计算机网络学习笔记
计算机网络 笔记
朝花夕拾，简要回顾一下计算机网络课程。
概论
文章收藏
产生和发展
美国国防部 -> ARPANET -> MILNET(军事), ARPANET -> NSFNET
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远程联机系统 50s -> 60s
前端处理机FEP，调制解调器M，终端控制器TC，主机，终端T
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计算机-计算机 网络 60s ->70s
通信子网(路由器和线路)，资源子网（服务器和主机） 缺点：无法任意互联，拓展性差
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开放式标准化网络 80s -> now
统一的网络体系结构：OSI，CCITT，TCP/IP
计算机网络定义
参考定义：将若干台具有独立功能的计算机 系统，用某种或多种通信介质连接起来，通过完善的网络协议， 在数据交换的基础上，实现网络资源共享的系统称为计算机网络。
分类
- 地理：局域网(LAN)，城域网(MAN)，广域网(WAN)
- 拓扑结构：星型，环型，总线，不规则型
- 数据交换方式：电路交换(建立，传输，拆除，独占信道资源)，分组交换（化整为零，存储转发）
网络协议和网络体系结构
网络协议
一整套通信规程，包括规定要交换的数据格式、 控制信息的格式和控制功能、通信过程中事件执行的次序等。可能涉及到：
- 物理传输介质
- 数据编码
- 收/发端同步
- 数据传输单元格式
- 控制通信方向
- 路由选择
- 差错控制
- 流量控制
- 数据加密，如何加密
网络体系结构
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真正的物理通信总是发生在除物理层。除物理层外，其余各对等层实体间都是进行虚拟通信。
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通信必须在对等层进行，不允许交差通信。
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虚拟通信是一种逻辑通信，其意义在于：
- 设计本层协议时，不受其他层协议的内部实现影响。
- 通过层间接口调用低层提供的服务，只要获得低层足够支 持，虚拟通信就能得以实现。
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n-1层为n层提供服务。n层直接使用n-1层提供的服务，间接 使用n-2, n-3, …… 层提供的服务。
OSI参考模型
OSI参考模型各层功能
- 物理层 完成原始数据位流在物理介质上传输，而不管位流的信息含义。
- 数据链路层 完成数据帧在相邻的结点间无差错传输。
- 网络层 完成报文分组在源/目的结点之间传输。
- 传输层 完成报文段在源/目的主机进程之间的透明传输。
网络通信↑ 数据处理↓
- 会话层 进行会话管理，包括通信方向控制（单工，半双工，全双工）
- 表示层 数据格式转化、数据加密/解密、数据压缩/解压。
- 应用层 为用户提供各种网络服务，包括文件，电子邮件， 数据库，WWW，DNS等。
Internet参考模型
两个核心协议：TCP和IP，故此模型也称为TCP/IP协议。
(Internet和OSI的参考模型比较)
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应用层对应OSI的应用层，表示层和会话层。主要包括：FTP, SMTP, TELNET, DNS, HTTP 等
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传输层：TCP(传输控制协议Transmission control protocol)
, UDP(用户数据报协议User Datagram protocol ) -
互联网层大体对应OSI的网络层，为IP协议。将IP分组以数据报方式从源主机发送到目的主机。
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子网层对应物理层和数据链路层：802.3, PPP, 802.5, 千兆百兆以太网等
物理层 （中继器、集线器）
数据通信基础
- 通信系统模型
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模拟通信与数字通信
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信道, 两个重要参数：带宽(Hz)，误码率(bps)
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带宽与数据率的关系
1.奈奎斯特（无噪声信道）C = 2Hlog2L
2.香农定理（有噪声信道，L不受限）C =Hlog2(1+S/N)
(C：数据率，H：带宽，L：数字信号的离散取值数，S/N：信噪比) -
波特率：每秒传输的码元的数目 C=Blog2L (B为波特率)
