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计算机网络与通信重点笔记 ​

根据 6 份课件整理。只保留主干概念和常见计算题套路，尤其注意单位、时延、CRC、子网/CIDR、IP 分片、TCP 窗口与拥塞控制。

0. 计算公式速查 ​

单位换算 ​

  • 1 Byte = 8 bit。
  • 文件/数据块大小常见用二进制单位：1 KB = 2^10 B，1 MB = 2^20 B。
  • 链路速率常见用十进制单位：1 Mbit/s = 10^6 bit/s，1 Gbit/s = 10^9 bit/s。
  • 做题先统一单位：字节先乘 8 变 bit，距离和传播速率单位要一致。

性能与时延 ​

  • 发送时延：
    t_send = 数据长度(bit) / 发送速率(bit/s)
  • 传播时延：
    t_prop = 信道长度(m) / 信号传播速率(m/s)
  • 总时延：
    D_total = t_send + t_prop + t_process + t_queue
  • 时延带宽积：
    BDP = 带宽 x 传播时延，单位是 bit，表示链路中“在路上”的比特数。
  • RTT：通常近似为 2 x 单程传播时延 + 接收端处理/排队/发送确认时间。
  • 有效数据率：
    effective_rate = 有效数据量 / 总耗时
  • 利用率与时延关系：
    D = D0 / (1 - U)，U 越接近 1，排队时延急剧上升。

物理层极限 ​

  • 奈氏准则：无噪声低通信道最高码元率
    Baud_max = 2W 码元/s。
  • 若每个码元有 V 种离散状态，则最高数据率
    R_max = 2W log2(V) bit/s。
  • 信噪比：
    SNR(dB) = 10 log10(S/N)。
  • 香农公式：
    C = W log2(1 + S/N) bit/s。

CRC ​

  • 生成多项式或除数 P 长度为 n+1 位，则 CRC/FCS 为 n 位。
  • 发送端：把原数据 M 后补 n 个 0，用模 2 除法除以 P，余数 R 就是 FCS。
  • 发送数据：M + R。
  • 接收端：收到的数据除以 P，余数为 0 则接受，否则丢弃。
  • 模 2 除法没有借位/进位，减法等价于异或 XOR。

以太网与 CSMA/CD ​

  • 10 Mbit/s 以太网争用期：51.2 us，可发送 512 bit = 64 B。
  • 最短有效帧长：64 B。小于 64 B 的帧通常视为冲突导致的无效帧。
  • 退避算法：第 i 次重传，k = min(i, 10)，随机取 r in [0, 2^k - 1]，等待 r x 争用期。
  • 参数：a = 单程端到端传播时延 / 帧发送时间。
  • 极限信道利用率近似：Smax = 1 / (1 + a)。要提高利用率，应减小传播时延或增大帧发送时间。

IP 编址、子网与 CIDR ​

  • 网络地址：IP地址 AND 子网掩码。
  • 主机位数：h = 32 - 前缀长度。
  • 地址块大小：2^h。
  • 通常可用主机数：2^h - 2，全 0 主机号是网络地址，全 1 主机号是广播地址。
  • CIDR 写法：a.b.c.d/n，n 是网络前缀长度。
  • 最长前缀匹配：若多个路由表项都匹配，选择前缀最长的那个。
  • 固定长度子网常用步长：在变化的八位组里，步长 = 256 - 掩码值。

IP 分片 ​

  • 若 IP总长度 > MTU，且 DF=0，需要分片。
  • 每片数据部分最大值：
    payload_per_fragment = floor((MTU - IP首部长度) / 8) x 8
  • 片偏移：
    fragment_offset = 本片数据在原始数据部分中的起始字节 / 8
  • 每片总长度：IP首部长度 + 本片数据长度。
  • MF=1 表示后面还有分片，最后一片 MF=0。
  • 所有分片的标识字段相同。

TCP ​

  • TCP 实际发送窗口：
    send_window = min(rwnd, cwnd)
    rwnd 由接收方通告，用于流量控制；cwnd 由发送方根据网络拥塞状态维护。
  • 停止等待信道利用率：
    U = TD / (TD + RTT + TA)
    TD 是数据发送时间，TA 是确认发送时间。
  • 平滑 RTT：
    RTTs_new = (1 - alpha) RTTs_old + alpha RTT_sample，推荐 alpha = 1/8。
  • RTT 偏差：
    RTTD_new = (1 - beta) RTTD_old + beta |RTTs - RTT_sample|，推荐 beta = 1/4。
  • 超时重传时间：
    RTO = RTTs + 4 x RTTD。
  • Karn 修正：重传过的报文段不用于 RTT 估计；每次重传可令 RTO_new = gamma x RTO_old，典型 gamma = 2。
  • 慢开始：每个 RTT 内 cwnd 近似翻倍。
  • 拥塞避免：每个 RTT cwnd 约加 1 MSS。
  • 超时：ssthresh = max(cwnd/2, 2 MSS)，cwnd = 1 MSS，重新慢开始。
  • 三个重复 ACK：立即快重传，ssthresh = cwnd/2，快恢复后进入拥塞避免。

