计算机网络

一、体系结构

概念：计算机网络就是一些互连的、自治的计算机系统的集合

组成

• 组成部分

  • 硬件：主机、通信线路、交换设备、通信处理机等
  • 软件：各种资源共享软件、各种工具软件
  • 协议：核心

• 工作方式

  • 边缘部分：主机组成，用来进行通信和资源共享
  • 核心部分：网络和路由器组成，提供连通性和交换服务

• 功能组成

  • 通信子网：各种传输介质、通信设备和相应网络协议
  • 资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件集合

功能

• 数据通信
• 资源共享
• 分布式处理
• 提高可靠性
• 负载均衡

分类

• 按分布范围

  • 广域网：交换技术
  • 城域网：以太网技术
  • 局域网：广播技术
  • 个人区域网

• 按传输技术

  • 广播式网络
  • 点对点网络

• 按拓扑结构

  • 星形网络：中央设备交换机或路由器，中心结点对故障敏感
  • 总线形网络：任意一处对故障敏感
  • 环形网络：信号单向传输
  • 网状形网络：可靠性高

• 按使用者

  • 公用网
  • 专用网

• 按交换技术

  • 电路交换

    • 三个阶段：建立连接、传输数据、断开连接，典型传统电话网络

    • 特点

      • 优点：数据直接传送，延迟小
      • 缺点：线路利用率低

  • 报文交换（存储转发）

    • 充分利用线路容量、实现格式转换、实现一对多、多对一访问实现不同链路之间不同数据率的转换

  • 分组交换：缓冲易于管理，平均延迟小，更易于标准化

性能指标

• 带宽
• 时延
• 吞吐量
• 速率

分层结构

协议

• 对等实体进行通信的集合

• 组成

  • 语法：传输数据的格式
  • 语义：所要完成的功能
  • 同步：事件实现顺序

接口：同一结点内相邻两层间交换信息的连接点

服务：下层为相邻上层提供的功能调用

参考模型

• ISO/OSI模型

  • 应用层：用户与网络的界面

  • 表示层：处理交换信息的表示方式，数据压缩、加密、解密

  • 会话层：管理主机间的会话进程，实现数据同步

  • 传输层

    • 端到端通信
    • 传输单位：报文段（TCP）或用户报（UDP）
    • 功能：提供可靠传输服务、流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理
    • 协议：TCP、UDP

  • 网络层

    • 传输单位：数据报、分组
    • 功能：路由选择、流量控制、拥塞控制、差错控制、网际互连
    • 协议：IP（网际协议）、IPX、ICMP（网际报文控制协议）、IGMP（网际组管理协议）、ARP（地址解析协议）、RARP、OSPF
    • 可同时提供无连接服务和面向连接服务

  • 数据链路层

    • 点对点通信
    • 传输单位：帧
    • 功能：成帧、差错控制、流量控制、传输管理、保证数据正确的顺序和完整性
    • 协议：SDLC、HDLC、PPP(点对点协议)、STP、帧中继

  • 物理层

    • 传输单位：比特
    • 功能：传输比特流

• TCP/IP模型

  • 应用层
  • 传输层
  • 网际层
  • 网络接口层

二、物理层

通信基础

• 信道

  • 单工：只有一个方向的通信，而没有反方向的交互
  • 半双工：通信双方都可以发送、接收信息，但不能同时发送、接收
  • 全双工：通信双方可以同时发送、接收信息

• 定理

  • 奈氏准则：理想低通信道下的极限数据传输率2Wlog2V
  • 香农定理：信道的极限数据传输速率WIog2V(1+S/N)、信噪比=10log10(S/N)

• 调制与编码

  • 调制：把数据变换为模拟信号的过程

  • 编码：把数据变换为数字信号的过程

  • 数字数据→数字信号

    • 非归零码

      • 实现容易、没有检错功能、难以保持同步

    • 曼彻斯特编码

      • 中间出现电平跳变，可用于同步，用于以太网

    • 差分曼彻斯特编码

      • 实现自同步、抗干扰性好，常用于局域网

  • 数字数据→模拟信号：幅移键控、频移键控、相移键控、正交振幅调制

  • 模拟数据→数字信号：1.抽样 2.量化 3.编码

  • 模拟数据→模拟信号：频分复用技术等

• 传输方式

  • 电路交换：两结点之间建立一条专用的物理通信路径，传输期间一直独占

  • 报文交换：无需建立专门连接，报文携带有目标地址等信息，采用存储转发方式

  • 分组交换

    • 把报文分割成小的数据块，加上必要的控制信息进行传输
    • 数据报：分组之间可能存在不同路径，各个分组分别转发
    • 虚电路：在发送方和接收方建立一条逻辑上相连的虚电路，分组沿着虚电路传输

