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前言
写在开篇
计算机网络可以说是我第二重视的专业基础课了，因为网络这个概念早已深入千家万户，在我没有正式进入计算机这个专业之前，就已经有了对网络的体会——网络为生活提供了不少便利，所以我对网络有一种亲切和敬仰的感觉
嗯？你问我为什么是第二重视的？因为第一是数据结构和算法啊——虽然我学的很烂就是了，不过我会努力补上的！
更新日志
2022/01/04
1月10号考试，现在基本上还算是零基础（对计网极其重视），教务处老师给个机会，我真的很热爱计网啊！
2022/01/04
真不错，明天下午考试，今天刚把视频粗略地刷了一遍，常考的大题看了一遍，笔记肯定是没时间写得非常细致了，这里先把重要的内容记下来吧！
基础概念
计算机网络
概念
计算机网络:是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
分散是指地理位置分散
独立功能是指组成计算机网络的各个计算机功能不同
上述内容可以简单总结为：
计算机网络是互连的、自治的计算机集合
互连 即 互联互通
自治 即 无主次关系
功能
1.数据通信
2.资源共享
3.分布式处理
4.提高可靠性
5.负载均衡
结构组成
硬件 软件 协议 三个部分
工作方式组成
1.边缘部分（用户直接使用）
C/S方式
P2P方式
2.核心部分（为边缘部分服务）
相当于是边缘部分包裹的（用户与用户之间的）路由等等
功能组成
1.通信组成——实现数据通信
2.资源子网——实现资源共享（数据处理）
分类
性能指标
这里我用尽最大努力通俗易懂并且精简而非官方（至少自认为是这样）的语言进行解释
速率
也称为数据率，数据传输率，比特率等
即比特位的传输快慢
单位是kb/s, Mb/s, Gb/s等，需要注意，速率单位之间相差1000倍（存储空间单位之间才是1024倍）
带宽
比特位传输的最大速率
吞吐量
单位时间通过某特定位置的比特数目
（注意在全双工信道上要取来往比特数目之和
时延
注意，以下言论不区分信道和链路两个名词（虽然实际上有一定的区别）
俗称延迟
包括四类：
1.发送时延（传输时延）
注意传输时延这个别称，千万别和传播时延搞混了！
就是从主机或者路由器内部离开，来到信道上的用时
（具体就是从第一位离开，到最后一位离开的用时）
2.传播时延
就是在信道上传播的用时
3.排队时延
到达目的后，可能目的主机已经在处理其他信息，需要等待一段时间才能轮到自己
4.处理时延
处理这段信息所需要的时间
时延带宽积
这里的时延指的是传播时延，即传播时延 * 带宽
代表发送一条信息在信道上传播的时间，而带宽是单位时间内最大的比特传输速率
所以时延带宽积的意义就是
信道中能够同时容纳的比特数目的最大值
说白了就是和导线中电子和电流的关系一样，比特看做电子，时延带宽积就看做电流
往返时延
Round-Trip Time，简称RTT
不包括发送时延（传输时延），而是 传播时延 * 2 + 排队时延 + 处理时延
但是大部分时候，只考虑 传播时延 * 2
协议
概念
一般是指网络协议（因为“协议”不仅是计算机的专业术语），业内交流一般简称为协议
是为了进行网络中数据交换而建立的规则标准，比如HTTP、DCHP、ICMP等
构成
由三个部分构成：
1.语法：数据和控制信息的结构或者格式
2.语义：具体的需要做的事情，比如发出某种信息
3.同步（时序）：定义做事的先后顺序
协议和服务
协议是水平的
协议是作用于对等实体（即同一层）之间的，比如HTTP只能做用于两个应用层之间
服务是垂直的
服务是指下层向上层提供能够实现某种特定功能的接口
（上层调用下层的接口是通过服务原语实现的）
三种模型
七层，四层，五层模型
OSI七层模型
