计算机网络–作业

作业一

1、比较电路交换、报文交换和分组报文交换优缺点

电路交换

电路交换是以电路连接为目的的交换方式，通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通道（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成）。

优点：

①由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小

②通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。

③双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。

④电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。

⑤电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。

缺点：

① 电路交换的平均连接建立时间较长，如果计算机间进行小数据量的随机突发式通信，那么会有较多的时间浪费在电路的连接和建立上。

② 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，在通信双方的传输空闲期，线路也不能供其他用户使用，所以信道利用较低。

③ 电路交换传输时，数据直达，不同规格、不同类型、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

报文交换

报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，报文整个地发送，一次一跳，在交换结点采用存储转发的传输方式，即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理，等到相应的输出电路有空闲时再送出。

优点：

① 报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。

② 由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：

a) 在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；

b) 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信；

c) 提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；

d) 允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。

③ 通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。

缺点：

① 报文交换只适用于数字信号。

② 由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，可能需要排队，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。

③ 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。

分组交换

基于报文交换，将报文划分为更小的数据单位：报文分组（段、包、分组）。分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去。

优点：

① 分组交换不需要为通信双反预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送分组。

② 由于采用存储转发的传输方式所带来的的和报文转发相似的优点

③ 通信双方不是固定的占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。

④ 加速了数据在网络中的传输。因而分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了传输时间。

⑤ 分组长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，所以简化了交换节点中存储器的管理。

⑥ 分组较短，出错几率减少，每次重发的数据量也减少，不仅提高了可靠性，也减少了时延。

缺点：

① 分组交换只适用于数字信号。

② 分组交换不能通过建立连接来保证通信所需的资源，因而无法保证通信时端到端所需的带宽

③ 由于数据进入交换节点后要经历存储转发这一过程，可能需要排队，从而引起的转发时延（包括接受分组、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量越大，造成的时延就越大，实时性较差。

④ 因为分组交换将报文分割，所以可能出现失序，丢失或重复分组的问题，分组到达目的节点时，对分组按编号进行排序等工作，增加处理的复杂度。（即使采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。）

总的来说，如果传送的数据量很大，且其传送时间远大于连接建立时间，则采用电路交换较为合适；如果端到端的通路有很多段的链路组成，或者是通信端之间大多是随机突发数据的传送时，采用分组交换传送数据更为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小、灵活性强，特别适合于计算机之间的突发式的数据通信。

2、收发两端距离为5000KM，信号在媒体上传输速率为3*10^8m/s
，发送速率为1000Mbps，不考虑处理延迟和排队延迟情况下，发送1024000MB数据接收端完整接收的理论最快所需时间是多少？

先统一单位：

发送速率 = 1000Mbps = 1*10^9 bit/s

收发两端距离 = 5000km = 5*10^6 m

数据量 = 1024000MB = 1024000 * 1024 * 1024 * 8 = 8589934592000 bit

媒体上传输时间 = 5*10^6 ÷ 3×10^8 = 0.0167s

发送端发送时间 = 8589934592000 ÷ 1*10^9 = 8,589.9346s

理论最快完整接收时间 = 媒体上传输时间 + 发送端发送时间 = 8,589.9513s

3、试举例说明OFDM、QAM的作用和意义

QAM是一种常用的调制技术，用于在数字通信系统中将数字信号调制为模拟信号，以便在传输介质上传输。它将两个调制信号正交调制到同一个载波上，因此可以通过改变两个调制信号的振幅和相位来编码更多的比特。其作用和意义如下：

① 提高数据传输速率： QAM可以通过在相位和振幅上编码数据位来实现更高的数据传输速率，使得在有限的带宽内能传输更多的数据量。

② 提高频谱效率： 与一些其他调制技术相比，QAM能够更有效地利用频谱资源，实现更高的频谱效率，从而在有限的频谱范围内传输更多的信息。

③ 抗噪声性能好： QAM对于传输中的噪声有一定的鲁棒性，可以通过适当的调制技术和解调技术来减少传输中的误码率，提高传输的可靠性。

④ 灵活性强： QAM可以根据具体的应用需求灵活地调整调制阶数，从而在不同的环境下满足不同的传输要求。

⑤ 广泛应用： QAM被广泛应用于数字通信领域，包括无线通信、有线通信、光纤通信以及各种数据通信系统中，如数字电视、调制解调器、无线局域网等。

因此，QAM作为一种高效的调制技术，在现代通信系统中扮演着关键角色，使得数字信号能够高效地在各种传输介质中传输，并在不同应用场景下实现高速、可靠的数据传输。

OFDM是一种常用的调制技术，主要应用于数字通信中。它将高速数据流分成多个较低速的子流，并将这些子流分配到不重叠的正交子载波上。OFDM的作用和意义如下：

① 抗多径衰落： OFDM能够有效应对多径传播引起的信号衰减和干扰。通过将信号分成多个子载波，在接收端可以针对各个子载波的不同衰减情况进行补偿，从而提高信号的传输质量和稳定性。