传输介质

• 无线：无线电波、微波、红外线和激光
• 有线：双绞线、同轴电缆、光纤

设备

• 中继器

  • 原理：将衰减的信号再生
  • 将信号整形并放大再转发出去，消除信号的失真和衰减问题，具有5段通信介质-4个中继器-3个段接PC-2个段扩展规则
  • 两个网段的数据传输率要相同

• 集线器

  • 实质上是一个大多端口中继器，对信号进行放大后发到其他所有端口
  • 拓扑结构上属于星形、共享式网络

• 转发器：只能放大信号

三、数据链路层

功能：为网络层提供服务、链路管理、定界、帧同步与透明传输、流量控制和差错控制

组帧

• 字符计数法：在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数

• 首尾定界法

  • 概念：使用特定字符或比特模式定结帧的开始和结束
  • 字符填充：在数中的特殊字符前面用转义字符填充
  • 比特填充:数据区每遇到连续5个1就填充一个0

• 违规编码法：信号传输过程中采用违规的编码来表示帧的起始和终止

差错控制

• 检错编码：奇偶校验码、循环冗余码

• 纠错编码

  • 海明码

    • 能发现双比特错，但只能纠正单比特错
    • n个信息位插入k个校验位,满足：2k>=n+k+1
    • 纠错d位，码距为2d+1，检错d位，码距为d+1

可靠传输：数据链路层通常使用确认和超时重传两种机制来保证可靠传输

流量控制

• 停止等待协议

  • 发送方每发送一帧都要等待接收方的应答信号才能发送下一帧
  • 发送窗口大小=1，接收窗口大小=1

• 后退N帧协议

  • 发送方一次可发送N帧，按序接收，重传从最后一个确认开始
  • 发送窗口大小>1，接收窗口大小=1

• 选择重传协议

  • 发送方一次可发送N帧，可以不按序接收，重传没有确认的帧
  • 发送窗口大小>1，接收窗口大小>1

介质访问

• 信道划分

  • 频分复用FDM

    • 将多路信号调制到不同频率载波上疊加形成一个复合信号
    • 适用于传输模拟信号

  • 时分复用TDM

    • 将物理信道按时间分为若干时间片，轮流给不同信号使用

    • 传输介质的性质：介质的位速率大于单个信号的位速率

    • 适用于传输数字信号

    • 分类

      • 同步时分多路复用：预先分配时间片
      • 异步时分多路复用（统计时分复用）：动态分配时间片

  • 波分复用：在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号

  • 码分复用：靠不同的编码来区分各路原始信号，例如CDMA技术

• 随机访问

  • ALOHA协议

    • 纯ALOHA：不检测直接发送，若无确认则等待重发
    • 时隙ALOHA：将时何划分为若干等长时隙，按时发送

  • CSMA协议

    • 1-坚持：闲则发送，忙则继续监听
    • 非坚持：闲则发送，忙则等待一个随机时间再听
    • p-坚持：闲则以概率p发送，1-p等待下一个时隙，忙则等待一个随机时间再听

  • CSMA/CD协议

    • 流程：先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发

    • 碰撞解决：采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题

      • 考虑了网络负载对冲突的影响
      • k=min[重传次数，10]
      • 重传16次仍不成功，丢弃帧，向高层报告出错

    • 适用于总线型网络或半双工网络

    • 争用期：信号在最远两个端点之间往返传输的时间

  • CSMA/CA协议

    • 避免碰撞：预约信道、ACK帧（数据帧的确认）、RTS/CTS帧
    • 碰撞解决：采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题
    • 适用于无线局域网

• 轮询访问：令牌传递协议

  • 只有得到令牌的机器才能发送数据，其他必须等待
  • 适用于负载重的广播信道

局域网

• 在一个较小地理范围内，将各种计算机等设备通过双绞线等介质连接

• IEEE
  802标准

  • 对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层
  • 逻辑链路控制LLC子层：建立和释放逻辑连接、提供与高层的接口、差错控制、给帧加序号
  • 媒体连接控制MAC子层：组帧、拆帧、比特差错检测、寻址、透明传输、竞争处理

• 传输介质适用情况

  参数	10BASE5	10BASE2	10BASE-T	10BASE-FL
  传输媒体	基带同轴电缆（粗缆）	基带同轴电缆（细缆）	分屏蔽双绞线	光纤对
  编码	曼彻斯特编码
  拓扑结构	总线型	星型	点对点
  最大段长	500m	185m	100m	2000m
  最多结点数目	100	30	2	2

• MAC帧

  • MAC地址长6字节，48位
  • 局域网中两设备的静态MAC地址相同时，都不能正常通信

• 高速以太网

  • 100BASE-T

    • 在双绞线上传送100mbs基带信号的星形拓扑结构以太网，使用CSMA/CD协议
    • 支持半双工方式、全双工方式（不使用CSMA/CD协议）
    • 保持最短帧长不变，将一个网段的最大长度减少到100m，从而提高以太网数据传输速率

