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第1章 概述
互联网是网络的网络
互联网的结构
- 第一阶段:单个网络ARPANET
- 第二阶段:三级结构互联网
- 主干网
- 地区网
- 校园网
- 第三阶段:全球范围的多层次ISP结构互联网
- ISP(Internet Service Provider):互联网服务提供者
互联网的组成
- 边缘部分
- 端系统:连接在互联网上的所有主机
- 端系统间的通信方式:C/S、P2P
- 核心部分
- 交换:以某种方式动态分配传输线路的资源
- 两种工作方式:
- 路由器转发分组
- 路由器之间不断交换路由信息
电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
---|---|---|
整个报文直达 | 整个报文存储转发 | 单个分组(包)存储转发 |
建立连接,专用物理通路,始终占用端到端的通信资源,静态分配传输带宽 | 不建立连接 | 不建立连接 |
已建立的连接不受拥塞影响、实时性好 | 省去分组与重装的步骤 | 高效、迅速、可靠、灵活 |
线路利用率低 | 灵活性差,时延大,现在很少使用 | 排队造成一定时延,各分组的控制信息造成一定开销 |
计算机网络的类别
- 作用范围:
- 广域网WAN
- 城域网MAN
- 局域网LAN
- 个人局域网PAN
- 使用者:
- 公用网
- 专用网
计算机网络的性能指标
- 速率(数据率/比特率)
- 数据的传送速率
- 单位:bit/s(即bps)
- 往往指额定/标称速率
- 带宽
- 最高数据率
- 单位:bit/s
- 吞吐量
- 单位时间实际数据量
- 单位:bit/s
- 时延
- 端到端所需时间
- 单位:s
- 发送时延
- 数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)
- 越长越大、越快越小
- 传播时延
- 信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)
- 越远越大
- 处理时延
- 排队时延
- 总时延=发送+传播+处理+排队
- 高速网络链路仅仅是提高了发送速率(bit/s),不是传播速率(m/s)
- 时延带宽积
- 传播时延(s)*带宽(bit/s)
- 单位bit
- 往返时间RTT
- 发送时间=数据长度/发送速率
- 需要确认时:有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)
- *此处的发送时间通过上一个公式算出
- 利用率
- 信道利用率:某信道有百分之几的时间是被利用的
- 网络利用率:全网信道利用率的加权平均值
:网络空闲时时延 :网络当前时延 :当前网络利用率
- 信道/网络利用率过高会产生非常大的时延
计算机网络体系结构
- OSI/RM(Open Systems Interconnection Reference Model):开放系统互连基本参考模型
- 网络协议三要素:
- 语法:数据与控制信息的结构或格式
- 语义:发出何种控制信息,完成何种动作及做出何种响应
- 同步:事件实现顺序的详细说明
- 分层
- 好处:各层独立、灵活性好、结构可分、易于实现与维护、促进标准化工作
- 各层功能:差错控制、流量控制、分段和重装、复用和分用、连接建立和释放
- 体系结构:计算机网络的各层及其协议的集合
- 体系结构(抽象)<=>实现(具体)
- OSI七层协议体系结构:
- 应用层
- 表示层
- 会话层
- 运输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层
- TCP/IP四层:
- 应用层
- 运输层(TCP/UDP)
- 网际层IP
- 链路层(网际接口层)
- 协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)
- 应用层(报文)
- 运输层(TCP:报文段/UDP:用户数据报)
- 网络层(IP数据报/分组)
- 数据链路层(帧)
- 物理层(比特)
- 实体(entity):任何发送或接受信息的软硬件进程
- 协议:两个/多个对等实体进行通信的规则的集合
- 下层协议对上层透明,本层协议需要使用到下层服务
- 协议水平、服务垂直
- 服务访问点SAP(Service Access Point):相邻两层实体进行交互的地方
- 服务数据单元SDU(Service Data Unit):层与层间交换数据的单位
- TCP/IP协议族
- everything over IP(IP层可以支持多种运输层协议,不同运输层协议上又可以有多种应用层协议)
