原笔记信息

• 原笔记来源：计网.md
• 本资料由原笔记蒸馏整理，建议配合原笔记查漏补缺。

复习 / 预习建议

• 先按“网络基础 -> 应用层 -> 传输层 -> 网络层 -> 链路层 -> 无线与移动性”的顺序过一遍，建立分层和封装主线。
• 复习时优先记接口、协议职责、报文格式、关键状态机和性能公式，例如 HTTP/DNS、TCP、IPv4、以太网和 802.11。
• 对传输层重点比较 UDP/TCP、GBN/SR/TCP、流量控制/拥塞控制，以及 TCP Reno、CUBIC、BBR、DCTCP 的思路差异。
• 对网络层重点抓转发与路由、最长前缀匹配、ARP/DHCP/NAT/ICMP、DV/LS、OSPF/BGP、SDN 和 IPv6 迁移。
• 用章节后的选择题检查概念边界；涉及报文头字段、握手流程和算法细节时，建议回原笔记逐项补漏。

速览

• 计算机网络由结点和链路组成，目标是把信息更快、更稳定、更好用地传输；核心要素是实体、服务、协议、实现与管理。
• Internet 采用分组交换和端到端原则：网络核心尽量简单，复杂可靠性、恢复和应用逻辑主要放在端系统。
• 分层架构用接口隔离上下层、用协议连接同层实体；发送端层层封装，接收端层层解封装。
• 应用层通过 socket 调用传输层，典型协议包括 HTTP、DNS、SMTP/POP3/IMAP、P2P、流媒体、CDN、Telnet、FTP、SNMP。
• 传输层把主机到主机交付扩展为进程到进程交付；UDP 简单低开销，TCP 提供字节流、可靠传输、流量控制和拥塞控制。
• 网络层提供跨多跳的尽力而为数据报服务；路由器数据平面负责转发，控制平面负责路由计算。
• 链路层在物理相连结点间传输帧，处理成帧、差错检测、介质访问控制、以太网交换、VLAN 和生成树。
• 无线网络需要处理信号衰减、隐藏终端、CSMA/CA、802.11 帧和移动性；移动 IP 和蜂窝网用代理、注册和切换维护通信。

知识点整理

基础：实体、服务、协议和分层

网络组成与实体

网络 = 结点 + 链路。结点包括计算终端、路由器、交换机等；链路包括网线、光纤、无线媒介。网络的基本目标是信息传输，终极目标是更快、更稳定、更好用。

网络设计的四要素：

• 对等实体：实体的识别、命名和组织形式。
• 服务：传输接口、服务性能、可靠性和安全保障。
• 协议：传输内容的格式、语义和顺序。
• 实现与管理：把功能和协议映射到实体，并完成资源分配与调度。

网络类型：

• PAN：个域网，短距离通信，如蓝牙耳机。
• LAN：局域网，如企业网络、办公室组网、WLAN 和打印机共享。
• MAN：城域网。
• WAN：广域网，覆盖地区或国家。

Internet 是网络的网络。ISP 提供接入与互联服务。网络组成包括网络边缘、接入网和网络核心：

• 网络边缘：端系统与主机，运行应用程序。
• 接入网：把端系统连到边缘路由器。
• 网络核心：由分组交换设备和通信链路构成。

主机内部包括网卡、内核驱动、内核协议栈和用户软件。主机/接口命名包括 MAC 地址、IP 地址和主机名。MAC 地址通常全球唯一且不可修改；IP 地址可配置，便于管理。

分组交换、电路交换和性能指标

路由是全局规划：计算源到目的主机的路径。转发是本地执行：每个结点根据本地路由表把数据交给下一跳。

分组交换把大消息拆成分组，以分组为转发单位。每个分组头部含地址等控制信息，可独立选择路径，支持统计多路复用。

分组交换使用存储-转发：路由器必须收到完整分组，才能向下一跳发送。额外传输延迟为 $\frac LR$，其中 $L$ 是分组长度，$R$ 是发送速率。缺点是容易拥塞、排队甚至丢包，无法天然提供服务质量保证。

