计算机网络

第一章 概述

1.1 信息时代的计算机网络

1.1.1 计算机网络的各类应用

1.1.2 计算机网络带来的负面影响

1.2 因特网概述

1.2.1 网络，互连网(互联网)与因特网

网络^[1]: 由若干 结点 和 链路 互连形成

互联网^[2]：(internet)网络^[1:1]通过路由器^[3]互连形成,互联网是"网络的网络"

因特网^[4]: (Internet)是当今世界上最大的互联网

1.2.2 因特网发展的三个阶段

1. 从单个网络 ARPANET^[5] 向互联网发展
2. 逐步建成三级结果的因特网
   1. NSF 建设 NSFNET^[6]（主干网，地区网和校园网）
3. 逐步形成了多层次ISP结果的因特网

第一层 ISP^[7] 通常被称为因特网主干网，一般都能够覆盖国际性区域范围，并拥有高速链路和交换设备。第一层 ISP 之间直接相连
第二层 ISP 和一些大公司都是第一层 ISP 的用户，通常具有区域性或国家性覆盖，与少数第一层 ISP 相连接
第三层 ISP 又称为本地 ISP ，它们是第二层 ISP 的用户且只拥有本地范围的网络，如一般的校园网企业网，以及住宅用户和无线移动用户，都是第三层 ISP 的用户

1.2.3 因特网的标准化工作

因特网在制定标准上的一个很大的特点是 面向公众
因特网所有的 RFC^[8] 技术文档都可从因特网免费下载(http://www.ietf.org/rfc.html)

ISOC^[9] 是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用

1.2.4 因特网的组成

1. 边缘部分
   由所有连接在因特网上的 主机 组成。这部分是 用户直接使用 的，用来进行 通信 （传送数据，音频或视频）和 资源共享
2. 核心部分
   由 大量网络 和连接这些网络的路由器组成。这部分是 为边缘部分提供服务 的（提供连通性和交换）

1.3 三种交换方式：电路交换，分组交换和报文交换

1. 电路交换
   1. 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
   2. 从通信资源的分配角度看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
   3. 电路交换的三个步骤：
      1. 建立连接（分配通信资源）
      2. 通话（一直占用通信资源）
      3. 释放连接（归还通信资源）
2. 分组交换
   1. 发送方：构造分组，发送分组
   2. 路由器：缓存分组，转发分组
   3. 接收方：接受分组，还原报文
3. 报文交换

1. 电路交换
   1. 优点：
      1. 通信时延小
      2. 有序传输（数据不会失序）
      3. 没有冲突（不会争用物理信道）
      4. 适用范围广（模拟信号和数字信号都能）
      5. 实时性强
      6. 控制简单
   2. 缺点：
      1. 建立连接时间长
      2. 线路独占，使用效率低
      3. 灵活性差
      4. 难以规格化
2. 报文交换
   1. 优点：
      1. 无需建立连接
      2. 动态分配线路
      3. 提高线路可靠性
      4. 提高线路利用率
      5. 提供多目标服务
   2. 缺点：
      1. 引起了转发时延
      2. 需要较大的存储缓存空间
      3. 需要传输额外信息量
3. 分组交换
   1. 优点：
      1. 无需建立连接
      2. 线路利用率高
      3. 简化了存储管理
      4. 加速传输
      5. 减少出错概率和重发数据量
   2. 缺点：
      1. 引起了转发时延
      2. 需要传输额外信息量
      3. 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

第四章 网络层

4.3 IPv4 地址

4.3.1 IPv4 地址概述

IPv4地址^[10] 就是给因特网^[4:1]上的 每一台主机（或路由器）的每一个接口 分配一个在全世界范围内是 唯一的32比特的标识符

IPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段

1. 分类编址
2. 划分子网
3. 无分类编址

32比特的 IPv4地址不方便阅读，记录以及输入等，因此 IPv4地址采用 点分十进制表示方法^[11]以方便用户使用

4.3.2 分类编址的IPv4地址

种类	固定前缀	网络号位数	主机号位数	功能
A	0	8	24
B	10	16	16
C	110	24	8
D	1110	-	-	多播地址
E	1111	-	-	保留为今后使用

只有ABC类地址可分配给网络中的主机或路由器的各接口
网络地址^[12]和广播地址^[13]不能分配给主机或路由器的各接口

A类地址，B类地址和C类地址

最小网络号 0，保留不指派
第一个可指派的网络号为 1，网络地址为 1.0.0.0
最后一个可指派的网络号为 126，网络地址为 126.0.0.0
最大网络号 127，作为本地环回测试地址^[14]，不指派

• 最小的本地环回测试地址为127.0.0.1
• 最大的本地环回测试地址为127.255.255.254
  可指派的网络数量为 \(2^8 - 2 = 126\)
  每个网络中可分配的 IP 地址数量为 \(2^{24} - 2 = 16777214\)

