计算机网络知识总结-自顶向下-中科大讲授

课程目标

  • 基本概念

  • 工作原理

  • 常用技术

课程内容--目录

  • 第1章 什么是因特网
    • 什么是internet
    • 网络边缘
    • 网络核心
    • 接入网和物理媒介
    • Internet结构和ISP
    • 分组延时、丢失和吞吐量
    • 协议层次和服务模型
    • 网络安全
  • 第2章 应用层 Application Layer
    • 应用层概述
    • 应用层原理
    • Web and HTTP
    • WebCache
    • FTP
    • EMail
    • DNS
    • P2P
    • 视频流化服务和CDN
    • TCP Socket
    • UDP Socket
  • 第3章 运输层 数据平面
    • 概述
    • 多路复用和解复用
    • 无连接传输UDP
    • RDT可靠传输原理
    • 原先连接的运输TCP
    • 拥塞控制原理
    • TCP拥塞机制
  • 第4章 网络层 数据平面
    • 导论
    • 路由器组成
    • IP
    • 统一转发和SDN
  • 第5章 网络层 控制平面
    • 传统路由算法
    • 内网网关协议
    • ISP之间路由选择
    • SDN控制平面
  • 第6章 链路层和局域网
    • 引论和服务
    • 差错检测和纠正
    • 多点访问协议MAC
    • LANs
    • MPLS
    • 数据中心网络
    • 生活场景http
  • 第8章 计算机网络中的安全
    • 概述
    • 什么是网络安全
    • 加密原理
    • 认证
    • 报文完整性
    • 密钥分发和证书
    • 各个层次的安全性
    • 访问控制：防火墙
    • 攻击和对策

第1章 什么是因特网

1.1 什么是Internet

网络：节点和边组成的

节点：主机节点和数据交换结点

边：接入链路和主干链路 + 协议。

协议：

TCP/IP来支撑的

分布式的应用以及为分布式应用提供服务的基础设施

网络的网络

1.2 网络边缘

主机和应用程序（客户端和服务器）

1.3 网络核心

作用：数据交换

互连着的路由器

网络的网络

关键功能：

  • 路由：决定分组采用的源到目标的路径
  • 转发：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

分组交换packet：

​ 1. 不再拆分为pieces

  1. 存储--转发
  2. 因为需要存储所以存储耗时比较长 但是共享了网络

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1.4 接入网和物理媒介

有线或者无线通信链路

住宅接入：modem 调制解调器

带宽、共享还是专用

1.5 Internet结构和ISP

端系统通过接入ISP进行接入到核心

ICP： Internet Content Provider，谷歌百度等

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1.6 分组延时、丢失和吞吐量

分组丢失和延时的原因：分组到达链路的速率超过了链路输出的能力。

延时：存在分组队列。

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丢失：路由器缓冲区有限，当溢出的时候再到来的分组就会被丢弃

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  • 上一条可靠链路重传

  • 源宿主机重传

  • 源宿主机不重传

四种分组延时：

  • 节点处理延迟 检查是否出错

  • 排队延时 取决于网络使用情况

    I = La / R

    image-20210118103136151

  • 传输延时 ： L / R

    L:分组长度bits.

    R:链路带宽(bps bit per second)

    当分组完全发送到链路上的时间 = L / R

    存储转发时延

  • 传播延时 D / S

    d = 物理链路的长度

    s = 在媒体上的传播速率

    20w km （~2 * 10 ^ 8）

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ICMP:

Round Trip Time：往返时间

Traceroute：设置递增的ICMP的TTL

traceroute:gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.fr

TTL：TIme to Live

吞吐量

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瓶颈链路

1.7 协议层次和服务模型

通过分层来解决 laying model

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协议protocol Elements:

  • Syntax语义

    Semantics语法

  • Timing 时序关系

  • Actions 处理动作

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1.8 网络安全

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第2章 应用层

2.1 应用层概述

2.2 应用层原理

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2.3 Web and HTTP

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HTTP无状态

不维护客户端的状态。

优点：比较简单

HTTP连接

  • 非持久HTTP

    1.0 采用

    连接关闭

  • 持久HTTP

    1.1采用

    连接不关闭

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  1. 连接请求
  2. 连接确认
  3. http请求
  4. http响应
  5. 关闭连接（非持久）

非流水线方式：

一个工厂一个时间只做一辆汽车

流水线方式：

一个工厂一个时间做多辆汽车（连续发送）

响应时间模型

请求报文

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ASCII可读：

  • 请求行 request line
  • 首部行Header
  • 换行回车符
  • Entity Body

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sp：空格

cr lf：换行回车符

请求方式解析

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HTTP响应报文

  • 状态行
  • 首部行
  • 数据

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Last——modified：类似于版本号

Conten-Length：多少字节是报文内容

Content-Type：

Cookies

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可以支持HTTP协议维护客户端状态，继而完成相应的操作

应用：

  • 用户验证
  • 购物车
  • 推荐
  • 用户状态

2.4 WebCache（web缓存--代理服务器）

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28分布：80的人访问20的内容

条件GET方法

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2.5 FTP 文件传输协议

通过客户端上传或者下载文件到服务器。

知名端口：21（控制连接端口），20（数据连接端口--由服务器向客户端建立连接）

RFC：959

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有状态的、两个连接上进行

2.6 EMail

  • 用户代理
  • 邮件服务器
  • 简单邮件传输协议SMTP

port:25

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POP3

存取协议。拉取邮件服务器

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邮件报文格式

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报文格式：多媒体扩展

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base64:将若干个不在ascii码范围内的字节转为更长的在ascii字符的范围的字节。

经过扩展就可以传输：图片/可执行文件等。

邮件访问协议

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2.7 DNS

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域名到IP地址的转换关系

人类访问机器的“字符串”名称，DNS负责将该字符串转换为二进制的网络地址

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分层命名，分布式的解

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UDP：不需要握手

知名端口：53

互联网核心功能大多数在应用层实现

其它功能：别名 -> 正规名字 -> IP地址

DNS 名字空间(name space)

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.com （商业公司）

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好处：可靠。

主机域名：树叶往上走直到顶级域

域的域名：树枝往上走直到顶级域

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TTL作用：

缓存是为了性能

删除是为了一致性

type：

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报文格式

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2.8 P2P应用

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文件分发时间对比

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随N的增加线性的增加

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非线性增加

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请求服务的节点同时也是提供服务的结点，具备可扩展性。

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P2P分类

  • 非结构化P2P：

    peer节点是无序的，任意的，对等的

    • 集中化目录：

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    • 完全分布式

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      Flooding：洪水式查询。

    • 混合体

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  • DHT（结构化）P2P

    可以构成树或者环的复杂关系

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    对IP地址做Hash得到一个ID

    根据ID范围来各自维护

Overlay：覆盖网

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客户机先向死党节点发出ping，死党节点转发ping并返回给死党节点pong，

BitTorrent

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稀缺优先策略，一报还一报

集体利益和个人利益合为一体

种子：拥有整个文件的全部。

BT搜索引擎：根据描述查找，然后该文件的获得Hash值然后再去文件服务器找文件

Traking Server：负责让用户加入洪流

2.9 视频流化服务和CDN

上下文：

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空间冗余：相同的像素点

时间冗余：只发送有差别的地方

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AVS

流化服务

DASH：动态自适应

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CDN

角色：CDN运营商

运行在应用层over the top

让内容靠近用户

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内容加速服务

深入群众

卡住关键位置

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边放边改

2.10 TCP 套接字

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数据结构sockaddr_in

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  • sin_family: 地址簇（TCP或者UDP）
  • sin_port:port
  • sin_addr:IP地址
  • sin_zero[8]：对齐