电路交换先建立连接并预留端到端资源，连接期间物理通路被独占，性能有保障但难以灵活复用，无法适应突发流量。FDM 和 TDM 是电路交换常见多路复用方式。

主要性能指标：

• 带宽：通道最高数据率，单位 bit/s。
• 包转发率 PPS：设备每秒转发包数。
• 比特率：单位时间主机向信道传输的数据量。
• 吞吐量：单位时间通过某位置的数据量。
• 有效吞吐量 goodput：目的地正确收到的有用信息量。
• 利用率：信道或网络被利用的比例。
• 丢包率：丢失包数量占发送包比例。
• 时延：传输时延、传播时延、处理时延、排队时延。
• RTT：从发送数据到收到确认的往返时间。
• 时延带宽积：传播时延乘以带宽，表示按 bit 计的链路长度。
• 抖动：时延变化。
• 可靠性、完整性、隐私性、可审计性。

排队论中 Little 公式：

$$L=A\times W$$

其中 $L$ 为平均队列长度，$A$ 为平均到达速率，$W$ 为平均等待时间。

协议、封装与分层架构

网络协议是通信双方共同遵守的规则、标准或约定，三要素是语法、语义、时序。

分层架构的核心：

• 每层提供特定功能与服务。
• 层与层之间有接口调用。
• 同层实体通过该层协议对话。
• 屏蔽各层实现细节。

好处是降低复杂度、增加灵活性；坏处是引入额外开销，且跨层信息有时重要。

OSI 七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。TCP/IP 模型包括网络接口层、互联网层、传输层、应用层。

发送端层层封装头部，接收端层层解封装。端系统实现所有分层；交换机主要实现物理层和链路层；路由器实现物理层、链路层和网络层。

Internet 的实现主线：

• 端到端原则：复杂功能由端系统实现，网络核心保持简单。
• IP 为核心：IP over everything，Everything over IP。
• 优点：网络核心可扩展、易互连、屏蔽上层应用和底层通信。
• 局限：层间功能重叠、IP 难升级、资源管理和性能控制依赖端系统。

应用层

应用层实体、架构和传输服务

不同主机上的程序通过应用层完成交互。应用程序以进程形式运行，利用 socket 发送和接收消息。

应用通常希望传输层提供可靠传输、高吞吐、低延迟和安全。实际上传统传输层主要提供：

• TCP：面向连接、可靠传输、有序传输、流量控制、拥塞控制；不能保证延迟、吞吐量和安全。
• UDP：无连接、不可靠、无顺序、无流量控制和拥塞控制；简单、性能开销小，适合部分实时或单次请求/响应应用。

应用进程命名依赖 IP 地址 + 端口号，例如 HTTP 服务器 80、邮件服务器 25。

应用组织架构：

• C/S：客户端主动请求服务，服务器被动提供服务。服务器可采用循环方式或并发方式；TCP 并发服务器常用监听套接字和连接套接字。
• P2P：进程之间不区分固定请求方和提供方，结点可动态加入退出，任意两个实体可直接通信，扩展性好但管理开销更大。

Web、HTTP、缓存和 Cookie

Web 由 HTTP 客户端和服务器、Web 对象、URL、HTTP 协议组成。HTTP 通常运行在 TCP 上，默认端口 80。HTTP 是无状态协议，服务器端不保存之前请求状态。

HTTP/1.0 默认非持久连接，获取每个对象都要建立、请求/响应、关闭连接。HTTP/1.1 默认持久连接，可复用 TCP 连接，减少慢启动和 RTT 开销；pipeline 支持流水线但需要按序响应。HTTP/2 请求/响应允许交错，可设置优先级和服务器推送。HTTP/3 主要换成 UDP + QUIC。

HTTP 请求报文由请求行、首部行和实体主体组成。GET 参数在 URL 中，通常有长度限制；POST 参数在实体主体中，通常不受 URL 长度限制。

HTTP 响应报文由状态行、首部行和实体主体组成。状态码表示请求处理结果。

缓存：

• 浏览器缓存：保存在用户主机。
• 代理服务器缓存：ISP 或代理缓存服务器保存 Web 副本。
• 一致性策略：启发式缓存用 Last-Modified 和 Expires；询问式缓存用 If-Modified-Since。

Cookie 用于在无状态 HTTP 上保存用户状态：

1. 服务器通过响应首部 set-cookie 分配唯一 cookie。
2. 后续请求带上 cookie。
3. Cookie 保存在用户主机中，由浏览器管理。
4. 服务器后端数据库以 cookie 为关键字记录相关信息。

