计算机网络考前拾遗

前言

本文只针对华中科技大学电子信息与通信学院计算机网络考试要求进行知识点归纳总结与提炼，内容不保证能满足各位读者的需求。

第一章：绪论

计算机网络的定义和发展历史(了解)

网络:网络由若干节点和连接这些节点的链路组成

互联网：多个网络通过路由器互连起来，构成一个覆盖范围更大的网络，即互联网,互联网是网络的网络

因特网：因特网是世界上最大的互连网络

发展历史：计算机网络最早的起源来自美国军方搭建的APANET

简答：列表对比说明互联网(Internet)和互连网(internet)两个概念的异同。

理解设计计算机网络的技术需求(理解)

可扩展的连通性
高性价比的资源共享
支持通用服务
可管理性

电路交换与分组交换(掌握)

简答：简要说明电路交换的要点

电路交换的要点包括:通信时需要经历三个阶段:建立连接、传送数据、释放连接;通信的双方之间需要建立一个专用的链路;通信过程中,沿着建立链路传输的数据无需路由;通信结束后,连接断开,链路资源被释放

简答：简要说明分组交换的要点

分组交换的要点包括:将完整的报文分割成为较小的数据段,在每个数据段前面加上必要的控制信息组成首部,就构成了分组;通信过程中,沿途交换机采用“存储-转发”方式,根据分组首部中的目的地信息进行转发;通信过程中,各数据分组被独立路由和转发。

第二章：网络体系结构

层次化体系结构的原理(掌握)

简答：简述网络体系结构采用分层设计的好处

采用分层的网络体系结构的优势包括但不限于:

各层之间可以独立设计,便于分工协作,实现产业标准化;
层次化设计的灵活性好,一层发生变化不影响上下层;
层次化设计的扩展性好,各层可选用不同的技术来适应不同的应用需求。

网络体系结构的相关概念(理解)

实体：任何可发送或接收数据的硬件或软件进程
对等实体：收发双方相同层次中的实体
协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合
协议的三要素：
1. 语法,即数据与控制信息的结构或格式。
2. 语义,即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应。
3. 同步,即事件实现顺序的详细说明。

简答：层次化网络体系结构中的服务与协议有何区别?

层次化网络体系结构中,服务是垂直的,定义了该层能够代表它的用户完成的操作。上层是服务用户,下层是服务提供者。协议是水平的,定义的是对等实体间交换数据的格式、内容、时序,协议的实现保证了能够向上层提供服务。

三种体系架构的模型与差异(掌握)

简答：简述ISO/OSI参考模型各层功能与协议数据单元

ISO/OSI参考模型各层功能自底向上分别为:

物理层:实现数据bitt在物理链路上的传输;数据单元：数据位(Bit)
数据链路层:处理相邻网络结点之间数据帧的传输;数据单元：数据帧
网络层:处理互联网络中主机之间的分组传输;数据单元：数据分组
传输层:实现终端主机进程之间的通信;数据单元：数据段
会话层:实现通信的会话管理等功能;数据单元：数据
表示层:实现不同表达形式数据之间的转换;数据单元：数据
应用层:实现应用特定操作,向用户提供相应的服务.数据单元：数据

简答：自上而下简述计算机网络体系结构的五层参考模型

网络体系结构的五层模型,自上向下依次为应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

应用层:为用户的应用进程提供服务

传输层:为两个主机中进程之间的通信提供端到端服务

网络层:为分组交换网上的不同主机提供通信服务

数据链路层:在相邻结点间的链路上透明传送数据

物理层:在传输媒质上实现透明的比特流传送

计算机网络的性能指标的计算方法(掌握)

首先要区分比特和字节的概念

1Byte(字节)=8bit(比特)

