计算机网络的体系结构

计算机网络的分类。

  • 按分布范围：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个人区域网（PAN）
  • 按传输技术：广播式网络、点对点网络
  • 按拓扑结构：总线形、星形、环形、网状形
  • 按交换技术：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络
  • 按传输介质：有线网络（双绞线、同轴电缆、光纤）、无线网络（蓝牙、WiFi）

简述计算机网络采用层次结构模型的优点。

  • 每层都实现一种相对独立的功能，降低整个系统的复杂度
  • 各层之间的界限自然清晰、易于理解
  • 各层功能的定义与其具体实现方法相独立，可以采用最合适的技术来实现
  • 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
  • 整个分层结构能促进标准化工作

解释协议、接口和服务

  • 协议：对等实体之间进行通信的规则的集合，它是水平的
  • 接口：同一结点内相邻两层之间交换信息的连接点，即服务访问点（SAP）
  • 服务：下层为相邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。服务可分为面向连接的服务和无连接服务，可靠服务和不可靠服务

TCP/IP的核心是什么。

TCP/IP的核心思想是”网络互连”，即TCP、UDP、IP协议。将使用不同协议的异构网络，在网际层（即IP层）统一为虚拟逻辑网络。其特点是两头大中间小，应用层和网络接口层有很多协议，而中间的IP层很小。这表明，TCP/IP协议可以为各种应用提供服务（everything over ip），也可以屏蔽不同物理网络实现的细节（ip over everything）。

OSI模型和TCP/IP模型的区别是什么？

  • OSI模型有7层，而TCP/IP模型只有5层（物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层）
  • OSI模型有三个明确的概念：协议、服务和接口，而TCP/IP模型没有明确的划分
  • OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，而TCP/IP在网络层仅支持无连接的通信
  • OSI模型是先于协议设计的，TCP/IP模型是在协议发明之后总结的
  • OSI模型概念清晰，但复杂且不实用。TCP/IP模型是事实上的标准

【相关计算题】

  • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
  • 发送时延 = 分组长度 / 带宽速率
  • 传播时延 = 距离 / 电磁波速率
  • 1Mb = 10^3kb = 10^6b
  • 1s = 10^3 ms = 10^6 μs

物理层

什么是多路复用技术？有几种复用方法？

多路复用技术是将若干个彼此独立的信号进行合并，从而可以在同一物理信道上同时传输的方法。主要包括时分多路复用、频分多路复用、波分多路复用和码分多路复用。

  • 时分复用：所有的用户在不同的时间占用同样的带宽，一般用来传输数字信号
  • 频分复用：所有的用户在相同的时间占用不同的带宽，一般用来传输模拟信号
  • 波分复用：即光的频分复用，它在一根光纤中传输多种不同波长的光信号
  • 码分复用：用相互正交的码片序列来区分原始信号的一种复用方式，主要用于移动通信系统

什么是信道？有几种通信方式？

信道表示向单方向传送信息的媒体，通信线路通常包含一条发送信道和一条接收信道。

  • 单工通信：只能有一个方向的通信
  • 半双工通信：通信双方都可以发送和接收，但不能同时发送或者同时接收
  • 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收

【相关计算题】

1）奈奎斯特定理：极限数据传输率 = (b/s)，其中V表示有多少种不同的码元，W为带宽，单位为Hz

2）香农公式：极限数据传输率 = (b/s)，其中信噪比S/N以分贝记，20dB = 100，30dB = 1000，40dB = 10000

数据链路层

数据链路层的作用是什么？

①封装成帧。在一段数据的前后加上首部和尾部，构成一个帧。接收端收到物理层上交的比特流后，能根据首部和尾部的标记，识别帧的开始和结束。

②透明传输。由于帧定界符可能出现在数据部分而产生错误。传送时要进行处理，以保证无论是什么样的数据都能够正确传输。

③差错检验。处理传输过程中可能出现的比特差错，帧丢失、帧重复和帧失序等问题。

④流量控制。控制发送速率，使得接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧。协议包括：停止-等待协议、后退N帧协议和选择重传协议。

简述以太网CSMA/CD的工作原理。

CSMA/CD的全称是载波侦听多点接入/碰撞检测。工作过程可概括为”发前先听，边听边发，冲突停发，随机重发”。

适配器准备一个以太网帧放到缓冲区中，如果适配器侦听到信道空闲，就开始传输该帧。在传输过程中，适配器检测来自其他适配器的信号能量。如果发生冲突，则停止传输并发送一个48bit的拥塞信号。在中止（即传输拥塞信号）后，采用二进制指数退避算法等待一段随机时间后重发。

