计算机网络
2023-03-27 09:18:39 0 举报AI智能生成
计算机网络
作者其他创作
大纲/内容
网络概述
网络性能
速率
bit/s bps
带宽
信号具有的频带宽度
吞吐率
单位时间内通过每个网络（信道、接口）的实际数据量
时延
发送时延
传播时延
处理时延
排队时延
时延带宽积
往返时间RTT
协议与层次划分
OSI
应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、网络接口层
TCP/IP四层协议
应用层、运输层、网际层、网络接口层
五层协议
应用层、运输层、网络层、数据链路层、网络接口层
协议
数据单元
报文message、报文段、分组（包、数据报、IP数据报）、帧(framing)、比特流（码元）
物理层
信道
基带信号处理
基带信号、调制、编码、载波、带通调制、带通信号
码元 编码方式
不归零制
归零制
曼切斯特
差分曼切斯特
带通调制
调幅AM、调频FM、调相PM,<正交振幅调制>
信道极限容量
奈式准则
香农公式
信道复用
频分复用FDM
时分复用TDM
码分复用CDM、码分多址CDMA
统计时分复用STDM
波分复用WDM
宽带接入技术
ADSL
HFC网
FTTx技术
数据链路层
封装成帧
差错检测
可靠传输
停止-等待协议
回退N帧协议
选择重传协议
点对点协议 PPP
媒体接入控制
静态划分信道
随机接入
CSMA/CD
CSMA/CA
MAC
APR 地址解析协议
通过IP地址、广播的方式问询MAC地址
路由表配置、自动获取路由配置
APR表存储IP地址与MAC地址关系，可变
特殊以太网帧、0806帧类型
交换机
自学习和转发帧
生成树协议 STP
MAC地址表
虚拟局域网VLAN
基于交换机实现
IEEE 802.1Q帧（Dot One Q帧）
VLAN标记的标识符VID:取值范围1~4094
交换机收到普通以太网帧时，插入4字节VLAN标记；转发时删除VLAN标记，变成普通以太网帧
交换机端口类型
Access
连接用户计算机，属于同一vlan,pvid与所有vlan的ID的相同,添加vlan标签,再转发
Trunk
交换机或路由器之间连接，去标签，再转发
Hybrid
存在标签则去标签转发，不存在标签直接转发
缺省VLAN ID
思科：本征vlan(Native VLAN)；华为：端口VLAN ID(PVID)
网络层
主要问题
向运输层提供可靠、不可靠传输
网络层寻址问题
路由选择问题
路由表
实现主机间通信
TCP/IP协议栈《因特网》
应用层
HTTP、FTP、SMTP
运输层
TCP、UDP
网际层
IP、ARP<地址解析协议>、IGMP<网际组管理协议>、ICMP<网际控制报文协议>
网络接口层
两种服务
虚拟电路服务
通信由网络来保证、建立网络连接层、使用虚拟电路，按序到达、可靠
数据报服务
通信由主机来保证、无需建立网络层连接、终点的完整地址、通过不同的路由表、无法按序、不可靠
IPV4
internet上的每一台主机（路由器）分配一个唯一的32位标识符
编址方法
分类编址
A，B，C，网络号、主机号,共4字节
A类：网络号1字节;B类：网络号2字节;C类：网络号3字节
划分子网的IPv4
子网掩码区分主机号借用了几比特划分
区分子网的广播、网络地址，子网可用IP地址，前提需要确定IP地址分类
默认子网掩码：A类255.255.255.0；B类：255.255.0.0；C类：255.0.0.0
无分类地址
CIDR地址块
最小、最大地址
地址块数量
地址块聚合网络
地址掩码
表示128.14.35.7/20,网络号前20比特，主机号后12比特
路由聚合《构造超网》
路由表聚合，减少路由表压力，取共同前缀
网络前缀越长，地址块越小，路由越具体
最长前缀匹配：路由查表分组转发时发现多条路由可选，选择最长前缀
应用
定长子网掩码FLSM
每个子网掩码数量相同，IP地址浪费
变长子网掩码FLSM
根据需求IP地址数量匹配子网掩码
IP数据报
发送与转发
主机发送、路由器转发
根据路由表发送
冲突域、广播域隔离
网桥、交换机隔离冲突域
路由器隔离广播域和冲突域
静态路由配置