速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率，基本单位：bit/s（bps），常用单位:kbps/Mbps 这里的换算需要与计算机存储里面换算做区分，计算速率时:1k=1000,计算内存时：1k=1024
带宽：表示网络的通信线路传送数据的能力，表示单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的最高数据率,单位与速率单位相同
吞吐量：表示单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量；用于测量实际上到底由多少数据量能通过网络，其受网络带宽或额定速率的限制,在部分习题中提出了计算网络最大吞吐率的要求：其计算公式可表述如下：\(最大吞吐量=\frac{发送窗口大小}{往返时延}\)
时延：
- 发送时延：\(\frac{分组长度}{发送速率}\)
- 传播时延：\(\frac{信道长度}{电磁波传播速率}\)
- 处理时延：一般不便于计算
- 排队时延：一般不考虑
- 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
时延带宽积：其值等于传播时延*带宽，时延带宽积可视为以比特为单位的链路长度,等效于第一个比特到达接收方时发送方可以发送的比特数(链路满载)。
往返时延(RTT):链路双向交互一次的时间
\(信道利用率=\frac{发送数据量}{信道总带宽\times往返时延}=\frac{有效传输时间}{往返传输时延（\ne RTT）}\)

第三章：直连网络

直连网络的概念(了解)

直连网络：所有的主机通过某种物理媒质直接连接，是最简单的网络形式

物理层的四个特性：

机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。

规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

不同组帧方法(了解)

组帧方法主要分为以下两种：

面向字节的协议：把每一帧看作一个字节集合，两种方法：字符计数法，起止标记法。
面向比特的协议：把数据帧看作比特的集合

差错控制的概念(理解)

为什么进行差错检测？实际的通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错，这称为比特差错，使用差错检测码来检测是否产生比特差错，是数据链路层的重要问题之一。

常用的差错检测方法：

奇偶校验：添加一位奇偶校验位，能检测奇数个比特差错
循环冗余校验(CRC)：检测出一定数量的差错，其主要步骤如下：

可靠传输的概念和基本实现机制(掌握)

可靠传输：上文提到的比特差错只是传输差错的一种，传输差错还包括分组丢失，分组失序，分组重复

可靠传输的协议实现主要有以下几种：

停止等待协议（ARQ协议）
连续ARQ协议：包含两种策略：GO-BACK-N 和选择性重传
滑动窗口协议

停止等待协议示意图

连续ARQ协议两种策略的优缺点分析：

注意，Go-Back-N协议如果帧序号为n个bit，其每次最多连续能传的帧数=\(2^{n}-1\)，因为如果传\(2^n\)个帧，如果接收方确认帧丢失，则会导致接收方无法辨别发送方发送的帧的新旧，GO-BACK-N也可以看为滑动窗口策略的一种特殊情况，即接收窗口为1

滑动窗口协议的示意图：

三种协议的对比

简答：简述数据链路层实现可靠传输的基本方法。

数据链路层实现可靠传输的基本设计方法包括:

确认机制:接收方给发送方发送ACK,反馈已正确接收的数据帧;
超时机制:发送方启动计时器,一旦出现超时则自动重传未确认的数据帧;
帧序号:标记数据帧,以便识别重复的数据帧

滑动窗口参数的计算方法(掌握)

选择重传策略的滑动窗口参数的要求如下图所示

广义来说：滑动窗口对于窗口的大小的限制可表述为：\(发送窗口+接收窗口\le2^{帧序号bit数}\)

具体细分到Go-Back-N协议和选择重传协议有：\[Go-Back-N 发送窗口大小\le 2^{帧序号比特数}-1,\\ 选择重传发送窗口大小\le 2^{帧序号比特数-1} \]

传统共享介质MAC协议的设计要点(理解)

简答：为什么在传统以太网的协议设计中,数据帧存在最短帧长的限制?

