计算机网络体系结构
2021-08-20 22:13:21 12 举报AI智能生成
计算机网络体系结构
作者其他创作
大纲/内容
功能
数据通信
资源共享
分布式处理
提高可靠性
负载均衡
组成
组成部分
硬件
软件
协议
工作方式
边缘部分
核心部分
功能组成
通信子网
实现数据通信
资源子网
现资源共享/数据处理
分类
分布范围
广域网 WAN
交换技术
城域网 MAN
局域网 LAN
广播技术
个人区域网
使用者
公用网
中国电信等
专用网
军队内部网等
交换技术
电路交换
报文交换
分组交换
拓扑结构
总线型
星型
环型
网状型
传输技术
广播式网络
点对点网络
概念
互连的
自治的
标准化
标准
法定标准
OSI
事实标准
TCP/IP
RFC四个阶段
相关组织
ISO、ITU、IEEE、IETF
性能指标
速率
数据传输率或比特率
带宽
理论传输速率上限
吞吐量
某时间内链路实际的数据量
时延
发送时延
传播时延
排队时延
处理时延
时延带宽积
传播时延 x 带宽
往返时延 RTT
传播时延*2 + 末端处理时间
利用率
信道利用率
网络利用率
体系结构与参考模型
OSI 参考模型
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链数层
物理层
TCP/IP 模型
应用层
HTTP、FTP、DNS
传输层
TCP、UDP
网际层
IP
网络接口层
Ethernet、ATM、Frame Relay
五层模型
应用层
网络应用模型
客户/服务器模型（Client/Server）
P2P模型（Peer-to-peer）
域名解析系统DNS
实现域名到ip地址的转换
域名服务器
根域名服务器
顶级域名服务器
权限域名服务器
本地域名服务器
“本地连接”中的DNS地址，就是本地DNS (域名服务器)的地址
域名解析过程
递归查询
主机 向 本地域名服务器 的查询
迭代查询
本地域名服务器 向 根域名服务器 的查询
文件传输协议
FTP
提供 不同种类主机系统 (硬、软件体系等都可以不同)之间的文件传输能力
工作方式
控制连接 21
数据连接 20
传输模式
文本模式: ASCII模式
二进制模式: Binary模式
使用 TCP 实现可靠传输
TFTP
适合 UDP 环境
电子邮件
协议
SMTP 25
TCP连接
C/S 网络应用模型
POP3 IMAP
POP3 110
TCP 连接
C/S 网络应用模型
IMAP
MIME
SMTP协议上的一种扩充
万维网www和HTTP协议
WWW
URL一般形式
C/S
HTML
HTTP
无状态
Cookie
存在本地、文本文件
连接方式
持久连接
非流水线方式
流水线方式
HTTP/1.1 的 默认方式
非持久连接
HTTP报文
类型
请求报文
响应报文
格式
面向文本
ASCII码串
传输层
概述
功能
提供 进程 和 进程 之间的逻辑通信
复用和分用
对收到的报文进行 差错检测
两个协议
TCP
可靠，面向连接，时延大，适用于大文件
UDP
不可靠，无连接，时延小，适用于小文件
寻址 与 端口
端口
SAP（服务访问点/接口）
端口号
具体的数字标识；只有本地意义
端口号范围
服务端
熟知端口号 0 ~ 1023
FTP 21
TELNET 23
SMTP 25
DNS 53
TFTP 69
HTTP 80
SNMP 161
登记端口号 1024 ~ 49151
客户端 49152 ~ 65535
套接字
套接字Socket = ( 主机IP地址，端口号)
唯一标识了网络中的一个主机（IP地址）和它上面的一个进程（端口号）
UDP
特点
无连接的
使用 最大努力交付，即 不保证可靠交付
面向报文，适合一次 少量数据
无拥塞控制，适合 实时应用
首部开销小，大小为 8B
首部格式 8B
源端口号 2B
目的端口号 2B
UDP长度 2B
UDP校验和 2B
校验
伪首部
0字段
17字段
UDP长度
TCP
特点
面向连接（虚连接）
点对点（无法用于广播或多播）
可靠有序，不丢不重
全双工通信
发送缓存
接收缓存
面向 字节流
首部格式 （单位4B）
固定首部（20B）
源端口 2B
目的端 2B
序号seq 4B
确认号ack 4B
数据偏移(首部长度) 4位
6个控制位
紧急位URG
URG=1时， 标明此报文段中有紧急数据
确认位ACK
推送位PSH
复位RST
同步位SYN
SYN=1时，连接请求报文 或 连接接受报文
终止位FIN
FIN=1时， 要求释放连接
窗口：2B
现在允许对方发送的数据量
检验和：2B
紧急指针：2B
选项（长度可变）
最大报文段长度MSS
窗口扩大
时间戳
选择确认
填充
连接管理
三次握手
客户端 发送 连接请求
SYN=1
seq=x
服务器端 返回 确认
SYN=1
ACK=1
seq=y