Cookie 字段包括域、路径、内容、过期时间和安全标志。Cookie 可以简化操作，但也可能泄漏隐私。

DNS

DNS 负责域名和 IP 地址映射，可双向查询。DNS 提供的是网络层相关功能，但以应用层技术实现，体现了把复杂功能放在网络边缘的思想。

DNS 使用层次化、基于域的命名模式和分布式数据库，避免单点故障并处理海量流量。

名字服务器：

• 根服务器：知道所有顶级域名服务器的域名和 IP。
• 顶级域名服务器：管理相应 TLD 下的二级域名。
• 二级域/权威名字服务器：保存具体区的权威记录。
• 本地 DNS 服务器：ISP 或组织部署，离用户较近，常称递归服务器。

查询方式：

• 主机到本地 DNS 通常使用递归查询。
• DNS 服务器向上层服务器通常使用迭代查询。

DNS 报文使用 UDP，端口 53。报文由首部、问题、资源记录组成。

资源记录 RR 格式：

$$(name,ttl,class,type,value)$$

常见类型：

• A：主机名到 IPv4 地址。
• CNAME：别名到规范名。
• NS：域到权威名字服务器。
• MX：域到 SMTP 邮件服务器。
• AAAA：域到 IPv6 地址。
• PTR：IP 地址到域名。

DNS 广泛使用缓存，以减少查询延迟和根服务器负载。原始设计未充分考虑安全，因此存在污染、伪造等安全风险。

邮件、P2P、流媒体、CDN 和其他应用协议

电子邮件系统包括用户代理、邮件服务器和协议。SMTP 用于发送邮件，POP3/IMAP 用于最终交付，Webmail 通过 Web 接口访问邮件。

P2P 通过 peer 共享资源。索引方式包括中心化索引、Query Flood、混合索引和 DHT。BitTorrent 把文件分成 chunk，peer 通过 tracker 找到其他 peer，并倾向下载稀有块；发送策略偏向给自己贡献大的 peer，并周期性随机尝试新 peer。Chord DHT 把 peer 和 key 哈希到环上，每个 key 由顺时针下一个 peer 管理。

流媒体需要处理高端到端性能约束、时序约束和一定容错性。媒体点播可边下载边播放，客户端缓冲区用于抵消抖动。实时音视频常用 RTP/RTCP 传输和监控媒体流，用 RTSP 控制播放过程。基于 HTTP 的 DASH 把视频切成片段，并根据吞吐量和缓冲情况自适应选择码率。

CDN 把内容拷贝部署到靠近用户的位置，降低时延、避免拥塞、缓解原始服务器压力并提升可扩展性。资源选择可通过 HTTP 重定向、DNS 辅助或页面链接重写完成。

Telnet 通过 NVT 屏蔽异构终端差异，默认 TCP 23。FTP 使用控制连接和数据连接，控制连接通常在 TCP 21，数据连接用于实际文件传输。SNMP 用于网络管理，包括配置、故障、性能、计费和安全管理。

传输层

端口、复用分用、UDP

传输层位于应用层和网络层之间，基于网络层服务，为不同主机上的应用程序提供端到端服务。网络层是主机到主机，传输层是进程到进程。

端口号是套接字标识的一部分，16 bit。报文段携带源端口号和目的端口号。

复用和分用：

• 复用：发送方传输层把套接字标识放入报文段，交给网络层。
• 分用：接收方传输层根据报文段中的套接字标识交付到正确 socket。

UDP 用 $<IP,Port>$ 标识套接字。TCP 连接套接字用四元组标识：<源IP, 目的IP, 源Port, 目的Port>。

UDP 是最低限度的传输服务：

• 主机到主机交付变成进程到进程交付。
• 发送/接收单位是数据报，应用层感知报文边界。
• 可选校验和检错。
• 无连接、简单、开销小、尽快发送。
• 适合容忍丢包但对延迟敏感的应用，以及单次请求/响应应用，如 DNS。

