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Computer Science

发布日期: 2024-11-19

更新日期: 2025-01-14

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本文基于《Computer Networking A Top-Down Approach (7th Edition)》的课本内容，对 SYSU-CSE DCS222 计算机核心专业课《计算机网络》进行较为详尽的知识点总结，涵盖少量实例分析。

第一章：计算机网络概论

本章为引言，介绍计算机领域的发展趋势，结合 Gartner 2024年新兴技术成熟度曲线

1.1 重要性与应用领域

1. 关键应用领域

互联网
移动网络
云计算
电子商务
交通运输
国家安全
软件定义网络(SDN)

1.2 基本概念与原理

1. 网络通信类比

通过邮政系统类比理解网络通信过程
信封对应数据包
分拣中心对应路由器
传输过程的特点:
- 逐个路由
- 无时间保证
- 无序到达
- 可能丢失

2. 网络分层结构

应用层(Application Layer)
传输层(Transport Layer)
网络层(Network Layer)
链路层(Link Layer)
物理层(Physical Layer)

1.3 互联网特征

1. 基本特征

数据包独立路由
无传输时间保证
无顺序保证
无可靠性保证
数据完整性无保证
数据包可能分片
数据包可能重复

2. 各层功能

传输层:提供端到端的可靠数据传输
网络层:提供”尽力而为”的数据报传递
链路层:在点对点链路间传输数据

1.4 重要问题与挑战

1. 网络设计问题

路由器数量与位置优化
处理能力分配
传输时间保证
安全性保证

2. 技术发展趋势

自主AI系统
开发者生产力
全面用户体验
以人为本的安全和隐私

第二章：应用层

章节结构与主要内容

2.1 网络应用的基本原理
2.2 Web 和 HTTP 协议
2.3 电子邮件协议（SMTP、POP3、IMAP）
2.4 域名系统（DNS）
2.5 对等（P2P）网络应用
2.6 视频流与内容分发网络（CDN）
2.7 使用 UDP 和 TCP 的套接字编程

2.1 网络应用的基本原理

目标：了解网络应用的概念及实现方式，重点关注应用层协议设计。

基础概念

网络应用：
- 定义：运行在网络端系统上的程序，利用网络进行通信。
- 示例：电子邮件、Web 浏览、视频流、即时通讯。
应用架构：
- 客户端-服务器架构：
  - 服务器：始终在线，具有固定 IP 地址（如 Web 服务器）。
  - 客户端：与服务器通信，可能动态连接网络。
- 对等（P2P）架构：
  - 没有固定服务器，所有节点既是客户端又是服务器。
  - 适用于文件共享（如 BitTorrent）、VoIP（如 Skype）。
通信方式：
- 进程间通信：主机内部通过操作系统进行的通信。
- 套接字：进程与网络之间的接口，类似于应用程序的“门”。

2.2 Web 和 HTTP 协议

HTTP 基础

定义：超文本传输协议（HTTP）是 Web 的应用层协议，基于请求-响应模式。
通信模型：
1. 客户端：发送 HTTP 请求（浏览器）。
2. 服务器：接收请求并返回 HTTP 响应（Web 服务器）。

HTTP 特性

无状态：服务器不存储客户端的状态信息。
传输方式：
- 非持久连接：每次请求一个对象，关闭连接。
- 持久连接：支持多个对象通过单一连接传输，提高效率。

HTTP 消息格式

请求消息：
- 包含请求行、头部字段和可选的消息体。
- 示例：
  GET /index.html HTTP/1.1
  Host: www.example.com
响应消息：
- 包含状态行、头部字段和可选的数据部分。
- 示例：
  HTTP/1.1 200 OK
  Content-Type: text/html
  Content-Length: 100

状态码

2xx：成功（如 200 OK）
3xx：重定向（如 301 Moved Permanently）
4xx：客户端错误（如 404 Not Found）
5xx：服务器错误（如 500 Internal Server Error）

Web 缓存与代理

缓存：减少对原始服务器的需求，提升响应速度。
条件请求：通过 If-Modified-Since 头部字段检查缓存是否过期。

2.3 电子邮件协议

主要组件

用户代理（UA）：邮件客户端（如 Outlook）用于收发邮件。
邮件服务器：存储和转发电子邮件。
协议：SMTP 用于邮件发送，POP3/IMAP 用于邮件接收。

SMTP（简单邮件传输协议）

特性：
- 基于 TCP 的可靠传输，使用端口 25。
- “推送”模式：邮件从发送端主动推送到接收端。
交互流程：
1. 客户端连接服务器。
2. 进行握手（HELO）。
3. 发送邮件（MAIL FROM、RCPT TO、DATA）。
4. 结束会话（QUIT）。

POP3 与 IMAP

POP3：
- 下载并删除模式（默认）或下载并保留模式。
- 会话无状态。
IMAP：
- 保持邮件存储在服务器端。
- 支持多客户端同步，允许邮件分类和搜索。

2.4 域名系统（DNS）

DNS 的作用

定义：将域名解析为 IP 地址的分布式数据库。
功能：
- 主机名到 IP 地址的转换。
- 别名解析（如 www.google.com → 真实服务器名）。
- 邮件服务器别名（MX 记录）。

