计算机网络 - 3 ing
2021-08-25 20:24:10 30 举报AI智能生成
计算机网络
作者其他创作
大纲/内容
网络层
概述和功能
主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务
功能
路由选择 和 分组转发
异构网络互联
连接使用不同协议的局域网
拥塞控制
如果所有节点都来不及接收分组，而要抛弃大量分组，网络就处于拥塞状态
解决方法
开环控制：在网络开始工作前就尽量解决会产生拥塞的节点
闭环控制：在网络开始工作后动态解决拥塞的方法
转发（发生在路由器内部）
深入硬件结构
路由器
转发表
网络层协议
IP、ARP、DHCP、ICMP
IPv4 分组
网络层编址
基本编址形式
子网划分与子网掩码
CIDR
网络地址转换 NAT
IPv6
移动 IP
路由选择（发生在路由器外部）
路由选择算法
静态路由
动态路由
距离向量路由算法
路由状态路由算法
路由选择协议（层次路由）
自治系统内 IGP
RIP、OSPF
自治系统间 EGP
BGP
IP 组播
路由算法和路由协议
按使用时机来看
静态路由算法（非自适应）
动态路由算法（自适应）
距离向量路由算法（RIP）
使用距离向量算法，不断更新、“收敛”路径，路由器只掌握物理相连的邻居及链路费
每 30s 和相邻的路由器交换一次信息，并更新路由表
180s 内没有交换过信息的路由器会被视为不可达
180s 内没有交换过信息的路由器会被视为不可达
RIP 协议属于应用层协议，其传输层用 UDP
链路状态路由算法（OSPF）
所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。具有全局性，适合大型网络用
路由器向 AS 内其他路由器泛洪式广播自己的详细路由表，直到 AS 内其他路由器都拥有自己的详细路由表
只有链路发生变化时才需要进行泛洪式广播；每 30 min 刷新一次数据库中的链路状态
使用 OSPF 的 AS 内还可把 AS 内部划分成多个区域
OSPF 协议属于网络层协议，因传输数据流量大，所以不用传输层协议，直接用 IP 协议
自治系统 AS
自治系统内部的网络结构和协议实现均可自行实现且不对外暴露
一个自治系统内包含很多局域网
按使用位置来看
内部网关协议 IGP
一个 AS 内使用的 RIP、OSPF
外部网关协议 EGP
AS 之间使用的 BGP
AS 的 BGP 边界路由器使用距离向量算法实现网络拓扑的建立
支持 CIDR
BGP 协议属于传输层协议。因其重要性，需要可靠性传输，因此传输层用 TCP
IP 协议
IP 数据报
IP 数据报格式。如果 IP 数据包过长会被分片为若干个 IP 分组
IP 数据报分片
以太网的 MTU 是 1500 字节。如果 IP 数据报 > 1500 字节且主动拒绝分片，数据包无法向下传递，就会返回 ICMP 差错报文
IP 协议通过 IP 分组中的“标识”“标志”“片移量”控制分组的序号
IPv4 和 地址分类
ABCDE 分类 IP 地址
子网掩码和子网划分
建立在分类地址的基础上，对外还是两级 IP 地址
即对外还是只有网络号+主机号
即对外还是只有网络号+主机号
无分类编址 CIDR
无分类的子网划分编址技术
超网：合并路由表表项。从逻辑上看就像若干个网络组成了一个更大的网络
路由器表项中，去网络1和网络2都需要通过接口1，则合并两个表项
最长匹配前缀
用具体的 IP 地址匹配路由表中表示网络的 IP 地址时，以匹配到的最长的网络为准
特殊 IP 地址
私有 IP 地址。规定这些地址是私有地址，互联网中的路由器不识别这些地址
网络地址转换（NAT）
了解即可
网络层的几个重要协议
ARP
作用
发送方向发送分组，但不知道目标的 MAC 地址时，根据 IP 地址获取目标的 MAC 地址
原理
已知目标 IP 地址，发送 ARP 广播分组，目标返回 ARP 单播报文
工作流程
先向本网络发送 ARP 广播分组，如果目标不在本网络。再向默认网关发送分组，由路由器向其他网络转发 ARP 广播分组
补充
交换机没有 MAC 地址，主机和路由器的端口才有 MAC 地址
中间设备和主机用 ARP 高速缓存保存 MAC - IP 地址映射表
DHCP 协议
作用
刚入网主机的向网络中的 DHCP 服务器请求分配 IP 地址，并被所属网络管理
IP 分配策略
静态分配
即手动分配
动态分配