UDP 校验和把报文段看成 16 bit 整数组成的序列，求和并取反；计算时包含伪头部，避免 IP 地址错误造成误投递。

可靠数据传输：rdt、GBN、SR 和 TCP

不可靠信道可能数据损坏、丢失、乱序。可靠传输要保证数据完整、正确、有序地从源到目的传送。

停等式协议 rdt 2.0 使用 ACK/NAK 和 ARQ。rdt 2.1 加序号处理 ACK/NAK 出错和重复包。rdt 2.2 在 ACK 中携带最近成功的序号，去掉 NAK。rdt 3.0 增加计时器，处理丢包。

停等效率：

$$U=\frac{F}{F+R\times RTT}$$

在长肥网络中效率很低。

流水线传输允许未收到确认前连续发送多个包。滑动窗口限制最多 $N$ 个未确认包。

GBN：

• 接收端遇到出错或乱序报文就丢弃。
• 发送端超时后重传所有未确认报文。
• 接收端简单，发送端和信道重传开销大。
• 窗口大小 $N$ 时，序号至少需要 $N+1$ 个。

SR：

• 接收方对每个包独立确认。
• 发送方只重传超时或未确认的具体包。
• 接收端需缓存乱序包，发送端需逐包计时。
• 窗口大小 $N$ 时，序号至少需要 $2N$ 个。

TCP 在不可靠 IP 上提供可靠字节流：

• 对字节编号，而不是对报文编号。
• ACK 值表示下一个期待字节。
• 使用流水线、累积确认、超时重传、快速重传、动态超时估计。
• 接收端可推迟确认，但最多推迟 500ms，且至少每隔一个报文段正常确认。

超时估计：

$$EstimatedRTT'=(1-\alpha)EstimatedRTT+\alpha SampleRTT$$ $$DevRTT'=(1-\beta)DevRTT+\beta|SampleRTT-EstimatedRTT|$$ $$TimeoutInterval=EstimatedRTT'+DevRTT'$$

Karn 算法在重传时不测 SampleRTT，并在连续超时时指数增大超时值。

TCP 报文、连接管理和流量控制

TCP 关键字段：

• sequence number：数据载荷第一个字节在字节流中的序号。
• acknowledgement number：期望接收的下一个字节。
• 头长度：4 bit，以 4 字节为单位，最大 60 字节。
• Options：MSS、window scale、SACK 等。

三次握手：

1. 客户端发送 SYN，给出客户端起始序号。
2. 服务器发送 SYNACK，分配缓存和变量，给出服务器起始序号并确认客户端序号。
3. 客户端发送 ACK，确认服务器起始序号，可能携带数据。

两次握手的问题是服务器无法确认客户端也在线，旧连接的延迟请求可能导致服务器误开新连接。起始序号要避免新旧连接序号重叠；现代系统常基于密码学哈希和随机机制选择。

关闭连接通过 FIN 和 ACK。双方各自发送 FIN、各自确认对方 FIN，通常是四次握手，FIN 与 ACK 可合并优化。

安全隐患：

• SYN 洪泛攻击：伪造大量 SYN，使服务器维护大量半连接并耗尽资源。
• TCP 端口扫描：通过 SYN、FIN 等探测端口服务状态。

流量控制防止接收端缓存溢出。接收窗口：

$$RecvWindow=RcvBuffer-(LastByteRcvd-LastByteRead)$$

发送方限制：

$$LastByteSent-LastByteAcked\leq RecvWindow$$

零窗口时，发送方停止发送。为避免非零窗口通告无法触发，TCP 使用坚持定时器发送零窗口探测。

糊涂窗口综合征指接收方不断通告微小窗口，发送方不断发送小分组，导致报头开销浪费。Clark 策略和 Nagle 算法用于缓解。

拥塞控制和新型传输协议

拥塞控制限制发送速度不超过网络处理能力；流量控制限制发送速度不超过接收端处理能力。

拥塞导致丢包、延迟增大，并浪费重传、转发最终被丢弃分组等网络资源。

拥塞控制需要解决：

• 如何感知拥塞：超时、重复 ACK、ECN 等。
• 如何限制发送速率：拥塞窗口 cwnd。
• 如何调节 cwnd：AIMD、慢启动、拥塞避免、快速恢复等。

发送限制：

$$LastByteSent-LastByteAcked\leq cwnd$$

发送速率近似：

$$rate=\frac{cwnd}{RTT}$$

AIMD：

• 乘性减：检测丢包后将 cwnd 减半。
• 加性增：无丢包时每 RTT 增加一个 MSS。

慢启动从 $cwnd=1MSS$ 开始，每 RTT 近似翻倍，直到丢包或达到 ssthresh。拥塞避免阶段线性增长。快速恢复区分三次重复 ACK 和超时：重复 ACK 说明网络仍有一定传输能力，Reno 会进入快速恢复；超时则重新慢启动。