DNS 结构

层次化数据库：
- 根域名服务器：最高层，用于指向顶级域名服务器。
- 顶级域名服务器（TLD）：管理 .com、.org 等。
- 权威域名服务器：提供特定主机的 IP 地址。
本地 DNS 服务器：
- ISP 提供，缓存常用的域名解析结果。

查询过程

递归查询：DNS 服务器代替客户端完成所有解析工作。
迭代查询：DNS 服务器仅提供下一步指引。

关键记录类型

A 记录：主机名到 IPv4 地址的映射。
NS 记录：指向权威 DNS 服务器。
CNAME 记录：主机别名。
MX 记录：邮件服务器。

2.5 对等（P2P）网络应用

特点

无需集中式服务器，任意两个节点可以直接通信。
优点：
- 自扩展性：每个新节点既贡献资源也消耗资源。
- 没有单点故障。
缺点：
- 难以管理，IP 地址动态变化。

文件分发：BitTorrent

工作原理：
- 文件被分割成小块（chunks）。
- 节点彼此下载所需块，同时上传已有块。
优化策略：Tit-for-Tat（以牙还牙）：
- 优先与上传速度最快的节点交换数据。

2.6 视频流与内容分发网络（CDN）

流媒体传输

动态自适应流（DASH）：
- 视频被分割为多种编码速率的块。
- 客户端根据带宽动态选择合适的块。

内容分发网络（CDN）

定义：通过分布式服务器网络存储和传输内容，提高传输效率。
部署方式：
- 深度部署：将服务器部署到接近用户的网络边缘（如 Akamai）。
- 回家部署：在多个中心位置设置大型服务器集群（如 Limelight）。

2.7 使用 UDP 和 TCP 的套接字编程

套接字基础

定义：应用程序与传输层之间的接口。
分类：
- UDP 套接字：无连接，适合快速传输但可能丢包。
- TCP 套接字：面向连接，确保可靠、顺序传输。

编程示例

UDP 示例：
- 客户端发送数据包，服务器接收并返回。
- 无需建立连接，代码简单，但不保证数据可靠性。
TCP 示例：
- 客户端与服务器通过三次握手建立连接。
- 适合需要可靠传输的应用，如文件传输。

总结与复习重点

核心协议：HTTP、SMTP、DNS、TCP/UDP。
应用架构：
- 客户端-服务器模型适合集中式应用。
- P2P 模型适合分布式文件共享。
关键机制：
- DNS 的分层与缓存机制。
- HTTP 的无状态性与缓存优化。
- DASH 自适应视频流传输。
实践应用：
- DNS 故障排查。
- 使用套接字实现简单的网络应用。

第三章：传输层

章节结构

传输层服务
多路复用与解复用
无连接传输：UDP
可靠数据传输的基本原理
面向连接传输：TCP
- 段结构
- 可靠数据传输
- 流量控制
- 连接管理
拥塞控制的基本原理
TCP 拥塞控制

3.1 传输层服务

传输层的作用

提供主机间进程到进程的逻辑通信。
传输层协议运行在端系统：
- 发送端：将应用层消息划分为段，交给网络层。
- 接收端：将接收的段重组为消息，并交给应用层。

主要传输层协议

TCP（传输控制协议）
- 面向连接，可靠传输。
- 提供流量控制和拥塞控制。
UDP（用户数据报协议）
- 无连接，尽力而为，不保证可靠性。

传输层与网络层的区别：

网络层提供主机到主机的通信。
传输层提供进程到进程的通信（更细粒度）。

3.2 多路复用与解复用

定义

多路复用：发送端将来自多个应用的数据封装到传输层段中，分发到网络层。
解复用：接收端根据段头信息（端口号）将数据交付给正确的应用进程。

如何工作

IP 数据报包含：
1. 源 IP 地址、目标 IP 地址。
2. 源端口号、目标端口号（用于选择正确的套接字）。
UDP 多路复用与解复用：
- 仅使用目标端口号。
- 相同目标端口号的数据报可能来自不同源地址/端口号，但会被交付到同一个套接字。
TCP 多路复用与解复用：
- 使用 4 元组（源 IP、源端口、目标 IP、目标端口）标识连接。
- 每个 TCP 连接都有唯一的套接字。

3.3 无连接传输：UDP

UDP 的特点

简单、无连接：
- 不需要握手过程。
- 每个段独立处理。
不可靠传输：
- 数据可能丢失或乱序。
- 不提供流量控制或拥塞控制。

UDP 的优点

低开销（小报头）。
适合对时延敏感的应用（如实时多媒体、DNS）。

UDP 报文段结构

头部字段：
- 源端口号、目标端口号。
- 长度：段的总字节数。
- 校验和：用于错误检测。

3.4 可靠数据传输的基本原理

可靠数据传输协议（RDT）

RDT 1.0：假设信道可靠，无数据丢失或损坏。
RDT 2.0：支持有错误的信道。
- 错误检测：通过校验和。
- 反馈机制：使用 ACK（确认）和 NAK（否认）消息。
- 缺陷：如果 ACK/NAK 损坏，无法判断是否需要重传。
RDT 2.1 和 2.2：
- 添加序列号以区分重复分组。
- 使用无 NAK 协议（重复 ACK 代替 NAK）。
RDT 3.0：处理丢包的信道。
- 添加超时机制。
- 停等协议：每次发送一个分组，等待确认后再发送下一个。