ack=x+1
客户端 返回确认的确认，可以 携带数据
SYN=0
ACK=1
seq=x+1
ack=y+1
SYN洪泛攻击
设置SYN cookie
四次挥手
客户端 发送 连接释放报文段
FIN=1
seq=u
服务器端 回送一个 确认报文段
ACK=1
seq=v
ack=u+1
服务器端 发完数据，就发出 连接释放报文段
FIN=1
ACK=1
seq=w
ack=u+1
客户端 回送一个 确认报文段
ACK=1
seq=u+1
ack=w+1
等待2MSL，彻底关闭
可靠传输
四种机制
校验
序号
确认
重传
窗口和协议
发送窗口 SWND (Send Window)
接收窗口 RWND (Receiver Window)
拥塞窗口 CWND（Congestion Window）
GBN、SR协议
流量控制
利用 滑动窗口机制 实现流量控制
累计确认 + SR选择重传协议 + 动态调整接收窗口
持续计时器
拥塞控制
四种算法
慢开始、 拥塞避免
拥塞窗口最开始的初始值 1
慢开始算法
指数规律增长
ssthresh值（慢开始限值）
拥塞时 窗口的一半
拥塞避免算法
线性增加
网络拥塞
乘法减少；降为初始值cwnd=1
快重传、 快恢复
快重传
收到 3个重复的冗余ACK
快恢复
发生拥塞时，窗口降到新的ssthresh值
拥塞避免
线性增加 拥塞窗口
网络层
功能
路由选择与分组转发
异构网络互联
拥塞控制
开环控制
闭环控制
数据交换方式
电路交换
独占资源
报文交换
存储转发
分组交换
数据报方式
无连接服务
可能发生乱序、重复与丢失
虚电路方式
连接服务
数据报方式（体现在分组）和 电路交换方式（体现在建立连接）结合
通过虚电路顺序传送，不会乱序、重复或丢失
致命弱点：单点故障
IP数据报
格式
首部
固定部分（20B）
一定要有
一种八片首饰
可变部分（0~40B）
可有可无
数据
传输层的传输单元 报文段，含有TCP、UDP段
分片
最大传送单元MTU
以太网的MTU是1500字节
IPv4地址
组成
全世界唯一 的 32位/4字节 标识符
网络号 + 主机号
分类
A类
网络号范围 1 ~ 126（去掉 0 和 127）
网络号占8位(1字节)，第一位必须为0
私有IP地址：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255共1个网段
B类
网络号范围 128~191
网络号占16位(2字节)，前两位必须为10
私有IP地址：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255共16个网段
C类
网络号范围 192~223
网络号占24位(3字节)，前三位必须为110
私有IP地址：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255共256个网段
D类
多播地址
网络号范围 224~239
前四位1110
E类
备用地址
网络号范围 240~255
前四位1111
网络地址转换NAT
Network Address Translation
私有IP地址 与 外部IP地址 的转换
子网划分
把主机号当中较高的位数作为子网号
子网掩码
格式
网络号/子网号 全1
主机号 全0
子网掩码与IP地址逐位 相与，就得到子网网络地址
无分类编址CIDR
概念
无分类域间路由选择CIDR（Classless Inter-Domain Routing）
IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀(可以任意长度1 ~ 32)的位数
如：128.14.32.0/20：表示前20位是网络号(网络前缀)，后12位是主机号
构成超网
将多个子网聚合成一个较大的子网，也叫路由聚合
最长前缀匹配
路由表可能得到几个匹配结果，应选择具有 最长网络前缀的路由
子网号可以全0全1
重要协议
ARP协议
地址解析协议：Address Resolution Protocol
IP地址与MAC地址的映射
ARP高速缓存：10-20min更新一次
DHCP协议
动态主机配置协议：Dynamic Host Configuration Protocol
功能
动态获取IP地址
即插即用
地址重用
支持移动用户加入
在用地址续租
流程
发现报文
提供报文
请求报文
确认报文
ICMP协议
互联网控制报文协议：Internet Control Message Protocol
为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会
功能
差错(或异常)报告
网络探询
不应发送ICMP差错报文的情况
对 ICMP差错报告报文 不再发送ICMP差错报告报文
