当前位置：首页 > news >正文

计算机网络自检

news 文章来源：https://blog.csdn.net/twi_twi/article/details/129323165 2024/11/2 14:26:23

1 计网体系结构

因特网结构：
计网三个组成成分：
工作方式-其中2个部分：
功能-两个子网：
5个XAN分别是：
传输技术，两者的主要区别：
4种基本网络拓扑结构：
3种交换技术：
协议的三个部分：
计算机网络从结构上分可分为：
因特网是__、__计算机的集合
连接到因特网的设备称为__
端系统分为__与__
通过由__和__构成的网络核心连接
分组交换机包括__和__。

网络边缘(端系统/应用)→接入网络→网络核心
硬件、软件、协议
边缘部分和核心部分
通信子网（下三）和资源子网（上三）
广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个人局域网（PAN）
广播式网络（局域和部分广域）、点对点网络（广域）
是否采用分组存储转发与路由选择机制（上不采下采）
总线型、星形、环形、网状
电路交换技术、报文、分组
语法、语义、时序
网络核心、网络边缘、接入网
互连的、自治的
主机(端系统)
客户端与服务器
通信链路和分组交换机
路由器和链路层交换机

OSI	功能	协议
应用层		FTP、SMTP、HTTP
表示层	处理两个通信系统交换信息的表示方式
会话层	建立同步（SYN）
传输层	复用、分用。为端到端连接提供可靠服务。差错控制、流量控制	TCP、UDP	报文段(TCP)或用户数据报(UDP)
网络层	路由选择、差错控制、流量控制、拥塞控制	IP、ICMP、IGMP、ARP、OSPF	数据报（分组）
数据链路层	成帧、差错控制、流量控制、传输管理	SDLC、HDLC、PPP、STP	帧
物理层	传输比特流		比特

TCP/IP	重点
应用层
传输层	TCP：传输控制协议、面向连接、报文段，可靠 UDP：用户数据报协议、无连接、用户数据报、不可靠
网际层	提供无连接不可靠的服务
网络接口层

2 物理层

数据/信号分类
模拟信号	连续变化的信号
数据信号	取值仅允许为有限的几个离散数值的信号

数据传输方式
串行传输	1比特1比特地传输
并行传输	若干比特通过多条通信信道同时传输

交互的三种基本方式
单向通信	一条信道	只有一个方向的通信而没有反方向的交互
半双工通信	两条信道	通信的双方都可以发送或接收信息，但不能同时
全双工通信	两条信道	通信双方可以同时发送或接收信息

率的区分
信息传输速率（b/s）（比特率）	单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数
码元传输速率（Baud）（波特率）	单位时间内数字通信系统所传输的码元个数
带宽（b/s）	最高数据率
$波特率 = 比特率 / 每码元所含比特数$	若一个码元含有n比特的信息量，则表示该码元所需要的不同离散值位 $2^n$ 个
码元的离散电平数	指有多少种不同码元，比如16种不同码元，需4个二进制位数据传输速率是码元传输速率的4倍
以太网使用曼彻斯特编码	每位数据（一个比特）都需要两个电平（对应码元传输速率）

定理	条件	公式	解释
奈奎斯特定理	理想环境	$2Wlog_2V$	W是理想低通信道的带宽 V表示每个码元离散电平的数目
香农定理	不理想环境	$Wlog_2(1+S/N)$	S为信道传输信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率
信噪比	单位：dB	$信噪比=10log_{10}(S/N)$	S/N=10：信噪比=10dB S/N=1000：信噪比=30dB

编码与调制

数字数据编码

注意差分曼彻斯特：在ppt上是码元为1的变化

数字数据调制

基本数字调制方法	简写
辐移键控	ASK	Amplitude shift keying	振幅
频移键控	FSK	Frequency shift keying	频率
相移键控	PSK	phase shift keying	相位
正交振幅调制	QAM	Quadrature Amplitude Modulation	结合振幅和相位	$R=Blog_2(mn)$ b/s B为波特率，m种相位，每个相位有n种振幅

模拟数据编码

脉码调制PCM
采样	对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成离散的信号
量化	把采样取得的电平幅值转换为离散的数字量
编码	把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