【相关计算题】

1）循环冗余码

生成多项式和位串的转换（下面是一个5阶多项式，注意有X^0）

  • 假设G(x)的阶数为r，在帧的最低为补r个0
  • 做模2除法，用帧序列除以G(x)，得出r位冗余码（前导0不可省略）
  • 接收到的比特序列 除以G(x)后 余数为0，则表示没有出错

2）停止-等待协议的信道利用率

设L为帧长，C为发送速率，R为单程传播时延。可知，协议忙的时间为L/C，协议空闲的时间为等待确认返回的时间2R。故信道利用率为

3）CSMA/CD协议的最小帧长

最小帧长 = (总线传播时延 × 2) × 数据传输率

网络层

简述各物理设备的工作层次和作用。

  • 转发器（中继器）/集线器 工作在物理层。主要用于扩大网络传输的距离
  • 网桥/交换机 工作在数据链路层。它能识别帧中的MAC地址，可以隔离冲突域
  • 路由器 工作在网络层。它能识别IP地址，确定合适的路径，将数据包转发到其他网络
  • 网关 工作在网络层以上。用于两个高层协议不同的网络互连

什么是域名地址、IP地址和MAC地址？它们之间有什么关系？

  • 域名地址：为了便于用户记忆而引入，一个域名对应一个IP地址
  • IP地址：给互联网上每一台主机或路由器的每一个接口分配的全球唯一32位标识符
  • MAC地址：即硬件地址或物理地址，固化在适配器中。地址解析协议ARP，可将IP地址解析为MAC地址

简述RIP（距离向量算法）的特点。

每个路由表项目中有三项关键数据：<目的网络，距离，下一跳>。RIP通过距离向量算法完成路由表的更新。每隔30秒，路由器将自己知道的全部信息，即整个路由表发送给相邻的路由器。

对应每个相邻路由器发过来的RIP报文，先将此报文中所有的”下一跳”改为自己，并将距离字段加1（即通过自己去往目标网络）。同时，使用贪心算法更新自己的路由表。如果180秒还没有收到相邻路由器的更新报文，则把此相邻路由器设为不可达，即距离为16。

经过第一次RIP广播，每个路由器就知道了自己相邻路由器的路由表；经过第二次RIP广播，每个路由器就知道了距离自己跳数为2的网络的路由，直到最终收敛。

  • RIP限制了网络的规模，最大距离为15
  • 网络出现故障时，会出现慢收敛现象，即”好消息传的快，坏消息传的慢”
  • RIP是应用层协议，使用UDP传送数据

简述OSPF（链路状态算法）的特点。

  • OSPF使用洪泛法向本自治系统的其他所有路由器发送信息
  • 发送的信息是与本路由器相邻的路由器的链路状态，这只是路由器所知道的部分信息
  • 只有当链路状态发生变化时，才使用洪泛法更新，不会出现坏消息传得慢的问题
  • OSPF是网络层协议，直接使用IP数据报传送，IP首部的协议字段为89

具有特殊用途的IP地址。

  • 主机号全为0，表示网络号
  • 主机号全为1，表示本网络的广播地址
  • 32位全为0，表示本网络上的本主机
  • 32位全为1，表示整个TCP/IP网络的广播地址，又称受限广播地址。由于路由器对广播域的隔离，等价于本网络的广播地址
  • 127.0.0.0 保留为环路自检地址，表示任意主机本身

【相关计算题】

  • 子网划分、无分类编址CIDR
  • 计算可用主机数（A类地址主机号为24位，B类16位，C类8位）

传输层

简述TCP连接的建立过程（三次握手）

主机A向主机B发送连接请求，主机B对A发来的报文段进行确认，主机A对B的确认再确认。

  • 第一步（A->B）：SYN=1, seq=x
  • 第二步（B->A）：SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
  • 第三步（A->B）：ACK=1, seq=x+1, ack=y+1

规律：使用对方的ack作为自己的seq，自己的ack为对方的seq+1

简述TCP连接的释放过程（四次挥手）

  • 第一步（B->A）：FIN=1, ACK=1, seq=x, ack=y
  • 第二步（A->B）：ACK=1, seq=y, ack=x+1
  • 第三步（A->B）：FIN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1（确定数据已发送完）
  • 第四步（B->A）：ACK=1, seq=x+1, ack=y+1

