【八股】计算机网络-优快云博客

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1 概述

1.1 网络的网络

网络把主机连接起来，而互连网（internet）是把多种不同的网络连接起来，因此互连网是网络的网络。而互联网（Internet）是全球范围的互连网。

1.2 ISP

互联网服务提供商 ISP 可以从互联网管理机构获得许多 IP 地址，同时拥有通信线路以及路由器等联网设备，个人或机构向 ISP 缴纳一定的费用就可以接入互联网。

目前的互联网是一种多层次 ISP 结构，ISP 根据覆盖面积的大小分为第一层 ISP、区域 ISP 和接入 ISP。互联网交换点 IXP 允许两个 ISP 直接相连而不用经过第三个 ISP。

1.3 主机之间的通信方式

客户-服务器（C/S）：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

对等（P2P）：不区分客户和服务器。

1.4 电路交换与分组交换

1.4.1 电路交换

电路交换用于电话通信系统，电路交换需要建立一条专用的数据通信路径，这条路径上可能包含许多中间节点。这条通信路径在整个通信过程中将被独占，直到通信结束才会释放资源。电路交换适合实时性要求较高的大量数据传输的情况。

优点：

线路独占，没有冲突。
实时性强。通信双方通过专用线路进行通信，数据可以直达。当数据传输量较大时，优点将十分显著。

缺点：

线路独占，利用率太低。
连接建立时间过长。

1.4.2 报文交换

报文交换以报文作为数据传输单位，携带有源地址和目的地址等信息。

优点：

无需建立连接。
线路利用率高。
动态分配线路。

缺点：

报文交换在节点处要经历存储、转发等操作，从而引起一定时延。
报文交换对报文的大小没有限制，需要网络节点有足够的缓存空间。

1.4.3 分组交换

分组交换是将大的数据块分割成小的分组，每个分组都有首部和尾部，包含了源地址、目的地址和分组编号等控制信息，在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响，因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组，也就是说分组交换不需要占用传输线路。

在一个邮局通信系统中，邮局收到一份邮件之后，先存储下来，然后把相同目的地的邮件一起转发到下一个目的地，这个过程就是存储转发过程，分组交换也使用了存储转发过程。

优点：

无需建立连接。
线路利用率高。
相对报文交换，分组长度固定，缓冲区容易管理。
分组比报文小，因此传输时间更短。

缺点：

仍然存在时延。
需要传输包括源地址、目的地址、分组编号等额外信息。
分组可能遇到失序、丢失、重复等问题。

1.5 时延

总时延 = 排队时延 + 处理时延 + 传输时延 + 传播时延

1.5.1 排队时延

分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待的时间，取决于网络当前的通信量。

1.5.2 处理时延

主机或路由器收到分组时进行处理所需要的时间，例如分析首部、从分组中提取数据、进行差错检验或查找合适的路由等。

1.5.3 传输时延

主机或路由器传输数据帧所需要的时间。

其中 l 表示数据帧的长度，v 表示传输速率。

1.5.4 传播时延

电磁波在信道中传播所需要花费的时间，电磁波传播的速度接近光速。

其中 l 表示信道长度，v 表示电磁波在信道上的传播速度。

1.6 计算机网络体系结构

1.6.1 五层协议

应用层 ：为特定应用程序提供数据传输服务，例如 HTTP、DNS 等协议。数据单元为消息（message）。
传输层 ：为进程提供通用数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。
传输层包括两种协议：
（1）传输控制协议 TCP：提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据单元为报文段（segment）。
（2）用户数据报协议 UDP：提供无连接、尽最大努力的数据传输服务，数据单元为用户数据报（datagram）。
TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。
网络层 ：为主机提供数据传输服务。网络层把传输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。数据单元为数据包（packet）。
数据链路层 ：网络层针对的还是主机之间的数据传输服务，而主机之间可以有很多链路，链路层协议就是为同一链路的主机提供数据传输服务。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧。数据单元为帧（frame）。
物理层 ：考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。数据单元为比特流（bit）。