HTTP 时间估算 ​

  • 非持续连接请求一个对象：约 2 RTT + 对象传输时间。
    第 1 个 RTT 建 TCP 连接，第 2 个 RTT 发送 HTTP 请求并收到响应首部，后面是对象传输。
  • 持续连接可复用 TCP 连接；流水线方式可在收到响应前连续发送多个请求，减少空闲 RTT。
  • 流量强度：
    traffic_intensity = 请求率 x 平均对象大小 / 链路速率。接近 1 时排队时延会很大。

1. 第 1 章 概述 ​

互联网的基本结构 ​

  • 互联网的两个重要特征：连通性、资源共享。
  • 小写 internet：泛指由多个网络通过路由器互连形成的互连网，是一类网络。
  • 大写 Internet：专指全球最大的、采用 TCP/IP 协议族的互联网。
  • 边缘部分：主机、端系统、客户/服务器、P2P 应用。
  • 核心部分：路由器和网络，核心任务是分组转发。
  • 路由器转发分组时通常最高只用到网络层，不处理运输层和应用层内容。

计算机网络的类别 ​

  • 按作用范围：
    • 广域网 WAN：范围通常几十到几千公里，是互联网核心部分的重要组成。
    • 城域网 MAN：覆盖一个城市，范围约 5-50 km。
    • 局域网 LAN：范围较小，通常约 1 km，常使用高速通信线路。
    • 个人区域网 PAN：范围很小，约 10 m；无线个人区域网可称 WPAN。
  • 按使用者：
    • 公用网：按规定交费的人都可使用，也称公众网。
    • 专用网：为特定业务或单位需要建设，供特定用户使用。
  • 接入网 AN：把用户接入互联网的网络，也称本地接入网；通常是从用户端系统到本地 ISP 第一个路由器之间的网络。

交换方式 ​

  • 电路交换：通信前建立专用物理通路，通信时独占端到端资源，结束后释放连接。适合连续传送大量数据或恒定速率实时通信，但计算机数据常有突发性，线路利用率低。
  • 报文交换：整份报文作为单位进行存储转发，不预先建立专用连接。信道利用率较高，但整报文转发导致时延大，对节点缓存要求高。
  • 分组交换：把较长报文划分为较小数据段，加上首部形成分组，以分组为传输单位逐跳存储转发。
    • 分组首部携带目的地址、源地址等控制信息，路由器检查首部并查转发表转发。
    • 各分组可独立选择路径，链路带宽动态分配，通信链路逐段占用。
    • 优点：高效、灵活、迅速、可靠，适合突发数据。
    • 缺点：会产生排队时延，不保证带宽；首部和路由器处理会增加开销。
交换方式是否先建立连接传输单位资源占用主要优点主要缺点
电路交换是连续比特流端到端独占大量连续数据时速率稳定建连开销；突发数据利用率低
报文交换否整个报文逐段占用无需预分配带宽，信道利用率较高时延大；节点缓存压力大
分组交换否分组逐段占用时延小于报文交换，灵活高效有排队、首部和处理开销

性能指标 ​

  • 速率：数据传送速率，也叫数据率或比特率。
  • 带宽：在通信领域可指频带宽度；在网络中常指最高数据率。
  • 吞吐量：单位时间通过网络、信道或接口的实际数据量，常小于额定速率。
  • 时延：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。
  • 时延带宽积：链路中可容纳的比特量。
  • RTT：从发送方发送完数据，到收到接收方确认的总时间。
  • 利用率：不是越高越好。利用率接近 1 时，排队时延会急剧增加。

典型计算 ​

例：1000 km 光纤链路，传播速率 2.0 x 10^5 km/s，传播时延：

text
t_prop = 1000 / (2.0 x 10^5) = 0.005 s = 5 ms

发送 100 MB 数据：

text
100 MB = 100 x 2^20 x 8 bit

若 R = 1 Mbit/s:
t_send = 100 x 2^20 x 8 / 10^6 = 838.9 s

若 R = 100 Mbit/s:
t_send = 100 x 2^20 x 8 / 10^8 = 8.389 s

结论：大文件传输常由发送时延主导；极小数据在远距离链路上传输时，传播时延可能主导。提高带宽只能减小发送时延，不能提高比特在介质中的传播速度。

网络体系结构 ​

  • 网络协议：为网络中数据交换而建立的规则、标准或约定。
  • 协议三要素：
    • 语法：数据与控制信息的结构或格式。
    • 语义：需要发出什么控制信息、完成什么动作、做出什么响应。
    • 同步：事件实现顺序的详细说明。
  • 网络体系结构：计算机网络各层及其协议的集合，是网络及构件应完成的功能的精确定义，不涉及具体实现。
  • 五层体系结构：应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
  • TCP/IP 四层：应用层、运输层、网际层、网络接口层。
  • 每层对上提供服务，对等层之间通过协议“逻辑通信”。
  • PDU 名称：应用层报文，运输层报文段/用户数据报，网络层 IP 数据报，链路层帧，物理层比特流。
层次主要任务典型协议或数据单位
应用层通过应用进程间交互完成特定网络应用DNS、HTTP、SMTP；报文
运输层为两台主机中的进程通信提供通用数据传输服务，负责复用和分用TCP 报文段、UDP 用户数据报
网络层为分组交换网上不同主机提供通信服务，负责路由选择和转发IP 数据报
数据链路层在相邻节点之间的链路上传送帧，进行差错检测等帧
物理层在传输媒体上传送比特流，规定接口机械、电气、功能、过程特性比特流

