Computer Networks: Key Concepts and Notes

计算机网络

物理媒体

• 在物理信道中传输的原始信号

物理层

• 通信的三种方式：
  • 单向通信：单条信道
  • 半双工通信：两条信道
  • 全双工通信：两条信道
• 数据交换方式：
  • 电路交换：连接建立、数据传输、连接释放
  • 数据报交换：以报文的形式，通过存储转发的方式进行传输
  • 分组交换：将数据块划分成较小的分组packet，通过存储转发的方式进行传输
    • 数据报方式：不同分组由路由表找到自己的路径
    • 虚电路方式：电路交换方式和数据报方式的结合

数据链路层

• 功能：
  • 为网络层提供服务
  • 链路管理
  • 组帧
  • 流量控制
  • 差错控制
• 差错控制
  • ARQ
    • 奇偶校验码
    • CRC
  • FEC
    • 海明码
• 流量控制
  • Stop-and-wait
  • Go-back-N
  • Selective Repeat
• 介质访问控制MAC
  • 信道划分
    • 分时TDM：可用于数字传输；STDM（动态/统计时分，动态分配时隙）
    • 分频FDM：
    • 分波WDM
    • 分码CDM
  • 随机访问
    • ALOHA
      • 纯ALOHA，不检测直接发送帧，直到收到ACK
      • 时隙ALOHA，在时隙slot内发送帧，直到收到ACK
    • CSMA：在传输前对信道进行侦听
      • l-坚持CSMA：若信道忙，则忙等
      • 非坚持CSMA：若信道忙，则过一段随机时间后再重复
      • p-坚持CSMA：若信道闲，以p的概率传输数据帧，1-p的概率推迟到下一个slot
    • CSMA/CD：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
    • CSMA/CA：若信道闲，等待DIFS后发送整个数据帧，等待ACK；否则，执行退避算法，选取回退值作为退避计数器初始值，若空闲则开始倒计时
    • CSMA/CD和CSMA/CA的区别：前者用于总线形以太网，只能检测冲突不能避免；后者用于无线局域网，只能避免冲突不能检测
  • 轮询访问（令牌传输协议）：令牌作为传输数据的许可证，在总线各节点中传递，使得信道作为独占设备
• 局域网
  • 以太网
  • 无线局域网
  • VLAN
• 广域网：因特网的核心部分
  • 不等于互联网，互联网可以连接不同类型的网络（因特网Internet是最大的互联网internet）
  • PPP
  • HDLC
• 网桥：将多个以太网连接成更大的以太网，使得各网段称为互相隔离的碰撞域（冲突域），工作在MAC子层，具有路径选择的功能
  • 物理层设备（集线器、转发器）不能隔离冲突域、广播域
  • 数据链路层设备（网桥、交换机）可以隔离冲突域，能够互联不同的物理层、数据链路层协议的网段
  • 网络层设备（路由器）可以隔离冲突域、广播域，能够互联不同的物理层、数据链路层、网络层协议的网段
  • 如果一个存储转发设备实现了某个层次的功能，那么它就可以互联两个在这些层次上使用不同协议的网段
• 局域网交换机（以太网交换机）：多端口的网桥