② 提高频谱利用率： OFDM将频谱分成多个窄带子载波，在频域上实现了频谱的有效利用，使得可以在有限的带宽内传输更多的数据量。这样的特性使得OFDM适用于高速数据传输，如数字电视、无线局域网（WLAN）以及其他需要高带宽的通信系统。

③ 降低传输延迟： 通过同时传输多个子载波，OFDM能够减少传输延迟，特别是在大容量数据传输和多媒体传输中，能够保证数据的及时性和实时性，从而提高用户体验。

④ 抗频率选择性衰落： OFDM能够有效应对频率选择性衰落，使得信号能够更好地通过频率选择性衰落通道，减少信号的失真和衰减，提高通信系统在复杂信道环境下的性能稳定性。

⑤ 适应不同传输环境： OFDM适用于不同的传输介质，包括无线和有线传输环境，因此在各种通信系统中得到了广泛的应用，如4G和5G移动通信系统、数字广播、数字电视等。

因此，OFDM作为一种关键的调制技术，具有抗干扰能力强、频谱利用率高、传输稳定性好等优点，因此在现代通信领域发挥着重要作用，推动了数字通信技术的发展，并在各种通信应用中取得了显著的成就。

4、利用Wireshark抓取任一次本机与远程服务器通讯过程，能否获取本机及通信对端MAC地址，帧类型及帧长（截图），路由等信息，并求通讯过程中平均RTT和最大时延抖动。

image.png

帧类型为IPv4，帧长为60字节，本机mac：3c：78:43:71:09:42

目的IP地址是远程服务器的地址，但是目的MAC地址是本局域网网关的MAC地址，所以在跨局域网的远程通信中无法获取远程端的MAC地址，数据分组在网络中的传输的过程中，网络设备在转发时会将数据帧的源MAC地址替换为自己的MAC地址，将目的MAC地址替换为路由下一跳网络设备的MAC地址。因此，我们虽然无法通过本机设备的抓包看到完整的路由信息，但可以通过MAC帧中的目的MAC地址知道路由的下一跳地址。

可以计算出这次通信中远程服务器三次回复的RTT分别为：

41.5ms,0.036ms,0.025ms

则有：

平均RTT：(41.5+0.036+0.025) / 3 = 13.85 ms

最大时延抖动为：41.5-0.025= 41.475 ms

作业二

1、请利用工具实时侦测实验室和宿舍无线局域网信号（截图）并分析特点及异同，针对两个不同场景能否提出优化方案

实验室无线局域网信号特点：

宿舍无线局域网信号特点：

异同点：

优化方案：

2、试比较5G与无线局域网802.11ac/ax技术特点，请分析5G建设与大型无线局域网覆盖是否存在融合部署方案

比较5G与无线局域网802.11ac/ax技术特点：

3、比较IPv6有状态与无状态地址分配工作特点

IPv6地址分配可以分为有状态（Stateful）和无状态（Stateless）两种方式，它们在工作特点上有一些显著的区别。
有状态地址分配：

4、分析移动IPv6数据通讯过程与移动IPv4有何异同，效率有何差异

移动IPv4与IPv6的异同：

• 工作特点：
  • RIP属于距离矢量协议，使用跳数（hop count）作为路由选择的度量标准。
  • 定期广播路由表信息，每30秒发送一次更新，基于Bellman-Ford算法。
  • 收敛较慢，因为它只关注跳数，而不考虑链路质量等因素。
• 应用场景：
  • 适用于小型网络，对带宽要求不高，且网络拓扑比较简单的场景。

• 工作特点：
  • OSPF是一种链路状态协议，通过链路状态数据库计算最短路径。
  • 使用Dijkstra算法来计算最短路径。
  • 分层结构，将网络划分为区域，每个区域有一个Area Border Router (ABR)。
• 应用场景：
  • 适用于大型企业网络和互联网服务提供商，支持复杂拓扑结构和更好的灵活性。
  • 提供更好的可扩展性和更快的收敛速度。