数据结构hostent

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2.11 UDP 套接字编程

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2.12 第2章小结

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第3章 运输层

3.1 概述和运输层服务

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3.2 多路复用和解复用

借助端口实现

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3.3 无连接传输UDP

用户数据报协议

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应用层实现可靠性

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SDU：服务数据单元

校验和Check Sum：EDC，校验判断数据报是否出错，表现为丢失

头部8字节，TCP20个字节

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反码

3.4 RDT可靠数据传输原理

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接收方：接受，解封装，传递

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超时重传来处理死锁：大于RTT

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Wr = 1 - > Go back N协议

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3.5 面向连接的运输TCP

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TCP报文段结构

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可靠数据传输

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累计确认：发送端发送ACKn 说明这之前的已经确认被收到

单个重传定时器：为多个段设置一个定时器，超时时只发最老的

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流量控制

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捎带技术。

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连接管理

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本质：

  • 建立连接
  • 准备资源
  • 变量置位

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关闭连接：

  1. 两个方向单独拆除（对称释放）
  2. 不完美的拆除（两军问题）

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3.6 拥塞控制原理

3.0效率不高

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拥塞控制方法

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信元：53字节

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3.7 TCP拥塞：机制

采用端对端的控制方法。

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拥塞感知

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image-20210204165854107

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SS：Slow Start

CA：congestion Avoidance

FR：fast recovery

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TCP吞吐量

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TCP公平性

大致公平

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image-20210204172230716

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第三章总结

image-20210204172426386

image-20210204172641197

第4章 网络层：数据平面

image-20210206102111263

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4.1 导论

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image-20210206103546871

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数据平面

控制平面

4.2 路由器组成

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输入端口

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queu用于解决：发送和接受的速度不一样，匹配速度

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交换结构fabric

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第一代路由器：采用软件的方式基于memory实现（思科cisco）

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第二代路由器：

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第三代路由器

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输出端口

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当缓冲区没有空闲空间的时候则会丢弃数据报。

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输出端口调度机制

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RR

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加权公平队列

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4.3 IP：Internet Protocol

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ICMP:信令协议 -> ping 一台设备是否连通

数据报格式

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分片

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目标主机收到到来的第一片的时候就启动一个Timer，当Timer结束还没到齐就全部弃用。

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IPv4

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子网subnet

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特点：子网前缀一样，分组转发一跳可达，无需借助路由器

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6个子网

IP地址分类：

  • A 126(2 ^ 7 - 2)个networks 全0和全1的约定不使用, 2 ^24 - 2个hosts
  • B [10] 2^14 -2 = , 2^16 - 2= 65534
  • C [110] 2^21 - 2 ， 2^8 - 2 = 254
  • D 广播地址
  • E 预留的地址

A,B,C类地址为单播地址

D，E

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IP路由按照子网来计算

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子网掩码：掩码为1则代表该位的下标为子网号的长度（/23 表示前23位子网号）

作&运算即可以得到子网号，继而查询路由表，不需要主机号

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  • 目标子网号
  • 子网掩码
  • 下一跳
  • 端口