长期 TCP 平均吞吐量近似：

$$Average\ throughput=\frac{0.75W}{RTT}$$

其中 $W$ 是丢包时拥塞窗口。

新型拥塞控制：

• New Reno：快速恢复阶段处理多个丢包，但每 RTT 只能判断并重传一个包。
• SACK：选择确认，ACK 中报告已收到的不连续字节区间。
• BIC：用二分方式寻找合适 cwnd，高 BDP 网络中比 Reno 更积极，但 RTT 公平性差。
• CUBIC：窗口增长只取决于距上次丢包时间，减少 RTT 影响。
• Vegas：用 RTT 而不是丢包影响拥塞窗口。
• Westwood：用于无线网络，基于 ACK 到达速率估计带宽。
• BBR：估计瓶颈带宽和最小 RTT，认为 BDP 是最优窗口，目标是高吞吐低延迟，但与 loss-based 算法共存有公平争议。
• DCTCP：数据中心协议，用 ECN 衡量拥塞程度，按 $\alpha$ 精细减小窗口，维持低队列长度。

新型传输层协议：

• DCCP = UDP + 拥塞控制，提供不可靠数据报流和模块化拥塞控制。
• MPTCP：把单一数据流拆到多个 TCP 子流，聚合多路径带宽，提升可靠性，对应用和网络层透明。
• QUIC：基于 UDP，实现 TCP/TLS/HTTP 部分特性，用户态实现，支持低时延连接建立、多流复用、连接 ID 和更精确 RTT。

网络层

网络层服务、路由器和数据平面

网络层不仅在端系统实现，也在中间网络设备上实现。发送端把传输层数据封装进数据包，接收端解封装并交付给传输层，中间路由器检查首部并转发到下一跳。

Internet 提供无连接数据报服务和尽力而为交付：不保证可靠传输、顺序、低时延或带宽，但网络造价低、运行灵活、适应多种应用。

关键功能：

• 转发：单个路由器本地功能，把数据报从输入端口传到正确输出端口，属于数据平面。
• 路由：选择源到目的路径，依赖路由算法和协议，属于控制平面。

IP 转发流程：

1. 链路层解封装，校验 IP 头。
2. 获取目的 IP。
3. 按最长前缀匹配查询转发表。
4. 查询失败丢弃。
5. 查询成功则 TTL 减一、重新计算头部校验和、获取输出接口和下一跳链路层地址、重新链路层封装并发送。

普通 IP 转发过程中，路由器不查看传输层及上层协议内容。

输入端口可独立查转发表，实现线速。转发表可用 TCAM 实现并行匹配。输入排队可能产生排头阻塞。交换结构可用共享内存、共享总线、Crossbar 或多级结构。输出端口需要缓冲和调度，常见调度有 FIFO、优先级、轮询、WFQ。

IPv4、ARP、DHCP、NAT 和 ICMP

IPv4 是无连接协议，执行寻址和分片。

重要字段：

• 版本、首部长度、总长度。
• 标识、标志、片偏移：用于分片。
• TTL：每过一个路由器减一，防止循环转发。
• 协议：标识 TCP/UDP/ICMP。
• 首部校验和。
• 源地址、目的地址。

MTU 限制数据报大小。IPv4 可以途中分片，目的端重组。

IP 地址按接口分配。CIDR 允许任意长度网络前缀，如 127.0.0.1/8。地址聚合减少对外路由条目，最长前缀匹配保证更具体规则优先。

ARP 获取同一子网内 IP 到 MAC 的映射：

1. 有缓存则直接使用。
2. 无缓存则广播 ARP query。
3. 目标主机返回 MAC。
4. 请求方缓存映射，超时删除。

ARP 无状态，收到响应也可能更新 ARP 表，因此存在 ARP spoofing 攻击。

DHCP 用于动态获取 IP、网关、DNS、掩码等配置，基于 UDP，服务器 67 端口、客户端 68 端口。流程是 Discover、Offer、Request、ACK。

