计算机网络

基本概念

• 计算机网络协议：语法，语义，时序
  • 语法：描述实体间信息交换格式
  • 语义：控制信息的具体含义
  • 时序：交换信息的顺序以及速度配合
• 功能：硬件，软件，信息
• 分类：覆盖范围，拓扑结构，交换方式，用户属性
  • 树形，星形拓扑：易于管理，中心节点是网络的关键，线路较多成本较高
  • 环形，总线拓扑：成本效率不高，排错，增删，不便于管理
  • 网状拓扑：节点间通信多路径选择，结构复杂成本高

    计算机网络结构

    网络边缘

    接入网络方式

• 电话拨号
• 数字线ADSL，使用电话的物理线路，但不同信道传输
• 混合光纤同轴电缆HFC
• 局域网
• 移动接入网络（移动设备）

网络核心

• 网络核心是交换节点和传输介质的集合，实现网络边缘中主机数据的中继与转发。
• 网络核心（通信子网）不对数据进行处理，不提供网络服务。这些功能由网络边缘（资源子网）提供

数据交换技术

电路交换

• 主机间建立专用的通信线路，通信结束后通道拆除
• 实时性高，时延与时延抖动小
• 突发性数据传输（网页浏览）中，信道利用率低，传输速率单一

电报交换

• 无需建立连接
• 只有报文被转发（传输数据）时才会占用信道，不会独占信道
• 以存储-转发形式传送。交换节点需要缓冲储存，报文需要排队，增加时延

分组交换

• 拆分报文为若干分组，在进存储转发
• 存储设备容量要求低，速率效率高
• 更加公平，第一个报文为全部传完，可以先开始下一个报文
• 延迟时间，误码率

网络性能

带宽（频带宽度）

• 单位赫兹，频率极差
• 带宽越大，速率越大，故带宽有时候用来代替速率描述网络性能

时延

• 数据从一节点到另一节点所需时间
• 延迟分类：
  • 处理时延
  • 排队时延
  • 传输时延，数据传输到线路上所需时间
  • 传播时延，数据在线路上的传播时间

时延带宽积

链路上可以容纳的数据位数

丢包率

• 网络可靠性，反映拥塞程度
• 丢包率 = 丢失分组数/发送分组数

吞吐率

度量数据传送能力

计算机网络分层体系结构

各层次封装各自的头部信息后传递下一层次处理

• OSI参考模型（七层）
• TCP/IP参考模型
• 五层模型：应用层（报文），传输层（段），网络层（数据报），链路层（帧，若干比特组织的数据处理单元），物理层（比特流）

网络应用

网络应用体系结构

• 三种类型
  • 客户端/用户（C/S）结构，两端角色固定，且用户之间不通信
  • P2P（Peer To Peer）结构 客户端与服务端的结合体，客户端与服务端的地位只是在一次通信过程中不变
  • 混合结构 中心服务器+对等客户端直接通信
• 网络应用基本原理
  • 本质都是CS结构
  • 服务器端被动等待请求，客户端主动发起通信请求服务
  • 应用进程遵循应用层协议

域名系统DNS

用IP地址唯一的标识通信双方，但IP不方便记忆使用。使用域名，再由系统解析为IP地址

• 顶级域名命名方法：
  1 国家域名nTLD； [cn中国 …]
  2 通用顶级域名gTLD（组织）； [com企业 net网络组织 org非营利性组织 edu教育机构 gov政府 …]
  3 基础结构域名
  三级域名一般代表企业内部的主机名，使用时由叶节点级级往上
  
• 目前存在13个DNS根域名服务器，a.root-server.net为一台根域名服务器域名
• 大部分根域服务器由多台独立物理服务器构成的服务器集群，而有的是由分布在不同位置的多台镜像服务器
• 域名服务器
  • 建立分布式数据库储存域名，根据用户请求将域名映射为IP地址
  • 服务器分类：根域名，顶级域名，权威域名，本地域名服务器
• 域名解析
  • 递归查询，服务器代替主机进行查询
  • 迭代查询。服务器返回下一服务器，由主机自行查询