默认端口为：默认网关

上网必须配置的四个信息：

  • ip
  • 掩码musk
  • local name server
  • default gateway

如何获得一个IP

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DHCP

image-20210207172300361

image-20210207172451860

image-20210207172501340

image-20210207172732651

image-20210207172742045

image-20210207172906190

image-20210207173052906

路由聚集 route aggregation

image-20210207173658121

image-20210207174023689

image-20210207174203351

采用最长前缀匹配

NAT：网络地址转换

image-20210207174725544

image-20210207174908704

内网的IP和端口，转换为外网的IP的空闲的端口，记录在NAT转换表中

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image-20210207175337209

内网穿透

image-20210207175519480

内网穿透：在内网运行web项目，外部可以访问

image-20210207175623439

image-20210207175806894

IPv6

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IPv5废弃掉了。

不允许分片：如果过大，就启用并发送ICMP(v6), 让主机主动分小

image-20210207180220240

ver：版本号

pri：优先级

hop limit = ttl

flow label : QoS做准备

payload len： 载荷长度

源地址：128位

目标地址：128位

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image-20210207180850668

image-20210207181328281

image-20210207181342495

v4完全转为v6比较困难。给房子刷一遍油漆（隧道）要比拆了房子再盖简单。

4.4 通用转发和SDN

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SDN

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网络操作系统

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IBM捆绑式销售。

image-20210208104737008

image-20210208104807056

image-20210208104822677

image-20210208104859400

image-20210208110240578

匹配

行动

OpenFlow

image-20210208110341802

image-20210208112110414

image-20210208112118288

image-20210208112259638

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第5章 网络层：控制平面

image-20210209101208633

image-20210209101602000

5.1 传统路由算法

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路径：路由器的序列

指标：价钱、跳数、延迟

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image-20210209102537905

image-20210209102956986

image-20210209103119533

sink tree

为什么不是图：因为如果有环就不能确定选择的路径

image-20210209103309290

image-20210209103510111

image-20210209103810501

image-20210209103944119

image-20210209111233557

image-20210209111528072

image-20210209111536918

image-20210209111603687

类似ttl的字段解决广播风暴，再加上序号

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可靠的泛洪

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image-20210209120031078

最后得到的路径为汇集树

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distance vector(DV)距离矢量算法

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image-20210209121051151

image-20210209121101163

image-20210209121526096

image-20210209121826528

image-20210211100044209

image-20210211100151459

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好消息传的快，坏消息传的慢，经过无限次迭代收敛得到一个真实状态状态，可能存在环路

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image-20210211102539968

5.2 因特网中自治系统内部的路由选择-内部网关协议

RIP

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ad：通告

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image-20210211103324887

image-20210211104124460

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RIP进程实现了网路功能，借助了传输层。

OSPF：开放最大路径优先

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5.3 ISP之间的路由选择：BGP

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image-20210213094548073

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基于距离矢量算法实现的。

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TCP路由，内部网关协议

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image-20210213100242332

image-20210213100553694

采用路径根据策略来打分评估。

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image-20210213101243571

image-20210213101308490

image-20210213101600553

热土豆策略：传递给最近的。

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5.4 SDN控制平面

image-20210213102204599

image-20210213102414194

image-20210213102439130

image-20210213102526916

image-20210213102746488

image-20210213102819745

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image-20210213103113523

SDN控制器

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逻辑上集中，物理上分布

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软件实现网络设备的功能 NAT等

image-20210213113958660

image-20210213114056431

image-20210213114504998

image-20210213114605346

image-20210213115000882

总结

image-20210213115237834

第6章 链路层和局域网

6.1 引论和服务

image-20210213185453515

image-20210213190205209

image-20210213195304896

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链路层服务

image-20210213200140142

image-20210213200330036

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本身比较可靠，差错风险较小，实现可靠花费较大的代价没有必要（以太网。

