计算机网络笔记

>>第一章  概述

ISP : 网络服务提供商 (Internet Service Provider)

NAP : 网络接入点 (Net Access Point)

网络通信模式： C/S (一种特例 B/S)  P2P

路由： 实现分组交换(packet switching)，用来转发受到的分组。

分组交换 采用存储转发 的技术，大大提高线路的利用率。

 

 分组交换的特点：

高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用

灵活：为每个分组独立的选择转发路由

迅速：以分组作为传输单位，可不先建立连接就能向其他主机发送分组

可靠：保证可靠性的网络协议，分布式多路由的分组交换网，使网络有良好的生存性

 

WAN:广域网 MAN:城域网 LAN:局域网PAN:个人区域网

 

            *网络层次划分*：

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   OSI:            |   tcp/ip(实际四层)   |     协议实现

-----------------|--------------------------|-------------------

7 应用层        |         4 应用层          | HTTP SMTP FTP..

6 表示层        |                                  |

5 会话层        |                                  |

----------------------system call----------------------------

4 运输层        |         3 运输层           | TCP(报文段) UDP(用户数据报)

------------------------------------------------------------

3 网络层        |         2 网络层           | IP(IP数据报/分组)

-----------------------------------------------------------------

2 数据链路层    |     1 网络接口层      |  网卡驱动

1 物理层        |   数据链路层/物理层  |  Ethernet 802.3/ppp/ATM/X.25...

------------------|----------------------------|-------------------

 

网络互联的中间设备：

物理层：集线器

数据链路层：网桥或桥接器，第二层交换机

网络层：路由器(有的公司叫第三层交换机)

网络层以上：网关。连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议转换。

 

注：以太网的集线器和交换机都是数据传输的枢纽。Hub是将信号收集放大后传输给所有其它端口，即传输线路是共享的。而交换机能够选择目标端口，在很大程度上减少冲突(Collision)的发生，为通信双方提供了一条独占的线路。

 

网络的性能：

时延和带宽：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

 一个小时延低速率的网络很可能优于一个大时延大速率的网络。

>>第二章  物理层

物理层是为了屏蔽掉各种硬件设备和传输媒体的差异性，为数据链路层提供统一的服务;

香农公式：C=W*log2(1+S/N)  W:信道带宽(Hz); S:信道传输信号的平均功率；N为外部高斯噪声功率。

CDMA:(code devision multiple access 码分多址) 无线传输的一种 信道复用技术;

宽带接入技术:

xDSL:(x digital subscriber line 数字用户线)  x表示具体的宽带接入方案，DSL是对现有模拟电话用户线的数字化改造(常见的ADSL);

HFC:光纤同轴混合网;

FTTx:光纤接入到x; 

>>第三章  数据链路层

>1.点对点信道：

三个基本问题：封装成帧(帧定界)，透明传输，差错控制(crc检验)

ppp(point-to-point protocol) :例如以太网上的PPPoE(ppp over Ethernet)

设计需求：简单，封装成帧，透明性，支持多种网络层协议，支持多种类型链路，差错检测，检测链接状态，规定最大传输单元(MTU)，网络层地址协商，数据压缩协商(非标准)。不需要的功能：纠错(由tcp完成，ppp只需差错检测，因此是不可靠传输协议)，流量控制(同样由tcp完成)，帧序号，多点线路，半双工或单工。

 ppp协议三个组成：ip数据包封装到串行链路的方法，链路控制协议(LCP)，网络控制协议(NCP)

>2.广播信道(局域网:主要研究以太网技术，由于以太网技术载局域网中占据的绝对优势，以太网几乎成为了局域网的同义词，)：

CSMA/CD协议(载波监听多点接入/碰撞检测)：无连接，尽最大努力交付，曼彻斯特编码

总线网:局域网常用的拓扑结构，即使是星型网(通过集线器的以太网，只是看起来像星型)也是逻辑上的总线网

以太网的MAC层:

MAC-48/EUI-48:48位的全球地址，前24位是组织唯一标识符(由RA管理颁发)，后24位是扩展标识符(由厂家自行指派)

 

ppp协议是面向连接的，通信时建立点对点的LCP，NCP连接，在ppp帧中主要包含帧定界开始，协议字段，信息字段，FCS，帧定界结束；协议字段控制信息字段是IP数据包还是LCP的数据；ppp协议已经不是纯粹的数据链路层协议，而是包含了网络层和物理层的内容。

 CSMA/CD协议是无连接的，mac帧主要包括目的地址和源地址字段，类型字段，数据字段，FCS；由网络适配器去监听，查看地址字段若是发给自己的则接收，不是则丢弃。

