计算机网络（学习总结）

第一章 计算机网络和因特网

1 因特网

• 主机
• 端系统
• 通信链路
• 分组交换机

2 协议

• TCP，IP，HTTP

3 网络边缘

• 主机

• 通信模型

• • C/S
  • P2P

• 接入网：将主机连接到边缘路由器

3.1 接入方式

3.1.1 modem

• 点对点连接ISP的拨号池

3.1.2 DSL

• 上行/下行速率
• 频分复用
• 带宽独享

3.1.4 HFC：光纤同轴电缆混合网络

• 电缆分配网络
• 光纤传输
• 带宽独享

3.1.5 局域网接入

• 以太网

  • 共享或专用的链路来连接端系统和路由器

• 企业网络

3.1.6 无线接入

• 基站

• 无线局域网

• 广域无线接入

• 电信运营商提供

  • 3G，4G，5G

3.2 物理媒体

• 导引型：固体媒体传播

• • 双绞线：两根互相绝缘的铜导线
  • 同轴电缆：双向传输，基带
  • 光缆：玻璃光纤传播光脉冲，高速运行，低误码率

• 非导引型：自由传播

• • 无线电：电磁频谱传播，双向传输，易受到反射和障碍物干扰
  • 类型：地面微波，无线局域网，无线广域网，卫星

4 网络核心

4.1 电路交换网络

• 方法

• • 建立连接
  • 交换数据
  • 释放连接

• 时分复用

• 频分复用

• 问题：不够灵活

4.2 分组交换

• 将保温划分为较短的数据段

• 数据段加上首部构成分组

• 存储转发

• 特征

• • 共享节点，分组存储转发
  • 断续（动态）分配传输带宽
  • 网状拓扑结构

• 转发

• • 数据报网络
  • 虚电路网络

• 问题

• • 存储转发时因要排队总会造成一定的时延
  • 携带一定的控制信息，从而带来额外开销
  • 分组交换网的管理和控制比较 复杂

4.3 对比

• 相同条件下，分组网络支持更多用户
• 用户数较少时，分组交换能够获得比电路交换更好的性能

4.4 ISP和因特网主干

• 主干ISP->区域网络->内容提供商网络

4.5 分组交换时延，丢包，吞吐量

• 时延

• • 处理时延
  • 排队时延

• • 传输时延：

  • • 将所有分组的比特推向链路所需要的时间
    • 与分组和链路传播速率有关

  • 传播时延：

  • • 一个比特从一台路由器到另一台路由器传播的时间
    • 取决于链路的物理媒体

• 丢包

• • 分组到达时队列已满，则分组被丢弃

• 吞吐量

• • 瓶颈链路的传输速率

5 协议层和服务模型

5.1 协议栈

• 应用层：FTP，SMTP，HTTP
• 运输层：TCP，UDP
• 网络层：IP，路由协议
• 链路层：PPP，以太网
• 物理层：在线路上传输比特流

5.2 ISO/OSI参考模型

• 增加

• • 表示层
  • 会话层

5.3 模型

• 实体：软件模块
• 对等体：对应层的实体
• 协议：语法，语义，同步
• 服务：下层为上层提供的功能

• 封装

6 网络攻击

• 恶意软件，病毒，僵尸网络，自我复制
• 拒绝服务攻击
• 分布式拒绝服务攻击
• 嗅探分组

第二章

1 应用层协议原理

1.1 网络应用层序

• 发送数据
• 接收数据
• 处理数据

1.2 体系结构

• C/S
• P2P
• 混合体系结构

1.3 网络应用服务

• 数据的可靠传输
• 带宽的自动控制
• 传输和反馈的实时性
• 安全性

1.4 运输层服务

• TCP
• UDP
• SSL：提供加密的TCP

1.5 套接字

• 主机地址
• 端口地址

2 web和HTTP

2.1 WEB

• 由对象组成
• html文件是Web页面的基础，它可以包括各种各 样的对象，是一个容器对象。
• 任何一个对象都可以用 URL来定位

2.2 HTTP

• HTTP1.0：非持久性连接

• • 取对象需要2RTTs

  • • TCP连接
    • 对象请求/传送

  • 每次发送都需要建立TCP连接

  • 串行和并行

• HTTP1.1：持久连接

• • 非流水线方式

  • • 只建立一次TCP连接
    • 一个对象传输完成方能传输下一个

  • 流水线方式

  • • 一次性发送所有请求
    • 3RTTs：TCP连接，html，其他对象

• HTTP报文

• • HTTP请求报文

  • • 请求行
    • 首部行
    • 空行
    • 实体主体
    • 请求方法：GET，POST，HEAD，PUT，DELETE

  • HTTP响应报文

  • • 状态行
    • 首部行
    • 空行
    • 实体主体

  • 常见状态码和短语

  • • 200：OK
    • 301：Moved Permanently
    • 400：Bad Request
    • 404：Not Found
    • 505：HTTP Version Not Supported