采样定理（奈奎斯特定理）： $f采样≥2×f最大f_{采样}\geq 2\times f_{最大}$ ：将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为 $f$ ，那么采样频率 $f_{采样}$ 必须大于等于最大频率 $f$ 的两倍

电路交换，报文交换和分组交换

电路交换的三个阶段：连接建立、数据传输、连接释放

报文交换在交换结点采用的传输方式：无须建立连接，存储转发

分组交换相比报文交换的缺点：无须建立连接，传输额外信息量

分组交换的两种服务方式：数据报与虚电路

数据报服务需要建立连接吗：不
数据报服务保证可靠吗：不
数据报服务分组中有双方完整地址吗：有
数据报服务有冗余路径吗：有

虚电路的三个阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路连接

虚电路的工作原理：

虚电路建立（体现路由选择）：A 呼叫请求，B 呼叫应答
数据传输：A 发送数据分组，B ACK
虚电路连接：A 释放请求，B 释放应答

传输介质

双绞线、同轴电缆、光纤

无线传输介质

物理层接口的四个特性：机械、电气、功能、过程

物理层设备

中继器：将信号摘星并放大再转发出去

集线器：多端口中继器

5-4-3规则

4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段

3 数据链路层

3.1 数据链路层的功能

为网络层提供的服务：

连接与确认的关系：

帧传输的三个阶段：

HDLC中帧定界的标识位F：

MTU：

无确认的无连接服务、有确认的无连接服务、有确认的面向连接服务

有连接一定有确认，有确认不一定有连接

建立数据链路、传输帧、释放数据链路

01111110

最大传送单元，帧数据部分的长度上限

3.2 组帧

字符计数法：用第一个字节表明帧内字符数（一错俱错）

字符填充法：

零比特填充法：
前后标志字段：01111110
在发送端怎么处理：扫描，连续5个1填入1个0
在接收端怎么处理：确定边界，再用硬件去掉填的0

违规编码法：
用高高 or 低低表始终
是 局域网IEEE802 标准

3.3 差错控制

在数据链路层主要是纠比特错

检错编码：奇偶校验码，循环冗余码CRC
纠错编码：海明码

奇偶校验码

按 1 的数量的奇偶划分
n-1 位信息元，1位校验元
检错能力50%

循环冗余码 CRC

例：发送数据1101011011，多项式10011
① 10011 => $x^4+x^1+x^0$ => 阶为4 => 11010110110000
② 11010110110000 / 10011 余数为：1110
③ 最终发送数据 11010110111110

海明码

纠错d位，需要2d+1的编码方案
检错d位，需要d+1的编码方案

① 确定校验码位数r ：海明不等式 $2r≥k+r+12^r\geq k+r+1$ ：r为冗余信息位数，k为信息位数
② 确定校验码和数据的位置：校验码 $P$ 在 2 的几次方位置
③ 求出校验码的值：令所有要校验的位异或=0
④ 检错并纠错：计算校验码二进制序列，值为 i，出错位就是第 i 位

3.4 流量控制与可靠传输机制

两种控制	关注点
流量控制	接收端数据接收处理和缓存能力
拥塞控制	网络传输能力

流量控制的基本方法：由接收方控制发送方发送数据的速率

链路层流量控制的两种方法：停止-等待协议和滑动窗口协议（后退N帧协议（GBN）和选择重传协议（SR））

公式
信道利用率	$u=TDTD+RTT+TAu=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A}$	$u=L:T内发送L比特的数据C:发送方数据传输率T:发送周期−从开始发数据到收到第一个确认帧为止u=\frac{\frac{L: T内发送L比特的数据}{C: 发送方数据传输率}}{T: 发送周期-从开始发数据到收到第一个确认帧为止}$
信道吞吐率	信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率

停止-等待协议

作用：①解决丢包 ②流量控制

研究前提：
① 一方为发送方，一方为接收方
② 不考虑起发生层次
③ 每发完一个帧就停下来等对方确认后再发下个帧

应用情况：有差错的三种情况
① 数据帧丢失或检测到帧出错
② ACK丢失
③ ACK迟到

数据帧丢失或检测到帧出错时怎么处理：
① 发完一个帧，必须保留起副本
② 数据帧和确认帧必编号

后退N帧协议（GBN）

滑动窗口长度 $W_T$ ：若采用n个比特对帧编号： $1≤WT≤2n−11\leq W_T\leq 2^n-1$
（e.g. 2个比特对帧编号： $1≤WT≤31\leq W_T\leq 3$ ）