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误码率：P = Ne/N
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信道通信方向：单工，半双工，双工
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数字信号的编码 e.g. 非归零，曼切斯特，差分曼切斯特
调制（调幅，调频，调相），解调（采样，量化，编码）。 -
数据同步方式：字符同步和位同步
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多路复用：频分复用，时分复用
物理层协议
物理层协议实质上是通信接口标准
涉及内容：机械，功能，规格，电气特性
数据链路层 （交换机）
数据帧是传送单位
作用：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。
差错控制
- 传输差错的特征
- 原因：热噪声（持续性，小幅度），冲击噪声（大幅度，突发性）
- 差错控制方法：通过特殊的编码使接收端能够发现甚至纠错
- 检错码，纠错码
- 编码效率、检错和纠错
- 码字：信息位，校验位（冗余）
- 码距：两个码字的不同位数个数
- 海明距离：两个码字之间的最小距离
- 编码效率：R=m/n=m/(m+r)
- 检测d位错，海明距离d+1;纠正d位错，海明2d+1
- 海明码
- 循环冗余码CRC
- 其他编码：奇偶校验码
流量控制
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停-等协议：发一帧后等应答
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滑动窗口协议：连续发送若干后再等待应答
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顺序接受管道协议（回退N）：接受窗口尺寸为1的滑动窗口协议，某帧丢失后其后全部丢弃并返回否认。
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选择接收管道协议
上述协议都可看作滑动窗口协议，差别在于窗口尺寸的不同
窗口尺寸的限制：
Wt>=Wr, Wt+Wr<=2^m (帧序号的位数为m)
网络层 （路由器）
实现两个主机系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等
电路交换和分组交换
- 电路交换(起源 电话)
建立电路，传输数据，拆除电路 - 分组交换
报文，分组（分组序列 源地址 目的地址 分组类型 控制信息 长度 数据）化整为零 存储转发 复用链路
虚电路和数据报
虚电路
通信前发送方和接收方之间必须建立连接（虚电 路），所以虚电路是面向连接的网络服务。
虚电路只是一种逻辑电路，而不是真正的物理电 路。报文分组在虚电路上传输不像再物理线路上 那样中畅通无阻。而是要中间节点的存储转发。
一条链路上允许建立多个虚电路。
一旦虚电路建立完毕，本地通信的所有分组必须 经过该虚电路进行。因此，虚电路能够保证分组 的顺序接收。
仅当建立虚电路时需要源/目的结点地址，数据分 组需分配一个虚电路号而无须源/目的结点地址。
数据报
数据报无需建立连接，每个报文分组携带完整的源/目的地址，独立的选择路径，通过 同的路径到达目的主机
- 无需建立连接就可传输报文分组，因此数据报称为无连接网络服务。
- 不同的报文分组可以通过不同的路由到达目的主机，先发出的分组未必先，因此数 据报服务不能保证报文分组顺序接收。
- 每个报文分组携带完整的源/目的地址，独 立的选择路径
| 数据报子网 | 虚电路子网 | |
|---|---|---|
| 延时 | 分组传输延时 | 电路建立，分组传输延时 |
| 路由选择 | 每个分组单独选择路由 | 建立虚电路时选择路由，以后 所有分组都使用该路由 |
| 状态信息 | 子网无需保存状态信息 | 每个结点要保存一张虚电路表 |
| 地址 | 每个分组包括源和目的的完 整地址 | 每个分组含有一个短的虚电路 号 |
| 结点失败 的影响 | 除了在崩溃时正在该结点处 理的分组都丢失外，无其他 影响 | 所有经过失效结点的虚电路都 要被终止 |
| 拥塞控制 | 难 | 如果有足够的缓冲区分配给已 经建立的虚电路，则容易控制 |
路由选择
路由选择：根据某种策略（静态、动态），选择一条最佳的路径到达目的主机，对路由器而言， 路由选择实质上是选择最佳 输出端口。
虚电路：一次路由选择
数据报：每个分组要进行路由选择
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扩散法（洪泛法）
当结点收到一个分组后，把该分组向除进来的链 路外的所有其他链路转发，结果至少有一个分组 以最快的速度到达目的结点。
问题：产生大量重复分组 解决：设置下一跳字段每次减少 -
固定式路由选择
每个结点保存一张固定的路由表，当某一分组到达时， 根据分组的目的结点，在路由表中找到其对应的输出 链路，然后来分组从该链路转发出去。 -
最佳路由选择算法
- 一般采用最短路径算法。
- "费用”的含义非常广泛，可以是距离、平 均通信量、延迟、下跳数等。
