计算机网络 2019期末复习概要

PS：由于看到了其他班级老师划的重点，因此进行总结，这个复习内容应该在近几年之内都有作用，就写了这篇博客。鉴于时间不充足，因此在考试前只整理前两章和后两章的内容，大致上来说最重要的部分网络层、其次传输层和链路层，然后应用层和概论，物理层、无线网络及移动网络。将于假期期间进行完成。

网络基本概念

计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物，计算机网络就是一种通信网络。
定义：计算机网络就是互连的、自治的的计算机集合。

协议

网络协议，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。协议规定了通讯实体之间所交换的消息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”。协议规范了网络中所有信息发送和接收过程。
协议的三个要素：语法、语义、时序。

网络的组成

网络边缘：主机、网络应用
接入网络，物理介质：有线或者无线通信链路、数字用户线路（DSL）、混合光纤同轴光缆（HFC），无线网通过基站或者接入点。
网络核心：互联的路由器，Internet等，功能是路由+转发。

交换技术

• 电路交换
  建立连接 — 通信 — 释放连接，本身独占资源
  使用多路复用技术：FDM、TDM、WDM、CDM
• 报文交换
  报文：源（应用）发送信息整体
• 分组交换
  分组：保温分拆出来的一系列相对较小的数据包，因为需要进行报文的拆分和重组，会产生额外开销。本身使用统计多路复用。
  报文交换和分组交换均使用存储-转发方式。
  
  
  对分组交换的报文交付时间有一下的公式：
  分组交换允许更多用户同时使用网络，且适用于突发数据传输网络，但可能产生拥塞。

接入网络

• DSL：数字用户线路，利用已有的电话线连接中心局的DSLAM
• 电缆网络：使用频分多路复用，HFC：混合光纤同轴电缆
• 企业：以太网交换机
• 无线：LANs、广域无线接入

网络性能

• 速率：数据率/数据传输速率/比特率，往往指额定速率或标称速率。
• 带宽：数字信道所能传送的最高数据率。
• 延迟/时延：$d_{proc}$：节点处理延迟 $d_{queue}$：排队延迟 $d_{trans}$：传输延迟
  $d_{prop}$：传播延迟
• 时延带宽积：
  
  链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
• 分组丢失：
  
• 吞吐量：表示在发送端和接收端之间传送数据的速率。

OSI参考模型

TCP/IP参考模型

FTP

FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议） 是 TCP/IP 协议组中的协议之一。FTP协议包括两个组成部分，其一为FTP服务器，其二为FTP客户端。其中FTP服务器用来存储文件，用户可以使用FTP客户端通过FTP协议访问位于FTP服务器上的资源。在开发网站的时候，通常利用FTP协议把网页或程序传到Web服务器上。此外，由于FTP传输效率非常高，在网络上传输大的文件时，一般也采用该协议。
默认情况下FTP协议使用TCP端口中的 20和21这两个端口，其中20用于传输数据，21用于传输控制信息。但是，是否使用20作为传输数据的端口与FTP使用的传输模式有关，如果采用主动模式，那么数据传输端口就是20；如果采用被动模式，则具体最终使用哪个端口要服务器端和客户端协商决定。[引自https://baike.baidu.com/item/FTP%E5%8D%8F%E8%AE%AE/7651119?fr=aladdin]FTP客户和服务器之间使用TCP的控制连接来传递FTP命令。

网络应用体系结构

C/S结构：客户机/服务器结构

P2P结构：

• 没有永远在线的服务器
• 任意端系统/节点之间可以相互通讯
• 节点间歇性接入网络
• 节点可能改变IP地址
• 优点：高度可伸缩
• 缺点：难于管理

混合结构： Napster

HTTP协议

HTTP：超文本传输协议，遵行C/S结构，有1.0和1.1两个版本。使用TCP传输服务，同时服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的消息。