1. 主机广播 DHCP 发现报文，（要 IP 地址）DHCP 服务器返回提供报文（给 IP 地址，预分配）
2. 主机广播 DHCP 请求报文（请求使用此 IP 地址），DHCP 服务器返回确认报文（表示同意，正式分配）
ICMP 协议
作用
报告数据传输中出现的异常和错误
报文分类
差错报文
询问报文
补充
不对传输 ICMP 差错报文时出现的异常进行报告（不套娃）
IPv6
IPv6 分组报文
略
IPv6 地址
128位，冒号 16 进制记法，可用压缩形式表示
IPv6 基本地址类型
单播地址，多播地址，任播地址（就近选一个主机发数据）
IPv6 to IPv4
双栈协议
隧道技术
IP 组播（也叫多播）
定义
多个主机组成组播组，向指定的组播组发送数据。即向某个主机集合中的所有主机发送数据
工作原理
组播数据发送者进发送一次数据，是点对点的传输
被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后开始复制分发，开始点对多点传输
被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后开始复制分发，开始点对多点传输
组播组
同一个组播组内的主机可以来自不同的物理网络
组播 = 因特网范围内组播（先点对点）+硬件组播（再点对多点）
组播 IP 地址是 D 类地址，链路层报文的目的 MAC 地址是组播地址的映射形成的
组播协议
网际管理协议 - IGMP
作用
使用 IGMP 协议的路由器收到组播分组后能判断自己连接的网络内是否有属于组播组的主机
或者说，IGMP 协议让路由器知道本局域网上是否有主机（的进程）参加或推出了某个组播组
工作原理
某主机想要加入时，向组播组的组播地址发送 IGMP 报文。组播组路由器做记录并用“组播路由选择协议”通知其他组播路由器
组播路由器周期性访问本局域网内的主机，以便知道组播组的成员是否还是活跃的。如果组播组成员不返回响应就会被踢出去
组播路由选择协议
作用
一源主机为根节点，建立组播转发树的网络结构。不同组播组对应不同的组播转发树
树形结构非常适合组播的转发，所以使用组播路由器逻辑上采用树形拓扑
移动 IP
概念
移动设备移动地理位置，但 IP 地址不变
即使用固定的 IP 地址，实现了跨越网段的“漫游”
工作原理
设备使用的地址是 A，设备移动后设备地址改为 B，但原地址 A 为其建立代理进程，设备对外的 IP 地址还是 A
即设备的地址是 B，但设备已知通过代理 A 上网，所以看起来就好像设备的地址还是 A
网络层设备 - 路由器
路由表
由路由选择协议构造，并被不断更新和维护
转发表
基于路由表建立，是转发分组寻找输出接口的依据
作用
隔离冲突域，隔离广播域
一个路由器可以由多个 IP 地址和 MAC 硬件地址
补充
一个存储转发设别实现了某个层次的功能后，它就可以互联两个在该层次上使用不同协议的网段
传输层
传输层概述
位于资源子网，是只有主机才有的层次（因为传输层是进程和进程之间的通信，涉及了软件端口）
功能
提供进程和进程之间的逻辑通信
复用和分用
复用：应用层的所有应用进程都可以通过传输层再传输到网络层
分用：传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程
传输层对收到的报文进行差错检测
补充：套接字
套接字 socket = 主机 IP 地址 + 端口号。套接字唯一标识了网络中的一个主机和它上面的一个进程
UDP 协议
特点
无连接，不保证可靠交付，面向报文（报文长也不主动切分），无拥塞控制（适合实时应用），首部小 - 8B
分用时，如果找不到对应的目标端口号，则返回 ICMP “端口不可达”
校验
发送端发送时，使用伪首部+首部+数据部分计算校验和，并填如校验和字段
接收端接收时，使用校验和字段校验
TCP 协议
特点
面向连接，可靠有序，全双工通信，面向字节流
3 次握手建立，4 次挥手连接
SYN 攻击：用 SYN cookie 解决
可靠传输
通过“伪首部校验”“序号 seq”“确认 ack”“累计确认重传”实现可靠传输
重传超时时间 = 加权平均往返时间
流量控制
滑动窗口实现流量控制
发送端发送窗口大小为 0 后，发送端定时发送”零窗口探测报文“
拥塞控制
慢开始，拥塞避免，快重传，快恢复
应用层
网络应用模型
C/S：客户端&服务器
P2P：点对点模型
应用层协议
DNS
传输层采用 UDP，使用 53 端口
层次域名空间
顶级域名，二级域名，三级域名...
