基础知识提纲--计算机网络

╰+攻爆jí腚メ 2022-06-18 10:47 392阅读 0赞

## 因特网的构成 ##

1、边缘部分：由连接在因特网的主机构成，由用户直接使用。  
2、核心部分：网络和路由器，为边缘部分提供服务。

在网络边缘的端系统中，运行的应用程序的通信方式分为两大类：  
客户服务器方式，对等方式（P2P）。

在网络的核心部分，起重要作用的是路由器，它负责实现分组交换，任务是转发收到的分组。

两个概念：  
电路交换：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。  
分组交换：采用存储转发的技术。把一个长信息（报文）截取成短信息，并添加首部（包头）。这样，就构成了一个分组（首部+数据）。路由器就是用来转发分组的。它们靠着分组内首部的信息和路由器内部存储的转发表信息对分组进行转发。

不同类别的网络：  
广域网（WAN）  
城域网（MAN）  
局域网（LAN）  
个人区域网（PAN）

衡量指标：往返时间RTT

## 五层协议体系结构 ##

物理层 – 数据链路层 – 网络层 – 运输层 – 应用层

应用层：直接为用户应用进程提供服务。包括多种协议，例如支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传输的FTP协议。

运输层：主机进程之间的通信服务。包括两种协议，TCP／UDP

网络层：负责主机之间的通信。负责将数据封装成分组或包进行传送，使用IP协议。

数据链路层：将IP数据报组装成帧，在相邻节点的链路上，传送帧中的数据。如果发现有错，直接丢弃帧，改错的任务交给运输层的TCP协议来完成。

物理层：传输比特流。

## 数据链路层 ##

两种类型的信道：  
点对点信道／广播信道（比较复杂，需要共享信道协议）

常见硬件：网络适配器，例如拨号适配器和局域网适配器。这些适配器都包括了数据链路层和物理层两层功能。

数据链路层的数据单元：帧。  
三个基本问题：封装成帧，透明传输，差错检测。  
1、封装成帧：帧定界（SOH和EOT），最大传输单元MTU（规定了帧的数据部分的最大长度，默认为1500字节）  
2、透明传输：为数据中添加转移字符，防止帧定界字符被错误的识别。  
3、差错检测：循环冗余检验CRC，近乎可实现无比特传输差错。

点对点协议PPP：很简单，收到一个帧，进行CRC检验，正确就收下，不正确就丢弃，其它什么都不做。PPPoE是在以太网上运行的PPP。PPP协议不是可靠的传输协议，不进行流量控制。

使用广播信道的数据链路层：  
局域网使用的就是广播信道。共享信道的时候需要着重考虑的就是如何使众多用户能够合理的共享资源。着重讨论动态媒体接入控制（又称多点接入）中的随机接入，因为它应用广泛。

以太网：基带总线局域网。  
以太网两个特点：不可靠交付，采用曼彻斯特编码。  
一个重要协议：CSMA/CD，即载波监听多点接入／碰撞检测协议。

以太网的最短有效帧长度为64字节。

使用集线器的星型拓扑以太网。

以太网的MAC层。MAC地址，即硬件地址或物理地址。它保存在适配器（网卡）中。

MAC帧格式

以太网扩展：  
使用集线器，合并为一个更大的碰撞域；使用网桥，称为隔离开的碰撞域。

网桥：网桥在转发帧时，不改变帧的源地址。  
多接口网桥——以太网交换机，它可以使每一个用户都能像独占媒体那样，无碰撞的发送数据。

## 网络层 ##

网络层提供的两种服务：虚电路服务，数据报服务。

因特网采用的思路是：网络层向上只提供灵活的、无连接的、尽最大能力交付的服务。

网络协议IP：  
与IP地址配套使用的协议还有：  
地址解析协议ARP／逆地址解析协议RARP：IP地址和物理地址之间的转化  
网际控制报文协议ICMP：允许路由器或主机报告差错和异常。栗子：PING  
网际组管理协议IGMP：IP多播协议

将网络连接起来的中间设备：  
物理层转发器，链路层网桥（桥接器），网络层路由器（路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址，路由器在转发数据时，IP地址的源地址和目的地址保持不变，但是MAC地址的源地址和目的地址会不断变化），网络层以上网关。

分类的IP地址：网络号+主机号，ABCDE共五类。  
A类地址首位为0，前八位为网络号。  
B类地址10开头，网络号16位。  
C类地址110开头，网络号24位。  
D类地址1110开头，为多播地址。  
E类地址1111开头，保留为今后使用。

划分子网／子网掩码：A类子网掩码：255.0.0.0，B类子网掩码：255.255.0.0

无分类编址CIDR（构造超网）：消除了传统的ABC类地址，更有效利用地址空间。

路由选择协议：内部网关协议IGP（RIP，OSPF等）／外部网关协议EGP（BGP）

虚拟专用网VPN：在因特网中的路由器，对于目的地址是专有地址的报文一律不转发。专用地址为：  
10.0.0.0～10.255.255.255  
172.16.0.0～172.31.255.255  
192.168.0.0～192.168.255.255  
这些IP地址也称为可重用IP地址。

网络地址转换NAT：解决问题：专用网内部的主机已经拥有了IP地址，但是又想和因特网上的主机通信。NAT方法需要在专用网连接到互联网的路由器上安装NAT软件。

IP多播：采用D类地址作为多播标识符，写入多播数据包的目的地址。  
1、在局域网进行硬件多播  
2、IP多播需要两个协议：IGMP网际组管理协议／多播路由选择协议。

## 运输层 ##

运输层为两个主机的进程之间提供通信服务。

运输层两个重要协议：TCP（面向连接，可靠服务，流量控制，拥塞控制）／UDP（无连接）。

![使用UDP和TCP协议的各种应用和协议][UDP_TCP]