2. 第 2 章 物理层 ​

物理层任务 ​

  • 物理层关心如何在传输媒体上传输比特流，而不是具体传输媒体本身。
  • 作用：尽量屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异。
  • 主要确定与传输媒体接口有关的 4 类特性：
    • 机械特性：接口接线器形状、尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
    • 电气特性：接口电缆各条线上出现的电压范围。
    • 功能特性：某条线上某一电平电压的意义。
    • 过程特性：不同功能的各种可能事件出现的顺序。

数据通信基本概念 ​

  • 消息：语音、文字、图像、视频等。
  • 数据：运送消息的实体，是有意义的符号序列。
  • 信号：数据的电气或电磁表现。
  • 模拟数据：取值连续的数据，如语音、连续变化的图像亮度等。
  • 数字数据：取值离散的数据，如文本、整数、二进制比特序列等。
  • 模拟信号：参数连续。
  • 数字信号：参数离散。
  • 码元：表示离散数值的基本波形。
  • 基带信号：来自信源的基本频带信号，常含较多低频成分，甚至含直流成分。
  • 带通信号：用载波调制后形成的信号，频率范围被搬移到较高频段，只在一段频率范围内通过信道。
  • 通信方式：
    • 单工通信：只能单方向传输，没有反方向交互。
    • 半双工通信：双方都能发送和接收，但不能同时发送。
    • 全双工通信：双方可同时发送和接收。
  • 串行传输：比特按时间顺序一个接一个发送，线路少，适合远距离传输。
  • 并行传输：多个比特在多条线中同时发送，短距离速度快，但线路多、同步要求高。

编码与调制 ​

  • 基带调制也叫编码：数字信号变换为另一种数字信号。
  • 带通调制：用载波把基带信号搬移到较高频段，形成模拟带通信号。
  • 常用编码：
    • 不归零制：正/负电平表示 1/0。
    • 归零制：正/负脉冲表示 1/0。
    • 曼彻斯特编码：位周期中心跳变，具有自同步能力，但频带需求更高。
    • 差分曼彻斯特编码：每位中心都有跳变，位开始边界是否跳变表示数据。
  • 基本带通调制：调幅 AM、调频 FM、调相 PM。
  • QAM：振幅和相位混合调制。若有 16 个码元点，则每个码元携带 log2(16)=4 bit，同码元率下数据率提高 4 倍。

信道极限容量 ​

  • 奈氏准则回答“无噪声时码元率最高多少”。
  • 香农公式回答“有噪声时信息传输速率绝对上限是多少”。
  • 香农公式：C = W log2(1 + S/N)。已知 C 和 W 反求信噪比：S/N = 2^(C/W) - 1。
  • 提高数据率的方向：
    • 增大带宽 W。
    • 提高信噪比 S/N。
    • 用更高阶编码/调制，让每个码元携带更多 bit。
  • 注意：高阶调制会更依赖信噪比，误码率可能更高。

传输媒体 ​

  • 导引型：双绞线、同轴电缆、光纤。
  • 非导引型：无线电、微波、卫星、红外等。
  • 光纤优点：容量大、损耗小、中继距离长、抗电磁干扰、保密性较好、体积小。
  • 多模光纤适合近距离；单模光纤衰耗小，适合远距离，但成本较高。
  • 卫星通信传播时延大，常在 250-300 ms 量级，但并不等于传送数据总时延一定大，仍需看发送时延和数据量。

复用 ​

  • FDM：频分复用。所有用户同一时间占用不同频带。
  • FDMA：频分多址。给不同用户分配不同频带，或让更多用户轮流使用这些频带来接入共享信道。
  • TDM：时分复用。用户周期性占用固定时隙，空闲用户会浪费时隙。
  • TDMA：时分多址。给不同用户分配不同时隙，或让更多用户轮流使用这些时隙来接入共享信道。
  • STDM：统计时分复用。按需动态分配时隙，提高利用率。
  • WDM：波分复用，本质上是光纤中的频分复用。例：8 x 2.5 Gbit/s = 20 Gbit/s。
  • DWDM：密集波分复用，在一根光纤中使用更密集的波长间隔复用更多光载波。
  • CDM/CDMA：码分复用/码分多址。所有用户可同时使用同一频带，用正交码片序列区分。

数字传输系统 ​

  • SONET：Synchronous Optical Network，同步光纤网。以 51.84 Mbit/s 为基础速率，对电信号称 STS-1，对光信号称 OC-1。
  • SDH：Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列。ITU-T 以 SONET 为基础制定的国际标准。
  • STM-1：Synchronous Transfer Module level 1，SDH 第 1 级同步传递模块，速率 155.52 Mbit/s，相当于 SONET 的 OC-3。
  • OC-48：Optical Carrier level 48，SONET 第 48 级光载波，速率 48 x 51.84 = 2488.32 Mbit/s，约 2.5 Gbit/s，对应 SDH 的 STM-16。