传统以太网的MAC层协议为CSMA/CD,其中CD称为冲突检测,主要解决信号传播时延导致的媒质接入问题。在争用信道过程中,结点边发送数据边监听信道,如果在一个争用周期范围内未检测到冲突发生,则成功占用信道。IEEE 802.3规定当某个结点完成一帧数据接收后,首先要判断接收的帧长度,如果接收帧长度小于规定的帧最小长度,则表明冲突发生。

CSMA/CD协议的原理(掌握)

简答：简述传统以太网的CSMA/CD算法要点

CSMA/CD全称为带有冲突检测的载波侦听多路接入(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)。其基本思想是载波监听,多点接入,碰撞检测。每个站点发送数据之前必须侦听信道的忙、闲状态;如果信道空闲,立即发送数据,同时进行冲突检测;如果信道忙,站点继续侦听总线,直到信道变成空闲。如果在数据发送过程中检测到冲突,将立即停止发送数据并等待一段随机长的时间,然后重复上述过程。

无线局域网MAC协议设计要点(理解)

简答：CSMA/CD算法为何不能应用于无线局域网

CSMA/CD算法需要硬件一边发送数据一边监听共享链路的占用情况,在冲突窗口时间内没有检测出冲突就确定为发送成功。这些设计在无线链路上难以满足。首先,在无线网卡实现信号的同时发送和接收的难度和代价较高;其次,无线通信环境中信号传输路径复杂,存在绕射、折射、反射等多径,难以估算传输延时和判断是否存在冲突。

CSMA/CA协议的原理(理解)

简答：无线局域网CSMA/CA如何实现冲突避免?

冲突避免 Collision Avoidance,又称为虚拟载波侦听 (Virtual Carrier Sense),通过信令协商达到实际载波侦听的效果。协议约定在发送数据帧之前交换控制信息,发送方询问“Request to Send” (RTS),接收方收到 RTS后响应 “Clear to Send” (CTS),发送方收到 CTS, 则开始发送数据。在此过程中,如果其他结点收到 RTS或者 CTS,则停止发送,避免冲突。

第四章：分组交换网络

数据报交换、虚电路交换的原理(理解)

虚电路交换方法的健壮性不如数据报交换方法

简答：对比虚电路和数据报两种分组交换技术

数据报交换的思想是网络不负责提供可靠传输保证,分组中包括源/目的地址,沿途交换机根据该地址独立处理和转发分组。虚电路交换的思想是网络提供可靠传输保证,传输过程包括连接建立、数据传输、连接释放等阶段。在连接建立过程中,交换机协商分配局部的虚电路号并预留资源;数据传输过程中,分组首部内包含有本地交换所需的虚电路号,交换机根据虚电路号转发分组。

局域网扩展，网桥，生成树算法的基本概念(理解)

局域网扩展的基本概念：局域网（LAN）扩展是指通过不同的技术手段，将原有的局域网范围进行扩大，以覆盖更大的区域或连接更多的设备。这种扩展可以通过多种方式实现：

无线局域网扩展：如Wi-Fi
有线局域网扩展：使用更长的网线等传输媒介，扩大局域网范围
虚拟局域网(VLAN)：通过在网络交换机上配置虚拟局域网，可以将原有的物理局域网划分为多个逻辑上独立的虚拟局域网，实现不同部门或功能的隔离和管理，同时在逻辑上连接它们，形成一个扩展的网络。
子网划分：将原有的单一子网划分为多个子网，每个子网可以有自己的IP地址范围和路由规则，使得网络可以更有效地支持不同的设备和服务
中继器和网桥：使用中继器和网桥等设备，可以将原有的局域网连接到其他局域网，实现不同物理位置之间的网络扩展。
广域网连接：通过使用广域网（WAN）连接技术，如专线、VPN（虚拟专用网络）等，将不同地理位置的局域网连接起来，形成一个更大范围的网络。

网桥的基本概念：网桥工作在数据链路层，对接收到的帧进行过滤转发，通过网桥可以连接多个局域网，以建立更大的局域网

网桥可分为基本网桥和学习网桥，基本网桥将收到的帧向所有端口转发，这样效率很低，不能隔离碰撞域，常用的是学习网桥，采用选择性转发的方法，维护一个转发表，根据转发表（站表）确定转发端口，不向无关端口转发（能有效隔离碰撞域，效率高）。

生成树算法的基本概念：生成树算法是为了解决广播风暴的问题而提出的一种算法，因为根据网桥的工作原理，帧有可能在环形网络中兜圈子而产生广播风暴。生成树算法通过从网络中剪掉一些链路，构造出该网络的生成树来解决广播风暴问题

简答：简述透明网桥的要点?其在环状拓扑结构下可能发生什么问题?