3.5 面向连接传输：TCP

TCP 的特点

面向连接：
- 需要三次握手建立连接。
- 每个连接由 4 元组（源 IP、源端口、目标 IP、目标端口）标识。
可靠性：
- 使用序列号和确认号。
- 重传机制：基于超时或快速重传（三次重复 ACK）。
流量控制：防止发送端超出接收端的处理能力。
拥塞控制：防止网络过载。

TCP 段结构

关键字段：
1. 序列号：分组中第一个字节的编号。
2. 确认号：期望接收的下一个字节序号。
3. 接收窗口：接收端可用的缓冲区大小（用于流量控制）。
4. 标志位：SYN（同步）、FIN（结束）、ACK（确认）等。

TCP 流量控制

基于滑动窗口机制：
- 发送端根据接收端的接收窗口（rwnd）调整发送速率。
- 防止接收端缓冲区溢出。

TCP 连接管理

连接建立：三次握手。
- 客户端发送 SYN，同步序列号。
- 服务器发送 SYN-ACK，确认并同步序列号。
- 客户端发送 ACK，连接建立。
连接关闭：四次挥手。
- 双方分别发送 FIN 和 ACK 关闭连接。

3.6 拥塞控制的基本原理

定义

拥塞：网络中过多的数据导致性能下降。
拥塞控制：解决网络资源竞争，避免拥塞发生。

拥塞的表现

分组丢失（路由器缓冲区溢出）。
分组排队延迟增大。

拥塞的代价

不必要的重传降低了有效吞吐量。
上游传输资源浪费。

3.7 TCP 拥塞控制

TCP 的拥塞控制机制

慢启动（Slow Start）：
- 初始拥塞窗口（cwnd）为 1 MSS。
- 每次接收 ACK，将 cwnd 翻倍。
- 指数增长，直到达到慢启动阈值（ssthresh）。
拥塞避免（Congestion Avoidance）：
- cwnd 每 RTT 增加 1 MSS（线性增长）。
快速重传与快速恢复：
- 快速重传：接收 3 个重复 ACK 后立即重传丢失分组。
- 快速恢复：将 cwnd 减半，而不是重置为 1 MSS。

TCP 的 AIMD 算法

加性增加，乘性减少：
- 每 RTT 增加 cwnd。
- 检测到丢包时，将 cwnd 减半。

TCP 吞吐量公式

平均吞吐量 ≈ (3/4) * W / RTT。
- W：丢包时的窗口大小。
- RTT：往返时延。

3.8 高速网络与新型传输协议

TCP 在高速网络中的挑战

大带宽、长时延的链路需要更大的窗口大小。
TCP CUBIC：Linux 默认 TCP 拥塞控制算法。
- 通过更快地接近最大窗口（Wmax）提高吞吐量。

QUIC 协议

基于 UDP 的新型传输协议，改进了 TCP 的性能：
- 更快的连接建立（一次握手）。
- 内置的可靠性、拥塞控制和加密。

总结与复习重点

传输层功能：从主机到主机的通信扩展到进程到进程。
协议对比：
- UDP：简单、无连接、不可靠。
- TCP：复杂、面向连接、可靠。
关键机制：
- 多路复用与解复用。
- TCP 的流量控制与拥塞控制。
- 可靠数据传输的实现原理。
应用场景：
- UDP 适用于实时应用（如视频流）。
- TCP 适用于可靠性要求高的应用（如文件传输）。

第四章：网络层——数据平面

章节结构

网络层概述
路由器的内部结构
IP 协议
- 数据报格式
- 分片与重组
- IPv4 地址
- 网络地址转换（NAT）
- IPv6
泛化转发与软件定义网络（SDN）
- 匹配
- 动作
- OpenFlow 示例

4.1 网络层概述

网络层的作用

网络层的主要功能是提供主机到主机的通信服务，负责将传输层消息封装成数据报并传递至目的地。

发送端：将传输层消息封装到 IP 数据报中。
接收端：从 IP 数据报中提取传输层消息，并传递给传输层。
路由器：检查每个通过的 IP 数据报头部信息，并决定如何转发。

网络层的两大核心功能

转发：
- 在路由器内部，将数据包从输入端口移动到适当的输出端口。
- 类比：从高速公路的一个出口进入另一个出口。
路由：
- 决定数据包从源到目的地的路径。
- 类比：规划从起点到终点的整体旅行路线。

数据平面与控制平面

数据平面：
- 定义：每个路由器的本地功能，决定如何根据数据报头部信息将其转发到正确的输出端口。
- 特点：局部、快速，通常在硬件中实现。
控制平面：
- 定义：全网范围的逻辑，用于决定数据包在网络中的路由路径。
- 两种实现方式：
  1. 传统路由算法：所有计算在路由器内完成。
  2. 软件定义网络（SDN）：集中式控制器在远程服务器上计算路由。