N越大，信道利用率越高，总数据传输速率越高，但重传代价更大，缓存也更大

重点总结：
① 累积确认（偶尔捎带确认）
② 接收方只按序接收帧，不按序则无情丢弃
③ 确认序列号最大的按序到达帧
④ 发送窗口最大为 $2^n-1$

选择重传协议 SR

GBN弊端：累积确认、批量重传
=> 解决：① 设置单个确认；② 加大接收窗口；③ 设置接收缓存，缓存乱序帧；

滑动窗口长度设置问题：发送窗口最好等于接收窗口（大了溢出，小了没意义）
$一般：W_{T_{max}}=W_{R_{max}}=2^{(n-1)}$
$至少满足：发送窗口大小+接收窗口大小≤2n至少满足：发送窗口大小+接收窗口大小\leq 2^n$
e.g. 0 1 2 3 0 1 2 3…（n=2）窗口最大设为 $2^{n-1}=2^{2-1}=2$

重点总结：
① 对数据帧逐一确认，收一个确认一个
② 只重传出错的帧
③ 接收方有缓存
④ $W_{T_{max}}=W_{R_{max}}=2^{(n-1)}$

3.5 介质访问控制

常见三种介质访问控制方法：信道划分、随机访问、轮询访问
1静态，23动态

信道划分介质访问控制

四种复用：多路复用 DM - division multiplexing
① 频分多路复用（FDMA）
② 时分多路复用（TDMA）
③ 波分多路复用（WDMA）
④ 码分多路复用（CDMA）

CDMA：码分多址

作用方式：1比特分为多个chip，每个站点指定唯一的m位chip序列，发送1时发送chip序列，发送0时发送起反码

多个站点同时发送数据时，要求它们的chip序列：相互正交

随机访问介质访问控制

ALOHA协议
纯ALOHA协议思想	不监听信道、不按时间槽发送、随机重发、如果发生冲突，超时一定时间后重传
改进后：时隙ALOHA协议	用时间片约束用户
改进目的	控制想发就发的随意性

CSMA协议

CS：Carrier Sense 载波监听，每个站在发送数据前都要通过总线电压检测别人有没有在发
MA：Multiple Access 多路访问

	1-坚持CSMA	非坚持CSMA	p-坚持CSMA
信道空闲	马上发	马上发	p 概率直接传输 1-p 概率等下一时间槽再传输
信道忙	继续坚持监听	等一段时间再监听	等一段时间再监听

CSMA/CD协议：适用有线局域网

CD：Collision Detection 碰撞检测，边发送边侦听

工作流程：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发

以太网取51.2微秒为争用期的长度，对于10Mb/s的以太网，在争用期内可发送512bit，也即64B

最迟多久知道数据有无碰撞： $\times 端到端的传播时延$

如何确定碰撞后的重传时机：截断二进制指数规避算法
① 确定基本退避时间位争用期： $\times 端到端的传播时延$
② 定义 k = min[重传次数,10]
③ 从 $0,1,...,2^k-1]$ 中随机取一数r，设重传的退避时间为： $\times 端到端的传播时延$
④ 若重传次数达16，则认为网络拥挤，抛弃帧并向上层报错

$最小帧长=总线传播时延×数据传输速率×2最小帧长=总线传播时延\times 数据传输速率\times 2$

CSMA/CA协议：适用无线局域网

CA：Collision Avoidance 碰撞避免

载波监听多点接入/碰撞避免 => 无线局域网：无法全面检测碰撞

工作原理
发送数据前	先检测信道是否空闲
信道空闲	发出RTS
信道忙碌	等待

算法归纳
① 站点有数据要发送且检测到信道空闲，在等待DIFS后，发送整个数据帧
② 否则，站点执行CSMA/CA退避算法，选取一个随机回退值
③ 当退避计时器减到0时，站点发送帧
④ 发送站若收到确认，则跳转②发送第二帧

