计算机网络--期末速通版

以下总结提纲来自于hcgg，伟大无需多言。socket编程没有写进去，Rdt的话我后来感觉可能只考概念，其余我感觉会考的部分都在里面了，如果有错误或者解释不清楚造成的疑问，希望大家及时指正，感谢。

应用层

DNS递归&迭代【画图】

区别

这个up画的图很直观的讲了这两者的区别（里面的问一次就是发一次域名请求消息）

查询方式使用

而DNS服务器有本地，顶级这些，具体的查询方式如下：

1. 在主机查询本地域名服务器的时候使用递归查询（记成本地服务器帮忙问）

2. 在本地服务器查询根、顶级、权威域名服务器的时候使用的是迭代查询（因为问的服务器没有义务帮忙问）

查询次数

DNS查询最少次数为1，这一次是直接查本地域名服务器就查到了。

DNS查询最多次数为4，1次本地域名服务器没查到，然后1次根域名服务器，也没查到，1次顶级域名服务器也没查到，1次权威域名服务器查到了。顺序是根-顶级-权威。

Http版本迭代

1. HTTP/1.0

每次请求需建立单独的 TCP 连接（短连接），请求完成后立即关闭。
无状态协议，不支持持久连接（Keep-Alive）。
性能差：频繁建立连接增加延迟。

2. HTTP/1.1

核心改进：
- 持久连接（默认启用 Keep-Alive）：一个 TCP 连接可处理多个请求/响应，减少延迟。
- 管道化（Pipelining）：允许连续发送多个请求（无需等待响应），但存在队头阻塞（HOL Blocking）问题。
- 缓存控制：新增 Cache-Control、ETag 等头部字段。
- 分块传输（Chunked Transfer）：支持流式传输。
缺点：
- 队头阻塞（前一个请求未完成会阻塞后续请求）。
- 头部冗余（每次请求携带重复的头部信息）。

3. HTTP/2

核心改进：
- 二进制协议：取代文本格式，解析更高效。
- 多路复用（Multiplexing）：单一 TCP 连接上并行传输多个请求/响应，解决队头阻塞。
- 头部压缩（HPACK）：减少冗余头部开销。
- 服务器推送（Server Push）：服务器可主动推送资源。
缺点：
- 仍依赖 TCP，可能因 TCP 丢包重传引发队头阻塞。

4. HTTP/3

核心改进：
- 基于 QUIC 协议：使用 UDP 替代 TCP，解决 TCP 的队头阻塞和握手延迟。
- 内置加密：默认使用 TLS 1.3，安全性更高。
- 快速连接建立：0-RTT（零往返时间）恢复连接。
- 改进的多路复用：每个数据流独立传输，彻底解决队头阻塞。
优势：
- 更适合高延迟、不稳定网络（如移动端）。

对比总结

版本	核心协议	连接方式	关键改进	主要问题
HTTP/1.0	TCP	短连接	基础文本协议	性能差
HTTP/1.1	TCP	持久连接	管道化、缓存控制	队头阻塞、头部冗余
HTTP/2	TCP	多路复用	二进制、头部压缩、服务器推送	TCP 层队头阻塞
HTTP/3	QUIC/UDP	独立流传输	无队头阻塞、0-RTT、内置加密	兼容性需提升

CDN

概念

CDN（Content Delivery Network，内容分发网络）是一个分布式服务器网络，用于快速、高效地向用户分发静态和动态内容（如网页、视频、图片等）。

作用

加速访问：将内容缓存到离用户最近的服务器，减少延迟。
减轻源站压力：分担流量，避免服务器过载。
提高可用性：即使部分节点故障，仍可提供服务。

工作原理

用户请求资源时，CDN 会智能选择最近的边缘服务器响应。
若边缘服务器没有缓存，则从源站获取并缓存，供后续用户使用。

P2P

P2P（Peer-to-Peer，对等网络）是一种去中心化的网络架构，其中所有节点（Peer）地位平等，既可以是客户端（请求数据），也可以是服务器（提供数据）。

应用下载使用的种子节点、区块链这些，没有什么好说的

传输层

TCP三次握手四次挥手【画图】

UDP

UDP（用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，提供简单、不可靠的数据传输服务。

主要特点

无连接：无需建立连接即可发送数据。
不可靠：不保证数据顺序、不重传丢失报文。
高效：头部开销小（仅8字节），传输延迟低。
支持广播/多播：可向多个目标同时发送数据。

