高速网络原理复习

2019-02-23  本文已影响0人  毕安

题型：

1.选择（20题*1=20分）

2.简答题（4题 7+7+7+9=30分）

3.详述题（5题*10=50分）

简答题：

GSM网络架构功能（MSC HLR），组件功能描述 （lecture 4）

QoS模型（目前有哪些模型（两种），并做简要介绍）（lecture 8）

云计算（GFS工作原理）（lecture 12）

智能家庭网络（UPnP协议集）（lecture 11）

无线局域网安全措施（WEP PSK）（lecture 3.1）

智慧城市：GPS和北斗原理、区别（lecture 16）

综述题：

移动通信网络GSM安全架构，安全手段，不足（lecture 4）

能源互联网基础体系结构及其描述（lecture 10）

MapReduce并行分布式计算工作原理（举例讲解）（lecture 13）

列举8种数据分析的算法，详述3种原理（lecture 13）

区块链（技术原理，应用场景）（lecture15）

软件定义网络（SDN） 体系结构及其介绍

NFV与SDN有什么关系？如何融合？（lecture 9）

其余各章会有选择题

1、GSM网络架构功能（MSC HLR），组件功能描述（lecture 4）


MS- Mobile Station (移动台)

BSS-Base Station System (基站系统)

BTS-Base Transceiver Station (基站收发台）可把它看成是一个无线解调器。简单的说，它也是一个天线，接收手机发出的信号，同时也向手机发出信号。它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。

BSC-Base Station Controller (基站控制器)具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点BSC通过BTS和MS来管理信道的分配，释放及切换。一个BSC一端连接着几个BTS,另一端连接MSC。BSC和BTS合起来叫基站子系统。

MSC-Mobile Switching Center (移动业务交换中心)移动业务交换中心，

它是GSM网络的心脏，主要功能是协调呼叫GSM用户和来自GSM用户的呼叫。

同时，它通过一些设备和其它网络相连，例如与固定电话相连。

OMC-Operations and Maintenance Center(操作与维护中心)对整个GSM网路进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。

NMC-Network Management Center (网络管理中心)

AUC-Authentication Center (鉴权中心)鉴权中心,它是HLR功能的一部份，它的作用是检测用户的权限和判断用户是否是合法的用户。

HLR-Home Location Register (归属位置寄存器)存储管理部门用于移动客户管理的数据，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由。

VLR-Visitors Location Register (来访位置寄存器)来访位置寄存器,是一个数据库，是存储MSC,为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息。

EIR-Equipment Identity Register (设备标识寄存器)存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。

PSTN-公共电话交换网


2、QoS模型（目前有哪些模型（两种），并做简要介绍）（lecture 8）

QoS（Quality of Service）即服务质量。对于网络业务，服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等，在网络中可以通过保证传输的带宽、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量。

目前的两种主要模型如下：

Int-Serv模型(集成服务)：Int-Serv 是一个综合服务模型，它可以满足多种QoS 需求。该模型使用资源预留协议（RSVP），RSVP 运行在从源端到目的端的每个设备上，可以监视每个流，以防止其消耗资源过多。这种体系能够明确区分并保证每一个业务流的服务质量，为网络提供最细粒度化的服务质量区分。但是，Inter-Serv 模型对设备的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，设备的存储和处理能力会遇到很大的压力。Inter-Serv 模型可扩展性很差，难以在Internet 核心网络实施。

Diff-Serv模型(差分服务)： DiffServ是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS需求，与IntServ不同，它不需要使用RSVP即应用程序在发出报文前，不需要通知路由器为其预留资源，对DiffServ服务模型，网络不需要为每个流维护状态，它根据每个报文指定的QoS 来提供特定的服务可以用不同的方法来指定报文的QoS，如IP报文的优先级位( IP Precedence) ，报文的源地址和目的地址等，网络通过这些信息来进行报文的分类、流量整形、流量监管和队列调度。

