概述
ISP: 互联网服务提供商 ,ISP 可以从互联网管理机构获得许多 IP 地址,同时拥有通信线路以及路由器等联网设备,个人或机构向 ISP 缴纳一定的费用就可以接入互联网。
电路交换: 早期用于电话通信系统,两个用户要通信之前需要建立一条专用的物理链路,并且在整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路,因此电路交换对线路的利用率很低,往往不到 10%。
分组交换: 每个分组都有首部和尾部,包含了源地址和目的地址等控制信息,在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响,因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组。同时使用存储转发机制,在分组报文到达路由器时,路由器解析报文,根据报文携带信息进行分组转发使报文能够准确到达目的地。
计算机网络体系结构
- 物理层 :考虑怎样在传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异,使数据链路层感觉不到这些差异。
- 数据链路层 :为同一链路的主机提供数据传输服务。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧并通过链路进行点对点之间的数据传送。
- 网络层 :为主机提供数据传输服务。网络层把传输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组,网卡实现网络层与数据链路层,接收传输层报文,封装成分组进行发送。
- 传输层 :为进程提供通用数据传输服务。由于应用层协议很多,定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。运输层包括两种协议:传输控制协议 TCP,提供面向连接、可靠的数据传输服务,数据单位为报文段;用户数据报协议 UDP,提供无连接、尽最大努力的数据传输服务,数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务,UDP 主要提供及时性服务。
- 应用层 :为特定应用程序提供数据传输服务,例如 HTTP、DNS 等协议。数据单位为报文。
数据链路层
数据链路层主要解决数据传输的几个基本问题:
- 封装成帧: 将网络层传下来的IP数据报添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束
- 透明传输:使 一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。 帧首部与尾部使用特定的字符进行标记以确定帧的完整性,对于报文中的特殊字符使用转义字符进行标记。
- 差错检测:出错帧直接丢弃掉,通常使用循环冗余检验(CRC)来检查比特差错。
通信时有两种方式,一对多广播通信与一对一点对点通信:
1.广播信道:一对多通信,一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。所有的节点都在同一个广播信道上发送数据,因此需要有专门的控制方法进行协调,避免发生冲突(冲突也叫碰撞),即同一时刻有多个节点发送数据导致数据出错。
主要有两种控制方法进行协调,一个是使用信道复用技术,一是使用 CSMA/CD 协议。
CSMA/CD 协议表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。
- 多点接入 :说明这是总线型网络,许多主机以多点的方式连接到总线上。
- 载波监听 :每个主机都必须不停地监听信道。在发送前,如果监听到信道正在使用,就必须等待。
- 碰撞检测 :在发送中,如果监听到信道已有其它主机正在发送数据,就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲,但是由于电磁波的传播时延的存在,还是有可能会发生碰撞。
记端到端的传播时延为 τ,最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞,称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。
当发生碰撞时,站点要停止发送,等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数,记作 r,然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。
2.点对点通信:PC间没有其它PC进行连接,可直接进行通信。
互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网,***PPP协议***是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。
MAC地址:即物理地址,长度为 6 字节(48 位),用于唯一标识网络适配器(网卡)。一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器,因此就有两个 MAC 地址。
以太网: 目前以太网占领着有线局域网市场, 以太网是一种星型拓扑结构局域网。 早期的以太网使用集线器进行连接,集线器是一种物理层设备, 作用于比特而不是帧,当一个比特到达接口时,集线器重新生成这个比特,并将其能量强度放大,从而扩大网络的传输距离,之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧,那么就发生了碰撞。目前以太网使用交换机替代了集线器,交换机是一种链路层设备,它不会发生碰撞,能根据 MAC 地址进行存储转发。