IEEE 802.11 帧间间隔
DIFS（分布式协调IFS）	最长的IFS，优先级最低，用于异步帧竞争访问的时延
PIFS（点协调IFS）	中等长度的IFS，优先级居中，在PCF操作中使用
SIFS（短IFS）	最短的IFS，优先级最高，用于需要立即响应的操作

处理隐蔽站	RTS和CTS
RTS	源站在发送数据帧前先广播一个短请求发送RTS，若信道空闲，AP广播一个允许发送CTS控制帧
CTS	① 给源站明确的发送许可；② 指示其他站点在预约期内不要发送

不同点	CSMA/CA	CSMA/CD
传输介质	无线	有线
载波检测方式	ED、CS、能量载波混合检测	电压变化

轮询访问介质访问控制：令牌传递协议

polling、token passing

令牌：一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息

作用：控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道

每个结点在 持有令牌 时才能发送数据

令牌开销
等待延迟
单点故障

应用于：令牌环网（物理星型拓扑，逻辑环形拓扑）

常用于：负载较重，通信量较大的网络中

3.6 局域网

局域网：某一区域内多计算机互联的计算机组，使用广播信道

特点：
① 范围小
② 专门传输介质，速率高
③ 延迟短，误码率低
④ 平等共享
⑤ 分布式+广播式，广播+组播

决定局域网主要因素：网络拓扑，传输拓扑，介质访问控制方法

网络拓扑（4种）：星型、总线型、环形、树型

传输介质：
有线：双绞线、同轴电缆、光纤
无线：电磁波

介质访问控制方法：
① CSMA/CD：总线型/树型
② 令牌：总线型/树型，只有令牌持有者才能控制总线
③ 令牌环：环形（令牌环网）

分类：
① 以太网：最广泛 CSMA/CD
② 令牌环网：少用
③ FDDI网：环形
④ ATM网：新型
⑤ WLAN：IEEE 802.11

IEEE 802标准：

以太网	令牌环网	光纤	WLAN
802.3	802.5	802.8	802.11

802.3 以太网

CSMA/CD + 总线网（逻辑上总线，物理上星型）

提供无连接、无差错、不可靠的服务

10BASE-T 以太网：传送基带信号，无屏蔽双绞线

适配器：计算机与外界的局域网连接

以太网的MAC帧

MAC地址：物理地址，48位二进制地址，前24位代表厂家，后24位厂家指定，常用6个十六进制数表示

格式标准：DIX Ethernet V2（最常用）、IEEE 802.3

高速以太网

① BASE前的数字表示数据率，单位为Mb/s
② BASE指介质上的信号为基带信号，采用曼彻斯特编码
③ 后面的5或2表示每段电缆最长长度为500m或200m(实际为185m)
④ T表示双绞线，F表示光纤

名称	用线	速率
100BASE-T以太网	双绞线	100Mb/s
吉比特以太网	光纤或双绞线	1Gb/s
10吉比特	光纤	10Gb/s

IEEE802.11 无线局域网

CSMA/CA

802.11数据帧有4种子类型，分别是 IBSS、From AP、To AP 和 WDS

在To AP中，地址1是RA，地址2是SA，地址3是DA

RA：Receiver Address，接入点的MAC
SA：Source Address，源MAC
DA：Destination Address，目的MAC

3.7 广域网

PPP协议

point-to-point Protocol：使用串行线路通信的面向字节的协议，目前使用最广泛的数据链路层协议

三个组成部分：
① 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
② 链路控制协议 LCP：用于建立、配置、测试和管理数据链路
③ 网络控制协议 NCP：允许采用多种网络层协议

注意：
① 提供差错检测，但不提供纠错功能，使用CRC
② 仅支持点对点的链路通信，不支持多点线路
③ 只支持全双工链路
④ 两端可以运行不同的网络层协议
⑤ 面向字节，若在异步线路，则采用字节填充法，若在同步线路，则采用硬件来比特填充
⑥ 由于不采用CSMA/CD协议，所以信息段占0_{1500字节，而不是46}1500字节