区分式QoS模型中定义的行为有两大类：

(1) TCB：traffic classification and conditioning，流量的区分和调节

(2) PHB：per-hop behavior，逐跳行为

Diff-Serv模型中QoS功能包括流分类和标记、流量监管、流量整形、拥塞管理和拥塞避免

3、云计算（GFS工作原理）（lecture 12）

设计思路:

(1) 将文件划分为若干块（Chunk）存储。

每个块固定大小（64M）

(2) 通过冗余来提高可靠性。

每个数据块至少在3个数据块服务器上冗余

(3) 通过单个master来协调数据访问、元数据存储。

结构简单，容易保持元数据一致性

(4) 无缓存

架构：单一Master, 若干ChunkServer

GFS读过程：

1、client根据文件名、byte offset以及chunk size计算出要读取的文件的chunk index
2、client通过文件名、chunk index向master查询chunk的分布 3、master回复chunk handler以及副本分布 4、client 缓存chunk的meta信息，key由文件名和chunk index组成 5、client从chunk的分布信息中查找距离自己最新的chunkserver，并发送查询请求。查询请求中包括chunk hander以及byte range。后续对相同chunk的查询不需要再次向master查询meta信息，因为client已经缓存了meta信息。

4、智能家庭网络（UPnP协议集）（lecture 11）

概念：通用即插即用 (UPnP) 是一种用于 PC 机和智能设备（或仪器）的常见对等网络连接的体系结构，尤其是在家庭中。UPnP 以 Internet 标准和技术（例如 TCP/IP、HTTP）为基础，使这样的设备彼此可自动连接和协同工作，从而使网络（尤其是家庭网络）对更多的人成为可能。

5、无线局域网安全措施（WEP PSK）（lecture 3.1）

就目前而言，有很多种无线局域网的安全技术，包括物理地址( MAC )过滤、服务区标识符(SSID)匹配、有线对等保密(WEP)、端口访问控制技术(IEEE802.1x)、WPA (Wi-Fi Protected Access)、IEEE 802.11i等。

通常网络的安全性主要体现在访问控制和数据加密两个方面。访问控制保证敏感数据只能由授权用户进行访问，而数据加密则保证发送的数据只能被所期望的用户所接收和理解。

Ø 物理地址( MAC )****过滤

每个无线客户端网卡都由唯一的48位物理地址(MAC)标识，可在AP中手工维护一组允许访问的MAC地址列表，实现物理地址过滤。

Ø 服务区标识符 ( SSID ) 匹配

无线客户端必需设置与无线访问点AP相同的SSID ，才能访问AP;如果出示的SSID与AP的SSID不同，那么AP将拒绝它通过本服务区上网。利用SSID设置，可以很好地进行用户群体分组，避免任意漫游带来的安全和访问性能的问题。

Ø 有线对等保密(WEP)

WEP是IEEE802.11b协议中最基本的无线安全加密措施。WEP提供3个方面的安全保护：数据机密性、数据完整性、以及访问控制。在IEEE802.11中，定义了WEP来对无线传送的数据进行加密，WEP的核心是采用的RC4算法。WEP加密采用静态的保密密钥，各WLAN终端使用相同的密钥访问无线网络。WEP也提供认证功能，包括: 开放系统认证、共享密钥认证。

Ø 新一代无线安全技术——IEEE802.11i

IEEE 802.11i标准草案中主要包含加密技术：TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) 和 AES（Advanced Encryption Standard），以及认证协议：IEEE802.1x。

在 IEEE 802.11i 标准最终确定前，WPA（WiFiTM Protected Access）技术将成为代替WEP的无线安全标准协议，为IEEE 802.11 无线局域网提供更强大的安全性能。