  • 10G比特以太网 只支持全双工方式

• 令牌环网

  • 令牌实质是MAC控制帧，有时间限制

广域网

• PPP协议

  • 提供差错检测功能，不可靠传输

  • 面向字节，采用字节填充方式

  • 只支持全双工链路、仅支持点对点通信

  • 两端可以运行不同的网络层协议

  • 组成

    • 链路控制协议LCP
    • 网络控制协议NCP
    • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法

• HDIL协议

  • 面向比特，采用0比特插入法
  • 分类：信息帧：使用编号和确认机制，提供可靠传输、监督帧和无编号帧

设备

• 网桥

  • 特点：把两个或多个以太网通过网桥连接起来变成一个网段

  • 类型

    • 透明网桥：按照自学习算法填写转发表，按转发表转发
    • 源路由网桥：先发送发现帧，按返回结果转发

• 交换机

  • 特点：实际就是一个多端口网桥

  • 交换方式

    • 直通式：帧在接收后只检查目的地址，几乎能马上就被传出去
    • 存储转发：先将接收到的帧缓存到高速缓存器，检查数据正确性

• 相同点：按MAC地址转发，都能隔离冲突域，不能隔离广播域

四、网络层

功能：异构网络互联：数据链路层和物理层均不同、路由与转发、拥塞控制

路由算法

• 静态：由网络管理员手工配置路由信息

• 动态

  • 通过路由器间彼此交换的信息来构造路由表

  • 距离-向量算法

    • 慢收敛是导致发生回路的根本原因

  • 链路状态算法

层次路由

• 概念：将互联网分成许多较小的自治系统，系统有权决定自己内部采什么路由协议

• 协议

  • 内部网关协议：自治系统内部使用的网关协议，如RIP、OSPF
  • 外部网关协议：自治系统之间使用的网关协议，如BGP4

IPv4

• 首部：固定部分共20B，其中首部长度、总长度和片偏移的基本单位分别为4B、1B、8B

• NAT

  • 实现专用网络地址和公用网络地址之间的相互转换

  • 私有IP地址

    • A类：1个A类网段 10.0.0.0-10.255.255.255
    • B类：16个B类网段 172.16.0.0-172.31.255.255
    • C类：256个C类网段 192.168.0.0-192.168.255.255

• 子网划分

  • 采用子网掩码对物理子网再一次进行子网划分
  • 增加子网的数量，减少广播域的大小

• CIDR：在变长子网掩码的基础上提出的一种消除传统A、B、C类网络划分

• 路由聚合

  • 概念：将网络前缀都相同的连续的地址组成“CIDR地址块”
  • 目的：使得一个地址块可以表示很多地址，减少路由表表项和路由器间的信息交换
  • 方法：把一串IP地址都写为二进制表示，取最长的公共前缀作为网络号

• 协议

  • ARP 地址解析协议

    • 对于特定的IP地址，查询其对应的物理地址
    • 工作在网络层

  • DHCP

    • 给网络中的主机动态的分配IP地址
    • 应用层协议，基于UDP

  • ICMP

    • 用来给主机或路由器报告差错和异常情况

    • IP层协议

    • 种类

      • ICMP差错报告报文

        • 用于目标主机或路径上的路由器向源主机报告差错和异常情况

        • 分类

          • 终点不可达：路由器或主机不能交付数据报
          • 源点抑制：路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报
          • 时间超过
          • 参数问题
          • 改变路由

      • ICMP询问报文

        • 回送请求和回答报文
        • 时间戳请求和回答报文
        • 掩码地址请求和回答报文
        • 路由器询问和通告报文

    • 应用

      • PING命令

        • 工作在应用层，直接使用网络层ICMP协议
        • 使用ICMP回送请求和回答报文

      • traceroute、tracert

        • 工作在网络层
        • 使用ICMP时间超过报文

IPv6：首部40B，地址长度16B

• 主要用于解决IPv4的地址耗尽问题
• 不允许分片
• 不提供校验和字段

路由协议

• 内部网关协议IGP

  • 路由信息协议RIP

    • 基于距离向量路由选择协议，使用UDP
    • 固定时间间隔，与相邻路由器交换整个路由表
    • 应用层协议

  • 开放最短路径优先协议OSPF

    • 基于链路状态路由算法，使用IP
    • 链路状态变化时，与全部路由器交换相邻结点链路状态
    • Dijkstra算法计算最优路径

• 外部网关协议EGP

  • 边界网关协议BGP

    • 基于路径向量路由选择协议，使用TCP
    • 寻找的并非最佳路由

• 路由协议总结

  协议	RIP	OSPF	BGP
  类型	内部	内部	外部
  路由算法	距离-向量	链路状态	路径-向量
  传递协议	UDP	IP	TCP
  路径选择	跳数最少	代价最低	较好，非最佳
  交换结点	和本结点相邻的路由器	网络中所有的路由器	和本结点相邻的路由器
  交换内容	当前本路由器知道的全部信息	与本路由器相邻的所有路由器的链路状态	首次	整个路由表
  非首次	有变化的部分