- IP over everything(IP协议可以在多种类型的网络上运行)
第2章 物理层
基本概念
- 主要任务:
- 确定与传输媒体接口有关的一些特性
- 机械特性
- 电气特性
- 功能特性
- 过程特性
- 完成传输方式的转换(并行<->串行)
- 确定与传输媒体接口有关的一些特性
数据通信基础知识
- 数据通信系统
- 源系统
- 源点
- 发送器
- 传输系统
- 目的系统
- 接收器
- 终点
- 消息:通信传送消息
- 数据:运送消息的实体
- 信号:数据的电气/电磁表现
- 模拟信号(连续)
- 数字信号(离散)
- 码元:代表不同离散数值的基本波形
- 源系统
- 信道基本概念
- 信道:向某一方向传送消息的媒体
- 交互方式
- 单向通信(单工)
- 双向交替通信(半双工)
- 双向同时通信(全双工)
- 基带信号:来自信源的信号
- 调制:
- 基带调制(编码):仅变换波形,仍是基带信号,一种数字信号转换为另一种
- 常用编码方式:
- 不归零制(正电平1,负电平0)
- 归零制(正脉冲1,负脉冲0)
- 曼彻斯特编码(位周期中心向下跳变1,向上0)
- 差分曼彻斯特编码(中心始终跳变,位开始边界无跳变1,有跳变0)
- 常用编码方式:
- 带通调制(载波):把基带信号频率范围搬到较高频段,并转为模拟信号,称作带通信号
- 基本带通调制方法:
- 调幅AM(Amplitude Modulation):如无载波0,有载波1
- 调频FM(Frequency Modulation):如频率f1为0,频率f2为1
- 调相PM(Phase Modulation):如相位0度为0,180度为1
- 基本带通调制方法:
- 基带调制(编码):仅变换波形,仍是基带信号,一种数字信号转换为另一种
- 信道极限容量
- 噪声:干扰信号传输的能量场
- 失真:码元传输速率↑、信号传输距离↑、噪声干扰↑、传输媒体质量↓
- 限制码元在信道上传输速率的因素(2个)
- 信道能够通过的频率范围
- 码间串扰
- 奈氏准则:带宽为
的低通信道,不考虑噪声影响,码元传输最高速率为
- 信噪比
:信号的平均功率 :信号的平均噪声- 香农公式:
:信道的极限信息传输速率- 信道的带宽↑、信道中的信噪比↑
- 只要信息传输速率低于
,就一定存在某种办法实现无差错的传输
- 编码让每一个码元携带更多比特的信息量
- 奈氏准则(激励探索更先进的编码技术)<=>香农公式(在有噪声的实际信道上,无论采用多复杂的编码技术都不可能突破
)
- 信道能够通过的频率范围
物理层下的传输媒体
- 导引型:电磁波沿固体媒体传播
- 双绞线
- 两根互相绝缘的铜导线绞合,减少对相邻导线的电磁干扰
- 分类:无屏蔽双绞线UTP、屏蔽双绞线STP
- 同轴电缆
- 光缆
- 组成:纤芯、包层
- 纤芯直径:8~100
- 原理:高折射率向低折射率(折射角>入射角)、入射角足够大时的全反射
- 多模光纤:多条不同角度的入射光线在一条光纤中传输,只适合近距离传输
- 单模光纤:纤芯直径只有几
,不会产生多次反射,成本高
- 双绞线
- 非导引型:自由空间中传播
信道复用技术
- 频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing):同时占用不同带宽资源
- 时分复用TDM(Time Division Multiplexing):不同时间占用同样的频带宽度
- 划分时间为等长的时分复用帧(TDM帧),每一个用户在每一个TDM帧中占用固定时隙(Time Slot)
- TDM信号也称为等时(isochronous)信号
- 统计时分复用STDM(Statistic TDM):异步时分复用
- 集中器(concentrator)
- 每个STDM时隙数小于连接在集中器中的用户数
- 波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing):光的频分复用
- 码分复用CDM(Code Division Multiplexing)
- 码分多址CMDA(Code Division Multiple Access)
- 码片(chip):每一比特时间划分为m个短间隔
- 每个站有唯一m位码片序列(chip sequence),原样发送/发送其二进制反码来表示1/0
- 扩频信号
- 不同站的码片序列要互相正交,使用伪随机码序列
(与其反码的规格化内积为-1)
- 接收S站:
- 码分多址CMDA(Code Division Multiple Access)
数字传输系统
- 脉码调制PCM(时分复用)
- 缺点:速率标准不统一、不是同步传输