NAT 将私有地址转换为公有地址，缓解 IPv4 地址不足。

NAT 出数据报时替换源私有 IP 和端口为 NAT 公网 IP 和新端口，维护转换表；入数据报根据转换表改回内部地址和端口。NAT 优点是节省地址、保护内部结构，缺点是违反分层和端到端模型，并需要处理上层协议。

ICMP 让主机和路由器报告差错和异常，封装在 IP 数据报中，协议号 1。Ping 使用回送请求/回答；Traceroute 通过递增 TTL 并接收 ICMP 超时报文发现路径。

路由算法、OSPF 和 BGP

路由目标是为源主机和目的主机找到好的传输路径。网络可抽象成图，边权可以是跳数、带宽倒数、拥塞相关值。

路由算法分类：

• 全局：每个路由器知道完整拓扑和链路开销，典型为链路状态 LS。
• 局部：每个路由器只知道邻居和邻居距离向量，典型为距离向量 DV。
• 静态/动态：路径是否随网络状态变化。

DV 使用 Bellman-Ford 思想。每个结点维护到所有结点的估计距离，并与邻居交换距离向量。优点是每个结点计算和存储要求小；缺点是坏消息传播慢，可能出现无穷计数。毒性逆转可缓解但不能彻底解决。

LS 中每个结点通过链路状态广播获得相同拓扑，再以自己为源运行最短路算法生成转发表。消息数量约 $O(nE)$，每个结点计算 $O(n^2)$ 或 $O(n\log n)$，故障影响较小。

层次路由通过自治系统 AS 解决扩展性和自治管理问题。AS 内使用 IGP，如 RIP、OSPF、IS-IS；AS 间使用 EGP，典型是 BGP。

OSPF 基于链路状态：

1. 发现邻居。
2. 测量链路代价。
3. 洪泛链路信息。
4. 每个路由器获得区域拓扑，计算 Dijkstra。

OSPF 可划分 area 和 backbone，链路状态只在局部区域或主干区域传播。OSPF 用 Hello、DD、LSR、LSU、LSACK 等报文同步 LSDB。

BGP 是自治域间实际运行的路由协议。AS 内最短路不适用于 AS 间，因为规模巨大且策略目标不同。

BGP：

• eBGP：从相邻 AS 获取可达信息。
• iBGP：在 AS 内传播可达信息。
• 根据可达信息和策略决定路由。
• BGP 路由器通过 TCP 179 端口建立连接并交换 Open、Update、Keepalive、Notification 报文。

重要路径属性：

• AS-PATH：到达目的网络需经过的 AS 号序列。
• NEXT-HOP：使用该路径对应的下一跳 IP。

BGP 路由选择自上而下：本地偏好值、最短 AS-PATH、最近 NEXT-HOP、附加标准、最低路由器 ID。AS 内常用 Hot Potato 策略，选择最近出口，最小化流量在本 AS 停留时间。

SDN、IPv6、MPLS、VPN 和 QoS

SDN 解决传统网络设备封闭、不可编程、控制平面分布式收敛慢、流量工程难等问题。

SDN 三层：

• 数据平面：SDN 交换机，使用流表实现“匹配 - 动作”。
• 控制平面：SDN 控制器，维护全网状态，通过南向接口控制交换机，通过北向接口给应用提供能力。
• 网络应用：基于北向接口实现路由、防火墙、负载均衡等功能。

OpenFlow 流表包括匹配字段、动作、优先级和计数器。

IPv6 初始动机是解决 32 bit 地址空间耗尽，后续动机包括简化头部、提升处理速度和服务质量。IPv6 地址 128 bit，头部固定 40 字节，不允许途中分片。

IPv6 去除了首部长度、首部校验和、IPv4 分片字段；选项通过扩展头实现，分片只在源端完成，并使用 Path MTU 发现。

IPv4 到 IPv6 迁移主流技术：

• 隧道技术：把一种网络的数据包封装为另一种网络的载荷。
• 翻译技术：转换 IP 字段、校验和、ICMP、DNS 和部分应用层协议。

MPLS 从基于 IP 转发改为基于标签转发，介于链路层和网络层之间。

MPLS 操作包括入口加标签、域内标签交换、出口去标签。标签只在两个 LSR 之间有意义。FEC 表示一组以同样方式处理的报文，常按目的 IP 前缀、QoS、VPN 等定义。

