计算机网络复习

差错控制

CRC 循环冗余码

信息位为N位，在后面添加K位冗余位

已知的生成多项式是K+1位的，即若生成多项式是5位，则冗余位为4位。

将信息位左移K位，去除以生成多项式对应的二进制码，得到K位余数，此时得到CRC码为N位信息位+K位余数冗余位。注意除法中的减法不借位。

客户端接收到的码字除以生成多项式对应的二进制代码，能整除则无错，否则就有错。

例子：

已知信息位为

1100

，生成多项式为G(x)=x3+x+1G(x) = x^3 + x + 1，求CRC码。

解：

生成多项式是4位的，因此冗余位为3位。将信息位左移三位，得到

1100000 // 左移三位，低位补0

用

1100000

除以生成多项式对应的二进制代码

1011

，注意除法中的减法不会借位。得到的结果商为

1110

，余数为

010

。因此，CRC码为

1100010 // 将余数替换左移的那三位数字

它是检错码，检验的方法也很简单，在接收端接收到的完整CRC码，去除以生成多项式对应的二进制码，若整除则无错，否则就有错。

海明码

若信息位为K位，增加R位冗余位，需要满足关系式

2R>=K+R+12^R >= K +R + 1

比如4位信息位，满足关系式的最小R位3。

下面是比较tricky的海明码的生成算法：

假设信息位为

10101011 // 从左到右分别编号为D8, D7, ... D1

根据关系式，满足不等式的最小R为4，即需要4位冗余位。我们将冗余位标记为

P1, P2, P3, P4

。冗余位要放置在

1, 2, 4, 8, 16, 32, 64..

即2r2^r的位置上，因此合并后的码字为

.	D8	D7	D6	D5		D4	D3	D2		D1
码字	1	0	1	0	P4	1	0	1	P3	1	P2	P1
下标	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1

现在，需要计算冗余位的数据。计算方法为将数据位所在位置用冗余位的位置关系来表示（即用1,2,4,8..来表示）

Index(D1) = 3 = 1 + 2
Index(D2) = 5 = 1 + 4
Index(D3) = 6 = 2 + 4
Index(D4) = 7 = 1 + 2 + 4
Index(D5) = 9 = 1 + 8
Index(D6) = 10 = 2 + 8
Index(D7) = 11 = 1 + 2 + 8
Index(D8) = 12 = 4 + 8

根据这种位置上的关系，可以看到P1出现在D1,D2,D4,D5,D7中，因此

P1 = D1 ^ D2 ^ D4 ^ D5 ^ D7 = 1
// 同理可得
P2 = D1 ^ D3 ^ D4 ^ D6 ^ D7 = 1
P3 = D2 ^ D3 ^ D4 ^ D8 = 1
P4 = D5 ^ D6 ^ D7 ^ D8 = 0

将P1~P4带入，得到海明码为

101001011111

进行校验时，假设D1出现差错，则

P1 ^ D1 ^ D2 ^ D4 ^ D5 ^ D7 = 1
P2 ^ D1 ^ D3 ^ D4 ^ D6 ^ D7 = 1
P3 ^ D2 ^ D3 ^ D4 ^ D8 = 0
P4 ^ D5 ^ D6 ^ D7 ^ D8 = 0

得到的结果为

0011

，表示数字3，对应的刚好是数据位D1，即可纠错。

拥塞控制

网络层的拥塞控制

两种方法：

1. 闭环控制：事先考虑拥塞原因，尽量避免拥塞的静态预防法

2. 开环控制：基于反馈环路的概念，检测拥塞的产生并处理，是一种动态的方法。

传输层的拥塞控制

发送方有拥塞窗口进行拥塞控制，窗口动态变化，只要未拥塞，窗口就增大，只要拥塞，窗口就减小。控制算法如下图所示



慢开始：拥塞窗口从1开始成指数增长，达到阀值后开始拥塞避免算法

拥塞避免：窗口线性增长，直到出现拥塞。此时修改阀值=当前窗口/2，重新从慢开始开始。

此时，发送窗口的实际大小由接收窗口和拥塞窗口共同控制，取他们的最小值。

流量控制

数据链路层的流量控制

基于滑动窗口的流量控制方式。

发送方维持一组允许发送的帧序号，称为发送窗口。其大小表示在未收到确认的情况下，最多允许发送的帧数目。若发送窗口为空，则表示停止发送。

接收方维持一组允许接收的帧序号，称为接收窗口。只有在接受窗口中的帧才能接收，其他的则全部丢弃。

发送窗口只有接收到确认后，才能滑动一个帧的距离；接收窗口只有收到帧并发送一个确认后，才能移动一个帧的距离。因此，只有接受窗口先移动，发送窗口才能移动。

数据链路层中的停等协议，回退N协议和选择重传协议只是在发送、接收窗口大小上有差异。

停等协议相当于发送=1，接收 = 1

回退N协议相当于发送>1, 接收 = 1

选择重传协议相当于发送>1，接收>1

数据链路层的窗口大小是固定的。

传输层的流量控制

传输层的流量控制也是使用滑动窗口协议，原理上跟上面的相同，不同之处在于传输层的滑动窗口大小是可变的。

在接收方，根据自己接收的缓存的大小，动态的更新发送方的窗口大小，即窗口字段，表示接收方能接收的最大字节数目。发送方根据窗口字段限制自己发送窗口的大小。

发送窗口的实际大小取拥塞窗口和接收窗口中的最小值。

数据在各层当中的封装

路由算法

RIP：基于距离-矢量算法（基于UDP）

路由信息协议

距离也称为路由器的跳数。跳数为0表示直接连接。RIP认为跳数越少越好。

每隔30秒就跟相邻节点之间交换路由表。一开始的时候每个节点都只知道相邻节点的路由信息，一次广播后就能知道跳数为1的路由，N次广播后就能知道整个网络的路由，最终是收敛的。