    万维网应用

• web服务器，发送超文本，再由浏览器解析
• 浏览器，网页超链接，包含URL（统一资源定位符），URL包含服务器域名。
• TCP连接（保证传输可靠性）
• 超文本传输协议HTTP（由HTML编写）
  • 非持久连接 首次建立TCP连接，请求HTML页面，连接断开。解析页面后，需要再向服务器获取若干资源对象。
    • 串行连接：每次只向服务器请求一个对象，且每次都要重新建立TCP连接。
    • 并行连接：一次向服务器同时发送若干请求，建立若干连接
      要求对方服务器允许建立三条连接
  • 持久连接
    • 非流水方式持久连接 建立TCP，请求html，再依次请求资源，直到所有资源请求完毕再释放连接
    • 流水方式持久连接 获取html后，同时发出三个TCP连接。对服务器压力较大
  • HTTP报文 请求报文 & 响应报文
    • 典型的请求方法：GET, HEAD, POST, OPTION, PUT等。
      
      
      （状态码的短语是对状态码的简单描述）

状态码
1××	信息提示，需进一步交互
2××	成功
3××	重定向，资源已转移
4××	客户端错误
5××	服务端器错误

• Cookie 小型文本文件，弥补了http无状态性的不足，有利于对用户进行跟踪或进行针对性服务

• 首次访问，服务器给用户编号并设置ID，将带编号的Cookie发送回给用户
• 用户浏览器保存该Cookie文件，并在下一次访问时一并发送给服务端
  

Internet电子邮件

• 电子邮件系统包括邮件服务器，简单邮件传输协议（SMTP），用户代理，邮件读取协议等。
• SMTP是Internet电子邮件中核心应用层协议，实现邮件服务器之间或用户代理到邮件服务器的传输，默认端口为25。使用传输层TCP协议进行可靠信息传输

• 应用层交互阶段：握手阶段，邮件传输阶段，关闭阶段

  SMTP协议示例
  C: telent SMTP.163.com 25 //以telenet方式连接163邮件服务器
  S: 220 163.com Anti-spam GT for Coremail System //220为响应数字，其后为欢迎信息
  C: HELO SMTP.163.com //HELO发出握手请求。除此之外，HELO主要用来查询服务器支持的扩充功能
  S: 250-mail
  S: 250-AUTH LOGIN PLAIN
  S: 250 8BITMIME //最后一个响应数字应答码之后跟的是一个空格，而不是’-‘
  C: AUTH LOGIN //请求认证
  S: 334 dxNlcm5hbWU6 //服务器的响应——经过base64编码了的“Username”=
  C: Y29zdGFAYW1heGl0Lm5ldA== //发送经过BASE64编码了的用户名
  S: 334 UGFzc3dvcmQ6 //经过BASE64编码了的”Password:”=
  C: MTk4MjIxNA== //客户端发送的经过BASE64编码了的密码
  S: 235 auth successfully //认证成功
  // 进入邮件传输阶段
  C: MAIL FROM: bripengandre@163.com //发送者邮箱
  S: 250 bripengandre@163.com … Sender ok //“…”代表省略了一些可读信息
  C: RCPT TO: bripengandre@smail.hust.edu.cn　//接收者邮箱
  S: 250 bripengandre@163.com … Recipient ok
  C: DATA //请求发送数据
  S: 354 Enter mail, end with “.” on a line by itself
  C: Enjoy Protocol Studing // 邮件内容
  C: .
  S: 250 Message sent
  C: QUIT //退出连接
  S: 221 Bye // closing connection

