计算机网络保研面试（自用版h）

第一章 概述一、计算机网络的概念计算机网络若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等主要功能:数据通信(信息传递)、资源共享互联网多个计算机网络通过路由器互相连接而成可使用任意通信协议二、计算机网络的功能数据通信、资源共享硬件、软件、数据、分布式处理、提高可靠性、负载均衡三、计算机网络的分类四、网络交换方式*****电路交换通信前端到端建立一条物理链路在通信过程中一直占用优点没有延迟、传输效率高缺点建立释放连接开销大独占链路利用率低不支持差错控制报文交换数据以报文为单位进行存储转发优点1.通信前无需建立连接2.线路可以灵活分配无需占用一条线路利用率高3.支持差错控制缺点1.报文不定长不方便存储转发管理2.长报文存储转发开销大3.长报文容易出错重传开销大分组交换数据以分组为单位进行存储转发优点无需建立连接线路可灵活分配勿需占用一条线路利用率更高支持差错控制相比于报文交换1.分组定长便于存储转发2.分组存储转发开销小3.重传开销小缺点1.控制信息增加2.存在存储转发延迟3.传输过程可能存在丢包等现象五、体系结构与分层模型*****1. 为什么要分层谈谈你对网络分层的理解。网络是个复杂的庞大系统分层是为了将大问题化小实现解耦。每一层只需向上层提供服务并调用下层的接口而不需要关心下层的具体实现。这极大地提高了系统的可扩展性和维护性。例如无论底层物理介质从铜线换成光纤物理层改变都不影响你在应用层刷网页。2. 五层协议/OSI七层模型/TCP/IP四层模型的对应关系与各层功能面试官会让你随手画出来并说出每层传输的数据单位PDU应用层产生应用数据报文如 HTTP, DNS。运输层负责端到端的通信报文段如 TCP, UDP。网络层负责主机到主机的路由与寻址IP数据报/分组 。数据链路层负责相邻节点的可靠传输帧。物理层负责在介质上传输原始比特流比特。高频追问为什么工业界用 TCP/IP 四层而教科书用五层学术界提出七层答OSI 七层模型划分过细会话层和表示层在实际中多由应用层自行实现且当时设计滞后、缺乏市场推动。TCP/IP 是市场倒逼出来的标准结构精简。五层体系结构则是为了教学方便结合了两者的优点。3. 什么是封装和解封装回答核心数据在发送端从上往下传每经过一层就会加上该层的控制信息首部这个过程叫封装在接收端从下往上传每过一层就剥离掉该层的首部最终还原出原始数据这个过程叫解封装。六、网络性能指标1. 时延由哪几部分组成哪个是主要的时延 发送时延 传播时延 处理时延 排队时延发送时延发送时延 数据长度/发送速率传播时延信号在信道如光纤中跑的时间。传播时延 信道长度/信号传播速度面试官问“高速网络链路”提高了哪个时延答提高了发送速率从而减小了发送时延但绝对无法减小传播时延因为光速不变。2. 什么是带宽和吞吐量带宽链路的最高理论传输速率。吞吐量单位时间内实际通过网络的数据量受网络拥堵、丢包影响实际表现。3. 时延带宽积的物理意义是什么公式时延带宽积 传播时延*带宽物理意义它代表这条链路能容纳的最多比特数。通常被称为“以比特为单位的链路长度”或“管道的体积”。在做网络优化如 TCP 窗口大小调节时这个指标非常关键。第二章 物理层一、 物理层的核心基本概念1. 物理层的主要任务是什么它传输的是什么核心回答物理层解决的是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流是方法而不是具体的传输媒体本身。它的主要任务是确定与传输媒体的接口有关的四个特性机械特性接口的形状、尺寸、引脚数。