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计网复习

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💡 TIP

根据PPT复习一下计网知识

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计算题

奈奎斯特定理和香农定理的计算

  1. 奈奎斯特定理：$R_b = 2H*log_2V \ (bps)$

  2. 香农定理：$R_b = H*log_2(1+S/N)\ (bps)$

$R_b$：信道的最高数据传输速率

$V$：码元状态数

$H$：信道带宽

$S/N$：信噪比

💡 TIP

信噪比$S/N$单位较小，通常以分贝的形式给出，需要转换

分贝

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CRC校验码

  1. 已知：被传输数据块DATA，除数P或生成多项式$G(X)$

    1. 求CRC校验码
    2. 求最终被传送的数据

  2. 已知：接收方收到的数据和除数P，判断该数是否出错

💡 TIP

余数比校验码少一位！

例题 P112 3-07 3-08

💡 TIP

例题 P112 3-07

要发送的数据为 $101110$ 。采用 $CRC$ 校验码的生成多项式是 $P(X) = X^3 + 1$ 试求添加在数据后面的余数

注意！$X^3 + 1$ 对应的校验码为 $\overset31 \overset20 \overset10 \overset01$ 而非 $\overset21 \overset10 \overset01$。

CSMA/CD协议中最段帧长度的计算

  • P113 3-20 冲突窗口的计算

💡 TIP

以太网最小帧长度问题

$$
\underset{\text帧的传播时长}t = \text数据帧长度 / \text数据传输速率\\
\underset{\text信号传播时延}T = \text两站点的距离 / \text信号传播速度\\
\underset{\text保证在帧的传输过程中检测到冲突}{t >= 2*T}
$$

即，保证在冲突信号发回时，帧还没有发完

即帧的发送时长大于信号传播时延的两倍

发送时延和传播时延的计算

  • P39 1-17

已知IP地址和子网掩码，判断两个IP地址是否在同一个网络内，或者计算广播地址、可用地址范围等

举例

已知主机1的IP地址为146.26.27.71；

主机2的地址为146.26.27.170；

子网掩码均为255.255.255.192；

判断：主机1与主机2是否处于同一个网段

CDMA的计算

P70 2-16

💡 TIP

CDMA

即，码分复用

  • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须相互正交

  • 两个不同站的码片序列正交，就是向量 $S$ 和 $T$ 的内积都是 $0$ (向量 $S$ 和 $T$ 的反码内积也为 $0$)
    $$
    S*T = \frac{1}{m} \overset{m}{\underset{i=1}{\sum}}S_iT_i = 0
    $$

在求当前发送的信号对于特定的码片序列是否为1或0时，只需要将发送的信号与码片序列点乘注意：要除以码片长度。得到的结果如果是-1则为0，为1则为1，如果为0，则当前该码片序列并没有发送任何消息。

问答题

TCP/IP或OSI参考模型传递数据的过程，会根据具体网络应用分析数据的走向、封装过程

P33 图1-17

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多路复用技术的作用、分类、理解各类实现的原理

信道复用是指在一条物理线路上同时传输多路信息

  • 目的：提高通信线路的利用效率，降低通信成本

  • 分类：

    • 频分多路复用（FDM）
    • 波分多路复用（WDM）
    • 时分多路复用（TDM）
    • 码分多路复用（CDM）
频分多路复用

  • 原理：把传输介质的可用带宽分割为多个频段（子信道），分配给每一路输入信号，输入信号被调制成不同频率的信号，在子信道中传输。在子频段之间要留有一定的空闲频带，作为保护频带，减少各路信号之间的相互干扰。

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波分多路复用

光的频分多路复用

时分多路复用

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P56

CSMA/CD协议作用、工作原理、实现技术
作用

解决多个站点链接到一条总线上，竞争使用总线时，碰撞冲突问题

基本思想

  1. 某站点想要发送数据，它必须首先侦听信道；

  2. 如果信道空闲，立即发送数据；如果信道忙，则继续侦听信道，直到信道变为空闲，立即发送数据；

  3. 站点在发送数据过程中继续检测信道，若一直未检测到碰撞，则把该数据成功发送完毕；如果检测到冲突，立即停止发送数据，发送干扰信号，然后执行指数退避算法，等待一随机长的时间重新侦听信道，返回第2步。

技术实现

  1. 先听后发：载波侦听技术

    以太网采用曼彻斯特编码传送数据

    编码本身带有同步信号

  2. 边发边听：碰撞检测技术

  3. 冲突停止：发送干扰信号

  4. 延迟重发：截断二进制指数退避算法

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能够根据题目要求，根据用户需求划分多个子网，且每个子网都能容纳足够多的主机，会求子网的网络地址、子网掩码、子网内可用IP地址范围、广播地址
路由表的查找、在构建路由表时会添加网络路由，特定主机路由和默认路由
💡 TIP