• 工作特点：
  • BGP是一种路径矢量协议，用于互联网中的路由选择。
  • 主要用于跨不同自治系统（AS）之间的路由选择，考虑到网络策略和路径属性。
  • 不关注物理距离，而是根据AS路径选择最佳路径。
• 应用场景：
  • 用于连接不同的自治系统，主要在互联网核心路由器之间使用。
  • 支持多路径选择和路由策略的定制，适用于大规模互联网路由。
    主要区别：
    1.度量方式：
  • RIP使用跳数作为度量，OSPF使用链路状态数据库计算最短路径，而BGP考虑多种因素，如AS路径、策略等。

作业三

1、选择不少于3个不同服务商的DNS服务器（本校210.40.0.33，2001:250:2c00::33，本地运营商，云服务厂商或公共DNS服务商），测试到www.taobao.com，www.qq.com，www.jd.com，www.sohu.com, 利用WIRESHARK抓包工具，服务器IP地址、地理位置、访问延迟、TRACEROUTE记录，并分析为什么会产生差异(v4/v6有无差异)，给出推荐的DNS服务器及理由。

• www.taobao.com

  | DNS服务器 | 服务器IP地址 | 地理位置 | 访问延迟 |

  | ———————— | ————— | ————————- | ——– |

  | 210.40.0.33(本校) | 113.141.190.107 | 中国 陕西省 西安市 (电信) | 33ms |

  | 202.98.198.167(贵州电信) | 119.147.99.234 | 中国 广东省 东莞市 (电信) | 52ms |

  | 223.5.5.5(阿里云DNS) | 113.141.190.106 | 中国 陕西省 西安市 (电信) | 32ms |

  • TRACEROUTE记录

    

• www.qq.com

  | DNS服务器 | 服务器IP地址 | 地理位置 | 访问延迟 |

  | ———————— | ————– | ————————————- | ——– |

  | 210.40.0.33(本校) | 109.244.236.65 | 中国 广东省 深圳市 (腾讯云 数据中心) | 63ms |

  | 202.98.198.167(贵州电信) | 121.14.77.221 | 中国 广东省 深圳市（电信 数据中心） | 52ms |

  | 223.5.5.5(阿里云DNS) | 109.244.236.76 | 中国 广东省 深圳市 (腾讯云 数据中心) | 62ms |

  • TRACEROUTE记录

  • 

• www.jd.com

  | DNS服务器 | 服务器IP地址 | 地理位置 | 访问延迟 |

  | ———————— | ————— | ————————- | ——– |

  | 210.40.0.33(本校) | 119.188.208.2 | 中国 山东省 济南市 (电信) | 73ms |

  | 202.98.198.167(贵州电信) | 182.247.251.223 | 中国 云南 昆明 (电信) | 50ms |

  | 223.5.5.5(阿里云DNS) | 119.188.208.2 | 中国 山东省 济南市 (电信) | 47ms |

  • TRACEROUTE记录

    

• www.sohu.com

  | DNS服务器 | 服务器IP地址 | 地理位置 | 访问延迟 |

  | ———————— | ————— | —————————– | ——– |

  | 210.40.0.33(本校) | 58.205.220.34 | 中国 湖北省 武汉市 （教育网） | 22ms |

  | 202.98.198.167(贵州电信) | 111.123.250.216 | 中国 贵州 遵义 (电信) | 46ms |

  | 223.5.5.5(阿里云DNS) | 58.205.220.36 | 中国 湖北省 武汉市 （教育网） | 22ms |

  • TRACEROUTE记录

    

• 差异产生原因:受地理位置，距离，带宽等因素影响产生差异，如dns不同，目的网站所解析的IP地址不同，有时还会出现目标ip不可达的情况，导致访问不了网站

• 推荐阿里云dns，平均下来，访问最快，最稳。

2、分析WINDOWS远程桌面、QQ远程协助和向日葵（或其他类似工具）实现远程桌面控制和传输文件时的通讯过程和协议特点（要求至少保证通讯双方在两种以上场景：是否同LAN，在不同NAT内，不同运营商场景）

在同一个LAN中使用向日葵远程控制(192.168.65.8控制192.168.65.21):

• 首先经过TCP三次握手 建立与服务器117.18.232.200的TCP连接

  • TCP协议特点:面向连接的、字节流和可靠传输

    

• 使用TLSv1.2协议对数据进行加密传输

  • TLSv1.2协议特点:对TCP传输进行公钥加密

    

• 传输数据进行远程控制

  