网络层

• 功能
  • 向上提供简单灵活、无连接、最大努力交付的数据报服务，并不保证分组交付的可靠性
  • 异构网络互联
  • 路由与分组转发
  • SDN
  • 拥塞控制
• 路由算法
  • 路由表：表项为（网络地址/子网掩码，下一跳地址）
  • 静态路由：适用小型网络，开销小，简便；不适应于拓扑结构变化的网络
  • 动态路由：能够动态适应网络，不断寻优；但算法复杂，会增加网络负担，可能引起振荡
    • 距离-向量路由算法：RIP算法，以hop数为距离度量
    • 链路状态路由算法：OSPF算法，通过Dijkstra算法计算
  • 层次路由：将整个互联网划分成许多自治系统，内部所使用的协议为IGP，通常为RIP/OSPF，自治系统之间所使用的协议为EGP，通常为BGP
• IPv4
  • 数据报
    • 首部：20byte
    • 首部长度、总长度、片偏移的单位分别为4byte、1byte、8byte
    • 首部校验和只校验分组首部
    • 由于数据报需要组帧，因此链路层的最大传输单元MTU限制了数据报的长度，需要对于数据部分进行分片，最后在目的地的网络层被重新组装，中间各个片的路径可能不一样
    • 与分片和组装有关的首部字段：标识（数据报标号）、标志（指明是否可分片、是否为最后一片）、偏移量（所处原数据报的偏移量）
  • IPv4地址
    • 网络号+主机号
      • A类：1-126（1byte网络号）
        • 私有地址：10.0.0.0/8
      • B类：128-191（2byte网络号）
        • 私有地址：172.16.0.0/12
      • C类：192-223（3byte网络号）
        • 私有地址：192.168.0.0/16
      • D类（多播地址）：224-239
      • E类（保留地址）：240-255
    • 保留地址：
      • 主机号全0：代表本子网
      • 主机号全1：子网内广播（直接广播）
      • 127.xxx.xxx.xxx：环回自检
      • 全0：本网络上的本主机
      • 全1：整个TCP/IP的广播（受限广播）
    • NAT：实现专用地址到共用地址的转换
  • 子网划分：使得二级IP地址变成三级IP地址
    • 为了解决IP地址利用率很低，网络号过多导致路由表很大
    • 减少广播域的大小
    • 属于一个网络内部的事情
  • 子网掩码：通过与IP地址相与得到子网的网络号（未划分则为默认的子网）
  • CIDR无分类编址：不受ABC类网络分类的限制，自由划分IP地址；把小网汇聚成超网
  • 分组转发：针对于网络
    • IP数据报中的目的IP地址是不会变的，路由器只根据IP数据报中的目的IP地址网络前缀在路由表中找到下一跳IP地址，并通过ARP将其转换成MAC地址，放置于MAC帧首部中；
    • 由于在局域网中，MAC帧首部的源地址和目的地址会不断变化，也就意味着无法通过MAC地址跨网络通信，但是在经过网桥时不会改变源地址
  • ARP地址解析协议：IP地址到MAC地址的映射
    • 每台主机都有一个ARP高速缓存表
    • ARP表的构建：如果存在对应的表项，则直接查询，如果没有，则通过广播FF-FF-FF-FF-FF-FF的目的MAC地址的MAC帧，目的机器则会作出响应，ARP表中增加对应的表项
  • DHCP动态主机配置协议：给主机动态分配IP地址
    • 客户机广播，以让DHCP服务器给自己分配IP地址
    • 服务器接收后，广播包含分配的IP地址的数据报
    • 客户机接收后，若接受该地址则发送答应报文
    • 服务器接收后，给客户机分配IP地址
  • ICMP网际控制报文协议：让主机或路由器报告差错和异常情况
    • 报文类型：ICMP差错报文、ICMP询问报文
    • 询问报文中常用的为PING（回送请求和回答报文）、Traceroute（时间超过报文）
• IPv6
  • 目的：从根本上解决IPv4地址空间不足
  • 与IPv4比较：
    • 16byte地址空间，多级地址（0x的表示方法）
    • 简化了首部，只有8个域（IPv4有12个域）
    • 一般意义上的不可切片
    • 首部的单位长度为8byte（IPv4为4byte）
  • IPv6地址：单播、多播、任播
  • IPv4到IPv6的过渡方法：
    • 双协议栈：同时拥有两个协议栈，同时支持两个协议
    • 隧道：将IPv6数据报封装到IPv4
• 路由协议：
  • IGP
    • RIP路由信息协议（应用层协议，使用UDP传输数据）：使用距离向量算法
      • 仅与相邻路由器交换自己的路由表
      • 按固定的时间间隔交换路由信息
      • 优点：实现简单、开销小、收敛快
      • 缺点：限制网络规模（16被规定为不可达），交换路由表的开销大，“坏消息传递慢”
    • OSPF开放最短路径优先协议（网络层协议，使用IP传输数据）：使用链路状态算法
      • 对本AS中所有路由器发送所有相邻路由器的链路状态（洪泛法），只有链路状态发生变化才会洪泛
      • 使用Dijkstra算法计算自己到所有节点的最短路径，然后构建自己的路由表
      • 优点：链路状态只是度量代价的量度（部分信息），比路由表（全部信息）代价小得多；收敛很快，不会出现坏消息传递慢；灵活，负载平衡
  • EGP：通常为BGP边界网关协议（应用层协议，基于TCP）
    • 目的是寻求一个简单的路由，并不是寻找最好的
• IP组播：单个分组正确抵达若干目标主机
  • 基于UDP
  • 使用IGMP因特网组管理协议
  • 通过将对应的组播地址作为目标地址，即可对该组实现组播
    • 尽最大可能交付，不是可靠交付
    • 组播地址仅为目标地址
    • 不产生ICMP差错报文，因此不能PING
    • 并不是所有的D类IP地址都是组播地址
  • 数据只有在出现分岔时才会复制后继续转发
  • IGMP视为IP的一个组成部分，让组播路由器直到是否有主机出入某个组
• 移动IP：移动结点以固定的网络IP地址实现跨越不同网段的漫游
• 冲突域：第1层的概念，指同一介质的不同设备
• 广播域：第2层的概念，指能够接受同一广播的结点集合
• 路由器：由交换结构、输入端口、输出端口三部分组成
  • 分组转发：处理数据流（从比特流中抽取帧，从帧抽取数据报），执行转发表查询、队列管理、任务调度等
  • 路由计算：与其他路由器交互，完成路由表的计算和更新
  • 面向协议的，需要依靠网络地址协议、路由协议（应用层/网络层协议）；而网桥与高层协议无关
  • 由路由表得到转发表
    • 路由表（涉及路由计算）是不同路由器之间通过一定的路由协议/路由算法得到的
    • 转发表（涉及分组转发）是把收到的数据报转发到该路由器合适的端口中