• 非持久性连接：每个TCP连接最多允许传输一个对象，对应HTTP1.0。
• 持久性连接：每个TCP连接允许传输多个对象，HTTP1.1默认使用。

HTTP请求消息：

通过POST和GET方法进行上传输入。其中HTTP1.0有HEAD方法，HTTP1.1加入了PUT和DELETE方法。
HTTP响应消息：200 OK 404 Not Found 400 Bad Request 505 HTTP Version Not Supported 301 Moved Permanently

Cookie 技术

Cookie：为了辨别用户身份、进行session跟踪而储存在用户本地终端上的数据。
可使用的组件包括HTTP响应消息的cookie头部行、HTTP请求消息的cookie头部行、保存在客户端主机上的cookie文件，由浏览器管理、Web服务器端的后台数据库。

SMTP协议和POP3协议

SMTP：使用TCP进行e-mail消息的可靠传输，端口号25，三个阶段：握手、消息传输、关闭。服务器返回代码220。使用持久性连接，服务器端利用CRLF确定消息结束。SMTP是退式，多个对象在由多个部分构成的消息中发送。
邮件访问协议：POP、IMAP、HTTP

POP协议认证：User：声明用户名 Pass：声明密码， 服务器使用+OK、-ERR响应。本身是无状态协议。
IMAP：所有消息统一保存在服务器，允许用户利用文件夹组织消息。

DNS域名解析系统

DNS：多层命名服务器构成的分布式数据库，应用层协议：完成名字的解析。提供的服务有域名向IP地址的翻译、主机别名、邮件服务器别名、负载均衡：Web服务器。顺序依次为：本地域名解析服务器、根域名服务器、TLD顶级域名服务器、权威域名服务器。查询方式有递归和迭代。


DNS的资源记录格式(name，value，type，ttl)。
以下内容为：如何提高DNS的解析效率？这一问题的答案，参考以及来源如下。
了解了DNS的过程，如果每次都经过这么多步骤，是否太耗时间？如何减少该过程的步骤呢？
那就需要DNS优化了——DNS缓存

DNS存在着多级缓存，从离浏览器的距离排序的话，有以下几种: 浏览器缓存，系统缓存，路由器缓存，IPS服务器缓存，根域名服务器缓存，顶级域名服务器缓存，主域名服务器缓存。
在你的chrome浏览器中输入:chrome://dns/，你可以看到chrome浏览器的DNS缓存。
系统缓存主要存在/etc/hosts(Linux系统)中:
DNS负载均衡

互联网用户巨大的今天，假如亿万请求请求的资源都位于同一台机器上面，那么这台机器随时可能会蹦掉。处理办法就是用DNS负载均衡技术，它的原理是在DNS服务器中为同一个主机名配置多个IP地址,在应答DNS查询时,DNS服务器对每个查询将以DNS文件中主机记录的IP地址按顺序返回不同的解析结果,将客户端的访问引导到不同的机器上去,使得不同的客户端访问不同的服务器,从而达到负载均衡的目的｡例如可以根据每台机器的负载量，该机器离用户地理位置的距离等等。

大家耳熟能详的CDN(Content Delivery Network)就是利用DNS的重定向技术，DNS服务器会返回一个跟用户最接近的点的IP地址给用户，CDN节点的服务器负责响应用户的请求，提供所需的内容。
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P2P应用

针对C/S结构的文件分发

针对P2P结构的文件分发

BitTorrent：
tracker：跟踪参与torrent的节点。
torrent：交换同一个文件的文件块的节点组。
获取chuck：节点定期查询邻居的chuck列表，稀缺优先发送请求获取确实chuck
发送chuck：tit-for-tat过程

