计算机网络学习笔记

时间 2020-05-19

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朝花夕拾，简要回顾一下计算机网络课程。html

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概论

文章收藏

计算机网络基础知识前端

计算机网络常见面试题面试

为什么要进行三次握手和四次挥手算法

产生和发展

美国国防部 -> ARPANET -> MILNET(军事), ARPANET -> NSFNET数据库

远程联机系统 50s -> 60s
前端处理机FEP，调制解调器M，终端控制器TC，主机，终端T
服务器
计算机-计算机网络 60s ->70s
通讯子网(路由器和线路)，资源子网（服务器和主机）缺点：没法任意互联，拓展性差
网络
开放式标准化网络 80s -> now
统一的网络体系结构：OSI，CCITT，TCP/IP架构

计算机网络定义

参考定义：将若干台具备独立功能的计算机系统，用某种或多种通讯介质链接起来，经过完善的网络协议，在数据交换的基础上，实现网络资源共享的系统称为计算机网络。socket

网络协议和网络体系结构

网络协议

一整套通讯规程，包括规定要交换的数据格式、控制信息的格式和控制功能、通讯过程当中事件执行的次序等。可能涉及到：tcp

物理传输介质
数据编码
收/发端同步
数据传输单元格式
控制通讯方向
路由选择
差错控制
流量控制
数据加密，如何加密

网络体系结构

真正的物理通讯老是发生在除物理层。除物理层外，其他各对等层实体间都是进行虚拟通讯。
通讯必须在对等层进行，不容许交差通讯。
虚拟通讯是一种逻辑通讯，其意义在于：
1. 设计本层协议时，不受其余层协议的内部实现影响。
2. 经过层间接口调用低层提供的服务，只要得到低层足够支持，虚拟通讯就能得以实现。
n-1层为n层提供服务。n层直接使用n-1层提供的服务，间接使用n-2, n-3, …… 层提供的服务。

OSI参考模型

OSI参考模型各层功能

物理层 完成原始数据位流在物理介质上传输，而无论位流的信息含义。
数据链路层 完成数据帧在相邻的结点间无差错传输。
网络层 完成报文分组在源/目的结点之间传输。
传输层 完成报文段在源/目的主机进程之间的透明传输。

网络通讯↑ 数据处理↓

会话层 进行会话管理，包括通讯方向控制（单工，半双工，全双工）
表示层 数据格式转化、数据加密/解密、数据压缩/解压。
应用层 为用户提供各类网络服务，包括文件，电子邮件，数据库，WWW，DNS等。

Internet参考模型

两个核心协议：TCP和IP，故此模型也称为TCP/IP协议。

(Internet和OSI的参考模型比较)

应用层对应OSI的应用层，表示层和会话层。主要包括：FTP, SMTP, TELNET, DNS, HTTP 等
传输层：TCP(传输控制协议Transmission control protocol)
, UDP(用户数据报协议User Datagram protocol )
互联网层大致对应OSI的网络层，为IP协议。将IP分组以数据报方式从源主机发送到目的主机。
子网层对应物理层和数据链路层：802.3, PPP, 802.5, 千兆百兆以太网等

物理层（中继器、集线器）

数据通讯基础

通讯系统模型

graph TD A[信源] -->B[变换器] B --> |发送端| C[信道] C --> |接收端| D[反变换器] D -->E[信宿]

模拟通讯与数字通讯
信道, 两个重要参数：带宽(Hz)，误码率(bps)
带宽与数据率的关系
1.奈奎斯特（无噪声信道）C = 2Hlog2L
2.香农定理（有噪声信道，L不受限）C =Hlog2(1+S/N)
(C：数据率，H：带宽，L：数字信号的离散取值数，S/N：信噪比)
波特率：每秒传输的码元的数目 C=Blog2L (B为波特率)
误码率：P = Ne/N
信道通讯方向：单工，半双工，双工
数字信号的编码 e.g. 非归零，曼切斯特，差分曼切斯特
调制（调幅，调频，调相），解调（采样，量化，编码）。
数据同步方式：字符同步和位同步
多路复用：频分复用，时分复用

