计算机网络基础知识

1，计算机网络概要

1，按需（而不是预分配）共享资源有时被称为统计复用（statistical multiplexing）。分组交换使用了统计复用。
2，VC网络的优势：提供了QoS服务，保证了传输的最小速率和最大时延。
3，POP（Point of Presence）：一个POP就是某ISP网络中的一个或者多个路由器组，通过他们能够与其他ISP的路由器连接的地方。
NAP(Network Access Point)：由第三方通信公司或者因特网主干提供商运营，为其他的ISP提供互联和交换巨量的流量。
4，因特网层次结构中，每层能够执行的任务包括错误控制，流控制，复用，连接建立，分段与重新装配(segmentation and reassembly)
5，存储转发机制（store-and-forward）：在交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组。
2，应用层
1，P2P与C/S的比较

P2P的特点：（1），对服务器的负担要小的多。

（2），直接和对方建立连接，安全保障低，暴露了自己的IP

（3），当某一方不在线时，无法通信。

（4），扩展性好

（5），由于高度分布，分散的性质，难于管理

C/S的特点：（1），把服务器当中转站，可以过滤掉不安全的内容

（2），当某一方不在线时，可以通过留言的方式通信

（3），服务器常常会出现跟不上其他客户机的请求。

2，在一个P2P文件共享等某些应用程序中，一个进程能够即是客户机又是服务器

3，在给定的一对进程之间的通信会话中，发起通信的进程被标识为客户机，在会话开始时等待联系的进程为服务器

4，套接字（SOCKET）是一个主机内应用层与运输层之间的接口

5，一个应用层程序需要从运输层获得的服务包括三类：数据丢失率，带宽和定时

6，即是讯息不能丢失数据，对带宽的要求----弹性， 时间的敏感性----是/不是

7，TCP协议能保证交付所有的数据，但是并不保证这些数据传输的速率和经受的传输时延

8，因特网电话的传输协议是UDP

9，每个URL地址由两部分组成：存放对象的服务器主机名和对象的路径名

10，HTTP协议支持非持久连接和持久连接，持久连接又分为流水线方式和非流水线方式

非持久连接:每个TCP连接在服务器返回对象后关闭，即该连接并不为其他的对象而持续下去

使用并行连接可以缩短非持久连接的相应时间

在非流水线方式下，客户机只能在前一个相应接受到之后才能发出新的请求

11，HTTP中请求的方法：HEAD方法：服务器收到head方法的请求时，会用一个HTTP报文进行相应，但是并不返回请求对象。应用程序开发者通常用HEAD方法进行故障跟踪

PUT方法被那些需要向服务器上传对象的应用程序使用

DELETE方法允许用户或者应用程序删除Web服务器上的对象

12，在P2P文件共享应用中，HTTP协议常常被当作文件传输协议使用

13，Web缓存(代理)服务器的优势：<1>,减少客户机请求的相应时间<2>,减少一个机构内部网络与外部网络的通信量

14，条件GET方法：如果（1）请求报文使用GET方法，（2）请求报文包含一个If-Modified-Since:首部行，那么这个HTTP请求就是一个条件GET请求报文。目的：解决Web Cache中内容陈旧的问题

15，FTP使用了两个并行的TCP连接来传输文件，一个是控制连接，一个是数据连接。由于FTP使用了一个分离的控制连接，所以也成为带外（out-of-band）传送。对FTP传输而言，控制连接是贯穿于整个会话期间，但是针对会话中的每一次文件传输都需要建立一个新的数据连接(即数据连接是非持久的)。FTP服务器必须在整个会话期间保留用户的状态信息。这点与HTTP不同。

16，在用SMTP传输邮件之前，需要将二进制多媒体数据编码为七位ASCII码。而HTTP不需要。SMTP不使用中间邮件服务器发送邮件，即是这两个邮件服务器位于地球的两端。HTTP是一种拉协议（pull protocol），而SMTP是一种推协议（push protocol）