交换机:目前以太网中使用的帧存储转发设备,内部维护一个交换表,交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。交换表的维护如下例所示:交换机有 4 个接口,主机 A 向主机 B 发送数据帧时,交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B,先查交换表,此时没有主机 B 的表项,那么主机 A 就发送广播帧,主机 C 和主机 D 会丢弃该帧,主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时,交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1,就发送数据帧到接口 1,同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。
虚拟局域网:以交换机为中心连接起多个PC构成一个物理局域网,在该网络中PC间的所有通信通过交换机完成,虚拟局域网通过连接多个交换机并在多个交换机上进行配置使位于不同物理局域网上的PC构成逻辑上的局域网(虚拟局域网)并能够互相通信,摆脱了物理位置上的限制。
网络层
网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交互的数据报服务。
使用 IP 协议,可以把异构的物理网络连接起来,使得在网络层看起来好像是一个统一的网络。
IP数据报固定具体的报文格式使报文能有效准确传输
- 版本 : 有 4(IPv4)和 6(IPv6)两个值;
- 首部长度 : 占 4 位,因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度,也就是 4 字节。因为固定部分长度为 20 字节,因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍,就用尾部的填充部分来填充。
- 区分服务 : 用来获得更好的服务,一般情况下不使用。
- 总长度 : 包括首部长度和数据部分长度。
- 生存时间 :TTL,它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位,当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。
- 协议 :指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理,例如 ICMP、TCP、UDP 等。
- 首部检验和 :因为数据报每经过一个路由器,都要重新计算检验和,因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。
- 标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下,相同数据报的不同分片具有相同的标识符。
- 片偏移 : 和标识符一起,用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。
IP地址
IPV4中的ip地址为32位,现在已经划分完毕, IP 地址 = {< 网络号 >, < 主机号 >} ,ip地址划分为三类:
为更有效的划分网络,引入子网, 将两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。ip地址=网络号+子网号+主机号, 要使用子网,必须配置子网掩码,子网掩码即用于划分子网,将子网掩码与2级ip地址进行“与”操作可以得出子网号, 一个 B 类地址的默认子网掩码为 255.255.0.0,如果 B 类地址的子网占两个比特,那么子网掩码为 11111111 11111111 11000000 00000000,也就是 255.255.192.0(子网全0和全1并不使用)。
无分类编址CIDR
无分类编址 CIDR 消除了传统 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念,使用网络前缀和主机号来对 IP 地址进行编码,网络前缀的长度可以根据需要变化。
IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}
CIDR 的记法上采用在 IP 地址后面加上网络前缀长度的方法,例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位为网络前缀。
CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码,子网掩码首 1 长度为网络前缀的长度。
一个 CIDR 地址块中有很多地址,一个 CIDR 表示的网络就可以表示原来的很多个网络,并且在路由表中只需要一个路由就可以代替原来的多个路由,减少了路由表项的数量。把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合,也称为 构造超网 。
在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成,在查找时可能会得到不止一个匹配结果,应当采用最长前缀匹配来确定应该匹配哪一个,最长前缀匹配即对匹配到最长的网络前缀的“下一跳地址”进行转发。
地址解析协议 ARP
ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。每个主机都有一个 ARP 高速缓存,里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。
如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址,但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射,此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组,主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址,随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。