电气特性线路上电压的范围、阻抗匹配。功能特性某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性定义各条物理线路的工作规程和时序关系。2. 区分数据、信号、码元Symbol数据运送消息的实体比如一段文本或多媒体文件。信号数据的电磁表现。分为模拟信号连续和数字信号离散。码元在使用时间域的波形表示数字信号时代表不同离散值的基本波形。经典追问一个码元等于一个比特吗答不一定。如果一个码元只能表示 0 和 1 两种状态那它携带 1 比特如果通过调制如 QAM让码元有 16 种状态那么一个码元就能携带 4 个比特。二、 两大核心定理信道的极限容量1. 奈氏准则与香农公式请务必熟记这两个公式并理解它们的适用场景特性奈氏准则香农公式公式C2*W码元/s物理意义限制了码元传输速率的上限限制了信息传输速率带宽的上限。针对信道理想无噪声信道。带限某种噪声高斯白噪声信道。决定因素由信道带宽 和码元离散电平数决定。由信道带宽和信噪比 决定。追问 1既然香农公式给出了信道容量的极限那如果一个信道已经达到了香农极限我怎么做才能进一步提高数据的传输速率根据公式要么设法增加信道带宽要么提高信噪比S/N。追问 2既然波特率码元传输速率受限于奈氏准则那是不是只要无限增加码元的离散电平数V比如让一个波形代表1024种状态就能让传输速率无限大理论上在无噪信道可以但在实际有噪信道不行。若波特率过高则导致码间串扰即接收方无法识别码导致误码率飙升。三、编码与调制1.编码调制编码二进制数据-数字信号不归零编码、归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码调制二进制数据-模拟信号QAM-64:代表调制64种信号1码元可携带6bit数据2.什么是曼彻斯特编码它有什么优缺点概念每一位比特的正中间都有一次电压跳变。通常规定从高跳变到低表示 0或 1从低跳变到高表示 1或 0。优点因为每一位中间都有跳变这个跳变自带了时钟信号所以它具有强大的自同步能力接收方不容易丢步。抗干扰能力强。缺点由于每位都要跳变一次它所占用的频带宽度是原始基带信号的两倍调制效率只有 50%。差分曼彻斯特编码每位中间依然跳变仅用于同步但用位边界是否有跳变来表示 0 或 1有跳变表示 0无跳变表示 1。抗干扰能力比常规曼彻斯特编码更强。四、 信道复用技术资源共享1. 常见的信道复用技术有哪些FDM频分复用所有人同时通信但分不同的频段如传统有线电视。TDM时分复用所有人在同一个频段但分不同的时间片。STDM统计时分复用。传统 TDM 分配固定时间片如果某人不发数据时间片就浪费了STDM 动态分配按需索取大大提高了链路利用率。WDM波分复用光的频分复用在一根光纤中传输不同波长颜色的光信号。CDMA码分复用/码分多址这是最爱考的计算点。2. 重点CDMA 的向量内积计算核心规则每个站分配的码片序列必须各不相同且强正交。两个不同站的向量A 和 B的内积为 0A*B 0自身内积为 1A *A 1自身反码内积为 -1如何分离当多个站同时发送导致信号叠加为S 时接收端想收 A 站的数据只需计算内积 S*A。若结果为 1 则是比特 1为 -1 则是比特 0为 0 则代表 A 站没发数据。五、传输介质双绞线(T)、同轴电缆、光纤(F)10base5: 10Mbps,同轴电缆最远传输500m六、物理层设备中继器两个端口一个端口接收信号将失真信号放大、整形、再生发给另一个端口中继器≠放大器支持半双工通信不可同时发送数据集线器本质上是多端口中继器将其中一个端口接收到的信号整形再生后转发到其他所有端口集线器连接的网络物理上是星型拓扑实际上是总线型不能隔离冲突域共享带宽集线器内部是一根共享的总线。