与TCP的主要区别

TCP可靠、有连接、保证顺序；UDP不可靠、无连接、不保证顺序。
TCP适合文件传输；UDP适合实时性要求高的应用。

拥塞控制&流量控制

拥塞控制算法

流量控制算法

这个一般会结合TCP三次握手四次挥手去考

RDT

RDT（可靠数据传输协议，Reliable Data Transfer）是一种确保数据在不可靠信道上可靠传输的机制，通常用于传输层（如TCP）或应用层协议设计。核心目的是确保数据无差错、不丢失、不重复、按序到达接收端。

主要技术

校验和：检测数据错误（如CRC、校验和）。
确认（ACK）与重传：接收方确认成功接收，发送方超时未收到ACK则重传。
序号（Sequence Number）：标识数据包，解决乱序和重复问题。
滑动窗口：允许连续发送多个包，提高效率（如TCP的窗口机制）。

RDT 1.0（理想可靠信道）

假设：底层信道完全可靠（无比特差错、无丢包、无乱序）。
机制：无需任何额外控制（如校验、ACK、序号等），直接发送和接收数据。
问题：现实中不存在完全可靠的信道，仅作为理论基准。

RDT 2.0（处理比特差错）

问题：信道可能发生比特差错（如数据损坏）。
机制：
- 校验和（Checksum）：检测数据是否出错。
- ACK/NAK：
  - 接收方校验无误 → 回复 ACK（确认）。
  - 校验出错 → 回复 NAK（否定确认），要求重传。
- 重传：发送方收到NAK或未收到反馈时重发数据。
缺陷：
- 若 ACK/NAK 本身丢失或损坏，发送方无法区分是否需重传，可能导致重复或丢包。

RDT 2.1（引入序号解决ACK/NAK丢失）

改进点：在RDT 2.0基础上增加序号（0/1），解决ACK/NAK丢失导致的歧义。
机制：
- 每个数据包携带1比特序号（交替0和1）。
- 接收方通过序号判断是否收到重复包（如收到相同序号则丢弃并重发ACK）。
示例：
- 发送方发送包（seq=0）→ 接收方回复ACK0。
- 若ACK0丢失，发送方超时重发包（seq=0）→ 接收方发现重复，丢弃包并再次回复ACK0。

RDT 2.2（取消NAK，仅用ACK+序号）

改进点：取消NAK，全部用带序号的ACK（如ACK0、ACK1）实现确认。
机制：
- 接收方若检测到错误，直接不回复ACK（发送方超时重传）。
- 若数据正确，回复下一个期望的序号（如收到seq=0，回复ACK1）。
优势：简化协议设计，与TCP的确认机制类似。

RDT 3.0（处理丢包问题）

问题：信道可能丢失数据包或ACK（不只有比特差错）。
机制：
- 超时重传计时器：发送方每次发送数据后启动计时器，若超时未收到ACK则重传。
- 序号+ACK：沿用RDT 2.2的序号机制，避免重复包问题。
关键点：
- 计时器时长需大于RTT（往返时间），否则会频繁误判丢包。
- 即使ACK丢失，超时重传仍能保证可靠性。
示例：
- 发送方发送包（seq=0）→ 若包丢失，接收方无反馈 → 发送方超时重传。
- 若ACK丢失，发送方超时重传 → 接收方通过序号去重。

各版本核心改进总结

版本	解决的问题	关键技术	缺陷或局限
1.0	无（理想信道）	无	不现实
2.0	比特差错	校验和、ACK/NAK、重传	ACK/NAK丢失导致歧义
2.1	ACK/NAK丢失	1比特序号（0/1）	仍需NAK机制
2.2	简化确认机制	仅用带序号的ACK	未解决丢包问题
3.0	数据包或ACK丢失	超时重传计时器	效率低（停等协议）

后续演进（超出基础RDT）

滑动窗口协议：RDT 3.0是停等协议（发1个包等1个ACK），效率低；滑动窗口允许连续发送多个包（如TCP）。
拥塞控制：纯RDT不解决网络拥塞问题，需额外机制（如TCP的慢启动、拥塞避免）。