运输层的复用和分用：进程通过运输层传输到IP层为复用，从IP层交付给运输层上不同的进程为分用。

不同的进程有自己的进程标识符，但是，用进程标识符来标志应用层的进程则是不可取的（各个主机间不统一）。

解决方案是使用协议端口号，即端口。我们需要把报文交到指定的端口号，其他的交付任务由TCP协议完成即可。

用户数据报协议UDP：无连接的，尽最大努力交付，面向报文（对应用层的报文既不合并也不拆分，保留这些报文的边界，加上首部直接交给网络层）。

传输控制协议TCP：面向连接的，点对点，可靠交付，全双工通信，面向字节流。  
TCP端点称为套接字socket = IP:端口号

TCP可靠传输的工作原理：

1、停止等待协议

我们假设A为发送方，B为接收方，发送的数据单元统称为分组（实际上在传输层，数据单元称为报文；在网络层为IP数据报）。  
停止等待，就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认，收到确认后才能发送下一个分组。但如果发送方超过了一定的时间还没有收到确认，就认为刚才发送的分组丢失了，就会重新发送一遍，这叫做超时重传。

还有一种情况就是，接收方发送的确认丢失了，这时候由于发送方没有收到确认，就会充传对应的分组；那么接收方就会收到一个重复的分组，此时，接收方应该作出的行为是：接收这个分组，不向上层交付；向发送方发送确认（不能认为已经发送过确认就不再发送了，不然发送方还是会继续充传这个分组）。

另一种情况就是确认迟到：接收方发送的确认收到信息没有出差错，但就是在路上跑了很久才到达发送方，此时发送方已经做出了超时充传的行为，并收到了一份确认，那么发送方对于重复的确认的行为就是丢弃它，其它什么也不用做。

这样的协议称为自动充传请求ARQ，意思是重传的请求是自动进行的。

我们不难发现，这样的协议虽然有效，但是需要发送方长时间等待，信道利用率太低。

2、连续ARQ协议

本协议是TCP协议的精髓所在。

发送方维持一个发送窗口，位于发送窗口内的分组可以连续发送，不用等待确认。之后每收到一个确认，窗口就可向前滑动，继续发送分组。

对于接收方来说，则采用累积确认的方式。接收方不用对每个分组都发送确认，只要将按序排列的分组的最后一个发送确认即可。也就是说如果接收方发送了3号分组的确认，就表示1、2、3分组全都收到了。

**TCP首部几个重要信息**：

URG：紧急数据。  
ACK：确认，仅当ACK为1时有效。  
RST：复位，出现严重错误，必须断开连接。  
SYN：同步，当SYN=1，ACK=0时表明这是一个请求连接的报文段。若对方同意连接，则将这两个字段都置一。  
FIN：终止，用来释放连接。

**TCP可靠传输的实现**

1、以字节为单位的滑动窗口  
2、超时充传时间RTO的选择（计算公式）  
3、选择确认SACK：需要在TCP头部添加信息

TCP的流量控制：发送方的发送速度不可以太快，要让接收方来得及接收。  
![利用可变窗口进行流量控制的栗子][SouthEast]  
接收方的主机进行了三次流量控制，首先把接收窗口减低到300，后降低为100，最后为0。

TCP的拥塞控制：防止过多的数据注入到链路中。  
几种控制方法：慢开始，拥塞避免，快重传，快恢复。

TCP的运输连接管理：连接建立，数据传送，连接释放。  
三次握手：  
![三次握手简历TCP连接1][TCP_1]

![三次握手简历TCP连接2][TCP_2]

TCP链接释放：  
![TCP链接释放][TCP]

## 应用层 ##

1、域名系统DNS

将域名解析为IP地址  
mail.cctv.com–三级域名.二级域名.顶级域名  
![顶级域名分类][SouthEast 1]

注意，域名是根据含义来划分的，和物理网络以及IP地址的子网都没关系。

2、文件传输协议FTP

3、远程终端协议TELNET

4、万维网WWW  
万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所，英文简称为Web。它是一个分布式的超媒体系统。  
重要概念：  
统一资源定位符URL：协议://主机:端口/路径  
超文本传输协议HTTP：使用TCP协议，但是HTTP协议本身是无连接的  
使用代理服务器，万维网高速缓存。  
HTTP的报文结构：请求报文／响应报文。  
![请求报文的方法][SouthEast 2]  
![响应报文的状态][SouthEast 3]

超文本标记语言HTML

5、电子邮件：简单邮件传输协议SMTP  
邮件读取协议POP3和IMAP（用户代理协议）  
基于万维网的电子邮件

6、动态主机配置协议DHCP：即插即用联网，使用UDP协议。  
配置的项目：IP地址／子网掩码／默认路由器的IP地址／域名服务器的IP地址。

[UDP_TCP]: /images/20220618/507cdecda55b4f958c652b0e2ae2e10d.png
[SouthEast]: /images/20220618/f76b056dd82745fd99054e941301588e.png
[TCP_1]: /images/20220618/c7a19afe6d174cf2878327ca84bc2d50.png
[TCP_2]: /images/20220618/779806659ebd4160bee3f24d5edc4776.png
[TCP]: /images/20220618/c1da63faa5df40d7898e81987df1ea70.png
[SouthEast 1]: /images/20220618/5663c2cb6a27402785ff25af2acc6858.png
[SouthEast 2]: /images/20220618/b0038963ec654d3dab1832cb64721d14.png
[SouthEast 3]: /images/20220618/65e8963025f74abc97b6d3191b457b3b.png