Open System Interconnect 开放式系统互联，是一种理想化的模型
TCP/IP四层模型
Transmission Control Protocal / Internet Protocal， 传输控制协议/网际协议，实用性强，是如今普遍使用的模型
国内为了方便教学，结合了二者的特点，产生了一个五层协议：
学校的考试一般是基于五层模型的，所以我接下来以五层模型为标准，且自底向上地进行讨论
物理层
可以理解为，包含了一大堆关于各种硬件方面标准的一层，比如规定了接口电缆上电压的范围
由于学校期末考试不考这个，而且找工作面试也不怎么问这块，如果不打算深入研究计算机科学的话那这块相对次要，所以只挑出相对重要的概念说一说
重要的硬件
中继器、集线器
二者关系
中继器只有两端，一端进来一端出去，集线器则是有多个端口的中继器
功能
放大衰减的信号，增加信号传输距离
放大信号后会将其广播（发送给其他所有端口），不具备顶线传输
特点
通过同一个集线器连接的主机属于同一个冲突域（这个区域内，同一时刻只能有一个主机收或者发信息，否则冲突），冲突域内工作的主机会平分带宽
当然，如果不连接的话，每个主机自身就是一个冲突域
重要的概念
数据和信号
数据
要传送的内容，分为数字数据（离散的，方格）和模拟数据（连续的，平滑）
信号
数据的电气/电磁表现，一般是波，也分为数字信号和模拟信号
重要的单位
带宽、速率
上面说过了
码元
比如有00 01 10 11四种状态，那码元有四个，每个包括2个比特
所以n进制马元包括log2n个比特
数据链路层
三类服务
有三类：
无确认无连接服务
广播，收到数据不返回确认信息
有确认无连接服务
广播，收到数据返回确认信息
有确认面向连接服务
建立连接定向传输，收到数据返回确认信息
帧
在收到上层，即网络层来的IP数据报后，数据链路层为其添加帧首部和帧尾部，构成一个帧，而构成帧的这个过程，就叫组帧
其中，来自网络层的IP数据报的最大长度即为MTU（Max Transmission Unit 最大传输单元）
其中，添加帧首部和帧尾部（即组帧）的方式有四种
1.字符计数法
在帧首部添加一个计数的字段，表示包括这个字段在内这个帧的长度
2.字符填充法
SOH即帧的开始，EOT是帧结束，一对SOH和EOT则确定一帧
但是为了防止与帧内部数据内容出现二义性，可以在特殊的内容前加上ESC作为转义标识
3.零比特填充法
如果规定帧首部尾部的特殊标志是01111110（中间是6个1）
那么我们组帧的时候，在IP数据报，即帧的数据部分中，扫描到5个连续的1时，就在其后插入一个0，这样就避免出现6个1，也就避免数据部分和内容部分出现二义性
可以看做更好地解决了二义性的优化版字符填充法，因为为了避免出现二义性，字符填充法每次填充一个转义字符是8位，而零比特填充法每次只需要填充1位
4.违规编码法
从物理层入手，对信号进行处理，不在话下
差错和差错控制
类型
一共四种，和高中生物学的那个碱基对出错很像
差错控制
差错控制两种方式是
1.检错编码
常见的方式是通过奇/偶校验码 或 CRC循环冗余码检错
2.纠错编码
常见的方式是通过海明码纠错共同之处都是通过添加冗余编码来检验，冗余编码可以理解为一些附加的信息
检错编码——奇/偶校验码
添加冗余编码
比如，对101和001采用分别奇校验，就是要在首部添加一位，使得1的个数为奇数
所以，处理结果分别是0101, 1001
偶校验同理，不再赘述
检验
（以奇校验为例）接收方拿到数据后开始检测1的个数，如果为1的个数变成偶数了，那么即可判定数据发送变化
（没错，这个方法并不能100%地检测错误，只能筛掉一部分错误数据）
检错编码——CRC循环冗余码
题目至少会给发送的数据，比如11010 11011， 还有生成多项式，比如10011（即x4+x + 1）
添加冗余编码