CDMA 计算套路 ​

  • 把 0/1 码片转换为 -1/+1 向量。
  • 正交条件：两个不同站的码片向量规格化内积为 0。
  • 判定某站发送内容：收到的叠加向量 R 与该站码片向量 S 做规格化内积：
text
(1/m) sum(R_i S_i) =  1  -> 发送 1
(1/m) sum(R_i S_i) = -1  -> 发送 0
(1/m) sum(R_i S_i) =  0  -> 未发送

3. 第 3 章 数据链路层 ​

数据链路层的基本问题 ​

  • 使用点对点信道和广播信道。
  • 三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测。
  • 帧：数据链路层的协议数据单元。
  • MTU：帧的数据部分长度上限。
  • 网络适配器/网卡：计算机通过适配器接入局域网。适配器负责串行/并行转换、数据缓存、配合设备驱动程序工作，并实现以太网协议；它包含物理层和数据链路层功能，通常说主要工作在数据链路层和物理层。

封装成帧与透明传输 ​

  • 封装成帧：在数据前后添加首部和尾部，用于帧定界和控制。
  • 必须解决封装成帧：接收方需要知道一帧从哪里开始、到哪里结束，否则无法从比特流中取出完整帧。
  • 透明传输：无论数据中出现什么比特组合，链路层都应按原样传输。
  • 若用控制字符定界，数据中出现同样字符会误判边界，需要字节填充或字符填充。
  • 必须解决透明传输：数据字段中可能出现与帧定界符相同的比特组合，若不处理会被误认为帧边界。

差错检测与 CRC ​

  • 比特差错：1 -> 0 或 0 -> 1。
  • 误码率 BER：错误比特数占传输比特总数的比例。
  • 必须解决差错检测：链路传输会产生比特差错，接收方至少要能发现错误帧并丢弃。
  • CRC 只能做到“无比特差错地接受”的高概率保证；它不是可靠传输的全部。
  • 可靠传输还需要编号、确认、重传等机制。

CRC 例题套路：

text
已知 M = 101001，P = 1101
P 长度为 4，所以 FCS 长度 n = 3
M 后补 3 个 0：101001000
用模 2 除法除以 1101，余数 R = 001
发送数据 = 101001001

PPP ​

  • PPP 用于点对点链路。
  • 三部分：
    • 将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
    • LCP 链路控制协议。
    • NCP 网络控制协议。
  • PPP 面向字节，使用标志字段和字节填充实现透明传输。

以太网与 CSMA/CD ​

  • 以太网提供无连接、不可靠、尽最大努力交付。
  • CSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测。
  • 载波监听：发送前和发送中都检测信道。
  • 碰撞检测：边发送边监听，检测到碰撞立即停止发送。
  • 检测到碰撞后发送人为干扰信号，再按截断二进制指数退避算法等待重发。
  • 争用期也叫碰撞窗口。只有经过争用期仍未检测到碰撞，才可确认本次发送不会碰撞。

常考点：

  • 10 Mbit/s 以太网争用期 51.2 us。
  • 争用期内发送 10 x 10^6 x 51.2 x 10^-6 = 512 bit = 64 B。
  • 因此以太网最短有效帧长为 64 B。
  • 帧间最小间隔：96 bit 时间，10 Mbit/s 下为 9.6 us。
  • 10BASE-T：10 表示 10 Mbit/s，BASE 表示基带传输，T 表示双绞线。

以太网 MAC 帧 ​

  • 以太网 V2 MAC 帧字段：目的地址 6 B，源地址 6 B，类型 2 B，数据 46-1500 B，FCS 4 B。
  • 前面还会由硬件插入 7 B 前同步码和 1 B 帧开始定界符。
  • MAC 地址工作在链路层，只在同一链路或局域网内直接使用。

交换机与 VLAN ​

  • 集线器工作在物理层，逻辑上仍是共享总线，冲突域大。
  • 交换机工作在数据链路层，按 MAC 地址转发帧，能隔离冲突域。
  • 使用集线器时，N 个用户共享总带宽 B，平均每个用户约 B/N。
  • 使用交换机时，每个端口提供带宽 B，每个用户独占端口带宽；交换机总容量约为 B x N。
  • 交换机自学习：收到帧后，把源 MAC 地址和进入接口写入交换表；若目的 MAC 地址未知，则向除进入接口外的所有接口泛洪；若目的 MAC 地址已知，则只向对应接口转发；若对应接口就是进入接口，则丢弃。
  • VLAN 把一个物理局域网划分成多个逻辑广播域，常用 IEEE 802.1Q 标记。

4. 第 4 章 网络层 ​

网络层服务 ​

  • 网络层解决异构网络互连、主机标识、路由选择、分组转发。
  • 两种服务思想：
    • 虚电路服务：网络负责可靠交付，通信前建立逻辑连接。
    • 数据报服务：网络只提供无连接、尽最大努力交付，可靠性交给端系统。
  • TCP/IP 采用数据报服务。
  • 网络层有两个层面：
    • 数据层面/转发层面：按转发表快速转发分组。
    • 控制层面：运行路由选择协议，生成路由表。

网络互连设备 ​

  • 转发器/中继器：物理层设备，只转发比特或再生信号，不识别帧和地址。
  • 网桥/桥接器：数据链路层设备，按 MAC 地址转发帧，可连接局域网网段；用转发器或网桥连接的若干局域网仍可看成一个网络。
  • 路由器：网络层设备，按 IP 地址和路由表转发 IP 数据报，用于连接不同网络。
  • 网关：网络层以上的中继系统，常用于不同协议体系之间的转换；在一些 TCP/IP 文献中，历史上也把路由器称为网关。