练习

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RIP路由协议的工作原理

一种分布式的基于距离向量的路由选择协议

  • 距离矢量路由选择算法

    1. 路由表的结构

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    2. 路由表的初始化

      初始时，每个路由器测量到达它周围邻居的距离，路由表中只有到邻居的信息；

      通过与邻居不断交换路由表，最终获得到达全部路由器的距离和传输线路

      image-20241227165905889

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    3. 路由表的更新

      每个路由器不断与邻居交换路由表，获取最新的路由信息，更新自己的路由表

      image-20241227170055986

      • 什么时候交换路由表？

        周期性交换：每隔T时间路由器向邻居发送路由表

    4. 无穷计算问题（慢收敛）

      距离矢量算法对拓扑变化的好消息反应迅速

      image-20241227170512048

      距离矢量算法对拓扑变化的坏消息反应迟钝

      image-20241227170614515

      • 慢收敛的解决办法1：限定无穷大

        image-20241227170700716

      • 慢收敛解决办法2：水平分割

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      • 慢收敛解决办法3：毒性反转+触发更新

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工作原理

  • RIP协议是一种分布式的基于距离矢量路由选择算法的路由选择协议

  • RIP协议中的“距离”也称为“跳数，每经过一个路由器，跳数就加1，优先选择到达目的的网络需要的跳数最少的路由

  • RIP允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。距离最大值为 16 。

    当距离为 16 时，即相当于不可达

    可见，RIP只适用于小型互联网

P160 P405 4-37题

57ea983de1fb81ce3ef8a3854b67391

0238b5eb26156d711233c4e7754366a

e3b5ab731d21dc89f5c73fda38b2200

注意，是C发给B的，则如果采纳，则下一跳路由就应该选择C。

交换机的数据转发机制

  1. 交换机从端口X接收到数据帧A，获取其目的MAC地址MAC-A，判断帧A是否是广播域

  2. 若帧A是广播帧，交换机向其他所有端口转发帧A

  3. 若帧A不是广播帧：

    根据帧A目的地址，搜索交换机表，查找MAC-A所连接的端口

    • 查到MAC-A对应端口Y

      若XY为不同的端口，交换机将数据帧A转发到Y端口的缓冲队列；

      若XY为同一端口，交换机丢失数据帧A（过滤）

    • 查不到MAC-A对应的端口

      将数据帧A广播到除了输入端口外的其他所有端口

      （若交换机表信息不足，网络将有大量的广播帧）

  • 对指定MAC单播时，只会像该IP对应端口进行转发，缩小了冲突域

  • 广播或转发表中找不到合适的转发端口时，才会对所有端口广播

交换机表的生成与维护

  1. 交换机表初始为空

  2. 当有主机生成数据帧发送到交换机某一端口，若表中没有关于该元MAC地址的记录，记录到达数据帧的源MAC地址、进入端口、到达时间，更新该记录（端口和时间）；

    如果每一个主机都发送过数据帧，在表中将有每个主机的记录

  3. 每当插入一条新纪录或更新一条记录时，就会设置一个定时器，当定时器超时，记录任没有被更新，就视为”过时“，删除

    有利于节省存储空间，及时反应当前网络状况

避免环路——生成树协议（STP）

  • 生成树协议STP要点：

    不改变网路实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是**无环路的树形结构，**从而消除了兜圈子现象

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P114 3-33

理解并记忆TCP的“慢启动、拥塞避免”拥塞控制策略，会计算拥塞窗口cwnd的大小
拥塞控制

  1. 拥塞避免：拥塞发生前发送放采取的预防措施，即发送方在发送速度增加到一定数值时主动减缓发送速度的增速的一种预防措施

  2. 拥塞控制：拥塞发生后发送方采取的措施，即发送方探测到网络拥塞状况后，降低自身的发送速率

如何探测网络的拥塞状况：发送方根据超时重传事件的发生，判定网络拥塞。

发送方如何控制发送速率：利用拥塞窗口变量（cwnd）控制发送速度
$$
\underset{\text{（未获确认可连发多少数据）}}{\text发送窗口大小} = Min(cwnd,rwnd)\\
cwnd: 拥塞窗口变量\\
rwnd: 接收方反馈的窗口大小
$$
TCP拥塞控制算法：慢开始、拥塞避免、快速重传、快速回复

  • TCP为每条连接维持的两个变量：
    $$
    \text{拥塞窗口变量} cwnd\\
    \text{慢开始门限} ssthresh
    $$

  1. 慢启动：TCP刚建立连接时将拥塞窗口变量cwnd设置为2至4个报文段大小,然后以指数方式放大cwnd,直到大于等于ssthresh,进入拥塞避免阶段

  2. 拥塞避免：TCP采用线性增加方式放大cwnd

  3. 无论是慢启动阶段还是拥塞避免阶段

    如果发生重传定时器超时的现象,

    ssthresh设置为出现拥塞时拥塞窗口值cwnd的一半

    cwnd设置为1个报文段大小,重新进入慢启动阶段。

💡 TIP

实现举例

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当 TCP 连接进行初始化时，将拥塞窗口置为 1。图中的窗口单位不使用字节而使用报文段。