WPA是IEEE802.11i的一个子集，其核心就是IEEE802.1x和TKIP。

Ø PSK****模式

预共享密钥模式（pre-shared key，PSK， 又称为个人模式）是设计给负担不起 802.1X 验证服务器的成本和复杂度的家庭和小型公司网络用的，每一个使用者必须输入密语来取用网络，而密语可以是 8 到 63 个ASCII字符、或是 64 个16位数字（256位元）。安全性是利用密钥导出函数来增强的，然而使用者采用的典型的弱密语会被密码破解攻击。

6、智慧城市：GPS和北斗原理、区别（lecture 16）

GPS：Gps设备接收到gps卫星发射的信号，基于这种信号，gps设备可以推算出它与每颗卫星之间的距离、卫星位置等信息，进而推算出设备的位置，而通过不断更新接收信息，就可以计算出gps设备移动的方向和速度

北斗：北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。

区别：GPS只能导航，无法通信；北斗增加了密语通信功能，和手机的消息一样，可以进行通信，并且一机一秘，一次一密，保证了通信的可靠性。

7、移动通信网络GSM安全架构，安全手段，不足（lecture 4）

GSM的安全架构里面包括有SIM卡安全、GSM用户身份保密、GSM设备识别、GSM鉴权、GSM加密技术。

SIM卡自我保护措施：

不足（GSM安全分析）：

  1. 认证方案缺陷

只有用户认证，没有网络认证，不能避免基站伪装；

安全性依赖于私钥Ki的安全性；

  1. 加密方案缺陷

加密不是端到端的，只是无线信道部分，在其他信道容易被截获；

没有考虑数据完整性；

密钥太短，密钥生成算法固定，该算法已可被快速破解；

  1. TMSI安全问题

移动台第一次注册和漫游时，仍需要明文发送IMSI；

访问位置寄存器中与用户有关数据丢失时，网络端要求用户发送IMSI以获得用户真实身份；

8、能源互联网基础体系结构及其描述（lecture 10）

能源互联网的体系由下至上可以分为能源层、网络层和应用层，如图所示

能源层：主要是进行能源的生产、转换、传输和利用，包括化石燃料的发电、清洁可再生能源的多能转化、电力利用等；

网络层：主要是通过广域布局的智能传感进行能源相关数据的采集和传输，利用互联网技术，实时获取海量数据；

应用层：主要是利用大数据、云计算、人工智能等技术进行能量信息的数据共享，主要包括能源设备的运行状态和各能源系统的实施运转状况等，主要实现途径是对海量数据信息进行分析和处理，从而搭建能源交易平台来对各种能源交易进行数据支撑，承担能源互联网的信息采集、管理方案、能源交易等方面的运行工作。

9、MapReduce并行分布式计算工作原理（举例讲解）（lecture 13）

MapReduce有两个核心步骤：map与reduce，Map可以理解为初略归类，Reduce可以理解为精简结果得到最终结果。

案例：单词记数问题(Word Count)

给定一个巨大的文本（如1TB），如何计算单词出现的数目？

使用MapReduce求解该问题

(1) 定义Map和Reduce函数

(2)使用MapReduce求解该问题

Step 1: 自动对文本进行分割，形成初始的<key,value>对

Step 2:在分割之后的每一对<key,value>进行用户定义的Map进行处理，再生成新的<key,value>对

Step 3:对输出的结果集归拢、排序(系统自动完成）

Step 4:通过Reduce操作生成最后结果

10、列举8种数据分析的算法，详述3种原理（lecture 13）

C4.5、K-Means算法、支持向量机（SVM）、最大期望算法（EM）、PageRank、AdaBoost、K最近邻分类算法（KNN）、朴素贝叶斯模型、分类回归树算法（CART）、Apriori 算法

C4.5（构造一颗决策树，用于分类）

实质上其遵循一种统一的递归模式：即，首先用根节点表示一个给定的数据集（比如在这，就是我们的14个样本）；然后，从根节点开始在每个节点上测试一个特定的属性，把节点数据集划分成更小的子集（这一步，比如根据属性Outlook划分，可以划分出三个子集出来，即属于Sunny的一个子集样本，属于Overcast的子集样本，属于Rainy的子集样本），该子集并用子树进行表示；该过程就开始一直进行，直到子集称为“纯的”,也就是说直到子集中的所有实例都属于同一个类别，树才停止生长。