17，多用途因特网邮件扩展(Multipurpose Internet Mail Extension,MIME)协议为发送方增加了两个首部Contet-type和Content-Transfer-Encoding。接收方增加了一个Received:首部行：from xxxx(发送的SMTP服务器) by xxxx(接受的SMTP服务器)

18，POP3服务器并不在POP3会话过程中携带状态信息。而IMAP携带并维护了用户的状态信息。此外，POP3按照3个步骤工作：特许，事务处理，更新

19，POP3协议没有给用户提供任何创建远程文件夹及为报文指派文件夹的方法。而IMAP具有创建文件夹以及查询的功能

20，IMPA(Internet Mail Access Protocol,因特网邮件访问协议)允许用户代理读取报文组件的命令

21，DNS协议运行在UDP之上，使用53号端口。

22，DNS提供的服务：提供主机名到IP地址的转换；主机别名；邮件服务器别名；负载分配。

23，3种类型的DNS服务器：根DNS服务器，顶级域DNS服务器(top-level domain,TLD)和权威DNS服务器。

24，在实际中，DNS的查询方式：从请求主机到本地DNS服务器的查询时递归的，其余的查询是迭代的。

25，为了改善时延性能并减少因特网上到处传输的DNS报文数量，DNS采用了缓存技术

26，P2P协议中对文件进行定位使用了三种方式：集中式目录(centralized directory),查询洪泛(query flooding)和利用不均匀性。

27，集中式目录(Napster)：存在一个目录服务器，该目录服务器从每个活动的对等方那里收集这些信息，从而建立一个集中的动态数据库，以提供对象名称到IP地址集合的影射。该目录服务器通过周期性的向对等方发送报文，看它们是否有相应来判断对方是否在线。最大的缺陷在于，该P2P应用只是部分分散的。另外还有一下缺点：单点故障，性能瓶颈和

28，查询洪泛(Gnutella)：当某个对等方A需要某个文件时，它首先向他的所有邻居发送一个请求报文，然后它的邻居继续转发，当某个对等方B收到请求后，发现自己的主机内有请求的文件，则沿着原路返回一个QueryHit（查询命中）报文。对等方A从自己收到的报文中，选择一个要建立连接的。一般情况下，都会有限范围的洪泛查询（limited scope query flooding）。当要加入一个覆盖网络的时候，需要一个对等方列表（可以自己维护一个，或者网络上的某个主机维护）。选择其中的对等方建立连接，然后向其发送Gnutella
Ping报文，收到Ping报文后，在转发给自己的邻居，直到该对等方计数字段为0。某个对等方C收到一个Ping请求后，把自己的IP和文件信息通过Pong报文发回去

29，利用不对称性(KaZaA)：网络中存在一些权利更大的对等方，称为组长(group leader),有点像Napster中目录服务器，其他的又像Gnutella。每个文件又散列码标识。控制流量是被加密的。
3,运输层
1，运输层是进程级别上的连接。 将网络层中端到端的连接服务扩展到进程级别上的连接服务。

2，因特网文献（如RFC）中将TCP的运输层分组称为segment，将UDP的称作datagram，而同样是在这些因特网文献中也将网络层分组称为datagram。

3，IP的服务模型是尽力而为的服务（best-effort delivery service）。

4，进程间数据交付和差错检查是两种最低限度的运输层服务，也是UDP能提供的两种服务。

5，端口号是一个16比特的数字，所以就有2^16=65536（0---65535）个端口号，其中0--1023是周知端口号（well-know port number），已经被分配给了周知的应用层协议。

6，使用UDP协议的理由：应用层能更好地控制要发送的数据和发送时间；无需建立连接；无连接状态；分组首部开销小 。

7，解决流水线的差错恢复有两种基本的方法：选择重传（selective repeat，SR），回退N步（Go-Back-N），也称作滑动窗口协议（sliding-window protocol）。

8，可靠数据传输中使用的机制包括检查和，定时器，序号，确认，否认，窗口、流水线。

9，TCP连接是全双工服务（full-duplex service）。在接受数据的时候可以传递数据。

10，最大报文段长（maximum segment size，MSS）：TCP可从缓存中取出并放入报文段中的最大数据。特指应用层数据的最大长度，而不包括TCP首部。

