  • 建立$k\Rightarrow k的映射表$
  • 对于kbits 其输入I共计$2^k种$，则映射表有$I!=(2^k)!$种形态

公私钥加密

• 一个人一对公私密钥+可信第三方
• 可信第三方
  • 确认公钥唯一地由某个实体持有
• DH：
  • 公开两个大素数p,g
  • A，B两方分别独立的选取幂$S_A,S_B$
  • 分别计算 $T=g^{S}modp$
  • 交换彼此的T
  • 分别计算密钥 $K=T^{S}modp$
  • 用这个密钥加密数据
  • 总结：过程中幂数总是S，模数总是p，变更的是底数
• RSA：
  • 公钥$K^{+}(n,e)$,私钥$K^{-}(n,d)$
  • n=pq
  • z=(p-1)(q-1)
  • 计算e，e < n且e与z互质
  • 计算d，ed-1 mod z = 0（e与z互质，ed-1模z为0）
  • 将m加密为c $c=m^{e}modn$
  • 将c解密为m $m=c^{d}modn$
  • 注：m,c都小于n

MAC

• 需要一对一地分享鉴别密钥

数字签名

• 公私密钥体系+可信第三方

IPsec

• 作用：为任意两个网络层实体间的IP报提供安全保证
• 运输模式：外部头决定保护IP数据策略
• 隧道模式（常用）：内部IP包决定保护策略
• AH协议：源鉴别，数据完整性
• ESP协议：源鉴别，数据完整性，机密性

TLS

• 客户提供支持的算法列表与一个不重数
• 主机返回算法，证书，不重数
• 客户验证证数，提取公钥，生成前主密钥，提供由公钥加密的前主密钥PMS
• 主机私钥解密前主密钥PMS,主机客户分别用PMS与不重数计算MS
• 客户发送握手MAC
• 主机发送握手MAC