- 同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)
- 第1级同步传送信号速率STS-1:51.840Mbit/s
- 对光信号称为第1级光载波OC-1
- 同步数字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)
- 第1级同步传递模块STM-1:155.520Mbit/s
宽带接入技术
- 非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)
- 数字技术改造现有模拟电话线,把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用
- 下行(从ISP到用户)带宽远大于上行带宽
- 离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)
- 即多载波/多子信道
- 频分复用(40kHz~1.1MHz)
- 光纤同轴混合网(HFC网)
- 把原有线电视网同轴电缆主干部分替换为光纤
- 使用光纤模拟技术
- FFTx(光纤到……)
- 光纤到户FFTH(Fiber To The Home)
第3章 数据链路层
概念
- 信道类型:
- 点对点
- 广播
- 链路(物理链路):一个节点到相邻节点的一段物理线路(有/无线)
- 数据链路(逻辑链路):
- PDU:帧
- 三个基本问题:
- 封装成帧(Framing)
- 首部和尾部:用于帧定界
- 最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit):帧的数据部分长度上限
- 帧定界符:出现差错时作用明显
- 帧开始符SOH(Start Of Header)
- 0x01
- 表示首部开始
- 帧结束符EOT(End of Transmission)
- 0x04
- 表示帧结束
- 帧开始符SOH(Start Of Header)
- 透明传输(Transparent Transmission)
- 无论怎样比特组合的数据,都原样无差错地通过
- 转义字符ESC
- 0x1B
- 字节/字符填充:在数据中的SOH/EOT/ESC前插入ESC
- 差错检测(Error Detection)
- 比特差错:1->0/0->1
- 误码率BER(Bit Error Rate):
- 传输错误的比特/总比特
- 信噪比↑
- 循环冗余检验CRC(Cyclic Redundancy Check)
- 数据分组:每组k比特,记其一为
- 在
后添加n位冗余码发送,共k+n位数据- 二进制模2运算 (加法不进位,异或)
( 后添加n个 ,再除以约定的n+1位除数 )- 得出n位余数
作为冗余码
- 帧检验序列FCS(Frame Check Sequence):指添加的冗余码
- 收到数据后CRC检验:收到的每一个帧都除以P(模2运算)
- 无差错:余数R=0
- 有差错:余数R≠0,无法判断位置,丢弃
- 生成多项式
- 仅用CRC技术只能做到无差错接受,无比特差错的传输,并不是“可靠传输”
- 传输差错:
- 比特差错
- 帧丢失
- 帧重复
- 帧失序
- 需要编号、确认和重传机制
- 现采用区别对待:
- 通信质量好的有线传输链路不使用确认和重传机制
- 无线传输链路使用确认和重传机制
- 传输差错:
- 数据分组:每组k比特,记其一为
- 封装成帧(Framing)
点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)
- 特点:
- 简单:无纠错、无序号、无流量控制
- 封装成帧
- 透明传输
- 同一条物理链路支持多种网络层协议
- 在多种类型链路上运行
- 差错检测(丢弃)
- 检测连接状态
- MTU:1500字节
- 网络层地址协商
- 数据压缩协商
- 组成:
- 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
- 一个链路控制协议LCP(Link Control Protocol):建立、配置和测试数据链路连接
- 一套网络控制协议NCP(Network Control Protocol)
- PPP帧格式:
字段 标志F
(帧定界符)地址A 控制C 协议 数据(IP数据报) FCS 标志F 字节数 1 1 1 2 <=1500 2 1 规定值 0x7E 0xFF 0x03 0x0021(IP)
0xC021(LCP)
0x8021(NCP)0x7E - 字段含义
- 首部(4字段,5字节):
- 标志字段F=0x7E,表示帧的开始/结束
- 连续两帧间只需要一个F