索引技术：
信息到节点位置（IP+port）的映射。
集中式索引：单点失效问题、性能瓶颈、版权问题
泛红式查询：完全分布式架构，每个节点对它共享的文件进行索引，且只对它共享的文件进行索引，查询消息通过已有的TCP连接，节点转发查询消息，如果查询命中，则利用反向路径发回查询节点。
层次式覆盖网络：每个节点或者是一个超级节点，或者被分配一个超级节点。超级节点和节点之间维持TCP连接，超级节点之间维持TCP连接，超级节点负责跟踪子节点的内容。
DHT：DHT(Distributed Hash Table，分布式哈希表)类似Tracker的根据种子特征码返回种子信息的网络。DHT全称叫分布式哈希表(Distributed Hash Table)，是一种分布式存储方法。在不需要服务器的情况下，每个客户端负责一个小范围的路由，并负责存储一小部分数据，从而实现整个DHT网络的寻址和存储。新版BitComet允许同行连接DHT网络和Tracker，也就是说在完全不连上Tracker服务器的情况下，也可以很好的下载，因为它可以在DHT网络中寻找下载同一文件的其他用户. [引用自https://www.cnblogs.com/shangdawei/p/4519376.html]

PCM 脉码调制体制

信源编码：PCM包括三个步骤：采样—量化–编码
采样：目的就是要用一系列在时间上离散的采样值，代替时间上连续的模拟数据，即实现时间上的离散化。
量化：就是使采样值在取值上离散化。
编码：就是将量化后的采样值用一定位数的二进制数码来表示。如果量化级数为N, 那么每个采样值编码为$lo{g}_{2}N$位二进制码。
PCM有北美的24路PCM(T1)标准和欧洲的30路PCM(E1), 我国采用E1标准.
旧的数字传输系统主要有两个缺点: 速率标准不统一; 不是同步传输
解决: SONET(同步光纤网)\SDH(同步数字系列)
SDH也适合用于卫星和微波传输.

信道容量

任何实际的信道都是不理想的，在传输时会产生各种失真和各种干扰。码元传输的速率越高，或者信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

硬件限制了可能的最高通信速率。

限制码元在信道上的传输速率的因素有：

• 信道能够通过的频率范围：奈氏准则
  奈奎斯特取样定理：
  数据传输的最大速率D有一下公式：
  $D=2Blo{g}_{2}K$
  其中B为带宽，K为信号电平的个数。
• 信噪比
  信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为$S/N$，并用dB作为度量单位。
  $信噪比(dB)=10lg(S/N)(dB)$
  香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率C。
  $C=Wlo{g}_2(1+S/N)$ b/s
  其中W为信道的带宽（Hz），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

网络传输介质协议规范

双绞线标准

无线链路和无线网络的特征

无线链路：衰减的信号强度、来自其他源的干扰、多径传播等
无线网络：隐终端问题、信号衰退
无线网络的要素：无线主机、基站、无线链路、基础设施模式、自组织模式

802.11无线局域网和帧结构

802.11是无线以太网的标准，使用星型拓扑，中心叫做接入点AP，在MAC层使用CSMA/CA协议。IEEE 802.11有基本服务集BSS 和扩展服务集ESS，一个基本服务集BSS 包括一个基站和若干个移动站，一个站无论要和本BSS的站进行通信，还是要和其他BSS的站进行通信，都必须通过本BSS的基站。
帧有三种类型，其中帧控制位1011的RTS、1100的CTS和1101的ACK。MAC首部共30字节。帧主体不超过1500字节。

移动网络基本原理，移动IP

移动IP：允许计算机移动到外地时，仍然保留其原来的IP地址。


通过让端系统进行处理，分为直接选路和间接选路。
直接选路：通信者得到移动用户的外部地址, 直接向移动用户发送。

可以通过使用锚外部代理FA进行适应移动

间接选路：从通信到移动用户的通信经过归属代理，然后向远地转发。
移动用户使用两个地址:

• 永久地址: 由通信者所用(因此移动用户位置对通信者是透明的。
• 转交地址: 由归属代理所用，以将数据报转发给移动用户。外部代理功能可以由移动用户自己做。

三角形选路: 通信者-归属网络-移动用户
- 当通信者和移动用户
- 位于相同网络时，低效
假定移动用户移动到另外的网络

• 注册到新的外部代理
• 新的外部代理向归属代理注册
• 归属代理更新移动用户的转交地址
• 分组继续向移动用户转发(但具有新的转交地址)

移动、改变外部网络是透明的：进行中的连接能被维护。