• 电子邮件格式：首部，空白行，主体。To, Subject, Cc, From, Date, Reply-To等关键字。

• MIME 多用途互联网邮件扩展。将非AScII转换为ASCII，再利用SMTP进行传输。邮件首部增加MIME，说明主体原本数据类型及编码标准
• 邮件读取协议
  • 邮局协议 POP3(将邮件下载到本地操作，不会同步，下载后无需联网后)。默认端口号110
  • 互联网邮件访问协议 IMAP（直接操作邮件服务器）
  • HTTP（通过服务器网址访问）

FTP文件传输协议

互联网中实现两主机间文件传输的 应用层 协议。利用传输层TCP协议。
CS模式。但不同于其他服务，需要采用两种连接。控制连接（21端口）传输控制命令，数据连接（20端口）传输文件内容
适用于传输较大文件。使控制命令更好更快传输

P2P应用

• 充分聚集端系统的计算能力及网络传输带宽，对服务器依赖很小
• 可以请求对等的端系统进行数据获取。同时也可以请求服务器，各获取一部分数据在组合

Socket接口模型

网络应用进程通信通过API接口请求的底层协议的服务。根据实际使用传输层的TCP或UDP传输。
创建相应提供的接口调用不同的传输协议

• 数据报类型Sock_dgram对应UDP服务
  • 客户端通过临时端口直接向服务器发送数据。服务器通过绑定固定端口号，无需建立连接，直接监听等待客户端数据
• 流式套接字Sock_stream对应TCP服务
  • 服务端通过绑定固定的端口号，监听请求。客户端无需绑定端口，通过socket()临时获取端口号
  • 建立TCP连接，开始数据交互
  • 交互结束，客户端关闭接口；服务端关闭连接，最后在关闭端口
• 原始套接字Sock_raw直接调用网络层的服务，直接构建IP包访问。不再依赖传输层的服务

传输层

传输层基本服务

核心任务是为应用进程之间提供端到端的逻辑通信服务。
网络层实现的是主机到主机的传输服务。传输层端点指的是主机中运行的应用进程。
传输层功能：传输层协议提供逻辑通信服务，只需在端系统中实现。中间的节点如路由器交换机无需实现传输层功能，提高效率
主要功能：

• 传输层寻址
  • 通过 端口号 找到对应应用程序。在全网范围内利用 IP+端口号 唯一的标示一个通信端点（应用程序）
  • 传输层端口号为16位二进制。分为三类：
  1. 熟知端口号：1～1023。如http:80
  2. 登记端口：1024~49151。为无熟知端口号的程序使用，需要在IANA登记以防重复
  3. 客户端口号/短暂端口号：49152～65535。用于临时申请分配按使用。不固定。
• 应用层报文的分段和寻址
• 报文的差错检测
• 进程间端到端的可靠数据传输控制（是否收到）
• 面向应用层的复用和分解
• 端到端的流量控制
• 拥塞控制

• 无连接服务UDP：数据交互之前无需对端进行任何信息交换（握手），直接构造传输层报文段并向接收端发送
• 面向连接的服务TCP：传输前双方交换控制信息，建立逻辑连接，在传输数据，最后拆除连接

传输层的复用与分解

支持众多进程使用通过同一协议进行传输

• 多路复用：从每个应用中获取是数据进行封装发送
• 多路分解：从数据中通过端口号分各个应用

无连接的多路复用与多路分解

• UDP套接字：<目的IP, 目的端口号>
• 端口号是UDP实现多路复用的重要依据

面向连接的多路复用与多路分解

• TCP套接字标示一条TCP连接：<源IP, 源端口，目的IP, 目的端口号>
• 一段TCP报文到达主机时，根据此将报文分解到相应套接字（同一连接）

停-等协议与滑动窗口协议

实现可靠传输的措施：

1. 差错检测：利用差错编码实现数据包检测
2. 确认：向发送方反馈接受状态
3. 重传
4. 序号：确保数据按序提交
5. 计时器：解决数据丢失问题

停等协议

每发送一个报文后就停下等待接收方确认

• 发送经过差错编码与编号的报文段
• 确认接收则发送ACK，否则丢弃报文发送NCK
• 根据反馈状态选择重发或者继续

滑动窗口协议

性能问题：停等机制降低信道利用率。
解决方案：流水线协议/管道协议：允许发送方在未收到确认前不断发送多个(后续)分组。
继续改进：增加分组序号范围；发，收方必须可以缓存多个分组（对未收到确认的数据进行缓存）
两种有代表性的滑动窗口协议：