4.2 路由器的内部结构

路由器架构的主要组件

输入端口：
- 功能：
  1. 终止物理链路（物理层）。
  2. 执行数据链路层协议（如以太网）。
  3. 根据转发表查找数据包的输出端口。
- 去中心化处理：输入端口可以独立完成查表操作（“匹配+动作”），以实现高效率。
- 排队与阻塞：当到达速率超过交换速率时，可能出现排队和丢包。
交换结构：
- 功能：将数据包从输入端口传输到正确的输出端口。
- 实现方式：
  1. 内存交换：数据包通过共享内存进行传输（速度受限于内存带宽）。
  2. 总线交换：通过共享总线传输数据包（速度受限于总线带宽）。
  3. 交叉交换：使用交叉开关网络，支持多个输入输出同时通信（高性能）。
输出端口：
- 功能：
  1. 存储从交换结构传来的数据包。
  2. 执行排队调度并发送数据包。
- 排队与丢包：当数据包到达速率超过输出链路速率时可能出现缓冲区溢出。
路由处理器：
- 功能：执行路由协议、维护转发表、管理网络层控制功能。
- 实现：通常通过软件运行在路由器 CPU 上。

示例：最长前缀匹配

路由器使用最长前缀匹配查找转发表中的路由。
例子：
- 数据包目的地址：11001000 00010111 00011000 10101010。
- 转发表：
  前缀接口
  11001000 00010111 00010*** ********* 0
  11001000 00010111 00011000 ********* 1
  11001000 00010111 00011*** ********* 2
  匹配规则：选择匹配位数最多的条目，因此选择接口 1。

4.3 IP 协议

IP 数据报格式

关键字段：
1. 版本号：IPv4 或 IPv6。
2. 首部长度：IP 首部的长度（通常为 20 字节）。
3. 源 IP 地址和目标 IP 地址。
4. 生存时间（TTL）：防止数据包无限循环。
5. 数据总长度：数据报的总字节数（包括首部和数据）。

IP 分片与重组

原因：不同链路的最大传输单元（MTU）可能不同。
过程：
- 大数据报在路由器中被分片。
- 分片的数据报在目的地重组。
示例：
- 初始数据报大小：4000 字节。
- MTU：1500 字节。
- 结果：
  1. 分片 1：1480 字节数据 + 20 字节头部。
  2. 分片 2：1480 字节数据 + 20 字节头部。
  3. 分片 3：1040 字节数据 + 20 字节头部。

IPv4 地址与子网

IP 地址：
- 32 位标识符，包括网络部分和主机部分。
- CIDR（无类别域间路由）：使用前缀表示法（如 200.23.16.0/23）。
子网：
- 定义：相同网络部分的设备集合，子网内设备无需路由即可通信。
- 子网掩码：用于提取网络部分（如 /24 表示前 24 位为网络部分）。

动态主机配置协议（DHCP）

功能：动态分配 IP 地址。
工作流程：
1. 主机发送 DHCP Discover 广播消息。
2. DHCP 服务器回复 DHCP Offer。
3. 主机发送 DHCP Request 确认请求。
4. DHCP 服务器发送 DHCP ACK 确认分配。

网络地址转换（NAT）

功能：将私有 IP 地址映射为全局唯一的公共 IP 地址。
优点：
1. 节省 IP 地址。
2. 提高网络安全性（隐藏内部网络结构）。

示例：

内部地址：10.0.0.1。
NAT 地址：138.76.29.7。

NAT 表：

内部地址:端口 外部地址:端口
10.0.0.1:3345    138.76.29.7:5001

IPv6

动机：IPv4 地址耗尽。
特点：
1. 扩展地址空间（128 位地址）。
2. 固定长度的 40 字节头部。
3. 移除校验和字段以简化处理。
过渡机制：隧道技术（将 IPv6 数据报封装为 IPv4 数据报的有效载荷）。

4.4 泛化转发与软件定义网络（SDN）

泛化转发

定义：根据任意头部字段而非仅目的地址进行转发。
实现：采用流表（flow table），由控制器计算并分发。
流表字段：
- 匹配（Match）：头部字段值。
- 动作（Action）：对匹配数据包执行的操作（如转发、丢弃、修改）。
- 计数器（Counters）：记录匹配流量的字节数与包数。

OpenFlow 示例

场景：主机 h5 和 h6 的数据包需通过交换机 s1 和 s2 转发到主机 h3 或 h4。

流表规则：

匹配条件             动作
src=10.3.*.*, dest=10.2.*.*  转发到端口 3
ingress port=2, dest=10.2.0.3 转发到端口 4

总结与复习重点

核心功能：
- 转发（数据平面）与路由（控制平面）。
关键协议：
- IPv4、IPv6、NAT、DHCP。
路由器内部：
- 输入端口、交换结构、输出端口和路由处理器。
新技术：
- 泛化转发与 SDN，简化网络管理。

