这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第 5 天

01 重点内容

计算机网络概述
- 层次结构
- 网络拓扑
- 性能指标
物理层
数据链路层
- 概述
- 差错检测方法
- 最大传输单元MTU
- 以太网协议
网络层
- 网络层IP协议相关
  - IP协议
  - 子网划分
  - 简单路由过程
- 网络层其他协议
  - ARP和RARP（结合数据链路层一起使用）
  - ICMP协议
- IP的路由算法
  - 路由概述
  - 内部网关路由协议
  - 外部网关路由协议

02 详细知识点介绍

2.1 计算机网络概述

什么是计算机网络
- 计算机网络主要由些通用的、可编程的硬件互连而成，通过这些硬件，可以传送不同类型的数据
  - 计算机网络的不是软件概念，还包含硬件设备
  - 计算机网络不仅仅是信息通信，还可以支持广泛的应用.
分类
- 广域网（WAN）
- 城域网（MAN）
- 局域网（LAN）：1KM以内，地区内、公司内
- 按照网络使用者分类：公用网 & 专用网
层次结构
- 功能繁多复杂，需要分层实现不同功能
  - 保证数据通路顺畅
  - 识别目的计算机
  - 目的计算机状态
  - 数据是否错误
- 设计的基本原则
  - 各层是相互独立的
    - 某一层不知道上下层如何实现
    - 只需要知道如何通过上下层提供的接口实现本层的功能
  - 各层之间完全解耦
    - 每一层的上一层或者下一层的变化不影响本层的稳定、
    - 使得每一层易于实现和维护
  - 每一层要有足够的灵活性
- OSI七层模型
- TCP/IP四层模型
  - 进行通信时不同设备使用协议的转变
  - 包含协议（沙漏状）
网络拓朴
- 边缘部分（用户可以直接连接的部分）
  - 家庭
  - 企业
- 核心部分（涉及海底地缆等）
- 站在用户的角度
  - C/S模式
  - P2P模型
性能指标
- 存储信息的大小
- $bps = bit / s$
  - 为什么电信拉的100M光纤，测试峰值速度只有12M每秒?
- 时延 = 发送时延 + 传播时延 + 排队时延 + 处理时延
  - 发送时延 = 数据长度(bit) / 发送速率(bps)
    - 发送速率由计算机网卡决定
  - 排队时延：数据包在网络设备中等待被处理的时间
  - 处理时延：数据包到达设备或者目的机器被处理所需要的时间（与服务器、路由器性能有关系）
- 往返时间RTT（Route-Trip Time）
  - 数据报文在端到端通信中的来回一次的时间
  - 评估网络质量的重要指标
  - ping命令

2.2 物理层

物理层的作用
- 连接不同的物理设备（e.g.海底地缆、网线）
- 传输比特流（0101的高低电平/数字信号）
- 介质
  - 双绞线
  - 同轴电缆
  - 光纤
  - 红外线（遥控）
  - 无线（WiFi信号）
  - 激光
信道
- 往一个方向传送信息的媒体
- 通信电路：一个接收信道 + 发送信道
- 发送与接收引发怎么办
  - 单工通信信道
    - 只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道
    - e.g.有线电视、无线电收音机等等只能接收信号
  - 半双工通信信道
    - 双方都可以发送和接收信息
    - 不能双方同时发送，也不能同时接收
  - 全双工通信信道
    - 双方都可以同时发送和接收信息
    - e.g.网线、网络......现在主流
分用-复用技术
- 提升信道利用率
- 分类
  - 频分复用
  - 时分复用
  - 波分复用
  - 码分复用

2.3 数据链路层

2.3.1 基本功能

封装成帧
- "帧”是数据链路层数据的基本单位
  - bit是物理层的基本单位
- 发送端在网络层的一段数据前后添加特定标记形成“帧”
- 接收端根据前后特定标记识别出“帧”
- 物理层才不管你“帧” 不“帧” ，无脑bit流传输
  - 相互独立相互解耦
- 结构
  - 帧首部和尾部是特定的控制字符（特定比特流）
透明传输
- “透明”在计算机领域是非常重要的一个术语
  - "一种实际存在的事物却又看起来不存在一样"
  - “即是控制字符在帧数据中，但是要当做不存在的去处理”
- 解决比特流中含有特殊比特流的问题
  - 转义字符
  - 数据中也出现转义字符怎么办
    - 还是加一个转义字符
  - 与编程中解决转义字符思路一样
差错检测
- 物理层只管传输比特流，无法控制是否出错
  - 比如打雷闪电引起的错误
- 循环冗余校验码（CRC）
  - 根据传输or保存数据而产生固定位数校验码的方法
  - 检测数据传输或者保存后可能出现的错误
  - 生成的数字计算出来并且附加到数据后面
  - 检错能力与位串的阶数r有关
    - 若r==1，则退化为奇偶校验
  - 数据链路层只进行数据的检测，不进行纠正——丢弃