IPv4 地址 ​

  • IPv4 地址是 32 位，通常写成点分十进制。
  • IP 地址标识接口，不只是主机。路由器有多个接口，通常有多个 IP 地址。
  • 分类地址：
类别开头位第 1 字节范围默认前缀用途
A01-126/8大型网络
B10128-191/16中型网络
C110192-223/24小型网络
D1110224-239-多播
E1111240-255-保留

特殊地址：

  • 主机号全 0：网络地址。
  • 主机号全 1：该网络广播地址。
  • 127.0.0.0/8：本地环回。
  • 0.0.0.0/0：默认路由。
  • /32：特定主机路由。

子网划分 ​

  • 子网划分把两级地址变为三级地址：<网络号, 子网号, 主机号>。
  • 基本做法：从主机号借若干位作为子网号。
  • 子网掩码左边连续 1 对应网络号和子网号，右边连续 0 对应主机号。
  • 路由表项应包含目的网络地址、子网掩码、下一跳。
  • VLSM/CIDR 分配地址块时，先按需求从大到小排序；每个需求选择能容纳它的最小 2^k 地址块，再按地址块边界对齐分配。

例：IP = 141.14.72.24，掩码 255.255.192.0。

text
第三字节 72 = 01001000
掩码第三字节 192 = 11000000
AND 结果 = 01000000 = 64
网络地址 = 141.14.64.0

若掩码改为 255.255.224.0 或 255.255.240.0，第三字节仍为 64，所以网络地址仍是 141.14.64.0，但前缀长度和地址块规模不同。

CIDR 与路由聚合 ​

  • CIDR 消除了 A/B/C 分类，用变长网络前缀表示地址块。
  • 例：128.14.32.0/20
    • 主机位数：12。
    • 地址数：2^12 = 4096。
    • 范围：128.14.32.0 到 128.14.47.255。
    • 等价于 16 个 C 类网络。
  • 路由聚合：把连续、前缀相同的地址块合成一个更短前缀，减少路由表项。
  • 查表使用最长前缀匹配。例：目的地址 206.0.71.130 同时匹配 206.0.68.0/22 和 206.0.71.128/25，选 /25。

IP 地址与 MAC 地址 ​

  • IP 地址用于网络层定位目的网络和主机接口，端到端转发过程中源/目的 IP 基本不变。
  • MAC 地址用于链路层，只负责同一链路上的直接交付；经过路由器转发时，每一跳帧首部中的源/目的 MAC 地址都会改变。
  • IP 地址是逻辑地址，体现网络前缀和主机/接口位置，便于跨网络路由；MAC 地址是硬件地址，通常固化在网卡中，便于同一局域网内交付帧。
  • ARP 用于在同一二层广播网络内，由 IP 地址解析出 MAC 地址。
  • ARP 请求广播，ARP 响应单播。
  • ARP 高速缓存保存最近的 IP-MAC 映射，减少广播。

IP 数据报与分片 ​

  • IPv4 首部固定部分 20 B，可选部分最多 40 B。
  • 重要字段：
    • 版本：IPv4 为 4。
    • 首部长度：单位 4 B，常见值 5，表示 20 B。
    • 总长度：首部 + 数据，最大 65535 B。
    • 标识、标志、片偏移：用于分片。
    • TTL：每经过一个路由器减 1，为 0 时丢弃并发送 ICMP 超时。
    • 协议：指出数据部分交给 TCP、UDP、ICMP、OSPF 等。
    • 首部检验和：只检验 IP 首部。

分片例：原始 IP 数据报总长度 6578 B，首部 20 B，数据 6558 B，通过以太网 MTU=1500 B。

text
每片最大数据 = floor((1500 - 20) / 8) x 8 = 1480 B
6558 = 1480 x 4 + 638

片1: 数据 1480, 总长 1500, 偏移 0,   MF=1
片2: 数据 1480, 总长 1500, 偏移 185, MF=1
片3: 数据 1480, 总长 1500, 偏移 370, MF=1
片4: 数据 1480, 总长 1500, 偏移 555, MF=1
片5: 数据 638,  总长 658,  偏移 740, MF=0

ICMP ​

  • ICMP 用于差错报告和询问，不是高层协议，封装在 IP 数据报中。
  • 常见差错报告：终点不可达、时间超过、参数问题、重定向。
  • 常见应用：
    • ping 使用回送请求/回答。
    • traceroute 利用 TTL 逐步增加和 ICMP 超时报文探测路径。

路由选择协议 ​

  • 静态路由：简单、开销小，但不自适应。
  • 动态路由：能适应拓扑变化，但复杂且有额外开销。
  • AS 自治系统：一个管理域内的一组路由器，对外表现为一致的路由策略。
  • IGP：AS 内部路由协议，如 RIP、OSPF。
  • EGP：AS 间路由协议，主要是 BGP。

