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计算机网络(2023-2024 秋)期末重点
xx
2024 年 11 月 14 日
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1 直连网络
网络模型:从模块化到网络分层。由于模块众多,且每个模块都需要相应的接口,所以维护起
来相当困难。因此,必须将网络分层。
OSI
七层网络模型
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应用层:应用协议:HTTP,FTP
表示层:加解密/数据格式化
会话层:进程管理/双工/半双工/单工/断点续发
传输层:实现端到端的数据传输
网络层:分组的路由,实现主机到主机的通信
数据链路层:提供点到点的数据帧传输
物理层:处理链路上,原始比特的传输
TCP/IP 体系结构
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应用层:数据表示、数据加密、回话控制
TCP/UDP:定义端到端协议,为应用程序提供可选择的逻辑信道
IP 层:网际协议,确定分组转发路径,使主机可以把分组发往任何网络
子网层:多种网络协议,如以太网协议
图 1: OSI 与 TCP/IP 模型
数据的封装与解封(掌握):首先应用数据传送到应用层,加上应用层头部后,成为 应用层 Data,
再传送到传输层。加上传输层头部后,成为 传输层报文(message),再传送到网络层。加上网络层
头部后,成为 IP 分组 ,再传输到数据链路层。在数据链路层,加上链路层 头部和尾部 ,成为 数
据链路层帧 ,再传输到物理层。在物理层,将 bit 数据编码调制后,再传输到信道中。到了接收端
后,再由下而上,逐层去除数据包的头部及尾部(解封)。最后将应用数据发送给应用进程。
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图 2: 数据封装与解封
差错检测:bit 数据在传输时,由于收到干扰,因此在接收端收到的 bit 数据,可能存在差错。
通过在数据帧中,加入冗余信息的方式来实现差错检测。当接收端检测出错误数据时,可以通知发
送方重传数据副本(重传机制),或通过加入的冗余信息,重新构造正确的数据(纠错码)。
组帧
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面向字节的组帧
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起始标记法:使用特定字符表示帧的开始和结束
字节计数法:将一个帧中的字节数放在首部的一个字段中
面向比特的组帧:使用特定的 bit 组合代表帧的开始和结束。使用比特填充法区分数据与特定的 bit 组合
差错检测
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奇偶校验
校验和
循环冗余校验(CRC)
单向奇偶校验/单个奇偶校验
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偶校验:d bit 数据 +1 bit 校验位 = 偶数个 1
奇校验:d bit 数据 +1 bit 校验位 = 奇数个 1
只能检测奇数个比特错误。因此失效的概率为 50%
二维奇偶校验:将 d 位 bit 信息,划分为 i 行 j 列。因此总共拥有 i+j+1 个奇偶校验位。可以
定位出错的 bit 并实现偶数比特错误的检测。
图 3: 2 维奇偶校验
校验和:发送方将传输的所有字相加,并将相加的结果作为校验和。接收方做相同的工作,并
与接收到的校验和比较,以判断是否出错。校验和的冗余较少,只有 16bit。并且在上层软件中,很
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容易实现。它的检测能力有限,如出错增加的值与减少的值相同时,无法检错。但是经过验证表明,
这种形式的校验已经足够了。
循环冗余校验:n 次多项式可以表示 n+1 比特的信息。因此收发双方约定一个 k 次幂的除数
C(x)。发送方将比特消息 M(x) 转换为加了 k 比特冗余的消息 P(x)。接收方将 P(x) 除以 C(x),如
果不能整除,则代表传输出错。常见的多项式 C(x) 有 CRC-8,CRC-10,CRC-12 等。
媒体共享
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静态划分信道
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时分复用:将不同的用户分配到不同的频带
频分复用:将时间划分为等长的时分复用帧(TDM),用户在 TDM 帧中