- 地址字段A=0xFF,无意义
- 控制字段C=0x03,无意义
- 协议字段(2字节)
- 0x0021:信息字段为IP数据报
- 0xC021:信息字段为LCP数据
- 0x8021:信息字段为网络层控制数据
- 标志字段F=0x7E,表示帧的开始/结束
- 信息字段
- 长度可变,不超过MTU(1500字节)
- 尾部(2字段)
- FCS(2字节):用于CRC帧检验
- 标志字段F=0x7E
- 首部(4字段,5字节):
- 字节填充(异步传输):
- 转义符=0x7D(作用于信息字段)
- 0x7E=>(0x7D,0x5E)
- 0x7D=>(0x7D,0x5D)
- ASCII码控制符(<0x20)如0x03=>(0x7D,0x23)
- 链路上信息字节数可能超过原长,但可在接收端恢复
- 转义符=0x7D(作用于信息字段)
- 零比特填充(同步传输):
- 信息字段中出现5个连续1,立刻填入1个0
- 原理:F=0x7E=01111110
- 字段含义
- 工作状态(6种):
- 链路静止:PPP链路的起始和终止状态
- 设备间无链路
- 链路建立(->LCP配置协商失败->链路静止)
- 物理链路(物理层连接)
- 鉴别(鉴别失败->链路终止->链路静止)
- LCP链路(数据链路层连接)
- 网络层协议
- 已鉴别的LCP链路
- 链路打开(->链路终止->链路静止)
- 已鉴别的LCP链路和NCP链路
- 链路终止
- 链路静止:PPP链路的起始和终止状态
使用广播信道的数据链路层
- 共享信道技术:
- 静态划分信道
- FDM、TDM等
- 无冲突但代价高,不适合局域网使用
- 动态媒体接入控制(即多点接入)
- 随机接入
- 可随机发送信息
- 解决碰撞
- 受控接入
- 不可随机发送信息,要服从控制
- 典型代表:探询(轮询)
- 随机接入
- 静态划分信道
- 以太网的两个标准:
- DIX Ethernet V2
- IEEE 802.3
- 数据链路层的两个子层(IEEE 802.2):
- 逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层
- 现已无用
- 媒体接入控制MAC(Medium Access Control)子层
- 逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层
- 网络适配器(adapter)
- 又称为网络接口卡NIC(Network Interface Card)/网卡
- 功能:
- 串行(到局域网)/并行(计算机内)传输的转换
- 缓存数据
- 实现以太网协议
- CSMA/CD协议
- 以太网为了通信简便采取的两种措施:
- 无连接、无编号与确认
- 尽最大努力的交付,不可靠的交付
- 使用曼彻斯特编码
- 无连接、无编号与确认
- 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
- 概念:
- 多点接入:总线型网络
- 载波监听:发送数据前/中不停检测信道
- 碰撞(冲突)检测:
- 边发送数据边检测信道上的信号电压大小
- 发现总线出现碰撞后,适配器要立刻停止发送,然后等待一段随机时间后再次发送
- 冲突检测
- 电磁波在1km电缆的传播时延约为5μs
- 总线上单程端到端的传播时延记为τ
- 发出数据帧的站在发送后至多2τ内就能知道是否遭到碰撞,即以太网端到端往返时延,称为争用期/碰撞窗口
- 使用CSMA/CD协议时不能同时发送与接收,只能进行半双工通信
- 以太网发送的不确定性:不能保证在检测到信道空闲后的某一时间内,一定能够把自己的数据帧成功发出去=>以太网的平均通信量远小于其最高数据率
- 截断二进制指数退避(truncated binary exponential backoff)
- 基本退避时间:争用期
,可使10Mbit/s以太网发送512比特,即64字节- 以太网发送数据时,若前64字节没有发生冲突,则后续数据就不会发生冲突
- 从离散整数集合
中随机取一个数- 重传推后
倍争用期 - 从1开始
- 重传推后
- 重传超过16次仍不能成功时丢弃该帧,并报告高层
- 基本退避时间:争用期
- 最短有效帧长:64字节(512比特)
- 用途:抛弃受损帧
- 长度<64字节 => 由于冲突而异常终止的无效帧 => 丢弃
- 用途:抛弃受损帧
- 强化碰撞:发生碰撞时,停止发送数据,并发送32/48比特的人为干扰信号(jamming signal)
- 32/48比特
- 总线被占用:
- 帧间最小间隔:
- 在此间隔内不停检测信道,始终保持空闲才能发送
- 概念:
- 以太网为了通信简便采取的两种措施:
- 集线器星型拓扑