HDLC协议

High-level Data Link Control，高级数据链路控制，是ISO制定的面向比特的数据链路层协议，不属于TCP/IP协议族

① 可透明传输，使用0比特插入法成帧
② 采用全双工
③ CRC检验
④ 对信息帧进行顺序编号，可防止漏发或重发

三种站
主站	控制链路，发出命令帧
从站	按主站命令操作，发出响应帧
复合站	发出命令帧和响应帧

三种数据操作方式
正常响应方式	从站收到主站许可后，方可响应
异步平衡方式	平衡结构操作方式，每个复合站可以进行对另一站的数据传输
异步响应方式	非平衡结构操作方式，从站即使未受到主站的允许，也可进行传输

三类帧（无间隙）
无编号帧	提供对链路的建立、拆除等多种控制功能
监督帧	用于流量控制和差错控制，执行确认，请求重发，请求暂停发送
信息帧	传输数据信息

PPP协议 vs HDLC协议	面向?	协议字段
PPP协议	面向字节	2B协议字段	无序号和确认机制	不可靠
HDLC协议	面向比特	没有	有编号和确认机制	可靠

3.8 链路层设备

3.8.1 网桥

根据MAC帧的目的地址对帧进行转发过滤

4个作用：
① 过滤通信量，增大冲突量
② 扩大物理范围
③ 提高可靠性
④ 互连不同物理层，MAC子层的以太网

分类：
透明网桥：用自学习的方法构建转发表
源路由网桥：详细的最佳路由信息放在帧首部 => 方法：源站以广播方式向目的站发送发现帧

3.8.2 交换机

交换机是一个多端口的网桥

以太网交换机两种交换方式：

直通式	存储转发式
查完目的地址立即转发	将帧放入缓存，检查是否正确 Y则转发，N则丢弃

	冲突域	广播域
	同一时间只能有一台设备发送信息的范围	能接收某站点发出广播信号的设备范围
	能否隔离冲突域	能否隔离广播域
物理层设备：中继器、集线器	不能	不能
链路层设备：网桥、交换机	能	不能
网络层设备：路由器	能	能

4 网络层

4.1 网络层的功能

主要功能：把分组从源端传到目的端，为分组交换网上不同主机提供通信服务

网络层传输单位：数据报

功能：
① 路由选择和分组转发
② 异构网络互联
③ 拥塞控制
开环：静
闭环：动

中继系统

系统
物理层中继系统	中继器，集线器
数据链路层中继系统	网桥、交换机
网络层中继系统	路由器
网络层以上的中继系统	网关

4.2 路由算法

两类路由算法	自适应？	说明	举例
静态路由算法	非自适应	由网络管理员手工配置的路由信息	军用
动态路由算法	自适应	按照路由算法优化出路由表项	① 距离向量路由算法 ② 链路状态路由算法

分散性：距离向量路由算法 RIP

路由选择表中有：路径的目的地，路径的代价

要求：
① 网络中每一个路由器都维护一个从自己到每一个目的网络的唯一最佳距离
② 所有结点定期用自己的路由选择表更新邻层

更新路由选择表的条件：被通知新路由/更短的路

距离：“跳数”，经过一个路由器就+1。允许一条路由最多只包含15个路由器，16表不可达

交换规则：
① 仅和相邻路由器交换信息
② 路由器交换的信息是自己的路由表
③ 每 30s 交换一次路由信息，然后路由表根据新信息更新路由表
④ 若超 180s 未收到邻层路由器的通告，则判定邻居没了并自更新路由表
⑤ 最终，路由信息会实现收敛

距离向量算法：

修改相邻路由器发来的RIP报文中的所有表项
对修改后的RIP报文中的每一个项目
① 若下一跳为x，则用收到的项目替换源路由表中的项目
② 若下一跳不为x，原来距离比从x走的距离远则更新，否则不作处理
若180s还没收到相邻路由表x的更新路由表，则把x记为不可达的路由器，即把距离设为16
返回

全局性：链路状态路由算法 OSPF

开放最短路径优先协议，使用了 Dijkstra 提出的最短路径优先算法

最主要的特征：使用分布式的链路状态协议

要求：每个结点有完全的网络拓扑信息

结点任务：
① 主动测试所有邻接结点
② 定期传播链路状态

三个特征：
① 泛洪法发送信息
② 发送的是路由器相邻的所有链路状态
③ 只有链路变化时才发

特点：
① 使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息：相邻 => 相邻
② 发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态
③ 只有链路状态发生变化时，才会交换信息