2.3.2 最大传输单元MTU

MTU
- 数据链路层的数据帧不是无限大的
  - 用于描述数据帧的最大长度
- 数据帧过大过小都会影响传输效率
  - 太大会增加总时延
  - 太小会重复发送太多
- 以太网MTU一般为1500Byte
路径MTU
- 计算机A通过若干小型网络到达计算机B，其中的MTU各不同
- 路径MTU由链路中MTU的最小值决定

2.3.3 以太网协议

假设有以下网络拓朴通过路由器连接，路由器如何知道A要发送给谁
MAC地址
- 物理地址、硬件地址
- 每一个设备都拥有唯一的MAC地址
- 共48位，用十六进制表示
  - 六对数字/字母
- 使用ipconfig /all显示所有物理设备的MAC地址
以太网协议
- 广泛使用的局域网技术
- 应用于数据链路层的协议
- 使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输
- 协议格式 = 目的MAC地址 + 源MAC地址 + 类型 + 帧数据 + CRC校验码
- MAC地址表
  - A通过网卡发送数据帧
  - 数据帧到达路由器，路由器取出前6 Byte
  - 路由器匹配MAC地址表，找到对应的网络接口
  - 路由器往该网络接口发送数据帧
- 若MAC地址表有未知项
  - 路由器E检查MAC地址表，发现没有C的信息
  - E将广播A的数据包到除A以外的端口
  - E将接受B、C的回应，并将地址记录
- 因为以太网只能进行相邻物理节点的传输（MAC地址表功能有限），所以想要进行跨设备传输数据，需要网络层

2.4 网络层

2.4.1 网络层IP协议相关

虚拟互联网络
- 实际的物理网络是十分复杂的
- 物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异
- 当网络中的主机使用IP协议连接时，则无需关注网络细节，只需要关注端到端的连接
  - IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互连的网络
  - IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发
  - IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题
IP协议
- IP地址
  - 长度32位，常分为4个8位
  - 常用点分十进制表示（0-255.0-255.0-255.0-255.0）
  - 随着网络环境的改变而改变，并非和MAC地址一样伴随物理设备终身
- IP数据报
- IP协议首部
  - 版本：主流版本是IPV4和IPV6，不同版本不可通信
  - 首部位长度：占4位,最大数值为15，表示的是IP首部长度，单位是"32位字”(4个Byte)，也即是IP首部最大长度为60 Byte
  - 总长度:占16位,最大数值为65535,表示的是IP数据报总长度(IP首部+IP数据)——类比MTU，可能会涉及IP数据包分片
  - 标志是否可以分片——片偏移记录
  - TTL：表明IP数据报文在网络中的寿命，经过一一个设备，TTL减1，当TTL=0时,网络设备必须丢弃该报文，防止找不到目标设备无限消耗带宽
  - 协议：表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的(如: TCP、UDP等)
IP协议的转发流程
- 逐跳（hop-by-hop）
- 路由表简介
- 转发流程（利用路由表 + IP协议）
  - A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
  - A将IP数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址是E
  - 数据链路层填充源MAC地址A和目的MAC地址E
  - 数据链路层通过物理层将数据发送给E
  - E的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
  - E查询路由表，发现下一跳为F
- 区别
  - 数据帧每一跳的MAC 地址都在变化
  - IP数据报每一的IP地址始终不变
子网划分
- 分类的IP地址
  - 网络号 + 主机号 = 32位
    - A类地址：0起头，8
    - B类地址：10起头，16
    - C类地址：110起头，24
    - D、E类常特殊用途
  - 特殊的主机号
    - 主机段全0：当前网络段，不可分配为特定主机
    - 主机段全1：广播地址
  - 特殊的网络号
    - A类地址网络段全0（00000000）：特殊网络
    - A类地址网络段后7位全1（127）：回环地址
    - B类地址网络段128.0不可用
    - C类地址网络段192.0.0不可用
- 划分子网
  - C类最节约IP地址，最大主机号为255-1
  - 为了避免浪费提出子网划分的概念
  - 思想：将主机号变为子网号+主机号
  - 子网掩码（子网号太多想办法快速判断某个IP的网络号）
    - 和IP地址一样，都是32位
    - 由连续的1和连续的0组成
    - 判断过程（与运算）
- 无分类编制CIDR
  - CIDR没有A、B、C网络号、和子网划分的概念
  - 网络前缀相同的IP地址称为一个CIDR地址块
  - 斜线记法
  - 子网、超网
NAT技术（Network Address Translation）
- IP地址不够用了
  - 早期IP地址不合理规划导致了IP号浪费
- 内网地址
  - 内部机构使用
  - 避免与外网地址重复
- 外网地址
  - 全球范围使用
  - 全球公网唯一
- 三类内网地址
  - 千万级：10.0.0.0 - 10.255.255.255
  - 百万级：172.16.0.0 - 172.31.255.255
  - 万级：192.168.0.0 - 192.168.255.255
- 网络地址转换技术
  - NAT技术用于多个主机通过一个公有IP访问互联网的私有网络中
  - 减缓了IP地址的消耗，但是增加了网络通信的复杂度