- 使用CSMA/CD协议
- 逻辑上仍是总线网
- 集线器工作在物理层,每个端口仅简单转发比特,不进行碰撞检测
- 以太网的信道利用率
- 假定发送帧需要
- 成功发送一个帧需要占用信道
- 定义参数
=> 一发生碰撞就能检测出来,信道利用率高 => 争用期占比↑,信道利用率↓
- 结论:当数据率
一定时,以太网的连线长度受到限制(否则 太大),帧长不能太短(否则 太小) - 极限信道利用率
- 理想情况下,假定不发生碰撞
- 指出了只有当
远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率
- 假定发送帧需要
- 以太网的MAC层
- 硬件地址(物理/MAC地址)
-
是一种标识符,固化在适配器的ROM中
-
6字节=48位
字段 OUI EI 字节数 3 3 - 前3字节:组织唯一标识符OUI,IEEE的注册管理机构RA(Registration Authority)分配
- 后3字节:扩展标识符EI,厂家自行指派
- I/G位:第1字节的最低有效位
- 0:单个站地址
- 1:组地址(用于多播)
- G/L位:第1字节的最低第二位
- 0:全球管理
- 1:本地管理
- 适配器过滤功能:每收到一个MAC帧就检测其目标地址,不是发往本站(下例)就丢弃
- 单播(unicast)帧:收到帧的MAC地址与本站相同
- 广播(broadcast)帧:发给本局域网上所有站点
- 全1地址:ff:ff:ff
- 多播(multicast)帧:发给本局域网上部分站点
- 混杂方式:无论目标地址接收所有帧
-
- MAC帧格式(以太网V2)
字段 前同步码 帧开始定界符SFD 目的地址 源地址 类型 数据(IP数据报) FCS 字节数 7 1 6 6 2 46~1500 4 所在层 物理层 物理层 MAC层 MAC层 MAC层 MAC层(IP层) MAC层 - 补充说明:
- 类型:标志上一层使用的协议,如0x0800是IP数据报
- 数据:
- 前同步码:适配器接收时调整时钟频率与发送端时钟同步
- 帧开始定界符:作用同前同步码
- 无效MAC帧:丢弃
- 帧长度不是整数字节,或不在64~1518字节间
- 用收到的帧检验序列FCS查出有差错(不包括物理层的8字节)
- 数据字段长度不在46~1500字节间
- 补充说明:
- 硬件地址(物理/MAC地址)
扩展的以太网
- 物理层扩展
- 光纤连接主机和集线器
- 多个集线器可以形成更大范围的多级星形结构以太网
- 好处:
- 跨原来的独立碰撞域通信
- 扩大了局域网覆盖的物理范围
- 缺点:
- 碰撞域增大了,但总吞吐量并未提高
- 使用不同数据率的碰撞域无法使用集线器互连
- 好处:
- 数据链路层扩展
- 网桥(bridge)
- 好处:
- 过滤通信量
- 扩大了物理范围
- 提高了可靠性
- 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网
- 按存储转发方式工作
- 交换表:
- MAC地址
- 接口(端口)
- 进入网桥的时间:一定时间后自动删除,只保留网络拓扑的最新信息
- 自学习
- 收到发送帧,查找交换表
- 无源地址 => 写入
- 无目的地址 => 广播 => 过滤
- 有目的地址 => 转发到特定端口,无需广播
- 通过写入源地址端口,增加表项,渐渐不必广播
- 收到发送帧,查找交换表
- 生成树协议STP(Spanning Tree Protocol)
- 避免广播帧在环路内兜圈子
- 任一主机到其他所有主机的路径都是无环路的树状结构
- 交换表:
- 好处:
- 交换式集线器(switching hub)
- 又称以太网交换机或第二层交换机
- 工作在数据链路层
- 淘汰了网桥,实质上是一个多端口的网桥
- 全双工(不使用CSMA/CD协议)
- 总线型以太网使用CSMA/CD协议,半双工
- 交换方式:
- 直通(cut-through)
- 只检查数据包包头(14字节)
- 不需要存储
- 延迟小、交换速度快
- 不能进行差错检测,不能进行线路速率匹配
- 存储转发(store-and-forward)
- 进行差错检测
- 可进行线路速率匹配
- 数据处理延时大
- 直通(cut-through)
- 网桥(bridge)
- 虚拟局域网
- VLAN标签(tag)
- 扩展以太网帧格式,在源地址字段后添加4字节VLAN标签字段
字段 802.1Q标签类型 标签控制信息 字节数 2 2 值 0x8100 前4位:无用
后12位:VID- 前2字节:802.1Q标签类型,总为0x8100
- 后2字节:
- 前4位:无用
- 后12位:VLAN标识符VID,唯一标志802.1Q帧属于哪个VLAN
