EEC4100: Network Protocols and Applications

正向复习：从课程PPT开始

第一部分：课程介绍与网络基础

• 课程介绍

  • 课程目标：学习网络协议和应用的基础知识，理解网络协议的设计原理。
  • 先修要求：无，但建议具备概率论基础知识和至少一种编程语言的熟悉度。
  • 课程安排：包括讲座、教程、项目作业和最终考试。
  • 教材：《Computer Networking: A Top-Down Approach》（第6-8版）。

• 计算机网络与互联网基础

  • 网络的组成：包括主机、接入网络、物理介质、路由器等。
  • 网络的类型：如企业网络、家庭网络、移动网络等。
  • 网络性能：包括延迟、丢包、吞吐量等。
  • 协议层次：应用层、传输层、网络层、链路层和物理层。
  • 互联网的结构：网络的网络，包括ISP、数据中心、内容提供商网络等。

第二部分：应用层协议

• 应用层概述

  • 应用层的作用：支持各种网络应用，如Web、电子邮件、VoIP等。
  • 应用架构：客户端-服务器架构和对等架构（P2P）。
  • 套接字编程：使用套接字进行网络通信。

• 具体应用层协议

  • HTTP协议
    • HTTP的工作原理：客户端请求、服务器响应。
    • HTTP连接：非持久连接和持久连接。
    • HTTP消息格式：请求消息和响应消息。
    • Web缓存和条件GET请求。
  • 电子邮件协议
    • SMTP（简单邮件传输协议）：邮件服务器之间的邮件传输。
    • POP3和IMAP：邮件客户端从服务器检索邮件。
  • DNS（域名系统）
    • DNS的作用：将域名解析为IP地址。
    • DNS的分布式数据库结构：根域名服务器、顶级域名服务器、权威域名服务器。
    • DNS查询和解析过程。

第三部分：传输层协议

• 传输层概述

  • 传输层的作用：为应用层提供端到端的通信服务。
  • 多路复用和解复用：基于端口号区分不同的应用进程。
  • 传输层协议：UDP和TCP。

• UDP（用户数据报协议）

  • UDP的特点：无连接、不可靠、无序的传输服务。
  • UDP的报文格式和校验和。
  • UDP的应用场景：如多媒体流、DNS查询等。

• TCP（传输控制协议）

  • TCP的特点：面向连接、可靠、有序的字节流服务。
  • TCP的报文格式：包括序列号、确认号、窗口大小等字段。
  • TCP的可靠传输机制：包括确认与重传、流量控制、拥塞控制。
  • TCP的连接管理：三次握手建立连接，四次挥手关闭连接。
  • TCP的拥塞控制算法：慢启动、拥塞避免、快速重传等。

第四部分：网络层协议

• 网络层概述

  • 网络层的作用：负责将数据报从源主机传输到目的主机。
  • 数据平面和控制平面：数据平面负责数据转发，控制平面负责路由选择。
  • 路由器的架构：输入端口、输出端口、交换结构等。

• IP协议

  • IP报文格式：包括IP地址、报文长度、生存时间（TTL）等字段。
  • IP地址分配：包括子网划分、DHCP动态分配等。
  • IP分片与重组：处理超过链路最大传输单元（MTU）的报文。

• 路由协议

  • 路由算法：如Dijkstra算法。
  • 路由协议的分类：链路状态算法和距离矢量算法。
  • 具体路由协议：如RIP、OSPF、BGP。

第五部分：链路层协议

• 链路层概述

  • 链路层的作用：负责在相邻节点之间传输数据报。
  • 链路层服务：包括错误检测与纠正、多址接入、链路层地址等。

• 多址接入协议

  • 多址接入的类型：点对点和广播。
  • 多址接入协议的分类：时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、随机接入（如ALOHA、CSMA/CD）。
  • 以太网的CSMA/CD协议。

• 局域网（LAN）

  • LAN的特点：如高带宽、低延迟。
  • MAC地址：用于局域网内的设备识别。
  • ARP（地址解析协议）：将IP地址解析为MAC地址。

第六部分：无线与移动网络

• 无线网络

  • 无线链路的特性：信号衰减、干扰、多径传播。
  • 无线局域网（WLAN）：如802.11标准。
  • 无线接入点（AP）和基站：负责无线设备与有线网络的连接。

• 移动性管理

  • 移动性管理的挑战：处理移动用户在网络中的位置变化。
  • 移动IP：支持移动设备在不同网络之间的无缝切换。
  • 3G/4G/5G网络中的移动性管理。

第七部分：多媒体网络

• 多媒体应用

  • 多媒体数据的特点：如视频和音频的编码、传输。
  • 流媒体技术：如YouTube、Netflix等。
  • 语音-over-IP（VoIP）：如Skype、WhatsApp等。