种类	最小网络号	最小可指派网络号	最大可指派网络号	最大网络号	可指派的网络数	网络中可分配的IP数
A	0	1	126	127	\(2^{8-1}-2=126\)	\(2^{24} - 2 = 16777214\)
B	128.0	128.0	191.255	191.255	\(2^{16-2}=16384\)	\(2^{16} - 2 = 65534\)
C	192.0.0	192.0.0	223.255.255	223.255.255	\(2^{24-3}=2097152\)	\(2^{8} - 2 = 254\)

4.3.3 划分子网的IPv4地址

1. 32 比特的子网掩码可以表明分类IP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号
2. 子网掩码使用 连续的比特0来对应主机号
3. 将划分子网的 IPv4地址 与其相应的 子网掩码 进行 逻辑与运算 就可得到 IPv4地址 所在的网络地址

默认的子网掩码是指在未划分子网的情况下使用的子网掩码

A类网络: 255.0.0.0
B类网络: 255.255.0.0
C类网络: 255.255.255.0

4.3.4 无分类编址的IPv4地址

划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难，但是数量巨大的C类网因为其地址空间太小并没有得到充分使用，而因特网的IP地址仍在加速消耗，整个IPv4地址空间面临全部耗尽的威胁

CIDR

为此 IEFT^[15]提出了采用 无分类编址 的方法来解决，同时成立IPv6工作组

1993年，IEFT^[15:1]发布了 无分类域间路由选择CIDR^[16]

1. CIDR^[16:1] 消除了传统的A类，B类和C类地址，以及划分子网的概念
2. CIDR^[16:2] 可以更加有效的分配IPv4的地址空间，并且可以在新的IPv6使用之前允许因特网的规模继续增长

CIDR^[16:3] 使用“斜线记法”，或称 CIDR 记法。即在IPv4的地址后面加上斜线"/"，在 斜线后面写上网络前缀所占的比特数量

例子

128.14.35.7/20
网络前缀占用的比特数量: 20
主机号占用的比特数量: 32 - 20 = 12

CIDR实际上是 将网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个"CIDR地址块"
我们只要知道 CIDR 地址块中的任何一个地址，就可以知道改地址块的全部细节：

1. 地址块的最小地址
2. 地址块的最大地址
3. 地址块中的地址数量
4. 地址块聚合某类网络(A类，B类或C类)的数量
5. 地址掩码(也可以继续称为子网掩码)

例子：

给出 128.14.35.7/20的全部细节（最小地址，最大地址，地址数量，聚合C类网，地址掩码）

1. 最小地址: 128.14.32.0
2. 最大地址: 128.14.47.255
3. 地址数量: \(2^{(32 - 20)}\)
4. 聚合C类网的数量 \(2^{(32 - 20)} / 2^8\)
5. 地址掩码(也可以继续称为子网掩码): 11111111.11111111.11110000.00000000 = 255.255.240.0

路由聚合

一个路由器将与自己直接相连的局域网的信息通告给另一路由器时，会构造聚合地址块^[17]来通告

网络前缀越长，地址块越小，路由越具体

若路由器查表转发分组时发现有多条路由可选，则选择网络前缀最长的那条，这称为 最长前缀匹配 ，因为这样的路由更具体

4.3.5 IPv4 地址的应用规划

定长的子网掩码	变长的子网掩码
使用同一个子网掩码来划分子网	使用不同的子网掩码来划分子网
每个子网所分配的IP地址数量相同，造成IP地址的浪费	每个子网所分配的IP地址数量可以不同，尽可能减少对IP地址的浪费

网络的IP地址需求 = 主机地址 + 路由器接口地址 + 网络地址 + 广播地址

\[地址 \begin{cases} 网络地址 \\ 可分配地址 \begin{cases} 路由器接口地址 \\ 主机地址 \end{cases} \\ 广播地址 \end{cases} \]

分配IP地址

分配网络前缀时需要预留特定地址：网络地址^[12:1]，广播地址^[13:1]， 路由器接口地址^[18]

代码实现分配IP地址

输入格式

第一行是该系统分配到的地址块
第二行是该系统内的局域网数 \(n\)
下面 \(n\) 行是每个局域网的主机数，以及与该局域网直接相连的路由器的数量

代码

该代码实现了对输入分配给系统的IP地址块以及各局域网的主机数以及直接相连的路由器数，自动按照优先分配占用地址多的局域网，优先分配位上数为0的规则，分配每一个局域网包括前缀的地址块的功能