域名服务器
根域名服务器，顶级域名服务器，授权域名服务器，本地域名服务器
域名解析
递归查询（基本不使用）
递归和迭代查询相结合
FTP
传输层采用 TCP，使用 21 端口（控制端口），20 端口（数据端口）
服务端对外有控制进程（接收客户端命令的带外传输）和数据传送进程（用于客户端和服务器传输文件）
SMTP & POP3
电子邮件系统的组成结构
客户代理（邮件发送人&接收人）
邮件服务器（邮件发送方&接收方）
邮件协议
STMP 用于客户端（用户客户端或邮件服务器客户端）向服务器发送邮件
POP3 用于客户端向服务器请求邮件，读取邮件
邮件格式
首部和主题
MIME：定义非 ASCⅡ 码的编码规则，以便传送多媒体数据
SMTP & POP3
SMTP
使用 TCP 协议和 25 端口
通讯双方使用命令和状态码进行通信
POP3
使用 TCP 协议和 110 端口
WWW
计算机网络结构
概述
概念
功能
资源共享
信息传递
发展史
第一阶段：阿帕网->互联网->因特网
第二阶段：三级结构
第三阶段：多层次ISP 结构
组成
组成方式：软件，硬件，协议
工作方式
边缘部分：主机
核心部分：路由器和其他网络
功能组成
资源子网：实现资源共享/数据处理
通信子网：实现数据通信
分类
按分布范围分
广域网 WAN，城域网 MAN，局域网 LAN，个人区域网 PAN
按使用者分
公用网，专用网
按交换技术分
电路交换，报文交换，分组交换
按拓扑结构分
总线型，星型，环型，网状型
按传输技术分
广播式网络，点对点网络
标准化工作及相关组织
标准的分类
法定标准。如：OSI 模型
事实标准。如：TCP/IP 模型
标准化工作流程
RFC 文档
相关组织
ISO，ITU，IEEE，IETF
性能指标
速率，带宽（最高速率），吞吐量（实际速率）
时延
= 发送时延（发送端从开始发送到结束发送） + 传播时延（数据在链路上） + 排队时延（中转设备准备转发） + 处理时延（中转设备处理数据）
时延带宽积
= 传播时延 x 带宽。表示链路上某一时刻链路上最多能跑的数据量
往返时间 RTT
= 传播时延*2 + 处理时延
利用率
信道利用率，网络利用率
体系结构和参考模型
分层架构
协议，接口，服务的概念
实体：每种协议都有各自的实体，属于同一层的实体叫对等实体
协议：语法（规定数据格式） + 语义（规定协议功能，即数据的含义） + 同步（规定分组乱序重排策略）
接口：下层仅向临近的上层提供接口
服务：下层向所有的上层提供服务，供实体使用
SAP：见 P210 —— 数据链路层的 SAP 是 MAC 地址，网络层的 SAP 是 IP 地址，传输层的 SAP 是端口
ISO/OSI 参考模型（7层）
应用层
面向用户
表示层
数据格式转换，加解密，解压缩
会话层
建立，管理，断开会话；校验点/同步点恢复断开的通信
传输层
可靠传输、不可靠传输；差错控制；流量控制；复用分用；分组排序
网络层
路由选择；流量控制；差错控制；拥塞控制
数据链路层
成帧；差错控制；流量控制；访问（接入）控制
物理层
定义接口特性，传输模式，传输速率；比特同步，比特编码
TCP/IP 模型（4层）
应用层
传输层
无连接 + 面向连接
网络层
无连接
网络接口层
常见硬件设备
中继器：最高用于物理层。对信号进行放大和再生，连接两个网段
集线器（多口中继器）：最高用于物理层。对信号进行放大和再生，把信号转发给其他所有设备。冲突式设备
交换机：最高用于数据链路层
路由器：最高用于网络层
物理层
通信基础
基本概念
确定与传输媒体接口有关的特性。比如机械特性，电气特性，功能特性，规程特性
编码与调制
信号
数字与模拟
数字数据
经数据发送器编码编码 = 数字信号
经调制器调制 = 模拟信号
模拟数据
经 PCM 编码器 = 数字信号
经放大器调制器 = 模拟信号
基带与宽带
基带信号：把数字信号01用不同的电压表示，再发送到数字信道上去传输（适合近距离传输）
宽带信号：把基带信号调制后形成的频分复用模拟信号，再传到模拟信道上（适合远距离传输）
编码
数字数据 -> 数字信号
非归零编码：高1低0。无检错，无法判断信号的起始，难以保持同步
曼彻斯特编码：每个码元会有两次脉冲变化，所以数据传输速率只有调制速率的一半
差分曼彻斯特编码
模拟数据 -> 数字信号