占用的位置不变
波分复用:将用户分配到不同的波段
码分复用:使用伪随机码扩频,在接收端使用相同的伪随机码解调
不同用户的伪随机码相互正交,因此在同一信道传输时,不会相互干扰
动态媒体接入
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ALOHA
CSMA:载波侦听多点接入
CSMA/CD:带碰撞检测的 CSMA
CSMA/CA:带碰撞避免的 CSMA
ALOHA :发生碰撞时,节点发送完碰撞帧后,以概率 p 重传该帧,以 1-p 的概率等待一个帧
传输时间。下一个时隙,同样以概率 p 重传,概率 1-p 等待。
CSMA(Carrier Sense Multiple Access):载波侦听多点接入。多个节点以多点接入的方式连
接在同一根总线上。因此所有节点位于同一冲突域内。节点在发送数据前,先检测信道,是否有其
他节点也在发生数据。若有,则暂时不发送数据,以免发生碰撞。但是由于信号传播存在延迟的原
因,CSMA 无法彻底解决碰撞的问题。
带碰撞检测的 CSMA(CSMA/CD):节点边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个
节点同时发送数据时,由于信号相互叠加,因此总线上的信号电压摆动值会增大。利用这一特性,当
总线上的电压摆动值超过一定阈值后,就认为总线上至少有两个节点在发送数据,数据发生了碰撞。
此时就立即停止发送数据,避免浪费网络资源。等待一段随机时间后,再发送数据。
带碰撞避免的 CSMA(CSMA/CA) :CSMA/CD 要求节点具有碰撞检测的能力,支持该能力的
硬件代价较大。同时,由于无线信道特有的隐藏终端等问题,导致 CSMA/CD 并不起作用。碰撞避
免是指,当信道空闲一个 DIFS(分布式帧间间隔)后,节点根据各自当前的状态,按照二进制指数
退避算法选择随机的退避时间,退避完成后开始发送数据。若退避过程中,检测到信道忙,则冻结
退避计时器。等待信道空闲一个 DIFS 后,继续退避直到完成。
2 交换网络
网桥:网桥将多个冲突域连接在一起。网桥使用转发表/转发数据库 FDB(Forwarding Database)
来实现数据帧的转发。FDB 存储了目的 MAC 地址与输出(输入)端口的映射关系。当数据帧中的
MAC 地址对应的端口号与接收到该数据帧的端口相同时,丢弃该数据帧。当数据帧中的 MAC 地
址对应的端口号与接收端口不同时,那么在对应端口转发将该数据帧。若 FDB 中不存在对应的条
目,那么将该数据帧在所有的端口广播。
如何生成 FDB 表:当网桥接收到一个数据帧后,会记录该数据帧的源 MAC 地址以及对应的
输入端口。如果 FDB 中不存在该条目,则将该映射关系写入 FDB 表。同时,FDB 表中的 MAC 地
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址通过老化机制(Aging)来更新。如果 FDB 表中存在接收到的映射关系,则更新该映射关系。
图 4: 网桥
图 5: 网桥的工作流程
生成树算法 :在数据转发中,如果形成了环路,就会导致广播风暴。因此,需要使用生成树算
法,为网络中的每对节点(源-目的)分配唯一确定的一条路径。在生成树算法中,选取一个根节点,
其他节点计算确定到根节点的最短路径。在选取根节点时,网桥间会彼此交换配置信息。配置信息
包括本网桥认定的根节点的标识符(初始时,网桥都认为自己是根节点),本网桥到根节点的距离
(初始时为 0),以及发布该配置消息的网桥标识。当收到邻居节点的配置信息后,如果邻居节点所
选取根节点的标识符小于自己所选取的或者距离根节点的距离更小,则更新自己选择的根节点,并
将跳数加 1。一直持续这个过程,最后所有节点都会选择同一个节点作为自己的根节点。然后同一
网段指派离根节点更近的网桥作为数据的传输路径。如果有多个距离相同的网桥,则选取标识符更
小的。如 Figure6中的例子,A 指派 B
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为自己的网桥。
IP 的设计思路
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尽最大努力交付,不保证 QoS
源结点和目标节点建立虚拟电路连接
路由器 :是一个多输入端口,多输出端口的专用计算机。它使用 分布式路由算法 为 IP 分组寻
找一条端到端的路径(通常是代价最小的)。并将传输路径保存到转发表(FIB)中。当路由器的某
个端口收到 IP 分组后,会根据分组的目的 IP 地址,查找转发表,并将该分组从对应的端口输出到
下一跳路由器。直到该分组到达目的地址。
输入端口:物理层 ⇒ 数据链路层 ⇒ 网络层
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