简述TDP和UDP的区别。

  • TCP是面向连接的可靠传输，UDP”尽最大努力交付”，是无连接不可靠的传输
  • UDP面向报文。发送端应用层的数据加上一个UDP头部就交给网络层。TCP面向字节流
  • UDP支持一对一、多对多、一对多、多对一通信。TCP只支持一对一通信
  • UDP首部开销为8字节，TCP首部至少有20字节。UDP效率高

在TCP拥塞控制中，什么是慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复算法？

  • 接收窗口rwnd：反映接收方的容量，由接收方通过TCP首部的窗口字段通知发送方
  • 拥塞窗口cwnd：发送方根据自己的估算确定
  • 发送窗口的上限值 = min(rwnd, cwnd)

慢开始算法：先令cwnd=1，每经过一个RTT，使cwnd加倍。直到cwnd达到慢开始门限ssthresh的值后，改为拥塞避免算法。

拥塞避免算法：每经过一个RTT，使cwnd增加一个MSS的大小（通常是1）。若出现超时，令慢开始门限ssthresh等于当前cwnd的一半，并置cwnd=1，重新执行慢开始算法。即”加法增大，乘法减小”。

快重传：使用冗余ACK来检测丢包。当发送方收到三个重复的ACK报文时，直接重传对方尚未收到的报文段，而不必等待那个报文段的重传计时器超时。

快恢复：当发送端收到三个重复的ACK时，执行”乘法减小”，把慢开始门限ssthresh设为出现拥塞时cwnd的一半。与慢开始不同的时，它置cwnd=ssthresh，然后执行拥塞避免算法。

应用层

假定某客户机想获知域名为y.abc.com主机的IP地址，说明域名解析过程。

  1. 客户机向本地域名服务器发送DNS请求报文。
  2. 本地域名服务器收到请求后，查询本地缓存，若没有该记录，则以DNS客户的身份向根域名服务器发出解析请求。
  3. 根域名服务器收到请求后，将对应的顶级域名服务器dns.com的IP地址返回给本地域名服务器。
  4. 本地域名服务器向顶级域名服务器dns.com发送解析请求报文。
  5. 顶级域名服务器dns.com收到请求后，将对应的授权域名服务器dns.abc.com的IP地址返回给本地域名服务器。
  6. 本地域名服务器向授权域名服务器dns.abc.com发送解析请求报文。
  7. 授权域名服务器收到请求后，将查询结果返回给本地域名服务器
  8. 本地域名服务器将结果存入缓存，并返回客户机。

其中，主机向本地域名服务器的查询采用递归查询，本地域名服务器向根域名服务器的查询采用迭代查询。（使用UDP报文）

简述FTP的工作过程。

文件传输协议FTP，提供交互式的访问，允许客户指明文件的类型与格式，并允许文件具有存取权限。它屏蔽了各计算机系统的细节，因而适合于在异构网络中传送文件。

FTP在工作时采用两个并行的TCP连接。一个是控制连接（21端口），一个是数据连接（20端口）。控制连接在整个会话期间一直保持打开，其收到文件传输请求后，就创建数据连接。文件在数据连接上传送完毕后，数据连接就被关闭。

简述电子邮件的收发过程。

  1. 发信人调用用户代理（一个WEB或客户端程序，例如Gmail、Foxmail），用户代理使用SMTP或HTTP协议把邮件传送给发送方邮件服务器。
  2. 发送方邮件服务器将邮件放入缓存队列，等待发送。
  3. 发送方邮件服务器建立TCP连接，使用SMTP协议将待发邮件发送到接收方邮件服务器。
  4. 接收方邮件服务器收到邮件后，放入用户邮箱，等待收信人读取。
  5. 收信人调用用户代理，使用POP3（或IMAP）协议将自己的邮件从接收方邮件服务器的用户邮箱中取回。

简述HTTP访问的工作过程。

  1. 浏览器分析链接所指页面的URL，例如http://www.baidu.com/index.html。
  2. 浏览器向DNS请求解析www.baidu.com的IP地址。
  3. 浏览器通过该IP地址与服务器建立TCP连接，默认端口号为80。
  4. 浏览器发出HTTP请求：GET /index.html。
  5. 服务器通过HTTP响应，把文件index.html发送给浏览器（客户端随机选择的端口）。
  6. 释放TCP连接。
  7. 浏览器渲染index.html，将WEB页面展示给用户。