3、分别在实验室和宿舍访问link.springer.com，dl.acm.org，www.ieee.org，www.cnki.net，跟踪比较路并分析通过的AS数量和差异，同时用Wireshark抓取访问网站和下载资源的过程，解释其通讯过程，并针对RTT、首发包大小、接收窗口等进行分析

• 实验室(本校dns:210.40.0.33 || link.springer.com:151.101.76.95)

  

• 宿舍(贵州移动dns:211.139.5.29 || link.springer.com:34.149.66.100))

  

• 宿舍(本校dns:210.40.0.33 || link.springer.com:151.101.76.95)

  

  相同dns的情况下，网站域名所解析的ip是一致的，但实验室和宿舍校园网所处局域网不一致（宿舍:172.16.4.57 实验室：172.19.9.1），导致经过的as不一致，但目的ip相同，所以，最终as是相同的

  而在默认dns的情况下，实验室默认为本校dns,宿舍默认为贵州移动dns,两dns解析出的目标网站的ip不一致，所以导致经过的as不一致。

• 下表为访问网站在实验室和宿舍经过的as

  | 目标网站 | 实验室(本校dns) | 宿舍(贵州移动dns) |

  | ———— | ——————————————- | ———————————– |

  | dl.acm.org | 104.18.16.13;AS4538,AS9808,AS3661,AS13335 | 104.18.16.13;AS9808,AS9394,AS13335 |

  | www.ieee.org | 104.111.203.88;AS4538,AS6453,AS3491,AS16625 | 104.109.72.68;AS9808,AS9394,AS16625 |

  | www.cnki.net | 121.194.4.12;AS4538 | 121.194.4.12;AS9808,AS9394,AS4538 |

  如上图所示，同一台电脑（dns、网络相同），初始as是一致的

• 在www.cnki.net上下载过程:

  • 首先进行TCP三次握手建立连接

  • 

  • 再经过TSLv1.3协议进行加密

    

  • RTT为0.059868000s 首发包大小245字节 窗口大小64128字节

  • 

  

4、根据TCP工作模式提出2个以上的优化方法提升效率并给出相应理由

当涉及到TCP的优化时，我们可以考虑以下方法来提高效率：

TCP窗口大小调整：

方法：通过调整TCP窗口大小，可以提高数据传输的效率。增大窗口大小允许更多数据在一次往返中传输，从而提高吞吐量。

理由：原始设计中，TCP窗口大小的最大值为65535字节（64 KiB – 1）。这是发送方在接收到窗口更新之前可以发送的最大数据量。通过增大窗口大小，可以减少往返时间（RTT）对吞吐量的限制1。

TCP拥塞控制优化：

方法：优化TCP拥塞控制算法，使其更智能地适应网络环境。例如，使用基于近端策略优化（PPO）的智能拥塞管理方法，根据实时网络环境选择合适的传输模式。

理由：传统的TCP拥塞控制算法可能在高带宽、高延迟网络中表现不佳。通过智能优化，可以更好地适应不同网络条件，提高数据传输能力2.

这些方法可以根据具体场景和需求进行选择和调整，以提高TCP连接的效率。

5、分析MPTCP工作场景及实现方法

MPTCP是多路径TCP的缩写，它是一种传输层协议，可以让一个TCP连接同时使用多个网络路径进行数据传输，从而提高带宽、负载均衡和可靠性。MPTCP的工作场景包括：

• 移动设备：移动设备通常具有多个无线接口，如WiFi、4G、5G等，可以同时连接到不同的网络。MPTCP可以在这些接口之间动态地分配流量，实现无缝的切换和更好的用户体验。例如，苹果的iOS7支持MPTCP，用来传输Siri的流量。

• 数据中心：数据中心中的服务器之间通常有多条冗余的路径，可以提供高速的数据传输。MPTCP可以在这些路径之间进行负载平衡，避免拥塞和冲突，提高吞吐量和效率。例如，Citrix的Netscaler和F5的BIG-IP都支持MPTCP。

MPTCP的实现方法主要包括以下几个方面：

• 连接建立：MPTCP的连接建立过程与传统的TCP类似，但在初始握手时，双方会交换能力选项，以确定是否支持MPTCP。同时，双方也会交换一个64位的密钥，用来标识这个连接和生成令牌。

• 子流建立：一旦MPTCP连接建立，它可以启动多个子流（subflow），每个子流通过不同的网络路径传输数据。这些子流可以通过不同的IP地址和端口号来标识。子流的建立也需要进行三次握手，但在SYN报文中，会带有MP_JOIN选项，以指明要加入哪个MPTCP连接和令牌。