 

>3.扩展的以太网：

通过 大的集线器 在物理层扩展以太网。碰撞域合并；子网需要相同的以太网技术。

通过 网桥/透明网桥/源路由网桥/多接口网桥(交换机) 在数据链路层扩展以太网。每个子网称为网段，通过转发表转发。隔离碰撞域；可互联不通的物理层、不同mac子层、不同速率的以太网。

>>第四章  网络层

>1.网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。是不可靠服务。

>2.网络层(网际层)协议:ICMP、IGMP/ IP /RARP、ARP

IP地址经历了三个阶段：分类的ip地址，子网的划分，构成超网。

分类的ip地址 ::=  net-id + host-id

IP地址和MAC地址：IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址放在MAC帧的首部。在网络层和网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。在数据链路层是看不到IP地址的。

ARP(地址解析协议):IP->mac   RARP(逆地址解析协议):mac->IP

ARP实现:每个主机都设一个arp高速缓存，存有本局域网上的各主机和路由的IP地址到硬件地址的映射表。源主机通过发送广播arp请求分组的方式传到局域网每台主机或路由，目标主机返回arp响应分组(单播)。源主机和目标主机相互保存映射信息。

 IP数据报格式:

IP层分组转发的路由顺序:

1.首先，IP数据报首部提取目的主机IP，得出目的网络地址N；2.若N是直接相连网络，直接交付(0.0.0.0)；3.否则，有特定主机路由，传给特定路由；4.否则，有到达网络N的路由，传给下一跳的路由；5.否则，有默认路由，传给默认路由器；6.否则，报告分组错误。

路由表：目的网络地址，下一跳路由接口

 >3.划分子网和构成超网

   >>1.划分子网

  三级IP地址 ::=net-id + subnet-id + host-id

路由表包含：目的网络地址，子网掩码，下一跳接口；

  >>2.无分类编址CIDR(构成超网)

 IP ::= network-prefex + host-id

例如： 128.14.2.35.7/20     VLSM(可变长子网掩码) 20代表网络前缀/掩码 长度

在CIDR编址方法中查找路由表时会得到不止一个匹配结果，应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由；

并且使用二叉线索这种数据查找路由表，提高查找效率；

 >4.网际控制报文协议 ICMP

 ICMP的应用举例:ping、traceroute工具。

 >5.路由选择协议

路由器：

路由选择部分(路由选择处理机，跟新、维护路由表)

分组转发部分(交换结构、一组输入端口、一组输出端口(端口指硬件接口))

交换结构有存储器结构、总线结构、互联网络结构。

注：路由表和转发表；路由表主要包含目的网络和下一跳路由的映射，转发表由路由表得出。转发表必须包括目的网络到输出端口和某些mac地址信息的映射。转发表甚至可以用硬件区实现。

静态路由选择策略(人工配置)  动态路由选择策略(自适应)

内部网关协议IGP (AS内部如RIP、OSPF) 外部网关协议EGP ( AS之间如BGP)

 RIP(Routing InformationProtocol)路由信息协议：

基于最短距离向量的路由选择协议，定期交换相邻路由表，最大16 hop counts，一条路径最多包含15个路由器，现在用于规模较小的网络。特性：实现简单，开销小，限制了网络的规模，“好消息传的快，坏消息传得慢”。

 OSPF(Open Shortest PathFirst)开放最短路径优先：

注：OSPF只是一个名字，它并不表示其他路由选择协议不是最短路径优先。

 BGP(Border GatewayProtocol)边界网关协议

 >6.IP多播 multicast/多播 (D类地址作为目的地址)

在局域网进行硬件多播

网际组管理协议(IGMP) 和多播路由选择协议

 >7.VPN(虚拟专用网)和NAT(网络地址转换)

专用地址范围：10/8  172.16/12 192.168/16  路由器对此类地址一律不进行转发。

 VPN是通过公网线路实现专用网，若有保密的需求，还要对通过以太网的信息进行加密。采用IP隧道技术。包括L2TP/IPsec(第二层隧道协议/Internet协议安全性)、PPTP(点对点隧道协议)。

