計算機網絡--期末速通版

以下總結提綱來自于hcgg，偉大無需多言。socket編程沒有寫進去，Rdt的話我后來感覺可能只考概念，其余我感覺會考的部分都在里面了，如果有錯誤或者解釋不清楚造成的疑問，希望大家及時指正，感謝。

應用層

DNS遞歸&迭代【畫圖】

區別

這個up畫的圖很直觀的講了這兩者的區別（里面的問一次?就是發一次域名請求消息）

查詢方式使用

而DNS服務器有本地，頂級這些，具體的查詢方式如下：

1.?在主機查詢本地域名服務器的時候使用遞歸查詢（記成本地服務器幫忙問）

2.?在本地服務器查詢根、頂級、權威域名服務器的時候使用的是迭代查詢（因為問的服務器沒有義務幫忙問）

查詢次數

DNS查詢最少次數為1，這一次是直接查本地域名服務器就查到了。

DNS查詢最多次數為4，1次本地域名服務器沒查到，然后1次根域名服務器，也沒查到，1次頂級域名服務器也沒查到，1次權威域名服務器查到了。順序是根-頂級-權威。

Http版本迭代

1. HTTP/1.0

每次請求需建立單獨的 TCP 連接（短連接），請求完成后立即關閉。
無狀態協議，不支持持久連接（Keep-Alive）。
性能差：頻繁建立連接增加延遲。

2. HTTP/1.1

核心改進：
- 持久連接（默認啟用 Keep-Alive）：一個 TCP 連接可處理多個請求/響應，減少延遲。
- 管道化（Pipelining）：允許連續發送多個請求（無需等待響應），但存在隊頭阻塞（HOL Blocking）問題。
- 緩存控制：新增?Cache-Control、ETag?等頭部字段。
- 分塊傳輸（Chunked Transfer）：支持流式傳輸。
缺點：
- 隊頭阻塞（前一個請求未完成會阻塞后續請求）。
- 頭部冗余（每次請求攜帶重復的頭部信息）。

3. HTTP/2

核心改進：
- 二進制協議：取代文本格式，解析更高效。
- 多路復用（Multiplexing）：單一 TCP 連接上并行傳輸多個請求/響應，解決隊頭阻塞。
- 頭部壓縮（HPACK）：減少冗余頭部開銷。
- 服務器推送（Server Push）：服務器可主動推送資源。
缺點：
- 仍依賴 TCP，可能因 TCP 丟包重傳引發隊頭阻塞。

4. HTTP/3

核心改進：
- 基于 QUIC 協議：使用 UDP 替代 TCP，解決 TCP 的隊頭阻塞和握手延遲。
- 內置加密：默認使用 TLS 1.3，安全性更高。
- 快速連接建立：0-RTT（零往返時間）恢復連接。
- 改進的多路復用：每個數據流獨立傳輸，徹底解決隊頭阻塞。
優勢：
- 更適合高延遲、不穩定網絡（如移動端）。

對比總結

版本	核心協議	連接方式	關鍵改進	主要問題
HTTP/1.0	TCP	短連接	基礎文本協議	性能差
HTTP/1.1	TCP	持久連接	管道化、緩存控制	隊頭阻塞、頭部冗余
HTTP/2	TCP	多路復用	二進制、頭部壓縮、服務器推送	TCP 層隊頭阻塞
HTTP/3	QUIC/UDP	獨立流傳輸	無隊頭阻塞、0-RTT、內置加密	兼容性需提升

CDN

概念

CDN（Content Delivery Network，內容分發網絡）是一個分布式服務器網絡，用于快速、高效地向用戶分發靜態和動態內容（如網頁、視頻、圖片等）。

作用

加速訪問：將內容緩存到離用戶最近的服務器，減少延遲。
減輕源站壓力：分擔流量，避免服務器過載。
提高可用性：即使部分節點故障，仍可提供服務。

工作原理

用戶請求資源時，CDN 會智能選擇最近的邊緣服務器響應。
若邊緣服務器沒有緩存，則從源站獲取并緩存，供后續用戶使用。

P2P

P2P（Peer-to-Peer，對等網絡）是一種去中心化的網絡架構，其中所有節點（Peer）地位平等，既可以是客戶端（請求數據），也可以是服務器（提供數據）。

應用?下載使用的種子節點、區塊鏈這些，沒有什么好說的

傳輸層

TCP三次握手四次揮手【畫圖】

UDP

UDP（用戶數據報協議）是一種無連接的傳輸層協議，提供簡單、不可靠的數據傳輸服務。

主要特點

無連接：無需建立連接即可發送數據。
不可靠：不保證數據順序、不重傳丟失報文。
高效：頭部開銷小（僅8字節），傳輸延遲低。
支持廣播/多播：可向多個目標同時發送數據。