11，最大传输单元（maximum transmission unit，MTU）：链路层帧的最大长度。

12，一个TCP连接中发送方和接收方各包括一个套接字，一个缓存和变量。

13，估计往返时延EstimatedRTT = (1-a) * EstimatedRTT + a * SampleRTT，RFC给出的参考值a=0.125

14，往返时延偏差 DevRTT = (1 - b) * (DevRTT + b * | SampleRTT - EstimatedRTT|)，RFC给出的参考值是b=0.25

15，TCP中确定重传超时间隔 TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 * DevRTT，当超时事件发生时，时间间隔变为原来的2倍，而不是由公式决定，在其他两种情况下，才有公式决定。

16，发送方一旦接收到3个冗余ACK，TCP就执行快速重传（fast retransmit），即在该报文段的定时器过期之前重传丢失的报文段。

17，TCP流量控制目的是消除接收方缓存溢出的可能性。TCP通过让发送方保留一个称为接收窗口的变量来提供流量控制。接收窗口+缓存中的数据=接收缓存。通过将未确认的数据量控制在值RcvWindow以内，就可以保证发送方不会使接收方缓存溢出。当接收方的接收窗口为0时，发送方继续发送只有一个字节数据的报文段，这些报文段将会被接收方确认，最终缓存将开始清空，并且确认报文里将包含一个非0的RcvWindow值。

18，SYN(synchronize)只有在建立连接的时候被设置为1，其余情况都是0.

19，关闭一个TCP连接时的TIME_WAIT使得TCP客户机可以重发最终确认报文，以应对该ACK丢失的情况。

20，拥塞控制的方法有两种：端到端拥塞控制和网络辅助的拥塞控制。其中网络辅助的拥塞控制也有两种形式，一是路由器直接反馈信息给发送方，通常采用拥塞分组的形式（choke packet），二是路由器标记或更新从发送方流向接收方的分组中的某个字段来指示拥塞的产生，一旦接收方收到这个有拥塞标记的分组，就通知发送方发生了拥塞，这种形式至少要经过一个完整的往返时间。

21，ATM(Asynchronous Transfer Mode)异步传输模式。ABR（Average Bitrate）平均（可用）比特率。

22，TCP拥塞控制算法包括三个主要部分：（1）加性增（additive-increase），乘性减（multiplicative-decrease），（2）慢启动（slow start），（3），对超时事件作出反应。

23，加性增，乘性减（AIMD）：每发生一次分组丢失事件时就将当前的CongWin值减半，直到减为1个MSS。每当发送方收到一个确认后就把CongWin增加一个MSS。

24，慢启动（SS）：当一个TCP连接开始时，CongWin被设置为一个MSS，然后每收到一个确认，将CongWin翻倍，直到遇到丢包事件，然后减半，接着就是线性增长了。

25，对超时事件作出的反应：收到3个冗余ACK后，TCP将拥塞窗口减小一半，然后线性的增长。但超时事件发生时，TCP发送方进入一个慢启动阶段，即它将拥塞窗口设置为1 MSS，然后窗口长度以指数速度增长。知道CongWin达到超时事件前窗口值的一半为止。此后，CongWin就以线性增长。在新版的的TCP Reno中，当收到3个冗余ACK后会取消慢启动阶段。

26，当多个连接共享一个公共的瓶颈链路时，那些具有较小RTT的会话能够在链路空闲时更快的抢到可用带宽（即较快地打开其拥塞窗口），因而将比那些具有较大RTT的连接享有更高的吞吐量。
4，网络层

1，网络层是主机级别上的连接。

2，ATM提供两种服务模型恒定比特率（Constant bit rate，CBR）和可用比特率（Available bit rate,ABR）。对于使用ABR的连接来说，最小信元传输速率（MCR）是可以得到保证的。