物理层协议

物理层协议实质上是通讯接口标准
涉及内容：机械，功能，规格，电气特性

数据链路层（交换机）

数据帧是传送单位
做用：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

差错控制

传输差错的特征
- 缘由：热噪声（持续性，小幅度），冲击噪声（大幅度，突发性）
- 差错控制方法：经过特殊的编码使接收端可以发现甚至纠错
- 检错码，纠错码
编码效率、检错和纠错
- 码字：信息位，校验位（冗余）
- 码距：两个码字的不一样位数个数
- 海明距离：两个码字之间的最小距离
- 编码效率：R=m/n=m/(m+r)
- 检测d位错，海明距离d+1;纠正d位错，海明2d+1
海明码
循环冗余码CRC
其余编码：奇偶校验码

流量控制

停-等协议：发一帧后等应答
滑动窗口协议：连续发送若干后再等待应答
顺序接受管道协议（回退N）：接受窗口尺寸为1的滑动窗口协议，某帧丢失后其后所有丢弃并返回否定。
选择接收管道协议

上述协议均可看做滑动窗口协议，差异在于窗口尺寸的不一样

窗口尺寸的限制：
Wt>=Wr, Wt+Wr<=2^m (帧序号的位数为m)

网络层（路由器）

实现两个主机系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、链接的创建、保持和终止等

电路交换和分组交换

电路交换(起源电话)
创建电路，传输数据，拆除电路
分组交换
报文，分组（分组序列源地址目的地址分组类型控制信息长度数据）化整为零存储转发 复用链路

虚电路和数据报

虚电路
通讯前发送方和接收方之间必须创建链接（虚电路），因此虚电路是面向链接的网络服务。

虚电路只是一种逻辑电路，而不是真正的物理电路。报文分组在虚电路上传输不像再物理线路上那样中畅通无阻。而是要中间节点的存储转发。

一条链路上容许创建多个虚电路。

一旦虚电路创建完毕，本地通讯的全部分组必须通过该虚电路进行。所以，虚电路可以保证分组的顺序接收。

仅当创建虚电路时须要源/目的结点地址，数据分组需分配一个虚电路号而无须源/目的结点地址。

数据报
数据报无需创建链接，每一个报文分组携带完整的源/目的地址，独立的选择路径，经过同的路径到达目的主机

无需创建链接就可传输报文分组，所以数据报称为无链接网络服务。
不一样的报文分组能够经过不一样的路由到达目的主机，先发出的分组未必先，所以数据报服务不能保证报文分组顺序接收。
每一个报文分组携带完整的源/目的地址，独立的选择路径

	数据报子网	虚电路子网
延时	分组传输延时	电路创建，分组传输延时
路由选择	每一个分组单独选择路由	创建虚电路时选择路由，之后全部分组都使用该路由
状态信息	子网无需保存状态信息	每一个结点要保存一张虚电路表
地址	每一个分组包括源和目的的完整地址	每一个分组含有一个短的虚电路号
结点失败的影响	除了在崩溃时正在该结点处理的分组都丢失外，无其余影响	全部通过失效结点的虚电路都要被终止
拥塞控制	难	若是有足够的缓冲区分配给已经创建的虚电路，则容易控制

路由选择

路由选择：根据某种策略（静态、动态），选择一条最佳的路径到达目的主机，对路由器而言，路由选择实质上是选择最佳输出端口。
虚电路：一次路由选择
数据报：每一个分组要进行路由选择

扩散法（洪泛法）
当结点收到一个分组后，把该分组向除进来的链路外的全部其余链路转发，结果至少有一个分组以最快的速度到达目的结点。
问题：产生大量重复分组解决：设置下一跳字段每次减小
固定式路由选择
每一个结点保存一张固定的路由表，当某一分组到达时，根据分组的目的结点，在路由表中找到其对应的输出链路，而后来分组从该链路转发出去。
最佳路由选择算法
- 通常采用最短路径算法。
- "费用”的含义很是普遍，能够是距离、平均通讯量、延迟、下跳数等。
- 将网络当作连通图，每条链路以其“费用” 为权值，经过Dijkstra最短路径算法求出任意两个结点之间的最短距离。
  动态策略：根据当前拓扑结构和流量的变化来动态改变路由，又称为自适应路由
孤立路由算法
- 热土豆算法（与固定路由算法混合使用）
- 逆向自学习（好消息灵敏，坏消息能够设置时间删除未刷新记录）
集中路由算法
分布路由算法
- 距离向量（D-V算法）:每一个结点都保存一张路由表，路由表包括三个主要字段，即目的地址，最短距离、最佳输出链路。与固定路由选择不一样的是：相邻结点之间按期交换路由信息（如每隔十秒），并根据最新路由信息，刷新路由表。
- 链路状态路由选择（L-S算法）:按期广播路由信息并根据最新信息刷新路由表。发现邻居节点，测量链路开销，产生链路状态分组。对网络反应迅速