PCM 脉码调制：抽样，量化，编码
调制
数字数据 / 模拟数据调制为模拟信号
数据通信基础知识
术语
码元、速率、波特、带宽
数据、信号、信道、信源、信宿
通信方式
单工（1条信道），半双工（2条信道），全双工（2条信道）
数据传输方式
串行，并行
同步，异步
数据交换方式
电路交换
需要建立连接，释放连接。独占资源。采用交换机作为中间设备
报文交换
以报文为单位的数据交换。报文的长度是不定长的。只适用于数字信号
分组交换
数据报方式：无连接服务。分组需要持有序号，目标主机地址等控制信息。存在失序，分组缺失等问题，不适合长报文
虚电路方式：有链接服务。集分组交换和电路交换的优点。在逻辑上建立连接，中间设备维护虚电路表，分组中不需要目标主机等的控制信息
两个公式
失真
信号受内外界影响导致接收端无法正确识别接收到的信号
码间串扰
信号频率过高时，接收端收到的信号波形失去码元之间清晰界限的现象（例如：多个人快速通过时，人眼将数不清通过的人数）
奈氏准则
在理想低通（无噪音，带宽受限）下，计算最高数据传输速率的公式
香农定理
在带宽受限且有噪声的通道中，为了不产生误差，计算的数据传输速率上限值的公式
信噪比用于衡量噪声对信道的影响程度
传输介值 & 设备
导向传输介质
电缆，光缆等固体介质
物理介质
双绞线：便宜，用于局域网和传统电话网。能传模拟信号和数字信号
同轴电缆：贵，抗干扰，传输速率快。基带同轴电缆传基带数字信号，宽带同轴电缆传宽带信号
光纤：抗干扰，抗窃听，经济，数据损耗小。单模光纤适合远距离传输，多模光纤适合近距离传输
非导向传输介质
空气，海水等自由介质
介质
无线电波：信号是全方向传播，穿透性强
微波：信号固定单方向传播（卫星，信号塔）
红外线，激光：信号固定单方向传播
数据链路层
功能概述
封装成帧和透明传输。向网络层提供可靠传输，把物理层的可能出错传输改为逻辑上的无差错传输
封装成帧：给数据加头加尾（包含控制信息，帧同步信息和帧定界符）
组帧方式：字符计数法，字符填充法（添加转义序列），零比特填充法（5110），违规编码法（在物理层用曼彻斯特编码解决帧定界符）
透明传输：对将在物理层传输的数据中的特殊数据进行转义，防止帧中数据部分和控制信息相同
提供“无确认无连接”，“有确认无连接”，“有确认有连接”服务
链路管理：连接的建立，维持和释放
链路：物理通道；数据链路：逻辑通道
差错控制
位错：0变1，1变0
检错编码
奇偶校验码
循环冗余码 CRC
纠错编码
海明码
帧错：重复，丢失，失序帧
定时器，编号机制重传
流量控制
可靠传输
应用
两种链路/信道
点对点（广域网）
广播（局域网）
介质访问控制
静态划分信道
动态划分信道
链路层设备
流量控制与可靠传输
流量控制
信道利用率 = 发送时延 / 发送时延 + RTT + 接收 ACK 时间
信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方发送速率
停止 - 等待协议
相当于 发送窗口大小 = 接收窗口大小 = 1 的滑窗协议
帧丢失，帧出错
ACK 帧丢失
ack 迟到。发送方直接抛弃迟到的 ack 帧
缺点：信道利用率低
滑动窗口协议
GBN（后退N帧）协议
发送窗口 > 1，接收窗口 = 1。帧范围：0~2^n-1，发送窗口范围：1~2^n-1
发送方需要响应的事
上层调用：发送数据前先检查发送滑窗是否已满
累计确认：1 个 ACK 可以表示对端确认接收到了此序号前的所有帧
超时事件：重传当前计时器代表的n号帧及其之后的所有帧
接收方需要响应的事
累计确认
失序等待：按序接收帧，否则丢弃失序帧并返回最近的未失序的帧的 ACK
缺点：发生失序等待后，发送端只能重发所有
SR（选择重传）协议
发送窗口 >1，接收窗口 > 1。帧范围：0~2^n-1，两端滑窗范围：1~2^(n-1)
发送方需要响应的事
上层调用：发送数据前先检查发送滑窗是否已满
接收 ACK：标记被确认的帧，并尝试移动滑窗
超时事件：超时重传，只重传一个帧
接收端需要响应的事
来者不拒。如果收到小于滑窗下界的帧，也返回 ACK
可靠传输
通过滑动窗口 + 重传机制实现发送端发什么接收端收什么
信道划分介质访问控制
作用：解决冲突设备同时接收到多个数据包时总线冲突问题（冲突域问题）
由复用器和分用器实现划分信道的策略