IP组播

• 在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接，应用UDP协议
• 使用D类地址224.0.0.0-239.255.255.255，后23位构成硬件地址
• 为了避免环路，构造组播转发树

移动IP

• 概念：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
• 组成：移动结点、本地代理、外部代理

路由器

• 特点：可以用来连接异构网络，完成路由转发，能隔离冲突域和广播域， 依照IP地址转发

• 组成

  • 控制部分：路由选择处理机，根据路由协议构造与维护路由表
  • 分组转发部分：交换结构、一组输入端口和一组输出端口

• 路由表：目的网络IP地址、子网掩码、下一跳IP地址、接口

五、传输层

提供服务：进程之间的逻辑通信、复用和分用、差错检测、面向连接的TCP和无连接的UDP

UDP协议

• 特点：无连接、首部开销小、最大努力交付，应用层要保证可靠性

• 首部：8B

  • 源端口号
  • 目的端口号
  • 长度：首部和数据
  • 校验和：数据报有错丢弃

• 校验：采用首部、伪首部（源、目的IP）、数据进行二进制反码算求和再取反

TCP协议

• 特点：有连接、一对一、提供可靠交付、全双工通信、面向字节流

• 首部：20B，源端口、目的端口、序号、确认号等控制信息

• 连接管理：

  • 三次握手建立

    • 第二次握手SYN和ACK标志位置1

  • 四次握手释放

• 可靠传输机制

  • 序号：用来保证数据能有序提交给应用层

  • 确认：确认号为期待收到的下一个报文段第一个字节的序号

  • 重传

    • 超时：计时器到期还没收到确认则重传对应报文
    • 冗余确认：当收到失序报文时向发送端发送冗余ACK

• 流量控制：在确认报文中设置接收窗口rwnd的值来限制发送速率

• 拥塞控制

  • 原理：根据自己估算的网络拥塞程度设置cwnd的值来限制发送速率

  • 方法

    • 慢开始：当cwnd<ssthresh时，每收到一个报文段的确认cwnd加1
    • 拥塞避免：当cwnd>ssthresh时，每经过一个往返延时cwnd加1
    • 快重传：当收到连续的三个重复的ACK，直接重传对方期待的报文
    • 快恢复：当收到连续的三个冗余ACK，令ssthresh=cwnd=cwnd/2

  • 拥塞处理：ssthresh置为原cwnd的一半，cwnd置1

六、应用层

网络应用模型

• C/S模型

  • 服务器

    • 处理请求
    • 面向任务

  • 客户机

    • 发出请求
    • 面向用户

• P2P模型

  • 每台机器既是服务器又是客户机
  • 动态的逻辑网络

域名系统

• 作用：把主机名转换为IP地址

• 协议与端口：运行在UDP之上，使用53号端口

• 服务器分类

  • 根域名服务器：知道所有顶级域名服务器的地址
  • 顶域名服务器：负责管理在其服务器注册的所有二级域名
  • 授权域名服务器：能将其管辖的主机名转换为该主机的地址
  • 本地域名服务器：本地网络提供商负责的域名服务器

• 查询方式

  • 递归查询：由查询的服务器发起下一次的查询
  • 递归与送代结合：除第一次查询外，其余均由本地域名服务器向外查询

文件传输协议FTP

• 作用：允许用户在因特网上存取文件

• 协议与端口：运行在TCP之上

  • 控制链接为21号端口（控制信息带外传送）
  • 数据链接为20号端口

• 允许用户指明文件的类型与格式

电子邮件

• Simple Mail Transfer Protocol

  • 作用：向邮件服务器主动发送电子邮件
  • 协议与端口：运行在TCP之上，使用25号端口

• POP3

  • 作用：向邮件服务器要求接收电子邮件
  • 协议与端口：运行在TCP之上，使用110号端口
  • 基于ASCII码的，在传输层使用明文来传输密码

万维网

• 统一资源定位符：负责标识万维网上各种文档

• 超文本传输协议

  • 作用：在万维网上能够可靠地交换文件
  • 协议与端口：运行在TCP之上，使用80号端口

• 超文本标记语言：文档结构标记语言，使用约定的标记对页面上的各种信息进行描述

应用层协议总结

计算机网络

原文：https://www.cnblogs.com/ZTianming/p/14655050.html