2.4.2 网络层其他协议

ARP协议
- ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议
  - ARP缓存表
    - ARP缓存表缓存有IP地址和MAC地址的映射关系
    - ARP缓存表没有缓存IP地址和MAC地址的映射关系
  - ARP缓存表是ARP协议和RARP协议运行的关键
  - ARP缓存表缓存了IP地址到硬件地址之间的映射关系
  - ARP缓存表中的记录并不是永久有效的，有一定的期限
  - 可以通过arp -a查询ARP的缓存表
- 是直接封装到数据帧之中的
  - PAD：padding，填充
  - 因为使用到了IP地址，所以属于网络层，尽管是封装在数据链路层的数据帧中
RARP协议
- RARP(Reverse Address Resolution Protocol)逆地址解析协议
(R)ARP协议是TCP/IP协议栈里面基础的协议
ARP和RARP的操作对程序员是透明的
- 理解(R)ARP协议有助于理解网络分层的细节（这里是网络层 + 数据链路层的配合）
ICMP（Internet Control Message Protocol）
- 报告错误信息或者异常情况
- ICMP报文
- ICMP报文首部
  - 类型：ICMP报文的种类
  - 代码：种类具体的错误
  - 差错报告报文
    - 网络不可达：IP地址主机号全为0表示该网络，整个网络不可达
    - 主机不可达：计算机关机等
    - 重定向：通过各种方法将各种网络请求重新定个方向转到其它位置
  - 询问报文
    - 回送请求应答：验证网络是否流通
    - 时间戳请求应答：同步时间
- 应用
  - Ping应用
    - 回环地址127.0.0.1
    - 网关地址（路由器地址）
      - 如果不通，则网线 or WiFi等有问题，不能到达路由器
    - 远端地址
  - Traceroute应用
    - 探测IP数据报在网络中走过的路径
    - 当TTL=0时，ICMP终点不可达差错报文
    - 分别封装TTL为range(1,n)的报文，直到接收到回应报文
    - 命令行：tracert + 目标IP地址

2.4.3 IP的路由算法

路由算法实际上是图论的算法，但因为网络环境复杂，比图论算法更加复杂
- 算法是正确的，完整的
- 可以适应网络的变化
- 计算上应该尽可能的简单
- 是稳定和公平的
自治系统（AS：Autonomous System）
- 解决庞大环境复杂互联网的划分问题
- 一个AS是处于一个管理机构下的网络设备群
- AS内部网络自行管理，AS对外提供一个或者多个出(入)口
- 内部路由的协议称为:内部网关协议(RIP、OSPF)
- 自治系统外部路由的协议称为:外部网关协议(BGP)
RIP协议
- 距离矢量(DV)算法
  - 每个节点使用两个向量 $Di$ 和 $Si$
    - $Di$ ：当前节点到别的节点的距离
    - $Si$ ：当前节点到别的节点的下一个节点
  - 每一个节点与相邻的节点交换向量 $Di$ 和 $Si$ 的信息，每一个节点根据交换的信息更新自己的节点信息
- RIP协议
  - RIP协议把网络的跳数(hop)作为DV算法的距离
  - RIP协议每隔30s交换一次路由信息
  - RIP协议认为跳数> 15的路由则为不可达路由
    - RIP适用于小型网络
  - 认为好路由就是“距离短”的路由
  - 当到达同一目的网络有多条“距离相等”的路由时，可以进行等价负载均衡
- RIP协议过程
  - 路由器初始化路由信息(两个向量 $Di$ 和 $Si$ )
  - 对相邻路由器X发过来的信息，对信息的内容进行修改(下一跳地址设置为X，所有距离加1)
    - 到达目的网络，相同下一跳，最新消息，更新
    - 发现了新的网络，添加
    - 到达目的网络，不同下一跳，新路由优势，更新
  - 如果3分钟没有收到相邻的路由信息，则把相邻路由设置为不可达(16跳)
OSPF协议
- 基于Dijkstra
- 链路状态协议
BGP协议
- Border Gateway Protocol：边际网关协议
- 运行在AS之间的一种协议
- 原因
  - 互联网的规模很大
  - AS内部使用不同的路由协议，需要协调
  - AS之间需要考虑除网络特性以外的一些因素(政治、安全...)
    - e.g. AS1不想把数据传递给AS2，所以通过AS3将最终数据传递给AS4
- BGP发言人（speaker）
  - 被选中的边界路由器
  - AS之间通过BGP发言人交流信息
  - BGP Speaker可以人为配置策略
    - e.g. 中美