网际控制报文协议 ICMP
ICMP 是为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会。它封装在 IP 数据报中,但是不属于高层协议。ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文,主要应用有ping与追踪路由 。
ping: 主要用来测试两台主机之间的连通性。Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文,目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。
**Traceroute:**用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。Traceroute 发送的 IP 数据报封装的是无法交付的 UDP 用户数据报,并由目的主机发送终点不可达差错报告报文。
- 源主机向目的主机发送一连串的 IP 数据报。第一个数据报 P1 的生存时间 TTL 设置为 1,当 P1 到达路径上的第一个路由器 R1 时,R1 收下它并把 TTL 减 1,此时 TTL 等于 0,R1 就把 P1 丢弃,并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报告报文(也就是“一跳”,表示ip报文的生存时间,最大为225,设置最大值是因为可能出现无限循环的情况,报文不能在网络中无限循环);
- 源主机接着发送第二个数据报 P2,并把 TTL 设置为 2。P2 先到达 R1,R1 收下后把 TTL 减 1 再转发给 R2,R2 收下后也把 TTL 减 1,由于此时 TTL 等于 0,R2 就丢弃 P2,并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报文。
- 不断执行这样的步骤,直到最后一个数据报刚刚到达目的主机,主机不转发数据报,也不把 TTL 值减 1。但是因为数据报封装的是无法交付的 UDP,因此目的主机要向源主机发送 ICMP 终点不可达差错报告报文。
- 之后源主机知道了到达目的主机所经过的路由器 IP 地址以及到达每个路由器的往返时间。
虚拟专用网络VPN
由于 IP 地址的紧缺,一个机构能申请到的 IP 地址数往往远小于本机构所拥有的主机数。并且一个机构并不需要把所有的主机接入到外部的互联网中,机构内的计算机可以使用仅在本机构有效的 IP 地址(专用地址)。
有三个专用地址块:
- 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
- 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
- 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。专用指机构内的主机只与本机构内的其它主机通信;虚拟指好像是,而实际上并不是,它有经过公用的互联网。
下图中,场所 A 和 B 的通信经过互联网,如果场所 A 的主机 X 要和另一个场所 B 的主机 Y 通信,IP 数据报的源地址是 10.1.0.1,目的地址是 10.2.0.3。数据报先发送到与互联网相连的路由器 R1,R1 对内部数据进行加密,然后重新加上数据报的首部,源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3,目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到数据报后将数据部分进行解密,恢复原来的数据报,此时目的地址为 10.2.0.3,就交付给 Y。
网络地址转换 NAT
专用网内部的主机使用本地 IP 地址又想和互联网上的主机通信时,可以使用 NAT 来将本地 IP 转换为全球 IP。
为了更有效地利用全球 IP 地址,现在常用的 NAT 转换表把传输层的端口号也用上,使得多个专用网内部的主机共用一个全球 IP 地址。使用端口号的 NAT 也叫做网络地址与端口转换 NAPT。
路由器
路由器将ip报文从一个网络转发至另一个网络,交换机将ip报文转发至本网络具体的PC
路由器分组转发:
每个PC内部维护一个路由表
- 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D,得到目的网络地址 N。
- 若 N 就是与此路由器直接相连的某个网络地址,则进行直接交付;
- 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由,则把数据报传送给表中所指明的下一跳路由器;
- 若路由表中有到达网络 N 的路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器;
- 若路由表中有一个默认路由,则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器;
- 报告转发分组出错。
**路由选择协议:**通过路由选择协议决定报文从哪些网络中进行传输,互联网可以划分为许多较小的自治系统 AS,一个 AS 可以使用一种和别的 AS 不同的路由选择协议。
可以把路由选择协议划分为两大类:
- 自治系统内部的路由选择:RIP 和 OSPF
- 自治系统间的路由选择:BGP
路由信息协议RIP
RIP 是一种基于距离向量的路由选择协议。距离是指跳数,直接相连的路由器跳数为 1。跳数最多为 15,超过 15 表示不可达。
RIP 按固定的时间间隔仅和相邻路由器交换自己的路由表,经过若干次交换之后,所有路由器最终会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器地址。
距离向量算法:
- 对地址为 X 的相邻路由器发来的 RIP 报文,先修改报文中的所有项目,把下一跳字段中的地址改为 X,并把所有的距离字段加 1;
- 对修改后的 RIP 报文中的每一个项目,进行以下步骤:
- 若原来的路由表中没有目的网络 N,则把该项目添加到路由表中;
- 否则:若下一跳路由器地址是 X,则把收到的项目替换原来路由表中的项目;否则:若收到的项目中的距离 d 小于路由表中的距离,则进行更新(例如原始路由表项为 Net2, 5, P,新表项为 Net2, 4, X,则更新);否则什么也不做。
- 若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表,则把该相邻路由器标为不可达,即把距离置为 16。
RIP 协议实现简单,开销小。但是 RIP 能使用的最大距离为 15,限制了网络的规模。并且当网络出现故障时,要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器。
开放最短路径优先协议 OSPF
开放表示 OSPF 不受某一家厂商控制,而是公开发表的;最短路径优先表示使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF。
OSPF 具有以下特点:
- 向本自治系统中的所有路由器发送信息,这种方法是洪泛法。
- 发送的信息就是与相邻路由器的链路状态,链路状态包括与哪些路由器相连以及链路的度量,度量用费用、距离、时延、带宽等来表示。
- 只有当链路状态发生变化时,路由器才会发送信息。
所有路由器都具有全网的拓扑结构图,并且是一致的。相比于 RIP,OSPF 的更新过程收敛的很快。
边界网关协议BGP
每个 AS 都必须配置 BGP 发言人,通过在两个相邻 BGP发言人之间建立TCP连接来交换路由信息。AS内部的报文最终都通过BGP发言人转发至另一个AS
传输层
网络层只把分组发送到目的主机,但是真正通信的并不是主机而是主机中的进程。传输层提供了进程间的逻辑通信,传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节,使应用程序看起来像是在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。
用户数据报协议UDP
UDP是无连接的,尽最大可能交付,没有拥塞控制,面向报文(对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分,只是添加 UDP 首部)的协议。UDP首部字段只有 8 个字节,包括源端口、目的端口、长度、检验和。12 字节的伪首部是为了计算检验和临时添加的。
传输控制协议TCP
面向连接的,提供可靠交付,有流量控制,拥塞控制,提供全双工通信,面向字节流(把应用层传下来的报文看成字节流,把字节流组织成大小不等的数据块),每一条 TCP 连接只能是点对点的(一对一)。TCP保证可靠传输的方式为超时重传与返回确认机制, TCP协议规定了首部报文的许多必要信息,主要的字段有:
- 序号 :用于对字节流进行编号,例如序号为 301,表示第一个字节的编号为 301,如果携带的数据长度为 100 字节,那么下一个报文段的序号应为 401。
- 确认号 :期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段,序号为 501,携带的数据长度为 200 字节,因此 B 期望下一个报文段的序号为 701,B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
- 数据偏移 :指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量,实际上指的是首部的长度。
- 确认 ACK :当 ACK=1 时确认号字段有效,否则无效。TCP 规定,在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。
- 同步 SYN :在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1,ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接,则响应报文中 SYN=1,ACK=1。
- 终止 FIN :用来释放一个连接,当 FIN=1 时,表示此报文段的发送方的数据已发送完毕,并要求释放连接。
- 窗口 :窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制,是因为接收方的数据缓存空间是有限的。
三次握手:
- 首先 B 处于 LISTEN(监听)状态,等待客户的连接请求。
- A 向 B 发送连接请求报文,SYN=1,ACK=0,选择一个初始的序号 x。
- B 收到连接请求报文,如果同意建立连接,则向 A 发送连接确认报文,SYN=1,ACK=1,确认号为 x+1,同时也选择一个初始的序号 y。
- A 收到 B 的连接确认报文后,还要向 B 发出确认,确认号为 y+1,序号为 x+1。
- B 收到 A 的确认后,连接建立。
不是两次握手的原因是为避免滞留在网络中的建立连接的请求多次到达使服务器建立多个连接(换句话说,三次握手是为了保证建立传输连接的幂等性)
客户端发送的连接请求如果在网络中滞留,那么就会隔很长一段时间才能收到服务器端发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后,就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器,如果不进行三次握手,那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手,客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认,不进行第三次握手,因此就不会再次打开连接。