	D-V	L-S
交换路由信息	按期	网络拓扑结构发生改变（或按期）
路由更新	缓慢	迅速
适用范围	小规模，变化缓慢的网络	大规模，变化较激烈的网络

IP协议

IP协议是Internet体系结构的核心协议，已成为链接异构网络的工业标准。
IP提供无链接的数据报服务，每一个IP分组长度≤64K字节，不能保证分组可靠的，按序到达，这些留给高层协议解决。
IP协议须要路由协议ICMP，ARP，RARP等协议支持
ARP: 根据IP地址获取物理地址

地址

host-id为零的IP地址表示该网络自己
回送地址：127.0.0.0-127.255.255.254为回送地址。
0.0.0.0：表明的是本主机地址，任何一台主机均可以其表示本身,仅在系统启动时会使用，启动完成后再也不使用。
255.255.255.255：受限广播地址，广播范围为主机所在的网络。全部网关都不会向外广播。
保留地址：10.0.0.0 172.16~172.31 192.168.0.0~192.158.255.0

子网的规模与借用主机字段的位数有关。借用位数越多，子网规模越大。
采用子网掩码来分离网络号和主机号

ip寻址：每一个路由器中都保存一张路由表（不管是静态仍是动态）。路由表的主要项目有两个：网络号、下一跳地址（最佳输出链路）。

其余协议

网际控制报文协议 ICMP
差错报告，询问报文 ping TTL

地址解析协议ARP
是将IP地址转化成MAC，有存则发送，没有则发送ARP请求找相应的MAC地址。

RARP与ARP相反，知道MAC不知道IP。

传输层（网关）

在计算机网络中，传输层处于很是重要的位置。传输层，也称为运输层，不管在OIS仍是在TCP/IP模型中，传输层都处于面向应用部分的最低层和面向通讯部分的最高层。（承上启下）进程间通讯

网络边缘：主机、存储、服务器、数据库
网络核心：路由器、链路

主要功能：为运行在网络边缘的不同主机上的各应用程序之间提供通讯服务；在应用层和网络层之间充当复用器的做用。各类各样的网络应用，经过传输层的端口被提交统一的网络层，并由IP协议用统一的方式将它们发送到网络中。

提供的服务

面向链接的服务（TCP）FTP,Telnet 可靠开销大
面向无链接的服务（UDP）SNMP,DNS 不提供可靠交付

端口与地址
进程标识符X，利用协议端口（软件端口）。
熟知端口：0~1023
登记端口号：1024~49151
客户端口号，短暂端口号：49152~65535

传输服务访问点：当两个不一样主机的两个进程须要通讯时，必须指明对方是哪个进程，这个标记称为传输层地址，也称为传输服务访问点（TSAP）
传输层地址（TSAP） = 主机IP地址+端口号
e.g. 192.168.10.1:80

套接字：为了使应用程序可以方便地使用协议栈软件进行通讯的一种方法。{协议，本地地址，本地端口，远程地址，远程端口} 上联应用，下联网络协议栈。

流式套接字（stream socket）：提供面向链接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复的发送，且按发送顺序接收。内设流量控制，避免数据流超限；数据被看做是字节流，无长度限制。

数据报式套接字（Datagram socket）：提供无链接服务。数据包以独立包形式发送，不提供无差错保证，数据可能丢失或重复，而且接收顺序混乱。

原始套接字（Raw Socket）：字容许对较低层次的协议，如IP、ICMP直接访问，用于检验新的协议的实现。

用户数据报协议（UDP）

UDP 只在 IP 的数据报服务之上增长了不多一点的功能，即端口的功能和差错检测的功能。

UDP是无链接协议，在发送数据以前不须要创建链接。不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制。
UDP是面向报文，没有拥塞控制，很适合多媒体通讯的要求。
UDP支持一对1、一对多、多对一和多对多的交互通讯。
UDP 的首部开销小，只有 8 个字节。
发送方 UDP 对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付 IP 层。
UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。
应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文。
接收方 UDP 对 IP 层交上来的 UDP 用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。
应用程序必须选择合适大小的报文。