总结：RDT通过逐步增加差错检测、序号、ACK、超时重传等机制，最终实现可靠传输，为TCP等协议奠定基础。

套接字编程

函数名	汉语名
socket()	创建套接字
bind()	绑定地址和端口
listen()	监听连接(TCP)
accept()	接受连接(TCP)
connect()	发起连接(TCP/UDP)
send()/write()	发送数据
recv()/read()	接收数据
sendto()	发送数据(UDP)
recvfrom()	接收数据(UDP)
inet_addr()/inet_aton()	IP地址转换
inet_ntoa()	IP地址转字符串
getaddrinfo()	地址信息查询
freeaddrinfo()	释放地址信息
setsockopt()	设置套接字选项
getsockopt()	获取套接字选项
close()/shutdown()	关闭套接字
select()/poll()/epoll()	I/O多路复用
fcntl()	文件控制
gethostbyname()	主机名解析(过时)

可靠数据传输协议

可靠数据传输协议（RDT）是一种确保数据在网络中无差错、不丢失、不重复、按序到达的传输机制，通常用于TCP等可靠传输协议。

引入技术

差错检测（如校验和 Checksum）
确认机制（ACK, Acknowledgement）
超时重传（Timeout & Retransmission）
序号机制（Sequence Number）
滑动窗口（Sliding Window）

回退N帧协议（GBN, Go-Back-N）

（1）基本思想

发送方维护一个固定大小的窗口（N），可以连续发送多个分组。
接收方只按序接收，丢弃所有乱序分组，并返回最后一个正确接收的ACK。
如果某个分组丢失或超时，发送方重传该分组及其之后的所有分组（“回退N帧”）。

（2）特点

✅ 简单，接收方只需维护一个期望的序号。
❌ 效率低，一旦丢包，需要重传大量分组。

选择重传协议（SR, Selective Repeat）

（1）基本思想

发送方和接收方各自维护一个滑动窗口。
接收方缓存乱序到达的分组，并返回每个正确接收的分组的ACK。
发送方只重传丢失或超时的分组，而不是全部回退。

（2）特点

✅ 高效，只重传丢失的分组，减少带宽浪费。
❌ 实现复杂，接收方需要缓存乱序分组，并管理多个ACK。

GBN vs SR 对比

特性	GBN（回退N帧）	SR（选择重传）
接收方式	只按序接收，丢弃乱序分组	缓存乱序分组
ACK机制	累积确认（只ACK最后一个正确接收的）	单独确认（每个分组都ACK）
重传策略	丢失分组及其后所有分组全部重传	仅重传丢失的分组
效率	低（可能重传大量数据）	高（只重传必要的分组）
实现复杂度	简单	复杂（需缓存乱序分组）

总结

GBN 适用于低错误率网络，实现简单但效率低。
SR 适用于高错误率网络，效率高但实现复杂。
TCP 实际结合了 GBN 和 SR 的思想（如快速重传、选择确认 SACK）。

网络层

IP与子网划分【计算题】

DHCP

概念

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是一种网络协议，用于自动为设备分配 IP 地址、子网掩码、默认网关和 DNS 服务器等网络配置信息。使设备能快速接入网络，广泛应用于家庭、企业等场景。

作用

自动分配 IP 地址：避免手动配置，减少错误。
集中管理网络参数：管理员可统一设置和更新。
提高 IP 利用率：动态回收和分配 IP，节省地址资源。

工作原理

发现（Discover）：客户端广播请求 IP 地址。
提供（Offer）：DHCP 服务器回应可用的 IP 地址。
请求（Request）：客户端确认选择该 IP。
确认（Acknowledge）：服务器正式分配 IP 并发送配置信息。

优点

简化网络管理，减少人工配置
支持 IP 地址的动态回收和复用
可扩展性强，适用于大规模网络

NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是一种网络技术，用于将私有（内网）IP 地址转换为公有（外网）IP 地址，使多台设备能共享一个公网IP访问互联网。

作用

节省 IPv4 地址：多个设备共用1个公网IP，缓解地址不足问题。
增强安全性：隐藏内网设备真实IP，防止外部直接访问。
解决地址冲突：允许不同内网使用相同的私有IP段（如192.168.1.x）。