與TCP的主要區別

TCP可靠、有連接、保證順序；UDP不可靠、無連接、不保證順序。
TCP適合文件傳輸；UDP適合實時性要求高的應用。

擁塞控制&流量控制

擁塞控制算法

流量控制算法

這個一般會結合TCP三次握手四次揮手去考

RDT

RDT（可靠數據傳輸協議，Reliable Data Transfer）是一種確保數據在不可靠信道上可靠傳輸的機制，通常用于傳輸層（如TCP）或應用層協議設計。核心目的是確保數據無差錯、不丟失、不重復、按序到達接收端。

主要技術

校驗和：檢測數據錯誤（如CRC、校驗和）。
確認（ACK）與重傳：接收方確認成功接收，發送方超時未收到ACK則重傳。
序號（Sequence Number）：標識數據包，解決亂序和重復問題。
滑動窗口：允許連續發送多個包，提高效率（如TCP的窗口機制）。

RDT 1.0（理想可靠信道）

假設：底層信道完全可靠（無比特差錯、無丟包、無亂序）。
機制：無需任何額外控制（如校驗、ACK、序號等），直接發送和接收數據。
問題：現實中不存在完全可靠的信道，僅作為理論基準。

RDT 2.0（處理比特差錯）

問題：信道可能發生比特差錯（如數據損壞）。
機制：
- 校驗和（Checksum）：檢測數據是否出錯。
- ACK/NAK：
  - 接收方校驗無誤 → 回復?ACK（確認）。
  - 校驗出錯 → 回復?NAK（否定確認），要求重傳。
- 重傳：發送方收到NAK或未收到反饋時重發數據。
缺陷：
- 若?ACK/NAK 本身丟失或損壞，發送方無法區分是否需重傳，可能導致重復或丟包。

RDT 2.1（引入序號解決ACK/NAK丟失）

改進點：在RDT 2.0基礎上增加序號（0/1），解決ACK/NAK丟失導致的歧義。
機制：
- 每個數據包攜帶1比特序號（交替0和1）。
- 接收方通過序號判斷是否收到重復包（如收到相同序號則丟棄并重發ACK）。
示例：
- 發送方發送包（seq=0）→ 接收方回復ACK0。
- 若ACK0丟失，發送方超時重發包（seq=0）→ 接收方發現重復，丟棄包并再次回復ACK0。

RDT 2.2（取消NAK，僅用ACK+序號）

改進點：取消NAK，全部用帶序號的ACK（如ACK0、ACK1）實現確認。
機制：
- 接收方若檢測到錯誤，直接不回復ACK（發送方超時重傳）。
- 若數據正確，回復下一個期望的序號（如收到seq=0，回復ACK1）。
優勢：簡化協議設計，與TCP的確認機制類似。

RDT 3.0（處理丟包問題）

問題：信道可能丟失數據包或ACK（不只有比特差錯）。
機制：
- 超時重傳計時器：發送方每次發送數據后啟動計時器，若超時未收到ACK則重傳。
- 序號+ACK：沿用RDT 2.2的序號機制，避免重復包問題。
關鍵點：
- 計時器時長需大于RTT（往返時間），否則會頻繁誤判丟包。
- 即使ACK丟失，超時重傳仍能保證可靠性。
示例：
- 發送方發送包（seq=0）→ 若包丟失，接收方無反饋 → 發送方超時重傳。
- 若ACK丟失，發送方超時重傳 → 接收方通過序號去重。

各版本核心改進總結

版本	解決的問題	關鍵技術	缺陷或局限
1.0	無（理想信道）	無	不現實
2.0	比特差錯	校驗和、ACK/NAK、重傳	ACK/NAK丟失導致歧義
2.1	ACK/NAK丟失	1比特序號（0/1）	仍需NAK機制
2.2	簡化確認機制	僅用帶序號的ACK	未解決丟包問題
3.0	數據包或ACK丟失	超時重傳計時器	效率低（停等協議）

后續演進（超出基礎RDT）

滑動窗口協議：RDT 3.0是停等協議（發1個包等1個ACK），效率低；滑動窗口允許連續發送多個包（如TCP）。
擁塞控制：純RDT不解決網絡擁塞問題，需額外機制（如TCP的慢啟動、擁塞避免）。