BGP协议

与其他AS的邻站BGP发言人交换的是网络可达性信息：要到达某个网络要经过一系列AS

发生变化时更新有变化的部分

三种路由协议比较

层次路由

分层次的路由选择协议
① 因特网规模大
② 单位对外透明性

一个自治系统的所有网络都属于一个行政单位管辖
一个自治系统的所有路由器在本自治系统内部都必须连通

IGP：内部网关协议、具体的协议有RIP和OSPF
EGP：外部网关协议、具体的协议有BGP

4.3 IPv4

最大传送单元MTU代表：链路数据帧可封装数据的上限

以太网MTU是1500字节，首部至少为20B，数据部分长度需为8B的整数倍

IP地址

历史：分类的IP地址 => 子网的划分 => 构成超网（无分类编址方法）

分类的IP地址：全世界唯一的32位(4字节)的标识符，标识路由器主机接口，一般写为点分十进制格式
{<网络号>,<主机号>}

IPv4地址	起始	规律
A类	1	1
B类	128	128
C类	192	128+64
D类	224	128+64+32
E类	240	128+64+32+16

用途	NetID 网络号	HostID 主机号	作为IP分组源地址	作为IP分组目的地址
本网范围内表示主机	全0	全0	可以	不可以
表示本网内某个特定主机	全0	特定值	不可以	可以
本网广播地址(路由器不转发)	全1	全1	不可以	可以
网络地址，表示一个网络	特定值	全0	不可以	不可以
直接广播地址 (对特定网络上所有主机进行广播)	特定值	全1	不可以	可以
用于本地软件环回测试	127	任何数	可以	可以

网络类别	最大可用网络数	第一个可用的网络号	最后一个可用的网络号	每个网络中的最大主机数
A	$2^7-2$	1	126	$2^{24}-2$
B	$2^{14}$	128.0	191.255	$2^{16}-2$
C	$2^{21}$	192.0.0	223.255.255	$2^8-2$

私有IP地址网段

10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

子网划分

某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内的子网划分

子网掩码与IP地址逐位相与，就得到子网网络地址

IP地址级数

子网掩码

快速计算表
1000 0000	128	1111 1000	248
1100 0000	192	1111 1100	252
1110 0000	224	1111 1110	254
1111 0000	240	1111 1111	255

使用子网时分组转发

路由表中的三样：
① 目的网络地址
② 目的网络子网掩码
③ 下一跳地址

路由器转发分组的算法：
① 提取目的中地址
② 是否直接交付
③ 特定主机路由
④ 检测路由表中有无路径
⑤ 默认路由：0.0.0.0

无分类域间路由选择CIDR

消除传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念
融合了子网地址和子网掩码方便子网划分：CIDR把网络前缀均相同的连续IP地址组成一个“CIDR”地址块

构成超网：路由聚合，将多个子网聚合成一个较大的子网

最长前缀匹配：使用CIDR时，查看路由表可能得到几个匹配结果。
应选择具有最长网络前缀的路由。
前缀越长，地址块越小，路由越具体

地址解析协议 ARP

Address Resolution Protocol

如何解决下一跳走哪的问题：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射

两个步骤：
① 检查ARP高速缓存：
有对应表项，则写入MAC帧；
没有对应表项，则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装成广播ARP请求分组。
② 目的主机收到请求后会向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存

ARP高速缓存：IP地址为MAC地址的映射

ARP协议4种典型情况：

主机A发给本网络中的主机B，用ARP找到主机B的硬件地址
主机A发给另一网络中的主机B，用ARP找到本网络中一个路由器(网关)的硬件地址
路由器发给本网络中的主机A，用ARP找到主机A的硬件地址
路由器发给另一网络中的主机B，用ARP找到本网络中一个路由器(网关)的硬件地址

动态主机配置协议 DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol：基于UDP的应用层协议，用于给主机动态分配IP地址，提供即插即用联网的机制