- 12位VID可识别212=4096个不同VLAN
- 以太网最大帧长:1518字节->1522字节
- 扩展以太网帧格式,在源地址字段后添加4字节VLAN标签字段
- 汇聚链路(trunk link)
- 又称干线链路,是连接两个交换机端口之间的链路
- 数据帧在进入交换机1端口后,被打上VLAN标签,方便在TRUNK里传输;转发出交换机2端口前去掉标签
- VLAN标签(tag)
高速以太网
- 以太网优点:
- 可扩展(10Mbit/s到10Gbit/s)
- 灵活(多种媒体、全/半双工、共享/交换)
- 易于安装
- 稳定性好
- 概念
- 高速以太网:速率达到/超过100Mbit/s
- 100BASE-T以太网
- 又称快速以太网
- 在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网
- 使用IEEE802.3的CSMA/CD协议(全双工方式下不用)
- 争用期:5.12μs=512比特时间
- 帧间最小间隔:0.96μs=96比特时间
- 吉比特以太网(802.3z)
- 1Gbit/s下全双工/半双工
- 使用802.3帧格式
- 半双工用CSMA/CD,全双工不用
- 与10BASE-T/100BASE-T技术向后兼容
- 10吉比特以太网
- 与10M/100M/1G以太网帧格式完全相同,保留了802.3的最小/最大帧长
- 只工作在全双工方式,不存在争用问题,不使用CSMA/CD
第4章 网络层
概念
- 网络层提供的两种服务
- 虚电路服务
- 面向连接的通信方式,让网络负责可靠交付
- 虚电路VC(Virtual Circuit)
- 在分组交换网络上的两个端点间的链路
- 只是一条逻辑上的连接
- 数据报服务
- 简单灵活、无连接、尽最大努力交付,网络层不提供服务质量的承诺
- 数据报(datagram):即分组
- 虚电路服务
- 网络层的两个层面
- 数据层面
- 独立根据本路由器的转发表转发分组数据
- 控制层面
- 传送路由信息,依靠许多路由器协同创建路由表,由此导出转发表
- 数据层面
网际协议IP(Internet Protocol)
- 与协议IP配套使用的三个协议:
- 地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)
- 网际控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)
- 网际组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)
- 虚拟互连网络
- 连接网络的中间设备:
- 物理层:转发器(repeater)
- 数据链路层:网桥(bridge)/交换机(switch)
- 网络层:路由器(router)
- 网络层以上:网关(gateway)
- 网络互连:指用路由器进行网络互连和路由选择
- 虚拟互连网络:使用协议IP使性能各异(异构)的物理网络看起来好像一个统一的网络
- 可称为IP网
- 直接/间接交付:是否在本网络上
- 跳(hop):分组在传输途中的每一次转发
- 连接网络的中间设备:
- IP地址
- IP地址及其表示方法
- 由互联网名字和数字分配结构ICANN(Internet Coporation for Assigned Names and Numbers)进行分配
- 点分十进制记法(dotted decimal notation):
- 32位IP地址每8位转为十进制数字,中间加点
- IP地址::=
- 分类的IP地址
网络类别 每个网络中的最大网络数 第一个可用的网络号 最后一个可用的网络号 主机数 A 27-2 1 126 224-2 B 214 128.0 191.255 216-2 C 221 192.0.0 223.255.255 28-2 - 无分类编址CIDR
- 构造超网
- 网络前缀长度<24的CIDR地址块都包含了多个C类地址
- 路由聚合
- 路由器转发表中利用较大的CIDR地址块代替许多较小的地址块
- 构造超网
- IP地址特点(4点):
- 分等级的地址结构
- 管理机构只分配网络前缀
- 路由器只根据目标主机连接的网络前缀(即地址块)转发分组
- IP地址标志一台主机(/路由器)和一条链路的接口
- 多归属主机
- 一个网络:具有相同网络前缀的主机的集合
- 转发器/交换机连起来的若干个局域网仍为一个网络
- 不同前缀必须使用路由器互连
- 所有网络前缀的网络平等
- 分等级的地址结构
- 以太网交换机是链路层设备,只有MAC地址
- IP地址及其表示方法
- IP地址与MAC地址
- 区别
- 为什么要使用?