第五章：网络层——控制平面

章节结构

引言
路由协议
- 链路状态算法（Link State）
- 距离向量算法（Distance Vector）
互联网内部自治系统路由（OSPF）
自治系统之间的路由（BGP）
软件定义网络（SDN）控制平面
互联网控制报文协议（ICMP）
网络管理与 SNMP

5.1 引言

网络层的两大功能

转发（Forwarding）：
- 数据平面功能：将数据包从输入端口移动到适当的输出端口。
路由（Routing）：
- 控制平面功能：计算从源到目的地的路径。

两种控制平面实现方式

传统的分布式控制：
- 每个路由器运行独立的路由算法，计算自己的转发表。
逻辑集中式控制（SDN）：
- 采用集中式控制器，由控制器计算并分发转发表。

5.2 路由协议

路由协议的目标是确定从源主机到目的主机的“最佳路径”（如最低成本或最短时间）。

网络抽象：图模型

节点：路由器。
边：路由器之间的链路，带有成本（如带宽、时延或拥塞水平）。
路径成本：路径上所有链路成本的总和。

路由算法分类

全局路由算法（链路状态算法）：
- 所有路由器都有网络拓扑的完整信息。
- 通过链路状态广播实现。
分布式路由算法（距离向量算法）：
- 每个路由器只知道与其直接相连的邻居信息。
- 通过与邻居交换信息迭代计算。

链路状态算法（Link State）

使用 Dijkstra 算法 计算单源最短路径。

Dijkstra 算法步骤

初始化：
- 将源节点加入集合 N'，初始路径成本为 0。
- 对于其他节点，设置初始路径成本为 ∞。
迭代：
- 从未加入 N' 的节点中选择路径成本最小的节点，并将其加入 N'。
- 更新其他节点的路径成本。
重复，直到所有节点都被加入 N'。

示例

给定以下网络拓扑：

u---1---x---2---y---3---z

初始状态：N' = {u}，路径成本为 D(u) = 0，其他节点为 ∞。
第一步加入 x：D(x) = 1。
第二步加入 y：D(y) = 3。
第三步加入 z：D(z) = 6。

算法复杂度

时间复杂度：O(n²)（n 是节点数）。
使用更高效的数据结构（如优先队列）可优化为 O(n log n)。

距离向量算法（Distance Vector）

基于 Bellman-Ford 方程：

Dx(y) = min {c(x, v) + Dv(y)}

其中：

Dx(y) 是从节点 x 到节点 y 的最短路径成本。
c(x, v) 是节点 x 到邻居 v 的链路成本。
Dv(y) 是邻居 v 到 y 的最短路径成本。

工作机制

每个节点维护一个距离向量，表示到每个目的地的路径成本。
节点周期性向邻居发送自己的距离向量。
接收到邻居的距离向量后，更新自己的距离向量。

示例

节点 x 的初始距离向量：Dx = [0, 2, 7]。

从邻居 y 接收到 Dy = [2, 0, 1] 后，更新：

Dx(z) = min{c(x, y) + Dy(z), Dx(z)} = min{2 + 1, 7} = 3

问题

计数到无穷问题：路径成本可能无限增加（如链路失效时）。
解决方法：毒性逆转（Poisoned Reverse），即路由器通过某节点到目标的路径成本报告为 ∞。

5.3 互联网内部自治系统路由：OSPF

OSPF（开放最短路径优先）特点

链路状态路由协议：
- 每个路由器维护整个自治系统（AS）的拓扑图。
- 使用 Dijkstra 算法计算最短路径。
分层结构：
- 将 AS 分为多个区域（Area），每个区域内进行链路状态广播。
- 区域边界路由器负责汇总区域信息。
特性：
- 支持多条等价成本路径。
- 强调安全通信（认证机制）。

5.4 自治系统之间的路由：BGP

BGP（边界网关协议）特点

作用：
- 在自治系统（AS）之间传播可达性信息。
- 选择“最佳”路径到达外部网络。
两种 BGP 会话：
- eBGP：AS 之间的 BGP 会话。
- iBGP：AS 内部的 BGP 会话。
路径选择规则：
- 根据 AS-PATH（路径中经过的 AS 列表）选择最短路径。
- 使用策略决定是否接受或传播路径。

BGP 消息类型

OPEN：建立会话并进行身份验证。
UPDATE：传播新路径或撤销旧路径。
KEEPALIVE：保持连接存活。
NOTIFICATION：报告错误或关闭连接。

5.5 软件定义网络（SDN）控制平面

SDN 的核心思想

控制平面与数据平面分离：
- 数据平面：负责包的转发。
- 控制平面：通过集中式控制器管理整个网络的转发表。
优点：
- 提高网络管理的灵活性（集中式配置）。
- 支持复杂的流量工程（如负载均衡）。

OpenFlow 协议

定义控制器与交换机之间的通信。
消息类型：
1. 控制器到交换机：
  - 修改流表（如添加、删除规则）。
  - 查询交换机状态。
2. 交换机到控制器：
  - 报告异常事件（如端口状态变化）。
  - 将未匹配的数据包发送到控制器。