總結：RDT通過逐步增加差錯檢測、序號、ACK、超時重傳等機制，最終實現可靠傳輸，為TCP等協議奠定基礎。

套接字編程

函數名?	漢語名
socket()	創建套接字
bind()	綁定地址和端口
listen() ? ?	監聽連接(TCP)
accept()	接受連接(TCP)
connect()	發起連接(TCP/UDP)
send()/write()	發送數據
recv()/read()	接收數據
sendto()	發送數據(UDP)
recvfrom()	接收數據(UDP)
inet_addr()/inet_aton()	IP地址轉換
inet_ntoa()	IP地址轉字符串
getaddrinfo()	地址信息查詢
freeaddrinfo()	釋放地址信息
setsockopt()	設置套接字選項
getsockopt()	獲取套接字選項
close()/shutdown()	關閉套接字
select()/poll()/epoll()	I/O多路復用
fcntl() ?	文件控制
gethostbyname()	主機名解析(過時)

可靠數據傳輸協議

可靠數據傳輸協議（RDT）是一種確保數據在網絡中無差錯、不丟失、不重復、按序到達的傳輸機制，通常用于TCP等可靠傳輸協議。

引入技術

差錯檢測（如校驗和 Checksum）
確認機制（ACK, Acknowledgement）
超時重傳（Timeout & Retransmission）
序號機制（Sequence Number）
滑動窗口（Sliding Window）

回退N幀協議（GBN, Go-Back-N）

（1）基本思想

發送方維護一個固定大小的窗口（N），可以連續發送多個分組。
接收方只按序接收，丟棄所有亂序分組，并返回最后一個正確接收的ACK。
如果某個分組丟失或超時，發送方重傳該分組及其之后的所有分組（“回退N幀”）。

（2）特點

??簡單，接收方只需維護一個期望的序號。
??效率低，一旦丟包，需要重傳大量分組。

選擇重傳協議（SR, Selective Repeat）

（1）基本思想

發送方和接收方各自維護一個滑動窗口。
接收方緩存亂序到達的分組，并返回每個正確接收的分組的ACK。
發送方只重傳丟失或超時的分組，而不是全部回退。

（2）特點

??高效，只重傳丟失的分組，減少帶寬浪費。
??實現復雜，接收方需要緩存亂序分組，并管理多個ACK。

GBN vs SR 對比

特性	GBN（回退N幀）	SR（選擇重傳）
接收方式	只按序接收，丟棄亂序分組	緩存亂序分組
ACK機制	累積確認（只ACK最后一個正確接收的）	單獨確認（每個分組都ACK）
重傳策略	丟失分組及其后所有分組全部重傳	僅重傳丟失的分組
效率	低（可能重傳大量數據）	高（只重傳必要的分組）
實現復雜度	簡單	復雜（需緩存亂序分組）

總結

GBN?適用于低錯誤率網絡，實現簡單但效率低。
SR?適用于高錯誤率網絡，效率高但實現復雜。
TCP 實際結合了 GBN 和 SR 的思想（如快速重傳、選擇確認 SACK）。

網絡層

IP與子網劃分【計算題】

DHCP

概念

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議）是一種網絡協議，用于自動為設備分配 IP 地址、子網掩碼、默認網關和 DNS 服務器等網絡配置信息。使設備能快速接入網絡，廣泛應用于家庭、企業等場景。

作用

自動分配 IP 地址：避免手動配置，減少錯誤。
集中管理網絡參數：管理員可統一設置和更新。
提高 IP 利用率：動態回收和分配 IP，節省地址資源。

工作原理

發現（Discover）：客戶端廣播請求 IP 地址。
提供（Offer）：DHCP 服務器回應可用的 IP 地址。
請求（Request）：客戶端確認選擇該 IP。
確認（Acknowledge）：服務器正式分配 IP 并發送配置信息。

優點

簡化網絡管理，減少人工配置
支持 IP 地址的動態回收和復用
可擴展性強，適用于大規模網絡

NAT

NAT（Network Address Translation，網絡地址轉換）是一種網絡技術，用于將私有（內網）IP 地址轉換為公有（外網）IP 地址，使多臺設備能共享一個公網IP訪問互聯網。

作用

節省 IPv4 地址：多個設備共用1個公網IP，緩解地址不足問題。
增強安全性：隱藏內網設備真實IP，防止外部直接訪問。
解決地址沖突：允許不同內網使用相同的私有IP段（如192.168.1.x）。