- 地址解析协议ARP
- ARP高速缓存(cache)
- 生存时间
- 发送IP数据报过程:
- ARP cache中有 => 写入MAC帧,发
- ARP cache中无
- 广播请求
- 单播响应
- 两端都写入
- ARP高速缓存(cache)
- IP数据报格式
- 固定首部(20字节)
- 版本(4)
- 首部长度(4)
- 32位字长为单位,最大60字节
- 区分服务(8)
- 总长度(16)
- 最大长度216-1=65535字节
- 标识(16)
- 标志(3)
- DF(中间1)
- MF(末尾1)
- 片偏移(13)
- 生存时间TTL(8)
- 协议(8)
- 首部检验和(16)
- 源地址(32)
- 目的地址(32)
- 可变首部
- 4字节整数倍,不够以0补齐
- 固定首部(20字节)
IP层转发分组的过程
- 基于终点的转发
- 从转发表得出下一跳路由器的IP地址
- 目的地址与路由表项的网络前缀AND运算=>前缀匹配
- 交给链路层网络接口软件
- IP地址->ARP->MAC地址
- MAC地址填入MAC帧首部
- 转发到下一跳路由器的链路层
- 取出MAC帧数据部分交给网络层
- 从转发表得出下一跳路由器的IP地址
- 最长前缀匹配
- 最长的排在第一行
- 主机路由:转发表最前
- 默认路由:最后处理
- 分组转发算法过程:
- 提取目的IP地址D
- 查找是否有目的地址为D的特定主机路由,有则转发
- 转发表各行子网掩码与D按位与,前缀匹配则转发
- 无行前缀匹配,则若有默认路由按其转发(或直接交付),若无报告转发分组出错
网际报文控制协议ICMP
- ICMP报文格式
字节数 1 1 2 4 长度取决于类型 字段 类型 代码 检验和 与ICMP类型有关 数据字段 - 首部(前8字节)
- 前4字节为统一格式
- 后4字节取决于ICMP类型
- 数据字段(长度取决于ICMP类型)
- 首部(前8字节)
- 报文种类
- ICMP差错报告报文
类型 终点不可达 时间超过 参数问题 改变路由 值 3 11 12 5 场景 不能交付 TTL=0 字段值不正确 更好的路由 - 格式
- 作为IP数据报的数据部分
字节数 8 20(+n) 8 字段 ICMP首部 IP数据报首部 IP数据报数据字段前8字节
得到运输层端口号(TCP/UDP)与序号(TCP)
- 作为IP数据报的数据部分
- 不发送差错报文的情况:
- 对差错报文
- 对分片的后续数据报
- 对具有多播地址的数据报
- 对具有特殊地址(如127.0.0.0)的数据报
- 格式
- ICMP询问报文
类型 回送请求/回答 时间戳请求/回答 值 8/0 13/14 场景 测试目的站是否可达及其他状态 计算当前网络时延 - 应用
- PING
- 回送请求/回答
- 不经过运输层TCP/UDP
- traceroute
- 发送一连串TTL从1递增的IP数据报,封装无法交付的UDP用户数据报
- 未到目的主机,TTL=0 => 时间超过
- 最后一个到达目的主机 => 终点不可达
- 对每个TTL值发送三次同样的数据报
- 发送一连串TTL从1递增的IP数据报,封装无法交付的UDP用户数据报
- PING
- ICMP差错报告报文
缩写/英文对照表
缩写 | 英文 | 中文 | 位置 |
---|---|---|---|
ISP | Internet Service Provider | 互联网服务提供者 | P6 |
IXP | Internet eXchange Point | 互联网交换点 | P6 |
RFC | Request For Comments | 请求评论 | P8 |
-- | switching | 交换 | P13 |
-- | message | 报文 | P14 |
-- | packet | 分组/包 | P14 |
-- | overhead | 开销 | P16 |
LAN | Local Area Network | 局域网 | P20 |
RTT | Round-Trip Time | 往返时间 | P25 |
OSI/RM | Open Systems Interconnection Reference Model | 开放系统互连基本参考模型 | P28 |
-- | architecture | 体系结构 | P30 |
-- | application layer | 应用层 | P31 |
-- | transport layer | 传输层 | P32 |
TCP | Transmission Control Protocol | 传输控制协议 | P32 |
UDP | User Datagram Protocol | 用户数据报协议 | P32 |
-- | network layer | 网络层 | P32 |
-- | data link layer | 数据链路层 | P32 |
-- | physical layer | 物理层 | P33 |
-- | protocol suite | 协议族 | P33 |
-- | frame | 帧 | P32 |
PDU | Protocol Data Unit | 协议数据单元 | P33 |
SAP | Service Access Point | 服务访问点 | P34 |
SDU | Service Data Unit | 服务数据单元 | P34 |
-- | channel | 信道 | P44 |
-- | modulation | 调制 | P44 |
-- | carrier | 载波 | P44 |
FDM | Frequency Division Muliplexing | 频分复用 | P56 |
-- | isochronous | 等时 | P56 |
-- | time slot | 时隙 | P56 |
-- | demultiplexer | 分用器 | P57 |
CDMA | Code Division Multiple Access | 码分多址 | P60 |
-- | spread spectrum | 扩频 | P60 |
-- | silently discard | 默默丢弃 | PDF57 |
MTU | Maximum Transfer Unit | 最大传送单元 | P74 |
-- | framing | 封装成帧 | P74 |
SOH | Start Of Header | 帧开始符 | P74 |
EOT | End Of Transmission | 帧结束符 | P74 |
-- | transparent transmission | 透明传输 | P75 |
-- | byte/character stuffing | 字节/字符填充 | P75 |