- 将网络看成连通图，每条链路以其“费用” 为权值，通过Dijkstra最短路径算法求出任 意两个结点之间的最短距离。
动态策略：根据当前拓扑结构和流量的变化来动 态改变路由，又称为自适应路由
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孤立路由算法
- 热土豆算法（与固定路由算法混合使用）
- 逆向自学习（好消息灵敏，坏消息可以设置时间删除未刷新记录）
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集中路由算法
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分布路由算法
- 距离向量（D-V算法）:每个结点都保存一张路由表，路由表包 括三个主要字段，即目的地址，最短距离、最佳输 出链路。与固定路由选择不同的是：相邻结点之间 定期交换路由信息（如每隔十秒），并根据最新路 由信息，刷新路由表。
- 链路状态路由选择（L-S算法）:定期广播路由信息并根据最新信息刷新路由表。 发现邻居节点，测量链路开销，产生链路状态分组。对网络反应迅速
| D-V | L-S | |
|---|---|---|
| 交换路由信息 | 定期 | 网络拓扑结构发生 改变（或定期） |
| 路由更新 | 缓慢 | 迅速 |
| 适用范围 | 小规模，变化缓慢 的网络 | 大规模，变化较激 烈的网络 |
IP协议
IP协议是Internet体系结构的核心协议，已成 为连接异构网络的工业标准。
IP提供无连接的数据报服务，每个IP分组长 度≤64K字节，不能保证分组可靠的，按序到 达，这些留给高层协议解决。
IP协议需要路由协议ICMP，ARP，RARP等 协议支持
ARP: 根据IP地址获取物理地址
地址
- host-id为零的IP地址表示该网络本身
- 回送地址：127.0.0.0-127.255.255.254为回送地址。
- 0.0.0.0：代表的是本主机地址，任何一台主机都可以其表示 自己,仅在系统启动时会使用，启动完成后不再使用。
- 255.255.255.255：受限广播地址，广播范围为主机所在的网 络。所有网关都不会向外广播。
- 保留地址：10.0.0.0 172.16~172.31 192.168.0.0~192.158.255.0
子网的规模与借用主机字段的位数有关。借用位数越多，子网规模越大。
采用子网掩码来分离网络号和主机号
ip寻址：每个路由器中都保存一张路由表（无论是静态还是动态）。路由表 的主要项目有两个：网络号、下一跳地址（最佳输出链路）。
其他协议
网际控制报文协议 ICMP
差错报告，询问报文 ping TTL
地址解析协议ARP
是将IP地址转化成MAC，有存则发送，没有则发送ARP请求找相应的MAC地址。
RARP与ARP相反，知道MAC不知道IP。
传输层 （网关）
在计算机网络中，传输层处于非常重要的位置。传输 层，也称为运输层，无论在OIS还是在TCP/IP模型中 ，传输层都处于面向应用部分的最低层和面向通信部分的最高层。（承上启下）进程间通信
网络边缘：主机、存储、服务器、数据库
网络核心：路由器、链路
主要功能：为运行在网络边缘的不 同主机上的各应用程序之间提供通信服务；在应用层和网络层之间充当复用器的作用。各种各样的网络应用，通过传输层的端口被提交统一的网络层，并由IP协议用统一的方式将它们发送到网络中。
提供的服务
- 面向连接的服务（TCP）FTP,Telnet 可靠 开销大
- 面向无连接的服务（UDP）SNMP,DNS 不提供可靠交付
端口与地址
进程标识符X，利用协议端口（软件端口）。
熟知端口：0~1023
登记端口号：1024~49151
客户端口号，短暂端口号：49152~65535
传输服务访问点：当两个不同主机的两个进程需要通信时 ，必须指明对方是哪一个进程，这个标记称为传输层地 址，也称为传输服务访问点（TSAP）
传输层地址（TSAP） = 主机IP地址+端口号
e.g. 192.168.10.1:80
套接字：为了使应用程序能够方便地使用 协议栈软件进行通信的一种方法。{协议，本地地址，本地端口，远程地址，远程端口} 上联应用，下联网络协议栈。
流式套接字（stream socket）：提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复 的发送，且按发送顺序接收。内设流量控制，避免数据流超 限；数据被看作是字节流，无长度限制。
数据报式套接字（Datagram socket）：提供无连接服务。数据包以独立包形式发送，不提供无差错 保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。
原始套接字（Raw Socket）：字允许对较低层次的协议，如IP、ICMP直接访 问，用于检验新的协议的实现。
用户数据报协议（UDP）
UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的功能 ，即端口的功能和差错检测的功能。
- UDP是无连接协议，在发送数据之前不需要建立连接。 不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制。