• 回退N步协议（Go-Back-N, GBN）：接收窗口大小为1，只接收1个按按序到达的分组。出错分组以后的全部丢弃重传
• 选择重传协议（Selective RePeat, SR）：接收窗口>1，缓存正确但失序的分组

用户数据报协议 UDP

UDP数据报结构

• 源和目的端口号：用于UDP复用分解
• 长度字段：UDP报文段中的字节数
• 校验和：接收方检测报文段是否出错
  校验和计算
  1. 对所有参加运算的内容按16位对齐求和
  2. 求和过程中遇到溢出（进位）都会被回卷（进位与和的最低位再加）
  3. 得到的和取反码

传输控制协议 TCP

TCP报文首部结构

• 源与目的端口号
• 序号 标示该报文在整个分组中的序号
• 确认号 反馈某分组发送状态
• 数据偏移 同序号的报文再拆分后的数据位置
• URG，标示紧急指针位是否有效
• ACK 确认位，标示确认号是否有效
• PSH 通知可以很快对数据进行提交
• RST 复位，出现错误，需要重置连接
• SYN 同步请求，协商序号等信息
• FIN 通知拆除连接
• 窗口 流量控制，窗口大小可有双方控制
• 校验和
  // 以上为 TCP的固定首部，20字节
• 选项
• 填充 首部大小需为4字节的倍数
  

TCP连接

TCP传输机制包括差错编码，确认，序号，重传，计时器（实现重传）等
TCP的可靠数据传输基于滑动窗口协议，发送窗口动态变化（流量控制）

连接建立-三次握手

1. SYN连接请求 syn = 1, seq = x(同步请求，且初始序号为x)【客户端状态为SYN-SENT】
2. SYNACK确认 syn = 1, ACK = 1, seq = y, ack = x+1（x已收到请求x+1，告知服务端初始序号）【服务端状态SYN-RVD】
3. ACK确认 ACK = 1, seq = x+1, ack = y+1
   

   TCP断开-四次挥手

4. 任意一方发起断开请求 FIN = 1, seq = u
5. 返回确认 ACK = 1, seq = v, ack = u+1。请求方停止发送数据。另一方继续发送数据。
6. 发送请求释放连接 FIN = 1, ACK = 1, seq = w, ack = u+1
7. 接收方返回确认 ACK = 1, seq = u+1, ack = w+1。接收端接收到以后关闭连接，发送端进入TIME-WAIT阶段，一段时间后关闭连接

• 封装TCP报文段
• 发出一个报文段后启动一个计时器
• 校验和发现数据差错
• 重排序，丢弃重复
• 流量控制

TCP流量控制

• TCP利用窗口机制实现流量控制，但不是简单的滑动窗口协议（窗口动态变换）
• TCP连接建立时双方分配固定大小的缓冲空间，发送数据必须在缓冲区接纳的大小
  • 接收端给发送方发送确认时通知接收窗口大小
  • 发送端发送数据时，保证未确认段应用层数据不超过接收端窗口大小，使对方窗口不会产生溢出

TCP拥塞控制

• 窗口机制 通过调节窗口大小实现发送速率调节
• 窗口调节基本策略 AIMD
  • 加性增加 网络未拥堵，逐渐增加
  • 乘性减小 网络拥堵，逐渐减小
• TCP拥塞控制算法
  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 快速重传
  • 快速恢复