DHCP服务器聚合DHCP客户机的交换过程

客户机广播“DHCP发现”报文
DHCP服务器广播“DHCP提供”报文
客户机广播“DHCP请求”报文
DHCP服务器广播“DHCP确认”报文

网际控制报文协议 ICMP

Internet Control Message Protocol

差错报告报文类型	原因
终点不可达	无法交付
源点抑制	拥塞丢数据
时间超过	TTL=0
参数问题	首部字段有问题
改变路由（重定向）	值得更好的路由

不应发送ICMP差错报文的情况
对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文	不自首
对第1分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文	不重复
对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报文	忽视组播
对具有特殊地址（如：127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送ICMP差错报告报文	不搞特殊
总结：ICMP报文本身，非第一个分片(仅对第一个分片发)，具有组播地址的IP数据报

ICMP询问报文

回送请求和回答报文：主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态
时间戳请求和回答报文：请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间。

ICMP的应用

ping：测试两个主机之间的连通性，使用ICMP回送请求和回答报文
Traceroute：跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用ICMP时间超过差错报告报文

4.4 IPv6

与IPv4的区别：
① 地址从32位增大到128位
② 在路由器中不能分片
③ 首部长度单位从4B变为8B

一般形式：冒号十六机制记法
压缩形式：0000 => 0 和零压缩（一连串连续的0可以被一堆冒号取代，在一个地址中只能用一次）

基本地址类型

单播：一对一通信，源地址+目的地址
多播：一对多通信，可做目的地址
任播：一对多中的一个通信

IPv6向IPv4过渡的策略

双栈协议：一台设备上同时启用IPv4和IPv6协议栈
隧道技术：隧道协议将其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送

4.5 IP组播

点对多点的传输方式

IP组播地址：让源设备能将分组发送给一组设备，属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址

D类地址：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255

只能作为分组的目标地址
源地址总为单播地址

组播数据报 “尽最大努力交付”：UDP
不产生ICMP差错报文
并非所有D类地址都可以作为组播地址

硬件组播：组播IP地址需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧

组播MAC地址：以十六进制值01-00-SE打头，余下的6个十六进制，根据IP组播地址最后23为转换得到

TCP/IP协议使用的以太网多播地址范围：01-00-5E-00-00-00 ~ 01-00-5E-7F-FF-FF

所以组播地址的后23位与D类IP地址中的后23位有一一对应的关系

IGMP协议：
让路由器找到本局域网上是否有主机(的进程)参加或退出了某组播组
① 主机向组播组的组播地址发送IGMP报文申请加入
② 本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机

组播路由协议三种算法：基于链路，基于距离-向量，协议无关的组播

4.6 移动IP

移动节点以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能

4.7 网络层设备

路由器：是一种多输入、多输出端口的专用计算机，任务是转发分组

三层设备的区别：

（网络层）路由器：可以互联两个不同网络层协议的网段
（链路层）网桥：可以互联两个物理层和链路层不同的网段
（物理层）集线器：不能互联两个物理层不同的网段

路由表由路由选择算法得来，转发表由路由表得来

5 传输层

5.1 传输层概述

只有主机才有的层次

功能：
① 提供进程之间的逻辑通信（端到端）
② 复用：应用层所有应用进程通过传输层传输到网络层
分用：传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程
③ 对收到的报文进行差错检测
④ 两种协议：TCP协议 vs UDP协议

5.2 UDP协议

只在IP数据报上增加了复用分用和差错检测功能

主要特点：
① 无连接
② 不保证可靠交付
③ 面向报文（一次发送一个完整报文）
④ 设有拥塞控制，适用于实时应用
⑤ 首部开销小，8B

UDP数据报

伪首部

UDP校验

5.3 TCP协议

特点：
① 面向连接（虚连接）
② 点对点，只能有两个端点
③ 可靠交付，无差错，不丢失，不重复，按序到达
④ 全双工通信
⑤ 面向字节流

TCP连接管理

三个阶段：连接建立 => 数据传送 => 连接释放

连接建立：三次握手

连接释放：四次挥手

规律：
seq => ack：+1
ack => seq：不变

TCP可靠传输

机制：校验，序号，确认，重传

TCP流量控制

利用滑动窗口实现流量控制

接收方通过接收缓存大小，动态调整发送方发送窗口大小
=> 也即：发送方的发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口rwnd最小值