无线链路差错率较高，需要实现可靠传输（可靠的）。

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网卡、适配器

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image-20210213201044183

6.2 差错检测和纠正

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可能同时出错，残存错误。

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对偶错误

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image-20210213201537922

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  1. 模2运算：异或， 加减一样

  2. 两种位串的表示

    image-20210213201844583

  3. 将D生成G多项式

  4. D + EDC(r位CRC)使得整体刚好被生成多项式G整除。

    image-20210213202216773

image-20210213202558969

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6.3 多点访问协议MAC

media Acess、Multiple Acess

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时隙

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纯ALOHA（非时隙

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效率17.5%

CSMA

说之前听一听

image-20210215095335150

image-20210215095743580

CSMA/CD

事前先听，边说边听（以太网采用）

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无线局域网CSMA/CA

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无法做CD，做了CD没有用。CD不好用。暴露终端

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image-20210215110324883

image-20210215110529602

线缆接入网络

image-20210215110753442

image-20210215111056448

image-20210215111229922

image-20210215111244563

image-20210215111646440

image-20210215111732110

6.4 LANs

addressing，ARP

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image-20210215174232099

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image-20210215174456487

IP地址分层， MAC地址是平面的。

每一跳都是IP转换为MAC地址。

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查询：发送广播报，查询对应主机的MAC地址，并缓存到ARP表，20min后就会删除（为了适应IP/MAC地址的变化）

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Ethernet 以太网

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image-20210215180950808

终结器：吸收电磁波信号。热量

交换机解决高负载问题。

规模效应。

互联网企业-赢者通吃，越好越好。

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image-20210215181241520

image-20210215181618797

image-20210215181625571

image-20210215181657374

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低负载/高负载都比较好，因为引入了交换机可以解决高负载。

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双绞线：解决串扰，截面小，电磁波穿过形成的电势小。

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4b5b编码：为了解决全0或者全1的数据。跳变来同步时钟

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switches交换机

碰撞域：网段

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自学习：获得交换表

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image-20210215185435552

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泛洪：不知道目标MAC绑定的端口在哪

过滤：进来的端口和出去的端口一样，不需要做动作

转发

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image-20210215190745944

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VLANS

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6.5 链路虚拟化:MPLS

多协议标签交换。

6.6 数据中心网络

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6.7 A day in the life of web request一个web请求的日常场景

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LAN：不碰撞 = 成功

条件：帧>= 2 tao , 2 tao = rtt

总结

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第8章 计算机网络中的安全

8.1 概述

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8.2 什么是网络安全

加密：信道中传输的是密文。

认证：认证对方的身份。

报文完整性：报文没有被改变。

保证服务的可用性。

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image-20210216090241429

私密的，可认证的，报文完整，服务可用的

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8.3 加密原理

plaintext : 明文

ciphertext: 密文

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公开密钥加密：非对称加密

对称密钥加密

image-20210216090448927

字频，词频可用做启发式破解。

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存在密钥分发问题。

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3重DES。

分组成串：当前要加密的明文，与前一个加密过的密文做一个异或再做加密，加密的结果不仅依赖密钥还依赖前一个。

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image-20210216091513964

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公开密钥加密

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证书中包含。不需要密钥分发。

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image-20210216092132735

image-20210216092302752

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image-20210216092948292

通常是DES的一千倍。

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数字签名。

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二战英国截取德国加密机。

8.4 认证

通信之前先认证身份。

image-20210216211523411

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8.5 报文完整性

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image-20210216212932092

image-20210216213217412

image-20210216213508707

image-20210216213811716

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报文摘要算法

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多到一。

固定长度。

反向计算困难。

私钥签署，公钥解密。

8.6 密钥分发和证书

借助可信赖第三方。

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KDC 密钥分发中心

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image-20210217092647678

CA 认证中心

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image-20210217093425790

证书

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8.7 各个层次的安全性

安全电子邮件

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image-20210217094021081

image-20210217094033656

image-20210217094215775

image-20210217094426608

对作者走私军火，影响了美国的情报机构。

安全套接字

安全套接字层

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Elon Musk做电子商务。PayPal。

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IPsec

image-20210217095059366

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802.11中的安全性

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8.8 访问控制：防火墙

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按照网络管理员配置的规则进行飞放行。

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DOS攻击。

DDOS：分布式DOS。

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all是默认规则。

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内网向外网连接建立起才能放行。

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image-20210217102933374

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8.9 攻击和对策

image-20210217104249360

image-20210217104459631

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ARP协议。

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image-20210217104820337

image-20210217104925826

总结

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posted @ 2021-02-18 09:24  DengSchoo  阅读(374)  评论(0)  编辑  收藏  举报