如果一个 10 Mbps 的集线器连接了 10 台电脑当它们同时通信时每台电脑平均只能分到 1 Mbps 的带宽。中继器、集线器不能无限串联提问为什么说集线器不能隔离冲突域如果两台电脑通过集线器同时发送数据会怎么样因为集线器内部结构只是一条共享的物理总线它处于物理层不理解任何数据链路层的帧结构。如果两台主机同时向集线器发送信号这两个电信号会在集线器内部发生碰撞冲突导致两个信号相互干扰完全损坏。因此连接在同一个集线器上的所有设备都处于同一个冲突域中。提问现代网络中我们用什么设备替代了集线器带来了什么好处答现代网络普遍使用交换机Switch替代了集线器层级不同集线器是物理层设备盲目广播交换机是数据链路层设备可以通过学习 MAC 地址表进行定向单播转发。隔离冲突域交换机的每一个端口都是一个独立的冲突域。由于端口之间支持全双工通信且有缓冲区根本不会发生信号碰撞极大地提升了网络传输效率。独享带宽交换机每个端口的主机都能独享该端口的标称带宽如 1000 Mbps而不是像集线器那样几十台电脑瓜分带宽。第三章 数据链路层一、数据链路层的功能1.功能总结1封装成帧帧定界如何让接收方确定帧的界限透明传输接收方去除帧定界的附加信息把帧恢复原貌2差错控制--发现解决一个帧的内部差错3可靠传输--发现/解决帧错误帧丢失、重复、失序4流量控制--控制发送方发送速度别太快让接收方来得及接受5介质访问控制--广播信道/点对点信道2.封装成帧与透明传输字符计数法、字节填充法、零比特填充法每连续5个1后加一个0、违规编码法曼彻斯特编码3.差错控制奇偶校验码CRC循环冗余校验码海明码问CRC 是怎么计算的采用模2除法。在数据后面拼接r个 0除以双方约定的生成多项式 G(X)求得的余数就是冗余码FCS拼在数据后面发走。接收方用同样的多项式去除如果余数为 0则代表传输无差错。问数据链路层使用 CRC 检验无差错是不是就等于实现了“可靠传输”绝对不是。CRC 只能保证接收端收到的帧在传输过程中没有产生比特差错0 没变 11 没变 0这叫“无比特差错传输”。但是它无法解决丢帧、重复帧、帧倒序等传输差错。在过去质量差的链路上需要通过确认和重传机制如停止-等待协议来实现可靠传输而在现代高质链路上如光纤链路层通常不保证可靠传输把这个任务留给运输层TCP来做。4.可靠传输与流量控制三种协议又称ARQ协议1停止等待协议工作机制发送窗口 1接收窗口 1。发送方每发一个帧就必须停下来等待接收方的确认帧ACK。收到 ACK 后才能发下一帧。缺点信道利用率极低2后退N帧协议工作机制发送窗口W_T 1接收窗口W_R 1。发送方可以连续发送多个帧。累计确认3选择重传协议S-R协议接收方设置了缓冲区可以接收不按序到达的帧。发送方只重传出错或超时的那一帧第 3 帧大大提高了信道利用率。信道利用率链路层的可靠传输 vs 运输层的可靠传输经典追问既然你在数据链路层用滑动窗口、CRC、ARQ 实现了可靠传输为什么到了第四层 TCP 协议还要再搞一套滑动窗口和可靠传输这难道不是重复造轮子吗应用场景与边界不同数据链路层的可靠传输是解决相邻节点之间物理链路由于噪声导致的比特差错或丢帧。而 TCP 的可靠传输是解决端到端之间跨越了无数路由器和异构网络后由于网络拥堵、路由器满载丢包、路径漂移导致的丢包与乱序。现代网络分工演进在现代网络中物理链路的误码率极低。因此现代数据链路层如以太网普遍选择“不可靠传输”只用 CRC 检错报错就丢不负责重传从而减轻底层设备的计算负担把可靠传输的重任完全交给端到端的TCP 协议来兜底。