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计算机网络--期末速通版

2025/6/23 21:06:06 来源：https://blog.csdn.net/Hock2023/article/details/148749760  浏览:  次   关键词：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/1.0TCP短连接基础文本协议性能差
HTTP/1.1TCP持久连接管道化、缓存控制队头阻塞、头部冗余
HTTP/2TCP多路复用二进制、头部压缩、服务器推送TCP 层队头阻塞
HTTP/3QUIC/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
2.1ACK/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

  1. 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。

  2. 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

补充说明

  • 三层交换机：结合交换机与路由器功能（支持VLAN间路由）。

  • 家庭“路由器”：实际是 路由器+交换机+AP 的集成设备。

知识点笔记

下面这部分是我之前学习时候的知识点笔记，不全，可以简单的过一下

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