计算机网络：练习题及解析

1什么是计算机网络

网络是一组交换数据的设备：笔记本电脑、手机、服务器、打印机。网络上的设备称为主机。

一栋建筑或一个校园内的网络是 LAN（局域网）。跨城市或跨国家的网络是 WAN（广域网）。互联网连接着数百万个网络。

数据不是作为一条长流传输的。它被切成称为数据包的小块，每个数据包各自找到去往目的地的路。

设备只有遵循相同的规则才能相互理解。这样一套关于消息格式和顺序的规则就是协议。TCP、IP 和 HTTP 都是协议。

大多数服务遵循客户端–服务器模型：客户端，例如你的浏览器，发送请求，服务器送回答案。

有两个词描述连接有多快。带宽是最大数据速率，例如 100 Mbit/s。延迟是数据到达之前的延时，以毫秒计。

2分层和封装

网络被分为多个层。每一层解决一个问题，并使用它下面的一层。OSI 模型有 7 层；互联网上使用的 TCP/IP 模型把它们归并为 4 层或 5 层。

• 1 物理层：以电信号、光信号或无线电信号在线缆和空气中发送原始比特。
• 2 数据链路层：使用 MAC 地址，在同一局域网内的设备之间传送帧。以太网和 Wi-Fi 位于这一层。
• 3 网络层：使用 IP 地址，跨网络传送数据包。路由器工作在这一层。
• 4 传输层：使用端口号，在程序之间传送数据。TCP 发送报文段；UDP 发送数据报。
• 5–7 会话层、表示层、应用层：人们使用的服务，例如用于网页的 HTTP、用于名称的 DNS 和用于电子邮件的 SMTP。

发送数据时，每一层都在上一层数据的前面添加自己的首部。这称为封装。接收方按相反的顺序去掉首部。

TCP 先建立连接（三次握手 SYN、SYN-ACK、ACK）。它给数据编号，等待确认，并重发丢失的部分。它是可靠且有序的。

UDP 不建立连接，也不重发。它更快，用于延迟比丢包更重要的场合：直播视频、游戏和简短的 DNS 查询。

3地址、设备和辅助协议

三种地址协同工作，每层一种：

• MAC 地址（第 2 层）：网卡的 48 位硬件地址。它只在本地网络内使用。
• IP 地址（第 3 层）：IPv4 地址有 32 位，IPv6 地址有 128 位。它说明主机在互联网上的位置。
• 端口号（第 4 层）：选定主机上的程序。知名端口从 0 到 1023：HTTP 80、HTTPS 443、SSH 22、DNS 53、SMTP 25。

设备遵循相同的分层。集线器（第 1 层）把每个信号复制到所有端口。交换机（第 2 层）只把帧发送到目的 MAC 地址所在的端口。路由器（第 3 层）在网络之间转发数据包。

几个辅助协议使这一切得以运作：

• DHCP 在主机加入网络时，给它 IP 地址、掩码、默认网关和 DNS 服务器。
• DNS 把 example.com 这样的名称翻译成 IP 地址，就像电话簿。
• ARP 在本地网络上找出与某个 IP 地址对应的 MAC 地址。
• ICMP 携带错误和测试消息。ping 命令使用 ICMP 回显请求。
• NAT 让许多使用私有地址（10.x、172.16–31.x、192.168.x）的设备共用一个公网地址。

默认网关是主机在目的地位于自己子网之外时，把每个数据包发往的路由器。

4分步方法

大多数题目，从定义到故障排查案例，都可以用同样的步骤回答。

1. 找出层次。题目涉及的是信号、帧和 MAC 地址，数据包和 IP 地址，端口和连接，还是某个应用？
2. 说出在该层工作的设备或协议：集线器、交换机或路由器；以太网、IP、TCP 或 UDP；DNS、DHCP 或 HTTP。
3. 对于故障，列出仍然正常的和失败的。某个功能正常，就证明它下面的每一层都没问题。
4. 找出能解释所有失败现象的最低层。这是最可能的原因。
5. 用题目中的其他事实检验你的答案：它必须解释所有这些事实。

对于简短的计算：传输时延是数据包大小除以链路速率，传播时延是距离除以信号速度。

5例题讲解

跟着每一步走。打开下一步之前，先试着预测它。

6常见错误

• 混淆 DNS 和 DHCP。DNS 把名称翻译成地址；DHCP 分发地址。
• 混淆交换机和路由器。交换机在一个网络内部使用 MAC 地址；路由器在网络之间使用 IP 地址。
• 以为 UDP 是“差劲的 TCP”。当低延迟比重发丢失的数据更重要时，会特意选择它。
• 混淆带宽（容量）和延迟（时延）。
• 把端口号放在网络层。端口属于传输层；IP 地址属于网络层。
• 忘了默认网关。没有它，主机能到达自己的子网，但不能到达子网以外的任何地方。

7考试题是什么样的

• 简单：关键术语和事实。OSI 的层数、DNS 或 DHCP 的作用、默认端口号、IPv4 地址的大小。
• 中等：应用概念。设备所在的层、为什么选择某个协议、ARP、NAT 或 TCP 握手的作用、简单的子网和时延计算。
• 困难：案例与分析。故障排查情景、丢包和拥塞下的 TCP 行为、路由协议、ARP 欺骗或 SYN 洪泛等攻击，以及 TLS。

每道题有四个选项。先排除属于错误层次的选项；往往只剩下一个。