常見類型

靜態NAT：一對一固定映射（如將內網服務器暴露到公網）。
動態NAT：多對多IP池映射（臨時分配公網IP）。
PAT（NAPT）：多對一映射，通過不同端口區分設備（最常見，家庭路由器即采用此方式）。

Traceroute

Traceroute（路由追蹤）是一種網絡診斷工具，用于檢測數據包從源主機到目標主機經過的所有網絡路徑（路由器跳數），并測量每跳的延遲時間。Traceroute 通過TTL機制追蹤網絡路徑，是網絡管理員常用的故障診斷工具。

作用

顯示數據包傳輸路徑
檢測網絡故障節點（如丟包、高延遲）
分析網絡拓撲結構

工作原理

發送TTL（生存時間）遞增的探測包（ICMP/UDP/TCP）
每經過一個路由器，TTL減1，當TTL=0時返回"超時"響應
通過收集各跳的響應IP和耗時，構建完整路徑

路由CS+DV【迪杰斯特拉算法】

數據鏈路層

CRC?校驗和與?差錯檢測

性能比較

CRC >?校驗和 >?差錯檢測

CRC算法內容

校驗和與奇偶校驗

通信劃分協議

FDM分頻率、TDM分時間、CDM分編碼，三者分別通過頻域、時域和編碼域實現多路信號共享信道。

?FDM（頻分復用，Frequency Division Multiplexing）

原理：將總帶寬劃分為多個不同頻率的子信道，每個信號占用一個頻段。
特點：
- 各信號并行傳輸，互不干擾（如廣播電臺、Wi-Fi信道）。
- 需要保護頻帶（Guard Band）防止串擾。
應用：傳統電話系統、無線電廣播、有線電視（CATV）。

TDM（時分復用，Time Division Multiplexing）

原理：將時間劃分為固定時隙，每個信號輪流占用全部帶寬的特定時間段。
特點：
- 按時間片輪轉（如CPU時間片調度）。
- 需嚴格同步時鐘（如SDH光纖通信）。
應用：傳統電話PCM系統、4G LTE的時隙分配。

CDM（碼分復用，Code Division Multiplexing）

原理：為每個信號分配唯一編碼（擴頻碼），所有信號共享同一頻段和時間，通過編碼區分。
特點：
- 抗干擾能力強（如軍事通信）。
- 支持軟容量（用戶數靈活增減）。
應用：3G（CDMA2000）、GPS信號、Wi-Fi DSSS技術。

對比總結

復用技術	劃分維度	典型場景	核心優勢	主要缺點
FDM	頻率	廣播、ADSL	簡單易實現	帶寬利用率低
TDM	時間	傳統電話、光纖通信	延遲穩定	需精確同步
CDM	編碼	3G網絡、衛星通信	抗干擾、安全性高	實現復雜

隨機訪問協議

ALOHA簡單但效率低，CSMA通過監聽信道顯著提升性能；CSMA/CD用于有線網絡，CSMA/CA解決無線沖突問題。

ALOHA（純ALOHA & 時隙ALOHA）

原理：
- 純ALOHA：用戶有數據就立刻發送，沖突后隨機退避重發。
- 時隙ALOHA：時間被劃分為時隙，用戶只能在時隙起點發送。
特點：
- 無需監聽信道，實現簡單。
- 信道利用率低（純ALOHA僅18%，時隙ALOHA約36%）。
應用：早期衛星通信、RFID標簽。

CSMA（載波監聽多路訪問，Carrier Sense Multiple Access）

原理：發送前先監聽信道：
- 非持續CSMA：信道忙則隨機等待后再監聽。
- 1-持續CSMA：信道忙則持續監聽，空閑立即發送。
- p-持續CSMA：信道空閑時以概率p發送。
改進版：
- CSMA/CD（用于以太網）：檢測到沖突后立即停止發送。
- CSMA/CA（用于Wi-Fi）：通過ACK和退避機制避免沖突。
特點：
- 減少沖突概率，提高信道利用率。
- 需額外機制處理隱藏終端問題（如RTS/CTS）。
應用：有線以太網（CSMA/CD）、無線Wi-Fi（CSMA/CA）。

對比總結

協議	核心機制	信道利用率	典型場景	主要缺點
純ALOHA	直接發送，沖突后重傳	≤18%	早期衛星通信	效率極低
時隙ALOHA	時隙同步發送	≤36%	RFID系統	需時間同步
CSMA	先監聽后發送	較高	有線/無線局域網	存在隱藏終端問題
CSMA/CD	監聽+沖突檢測	80%~90%	傳統以太網（半雙工）	不適用于無線環境
CSMA/CA	監聽+沖突避免	60%~70%	Wi-Fi（無線網絡）	額外控制幀開銷