透明网桥通过逆向自主学习方式构建MAC转发表透明网桥在环状拓扑结构下可能发生广播风暴(绕弯子)现象,生成树算法可以有效解决该问题。

简答：什么是广播风暴

网桥工作在数据链路层。网桥根据数据帧的源地址与目的地址来决定是否接收和转发该帧。随着网络规模的扩大与用户结点数的增加,可能出现“端口-结点地址表”中没有的结点地址信息,此时网桥无从决定应该从哪个端口转发,只能在所有端口广播。这种盲目广播会使帧的数量按指数规律增长,造成网络中无用的通信量剧增,形成“广播风暴”。

简答：虚拟局域网是不是一种新的局域网?

虚拟局域网是局域网交换机给用户提供的一种服务,并不是一种新型局域网。虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符,称为VLAN标记,用来指明发送该帧的工作站属于哪一个VLAN。局域网交换机根据VLAN标记,对于到来流量进行转发。属于同一个VLAN标记的工作站可以相互访问。

数据帧转发过程中IP地址和MAC地址的变化情况

当帧经过交换机时不会更改其源MAC地址和目标MAC地址
当帧通过路由器时，进行路由转发，IP地址是不会变的，MAC地址一定会变
当帧在同一个子网的主机之间进行转发，IP和MAC地址都不会改变
当帧在不同子网的主机进行转发时(使用NAT技术将内网IP转为外网公用IP)时，IP地址和MAC地址会发生改变

共享式以太网与交换式以太网的区别(理解)

简答：共享式局域网与交换式局域网有哪些区别?

共享式局域网的核心设备是集线器,在任何一个时刻只能有一个结点通过共享信道发送数据。该网络内每个结点处于同一个冲突域内,结点得到的平均带宽约等于总带宽/结点数。交换式局域网的核心设备是交换机,可以在它的多个端口之间建立多个并发连接,从而实现了结点之间数据的并发传输。该网络内结点的通信不存在冲突,结点得到接近总带宽的带宽。

以太网中继器、集线器、网桥、交换机的功能与区别(掌握)

简答：简述中继器、集线器、网桥、交换机等设备的区别

这4 种设备都是用于互联、扩展局域网的连接设备,但它们工作的层次和实现的功能不同:

中继器(Repeater),工作在物理层,解决数字信号在长距离基带传输中的失真和衰减问题,通过信号再生提升信号波形和强度的质量。
集线器(Hub),工作在物理层,相当于一个多端口的中继器。集线器可以将多个结点连接成为一个共享式以太网。
网桥(Network Bridge),工作在数据链路层,可以互联不同的物理层、不同的 MAC 子层以及不同速率的以大网,具有过滤帧、存储转发帧的功能。
交换机(Switch),,工作在数据链路层,相当于一个多端口的网桥。允许端口之间建立多个并发的连接,实现多个结点之间的并发传输。

第五章：网络互联

IP尽力服务的服务模型，IP数据包转发原理(理解)

IP尽力服务是一种服务模型，也称为“Best Effort Service”，是指在计算机网络中，网络设备尽其所能地传输数据，但不保证数据包的可靠性、顺序或时延。这种服务模型主要用于互联网中的IP网络，其中数据包以最佳可能的方式进行传输，但网络不提供对数据包的任何特殊处理或保证。

IP数据包转发原理：

数据包的封装
路由器查找
数据包转发
数据包到达目标设备

简答：解释Everything over IP和IP over Everything的含义

Everything over IP:从协议栈来看,TCP/IP网络可以为各式各样的应用提供服务,在IP层上面可以有很多的应用程序。 IP over everything:从协议栈看,TCP/IP网络也允许IP协议在各种异构网络构成互联网上运行,在IP层以上无需关心下层的物理网络实现。