分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送，只发第一个
组播地址
特殊地址(如127.0.0.0环回地址或0.0.0.0本网内主机地址)
报文种类
ICMP差错报文
终点不可达
源点抑制（取消）
时间超过
参数问题
改变路由(重定向)
ICMP询问报文
回送请求 和 回答报文
测试目的站是否可达以及了解其相关状态
ping
时间戳请求和回答报文
用来进行时钟同步和测量时间
掩码地址请求和回答报文（不再使用）
路由器询问和通告报文（不再使用）
应用
Ping
测试两个主机之间的连通性
使用了ICMP回送请求和回答报文
Traceroute
跟踪一个分组从源点到终点的路径
使用了ICMP时间超过差错报告报文
IGMP + 组播路由选择协议
IGMP协议
网际组管理协议：Internet group management protocol
在 一个路由器内部 所使用的协议
组播路由选择协议
在 多个路由器之间 进行路径选择的协议
目的是找出 以源主机为根节点的 组播转发树
IPv6
数据报
首部40B，首部单位8B
格式
IPv6和IPv4
地址表示形式
一般形式：冒号十六进制记法
压缩形式
常规压缩
全0字段用一个0表示
非全0字段省略掉前面的0，不管有几个
如：4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2176——4BF5:0:0:0:BA5F:39A:A:2176
零压缩
一连串连续的0可以被一对冒号取代
双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次
如：FF05:0:0:0:0:0:0:B3——FF05::B3
基本地址类型
单播
一对一
多播
一对多
任播
一对多中的一个
IPv6向IPv4过渡的策略
双栈协议
隧道技术
路由算法
静态路由算法
动态路由算法
链路状态路由算法 OSPF
距离向量路由算法 RIP
路由选择协议
内部网关协议IGP
RIP
路由信息协议：Routing Information Protocol
一种分布式的基于 距离向量算法 的路由选择协议
距离
记录最佳距离
最多15个路由；16表示不可达
适用于小互联网
路由交换细节
仅和 相邻路由器 交换信息
交换的信息是 自己的路由表
每30秒交换一次路由信息
报文格式
首部 + 路由部分，传递给传输层的UDP协议，作为UDP报文段的一部分
RIP是应用层协议
使用UDP传输数据
慢收敛
OSPF
开放最短路径优先OSPF(Open shortest path first)协议
使用 分布式 的 链路状态协议
适用于规模比较大的自治系统
OSPF的交换细节
使用 洪泛法（洪水泛滥）向自治系统内所有路由器发送信息
发送的信息就是与本路由器 相邻的所有路由器的链路状态
只有当链路 状态发生变化时，才进行交换
OSPF的五个重要分组
问候分组
描述分组
请求分组
更新分组
确认分组
其他特点
每隔 30min，要刷新一次数据库中的链路状态
只涉及到与相邻路由器
收敛速度很快
外部网关协议EGP
BGP
边界网关协议 ：Border Gateway Protocol
交换细节
与其他自治系统AS的 邻站BGP发言人 交换信息
BGP发言人之间交换的 网络可达性的信息
发生变化时 更新有变化的部分
四种报文
OPEN (打开)报文
UPDATE (更新)报文
KEEPALIVE(保活/确认存活)报文
NOTIFICATION (通知)报文
移动IP
相关术语
通信过程
网络层设备
路由器
路由选择
路由选择处理机
构造路由表
更新路由表
维护路由表
分组转发
RIP/OSPF分组
送往路由选择处理机
数据分组
查找转发表并输出
数据链路层
功能和概述
封装成帧 和 透明传输
字符计数法
帧首部使用一个计数字段
字符(节)填充法
ASCII码文件
非ASCII码文件
转义字符ESC
零比特填充法
开始和结束：01111110（6个1）
5“1” 1 “0”
违规编码法
曼彻斯特编码中 高-高、低-低 表示起止
差错控制
差错由噪声引起
随机噪声(热噪声) 全局
冲击噪声 局部
差错类型
帧错
位错/比特错
差错控制
检错
奇偶校验码
CRC循环冗余码
纠错
海明码
功能：可以 发现双比特错，只能 纠正单比特错
原理：牵一发而动全身
工作流程
确定校验码位数
海明不等式
确定校验码和数据的位置
求出校验码的值
检错并纠错
流量控制、可靠传输、滑动窗口
三者关系
滑动窗口 可以解决
可靠传输
数据的 准确传输
流量控制
控制发送速率
流量控制
停止-等待协议
应用情况
无差错
有差错
数据帧 丢失 或 出错
确认帧（ACK）丢失
确认帧（ACK）迟到
性能分析
简单！但信道利用率低
信道利用率、吞吐量