跳数最大为16，即最多只能经过15个路由器，再多的话就被标记为不可达。

例子：

A收到B发过来的RIP报文

<C, 3>

，A将该报文修改为

<C, 4>

若A中没有C，则插入；若A中到C的跳数大于4，则更新为A经过B可达到C，距离为4。

若某个节点180秒没有更新过，则修改为16（不可达）。

缺点：

每次更新需要发送全部路由表，占用带宽大

网络出现故障时，收敛速度慢。

OSPF：基于链路状态路由算法（基于IP）

开放最短路径优先协议

使用泛洪法，向本域内所有路由器广播更新信息，而不只是相邻节点。

广播的是临近节点的链路状态，而不是整个路由表。

只有改变时才更新，而不是定时更新，收敛速度快。

每个路由器使用dijkstra算法计算最短路径，只需要保存下一跳，不需要保存完整路径。

BGP：基于路径-矢量算法（基于TCP）

边际网关协议，用于不同自治域之间的路由信息交换。

由BGP发言人建立TCP链接，交换路由信息，然后各个自治域就能找到到达对方的最短路由。

BGP是各个自治域之间的路由交换，交换数量相比域内小很多。

路由表中，需要记录网络号前缀，下一跳的路由，以及中间可能经过的其他域的序列。

同样是有变化时才交换变化的部分，节省带宽。

IP数据报

标识、标志和片偏移用于IP分片，当IP数据报大于数据链路层能传输的最大数据单元的时候，就需要分片。

生存时间即TTL。每经过一个路由器TTL-1。当TTL等于0的时候，该报文就会被丢弃。

注意：校验和只是校验IP首部，不会去校验数据部分。

协议字段中，6表示TCP，17表示UDP。

TCP报文

序号以数据字节为单位（不含头部），比如序号301，数据100B，下个序号就从401开始。

确认号为N，表示N-1的数据包都已经收到。

数据偏移以4B为单位，比如偏移为15，表示数据部分在60B之后，也相当于首部大小为60B。

窗口用于滑动窗口协议的流量控制。如序号701，窗口大小1000，表示可以接受701~1700之间的报文。

检验和会校验头部和数据部分，此处跟IP的校验和不同。校验时会在TCP的头部前面添加12B的伪首部，然后进行校验和计算。

UDP报文

UDP长度至少是8B，即只有首部。

校验和跟TCP的一样，也是校验首部和数据。校验时也需要添加12B的伪首部，再进行校验和计算。

TCP链接管理

三次握手

客户端发送请求报文，设置初试序号，SYN=1，序号=x，状态=SYN-SEND。（第一次握手）

服务端接收报文，分配资源，发送确认，SYN=1，ACK=1，序号=y，确认号=x+1，状态=SYN-RCVD。（第二次握手）

客户端接收确认，发送确认，SYN=1，ACK=1，序号=x+1，确认号=y+1，状态=ESTABLISHED。（第三次握手）

服务端收到确认后，状态也变为ESTABLISHED，开始数据传输。

四次放手

客户端发送连接释放报文，FIN=1，序号=u，状态=FIN-WAIT1（第一次放手）

服务端接收到报文，ACK=1，序号是v，确认号是u+1，此时进入半连接状态，状态=CLOSE-WAIT。（第二次放手）

客户端接收到ACK之后，状态=FIN-WAIT2

服务端数据传输完毕之后，发送结束报文，FIN=1，ACK=1，确认号是u+1，序号是w（序号不是v+1是因为关闭前可能又传输若干数据）。状态=LAST-ACK。（第三次放手）

客户端接收到FIN之后，发送最后的ACK=1，序号=u+1，确认号=w+1，状态=TIME-WAIT，等待2MSL之后状态=CLOSED。（第四次放手）

服务端接收到ACK之后，状态=CLOSED。

应用层协议

在浏览器的地址栏中输入网站域名并回车后，都发生了哪些？

url为http://www.blabla.com，浏览器分析url，使用http协议进行解析。

浏览器在本机DNS缓存中查找域名对应的ip，如果没查找到，则向DNS服务器发送DNS请求（基于UDP），最终得到域名对应的ip地址。

浏览器使用默认端口80，向该ip地址建立TCP链接，发送HTTP GET请求。

服务器检测GET请求，按照内部逻辑返回对应的状态码（200,301,302,304,400,401,404,500）。

假设服务器返回状态码200，将默认页面index.html返回给浏览器，浏览器按照http协议解析response，然后根据响应的内容决定如何去渲染（image，xml，html等）。

浏览器将渲染后的结果显示给用户，并在浏览器中缓存一部分数据。

DNS是如何解析的？

www.abc.com从左到右依次是三级域名，二级域名和顶级域名。

全球13个跟域名服务器负责顶级域名管理。但是他们并不负责域名解析，而是给出应该去查询哪个顶级域名服务器。

域名解析过程如下：



1. 首先向本地域名服务器进行域名解析（我们填ip地址时的域名服务器地址）。

2. 如果没查到，则本地域名服务器会向跟域名服务器进行迭代查找，跟服务器返回顶级域名服务器地址

3. 本地域名服务器向顶级域名服务器查找，若顶级域名服务器找不到，则给出授权域名服务器地址。

4. 本地域名服务器向授权域名服务器查找，若找到则缓存并返回对应ip，否则返回DNS解析失败。