网络层

传输层主要保证数据传输的可靠性，网络层负责数据的转发和发送
网络层的主要作用是将网络数据报从源主机发送到目标主机
主要功能：

• 分组转发：分组从传输接口转移到输出接口
• 路由选择：决定分组经过的路由或路径

  路由器内部结构

• 路由选择处理机：路由选择协议 ->路由表（记录下一跳的路由器）
• 输入端口进来的数据通过 转发表 记录的输出端口
• 通过路由表记录成转发表

数据报网络

按照目的主机的地址进行路由选择的网络（本质上不可靠，但效率与成本好。互联网依赖此技术建立）

• 无连接
• 每个分组作为独立的数据报进行选路传输，路径可能不同
• 分组可能出现乱序与丢失

虚电路网络

在网络层提供的面向连接的分组交换服务
互联网的数据报方式不可靠，所以需要在此之上建立面向连接的传输层来确保传输可靠性。

• 建立一条网络层的逻辑连接
• 不需要为每条虚电路分配独享资源（区别与电路交换，信道利用率较高）
• 沿虚电路路径按序发送分组
  异步传输模式的网络即采用此网络，成本较高但是传输较可靠

网络互连

异构网络互连

两个网络使用的技术与协议不同

• 协议转换
• 构建虚拟互联网络 使用IP协议作为这些网络技术和协议的下层协议，使用IP协议进行传输。在IP层次构建了虚拟网络

  网络设备–路由器

• 输入输出端口 不同的网络技术有不同的端口
  // 输入端口
  1. 线路接收分组
  2. 物理层处理（处理不同网络技术）
  3. 数据链路层处理（提取其中网络层的IP数据）
  4. 网络层处理分组排队（查表转发输出，通过交换结构进入输出端口）
     // 输出端口
  5. 网络层排队，缓存管理，每次取出一个数据
  6. 数据链路层处理（处理为不同技术）
  7. 物理层处理，发送到线路
• 交换结构设计
  • 基于内存交换
  • 基于总线交换
  • 基于网络交换（节点开关）
    
• 路由处理器
  执行路由器各种指令，包括路由协议运行，路由计算，路由表的更新维护等

网络层拥塞控制

拥塞：持续过载的网络状态，用户对网络资源的需求（链路带宽，存储空间，处理能力）总需求超过固有容量

• 缓冲区容量有限
• 带宽有限
• 结点处理能力有限
• 发生故障

  流量感知路由

  根据负载状态动态调整，将网络流量引导到不同链路上，均衡负载，从而延缓或避免拥塞发生
  解决网络负载的震荡现象
• 多路径路由
• 缓慢转移流量至另一链路

  准入控制

  主要应用于虚电路网络。对新建虚电路进行审核，若该电路会导致拥塞则拒绝建立。
  拥塞状态的量化：基于平均流量与瞬时流量

  流量调节

1. 感知拥塞
2. 处理拥塞：将拥塞信息通知到其上游结点
   处理方法：
   • 抑制分组：给拥塞数据报源主机返回一个抑制分组（减少发送）
   • 背压：让抑制分组从拥塞结点到源结点的路径上的每一跳都发挥抑制作用

     负载脱落

     主动丢弃某些数据报

• 丢弃新分组：如GBN
• 丢弃老分组：如实时视频流

Internet网络层

IPv4协议

数据报格式

• IP首部分装了来自传输层的数据
• IP首部固定部分20字节
• 版本：IPv4/IPv6
• 首部长度 固定+可变
• 区分服务 区分不同服务质量
• 总长度 IP包总长度
• 标示 识别IP包。判断分片是否属于同一字段
• 标志 识别IP包是否被分割。判断是否为最后分片
• 片偏移 判断分片先后顺序
• 生存时间 多次转发仍未抵达目的地，生存时间过长丢弃
• 协议 标示数据部分使用的协议
• 检验和 差错
• 源，目的地址 发送与接收 数据的主机的IP地址。分别占4字节