- UDP是面向报文，没有拥塞控制，很适合多媒体通信 的要求。
- UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
- UDP 的首部开销小，只有 8 个字节。
- 发送方 UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后 就向下交付 IP 层。
- UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。
- 应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一 次发送一个报文。
- 接收方 UDP 对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去 除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。
- 应用程序必须选择合适大小的报文。
传输控制协议（TCP）
是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
- TCP 是面向连接的传输层协议。
- 每一条 TCP 连接只能有两个端点(endpoint)，每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。
- TCP 提供可靠交付的服务。
- TCP 提供全双工通信。
- 面向字节流。
TCP的连接
- TCP把连接作为最基本的抽象。
- 每一条TCP 连接有两个端点。
- TCP连接的端点叫做套接字(socket)或插口。
- 端口号拼接到(contatenated with) IP 地址即构成了 套接字
{(IP1: port1), (IP2: port2)}
连接的三个阶段：连接建立、数据传送、连接释放
为何要进行三次握手和三次挥手
连接需要三次握手
- 客户端→服务器。客户端向服务器提出连接建立请求，即发出同步请求报文。
- 客户端←服务器。服务器收到客户端的连接请求后，向客户端发出同意建立连接的同步确认报文。
- 客户端→服务器。客户端在收到服务器的同步确认报文后，向服务器发出确认报文。
目的：同步双方的序列号和确认号并交换TCP窗口大小； 让双方都证实对方能收到
连接的释放 四次挥手
- 客户端→服务器。客户端向服务器发出一个连接释放报文。
- 客户端←服务器。服务器收到客户端的释放连接请求后，向客户端发出确认报文。
此时客户端不再发送数据(仅响应报文)给服务器，仅接收报文。 （半关闭状态） - 客户端←服务器。服务器在发送完最后的数据后，向客户端发出连接释放确认报文。
- 客户端→服务器。客户端在收到服务器连接释放报文后，向服务器发出确认报文。
- 发送后客户端再等 2*MSL （如果服务器没收到最后的ACK 服务器会再请求一次 等待2MSL确保服务器收到了） 1MSL时间留给最后的ACK确认报文段到达服务器端，1MSL时间留给服务器端再次发送的FIN。
- 收到后服务器CLOSED
客户端要等待2MSL（最大报文生命）后才可以释放
- 保证 客户端 的最后一个ACK可以到达服务器
- 防止失效的连接请求报文出现在本连接中
TCP计时器：至少应该有四种计时器：重传计时器、持久计时器、保活计时器和时间等待计时器
拥塞控制：慢开始 和 拥塞避免
应用层
在TCP/IP中，应用层对应OSI/RM中的会话层、表示层 和应用层，是应用程序与网络传输的接口，是面向应用 需求的通信协议中的最高端。
应用层协议不是应用程序，也不解决用户的具体应用需 求，而是为应用程序进程的网络通信提供服务的第一层 协议，是为用户的应用需求提供通信服务。
规定了运行在不同端系统上的应用程序进程相互传递报文的规范：
- 交换的报文类型，如请求报文和响应报文
- 语法，如报文中的各个字段及这些字段的描述规范
- 语义，即报文各字段的可能取值及其含义
- 进程何时、如何发送报文及对报文进行响应。
体系架构
- 客户-服务器模式
- P2P模式 通信各方地位平等，互为客户端服务器，对中心服务器依赖最小
- 混合模式 混合了C/S和P2P的通信模式
TCP/IP中的应用层协议：域名，超文本传输，电子邮件，会话发起，文件传输，远程访问
域名解析
主机向本地域名服务器的查询一般都是采用递归查询。 如果主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名 的IP 地址，那么本地域名服务器就以 DNS 客户的身份，向其他根域名服务器继续发出查询请求报文。
** 解析过程**
- 首先从主机本地Hosts文件查找。没找到就向本地 DNS发出请求
- 若本地DNS也找不到，则将请求发给负责该域的根 域名字服务器，根服务器会返回一个相应的顶级域 名服务器地址
- 本地域名服务器向顶级域名服务器提出请求。顶级 域名服务器会返回一个权限域名服务器地址
- 本地域名服务器向权限域名服务器提出请求，权限域名服务器将返回目标域名的IP地址。
- 本地域名服务器向查询主机返回目标域名的IP地址。
电子邮件协议
发送：SMTP
读取：POP3 IMAP(不需要全部下载 交互式)
MIME 邮件中传输数据