2.3 用户——服务器交互:Cookie

• 工作流程

• 好处

• • 认证
  • “购物车”
  • 推荐
  • 用户会话状态

3 电子邮件系统：用户代理，邮件服务器，SMTP

3.1 SMTP协议

• SMTP：发送邮件的协议

• 对比HTTP

• 报文格式

• • 首部诸行
  • 信体

3.2 客户机获取邮件

• POP3协议

• IMAP协议

• HTTP协议

4 DNS：因特网的目录服务（IP地址和域名的转换）

4.1 DNS简述

• 分布式数据库
• 运行在端到端系统上，使用UDP进行传输
• 属于应用层协议
• C/S模式

4.2 DNS实现

• DNS服务器

• • 顶级域DNS服务器：顶级域名和国家的域名解析，com，org，net等
  • 权威DNS服务器：属于某个组织，服务提供商
  • 本地DNS服务器

4.3 DNS缓存

• 服务器得知某个映射就缓存
• 一定时间自动消除

4.4 提供的服务

• 域名和IP的转换
• 主机/邮件服务器别名
• 负载均衡：一个域名对应多个IP

4.5 攻击DNS服务器

• DDoS攻击
• 重定向攻击
• 反射攻击

5 P2P文件共享

5.1 C/S和P2P对比

5.2 BitTorrent

6 视频流和内容分发网

6.1 视频编码方式

• CBR：恒定比特率
• VBR：可变比特率

6.2 经HTTP的动态适应性流（DASH）

• 服务器

• • 视频文件分成多个文件快
  • 每个块以不同的速率存储、编码
  • 清单文件：为不同的块提供URL

• 客户端

• • 定期测量带宽
  • 查询清单

6.3 内容分发网

• 在多个地理位置分散的站点（CDN）存 储/提供多个视频副本

• • 转有CDN
  • 第三方CDN

• 集群选择策略

• • 地理上最为邻近策略
  • 周期性实施测量策略

7 套接字编程

第三章

1 概述

• 功能： 为不同主机上运行的应用进程之间提供逻辑通信

• 工作内容：

• • 发送方：把数据划分为报文段交给网络层
  • 接收方：把报文段重组成应用数据交付给应用层

• 传输协议：

• • TCP
  • UDP

2 多路复用和多路分解

• 多路分解：将运输层报文段的数据交付到正确的套接字
• 多路复用：在源主机上从不同的套接字收集数据块，并为每个数据块封装上首部信息生成报文段，将报文段传送到网络层。

3 套接字

• 端口：标志应用层的进程（进程）
• 套接字：使用连接作为最基本的抽象TCP连接的端点，每个套接字都有唯一的标识符，标识符的格式取决于它是UDP还是TCP套接字。

• 套接字

• • UDP:

  • • 二元组：目的IP，目的端口号
    • 收到UDP报文段时，提取对应的目的IP，目的端口号，定位到相应的UDP套接字。

  • TCP套接字：

  • • 四元组：源IP，源端口号，目的IP，目的端口号
    • 收到TCP报文段时，提取对应的源IP，源端口号，目的IP，目的端口号，定位到相应的TCP套接字。