传输层

• 功能
  • 面向通信部分的最高层，面向用户的最底层，向高层用户屏蔽下面三层通信子网的细节，向上三层资源子网提供可靠的传输服务
  • 提供了不同主机进程间的逻辑通信，即端到端的通信（网络层提供主机之间的逻辑通信，不可靠）
  • 复用和分用
  • 差错控制（网络层仅检查数据报首部）
  • 提供两种协议（网络层无法同时实现两种协议）
• 端口（软件端口）
  • 16bit
  • 应用进程将数据通过端口向下交付到传输层，而传输层可以通过端口向上交付给对应的进程
  • 应用层各种协议进程与传输层的交互地址
  • MAC、IP地址标识主机，而端口标识主机的应用进程
• 套接字=IP地址：端口号
  • 标识某一主机某一进程
• UDP
  • 特点：无连接、面向报文、不可靠交付
  • 服务：仅提供复用和分用、差错检测
  • 优点：开销小（首部仅8byte）、简单、速度快、实时性好；适用于一次性传输较少数据（DNS/SNMP）、对时延敏感的多媒体应用
  • UDP报文：
    • 首部：8byte
    • 源、目标端口号、UDP长度、UDP校验和
    • 接收方收到IP数据报后，直接抽取UDP报文通过端口向上交付给对应进程，若端口号不正确，则丢弃报文，发送ICMP差错报文
    • UDP校验：发送方加入伪首部，对整个报文16bit单位段进行二进制反码求和，对结果取反作为校验和字段；接收方应得到全1的校验结果（IP数据报仅对报文首部进行校验）
• TCP
  • 特点：面向端到端的连接、可靠/有序/无丢失/不重复、全双工、面向字节流
  • TCP报文：
    • 首部：20byte，首部长度必须为4byte的整数倍
    • 字节流中每一个字节都按顺序编号，序号字段中为报文数据的第一个字节序号
    • 窗口字段指明接收方现存的数据缓存空间
    • TCP校验同UDP校验几乎相同，都是对整个报文进行校验
    • ACK用于累计确认
    • SYN用于建立连接（SYN=1，ACK=0为建立连接报文，SYN=1，ACK=1为建立连接的答应报文）
    • FIN用于释放连接（说明发送方单方面释放连接，但可以接收数据）
  • 连接管理：
    • TCP连接的端口为套接字
    • 建立连接：三次握手
    • 释放连接：四次握手（先释放客户端到服务器端的单向连接，等待服务器把剩余数据传输完毕后，再释放另一单向连接）
  • 可靠传输：
    • 使用序号标记字节流；确认号表明已经接收到之前的结果，其值为所期望下一个报文段的数据的第一个字节的序号；累计确认的方式以确保有序
    • 超时和冗余ACK（接收到三个相同的ACK后，进行快速重传，同时可以用作拥塞控制）
  • 流量控制：
    • 和数据链路层一样，使用滑动窗口实现（区别：传输层的是端到端的流量控制，且窗口大小可以动态变化，而数据链路层是点到点的，不可动态变化）
    • 根据报文段中接收方的rwnd的大小，发送方修改发送窗口大小
  • 拥塞控制：
    • 与流量控制的区别：拥塞控制为全局性的，让当前网络能够承受现有的负荷，而流量控制是端到端的
    • 借助rwnd、cwnd（发送放估算当前网络的拥塞程度），发送窗口大小为两者的最小值
    • 维护cwnd的方法（前提是rwnd足够大，发送窗口=cwnd）：
      • 慢开始和拥塞避免：低于ssthresh阈值，慢开始（从cwnd=1开始，线性增加），超过ssthresh阈值，拥塞避免（不断自增1）；一旦出现超时导致的拥塞，ssthresh减半，cwnd=1，进行慢开始
      • 快重传（与可靠传输相同，遇到三个相同的ACK，快速重传）和快恢复（遇到三个相同的ACK导致的拥塞，ssthresh减半，cwnd=ssthresh，直接进行拥塞避免）
      • 超时意味着真正严重的拥塞，而冗余ACK还不至于严重的拥塞