1.6.2 OSI

其中表示层和会话层用途如下：

表示层 ：数据压缩、加密以及数据描述，这使得应用程序不必关心在各台主机中数据内部格式不同的问题。
会话层 ：建立及管理会话。

五层协议没有表示层和会话层，而是将这些功能留给应用程序开发者处理。

1.6.3 TCP/IP

它只有四层，相当于五层协议中数据链路层和物理层合并为网络接口层。

TCP/IP 体系结构不严格遵循 OSI 分层概念，应用层可能会直接使用 IP 层或者网络接口层。

1.6.4 数据在各层之间的传递过程

在向下的过程中，需要添加下层协议所需要的首部或者尾部，而在向上的过程中不断拆开首部和尾部。

路由器只有下面三层协议，因为路由器位于网络核心中，不需要为进程或者应用程序提供服务，因此也就不需要传输层和应用层。

2 物理层

2.1 通信方式

根据信息在传输线上的传送方向，分为以下三种通信方式：

单工通信：单向传输
半双工通信：双向交替传输
全双工通信：双向同时传输

2.2 带通调制

模拟信号是连续的信号，数字信号是离散的信号。

带通调制把数字信号转换为模拟信号。

3 数据链路层

3.1 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

3.2 透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。

3.3 差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。

3.4 信道分类

一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。

主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。

信道复用技术

分为频分复用，时分复用（统计时分复用），波分复用，码分复用。
（1）频分复用（FDM）：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的用户在同样的时间内占用不同的带宽资源（这里的带宽是频率带宽）。该种复用方式是效率较高，实现简单，但是信道利用率不高。
（2）时分复用（TDM）：时分复用的用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。当某用户无数据发送时，该时分复用帧分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，即使其他用户一直有数据发送，也不能使用这些空闲的时隙，导致复用后信道的利用率不高。所以又研究出了统计时分复用（STDM）：统计时分复用是一种改进的时分复用，主要作用是提高信道的利用率。统计时分复用不是固定分配时隙，是按需动态分配时隙。
（3）波分复用（WDM）：其实就是光的频分复用，光纤传多种不同波长（频率）的光信号，波长不同，各路光信号互不干扰。
（4）码分复用（CDM）/码分多址（CDMA）：将每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。每个站点被指定一个唯一的m bit的码片序列，发送1时站点发送芯片序列，发送0时站点发送芯片序列反码（通常把0写成-1）。
举例说明：
假设A站点的发送芯片序列A1为（+1，-1，-1，+1，+1，+1，+1，-1），那么它的芯片反码序列A0为（-1，+1，+1，-1，-1，-1，-1，+1）。
同样假设B站点的发送序列B1为（-1，+1，-1，+1，-1，+1，+1，+1），那么它的芯片序列反码B0为（+1，-1，+1，-1，+1，-1，-1，-1）。
互不干扰：多个站点同时发送数据，要求各个站点芯片序列相互正交。所以(A1B1）/8=0,二者正交，所以互不干扰。
合并：各路数据在信道中被线性相加。（假设A发送0数据，B发送1数据），所以C=A0+B1=(-2，+2，0，0，-2，0，0，+2)。
分离：合并的数据和源站规格化内积。上面合并的数据是C，以C举例说明，源站指的是源站的芯片化序列，所以（CA1）/8=-1，上面说明通常把0写成-1，最终结果为0，就可以推测出A站点给C发送的数据是0比特位。

5 传输层

1.5.1 三次握手

假设 A 为客户端，B 为服务器端。

首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。
A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1。
B 收到 A 的确认后，连接建立。

三次握手的原因

2 JAVA

2.1 hashmap的结构

HashMap 是一个散列表，它存储的内容是键值对(key-value)映射。

HashMap 是无序的，即不会记录插入的顺序。

内部包含了一个 Entry 类型的数组 table。Entry 存储着键值对。它包含了四个字段，从 next 字段我们可以看出 Entry 是一个链表。即数组中的每个位置被当成一个桶，一个桶存放一个链表。HashMap 使用拉链法来解决冲突，同一个链表中存放哈希值和散列桶取模运算结果相同的 Entry。