4 无连接传输：UDP

• 提供的功能：

• • 多路复用/多路分解
  • 差错检测

• 优点：

• • 关于何时，发送什么数据的应用层控制更为精细

• UDP报文段结构

• • 首部8个字节
  • 源端口，目的端口
  • 长度，检查和
  • 应用数据

• 检查和：将两个16比特的数据相加后结果回卷，取反码

5 可靠数据传输

5.1 原理

5.2 逐步开发rdt

• rdt 1.0

• • 信道完全可靠

  • 发送方：

  • • 数据打包
    • 发送数据包到底层

  • 接收方

  • • 从底层接收分组
    • 交付到上层

• rdt 2.0

• • 分组可能受损

  • 发送方

  • • 差错检测，数据打包
    • 发送数据包到底层
    • 等待接收反馈（出错重传）

  • 接收方

  • • 从底层接收分组
    • 发送反馈（NCK和ACK）
    • 是否交付到上层

• rdt 2.1

• • 考虑ACK和NAK可能受损
  • 在rdt 2.0的基础上对分组编号

• rdt 2.2

• • 针对rdt 2.1的改进

  • • 只使用ACK： 接受方必须明确指出被确认的分组序号
    • 发送方收到重复的ACK后进行重传

• rdt 3.0

• • 考虑丢包
  • 加入计时器，耐心等待

• 流水线技术

• • 允许发送方发送多个分组而无需等待确认
  • 增大序号范围
  • 缓存分组

5.3 GBN和SR

• GBN：其后分组全部重传

• GBN滑动窗口大小

• • 发送方：<2^k - 1
  • 接收端：1

• SR：仅重传该分组

• • 发送方：

  • • 如果分组n等于sendbase，窗口基 序号向前推到下一个未确认序号

  • 接受方：

  • • 失序缓存
    • 交付连续的分组，窗口推到下一个未收到的分组

6 TCP

6.1 特点

• 面向连接
• 全双工
• 点对点
• 可靠有序
• 流量控制
• 拥塞控制
• 流水线

6.2 TCP报文段

• 首部20个字节

• 序列号：报文段中第一个字节在字节流中的编号
• 确认号：期待对方发送的下一个字节的seq

• 可靠传输

• • 按字节编号
  • 采用唯一的定时器

6.3 TCP连接管理

• 建立连接：三次握手

• 释放连接

7 拥塞控制

7.1 reno算法

• 加性增，乘性减

• 慢启动

• • 初始CongWin = 1MSS
  • 指数增长

• 拥塞避免

• • 线性增长

7.2 窗口和门限控制

7.3 TCP吞吐量

第四章 网络层

1 网络层概述

• 目标：实现主机到主机的通信

• 三大部分

• • 网络层功能和服务
  • 转发
  • 路由选择

• 虚电路和数据包网络

• • 虚电路：面向连接

  • • 通过每段链路的VC号进行转发
    • 路由器维持连接状态信息

  • 数据报：面向无连接

• 分组交换机

• • 链路层节点交换机
  • 路由器

• 服务

• • ATM
  • 因特网

2 路由器结构

• 路由器工作原理

• • 输入端口

  • • 线路端接
    • 数据链路处理
    • 查找，转发，排队，线头阻塞
    • 最长前缀匹配

  • 交换结构

  • • 经内存交换
    • 经总线交换
    • 经互联网络家交换：交换结构控制器

  • 路由选择处理器

  • 输出端口

  • • 排队，缓存管理

    • 数据链路处理

    • 线路端接

    • 处理丢包：

    • • 缓存数量B=RTT x C
      • 分组调度程序：随机早期检测算法

    • 交换结构不够快：导致输入排队交换机的线路前部阻塞

---

3 网际协议

• 数据报格式

• • 20字节

  • IP分片

  • • 标识
    • 标志
    • 片偏移

  • IP v4编址

• 网络地址

• • 子网掩码：

  • • 网络号和子网号置1，主机号置0。
    • 对外隐藏子网，对内指示网络号和子网号。

  • 将目的IP地址与子网掩码相“与”，判断是否等于对应的子网的网络地址

• 无类别域间路由选择（CIDR）

• • 最长前缀匹配

• • 内部主机号

  • 获取主机地址

  • • 手动配置
    • DNCP：动态主机配置协议，即插即用协议，客户-服务器协议，没有服务器则使用DHCP中继代理

---

- - **DHCP服务器发现：客户生成DHCP发现报文的IP数据报，源地址为0.0.0.0，广播目的地址为255.255.255.255**
  - **DHCP服务器提供：向客户做出响应，使用255.255.255.255的广播地址**
  - **DHCP请求**
  - **DHCP  ACK**