四次挥手:
- A 发送连接释放报文,FIN=1。
- B 收到之后发出确认,此时 TCP 属于半关闭状态,B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据。
- 当 B 不再需要连接时,发送连接释放报文,FIN=1。
- A 收到后发出确认,进入 TIME-WAIT 状态,等待 2 MSL(最大报文存活时间)后释放连接。
- B 收到 A 的确认后释放连接。
四次挥手是为了服务器确保客户端收到通知,避免第三次传送丢掉使客户端不能关闭
客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入TIME_WAIT状态,此时并不是直接进入 CLOSED 状态,还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。这么做有两个理由:
- 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文,那么就会重新发送连接释放请求报文,A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
- 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失,使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。
滑动窗口:窗口是缓存的一部分,用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口,接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小,发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。
发送窗口内的字节都允许被发送,接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认,那么就将发送窗口向右滑动一定距离,直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态;接收窗口的滑动类似,接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机,就向右滑动接收窗口。
流量控制:流量控制是为了控制发送方发送速率,保证接收方来得及接收。接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小,从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0,则发送方不能发送数据。
拥塞控制: 如果网络出现拥塞,分组将会丢失,此时发送方会继续重传,从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时,应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像,但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收,而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。
应用层
域名系统DNS
DNS提供了主机名和 IP 地址之间相互转换的服务 ,域名具有层次结构,从上到下依次为:根域名、顶级域名、二级域名。DNS 可以使用 UDP 或者 TCP 进行传输,使用的端口号都为 53。
文件传输协议FTP
FTP 使用 TCP 进行连接,它需要两个连接来传送一个文件:
- 控制连接:服务器打开端口号 21 等待客户端的连接,客户端主动建立连接后,使用这个连接将客户端的命令传送给服务器,并传回服务器的应答。
- 数据连接:用来传送一个文件数据。
根据数据连接是否是服务器端主动建立,FTP 有主动和被动两种模式:
- 主动模式:服务器端主动建立数据连接,其中服务器端的端口号为 20,客户端的端口号随机,但是必须大于 1024,因为 0~1023 是熟知端口号。
- 被动模式:客户端主动建立数据连接,其中客户端的端口号由客户端自己指定,服务器端的端口号随机。
动态主机配置协议DHCP
DHCP供了即插即用的连网方式,用户不再需要手动配置 IP 地址等信息。DHCP 配置的内容不仅是 IP 地址,还包括子网掩码、网关 IP 地址。
DHCP 工作过程如下:
- 假设主机最开始没有 IP 地址以及其它信息,那么就需要先使用 DHCP 来获取。
- 主机生成一个 DHCP 请求报文,并将这个报文放入具有目的端口 67 和源端口 68 的 UDP 报文段中。
- 该报文段则被放入在一个具有广播 IP 目的地址(255.255.255.255) 和源 IP 地址(0.0.0.0)的 IP 数据报中。
- 该数据报则被放置在 MAC 帧中,该帧具有目的地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF,将广播到与交换机连接的所有设备。
- 连接在交换机的 DHCP 服务器收到广播帧之后,不断地向上分解得到 IP 数据报、UDP 报文段、DHCP 请求报文,之后生成 DHCP ACK 报文,该报文包含以下信息:IP 地址、DNS 服务器的 IP 地址、默认网关路由器的 IP 地址和子网掩码。该报文被放入 UDP 报文段中,UDP 报文段有被放入 IP 数据报中,最后放入 MAC 帧中。
- 该帧的目的地址是请求主机的 MAC 地址,因为交换机具有自学习能力,之前主机发送了广播帧之后就记录了 MAC 地址到其转发接口的交换表项,因此现在交换机就可以直接知道应该向哪个接口发送该帧。
- 主机收到该帧后,不断分解得到 DHCP 报文。之后就配置它的 IP 地址、子网掩码和 DNS 服务器的 IP 地址,并在其 IP 转发表中安装默认网关。