这种“边缘端负责可靠性核心网只管速度”的设计大大提升了互联网的整体效率二、 随机接入协议CSMA 家族1. CSMA/CD 协议早期以太网、总线型、无连接、不可靠半双工通信“先听后发边发边听冲突停止延迟重发”2. 无线局域网CSMA/CA 协议无线网络为什么无线网络不用 CD冲突检测而要用 CA冲突避免隐蔽站问题如下图所示A 和 C 同时想给中间的 B 发数据。A 和 C 互相听不到对方距离远或有墙阻挡它们以为信道空闲同时发送结果在 B 处发生惨烈碰撞。也就是说发送端无法在自己这里检测到接收端那里的冲突。CA 是怎么“避免”冲突的通过IFS帧间间隔区分优先级。采用RTS/CTS请求发送/允许发送握手帧机制提前为这次通信“预约”信道让周围的隐蔽站闭嘴。三、局域网1.局域网的分类2.以太网MAC帧662N4 收发协数验MAC 地址与 IP 地址的区别为什么有了 IP 还需要 MAC物理 vs 逻辑MAC 地址是物理地址/硬件地址烧录在网卡上具有全球唯一性负责相邻节点的寻址IP 地址是逻辑地址由网络管理员或 DHCP 分配负责端到端的寻址和路由选择。解耦与分层如果只有 MAC 地址网络将无法分层路由全球路由器需要存储几十亿个 MAC 映射表网络会直接崩溃。IP 地址具有层次结构网络号主机号方便聚合路由。现实比喻IP 地址就像你的“收件地址”决定了包裹宏观上怎么走MAC 地址就像你的“身份证号”当包裹到了学校传达室大爷需要对准你的身份证号把包裹亲手交给你。3.VLAN虚拟局域网为什么要用vlan解决广播风暴怎么解决的广播风暴局域网内任何一点发出的广播帧均会被广播到所有节点VLAN解决办法VLAN通过软件配置的方式将一个物理的局域网LAN在逻辑上划分成多个独立的、互不干扰的“虚拟局域网”。VLAN最大的核心作用就是隔离广播域。4.无线局域网为什么 802.11 帧有 4 个 MAC 地址而普通以太网只有 2 个因为普通以太网是端到端的一根网线直连而无线局域网中存在一个中间人AP无线接入点 / 路由器进行转发。而广域网点对点链路的绝对统治者是 PPPPoint-to-Point Protocol点对点协议。这是面试必考的细节。四、广域网1. 为什么 PPP 协议不需要考虑 CSMA/CD 这样的冲突检测机制根本不会发生冲突情况因为PPP 是面向点对点的协议。这条链路上只有发送方和接收方两个节点是绝对独享的。既然没有多方争用共享信道自然就永远不可能发生信号冲突。2. PPP 协议由哪几部分组成一种成帧方法规定如何封装 IP 数据报处理透明传输同步传输用零比特填充异步传输用字节填充。LCP链路控制协议用于建立、配置和测试数据链路连接比如商量一下大家都用多大的 MTU。NCP网络控制协议最体现其扩展性的一点。它可以支持不同的网络层协议如 IPv4、IPv6。当网络层配置好后给上层提供服务。3. 为什么 PPP 协议只支持全双工且不提供“可靠传输”核心考点问“PPP 帧里有 CRC 校验。如果接收方发现 CRC 报错了PPP 会重传吗”答不会直接丢弃。因此PPP 只是“不可靠传输”协议只负责检错不负责纠错。把可靠性交给上层TCP去解决。五、 数据链路层设备交换机1. 交换机与集线器的区别(参考上一轮对话内容重点强调交换机隔离冲突域、独享带宽、基于 MAC 地址定向转发)。2. 交换机的“自学习”算法核心逻辑交换机收到一个帧时看源 MAC把源 MAC输入端口登记到自己的 MAC 表里这叫自学习。看目的 MAC如果表中有对应条目直接从对应端口单播转发出去如果对应端口就是输入端口则直接丢弃/过滤。如果表中没有对应条目向除了输入端口以外的所有端口进行广播泛洪。