传输控制协议（TCP）

是一种面向链接的、可靠的、基于字节流的传输层通讯协议。

TCP 是面向链接的传输层协议。
每一条 TCP 链接只能有两个端点(endpoint)，每一条 TCP 链接只能是点对点的（一对一）。
TCP 提供可靠交付的服务。
TCP 提供全双工通讯。
面向字节流。

TCP的链接

TCP把链接做为最基本的抽象。
每一条TCP 链接有两个端点。
TCP链接的端点叫作套接字(socket)或插口。
端口号拼接到(contatenated with) IP 地址即构成了套接字
{(IP1: port1), (IP2: port2)}
链接的三个阶段：链接创建、数据传送、链接释放

为什么要进行三次握手和三次挥手
链接须要三次握手

客户端→服务器。客户端向服务器提出链接创建请求，即发出同步请求报文。
客户端←服务器。服务器收到客户端的链接请求后，向客户端发出赞成创建链接的同步确认报文。
客户端→服务器。客户端在收到服务器的同步确认报文后，向服务器发出确认报文。
目的：同步双方的序列号和确认号并交换TCP窗口大小；让双方都证明对方能收到

链接的释放 四次挥手

客户端→服务器。客户端向服务器发出一个链接释放报文。
客户端←服务器。服务器收到客户端的释放链接请求后，向客户端发出确认报文。
此时客户端再也不发送数据(仅响应报文)给服务器，仅接收报文。（半关闭状态）
客户端←服务器。服务器在发送完最后的数据后，向客户端发出链接释放确认报文。
客户端→服务器。客户端在收到服务器链接释放报文后，向服务器发出确认报文。
- 发送后客户端再等 2*MSL （若是服务器没收到最后的ACK 服务器会再请求一次等待2MSL确保服务器收到了） 1MSL时间留给最后的ACK确认报文段到达服务器端，1MSL时间留给服务器端再次发送的FIN。
- 收到后服务器CLOSED

客户端要等待2MSL（最大报文生命）后才能够释放

保证客户端的最后一个ACK能够到达服务器
防止失效的链接请求报文出如今本链接中

TCP计时器：至少应该有四种计时器：重传计时器、持久计时器、保活计时器和时间等待计时器

拥塞控制：慢开始 和 拥塞避免

应用层

在TCP/IP中，应用层对应OSI/RM中的会话层、表示层和应用层，是应用程序与网络传输的接口，是面向应用需求的通讯协议中的最高端。

应用层协议不是应用程序，也不解决用户的具体应用需求，而是为应用程序进程的网络通讯提供服务的第一层协议，是为用户的应用需求提供通讯服务。

规定了运行在不一样端系统上的应用程序进程相互传递报文的规范：

交换的报文类型，如请求报文和响应报文
语法，如报文中的各个字段及这些字段的描述规范
语义，即报文各字段的可能取值及其含义
进程什么时候、如何发送报文及对报文进行响应。

体系架构

客户-服务器模式
P2P模式通讯各方地位平等，互为客户端服务器，对中心服务器依赖最小
混合模式混合了C/S和P2P的通讯模式

TCP/IP中的应用层协议：域名，超文本传输，电子邮件，会话发起，文件传输，远程访问

域名解析

主机向本地域名服务器的查询通常都是采用递归查询。若是主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名的IP 地址，那么本地域名服务器就以 DNS 客户的身份，向其余根域名服务器继续发出查询请求报文。

** 解析过程**

首先从主机本地Hosts文件查找。没找到就向本地 DNS发出请求
若本地DNS也找不到，则将请求发给负责该域的根域名字服务器，根服务器会返回一个相应的顶级域名服务器地址
本地域名服务器向顶级域名服务器提出请求。顶级域名服务器会返回一个权限域名服务器地址
本地域名服务器向权限域名服务器提出请求，权限域名服务器将返回目标域名的IP地址。
本地域名服务器向查询主机返回目标域名的IP地址。

电子邮件协议

发送：SMTP
读取：POP3 IMAP(不须要所有下载交互式)
MIME 邮件中传输数据