信道利用率：U = ( L / C ) / T
信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率
滑动窗口协议
后退N帧协议（GBN）
滑动窗口
发送窗口多个
接收窗口一个
发送方必响应的三件事
上层的调用
收到了一个ACK
累积确认
超时事件
接收方要做的事
正确接收
错误接收
运行中的GBN
发送窗口长度
【1 ≤ W ≤ 2^n -1】n进制
重点总结
累积确认
只按顺序接收帧，不按序无情丢弃
确认序列号最大的、按序到达的帧
发送窗口最大为2^n-1，接收窗口大小为1
性能分析
优点：连续发送，比停-等协议信道利用率高
缺点：重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，传送效率降低
选择重传协议（SR）
滑动窗口
发送窗口多个
接收窗口多个
发送方必须响应的三件事
上层的调用
收到了一个ACK
ACK帧序号窗口内，标记为已接收
ACK帧序号为窗口下标，窗口右移
超时事件
接收方要做的事
来者不拒；有缓存，失序的帧将被缓存
逐一确认 收一个确认一个
运行中的SR
滑动窗口长度
接收窗口 + 发送窗口 不超过2^n：W_R + W_t <= 2^n
接收窗口的尺寸不应超过序号范围的一半：W_R <= 2^(n-1)
发送窗口长度 = 接收窗口长度 = 2^(n-1)
重点总结
对数据帧逐一确认，收一个确认一个
只重传出错帧
接收方有缓存
发送窗口长度 = 接收窗口长度 = 2^(n-1)
介质访问控制（MAC）
静态划分信道
多路复用
频分多路复用FDM
独占频率资源，互不影响
效率高，实现容易
类似操作系统的 “并行”
适合模拟信号
时分多路复用TDM
占用固定序号的时隙
类似操作系统的 “并发”
适合数字信号
改进型
统计时分复用STDM
按需动态分配时隙
波分多路复用WDM
光的频分多路复用
码分多路复用CDM
CDMA
动态划分信道
随机访问 （有冲突）
ALOHA协议
不监听信道
纯ALOHA协议
不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。想发就发
时隙ALOHA协议
控制想发就发的随意性
CSMA协议
载波监听 多路访问 协议CSMA (carrier sense multiple access)
发送前监听
分类
1-坚持CSMA
监听
信道空闲
直接传输
如有冲突；等待随机时长再监听
信道忙
一直监听
优点：信道利用率高
缺点：冲突就不可避免
非坚持CSMA
监听
信道空闲
直接传输
如有冲突；等待随机时长再监听
信道忙
等待随机时长再监听
优点：减少冲突发生的可能性
缺点：可能都在延迟等待，信道使用率降低
p-坚持CSMA
监听
信道空闲
以p概率直接传输；1-p概率等待到下一个时间槽再传输
如有冲突：坚持把数据帧发送完
信道忙
等待随机时长再监听
优点：减少冲突，提高信道利用率
缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费
CSMA/CD协议
载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD
CS：载波侦听/监听 carrier sense
MA：多点接入 multiple access
CD：碰撞检测 collision detection
边发送边监听
传播时延对监听的影响
碰撞后的重传时机
截断二进制指数规避算法
重传次数 = min[重传次数，10]
重传退避时间
重传超16次，丢弃
最小帧长：以太网64Byte
适用于总线型以太网
CSMA/CA协议
载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA
CS：载波侦听/监听 carrier sense
MA：多点接入 multiple access
CA：碰撞避免 collision avoidance
先听后发，发前再等
适用于无线局域网
轮询访问
优点：既不产生冲突，发送时又占全部带宽
缺点
轮询/令牌开销
等待延迟
单点故障
分类
轮询协议
令牌传递协议
常用于负载较重、通信量较大的网络中
令牌环网局域网
局域网
特点
广播式
共享公共通信信道
地理范围较小
数据传输速率高
拓扑结构
星型
总线型
以太网
环型
树型
传输介质
有线局域网
双绞线
同轴电缆
光纤
无线局域网
电磁波
介质访问控制方法
CSMA/CD协议
常用于总线型局域网，例如以太网，也用于树型网络
令牌总线传递协议
常用于总线型局域网，也用于树型网络
令牌环传递协议
环形局域网
分类
以太网
概述
特点
应用最广泛
造价低廉
逻辑上总线型，物理上星型
CSMA/CD协议
两个标准
V2
IEEE802.3系列标准规范