5.6 互联网控制报文协议（ICMP）

ICMP 的功能

错误报告：
- 如目标不可达（Type 3）。
- TTL 超时（Type 11）。
诊断工具：
- Ping：测试连通性（Echo 请求与应答）。
- Traceroute：跟踪数据包路径。

5.7 网络管理与 SNMP

SNMP（简单网络管理协议）

组成：
- 管理实体：收集和分析网络数据。
- 代理（Agent）：驻留在被管理设备上，维护管理信息库（MIB）。
工作模式：
- 请求/响应模式：管理实体主动请求数据。
- 陷阱模式（Trap）：代理主动向管理实体报告异常。

总结与复习重点

路由协议：
- OSPF（链路状态）和 BGP（路径向量）。
- 计数到无穷问题及其解决方法。
SDN 核心：
- 控制平面与数据平面分离。
- OpenFlow 协议实现集中式管理。
网络工具：
- ICMP 用于网络诊断。
- SNMP 用于网络管理。

第六章：链路层与局域网

章节结构

引言与服务
错误检测与纠正
多路访问协议
局域网（LANs）
- 地址与 ARP
- 以太网
- 交换机
- 虚拟局域网（VLANs）
链路虚拟化：多协议标签交换（MPLS）
数据中心网络
Web 请求的生命周期

6.1 引言与服务

链路层的作用

链路层负责在相邻节点之间传递数据报（datagram）。
数据报在链路层被封装成帧（frame）。

链路层的主要服务

帧封装与链路访问：
- 将网络层数据报封装为帧，添加头部和尾部。
- 若为共享介质，提供介质访问控制（MAC）。
- MAC 地址：用于标识帧的源和目标节点，与 IP 地址不同。
可靠传输：
- 无线链路上可能需要链路层的可靠性补充。
错误检测与纠正：
- 检测数据传输中可能出现的比特错误。
- 错误纠正允许无需重传即可修正比特错误。
流量控制：
- 在相邻节点之间实现发送与接收的速率匹配。
半双工与全双工通信：
- 半双工：双向传输，但同一时间只允许一个方向的数据流动。
- 全双工：双向同时传输。

6.2 错误检测与纠正

错误检测

奇偶校验（Parity Check）：
- 单比特奇偶校验：检测单个比特错误。
- 二维奇偶校验：不仅能检测，还可以纠正单比特错误。
校验和（Checksum）：
- 在传输层（如 UDP）使用。
- 将数据视为 16 位整数的序列，计算 1 的补码和，用于错误检测。
循环冗余校验（CRC）：
- 检测能力强，广泛应用于以太网、WiFi 等。
- 基于数据和生成多项式 G，计算校验位 R：
  R = remainder(D * 2^r / G)
- 检测突发错误的概率非常高。

6.3 多路访问协议

链路类型

点对点链路：如拨号 PPP 链路。
广播链路：多节点共享同一通信介质（如以太网、WiFi）。

多路访问协议分类

信道划分协议：
- 时分多路访问（TDMA）：分时复用。
- 频分多路访问（FDMA）：分频复用。
随机访问协议：
- 允许冲突发生，通过随机重传恢复。
- ALOHA、CSMA/CD（以太网）、CSMA/CA（WiFi）。
轮流协议：
- 节点轮流访问信道。
- 如轮询和令牌传递协议。

典型协议

ALOHA：
- 纯 ALOHA：节点立即发送，冲突概率高，效率约为 18%。
- 时隙 ALOHA：节点在时隙开始时发送，效率提升至 37%。
CSMA（载波侦听多路访问）：
- 在发送前监听信道是否空闲。
- CSMA/CD（冲突检测）：
  - 适用于有线网络（如以太网）。
  - 发生冲突时，立即中止传输，节省信道资源。
令牌传递协议：
- 控制令牌在节点间传递，持有令牌的节点可发送数据。
- 避免冲突，但可能面临令牌丢失问题。

6.4 局域网（LANs）

MAC 地址与 ARP

MAC 地址：
- 长度：48 位，通常以 16 进制表示（如 1A-2F-BB-76-09-AD）。
- 特点：与硬件绑定，全球唯一（由 IEEE 管理分配）。
- 区别：
  - IP 地址：用于全局网络通信，基于网络拓扑。
  - MAC 地址：用于局部链路通信。
ARP（地址解析协议）：
- 功能：通过 IP 地址解析 MAC 地址。
- 工作过程：
  1. 主机广播 ARP 请求，目标 IP 地址为查询对象。
  2. 目标主机回复其 MAC 地址。
  3. 查询主机将 IP-MAC 映射缓存到 ARP 表中。

以太网

以太网帧结构：
- 包含目的 MAC 地址、源 MAC 地址、类型字段、数据和 CRC 校验。
- 类型字段：标识上层协议（如 IP 协议）。
特点：
- 无连接：发送端和接收端之间没有握手。
- 不可靠：
  - 丢弃错误帧，无确认或重传机制。
  - 数据可靠性由上层协议（如 TCP）保证。
拓扑结构：
- 总线型：所有节点共享同一条通信线路。
- 星型：使用交换机连接，各节点独立通信，无冲突。