慢开始门限的初始值设置为 16 个报文段，即
ssthresh = 16。

发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口 cwnd 和接收端窗口 rwnd 中的最小值。我们假定接收端窗口足够大，因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。

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在执行慢开始算法时，拥塞窗口 cwnd=1，发送第一个报文段。

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发送方每收到一个对新报文段的确认 ACK，就把拥塞窗口值加 1

因为ACK即发送数据的确认报文，每一轮发送的每一个数据均会有一个确认报文；

这样，所有分组的确认报文返回后，就相当于拥塞窗口翻倍了

然后开始下一轮的传输（请注意，横坐标是传输轮次，不是时间）。因此拥塞窗口 cwnd 随着传输轮次按指数规律增长。

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当拥塞窗口 cwnd 增长到慢开始门限值ssthresh 时（图中的点，此时拥塞窗口cwnd = 16），就改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。

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当拥塞窗口 cwnd = 24 时，网络出现了超时（图中的点2），发送方判断为网络拥塞。于是调整门限值 ssthresh = cwnd / 2 = 12，同时设置拥塞窗口 cwnd = 1，进入慢开始阶段。

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按照慢开始算法，发送方每收到一个对新报文段的确认ACK，就把拥塞窗口值加1。当拥塞窗口cwnd = ssthresh = 12时（图中的点3，这是新的ssthresh值），改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增大。

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当拥塞窗口cwnd = 16时（图中的点），出现了一个新的情况，就是发送方一连收到 3 个对同一个报文段的重复确认（图中记为3-ACK）。发送方改为执行快重传和快恢复算法。

理解下列协议或服务的作用：

ARP、DHCP、STP、DNS、NAT、HTTP、SMTP、OSTF、RIP

  • ARP：地址解析协议

    根据IP地址解析目的MAC

  • DHCP：动态主机配置协议

    为上网的主机动态配置上网所需的IP，子网掩码，默认网关默认路由器IP地址，域名解析服务器IP

  • STP：生成树协议

    防止网桥网络中的冗余链路形成环路工作

  • DNS：域名解析协议

  • NAT：网络地址转换技术

    将私网地址映射为公网地址

  • HTTP：超文本传输协议

  • SMTP：简单邮件传送协议

  • OSTF：链路状态路由选择算法及路由选择协议

  • RIP：基于距离矢量路由选择算法的路由选择协议

ARP

地址解析协议

为什么需要地址解析

集线器网络中，主机只会接收目的MAC地址与自己MAC地址相同的数据。

无论是主机到主机，还是主机到路由器、路由器到路由器、主机到路由器的通信，实质都是网卡之间的数据传递。

为了传输成功，都需要在已知对方IP地址的前提下获取对方的MAC地址

主机或路由器每一个网络接口都有一个ARP模块，将在同一网段上的IP地址作为输入，返回其MAC地址，作为封装数据帧的目的物理地址。

ARP表

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举例

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DHCP

动态主机配置协议

为连接到互联网的主机提供：IP地址、子网掩码、默认路由器IP地址、域名服务器IP地址

使用客户服务器方式，采用请求/应答方式工作。

DHCP基于UDP工作，DHCP服务器运行在67端口，DHCP客户端运行在68号端口。

STP

STP（Spanning Tree Protocol）是生成树协议的英文缩写，可应用于计算机网络中树形拓扑结构建立，主要作用是防止网桥网络中的冗余链路形成环路工作。但某些特定因素会导致STP失败，要排除故障可能非常困难，这取决于网络设计 [1]。生成树协议适合所有厂商的网络设备，在配置上和体现功能强度上有所差别，但是在原理和应用效果是一致的。

DNS

域名解析服务

将域名解析为目的IP地址

NAT

网络地址转换技术

由于公用IP地址资源匮乏, 因特网管理机构定义了专用内部网络地址（即私有地址）来满足内部网络通信需求.这些网络地址在单位或组织内部使用，局部唯一即可，且无需申请

当内部网络需要与外部公网通信时

由于因特网上的路由器都不转发目的地址是私网地址的IP数据报

所以需要利用NAT技术

**将内部网络地址转换为全球唯一的公网地址. **

NAT私网地址块

10.0.0.0-10.255.255.255;

172.16.0.0-172.31.255.255

192.168.0.0-192.168.255.255

HTTP

超文本传输协议

定义了浏览器与万维网服务器之间通信的格式和规则。

是万维网上能够可靠地交换文件（包括文本、声音、图像等各种多媒体文件）的重要基础

SMTP
RIP

分布式的基于距离矢量路由选择算法的路由选择协议，用来解决路由器的路由表生成问题

OSPF

链路状态路由选择算法及路由选择选择协议

  1. 发现邻居

  2. 测试到邻居的距离

  3. 组装链路状态分组

  4. 发布链路状态分组

  5. 计算新路由

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(完)