那么我们取发送数据的前5位（11010）与生成多项式异或，结果为01001，放回原位删去前驱零得到新的数据1001 11011，然后再取前5位与生成多项式异或…重复上述过程直到最终结果不足5位（即不能再进行异或）
由于生成多项式最高阶是4，若不足4位通过补前驱零补满4位，即得到CRC循环冗余
将FCS放到接收端尾部，即得到最终要发送的数据
检验
和上面进行一样的异或操作，如果最终结果为0，则帧没出错，否则出错
纠错编码——海明码
添加冗余编码
对于P1则看二进制的倒数第一位，看看Dx（x为1,2,3…）对应的二进制的倒数一位是否也是1，如果是，那么这个Dx将参与接下来的一次异或运算，该次异或运算是P1与所有满足条件的Dx异或且结果为0，这样就能求得P1的值
（这些满足条件的Dx即在P1纠错能力范围内）
同理，对于Pi则看二进制的倒数第i位，看看Dx对应的二进制的倒数第i位是否为1…
这样我们就求得了所有Pi的值，最终合在一起就是海明码
纠错
这里我们进行和刚才类似的异或操作，Pi和自己纠错能力范围内的Dx异或，
如图，结果依次是1010，但是要注意，我们之前总是提到Pi的二进制倒数第i位，所以这里是反着的，最终结果需要颠倒一下，即0101，也就是5
这表示第五位出错了，即D2出错，我们直接取反，D2由1变0，完成纠错
停止-等待协议 和 滑动窗口协议
停止-等待协议
如图，每传一帧之后都要等到收到确认帧（ACK）后才传下一帧
如果确认帧丢失或者出错，那么发送方可能就会一直等待——为了避免这种情况，
引入了
超时重传方法
每当发送一个帧，就启动一个计时器，如果在一定时间内没有收到正确的确认帧，那么就会重新发送
另外，如果确认帧迟到了，那么它将会作废处理直接被抛弃
滑动窗口协议
联想到同名的一个算法
相当于是停止-等待协议的改进，由一次发一个帧变为可以连续发多个帧
无论是GBN还是SR，滑动窗口都有
发送窗口和接受窗口
其中的数字是编号而非数据，
接收窗口收到0后，往后移动一位，并返回一个确认帧——发送窗口收到确认帧后，也往后移动一位
注意，只有第一位完成了上述过程窗口才发生移动
停止-等待协议可以看做发送窗口和接受窗口大小都是1
而GBN和SR的区别主要是在于处理确认帧和错误的方式
GBN后退N帧协议
Go Back N-Frames，也叫回退N步协议
接收窗口处理确认帧ACK
这里ACK采用累积确认，即ACK的值(此处记为x)代表已经收到 x及其前面的所有帧
发送帧丢失或出错
比如发送窗口连发了0 1 2 3 4，2在过程中丢失了，接收方就会回传一个ACK 1 代表已经收到了0 1号（当然，也可能会回传ACK 0），虽然3 4成功到达，但是接收窗口不接收…
在超时后，发送方只接收到了ACK 1，所以它知道从2开始就有帧丢失了，于是将 2 3 4全部重新发送——可以看做是后退了3帧这里，所以叫才后退N帧吧…
来看看一个例题
SR选择重传协议
没查到英文缩写是什么
SR可以看做改进版的GBN，因为上面GBN的例子中，有些帧明明就成功的到达了，却还要重传，这样就造成了资源浪费
具体改进就是，接收窗口会存下所有正确到达的帧，然后返回响应的确认帧，发送窗口收到确认帧后也会标记所有被确认帧
这样，当某个帧没有正确到达时，就能通过这些标记来确定该重发哪个（对，超时时，SR每次只重传一个）
局域网
以太网
以太网（Etherner）是局域网的一种
10BASE-T以太网指的是，10Mb/s的传送基带（BASE）的双铰链（T）以太网
提供无连接不可靠服务，速率范围是10Mb/s~10Gb/s，高于100Mb/s则为高速以太网——没错这个竟然考过选择题
以太网拓扑：逻辑上总线型，物理上星型
介质访问控制
其中静态划分信道只需要记住名字和缩写对应关系就好了
而动态分配信道只需要知道CSMA/CD协议即可
CSMA载波监听多点接入协议