K-Means（无监督分类）

k-means算法是一种简单的迭代型聚类算法，采用距离作为相似性指标，从而发现给定数据集中的K个类，且每个类的中心是根据类中所有值的均值得到，每个类用聚类中心来描述。

K-means是一个反复迭代的过程，算法分为四个步骤：

1）选取数据空间中的K个对象作为初始中心，每个对象代表一个聚类中心；

2）对于样本中的数据对象，根据它们与这些聚类中心的欧氏距离，按距离最近的准则将它们分到距离它们最近的聚类中心（最相似）所对应的类；

3） 更新聚类中心：将每个类别中所有对象所对应的均值作为该类别的聚类中心，计算目标函数的值；

4）判断聚类中心和目标函数的值是否发生改变，若不变，则输出结果，若改变，则返回2）。

SVM

Apriori

EM

PageRank

AdaBoost

kNN（有监督分类）

KNN算法的思想总结一下：就是在训练集中数据和标签已知的情况下，输入测试数据，将测试数据的特征与训练集中对应的特征进行相互比较，找到训练集中与之最为相似的前K个数据，则该测试数据对应的类别就是K个数据中出现次数最多的那个分类，其算法的描述为：

1）计算测试数据与各个训练数据之间的距离；

2）按照距离的递增关系进行排序；

3）选取距离最小的K个点；

4）确定前K个点所在类别的出现频率；

5）返回前K个点中出现频率最高的类别作为测试数据的预测分类。

Naïve Bayes

CART

11、区块链（技术原理，应用场景）（lecture15）

简单地说，区块链就是不再依赖中心化的记账，而是通过一种密码学计算让全网节点随机争夺记账权，争夺到记账权的节点就会被奖励比特币，而记完后的账本发布给全网所有节点保存。

原理：

（1）区块+链

从技术上来讲， 区块是一种记录交易的数据结构，反映了一笔交易的资金流向。

系统中已经达成的交易的区块连接在一起形成了一条主链， 所有参与计算的节点都记录了主链或主链的一部分。每个区块由区块头和区块体组成， 区块体只负责记录前一段时间内的所有交易信息，主要包括交易数量和交易详情； 区块头则封装了当前的版本号、 前一区块地址、时间戳（记录该区块产生的时间，精确到秒）、随机数（记录解密该区块相关数学题的答案的值）、当前区块的目标哈希值、 Merkle 数的根值等信息。 从结构来看，区块链的大部分功能都由区块头实现。概括来看，一个区块包含以下三部分： 交易信息、前一个区块形成的哈希散列、随机数。

交易信息是区块所承载的任务数据， 具体包括交易双方的私钥、 交易的数量、 电子货币的数字签名等； 前一个区块形成的哈希散列用来将区块连接起来， 实现过往交易的顺序排列； 随机数是交易达成的核心， 所有矿工节点竞争计算随机数的答案，最快得到答案的节点生成一个新的区块， 并广播到所有节点进行更新， 如此完成一笔交易。

（2） Merkle 树

Merkle 树是一种哈希二叉树，使用它可以快速校验大规模数据的完整性。在区块链网络中， Merkle 树被用来归纳一个区块中的所有交易信息， 最终生成这个区块所有交易信息的一个统一的哈希值， 区块中任何一笔交易信息的改变都会使得 Merkle 树改变。

（3）核心技术之：共识机制

就是所有分布式节之间怎么达成共识，通过算法来生成和更新数据，去认定一个记录的有效性，这既是认定的手段，也是防止篡改的手段。以比特币为例，采用的是“工作量证明”（Proof Of Work，简称POW）。工作量是需要算力的，通过工作量证明，有效的防止了篡改和伪造，因为如果要达到伪造和篡改的工作量，大概需要上亿元成本跟的算力。