3，一条虚电路（VC）的组成如下：路径，VC号（每段链路一个）和转发表。

4，为什么一个分组沿着其路由的每条链路上不保持相同的VC号？

<1>逐链路代替该号码减少了在分组首部VC字段的长度。

<2>简化了虚电路的建立（不需要传递VC号）。

5，对于一个虚电路网络层，沿着两个端系统之间路径上的路由器都要参与虚电路的建立，且每个路由器都知道经过他的所有虚电路。

6，路由器有以下四部分组成：输入端口，输出端口，交换结构和选路处理器。

7，路由器输入端口的结构，由外到内依次是线路端接（line termination）---->数据链路处理（协议，拆分）--->查找，转发，排队--->交换结构。

8，加快查找输出端口速度的方法：(1)，将转发表表项存放在一个树形数据结构中。树中的每一层可以认为是与目的地址中的1比特想对应的。所以，查找一次需要执行32步（IPV4）。

(2)，使用内容可寻址内存（content addressable momeries,CAM），这种方式允许一个32比特IP地址提交给CAM，由它再以基本上常数时间返回该地址对应的转发表项内容。

(3)，将最近访问的转发表表项保存在高速缓存中。

9，路由器的交换结构位于一台路由器的核心部位，存在三种交换技术（1）内存（2）纵横制（crossbar）（3）总线

10，路由器输出端口的结构，由内到外依次是交换结构---->排队（缓存管理）---->数据链路处理（协议，封装）--->线路端接（line termination）。

11，随机早期检测（Random Early Detection,RED）算法是活动队列管理（Active Queue Management,AQM）算法的一种，用于路由器中，当缓存将满时，选择丢弃或标记哪些包的策略。

12,因特网的网络层有三个主要的组件（1）IP协议（2）选路组件（3）报告数据报差错和对某些网络层信息进行响应的设施。

13，为什么TCP/IP在运输层和网络层都执行差错检测？

<1>首先，在IP层只有IP首部进行校验，而TCP/UDP校验是对整个TCP或UDP报文段进行的。

<2>其次，TCP/UDP与IP不一定都必须属于同一个协议栈。

14，ICMP报文段保存在IP数据报的数据区域中。

15，IP数据报分片在路由器中，而组装却在端系统中。

16，因特网的地址分配策略被称为无类别域际路由选择（Classless InterDomain Routing,CIDR）。

17，因特网名字与号码分配团体（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers,ICANN）管理IP地址，DNS根服务器，分配域名和解决域名纷争。

18，网络地址转换（Network Address Translation，NAT）。

19，ICMP报文包括（1）一个类型字段（2）一个编码字段（3）引起ICMP报文产生的IP数据报的前8byte内容，以便发送方能确定引发该差错的数据报。

20，IGMP(互联网组管理协议)用于管理主机加入和离开多播组。

21，目前存在两种普遍的选路算法：（1）链路状态算法（link state algorithm,LS）和（2）距离向量算法（distance-vector,DV）。

22，在链路状态算法中，解决振荡的方法是确保所有路由器不同时执行LS算法。但网络中的路由器会自同步（开始时间不同，随着运行算法，会逐渐变成同步的了），此时，对于每台路由器应该随机化它发送链路通告的时间。

23，DV算法中解决不可计数问题可以通过毒性逆转（poisoned Reverse）（只能解决只有两个相邻的邻居节点的情况）：如果z通过y选路到达目的地x，则z将通告y，它（即z）到x的距离是无穷大。

24，在LS算法中，路由计算是孤立的，提供了一定程度的健壮性。在DV算法中，一个不正确的节点计算值会扩散到整个网络。

25，因特网中自治系统（autonomous system，AS）内部选路算法包括选路信息协议（Routing Information Protocol,RIP）和开放最短路径优先（Open Shortest Path First,OSPF）。自治系统间选路的算法是边界网关协议（Broder Gateway Protocol,RGP）。

26，RIP是一种DV算法，一条路径的最大费用被限制为15，因此RIP限制网络直径不超过15跳的自治系统中。RIP响应报文（又称作RIP通告）每30秒交换一次。 如果一台路由器一旦超过180秒没有监听到其邻居，则认为该邻居已不可达。特别RIP是运行在UDP上的应用层协议，使用520端口。