由复用器和分用器实现划分信道的策略
静态划分信道
频分多路复用 FDM
不同信号源使用的频率不同，以实同时传多条数据但不发生冲突
时分多路复用 TDM
时间片方式为每个信源发送数据
改进的分时多路复用会统计信源发送的数据量，为发送数据量更多的信源分配更多的时间片
波分多路复用 WDM
和 FDM 类似，光的频分多路复用，不同信源使用不同波长的光信号
码分多路复用 CDM
动态划分信道
轮询访问
简单轮询
原理：主节点轮流“邀请”从节点发送数据（主节点可以是中间设备）
问题：轮询开销，等待延迟，主节点单点故障
令牌传递协议
用于令牌环网（物理星型拓扑，逻辑环星拓扑）
令牌的存在形式是帧。持有此帧的节点能向环路网上发送数据
随机访问
ALOHA 协议（想发就发）
纯 ALOHA 协议
不监听信道是否忙碌，不按时间槽发送，随机重发
检测冲突策略：发生冲突的帧会出错，接收方检出错后不返回 ACK，等待超时重传
冲突解决策略：发送方超时后在随机时间后重传
时隙 ALOHA 协议
在纯 ALOHA 协议上，把时间轴分成若干相同的时间片/槽，帧只能在时间槽开始时才能发送
CSMA 协议（先听再说）
监听结果
信道空闲 ：发送帧
1-坚持：总线空闲，直接发送；总线忙，则一直监听
非坚持：总线空闲，直接发送；总线忙，等待随机时间后再监听
p-坚持：总线空闲，p概率发送，1-p概率等到下一个时间槽发送；总线忙则持续监听
非坚持：总线空闲，直接发送；总线忙，等待随机时间后再监听
p-坚持：总线空闲，p概率发送，1-p概率等到下一个时间槽发送；总线忙则持续监听
信道忙：延迟发送
CSMA / CD 协议（先听再说）
CD：碰撞检测（冲突检测），边发送边监听
检查到冲突后停发，隔一段时间后重发。这段时间范围为0~2*传播时延。具体时间由“截断二进制指数规避算法”判断
最小帧长问题
问题描述：帧过短，导致发完了才知道发生了冲突
解决方式：最小帧长 MTU = 总线传播时延 * 数据传输速率 * 2。使帧变长，长到相当于总线带宽积的2倍
CSMA / CA 协议（先听再说）
CA：碰撞避免。CA 用于无线局域网，CD 用于以太网。CA 载波检测机制复杂，这是由传输介质决定的
解决：全方位避免冲突；隐蔽站问题（总线闲时，多个信源同时发送数据）
工作原理
1. 信道空闲时发送 RTS，预约信道。接收端空闲则响应 CTS。预约成功后告知其他站点占用信道的时常
信道忙则等待
信道忙则等待
2. 发送方发送数据，接收方返回 ACK
局域网基本概念和体系结构
拓扑结构（星型，树形，总线型，环型），传输介质（双绞线，同轴电缆，光纤，电磁波），介质访问控制（CSMA/CD，令牌环）
分类
以太网，令牌环网，FDDI 网，ATM 网，无线局域网（WLAN）
无线局域网的分类
有固定基础设施无线局域网
无固定基础设施无线局域网的自组织网络
只有主机，没有路由器，集线器等网络设备
IEEE 802
子主题
链路层的两个控制子层
IEEE 802 把链路层分为 逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）
以太网
是基带总线局域网规范，是通信协议标准，采用 CSMA/CD 技术
提供无连接，不可靠服务。只检错，不纠错，有错直接弃帧
传输介质和拓扑结构：双绞线 + 集线器。逻辑上总线型，物理上星型
10 BASE-T 以太网
适配器与 MAC 地址
局域网中，硬件地址又叫物理地址、MAC 地址
PPP 协议和 HDLC 协议
点对点协议 PPP（Point-to-Point Protocol）广泛使用在广域网的链路层协议。只支持全双工链路（好像是面向连接的）
面向字节的协议
面向字节的协议
同步传输，面向比特流，透明传输，使用5110策略，全双工通信，CRC 校验策略。属于 ISO 协议族
链路层设备
网桥。交换机的前身，用于隔离冲突域/网段
网桥的分类
透明网桥
具有学习 MAC 地址的能力
源路由网桥
每个网桥通过发送发现帧不断学习当前的网络结构
，维护最短生成树，以选择发送帧的最短路径
，维护最短生成树，以选择发送帧的最短路径
多接口网桥（以太网交换机）
直通式：直接转发帧
存储转发式：存储转发
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