Carrier Sense Multiple Access
多点接入是指接入一根总线
CSMA/CD协议
其中CD是指 Collision Detection 碰撞检测
检测方式是
发送帧之前，监听信道（半双工的）——空闲则立刻发送，忙着推迟发送但是这并不意味着不会发生碰撞，因为监听的时候信道似乎是空闲的——但是这也可能是因为距离过程，占用信道的电磁波没进入监听范围，随后发送信号即产生碰撞
争用期
如果发生碰撞，要经过2τ-σ的时间发送方才能得知此次碰撞的发生，这个时间即争用期（也叫 冲突窗口/碰撞窗口）
σ趋向零时，争用期趋向最大值
重传时机：截断二进制指数规避算法
如果碰撞后立即重传，那么可能又会碰撞，并且无休无止，所以需要一个算法求一个适当的时机重传信号，这个算法即截断二进制指数规避算法
网络层
电路交换、报文交换、分组交换
电路交换
唯一要提一下就是，一条链路中一个设备崩溃那么整个链路崩溃，即缺点3.不灵活
报文交换
报文：源应用发送的信息整体
分组交换
就是把报文切片了再发
分组交换其实还可以细分为
数据报方式（无连接）
无连接，不会事先确定传输路径，每个分组路径独立，彼此之间可能不通过
虚电路方式（连接）
实现会确定传输路径
发送同样的数据，分组交换一般比报文交换快
已知，链路传输速率为1000bps（bits per second，看到这个单位要知道就是b/s）
要发送的报文大小是10000bits，要经过的链路如上图所示，求报文交换和分组交换（假设分为1000片）的最短用时报文交换
10000bits / 1000bps = 10s ，即在每段链路上传播要10s
很容易看出是30s
分组交换
10000bits/1000 = 10 bits，每一片10bits
10bits / 1000 bps = 0.01 s, 每小片在每段链路上传播要0.01 s
第一片走完全程要0.03s, 第一片和最后一片相差 999 片，也就是 9.99 s, 所以，最后一片到达重点需要10.02s
即10.02s
IP协议
Internet Protocal 网际协议
IP数据报
注意数据部分包括了TCP段和UDP段
IP数据报的最大长度即MTU，最大传送单元，以太网中MTU为1500Bytes
注意，片便宜的单位是8Bytes，所以记得除8
字段MF是More Fragments, DF是Don‘t Fragment，其值是布尔值
注意，通常我们认为不能出现全0或全1的网络号或者主机号，所以这里还得减去那么一两个(虽然有的可以用了，但是做题的时候我们依旧认为其不可用）
IPv4地址
全世界唯一的 32位/4字节 标识符，标识路由器主机的接口
形如01110000 11001100 11110000 11111111，一共32位
也可以写作形如112.204.240.255，则称为点分十进制记法
分为 网络号 和 主机号两部分
分类及区别
网络地址转换NAT
私有IP地址
对于私有IP地址，路由器是不会转发的
如果想要用私有IP地址和外部网络通信的话，就需要用到NAT了·
NAT网络地址转换器
Network Address Translation
在专用网连接因特网的路由器上安装NAT软件，这个路由器就变成了NAT路由器，它至少拥有一个外部全球IP地址
能把LAN局域网IP转换为WAN广域网IP：
子网划分 和 子网掩码
子网划分
在主机号里抽一部分作为子网
CIDR无分类编址
CIDR，读作sider
能够延缓IPv4用尽的危机，作用机制如下：
以128.233.233.233/16的形式表示IP
其中末尾的**/16代表前16位是网络号**，这样一来就拜托了ABCDE类的束缚，更加灵活，更便于按需供给减少浪费
需要注意，在CIDR中，网络号也称前缀号
构成超网
也叫路由聚合
即多个子网聚合为一个大的子网，方法是缩短网络前缀
来个例题