27，OSPF和它关系密切的兄弟IS-IS通常被设置在较上层ISP中，而RIP被设置在较低层ISP和企业网中。OSPF的核心就是一个使用链路状态信息洪泛的链路状态协议和一个Dijkstra最低费用路径算法。各链路费用是由网络管理员配置的。 每当一条链路的状态发生变化时或者每隔一段时间（至少30分钟）广播链路状态。OSPF具有以下优点（1）安全（2）多条相同费用的路径（3）支持单播选路和多播选路（4）支持在单个选路域中建立层次结构。

28，在BGP中，路由器对通过使用179端口的半永久TCP连接来交换选路信息。 一个自治系统有其全局唯一的一个自治系统号（autonomous system number,ASN），但是桩（stub）AS通常没有ASN，该AS仅承载源地址或者目的地址为本AS的通信量。

29，BGP算法中相同前缀存在两条或者多条路由时，根据以下策略选择（1）本地偏好值（2）最短AS-PATH（3）最靠近NEXT-HOP的路由器的路由（4）BGP标识。

30，在广播算法中，用于受控洪泛（flooding）的方法有三，（1）序号控制洪泛（sequence-number-controlled flooding）：每个节点维护它已经收到，复制和转发的源地址和每个广播分组的序号列表，当一个节点接收到一个广播分组时，它首先检查是否该分组在该列表中，如果在则丢弃，否则转发。（2）反向路径转发（reverse path forwarding,RPF）：当一台路由器接收到具体给定源地址的广播时，如果该广播来源于自己到广播源地址的最短路径上，则转发该分组，否则丢弃。（3）利用生成树来转发。

31，在因特网中，通过一个D类地址（224~239）来标识一个多播（multicast）中的一组主机。 网络层多播因此是由两个互补的组件组成的：因特网组管理协议（IGMP）和多播选路协议。在因特网中，加入一个多播组是由接收方驱动的。

32，IGMP协议只运行于主机与其相连的路由器之间。包括三种报文格式：（1）membership_query报文：用于查询某个主机是否已经加入相应的多播组。（2）membership_report报文：用于响应membership_query报文，特殊的是membership_report报文可以自发的发送，而不必等待membership_query。（3）leave_group：可选的。如果没有，可以通过无主机响应membership_query报文来推断目前多播组内已经无主机。这是软状态（soft state）。

33，软状态（soft state）就是状态若没有显示的刷新，就通过超时事件被删除。

34，在多播中，有两种办法确定多播选路树，（1）使用一棵共享树进行多播选路。（2）使用一棵基于源的树进行多播选路（如DVMRP）。

35，在目前的因特网中使用的多播选路协议是AS间的距离向量多播选路协议（Distance-Vector Multicast Routing Protocol,DVMRP）和AS内的协议无关多播选路协议（Protocol-Independent Multicast,PIM）。

36，电路交换网络中的网络层三个最重要的功能是：call setup，forwarding，routing。
5，链路层
1，链路层的一个重要特征是数据报在路径的不同链路上可能由不同链路层协议处理。

2，媒体访问控制（Medium Access Control,MAC）协议定义了帧在链路上传输的规则。

3，链路层可靠的传输服务是通过确认和重传来获得的。许多有线的链路层协议不提供可靠的传输服务。

4，适配器（adapter）通常包括RAM，DSP芯片，主机总线接口和链路接口，也被称为网络接口卡（network interface card，NIC）。适配器是一个半自治的单元，在节点的控制之下。

5，传输数据中检测差错的三种技术：奇偶校验，检查和方法（更普遍应用于运输层），循环冗余检测（更普遍应用于链路层）。

6，奇偶校验：假设传输的信息由d比特，在偶校验方案中，发送方只需包含一个附加的比特，选择它的值，使得这d+1个比特中1的总数是偶数。对于奇校验方案，校验位值的选择要求有奇数个1。只能检测不会恢复。可以使用二维奇偶校验方案，使用一个列校验和一个行校验。这种情况下，接收方不仅可以检测到发生单个比特差错的事实，而且可以利用存在奇偶校验差错的列和行的索引区识别发生差错的比特并纠正它。接收方检测和纠正差错的能力被称为前向差错纠正（forward error correction，FEC），这种技术不仅减少了重传的次数，而且允许在接收方立即纠正差错。