-- | error detection | 差错检测 | P76 |
BER | Bit Error Rate | 误码率 | P76 |
CRC | Cyclic Redundancy Check | 循环冗余检验 | P76 |
FCS | Frame Check Sequence | 帧检验序列 | P76 |
LCP | Link Control Protocol | 链路控制协议 | P80 |
NCP | Network Control Protocol | 网络控制协议 | P80 |
-- | multiple access | 多点接入 | P85 |
-- | polling | 探询 | P85 |
LLC | Logical Link Control | 逻辑链路控制 | P85 |
MAC | Media Access Control | 媒体接入控制 | P85 |
-- | adapter | 适配器 | P86 |
CSMA/CD | Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection | 载波监听多点接入/碰撞检测 | P88 |
-- | truncated binary exponential backoff | 截断二进制指数退避 | P90 |
-- | jamming signal | 人为干扰信号 | P91 |
-- | preamble | 前同步码 | PDF67 |
SFD | Start-of-Frame Delimiter | 帧开始定界符 | PDF67 |
-- | hub | 集线器 | P92 |
-- | identification system | 标识系统 | P95 |
RA | Registration Authority | 注册管理机构 | P96 |
OUI | Organizationally Unique Indentifier | 组织唯一标识符 | P96 |
-- | extended identifier | 扩展的标识符 | P96 |
-- | collision domain | 碰撞域 | P100 |
STP | Spanning Tree Protocol | 生成树协议 | P103 |
-- | Runt | <64字节的无效帧 | PDF69 |
-- | Jabber | >1518字节的无效帧 | PDF69 |
VC | Virtual Circuit | 虚电路 | P115 |
-- | plane | 层面 | P117 |
ARP | Address Resolution Protocol | 地址解析协议 | P119 |
ICMP | Internet Control Message Protocol | 网际控制报文协议 | P119 |
IGMP | Internet Group Management Protocol | 网际组管理协议 | P119 |
IP | Internet Protocol | 网际协议 | P120 |
ICANN | Internet Coporation for Assigned Names and Numbers | 互联网名字和数字分配机构 | P122 |
-- | dotted decimal notation | 点分十进制记法 | P122 |
CIDR | Classless Inter-Domain Routing | 无分类域间路由选择 | P125 |
-- | slash notation | 斜线记法 | P125 |
-- | address mask | 子网掩码 | P127 |
-- | routing aggregation | 路由聚合 | P128 |
-- | multihomed host | 多归属主机 | P129 |
-- | Time To Live | 生存时间 | P138 |
-- | host route | 主机路由 | P143 |
-- | default route | 默认路由 | P143 |
PING | Packet InterNet Groper | 分组网间探测 | P148 |
-- | autonomous system | 自治系统 | P158 |
IGP | Interior Gateway Protocol | 内部网关协议 | P158 |
EGP | External Gateway Protocol | 外部网关协议 | P158 |
-- | interdomain routing | 域间路由选择 | P158 |
-- | intradomain routing | 域内路由选择 | P158 |
BGP | Boarder Gateway Protocol | 边界网关协议 | P159 |
RIP | Routing Infomation Protocol | 基于距离向量的路由选择协议 | P159 |
OSPF | Open Shortest Path First | 开放最短路径优先 | P164 |
-- | link state protocol | 链路状态协议 | P164 |
-- | flooding | 洪泛法 | P164 |
-- | metric | 度量 | P164 |
-- | fully adjacent | 完全邻接的 | P167 |
-- | designated router | 指定的路由器 | P168 |
-- | switching fabric | 交换结构 | P176 |
VPN | Virtual Private Network | 虚拟专用网 | P186 |
NAT | Network Address Translation | 网络地址转换 | P188 |
NAPT | Network Address and Port Translation | 网络地址与端口号转换 | P188 |
ARQ | Automatic Repeat reQuest | 自动重传请求 | P223 |
MSS | Maximum Segment Size | 最大报文段长度 | P228 |
RTO | Retransmission Time-Out | 超时重传时间 | P234 |
-- | global synchronization | 全局同步 | P246 |
AQM | Active Queue Management | 主动队列管理 | P246 |
RED | Random Early Detection | 随机早期检测 | P246 |
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