輪流協議

輪詢依賴主節點分配發送權，令牌傳輸通過令牌循環實現無沖突訪問；前者適合主從網絡，后者適用于分布式高負載場景。

輪詢（Polling）

原理：
- 主節點（如服務器）按固定順序依次詢問各從節點（如終端設備）是否有數據發送。
- 從節點收到詢問后，若有數據則發送，否則回復“無數據”。
特點：
- 集中式控制：依賴主節點協調，主節點故障則全網癱瘓。
- 公平性：每個節點有均等機會發送數據。
- 效率問題：即使節點無數據，仍需輪詢，造成帶寬浪費。
應用場景：
- 傳統的主從式網絡（如早期IBM系統）。
- 工業控制網絡（如Modbus協議）。

令牌傳輸（Token Passing）

原理：
- 一個特殊幀（令牌）在節點間按邏輯順序傳遞。
- 只有持有令牌的節點可發送數據，發送后釋放令牌給下一節點。
特點：
- 分布式控制：無需主節點，令牌丟失時需恢復機制。
- 無沖突：令牌獨占性避免數據沖突。
- 延遲問題：節點需等待令牌到達，高負載時效率高，低負載時延遲大。
應用場景：
- 令牌環網絡（如IEEE 802.5）。
- 實時性要求高的網絡（如FDDI光纖網絡）。

對比總結

協議	控制方式	核心機制	優點	缺點
輪詢	集中式	主節點主動詢問從節點	公平、易管理	主節點單點故障、效率低
令牌傳輸	分布式	令牌循環傳遞	無沖突、高負載效率高	令牌丟失導致全網癱瘓

ARP

ARP通過廣播請求和單播響應，實現IP地址到MAC地址的動態解析，是局域網通信的基礎協議。

概念

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協議）?是一種用于將?IP地址?解析為?MAC地址?的網絡協議，工作在?數據鏈路層（OSI L2）。

作用

解決IP→MAC映射：在局域網（LAN）中，設備通過IP地址通信，但實際數據傳輸需要MAC地址。
維護ARP緩存表：存儲最近查詢的IP-MAC對應關系，減少重復請求。

工作原理

ARP請求（廣播）：
- 主機A想發送數據給主機B（已知B的IP，但不知其MAC）。
- A向局域網廣播發送?"Who has IP_B? Tell IP_A"?的ARP請求。
ARP響應（單播）：
- 主機B收到請求后，回復?"IP_B is at MAC_B"?的單播響應。
- 其他主機忽略該請求。

優點

簡單高效，解決IP與MAC的映射問題。
支持動態更新（ARP緩存表自動刷新）。

路由器和交換機

交換機用于局域網內設備直連（認MAC），路由器用于跨網絡通信（認IP），兩者協同構建完整網絡架構。

交換機（Switch）

作用：
- 工作在?數據鏈路層（OSI L2），負責局域網（LAN）內設備間的?MAC地址轉發。
- 通過?MAC地址表?學習并記錄設備連接端口，實現?點對點高效通信。
特點：
- 僅限局域網：無法跨網絡通信（如連接不同子網）。
- 無IP處理能力：不識別IP地址，僅根據MAC地址轉發數據幀。
- 減少沖突域：每個端口是獨立的沖突域（全雙工模式下無沖突）。
應用場景：
- 企業內網、家庭局域網（連接電腦、打印機等設備）。

路由器（Router）

作用：
- 工作在?網絡層（OSI L3），負責不同網絡（如LAN與WAN）間的?IP數據包轉發。
- 通過?路由表?選擇最佳路徑，連接互聯網或跨子網通信。
特點：
- 跨網絡通信：支持不同IP子網或ISP之間的數據傳輸。
- NAT功能：共享公網IP（如家庭路由器讓多設備上網）。
- 防火墻功能：過濾非法流量（部分高級路由器支持）。
應用場景：
- 家庭寬帶接入、企業級網絡互聯、互聯網骨干網。

對比總結

設備	工作層級	核心功能	尋址依據	典型應用場景
交換機	數據鏈路層（L2）	MAC地址轉發	MAC地址	局域網內設備互聯
路由器	網絡層（L3）	IP路由與跨網絡通信	IP地址	連接不同網絡/互聯網