交换机

功能：
- 链路层设备，基于 MAC 地址转发帧。
- 提供全双工通信，不同端口间无冲突。
工作机制：
- 自学习：
  - 通过接收帧学习源 MAC 地址与端口的对应关系。
  - 维护转发表，记录 MAC 地址、端口和时间戳。
- 转发与过滤：
  - 若目标地址在转发表中，则将帧转发至对应端口。
  - 若不在表中，则广播帧。
优势：
- 支持多路并行传输。
- 隔离冲突域，提高网络效率。

VLAN（虚拟局域网）

动机：
- 提供逻辑上的网络隔离。
- 减少广播流量，提升安全性。
特点：
- 基于端口的 VLAN：通过交换机端口划分 VLAN。
- 跨交换机 VLAN：
  - 使用 802.1Q 协议，在帧中添加 VLAN ID。

6.5 链路虚拟化：MPLS

多协议标签交换（MPLS）：
- 在链路层实现虚拟电路的功能。
- 使用固定长度的标签（而非 IP 地址）进行转发，加速查找。
特点：
- 支持流量工程：根据源地址和目标地址选择不同路径。
- 快速重路由：在链路失效时使用预计算的备份路径。
MPLS 转发表：
- 基于标签值转发，而不依赖 IP 地址。

6.6 数据中心网络

特点：
- 包含数万台服务器，通常用于电商、搜索引擎、内容分发等。
- 需要高带宽和高可靠性。
架构：
- 层次结构：
  - 服务器通过 TOR（Top-of-Rack）交换机连接。
  - 多层交换机提供冗余和高吞吐量。
- 负载均衡器：
  - 在应用层路由流量。
  - 分配客户端请求，隐藏数据中心内部架构。

6.7 Web 请求的生命周期

以请求 www.google.com 为例，完整描述协议栈的应用：

DHCP：
- 获取 IP 地址、默认网关和 DNS 服务器地址。
ARP：
- 查询默认网关的 MAC 地址。
DNS：
- 将 www.google.com 转换为 IP 地址。
TCP 三次握手：
- 建立到 Web 服务器的连接。
HTTP 请求与响应：
- 发送 HTTP GET 请求，接收 Web 页面。

总结与复习重点

链路层核心功能：
- 错误检测与纠正、多路访问控制、链路层地址解析。
关键技术：
- 以太网、交换机、自学习机制。
- VLAN 提供逻辑隔离，MPLS 提供高效转发。
Web 请求的完整协议栈应用：
- 结合链路层、网络层、传输层和应用层的协作。

第七章：无线与移动网络

本章内容主要围绕无线与移动网络的特点、技术及其实现展开，涉及无线通信的基本概念、移动用户的地址管理与数据路由、具体协议（如IEEE 802.11与移动IP）以及无线网络对高层协议的影响。

7.1 介绍

当前无线用户数已远超有线用户（如5:1比例）。
无线设备（如笔记本、智能手机）支持随时随地的网络访问。
无线网络面临两大挑战：
1. 无线通信：如何在无线链路上传递数据。
2. 移动性：如何支持用户在切换接入点时保持连接。

7.2 无线链路及其特性

无线链路具有以下显著特性：

信号衰减：无线信号在传播中会逐渐减弱。
干扰：同频率设备间的干扰、环境中的电磁波干扰。
多径传播：信号反射导致接收端接收到多个不同延时的信号，影响通信质量。

信噪比（SNR）与误码率（BER）

SNR：信号与噪声的比值，SNR越高，通信越可靠。
BER：误码率，SNR越高，BER越低。
动态调整：根据SNR调整物理层的调制技术，如:
- QAM256（高吞吐量，低SNR适应性）。
- BPSK（低吞吐量，高SNR适应性）。

7.3 IEEE 802.11 无线局域网（Wi-Fi）

802.11标准

802.11b：2.4 GHz频段，最高11 Mbps。
802.11a/g：5 GHz频段，最高54 Mbps。
802.11n：支持多天线，最高200 Mbps。
802.11ac：更高数据速率，适用于现代Wi-Fi。

802.11网络架构

基础设施模式：
- 通过接入点（AP）连接到有线网络。
- 支持“切换”（handoff），用户可在不同AP之间移动。
Ad Hoc模式：
- 无接入点，节点间直接通信，适用于临时组网。

信道与关联

频谱划分：802.11b将2.4GHz-2.485GHz分为11个信道。
关联（Association）：
- 主动扫描：设备主动发送探测帧，寻找可用AP。
- 被动扫描：设备监听AP发送的信标帧。

多路访问控制（MAC）

CSMA/CA协议：
- 检测信道空闲后发送数据。
- 避免碰撞：发送RTS（请求发送）和CTS（允许发送）帧进行信道预留。
帧结构：
- 包含源地址、目标地址、AP地址等，支持基础设施模式和Ad Hoc模式。

高级功能

速率自适应：根据SNR动态调整传输速率。
节能管理：设备可进入“休眠模式”，并定期唤醒接收AP的信标帧。

7.4 蜂窝网络接入

蜂窝网络架构

基站（BS）：连接移动设备和有线网络。
移动交换中心（MSC）：负责呼叫建立和移动性管理。
频谱共享：
- FDMA/TDMA：频率和时间的划分。
- CDMA：通过独特的编码允许多个用户共享相同的频率。