IPv4分段与重组的概念与计算(掌握)

IPv4分段与重组是一种处理大数据包的机制，允许将大于网络链路允许的最大传输单元（MTU）的IPv4数据包进行分割，并在到达目的地后重新组装这些分段。这是为了适应网络链路上的不同MTU和确保数据的正确传输。

在了解如何计算IPv4的分段和重组之前，我们需要了解IPv4数据报的首部格式其示意图如下：

各参数含义如下：

版本：表示IP协议版本
首部长度，取值以4为单位，最小值为5，20字节，最大值为15，表明首部包含20字节固定部分和最大40字节可变部分
可选字段：用于排错，很少使用
填充字段：确保首部长度为4的整数倍，用全0填充
区分服务：很少使用
总长度：表示IP数据报总长度
标识：属于同一数据包的各分片应该具有相同标识
标志：各比特定义为:
- DF位：1/0 表示是否允许分片
- MF位：1/0 表示后面是否还有分片
- 保留位：必须为0
片偏移：指出其数据载荷部分在原数据基础上偏移了多少位，以八个字节为单位

其计算常涉及到如何将大数据包分为更小的片段进行传输，具体操作可以通过下图来理解

值得注意的是：在IP层的计算中，IP实际的数据段需要减去首部长度，但如果题目说的是TCP传输层的报文传入下层IP层传输，则不需要减去TCP传输层的首部长度，因为IP层的数据载荷就是整个TCP报文

IPv4地址以及CIDR设计和规划的概念与计算方法(掌握)

IPv4的分类编址

IP地址往往进行分类编址

且在每个网络的主机号中，全0的最小地址作为网络地址，全1的最大地址作为广播地址不可分配

常用的3类网络的网络数和主机数的关系如下：

IPv4划分子网

对于网络中的网络，我们往往是直接在该网络中分配子网，而不是申请新的网络号，这可表述为借用主机地址作为网络地址

我们可以用IP地址与子网掩码相与得到网络地址，其计算如下：

给定一个分类的IP地址和子网掩码，即可计算子网划分细节：

\(子网数量=2^{子网掩码1数-网络号}\)
\(子网可分配给主机的IP地址数量=2^{子网掩码0数}-2\)
\(子网网络地址=子网地址，子网广播地址=下一个子网地址-1\)
\(子网分配给主机的最小地址=子网地址+1，子网分配给主机的最大地址=下一个子网地址-2\)

IPv4无分类编址(超网)--CIDR

CIDR使用斜线记法，在斜线后面写上网络前缀所占比特数量

CIDR的最长前缀匹配原则

在路由器间进行转发时，我们采用最长前缀匹配原则将到来的IP分组进行转发，如果一个IP分组与两个网络的网络号都匹配，选择两个网络号中，长度最长的那个网络作为IP地址的下一跳路由器

简答：说明IP地址与硬件地址的区别

IP地址是连接互联网上的主机标识符;IP地址也被称为逻辑地址,其分配可以被静态指定也可以被动态分配;IPv4是32bit的,IPv6是128bit的。硬件地址也被称为物理地址,用于标识每个网络接口设备;IEEE系列标准规定了MAC地址的格式,由48bit构成,由网卡制造商在生产时内置。

ARP协议，DHCP协议，NAT协议，ICMP协议(了解)

ARP协议用于将IP地址映射到MAC地址
DHCP协议用于将域名映射到IP地址(域名与IP地址不是一一对应的关系)
NAT协议用于在私有网络和公共网络中映射IP地址，允许多个设备享有一个IP地址
ICMP用于IP网络上的检错

简答：ARP协议向网络层提供了转换地址的服务,是否属于数据链路层?