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
using ll = long long;
// 点分十进制的段数
constexpr int m = 4;
// 每一段的位数
constexpr int k = 8;
constexpr int pn = 62;
ll p[pn + 1];
// 初始化 2 的幂次
void initp() {
    p[0] = 1;
    for (int i = 1; i <= pn; ++ i) p[i] = p[i - 1] * 2ll;
}
// 求出不小于 x 的最小的 2 的幂次（二分算法） 
// O(log_2(x)) 对于输入的局域网数 n 该算法为O(1)
ll higherbit(ll x) {
    ll l = 2, r = m * k;
    while (l <= r) {
        ll mid = (l + r) >> 1;
        // 减 2 是因为全 0 是网络地址，全 1 是广播地址需要预留
        if ((1ll << mid) - 2 < x) {
            l = mid + 1;
        } else {
            r = mid - 1;
        }
    }
    return (1ll << l);
}
// 化为点分十进制
string f(ll ip) {
    string res = "";
    vector<ll> a(m + 1);
    for (int i = m; i >= 1; -- i) {
        a[i] = ip % (1 << k);
        ip >>= k;
    }
    for (int i = 1; i <= m; ++ i) {
        if (res.size()) res += '.';
        res += to_string(a[i]);
    }
    return res;
}
int main() {
    cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false);

    initp();

    ll prefix, ip = 0, n;
    char c;
    vector<ll> t(m + 1);
    for (int i = 1; i <= m; ++ i) {
        cin >> t[i] >> c;
        ip <<= k;
        ip += t[i];
    }
    cin >> prefix;
    cin >> n;
    vector<ll> LAN(n + 1); // 每个局域网中主机的数量
    vector<ll> routers(n + 1); // 每个局域网直接相连的路由器的数量
    vector<string> ans(n + 1); // 每个局域网对应的网络前缀
    vector<tuple<ll, ll, int, int>> tl;
    vector<ll> IP(n + 1);
    vector<string> pre(n + 1);
    for (int i = 1; i <= n; ++ i) cin >> LAN[i] >> routers[i];
    for (int i = 1; i <= n; ++ i) {
        tl.emplace_back(
            higherbit(LAN[i] + routers[i]), 
            LAN[i] + routers[i], 
            -i,
            i
        );
    }
    // 按局域网内的主机数降序排序
    sort(tl.rbegin(), tl.rend());
    for (auto [num, rnum, _id, id] : tl) {
        // 计算地址块
        string cur = f(ip);
        // 计算前缀
        int cn = prefix;
        while (num < p[m * k - cn]) cn++;
        // 合并成答案
        ans[id] = cur + "/" + to_string(cn);
        // 存储当前IP和前缀用于后续验证答案
        IP[id] = ip;
        pre[id] = cn;
        // 模拟占用这些地址号
        ip += num;
    }   
    for (int i = 1; i <= n; ++ i) {
        cout << "LAN" << i << ": " << ans[i] << "\n";
    }
    auto show = [&](int id) {
        ll x = IP[id];
        vector<int> c(m * k);
        for (int i = m * k; i >= 1; -- i) {
            c[i] = x & 1;
            x >>= 1;
        }
        for (int i = 1; i <= m * k; ++ i) {
            cout << c[i];
            if (i % k == 0) {
                if (i < m * k) cout << ".";
                else cout << "\n";
            }
        }
    };
    // 输出二进制形式，人工手动验证答案
    // for (int i = 1; i <= n; ++ i) {
    //     cout << "LAN" << i << ":\n";
    //     show(i);
    // }
}

4.4

联系我

博客失去时效性或有任何不详尽的可联系我

QQ: 2832640093

---

1. 网络 由若干 结点 和 链路 互连形成 ↩︎ ↩︎ ↩︎

2. 互联网 若干网络^[1:2] 通过路由器互连形成 ↩︎

3. 路由器 NEED ↩︎

4. 因特网 是当今世界上最大的互联网 ↩︎ ↩︎ ↩︎

5. ARPANET 第一个分组交换网 ↩︎

6. NSFNET 国家科学基金网 ↩︎

7. ISP (internet service provider)互联网服务提供商 ↩︎

8. RFC Request For Comments ↩︎ ↩︎

9. ISOC 因特网协会，是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用 ↩︎

10. IPv4地址 就是给因特网^[4:2]上的 每一台主机（或路由器）的每一个接口 分配一个在全世界范围内是 唯一的32比特的标识符 ↩︎

11. 点分十进制表示方法 每8位分为一组，写出每组的十进制数，每个十进制之间用"."来分隔 ↩︎

12. 网络地址 主机号为“全0”的地址 ↩︎ ↩︎

13. 广播地址 主机号为“全1”的地址 ↩︎ ↩︎

14. 本地环回测试地址 NEED ↩︎

15. IEFT 因特网工程任务组 ↩︎ ↩︎

16. CIDR classless Inter-Domain Routing 的RFC^[8:1]文档 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎

17. 聚合地址块 将与该路由器直接相连的局域网的的IP取共同前缀其他位变0后生成的地址块 ↩︎

18. 路由器接口地址 每个路由器的接口需要预留独立的IP地址 ↩︎