RIP：

  • 基于距离向量，距离为跳数。
  • 直连网络距离为 0，非直连网络距离为经过路由器数加 1。
  • 最大有效距离 15，16 表示不可达，只适合小型网络。
  • 只和相邻路由器交换信息，交换完整路由表，通常每 30 秒交换一次。
  • 优点：简单、开销小。
  • 缺点：规模受限，坏消息传播慢，可能收敛慢。

距离向量更新规则：

text
收到邻居 X 的路由表后：
每条距离先 +1，下一跳改为 X。
若本路由表没有该目的网络，加入。
若下一跳原本就是 X，用新信息更新。
若新距离更小，用新路由替换旧路由。

OSPF：

  • 开放最短路径优先，链路状态协议。
  • 使用洪泛法向 AS 内所有路由器发送链路状态。
  • 每个路由器建立一致的链路状态数据库，再用 Dijkstra 算法求最短路径。
  • 支持 VLSM/CIDR、区域划分、负载均衡、鉴别。
  • 直接封装在 IP 中，不使用 UDP。
  • 收敛快，适合较大网络。

BGP：

  • AS 间路由协议，关注可达性和策略，不追求绝对最短路径。
  • 使用 TCP，端口 179。
  • BGP 路由可表示为 [前缀, AS-PATH, NEXT-HOP]。
  • 常见选择顺序：本地偏好高优先，AS 跳数少优先，热土豆路由，路由器 ID 小优先等。

IPv6、NAT、VPN、MPLS、SDN ​

  • IPv6 地址 128 位，首部更简化，取消 IPv4 首部检验和，分片由源主机处理。
  • IPv6 压缩写法：连续 0 可用 :: 压缩一次。
  • ICMPv6 合并了 IPv4 中 ARP 和 IGMP 的部分功能。
  • 私有 IPv4 地址：
    • 10.0.0.0/8
    • 172.16.0.0/12
    • 192.168.0.0/16
  • NAT：专用网地址与全球地址转换。
  • NAPT：用端口号复用一个全球 IP，多个内网主机可同时访问外网。
  • VPN：通过隧道技术在公共网络上构建逻辑专用通路。
  • MPLS：在二层和三层之间插入标签，用标签交换加速转发，标签操作有 push、swap、pop。
  • SDN：控制平面和数据平面分离，逻辑集中控制，转发设备按流表处理数据。

5. 第 5 章 运输层 ​

运输层作用 ​

  • 网络层提供主机到主机通信；运输层提供进程到进程的端到端逻辑通信。
  • 复用：多个应用进程共用运输层协议发送。
  • 分用：运输层根据端口号把数据交给正确进程。
  • TCP 和 UDP 都运行在无连接的 IP 之上；若应用使用 TCP，则应用看到的是面向连接、可靠、全双工的运输层逻辑信道；若应用使用 UDP，则应用看到的是无连接、不可靠的运输层逻辑信道。
  • 运输层复用靠端口号和协议号实现：应用数据加上 TCP/UDP 首部形成 TCP 报文段或 UDP 用户数据报，再封装到 IP 数据报中；接收端按 IP 首部协议字段交给 TCP/UDP，再按目的端口分用给应用进程。
  • 端口分类：
    • 熟知端口：0-1023。
    • 登记端口：1024-49151。
    • 短暂端口：49152-65535。
  • 端口的作用：用统一的协议端口号标识应用层“功能”或服务，而不是依赖不同操作系统中的进程标识符。
  • 常见端口：HTTP 80，HTTPS 443，FTP 20/21，SMTP 25，DNS 53，TFTP 69，SNMP 161/162。

UDP ​

  • 无连接，尽最大努力交付。
  • 面向报文：应用层交下来的报文既不合并也不拆分。
  • 无拥塞控制，适合实时音视频、DNS、DHCP、RIP 等。
  • 一些应用选择 UDP 的原因：不想建立连接、首部开销小、希望应用自己控制重传/超时、能容忍少量丢包但不能容忍大时延，或需要一对多/多播/广播。
  • 首部 8 B：源端口、目的端口、长度、检验和。
  • UDP 检验和计算使用伪首部，伪首部只参与计算，不真正发送。

TCP ​

  • 面向连接、可靠、全双工、面向字节流。
  • 不支持广播和多播。
  • 最小首部 20 B，选项最多 40 B。
  • 重要字段：
    • 序号 seq：本报文段数据第一个字节的序号。
    • 确认号 ack：期望收到的下一个字节序号。
    • 数据偏移：TCP 首部长度，单位 4 B。
    • ACK、SYN、FIN、RST、PSH、URG。
    • 窗口：接收方允许对方继续发送的数据量，单位字节。
    • 检验和：覆盖伪首部、TCP 首部和数据。
    • MSS：TCP 报文段数据字段最大长度，尽量避免 IP 分片。

可靠传输 ​

  • 停止等待：每发一个分组就等待确认，简单但信道利用率低。
  • 超时重传：发送方给已发送分组设置定时器，超时未确认则重发。
  • ARQ：自动重传请求，不需要接收方显式请求重传。
  • 流水线传输：发送方可连续发送多个分组，提高利用率。
  • 连续 ARQ：发送窗口内分组可连续发送，常结合滑动窗口。
  • 累积确认：确认按序到达的最后一个分组或字节。
  • Go-Back-N：若中间一个分组丢失，发送方可能回退重传多个分组。