这种说法是错误的。ARP 不是向网络层提供服务,它本身就是网络层的一部分,帮助向传输层提供服务。数据链路层不存在IP地址问题,数据链路层协议把比特串从线路的一端传送到另一端。

基于距离向量和基于链路状态的路由算法的原理与计算(掌握)

简答：简述距离向量路由算法原理,该算法有哪些不足?

该算法定义距离向量信息为当前结点到达每一个其他结点的代价,通过邻结点之间多轮次两两交换距离向量信息,基于Bellman-ford算法逐步更新到全网其它结点的最短路径下一跳。该算法的不足包括,构造距离向量需要知道全网结点数量规模,可能产生无穷计算问题。

简答：“好消息传得快,坏消息传得慢”描述的是哪个路由算法,如何克服?

这是距离向量路由算法的缺点。其原因是,路由交换时依赖两两信息交换,无法得到全局准确信息,导致计算到无穷。该问题无法通过算法改进彻底解决,在该算法对应的RIP协议中,通过设定路由跳数最大值来加以克服。RIP约定值为16即表示不可达,避免计算到无穷。

简答：对比距离向量路由算法和链路状态路由算法的差异。

距离向量路由算法:与邻结点交互全局信息,每个结点仅与直接相连的结点通信,交互的信息是到达其余所有结点的距离,路由计算采用Bellman-ford算法。链路状态路由算法:与全局结点交互局部信息,每个结点通过洪泛方式与其他所有结点通信,交互的信息是该结点相连链路的状态,路由计算采用Dijkstra算法。

路由器与交换机的区别(掌握)

简答：作为中间设备,转发器、网桥、路由器和网关有何区别?

将网络互相连接起来要使用一些中间设备:

物理层使用的中间设备叫做转发器。
数据链路层使用的中间设备叫做网桥或桥接器。
网络层使用的中间设备叫做路由器。
在网络层以上使用的中间设备叫做网关。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。

自治系统的概念，域内路由与域间路由的概念(理解)

自治系统

因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统 AS。

一个自治系统是一个互联网，其最重要的特点就是自治系统有权自主地决定在本系统内应采用何种路由选择协议。

一个自治系统内的所有网络都属于一个行政单位(例如，一个公司，一所大学，政府的一个部门，等等)来管辖。

一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须是连通的。

域内路由与域间路由

简答：IGP和EGP这两类协议的主要区别是什么?

IGP是内部网关协议,即在一个自治系统内部使用的路由选择协议,代表性的包括RIP和OSPF协议。IGP的路由选择主要采用最短路径的算法。 EGP是外部网关协议,用于自治系统之间路由选择,目前使用最多的外部网关协议是BGP协议。EGP的路由选择受多种因素影响,通常不使用最短路径。

路径向量路由算法的原理与BGP协议实现(理解)

路径向量路由算法

想法：

对距离向量进行扩展使其能够快速检测环路
支持灵活的路由策略
避免无穷计算问题

核心思想 : 通告整条路径

距离向量 : 发送到每一个目的地 d 的距离向量

路径向量 : 发送到每一个目的地 d 的路径向量

BGP协议

边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由
每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的 BGP 发言人
一个 BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立 TCP 连接，然后在此连接上交换BGP 报文以建立 BGP 会话 ( session)，利用 BGP 会话交换路由信息。使用 TCP 连接交换路由信息的两个 BGP 发言人，彼此成为对方的邻站或对等站。

简答：RIP、OSPF、BGP的承载协议有何不同,有何考虑?

RIP采用UDP协议。RIP在1980年代早期开发,其只需要与邻结点交互信息。UDP虽然无可靠性保证,但传输开销较小,可以满足RIP的需求。
OSPF采用IP协议。OSPF在1980年代末期开发,其需要在全网交互信息。当时TCP/IP架构已经形成,直接使用IP协议,易于在路由器上实现链路状态信息的洪泛。
BGP采用TCP协议。BGP协议在不同的自治系统之间交换路由信息,交换域间路由信息需要可靠传输保证,所以选择TCP。