• 数据传输：MPTCP发送的每个数据段都包含两个序列号：子流序列号和数据序列号（DSN）。子流序列号用来保证每个子流上的数据包的有序和可靠传输，数据序列号用来保证整个连接上的数据流的有序和可靠传输。MPTCP可以根据各个子流的状态，动态地调整数据在不同子流上的分配，实现流量控制和拥塞控制。

• 连接释放：MPTCP的连接释放过程与传统的TCP类似，但需要释放所有的子流。MPTCP还提供了快速关闭的功能，可以通过发送一个RST报文，一次性关闭所有的子流。

6、分析QUIC协议特点及工作优势

快速性:

特点：QUIC通过使用UDP协议而不是TCP协议，减少了握手时间和连接建立的延迟。它还支持多路复用，允许在单个连接上同时传输多个数据流。

优势：QUIC可以更快地建立连接，减少了用户等待页面加载的时间。这对于现代互联网用户来说至关重要，因为我们希望网页能够立即加载。

可靠性:

优势：QUIC在不牺牲可靠性的前提下，提供了更高的性能。它可以应对网络中的丢包和其他问题，确保数据的可靠传输。

安全性:

特点：QUIC内置了加密功能，保护数据的隐私和安全。此外，它还针对拒绝服务 (DoS)、重放攻击、反射攻击、欺骗等类型的攻击进行了优化。

优势：QUIC不仅提供了更好的性能，还增强了网络连接的安全性。

作业四

1、比较QCN与ECN

QCN（Quality Change Notice）和ECN（Engineering Change Notice）都是变更通知的概念，但它们在应用领域和变更的性质上存在差异。

比较总结：

QCN和ECN都是变更通知的形式，但在应用领域和变更的性质上有差异。

QCN主要关注产品质量方面的变更，强调合规性和性能。

ECN主要关注工程和设计方面的变更，强调设计准确性和技术规范。

两者都在确保产品符合特定标准和规格方面起到关键作用，但关注点和涵盖的范围不同。

2、比较DCTCP与DCQCN

DCTCP（Data Center Transmission Control Protocol）和DCQCN（Data Center Quantized Congestion Notification）都是面向数据中心的拥塞控制机制，用于优化数据中心网络中的流量管理和拥塞控制。下面是它们的比较：

1.定义和目的：

DCTCP：DCTCP是一种拥塞控制算法，用于在数据中心网络中降低拥塞的影响，提高网络性能。它通过标记包的ECN（Explicit Congestion Notification）位来指示网络拥塞。

DCQCN：DCQCN是一种量子化拥塞通知机制，与DCTCP类似，但引入了更精细的量化方法，以更有效地进行拥塞控制。

总体而言，DCTCP和DCQCN都是面向数据中心网络的拥塞控制机制，DCQCN引入了更多的量子化水平以提供更精细的控制，适用于对网络性能和精度有更高要求的场景。选择哪种机制取决于具体的应用需求和网络环境。

3、分析google falcon工作特点

性能比纯软件传输更上一层楼。在 OCP 全球峰会上，通过开放计算项目 (Open Compute Project) 向生态系统开放 Falcon，该项目是利用 Google 的生产经验帮助业界实现以太网现代化的不二之选。

Falcon 作为硬件辅助传输层而设计，具有可靠性、高性能和低延迟的特点，而且充分利用了经过生产验证的技术，包括 Carousel、Snap、Swift、PLB 以及 CSIG。

Falcon 的底层使用三大关键技术，在有损的高带宽数据中心以太网络实现低延迟。细粒度硬件辅助往返时间 (RTT) 测量、基于硬件的流量整形、快速准确的数据包重传，并与支持多路径和 PSP 加密的 Falcon 连接相结合。在此基础上，Falcon 从一开始就被设计为一种多协议传输，能够支持性能要求和应用语义千差万别的上层协议。上层协议映射层不仅提供与 Infiniband Verbs RDMA 和 NVMe ULP 的开箱即用兼容性，而且包含了对超大规模应用至关重要的其他创新，例如灵活的排序语义和妥善的错误处理。最后一点是，硬件和软件协同设计，配合运行，帮助实现高信息传输速率、低延迟和高带宽等属性，同时保持灵活性，赋能可编程性和持续创新。

Falcon 反映出以太网继续在行业中扮演中坚角色。Falcon 旨在实现超大规模的可预测高性能以及灵活性和可扩展性。