TCP 滑动窗口与确认 ​

  • TCP 的确认基于字节序号，不基于报文段序号。
  • 发送窗口包括：已发送未确认、允许发送但尚未发送。
  • 接收窗口包括：按序到达未交付、不按序到达但在窗口内的数据。
  • 接收方必须支持累积确认；对乱序数据通常先缓存，等缺失字节到达后按序交付。
  • 接收方不应过度推迟 ACK；若收到连续最大长度报文段，通常至少每隔一个报文段确认一次。

RTO 计算 ​

  • RTO 不能太短，否则造成不必要重传；不能太长，否则链路空闲、效率低。
  • 用加权平均估计 RTT：
text
RTTs_new = (1 - alpha) RTTs_old + alpha RTT_sample
RTO = RTTs + 4 x RTTD
  • 重传报文段的 ACK 有歧义，因此 Karn 算法不使用重传样本。
  • 修正 Karn 算法：每次重传把 RTO 加倍，直到不再重传时再更新 RTT 估计。

流量控制 ​

  • 流量控制是端到端问题：接收方通过 rwnd 限制发送方。
  • 若接收方通告 rwnd=0，发送方停止发送新数据。
  • 若非零窗口通知丢失，可能死锁。解决：持续计时器和零窗口探测报文。
  • 糊涂窗口综合症：接收方每次只空出很小空间，导致发送方反复发送很小报文，效率很低。解决：接收方等到有足够空间再通告窗口；发送方可用 Nagle 算法合并小数据。

拥塞控制 ​

  • 拥塞控制是全局问题，防止过多数据注入网络。
  • 与流量控制区别：流量控制保护接收方；拥塞控制保护网络。
  • 拥塞信号常见为分组丢失、超时、重复 ACK、显式拥塞通知 ECN。

慢开始和拥塞避免：

text
cwnd < ssthresh: 慢开始，cwnd 指数增长
cwnd >= ssthresh: 拥塞避免，cwnd 线性增长

发生超时：

text
ssthresh = max(cwnd / 2, 2 MSS)
cwnd = 1 MSS
重新慢开始

收到 3 个重复 ACK：

text
立即重传丢失报文段
ssthresh = cwnd / 2
cwnd = ssthresh
进入拥塞避免或快恢复

记忆：TCP Reno 的核心是“慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复”，表现为 AIMD：加法增大、乘法减小。

TCP 连接管理 ​

三报文握手：

text
1. A -> B: SYN=1, seq=x
2. B -> A: SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
3. A -> B: ACK=1, ack=y+1
  • SYN 会消耗一个序号。
  • 三次握手用于确认双方存在、协商参数、分配资源、同步初始序号。
  • 两次握手可能因迟到的旧连接请求导致服务器误建立连接。

四报文挥手：

text
1. A -> B: FIN
2. B -> A: ACK
3. B -> A: FIN
4. A -> B: ACK
  • 主动关闭方进入 TIME_WAIT，等待 2MSL。
  • 作用：
    • 保证最后 ACK 丢失时还能重传 ACK。
    • 让旧连接中滞留的报文从网络中消失，避免污染新连接。

6. 第 6 章 应用层 ​

应用层概念 ​

  • 应用层协议规定报文类型、语法、语义、发送时机和响应规则。
  • 两种工作模式：
    • C/S：服务器长期在线，有固定地址，集中管理资源。
    • P2P：节点既请求服务也提供服务，可扩展性和健壮性较好。

DNS ​

  • DNS 把域名解析为 IP 地址，是分布式、层次化数据库。
  • 域名结构：从右到左层次升高，如 www.tsinghua.edu.cn。
  • 每个标号最长 63 字符。
  • 服务器类型：
    • 根域名服务器。
    • 顶级域名服务器。
    • 权限域名服务器。
    • 本地域名服务器。
  • 区 zone 是服务器实际管辖范围，不完全等同于域 domain。
  • 主机到本地域名服务器通常用递归查询。
  • 本地域名服务器到根、TLD、权限服务器通常用迭代查询。
  • DNS 高速缓存用 TTL 控制有效期，可减轻根服务器负担，但 TTL 太长会降低更新准确性。
  • 早期 DNS 响应限制在 UDP 512 B 内，根服务器信息需放入响应，因此出现 13 个根服务器名称的设计。

FTP ​

  • FTP 使用 TCP。
  • 控制连接通常使用 21 端口，在整个会话期间保持。
  • 数据连接用于传输文件，传输时建立，传完可释放。
  • 控制连接和数据连接分离，是 FTP 的重要特征。

电子邮件 ​

  • 电子邮件系统组成：用户代理、邮件服务器、邮件协议。
  • SMTP：发送/转发邮件，使用 TCP，典型端口 25。
  • POP3/IMAP：用户从服务器读取邮件。
  • MIME：扩展邮件内容类型，使邮件可传输非 ASCII 文本、图片、音频、附件等。

WWW 与 URL ​

  • WWW 是分布式超媒体系统，不是某种特殊网络。
  • URL 一般形式：
text
<协议>://<主机>:<端口>/<路径>
  • HTTP 默认端口 80，HTTPS 默认端口 443。
  • 若访问默认端口和默认首页，端口和文件名常可省略。