• 多媒体协议

  • RTP（实时传输协议）：用于实时音频和视频数据的传输。
  • SIP（会话初始化协议）：用于建立和管理实时通信会话。

• 网络对多媒体的支持

  • QoS（服务质量）保障：如优先级调度、流量整形。
  • 内容分发网络（CDN）：提高多媒体内容的分发效率。

第八部分：网络安全

• 网络安全概述

  • 网络安全的目标：保密性、认证、消息完整性、可用性。
  • 网络安全的威胁：如窃听、篡改、拒绝服务攻击等。

• 密码学基础

  • 对称密钥加密和非对称密钥加密。
  • 加密算法：如AES、RSA。
  • 数字签名和消息认证码（MAC）。

• 安全协议

  • TLS/SSL：用于保护传输层的安全。
  • 安全电子邮件：使用加密和数字签名保护邮件内容。

• 网络安全实践

  • 防火墙：隔离内部网络和外部网络。
  • 入侵检测系统（IDS）：检测和防范网络攻击。

第九部分：课程总结与考核

• 项目作业

  • 基于套接字编程的项目，支持两人一组完成。
  • 项目内容将在套接字编程讲座后发布。

• 考核方式

  • 项目作业：占总成绩的30%。
  • 最终考试：占总成绩的70%，开卷考试，允许携带计算器和30页自印材料。

反向聚焦：从作业反推重点

第一部分：计算机网络基础

• 内容：网络的组成、性能指标、协议层次等。
• 作业：
  • Tutorial 1, Problem 1：计算端到端延迟，涉及传输延迟、传播延迟和处理延迟的计算。
    • 归类：属于网络基础部分，特别是网络性能指标的计算。
  • Tutorial 1, Problem 2：消息分段对传输时间的影响。
    • 归类：属于网络基础部分，特别是数据分段和传输效率的分析。

第二部分：应用层协议

• 内容：HTTP、DNS、电子邮件协议等。
• 作业：
  • Tutorial 2, Problem 1：DNS查询和HTTP请求的延迟计算。
    • 归类：属于应用层协议部分，特别是DNS和HTTP协议的性能分析。
  • Tutorial 2, Problem 2：不同HTTP配置下的延迟比较。
    • 归类：属于应用层协议部分，特别是HTTP协议的性能优化。
  • Tutorial 2, Problem 3：DNS缓存和查询时间的计算。
    • 归类：属于应用层协议部分，特别是DNS协议的缓存机制和查询效率。

第三部分：传输层协议

• 内容：TCP和UDP协议，包括可靠传输、流量控制、拥塞控制等。
• 作业：
  • Tutorial 3, Problem 1：GBN协议的窗口和ACK字段分析。
    • 归类：属于传输层协议部分，特别是GBN协议的机制分析。
  • Tutorial 3, Problem 2：比较GBN、SR和TCP协议在丢包情况下的表现。
    • 归类：属于传输层协议部分，特别是不同协议的性能比较和机制分析。

第四部分：网络层协议

• 内容：IP协议、路由协议、子网划分等。
• 作业：
  • Tutorial 4, Problem 1：最长前缀匹配的路由表分析。
    • 归类：属于网络层协议部分，特别是IP路由和最长前缀匹配机制。
  • Tutorial 4, Problem 2：多子网的IP和MAC地址分配及数据包传输步骤。
    • 归类：属于网络层协议部分，特别是IP地址分配和数据包传输过程。
  • Tutorial 4, Problem 3：移动IP场景下的网络层基础设施需求。
    • 归类：属于网络层协议部分，特别是移动IP和路由机制。

第五部分：链路层协议

• 内容：链路层服务、以太网、无线局域网等。
• 作业：
  • Tutorial 5, Problem 1：视频流的播放和缓冲区管理。
    • 归类：属于链路层协议部分，特别是数据传输和缓冲区管理。
  • Tutorial 5, Problem 2：令牌桶算法的模拟。
    • 归类：属于链路层协议部分，特别是流量控制机制。
  • Tutorial 5, Problem 3：无线网络中的窗口大小计算。
    • 归类：属于链路层协议部分，特别是无线网络中的流量控制。

第六部分：无线与移动网络

• 内容：无线链路特性、移动性管理、3G/4G/5G网络等。
• 作业：
  • Tutorial 6, Problem 1：身份认证和中间人攻击。
    • 归类：属于无线与移动网络部分，特别是安全机制和身份认证。
  • Tutorial 6, Problem 2：消息认证码的时间戳机制。
    • 归类：属于无线与移动网络部分，特别是消息完整性和认证机制。

飞鸿踏雪泥