TCP拥塞控制

出现拥塞：对资源需求的总和>可用资源

拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中

四种算法

假定：
① 发送窗口=Min{接收窗口，拥塞窗口}
② 接收窗口：接收方根据接受缓存设置的值，并告知给发送方，反映接收方容量
③ 拥塞窗口：发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值，反映网络当前容量

慢开始和拥塞避免

快重传和快恢复

6 应用层

6.1 应用层概述

功能：文件传输、访问和管理，电子邮件，虚拟终端，查询服务和远程作业登录

重要协议：FTP，SMTP，POP3，HTTP，DNS

网络应用体系结构包括：C/S，纯P2P，混合模式

6.2 网络应用模型

客户/服务器模型

服务器：提供计算服务的设备
① 永久提供服务
② 永久性访问地址/域名

客户机：请求计算服务的主机
① 与服务器通信，使用服务器提供的服务
② 间歇性接入网络
③ 可能使用动态IP地址
④ 不与其他客户机直接通信

p2p模型

每个主机既可以提供服务，也可以请求服务
任意端系统/节点之间可以直接通讯
节点间歇性接入网络，并可能改变IP地址

6.3 域名系统（DNS）

记录主机名与主机IP地址映射关系

3种DNS服务器组成了自上而下的层次结构：根DNS服务器，顶级域(TLD)DNS服务器(.com、.org等)，权威DNS服务器(xxx.com、xxx.org等)

DNS服务器中维护的DNS资源记录表示为四元组(Name,Value,Type,TTL)，其中TTL为记录有效时间，Type为记录类型，有以下4种：
• A：描述主机名与IP地址的映射，例如(relay1.bar.foo.com,145.3.3.3,A)
• NS：描述域名与权威DNS服务器主机名映射，例如(foo.com,dns.foo.com,NS)
• CNAME：描述主机别名与规范主机名的映射，例如(foo.com,relay1.bar.foo.com,CNAME)
• MX：描述邮件服务器与规范主机名的映射，例如(foo.com,mail.bar.foo.com,MX)

当申请xxx.com的新域名时，需要准备自己的权威DNS服务器dns.xxx.com，向对应的顶级域DNS服务器插入(xxx.com,dns.xxx.com,NS)和(dns.xxx.com,[IP地址],A)

6.4 文件传输协议FTP

控制连接

服务器监听21号端口，等待客户连接

控制信息以7位ASCII格式传送

数据连接

主动模式PORT：“服务器”连接到“客户端”的端口

被动模式PASV：“客户端”连接到“服务器”的端口

FTP的控制信息是带外(Out-of-band)传送

工作原理

6.5 简单邮件传输协议 SMTP

Simple Mail Transfer Protocol，使用TCP连接，端口号25，当收到CRLF.CRLF时表明邮件内容结束

普通电子邮件：SMTP-SMTP-HTTP

SMTP缺点：
① 不能传送可执行文件或者其他二进制对象
② 仅限于传送7位ASCII码，不能传送其他非英语国家的文字”
③ SMTP服务器会拒绝超过一定长度的邮件

基于万维网的电子邮件：HTTP-SMTP-HTTP

**网际报文存取协议 IMAP：**比POP协议复杂，可以让用户在不同地方使用不同的计算机随时上网阅读处理邮件，还允许部分阅读

发送方用户代理通过SMTP协议或HTTP协议(基于web的电子邮件)将邮件发送到发送方邮件服务器的报文队列中。

接收邮件时可以使用的应用层协议包括：HTTP，POP，IMAP

6.6 万维网

超文本标记语言，HTML：HyperText Markup Language

统一资源定位符URL => 唯一标识 => 资源

URL一般形式：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>

6.7 超文本传输协议 HTTP

定义浏览器怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及服务器如何传文档到浏览器

特点：① 无状态，但有Cookie
② 采用TCP，但HTTP协议本身无连接

anjing.myqcloud.com/img/image-20230127165337226.png" alt=“image-20230127165337226” style=“zoom: 33%;” />