7，检查和用在运输层而更强大的循环冗余检测用在链路层的主要原因是，检查和容易用软件实现，循环冗余检测是通过适配器中的硬件来实现的。

8，循环冗余检测(cyclic redundancy check,CRC)标准都能检测小于r+1比特的突发差错，在合适的假设下，长度大于r+1比特的突发差错被检测到的概率是1-0.5^r。每个CRC标准都能检测到奇数个比特差错。

9，多址访问协议（multiple access protocol，MAP）被分为3种：信道划分协议（channel partitioning protocol），随机访问协议（random access protocol）和轮流协议（taking-turns protocol）。

10，信道划分协议包括TDM（时分复用），FDM（频分复用）和CDMA（码分多址，code division multiple access）。CDMA对每个节点分配不同的编码。然后每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据进行编码。

12，随机访问协议中，一个传输节点总是以信道全部速率传输。当有碰撞发生时，卷入碰撞的每个节点反复的重传它的帧，直到该帧无碰撞的通过。但是当一个节点经历碰撞后，它不必立刻重发该帧。相反，它在重发该帧之前等待一个随机时延。其中包括有时隙ALOHA，ALOHA，载波侦听多址访问（Carrier Sense Multiple Access,CSMA），带碰撞检测的CSMA（CSMA with collision detection，CSMA/CD）。

13，轮流协议包括两个：（1）轮询协议（polling protocol）：要求一个节点被指定为主节点，主节点以循环的方式轮询每个节点。（2）令牌传递协议（token-passing protocol）：要求一个令牌（token）的特殊目的帧在这些节点之间以某个固定的次序传递，当一个节点收到令牌时，若有数据则发生，然后将令牌传个下一个，否则立即传递个下一个节点。

14，MAC地址是平面结构，而IP地址是层次结构。MAC广播地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF。

15，地址解析协议（address resolution protocol,ARP）只为在同一个子网内的节点解析IP地址。ARP有两个有趣的特性（1）查询ARP报文是在广播帧中发送的，而响应ARP报文在一个标准帧中发送。（2）ARP是一个即插即用的，即一个节点的ARP表是自动建立的（他不需要系统管理员来配置）。

16，以太网帧结构中的钱同步码（preamble）的前7个字节全部是10101010，用于“唤醒”接受适配器，并且将他们的时钟和发送发的时钟同步。最后一个字节是10101011警告接受适配器重要的东西就要到来。适配器通过检测电流的空闲来辨明一个帧什么时候结束。

17，集线器（hub）是一个物理层设备，它作用于单个比特。当表示一个0或者一个1的一比特到达某接口时，该集线器只是重新产生该比特，增强它的能量强度。10BaseT采用Manchester编码，100BaseT采用4B5B编码：为了提供足够的跳变步，每5个时钟周期为一组，用于发送4个比特。

18，交换机是链路层上设备，且没有MAC地址，不改变帧的源地址。

19，路由器和交换机的比较：交换机的优点是支持即插即用，由于只有两层，处理速度快，缺点是对广播风暴无能为力；路由器的优点是能更好的控制网络风暴，拓扑结构不局限于生成树，缺点是不是即插即用的，处理速度较慢。

20，高级数据链路控制协议（high-level data protocol ,HDLC)。

21，点对点协议（PPP）链路的初始化、维护、差错报告和关闭是通过使用PPP的链路控制协议（link-control protocol，LCP）和PPP网络控制协议族来完成的。

22，ATM包括三个层次：ATM适配层（ATM adaptation layer，AAL），ATM层和ATM物理层（ATM physical layer，PHY）。

23，多协议标签交换（Multiprotocol Label Swetiching，MPLS），MPLS首部位于链路层和网络层首部之间。