远程接入(remoteaccess)VPN，流动人员登录

 NAT  专用网内部主机通过路由和因特网的主机通信，通过路由NAT转换IP地址，需专用网内部主机主动发起通信。    

>>第五章  运输层

>1.TCP 传输控制协议 提供可靠的、面向连接的服务，不提供广播或多播服务，不可避免的增大了开销，如确认、流量控制、计时器、连接管理。

UDP用户数据报协议 不需先建立连接，不提供可靠交付，但在某些情况下是一种最有效的工作方式。UDP没有拥塞控制 

 >2.端口号：

网络层是提供主机间的通信，运输层提供应用进程间的逻辑通信。因此使用协议端口号对进程做标志。TCP/IP的运输层端口号 用16位表示，共允许有65535个端口号；端口号只有本地意义。

分为熟知端口号，登记端口号，短暂端口号。

 >3.UDP:

8字节首部，源端口，目的端口，长度，检验和各占2字节，和检验时加一个伪首部进行计算。报文长度由应用程序给出。UDP不对报文进行拆分合并。

 >4.TCP:

首部20 + 4N字节，4N是可变的。TCP首部最大60字节长，选项部分有最大报文段长度MSS、窗口扩大选项、时间戳、选择确认(SCK)。

 套接字(socket):端口号拼接到IP地址即构成套接字。192.3.4.5:80

自动重传请求(ARQ):在不可靠的传输网络上实现可靠传输。停止等待协议的信道利用率太低，等待时间过长。因此使用流水线传输，包括连续ARQ协议和滑动窗口协议。

TCP可靠传输的实现: 以字节为单位的滑动窗口，超时重传，选择确认。

流量控制：发送方发送窗口不能超过接受方的接受窗口的大小。利用滑动窗口的机制及进行流量控制。

拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

发送窗口的大小由接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd共同控制，取决于其中小的那个。

路由上的控制算法，RED随机早期检测。避免因复用链路上产生全局同步（复用的所有TCP连接都进入慢开始状态）。

可以自己实现基于udp的可靠传输，流量控制，以模拟tcp

TCP建立连接三次握手：

cli发送请求报文段 SYN=1、ACK=0，seq=x，消耗一个序号，进入SYN-SENT(请求以发送)状态；

ser发送SYN=1、ACK=1，ack=x+1，seq=y；ser进入到SYN-RCVD(同步收到)状态；

cli发送ACK=1、ack=y+1，A进入ESTABLISHED状态；ser收到后也进入此状态；

>>第六章  应用层

1.DNS 域名系统被设计成一个联机分布式数据库系统，并采用客户服务器方式。

CNNIC  中国互联网网络信息中心

2.FTP文件传输协议     基于TCP

TFTP简单文件传送协议基于UDP

3.TELNET 一个简单的远程终端协议/终端仿真协议,通过所谓NVT（网络虚拟终端）对异构计算机的不同编码进行转换。

4.WWW(World Wide Web) 万维网

维护万维网：

用URL (统一资源定位符) 标志网上的各种文档

<协议>://<主机>:<端口>/<路径> 端口可省略一般协议就确定了端口号如http是80

    用HTTP (超文本传送协议) (基于TCP)实现网上的各种链接

HTTP是无连接，无状态的，每请求一个文档都要建立tcp连接和释放连接。HTTP/1.1使用了持续连接。

    用HTML (超文本标记语言) 管理显示网上不同风格的网页

 

静态文档 简单的编辑链接

动态文档 要编写后台处理程序 为实现动态文档增加了CGI(通用网关接口)脚本

活动文档 嵌入applet到网页去执行有脚本语言 或java

5.搜索引擎：

    全文检索搜索引擎:google  baidu

    分类目录搜索引擎:yahoo sina

    以及垂直搜索和元搜索等类型

6.电子邮件

    客户端软件、邮件服务器、SMTP（邮件发送协议）、POP3（邮件读取协议）/IMAP。

而基于万维网的电子邮件就不需要配置用户和服务器之间的协议了，因为用的是Http协议。

7.DHCP

8.SNMP简单网络管理协议：

网络管理包括对硬件、软件和人力的使用、综合与协调，以便对网络资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制，这样就能以合理的价格满足网络的一些要求，如实时运行性能，服务质量等。

>>第九章  无线网络

WLAN

    星型拓扑 中心点叫做接入点AP（access point）。每个AP有一个SSID（服务集标识符）。使用802.11系列协议，MAC层使用CSMA/CA协议。

凡使用802.11系列协议的局域网可叫做Wi-Fi(Wireless-fidelity)。

802.11系列：

802.11a/b/g

802.11n，双频段2.4Ghz、5Ghz，吞吐达到300Mbps，最高到600Mbps，MIMO、OFDM

802.11ac，5Ghz        吞吐达1Gbps  ，MIMO 信道加宽 高阶调制

 

注：网络安全、互联网的音视频省略，可参考计算机网路书籍和网络资料。