IPv4编址

IP地址

32位的二进制 点分十进制标记法 8位一组点分标
网络号（同一网络下的主机具有相同的网络号） + 主机号
分类地址：A, B, C, D, E
特殊地址，私有地址
ABC：实际分配给联网的主机，没有重复的唯一地址
D：组播/多播地址。高四位为1110
E：保留使用。高四位为1111
A：前8位为网络号。最高位为0 0~127 主机数量：2^24-2
B：前16位为网络号。高二位为10 主机数量：2^16-2
C：前24位为网络号。高三位为110 主机数量：2^8-2
ABC网络规模不同

子网划分

将一个子网划分为多个子网
大子网具有较短网络前缀。小子具有稍长前缀

• 超网：子网合并为大网
• 子网掩码：定义调节一个子网的网络前缀长度，用于划分子网。前部全为1，即为网络前缀，后部全为0

• IP ^ Mask = Subnet IP地址与子网掩码进行与运算得到子网地址
• 同一子网中，网络前缀部分相同，后面为主机号不同，最小主机号代表子网地址，最大主机号代表直接广播地址
• 后8为的前缀部分即为子网号，可作为连续标示
• 除去子网地址与广播地址，剩余即为可分配的主机数
• 子网掩码延长r位该子网划分为2^r 个子网
  

路由聚合

将相同路由的连续子网合并
路由表中的分组转发：查找转发表（与运算匹配），最长前缀优先匹配
IP地址与分组表子网掩码坐与运算，所得是否匹配，再根据最长前缀进行选择

动态主机配置协议

略

网络地址转换

网络地址转换 NAT协议 –使用私有地址访问互联网
大量地址在互联网上不分配不使用只在内部使用，但保留地址在互联网上无法使用

• 源IP地址由Nat路由器替换为Nat拥有的合法使用的公共IP地址，同时替换端口号，并将替换关系记录到Nat转换表中
• 从互联网返回的IP数据报，依据其目的地址与目的端口号检索Nat转换表，获取内部ip与端口
  同时起到隐藏实际IP地址，只公开公共地址的效果

路由算法

---

链路层

传输层负责应用层的复用分用保证可靠传输，网络层负责将数据从主机传到主机
链路层负责把一个节点可靠的传输到另一个节点，为网络层提供服务

数据链路服务

负责直接相邻节点的传输
链路层数据单元：帧
网络层将数据报封装交给链路层，链路层将数据添加帧头帧尾，构造数据帧

• 组帧
• 链路接入：点对点链路，广播链路（一条链路上有多个节点）
• 可靠交付（用于高出错链路）
• 差错控制

多路访问控制协议

ALOHA协议

纯ALOHA协议（Pure ALOHA）：直接发送 ->信道侦听（反馈确认） ->冲突重发
时隙ALOHA协议（Sloated ALOHA）：发送时间分为时隙，时隙开始时发送 ->信道侦听 ->冲突则下一时隙以概率P重发

载波监听多路访问协议CSMA

发送前监听信道是否空闲

1. 非坚持CSMA：忙则等待随机时间发送后在侦听
2. 1-坚持CSMA：忙则持续侦听直到信道空闲
3. P-坚持CSMA：闲则概率P在最近时隙发送（避免同时侦听冲突）

   带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD

   监听空闲后发送，发送时检测碰撞，碰撞后等待重发

局域网

链路层寻址与ARP

局域网广播通信，使用Mac地址进行标示通信。

MAC地址/硬件地址

每个接口对应一个MAC地址，全球唯一。
路由器接口，网卡接口，交换机接口
长度48位，十六进制， 前24为厂商标示， 厂商分配代码

地址解析协议ARP

根据本网内目的主机或默认网关的IP地址获取其MAC地址
查询/响应方式
所以ARP只为在同一只子网下的主机和路由器解析IP