问题：路由环路，错误聚合网络
添加黑洞路由：将数据报丢弃
IPv4数据报首部格式
20字节固定部分
第一个4字节
0-4版本号，4-8首部长度（取值5-15），8-16区分服务等级质量，16-31总长度（65535长度）
第二个4字节
0-16标识，16-19标志，19-31片偏移
用于数据报分片，（最大传输单元MTU）
第三个4字节
0-8生存时间（TTL值：决定转发或丢弃），8-16协议，16-31首部检验和（检错码）
协议字段值：ICMP=1，IGMP=2,TCP=6,UDP=17,IPv6=41,OSFP=89
第四个4字节
源ip地址
第五个4字节
目的ip地址
40字节可变部分
长度1到40个字节不等，填充字段确保首部字节数为4的整数倍，用来支持排错、测量等安全措施
ICMP网际控制报文协议
差错报告报文
差错：终点不可达（13种）、源点抑制、超时、参数问题、重定向
询问报文
应用
分组网间探测PING(packet internet groper)
跟踪路由
windos:tracert unix:traceroute
逐一询问，返回路由信息
路由协议
静态路由协议
动态路由协议
内部网关《路由》协议IGP
基于距离向量
路由信息协议RIP
相邻路由交换、最少路由路线、周期性更换、分包格式。定时时长
内部网关路由协议IGRP
思科早期私有协议，EIGRP代替
基于链路状态
开放式最短路径优先OSPF
SPF算法计算路由、基于链路、链路状态数据库：记录链路状态通告
问候分组
数据库描述分组
链路状态请求分组
链路状态更新分组
两路状态确认分组
分区域划分网络，减少路由表交换
减少交换信息，选举指点DP\BDR，建立邻居关系；与生成树协议类似
回送请求报文、时间搓请求和回答（时钟同步、测量时间）
中间系统到中间系统IS-IS
集成化IS-IS是ISP骨干网最常用的IGP协议
混合
增强型内部网关协议EIGRP
外部网关《路由》协议EGP
边界网关协议BGP
度量：时延、带宽、距离
BGP发言人、建立会话，交换路由信息、构造树形结构图
打开、更新、保活、通知报文
路由器
路由选择
路由选择处理机
根据路由选择协议，周期性的与其他路由器交互更新路由表
分组转发
交换结构、出入端口、输出端口
查表转发，根据分组内容
转发表由路由表得出最优路径
虚拟专用网络VPN、网络地址转换NAT
Virtual Private Network
内部局域网IP为私有地址；外部访问需要封装私有IP加密后添加全球IP的地址访问，接收反之
VPN隧道
Network Address Transation
Nat路由器，将私有地址转换为全球IP地址,并转发数据报，接收通过查找Nat转换表，修改目的地址
问题:同时传输时，Nat路由的全球IP个数决定并行传输的数量
传输协议为TCP\UDP，可以使用IP加端口号的方式传输转换技术为网络地址与端口号转换NAPT(Network Address Port Translation)
运输层
进程间通信、端到端协议；使用不同端口号表示不同进程通信，进程标识符PID不统一，使用端口号标识 0-65535
运输层端口号
熟知端口0-1023；登记端口1024-49151；短暂端口号：49152-65535
IP地址发送复用，接收分用
用户数据报UDP
支持单播、多播、广播
UDP报文首部
源端口、目的端口、长度、检验和
面向应用报文
应用IP电话、视频会议
传输控制协议TCP
TCP报文首部格式
20字节固定部分
0~3字节
0~15位：源端口，16~31位：目的端口，
4~7字节
序号：数据字节是有序号的
8~11字节
确认号：表明n-1序号的数据都也接受
12~15字节
0~3位：数据偏移表示首部长度5~15，以四字节为单位则首部长度20~60，保留，10位：URG（紧急标志）,11位：ACK（确认位）,12位：PSH（推送标志），13位：RST（复位标志位）,14位：SYN（同步序号），15位：FIN（终止位），16~31位:窗口大小
16~19字节
0~15位：检验和，16~31位：紧急指针
40字节可变部分
选项（可变长度）和填充
最大报文段长度MSS