• 网络地址转换（NAT）：对外隐藏内部网络信息

• • NAT转换表
  • UPnP：穿透NAT

• 英特网控制报文协议（ICMP）：差错报告

• • 承载在IP数据报中

• • IP v6（128位）

  • • 容量扩大
    • 40字节首部
    • 流标签和优先级取消分片和组装

• 路由选择

• • 全局式路由选择：链路状态算法

  • • LS算法：让每个节点向网络中所有其他节点广播链路状态分组

    • 迪克斯特拉算法：

    • • 通过链路状态广播获得信息
      • 所有节点具有该网络的同一个完整的视图

• • • 复杂度：O(n^2)
    • 缺点：链路震荡
    • 方法：让每台路由器发送链路通告的时间随机化

  • 分散式路由选择：距离向量算法

• • 对比：

4.5 层次路由选择

• 自治系统：AS

• • 自治系统内部选路协议

• • 自治系统间选路协议

• RIP协议（使用距离向量算法，运行在UDP上）

• OSPF协议（使用Dijkatra算法，运行在IP上）

• 自治系统间选路协议----BGP4（运行在TCP上）

• • BGP交换路由信息

• BGP路由通告

• • 聚合前缀

  • 发布前缀可达性消息

  • • 使用iBGP会话向AS中的其他路由器发布前缀
    • 使用eBGP向其他AS的网关路由器发布前缀

  • 路由

4.6 选路算法小结

第五章 链路层

1 概述

1.1 服务：

• • 成帧
  • 链路访问
  • 可靠传递
  • 流量控制
  • 差错检测，查错纠正

1.2 配器通信

• • 发送方：封装数据包成帧，差错检测位
  • 接收方：查找错误，可靠交付，取出数据报交付到网络层

1.3 差错检测

• 单比特奇偶校验
• 二维奇偶校验
• 检验和
• 循环冗余校验（CRC）

1.4 多路访问链路和协议

• 点到点链路

• • PPP/以太网交换机和主机

• 广播链路

• • 传统以太网/HFC/802.11无线LAN

• 多路访问协议

• • 信道划分协议：分割信道（时隙，频率，编码）
  • 随机访问协议：信道不分割，允许碰撞，碰撞恢复
  • 轮流协议：轮流传送

• 信道划分协议

• • TDMA

  • • 获得固定长度的时隙
    • 没有数据发送的时隙空闲

  • FDMA

  • • 每个节点分配固定的频段

• 随机访问协议

• • 有数据发送时以全速率R发送

  • 多个节点发送时产生碰撞

  • • 检测碰撞
    • 碰撞恢复

  • 举例：ALOHA，时隙ALOHA，CSMA，CSMA／CD，CSMA／CA

  • 纯ALOHA的工作效率：１／（２ｅ）＝０．１８

  • 时隙ALOHA：１／ｅ＝０．３７

  • CSMA：载波监听

  • • 传输前监听
    • 信道空闲，传送整个帧
    • 信道忙，推迟传送

• • • 争用期：３ｔ

  • 轮流协议：主节点邀请从节点轮流传输

  • 令牌传递协议：控制令牌依次通过各个节点

  • DOCSIS：用于FC的链路层协议

１.５　交换局域网

• MAC地址

• • 标识网络适配器，使得能在广播信道上寻址目标节点
  • 平面地址，不会随位置改变

• ARP：地址解析协议

• • 根据目标IP地址获取MAC地址

  • ARP高速缓存

  • TTL：超过TTL的地址映射会从ARP表中删除

  • 同一局域网内

  • • 建立ARP请求包
    • 检查ARP表是否有对应IP和MAC的地址映射，有就发送
    • 没有就广播发送该请求包（目的MAC地址为全１）
    • 该子网内的所有适配器收到ARP分组后，ARP模块检查IP地址是否匹配，匹配的话就发送一个ARP响应分组。

• 以太网

• • 类型

  • • 总线式以太网
    • 交换式以太网

  • 以太网帧结构

  • • 数据字段
    • 前同步码
    • MAC地址
    • 类型
    • CRC

  • 服务

  • • 无连接
    • 不可靠

  • 使用CSMA／CD：载波侦听，碰撞检测，随机回退

• • 指数回退算法

• • 争用期：５１.２ｕｓ，可发送５１２ｂｉｔ，即６４字节

  • • 前６４字节没有发生碰撞，后续数据不会发生碰撞
    • 最小有效帧长

  • 信号编码

  • • 曼彻斯特编码

• 集线器互联

• 交换机互联

• • 优点：过滤通信量，扩大范围，提高可靠性，互联不同物理层
  • 缺点：增加时延，帧丢失，广播风暴

• 交换机VS路由器

• • 路由器维护转发表，实现路由算法
  • 交换机维护交换表，实现MAC地址过滤，学习算法

• 虚拟局域网：通过软件实现网路节点划分

• • 基于交换机接口号，MAC地址，IP地址构建
  • 流量隔离
  • 动态的成员管理
  • VLAN之间的转发

第七章

１　无线网络

• 无线主机

• 无线链路

• 基站

• 基础设施模式

• 特征：

• • 递减的信号强度
  • 来自其他源的干扰
  • 多径传播

• 传输会引入噪声

• • SNR——信噪比
  • BER——比特差错率
  • SNR越高，BER越小

• 隐藏终端问题

• 码分多址访问（CDMA）