HTTP ​

  • HTTP 是应用层协议，使用 TCP 提供可靠传输。
  • HTTP 本身是无连接、无状态、面向事务的请求/响应协议。
  • 无状态优点是服务器负担轻；缺点是动态交互困难，需要 Cookie/Session。
  • Cookie 是服务器和客户端之间传递的状态信息，会随 HTTP 请求发送；明文 Cookie 有安全风险，HTTPS 可缓解。

HTTP 事务：

text
建立 TCP 连接
客户端发送 HTTP 请求
服务器发送 HTTP 响应
浏览器解析并渲染
释放或保持 TCP 连接

持续连接：

  • HTTP/1.1 默认使用持续连接。
  • 非流水线：收到前一个响应后再发下一个请求。
  • 流水线：未收到响应前可继续发送请求，减少 RTT 浪费。
  • HTTP/2 在同一 TCP 连接中复用多个请求/响应，并把报文分成二进制帧，减少首部开销。

HTTP 报文：

  • 请求报文：请求行、首部行、空行、实体主体。
  • 常用方法：GET、POST、HEAD、PUT、DELETE、OPTIONS、TRACE、CONNECT。
  • 响应报文：状态行、首部行、空行、实体主体。
  • 状态码：
    • 1xx 信息。
    • 2xx 成功，如 200 OK。
    • 3xx 重定向。
    • 4xx 客户端错误，如 400 Bad Request、403 Forbidden、404 Not Found。
    • 5xx 服务器错误，如 500 Internal Server Error、503 Server Unavailable。

Web 缓存/代理服务器 ​

  • 代理服务器也叫 Web cache，代表浏览器发出 HTTP 请求。
  • 若请求资源已缓存，可直接返回，减少访问时延和外部链路流量。
  • 课件例：请求率 15 req/s，平均对象 1 Mb，外部链路 15 Mbit/s：
text
外部链路流量强度 = 15 x 1 Mb / 15 Mbit/s = 1

流量强度接近 1，排队时延会很大。若使用缓存命中部分请求，可显著降低外部链路负载。

DHCP ​

  • DHCP 用于动态分配 IP 配置。
  • 常见流程 DORA：
text
Discover -> Offer -> Request -> ACK
  • DHCP 使用 UDP，服务器端口 67，客户端端口 68。
  • 分配内容通常包括 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器、租约时间。

7. 常见计算题模板 ​

模板 1：时延 ​

text
1. 数据长度转 bit。
2. t_send = L / R。
3. t_prop = d / v。
4. 总时延 = t_send + t_prop + t_process + t_queue。
5. 若有确认或停止等待，再把 RTT 或 ACK 发送时间算进去。

模板 2：奈氏/香农 ​

text
1. 看是否有噪声。
2. 无噪声低通信道：用奈氏。
3. 有噪声且给 S/N 或 dB：先把 dB 转为 S/N，再用香农。
4. 若给码元种类 V：bit/码元 = log2(V)。

模板 3：CRC ​

text
1. P 有 n+1 位，FCS 有 n 位。
2. M 后补 n 个 0。
3. 模 2 除以 P。
4. 余数不够 n 位左补 0。
5. 发送 M+R。

模板 4：子网/CIDR ​

text
1. 根据前缀求主机位 h = 32 - n。
2. 地址数 = 2^h，可用主机数通常 = 2^h - 2。
3. 网络地址 = IP AND mask。
4. 广播地址 = 网络地址主机位全 1。
5. 可用范围 = 网络地址 + 1 到 广播地址 - 1。
6. 路由查表有多个匹配时，选最长前缀。

模板 5：IP 分片 ​

text
1. 原始数据长度 = IP总长度 - IP首部长度。
2. 每片最大数据 = floor((MTU - IP首部长度)/8) x 8。
3. 依次切片。
4. 每片总长度 = IP首部长度 + 本片数据长度。
5. 片偏移 = 本片数据起始位置 / 8。
6. 除最后一片外 MF=1，最后一片 MF=0。

模板 6：TCP 拥塞窗口 ​

text
1. cwnd < ssthresh: 每 RTT 翻倍。
2. cwnd >= ssthresh: 每 RTT 加 1 MSS。
3. 超时: ssthresh = cwnd/2, cwnd = 1 MSS。
4. 3 个重复 ACK: ssthresh = cwnd/2, 快重传，进入快恢复/拥塞避免。
5. 实际可发窗口 = min(rwnd, cwnd)。

8. 易混点 ​

  • 高带宽不等于传播速度更快，只是单位时间能“推出”更多 bit。
  • 吞吐量是实际值，带宽/速率常是上限。
  • CRC 是检错，不是纠错；也不等于可靠传输。
  • IP 地址在端到端转发中基本不变，MAC 地址每一跳都会变。
  • 子网掩码是路由表项的重要属性；只看网络地址不够。
  • CIDR 查表要用最长前缀匹配，不是先匹配谁就选谁。
  • IP 分片偏移单位是 8 字节，不是 1 字节。
  • TCP 的 ACK 号表示“期望收到的下一个字节序号”。
  • TCP 流量控制看接收方 rwnd，拥塞控制看网络状态 cwnd。
  • HTTP 使用 TCP，但 HTTP 本身仍可说是无连接、无状态。