VPN 建立在 Internet 上，通过隧道、加密、认证和数据验证实现逻辑隔离。

QoS 可量化为带宽、时延、抖动、丢包率等。机制包括调度、流量工程、流量整形、综合服务、区分服务。流量工程可用线性规划分配路径流量，目标如最小化最大链路利用率。

链路层、有线局域网和无线网络

链路层服务、成帧和差错控制

链路层在物理相连的两个结点间传输帧。主机、路由器等都是结点；链路可以是有线信道、无线信道或整个局域网。

链路层特点是差异性：不同链路采用不同协议，提供不同服务。它通常由网卡硬件、固件和软件共同实现。

链路层服务：

• 成帧。
• 差错控制。
• 流量控制。
• 无确认无连接服务，如以太网。
• 有确认无连接服务，如 802.11。
• 有确认有连接服务，适用于长延迟不可靠信道。

成帧要选择定界符，使接收方从比特流中区分帧开始和结束。方法包括字节计数、字节填充定界符、比特填充定界符和物理编码违例。

差错控制通过冗余校验信息处理位错误。常见方法：

• 奇偶校验：检查奇数个位错误；二维奇偶校验可纠正单比特错误。
• 校验和：发送方 16 bit 求和取反，接收方检查。
• CRC：选定生成多项式，对补零后的数据取模得到校验码；以太网和 WLAN 使用 CRC-32。

海明距离用于分析检错纠错能力。检查 $d$ 个错需要距离 $d+1$；纠正 $d$ 个错需要距离 $2d+1$。

多路访问控制、以太网、交换机和 VLAN

多点访问信道中多个站点共享信道，可能冲突，需要介质访问控制。目标是在单站点传输时接近速率 $R$，多站点传输时公平、去中心化、简单。

信道划分：

• TDMA：按时间片分。
• FDMA：按频段分。
• CDMA：按编码分。

随机访问：

• 纯 ALOHA：收到上层数据立即发，最大效率约 $18.4\%$。
• 分隙 ALOHA：只在时间槽开始发，最大效率约 $36.8\%$。
• CSMA：先听后发。
• CSMA/CD：发送过程中检测冲突，冲突后立即中止并退避。以太网使用二进制指数后退。

轮流协议：

• 轮询：主结点轮流授权。
• 令牌传递：拿到令牌才可发送。
• 位图协议：竞争期举手，传输期按序发送。
• 二进制倒计数、有限竞争协议用于折中低负载延迟和高负载效率。

以太网是主流有线局域网技术，特点是简单、低成本、易扩展、高速。

以太网帧字段：

• Preamble：同步时钟和定界。
• 目的 MAC、源 MAC。
• 类型：如 0x0800 表示 IP。
• 数据：46 到 1500 字节。
• CRC：检错，错误帧直接丢弃。

最小帧长 64B，最大 1518B，MTU 1500B。以太网提供无连接、不可靠服务，重传交给上层。

交换机工作在链路层，根据 MAC 地址表转发帧。它通过逆向学习源地址建立 MAC 地址到端口的映射，并带老化时间。处理帧时可能转发、过滤或泛洪。

VLAN 在一套物理交换设备上运行多个虚拟局域网，每个 VLAN 是独立广播域。最常见是基于端口的 VLAN。跨交换机 VLAN 通过 trunk port 和 802.1Q 标签实现。