TCP报文段数据载荷部分的最大长度
窗口扩大
为了扩大窗口（提高吞吐率）
时间搓
计算往返时间RTT、处理序号超范围的情况（防止序号绕回PAWS）
选择确认
实现选择确认功能
流量控制
面向字节流、滑动窗口方式、限定窗口大小
拥塞控制
网络中某一资源的需求超过所提供的部分，从而网络性能变坏
拥塞控制算法
慢开始
cwnd拥塞窗口、swnd（窗口大小）=cwnd、ssthresh慢开始门限
cwnd初始倍数增长，当cwnd=ssthresh后每次加一
拥塞避免
发生后，ssthresh=swnd/2，cwnd=1，重新慢开始
快重传
误认拥塞，尽快恢复重传，收到3个连续的重复确认后确认不是拥塞，立即执行快恢复算法
快恢复
设置ssthresh=swnd/2，cwnd=cwnd/2+3
3个确认报文已发送被接收，所以cwnd扩大3个
超时重传时间RTO
往返时间RTT
RTO略大于RTT才能被确认超时
测量RTT之RTT样本时间不确定
加权平均往返时间RTTs
RTTs1 = (1-&)+RTTs +&*RTT1
&取值0.125
RFC6298计算超时重传时间RTO
RTO = RTTs + 4*RTTd
RTT偏差的加权平均RTTd
测量RTT之超时重传，错误RTT样本
造成RTO值偏大，影响传输效率
Karn算法
出现超时重传时，RTO1 = 2 * RTO0
可靠传输
基于字节为单位的滑动窗口来实现可靠传输
收到确认窗口移动
按序到达
累计确认、捎带确认机制
连接
建立
三次握手：服务器一直监听，客户端发送连接请求，服务器接收同步请求并发送确认，客户端连接建立发送连接请求确认
问题 1、确认双方存在
问题2：双发协商参数（窗口值、窗口扩大选项和时间搓、服务质量）
问题3：运输实体资源（缓存大小、连接表中的选项）进行分配
释放
四报文挥手：客户端发送终止等待1，服务器发送普通确认报文，客户端发送终止等待2，服务器进程最后确认（关闭服务器到客户端）
应用层
结构
C/S 客户端服务器结构
P2P对等方式
超文本传输协议http
面向事务、无连接、无状态、非持续链接
Http/1.1 非流水线方式和流水线方式
减少往返时间RTT
代理服务器（校园网）
把最近的一些请求和响应缓存到本地，当新的请求到达时，与缓存的资源相同时则不需要请求互联网资源
报文类型
请求报文
请求行
host
connection
user-agent
accept-language
cache-control
content-length
content-type
Date
pragma
server
响应报文
动态主机配置协议DHCP
文件传输协议FTP
域名系统DNS
电子邮件
RTP
无线网络和移动网络
无线局域网组成WLAN
IEEE 802.11（Wi-Fi 无线保真度）
最小构建
基本服务集BSS（basic service set）
由一个基站和若干个移动站组成
接入AP即基站：分配服务集标识符SSID(service set IDentifier)即无线局域网的名字和一个信道
覆盖区域：基本服务区BSA
移动站与AP建立关联
被动扫描
移动站等待接收，AP周期性发出信号帧（服务集标识符、支持速率等）
主动扫描
移动站主动发出探测请求帧PRF(probe request frame),等待AP返回探测响应帧
分配系统DS(distribution System)
构成扩展服务集ESS
加密方案
WEP 有线等效的保密
WPA（WiFi Protected Access） 无线局域网受保护的接入
WPA2是802.11n强制执行的加密方案
802.11局域网物理层
802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.11ad、802.11ac、802.11ah
MAC
CSMA/CA
移动用户
移动用户路由选择
互联网上的音频/视频服务
媒体服务器
实时流式协议RTSP
IP电话
实时传输协议RTP
实时传输控制协议RTCP
H.323
会话发起协议SIP
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