常见类型

静态NAT：一对一固定映射（如将内网服务器暴露到公网）。
动态NAT：多对多IP池映射（临时分配公网IP）。
PAT（NAPT）：多对一映射，通过不同端口区分设备（最常见，家庭路由器即采用此方式）。

Traceroute

Traceroute（路由追踪）是一种网络诊断工具，用于检测数据包从源主机到目标主机经过的所有网络路径（路由器跳数），并测量每跳的延迟时间。Traceroute 通过TTL机制追踪网络路径，是网络管理员常用的故障诊断工具。

作用

显示数据包传输路径
检测网络故障节点（如丢包、高延迟）
分析网络拓扑结构

工作原理

发送TTL（生存时间）递增的探测包（ICMP/UDP/TCP）
每经过一个路由器，TTL减1，当TTL=0时返回"超时"响应
通过收集各跳的响应IP和耗时，构建完整路径

路由CS+DV【迪杰斯特拉算法】

数据链路层

CRC 校验和与差错检测

性能比较

CRC > 校验和 > 差错检测

CRC算法内容

校验和与奇偶校验

通信划分协议

FDM分频率、TDM分时间、CDM分编码，三者分别通过频域、时域和编码域实现多路信号共享信道。

FDM（频分复用，Frequency Division Multiplexing）

原理：将总带宽划分为多个不同频率的子信道，每个信号占用一个频段。
特点：
- 各信号并行传输，互不干扰（如广播电台、Wi-Fi信道）。
- 需要保护频带（Guard Band）防止串扰。
应用：传统电话系统、无线电广播、有线电视（CATV）。

TDM（时分复用，Time Division Multiplexing）

原理：将时间划分为固定时隙，每个信号轮流占用全部带宽的特定时间段。
特点：
- 按时间片轮转（如CPU时间片调度）。
- 需严格同步时钟（如SDH光纤通信）。
应用：传统电话PCM系统、4G LTE的时隙分配。

CDM（码分复用，Code Division Multiplexing）

原理：为每个信号分配唯一编码（扩频码），所有信号共享同一频段和时间，通过编码区分。
特点：
- 抗干扰能力强（如军事通信）。
- 支持软容量（用户数灵活增减）。
应用：3G（CDMA2000）、GPS信号、Wi-Fi DSSS技术。

对比总结

复用技术	划分维度	典型场景	核心优势	主要缺点
FDM	频率	广播、ADSL	简单易实现	带宽利用率低
TDM	时间	传统电话、光纤通信	延迟稳定	需精确同步
CDM	编码	3G网络、卫星通信	抗干扰、安全性高	实现复杂

随机访问协议

ALOHA简单但效率低，CSMA通过监听信道显著提升性能；CSMA/CD用于有线网络，CSMA/CA解决无线冲突问题。

ALOHA（纯ALOHA & 时隙ALOHA）

原理：
- 纯ALOHA：用户有数据就立刻发送，冲突后随机退避重发。
- 时隙ALOHA：时间被划分为时隙，用户只能在时隙起点发送。
特点：
- 无需监听信道，实现简单。
- 信道利用率低（纯ALOHA仅18%，时隙ALOHA约36%）。
应用：早期卫星通信、RFID标签。

CSMA（载波监听多路访问，Carrier Sense Multiple Access）

原理：发送前先监听信道：
- 非持续CSMA：信道忙则随机等待后再监听。
- 1-持续CSMA：信道忙则持续监听，空闲立即发送。
- p-持续CSMA：信道空闲时以概率p发送。
改进版：
- CSMA/CD（用于以太网）：检测到冲突后立即停止发送。
- CSMA/CA（用于Wi-Fi）：通过ACK和退避机制避免冲突。
特点：
- 减少冲突概率，提高信道利用率。
- 需额外机制处理隐藏终端问题（如RTS/CTS）。
应用：有线以太网（CSMA/CD）、无线Wi-Fi（CSMA/CA）。

对比总结

协议	核心机制	信道利用率	典型场景	主要缺点
纯ALOHA	直接发送，冲突后重传	≤18%	早期卫星通信	效率极低
时隙ALOHA	时隙同步发送	≤36%	RFID系统	需时间同步
CSMA	先监听后发送	较高	有线/无线局域网	存在隐藏终端问题
CSMA/CD	监听+冲突检测	80%~90%	传统以太网（半双工）	不适用于无线环境
CSMA/CA	监听+冲突避免	60%~70%	Wi-Fi（无线网络）	额外控制帧开销