应用场景：

  1. 区块链1.0应用：数字货币（比特币）

  2. 区块链2.0应用：智能合约+数字货币，例如：跨境支付、反洗钱、证券发行与交易、数字化资产等。

  3. 区块链3.0应用：扩展到金融行业以外其他行业

  4. 隐私数据存储：区块链的高冗余存储、去中心化、高安全性和隐私保护等特点，使其特别适合存储和保护重要隐私数据。

  5. 防伪溯源：善款进入系统后，整个生命周期都将记录在区块链上，没有人工拨付等环节，每一笔款项的去向很难人工更改。这样就可以促进公益捐款全过程的开放和透明。

  6. 身份认证：区块链数字身份识别证书

  7. 能源管理：去中心化网络，让网内用户在其屋顶太阳能发电超过需求时，可卖给社区的邻居，可以彼此互通有无，并以区块链虚拟货币来结算。

  8. 投票：开源在线投票。

12、软件定义网络（SDN）体系结构及其介绍。NFV与SDN有什么关系？如何融合？（lecture 9）

SDN概念：

SDN（软件定义网络）是一种新兴的控制与转发分离并直接可编程的网络架构。它将传统网络设备紧耦合的网络架构拆分为应用、控制、转发三层分离的架构。

SDN体系架构：

可以分为三层，由下到上（或者从南向北）分为数据平面层、控制平面层和应用层；数据平面层与控制平面层之间利用SDN控制数据平面接口（南向接口）进行通信，目前主要采用OpenFlow协议。控制平面层与应用层之间由SDN北向接口负责通信。其中，数据平面层由交换机等各种网络元素组成，控制平面层包含逻辑中心的控制器，负责运行控制逻辑策略，维护全网视图；应用层则包含着各类基于SDN的网络应用。SDN的体系结构可以用下图描述。

NFV：

即网络功能虚拟化，Network Function Virtualization。通过使用x86服务器等通用性硬件以及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。

SDN与NFV关系：

互不依赖，自成体系；相互补充，相互融合

SDN + NVF —— 网络安全架构新思路

SDN（Openflow、Overlay）

(1) 为现有的网络设备提供网络“自动化功能”；

(2) 通过Controller可以实现对整个网络转发策略的“统一快速部署”；

(3) 解决传统安全部署时的“拓扑依赖”问题；

NFV提供自动部署（以及不需要时删除）虚拟网络设备的能力

(1) 虚拟设备包括虚拟交换机和路由器、杀毒、入侵检测及/或防御设备、防火墙、负载均衡等。

(2) NFV提供了安全设备的“弹性扩展”及“快速交付”能力；

补充：VC****如何建立路径（第一次老师有提到，第二次没提到）（lecure2 P32****开始）

为什么分组不在沿其路径的各个链路上保持使用同一个VC****号？

其答案是两方面的。

一方面，通过从一个链路到另一个链路替换VC号，VC字段的长度缩短了。

更为重要的另一方面是，通过允许沿一个VC的路径给各个链路使用不同的VC号，网络管理功能得以简化。具体地说，该路径上的每个链路可以独立于其他链路选择一个VC号。要是强求沿同一路径的所有链路使用一个公共的VC号，那么该路径上的各台交换机为在给相应连接采用的VC号上达成一致，将不得不互换并处理大量的消息。

另外，虚电路网络的交换机还必须给正在进行中的每个连接维护状态信息(state information)。具体地说，每当建立一个跨越某台交换机的新连接时，该交换机的VC号转换表中就得增加一个新的连接表项；每当释放一个连接时，它所跨越的交换机就得从其VC号转换表中删除一个对应的表项。注意****:即使没有VC号转换，交换机仍有必要维护使VC号与接口号相关联的状态信息。

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