VLAN 好处：控制广播域、增强安全、灵活构建工作组、提高可管理性。

生成树协议用于冗余链路下避免二层环路引起广播风暴、重复帧和 MAC 表不稳定。

STP 选举根桥、根端口、指定端口，形成无环生成树；拓扑变化时重新构造。

无线网络、802.11 和移动性

无线网络元素：

• 无线主机。
• 基站或 AP。
• 无线链路。

无线网络分为基于基础设施和自组织网络。核心问题包括无线链路传输、多路访问控制、主机移动、IP 地址和 TCP 连接保持。

无线链路特点：

• 信号强度随距离和障碍衰减。
• 受其他信号源干扰。
• 多路径传播。
• SNR 越高，越容易提取信息。
• BER 随传输速率和信噪比变化。

隐藏终端和信号衰减使无线中难以实现 CSMA/CD，因此 802.11 使用 CSMA/CA。

802.11 WLAN 由 BSS 组成，基础设施模式下 AP 是基站角色。主机发送网络层数据前需与 AP 关联：监听信标帧或主动扫描，选择 AP，进行可选认证并获取 IP。

CSMA/CA：

1. 发送前侦听信道。
2. 若 DIFS 空闲则发送整个帧。
3. 若忙则选择随机倒计时，空闲时递减，忙时暂停。
4. 计时器到 0 后发送并等待 ACK。
5. 未收到 ACK 则增大随机范围并重传。
6. 接收方正确收到帧后等待 SIFS 发送 ACK。

RTS/CTS 预约机制用小报文预约信道，避免大帧传输冲突。

802.11 帧有多个地址字段，用于无线主机、AP、路由器等不同方向转发。

同一子网下从一个 BSS 移动到另一个 BSS 时，IP 地址不变，交换机可通过逆向学习更新端口。

802.11 还支持自适应传输速率和功率管理。802.15 个人域网基于蓝牙，使用主从模式和跳频扩频。

蜂窝网中，每个基站服务一个小区，通过有线链路连到移动交换中心。2G 主要使用语音网络，3G 增加数据网络，4G LTE 使用 IP 承载语音和数据，控制平面与数据平面分离。

移动性管理：

• 通过路由：为移动设备永久地址创建路由表项，难以支持海量设备。
• 通过代理：常用方法，包括间接路由和直接路由。

间接路由对通信者透明，但有三角路由效率问题。直接路由解决三角路由，但通信者必须获取转交地址，移动后可能失效。锚外部代理或锚 MSC 是二者折中。

无线移动性对高层逻辑影响不大，但实际会因高比特错误、切换导致丢包/延迟，影响 TCP 拥塞控制和实时应用。

易错点 / 高频考点

• 路由是全局路径计算，转发是本地查表执行；两者不要混为一谈。
• 分组交换不预留资源，灵活且适合突发流量，但会排队、丢包且没有天然 QoS 保证。
• 协议是同层实体之间的规则，接口是上下层之间的服务调用。
• HTTP 是无状态协议；Cookie 是服务器在无状态 HTTP 上维护用户状态的一种方式。
• DNS 是应用层实现，但服务于域名和 IP 映射；主机到本地 DNS 常递归，本地 DNS 到上层服务器常迭代。
• UDP 保留报文边界，TCP 是字节流，不保留应用报文边界。
• UDP 的校验和包含伪头部，用于降低误投递风险。
• GBN 接收端丢弃乱序包，SR 接收端缓存乱序包；窗口大小为 $N$ 时，GBN 至少 $N+1$ 个序号，SR 至少 $2N$ 个序号。
• TCP ACK 是下一个期待字节序号，不是最后一个收到字节序号。
• TCP 三次握手不仅确认双方在线，还同步初始序号和连接参数；两次握手在不可靠网络中可能误建连接。
• 流量控制看接收端窗口，拥塞控制看网络承载能力和 cwnd。
• 慢启动是指数增长，并不是“速度慢”；慢是相对无拥塞控制直接按接收窗口发。
• NAT 解决地址不足但破坏端到端模型和分层模型，路由器需要处理传输层端口。
• ARP 只在同一局域网内解析 IP 到 MAC；跨子网时链路层目的 MAC 是网关接口。
• IPv4 允许途中分片，目的端重组；IPv6 不允许途中分片，只在源端分片。
• BGP 不追求简单最短路，而是基于可达性和策略；OSPF 是 AS 内链路状态协议。
• SDN 的关键是控制平面和数据平面分离，OpenFlow 用匹配 - 动作流表描述数据平面行为。
• 以太网错误帧直接丢弃，不负责可靠重传；可靠性通常由上层处理。
• VLAN 是二层广播域隔离，VLAN 间通信通常需要三层路由。
• STP 用于二层冗余拓扑中消除环路，避免广播风暴和 MAC 表不稳定。
• WiFi 因隐藏终端和信号衰减难以做冲突检测，所以使用 CSMA/CA 和 ACK。
• 无线移动性逻辑上不改变 IP 尽力而为模型，但实际会导致丢包、延迟和 TCP 拥塞窗口误降。