无连接 不可靠的服务
传输介质
粗缆
细缆
双绞线
10BASE-T
非屏蔽双绞线 UTP：unshielded twisted pair
传输速率：10Mb/s
光纤
适配器 与 MAC地址
MAC帧的格式
V2
目的地址（6B）
源地址（6B）
类型（2B）
数据：长度46B~1500B
FCS（4B）
IEEE802.3
高速以太网
速率 >= 100Mb/s
令牌环网
明日黄花
FDDI网
物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构
ATM网
较新型的单元交换技术，使用53字节固定长度的单元进行交换
无线局域网WLAN
采用ІЕЕЕ802.11标准
CSMA/CA协议
802.11 MAC帧头格式
分类
有固定基础设施
无固定基础设施
IEEE802标准
IEEE 802.3
以太网
IEEE 802.5
令牌环网
简记：五环
IEEE 802.8
光纤技术
IEEE 802.11
无线局域网
MAC子层 和 LLC子层
逻辑链路层LLC子层
Logical Link Control
介质访问控制MAC子层
Media Access Control
广域网
概述
覆盖物理层、链路层、网络层
点对点
强调数据共享
协议
PPP协议
特点
使用最广泛的数据链路层协议
只支持全双工链路
面向字节
应满足的要求
简单：对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制
封装成帧
透明传输
多种网络层协议
多种类型链路：串行/并行， 同步/异步，电/光....
差错检测
检测连接状态
最大传送单元
网络层地址协商
数据压缩协商
无需满足的要求
纠错
流量控制
序号
不支持多点线路
三个组成部分
一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法
链路控制协议LCP
网络控制协议NCP
帧格式
首部（地址字段）
F（标志字段/帧定界符）
16进制表示为7E，二进制表示为01111110
1字节
A（地址字段）
1字节
C（控制字段）
1字节
协议字段
标识信息部分是什么
2字节
IP数据报
信息部分
不超过1500字节
尾部
FCS
F（标志字段/帧定界符）
HDLC协议
概述
高级数据链路控制(High-Level Data Link Control 或简称 HDLC)
面向比特bit
透明传输，0比特插入法
只支持全双工链路
CRC检验
HDLC的站
主站
从站
复合站
帧格式
二者比较
相同点
都只支持全双工链路
都可以实现透明传输
都可以实现差错检测，但不纠正差错
不同点
PPP 面向字节；HDLC 面向比特
PPP 有2节字的协议字段；HDLC 没有协议字段
PPP 无序号和确认机制；HDLC 有序号和确认机制
PPP 不可靠；HDLC 可靠
链路层设备
物理层扩展以太网
光纤传输
主干集线器
链路层扩展以太网
网桥
透明网桥
源路由网桥
交换机 （多接口网桥）
直通式交换机
存储转发式交换机
冲突域 和 广播域
网桥、交换机都可隔离冲突域、但不隔离广播域
物理层
概念
解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
四种特性
机械特性
规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况等
电气特性
电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
功能特性
指明某条线上出现的某一电平表示何种意义
规程特性
工作规程和时序关系
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
半双工
全双工
数据传输方式
串行
并行
编码与调制
信号
模拟信号、数字信号
基带信号、宽带信号
编码
数字数据 编码为 数字信号
非归零编码
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码
归零编码
反向不归零编码
4B/5B编码
模拟数据 编码为 数字信号
抽样
量化
编码
调制
数字数据 调制为 模拟信号
模拟数据 调制为 模拟信号
两个定理
奈氏准则
极限码元传输速率 = 2W Baud
极限数据传输速率 = 2W log (2)V (b/s)
香农定理
极限数据传输速率 = W log (2)(1 + S/N) (b/s)
传输介质
导向性
双绞线
屏蔽双绞线
非屏蔽双绞线
同轴电缆
基带同轴电缆
宽带同轴电缆
光纤
单模光纤
多模多纤
非导向性
无线电波
微波
红外线、激光
设备
中继器
集线器(多口中继器)
傻瓜式：既不能隔离冲突域，也不能隔离广播域
0 条评论
下一页