轮流协议

轮询依赖主节点分配发送权，令牌传输通过令牌循环实现无冲突访问；前者适合主从网络，后者适用于分布式高负载场景。

轮询（Polling）

原理：
- 主节点（如服务器）按固定顺序依次询问各从节点（如终端设备）是否有数据发送。
- 从节点收到询问后，若有数据则发送，否则回复“无数据”。
特点：
- 集中式控制：依赖主节点协调，主节点故障则全网瘫痪。
- 公平性：每个节点有均等机会发送数据。
- 效率问题：即使节点无数据，仍需轮询，造成带宽浪费。
应用场景：
- 传统的主从式网络（如早期IBM系统）。
- 工业控制网络（如Modbus协议）。

令牌传输（Token Passing）

原理：
- 一个特殊帧（令牌）在节点间按逻辑顺序传递。
- 只有持有令牌的节点可发送数据，发送后释放令牌给下一节点。
特点：
- 分布式控制：无需主节点，令牌丢失时需恢复机制。
- 无冲突：令牌独占性避免数据冲突。
- 延迟问题：节点需等待令牌到达，高负载时效率高，低负载时延迟大。
应用场景：
- 令牌环网络（如IEEE 802.5）。
- 实时性要求高的网络（如FDDI光纤网络）。

对比总结

协议	控制方式	核心机制	优点	缺点
轮询	集中式	主节点主动询问从节点	公平、易管理	主节点单点故障、效率低
令牌传输	分布式	令牌循环传递	无冲突、高负载效率高	令牌丢失导致全网瘫痪

ARP

ARP通过广播请求和单播响应，实现IP地址到MAC地址的动态解析，是局域网通信的基础协议。

概念

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议） 是一种用于将 IP地址 解析为 MAC地址 的网络协议，工作在 数据链路层（OSI L2）。

作用

解决IP→MAC映射：在局域网（LAN）中，设备通过IP地址通信，但实际数据传输需要MAC地址。
维护ARP缓存表：存储最近查询的IP-MAC对应关系，减少重复请求。

工作原理

ARP请求（广播）：
- 主机A想发送数据给主机B（已知B的IP，但不知其MAC）。
- A向局域网广播发送 "Who has IP_B? Tell IP_A" 的ARP请求。
ARP响应（单播）：
- 主机B收到请求后，回复 "IP_B is at MAC_B" 的单播响应。
- 其他主机忽略该请求。

优点

简单高效，解决IP与MAC的映射问题。
支持动态更新（ARP缓存表自动刷新）。

路由器和交换机

交换机用于局域网内设备直连（认MAC），路由器用于跨网络通信（认IP），两者协同构建完整网络架构。

交换机（Switch）

作用：
- 工作在 数据链路层（OSI L2），负责局域网（LAN）内设备间的 MAC地址转发。
- 通过 MAC地址表 学习并记录设备连接端口，实现 点对点高效通信。
特点：
- 仅限局域网：无法跨网络通信（如连接不同子网）。
- 无IP处理能力：不识别IP地址，仅根据MAC地址转发数据帧。
- 减少冲突域：每个端口是独立的冲突域（全双工模式下无冲突）。
应用场景：
- 企业内网、家庭局域网（连接电脑、打印机等设备）。

路由器（Router）

作用：
- 工作在 网络层（OSI L3），负责不同网络（如LAN与WAN）间的 IP数据包转发。
- 通过 路由表 选择最佳路径，连接互联网或跨子网通信。
特点：
- 跨网络通信：支持不同IP子网或ISP之间的数据传输。
- NAT功能：共享公网IP（如家庭路由器让多设备上网）。
- 防火墙功能：过滤非法流量（部分高级路由器支持）。
应用场景：
- 家庭宽带接入、企业级网络互联、互联网骨干网。

对比总结

设备	工作层级	核心功能	寻址依据	典型应用场景
交换机	数据链路层（L2）	MAC地址转发	MAC地址	局域网内设备互联
路由器	网络层（L3）	IP路由与跨网络通信	IP地址	连接不同网络/互联网