蜂窝网络演进

2G：如GSM，主要支持语音。
3G：增加数据服务，使用分组数据核心网络（GPRS）。
4G LTE：核心网络基于IP，统一承载语音与数据。

7.5 移动性的基本原理

术语

家庭网络（Home Network）：用户的永久网络。
访问网络（Visited Network）：用户当前所在的网络。
永久地址（Permanent Address）：固定的IP地址，用于标识用户。
转交地址（Care-of-Address）：临时分配的地址，用于路由转发。
家庭代理（Home Agent）：负责跟踪用户位置并转发数据。
外部代理（Foreign Agent）：在访问网络中代表用户。

移动性管理方式

间接路由：
- 通信由家庭代理转发至外部代理，再转发到移动用户。
- 存在“三角路由”问题，效率较低。
直接路由：
- 通信方直接获取用户的转交地址，减少转发步骤。
- 需要动态更新地址，复杂度较高。

7.6 移动IP

定义：RFC 3344，支持在不同网络之间切换时保持IP地址不变。
功能组件：
1. 间接路由：家庭代理负责转发数据。
2. 代理发现：通过ICMP消息广播外部代理信息。
3. 注册：移动节点向家庭代理报告其转交地址。

数据转发流程

通信方向移动节点的永久地址发送数据包。
家庭代理接收数据包，封装后转发至外部代理。
外部代理解封数据包并交付给移动节点。

7.7 蜂窝网络中的移动性管理

位置管理

家庭位置寄存器（HLR）：存储用户的永久信息及当前位置。
访客位置寄存器（VLR）：存储用户的临时信息。

切换管理（Handoff）

同一MSC内切换：
- 原基站检测到信号变弱后触发切换。
- 新基站分配资源并通知移动设备切换。
跨MSC切换：
- 引入“锚点MSC”，所有数据通过锚点转发至当前基站。
- 可选路径优化步骤减少转发路径。

LTE中的移动性

寻呼（Paging）：广播消息定位空闲用户。
切换：
1. 准备阶段：新基站分配资源。
2. 执行阶段：用户切换到新基站。
3. 完成阶段：释放旧基站资源。

7.8 移动性对高层协议的影响

TCP性能问题：
- 无线链路的高误码率和切换延迟会导致TCP误判为网络拥塞，降低窗口大小。
实时流量：
- 延迟波动和丢包会影响实时应用（如语音、视频）。
带宽限制：
- 无线链路的带宽通常低于有线网络，需优化传输。

实例分析

CDMA编码与解码

每个用户分配唯一的“码”，数据通过与码的内积进行解码。
即使多个用户同时发送，接收端仍可通过码的正交性分离信号。

802.11的RTS-CTS机制

RTS帧：发送端请求信道占用。
CTS帧：接收端确认信道可用。
避免长数据帧的碰撞，提高传输效率。

移动IP的三角路由问题

数据需经过家庭代理转发，即使通信双方在同一网络中，导致效率低下。

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第一章：计算机网络概论

1.1 重要性与应用领域

1.2 基本概念与原理

1.3 互联网特征

1.4 重要问题与挑战

第二章：应用层

章节结构与主要内容

2.1 网络应用的基本原理

基础概念

2.2 Web 和 HTTP 协议

HTTP 基础

HTTP 特性

HTTP 消息格式

状态码

Web 缓存与代理

2.3 电子邮件协议

主要组件

SMTP（简单邮件传输协议）

POP3 与 IMAP

2.4 域名系统（DNS）

DNS 的作用

DNS 结构

查询过程

关键记录类型

2.5 对等（P2P）网络应用

特点

文件分发：BitTorrent

2.6 视频流与内容分发网络（CDN）

流媒体传输

内容分发网络（CDN）

2.7 使用 UDP 和 TCP 的套接字编程

套接字基础

编程示例

总结与复习重点

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第三章：传输层

章节结构

3.1 传输层服务

传输层的作用

主要传输层协议

3.2 多路复用与解复用

定义

如何工作

3.3 无连接传输：UDP

UDP 的特点

UDP 的优点

UDP 报文段结构

3.4 可靠数据传输的基本原理

可靠数据传输协议（RDT）

3.5 面向连接传输：TCP

TCP 的特点

TCP 段结构

TCP 流量控制

TCP 连接管理

3.6 拥塞控制的基本原理

定义

拥塞的表现

拥塞的代价

3.7 TCP 拥塞控制

TCP 的拥塞控制机制

TCP 的 AIMD 算法

TCP 吞吐量公式

3.8 高速网络与新型传输协议

TCP 在高速网络中的挑战

QUIC 协议

总结与复习重点

推荐学习资源

第四章：网络层——数据平面

章节结构

4.1 网络层概述

网络层的作用

网络层的两大核心功能

数据平面与控制平面

4.2 路由器的内部结构

路由器架构的主要组件

示例：最长前缀匹配

4.3 IP 协议

IP 数据报格式

IP 分片与重组