导图社区 25考研计算机网络原理思维导图
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25考研计算机网络原理思维导图
这是一篇关于23考研计算机网络原理的思维导图。计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信路线连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
编辑于2021-07-24 14:56:32- 计算机网络
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参考吴恩达机器学习教程，参考pytorch官方文档和B站Pytorch入门教程，内部机器学习基本知识，pytorch函数，神经网络搭建方法等
- 25考研操作系统思维导图
这是一篇关于23计算机操作系统的思维导图。该思维导图从计算机系统概述、进程管理、内存管理、文件管理、i/o设备等几个方面进行归纳总结，适用于考研。
- 25考研计算机网络原理思维导图
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25考研计算机网络原理思维导图
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- 大纲
计算机网络
1. 计算机网络体系结构
计算机网络概述
概念：计算机网络是互联的、自治的计算机集合
组成
从组成部分上看：硬件，软件(核心)，协议
从工作方式上看
边缘部分：用户直接使用的主机
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成
从功能组成上看
通信子网：实现数据通信，由传输介质、通信设备和协议组成 包括物理层，数据链路层和网络层
资源子网：实现资源共享，即终端和资源 包括应用层，表示层和会话层
功能
数据通信（最基本的功能）
资源共享
3.分布式处理
4.提高可靠性
5.复杂均衡
分类
按分布范围：广域网、城域网、局域网、个人局域网缩写*AN：(Wide)(Metroplitan)(Local)(Personnel)局域网使用广播技术，广域网使用交换技术
按传输技术：广播式、点对点(多用在广域网)
按拓扑结构：总线型、星型、环型、网状型(多用在广域网)
按使用者：公用网，专用网
按交换技术：电路交换、分组交换、报文交换
按传输介质：有线和无限
*标准化工作及相关组织**大纲已删除*
标准的分类
事实化标准：OSI模型
法定标准：TCP/IP模型
标准化工作
互联网草案
建议标准（RFC文档）
草案标准
互联网标准
相关组织
ISO、IEEE、ITU、IETF
性能指标
带宽：最高数据率，指发送速率，不影响线路传播速率
时延
发送时延（传输时延）= 数据长度 / 带宽（或发送速率）
传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传输速率
处理时延
排队时延
时延带宽积 = 传播时延×信道带宽，即某段链路上的当前容量，单位：bit
往返时延RTT：从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认
吞吐量：单位时间通过某个网络的数据量，即瞬时数据率，单位：b/s
速率：又称数据率或数据传输率或比特率，单位：b/s注意：表示速率时1kb/s=1000b/s(存储介质是1024)
信道利用率
信道利用率：有数据通过的时间 / （有+无）数据通过的时间
网络利用率：信道利用率加权平均值
计算机网络体系结构与参考模型
分层结构
计算机网络体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合
分层原则：每层采用合适技术实现一个相对独立的功能 分层结构能促进标准化工作
协议数据单元(PDU)=协议控制信息(PCI)+服务数据单元(SDU)
上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，且下一层的服务细节对上一层透明
体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件或硬件
相关概念
协议
是规则的集合，由语法、语义、同步三部分组成(数据格式)(要完成的功能)(条件和时序关系)
接口
接口：同一结点相邻两层间交换信息的连接点服务访问点(SAP)：抽象概念，可理解为逻辑接口
服务
下层为上层提供的功能调用
面向连接(分阶段)/无连接(不可靠)
可靠/不可靠
有应答/无应答
7层OSI参考模型（法定标准）
应用层
用户与网络的界面，提供访问OSI手段例：能和用户交互的程序
协议：FTP、SMTP、HTTP
表示层
处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（翻译）
功能
数据格式变换
数据加密和解密
数据压缩和恢复
协议：JPEG、ASCII
会话层
会话(建立同步)：建立进程之间的连接并在连接上有序的传输数据
功能
建立、管理、终止会话
恢复通信
实现数据同步（如断点续传）
协议：ADSP、ASP
资源子网（数据处理）
传输层
负责两个进程（端到端）的通信控制
数据单位：报文段
功能
实现可/不可靠传输
差错控制
流量控制
复用分用
拥塞控制
协议：TCP、UDP
端到端
网络层
将分组(数据单元)从源段传到目的端
传输单位：数据报（数据报切割形成分组）
功能
路由选择
差错控制
流量控制(针对发送方)
拥塞控制(针对全局)
协议：IP、ICMP、IPX、IGMP、ARP、RARP、OSPF
点到点
数据链路层
将数据报（分组）组装成帧
传输单位：帧
功能
成帧：定义帧的开始和结束
差错控制
流量控制
访问（接入）控制（可以物理寻址）
协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
物理层
在物理媒体上实现比特流的透明传输
传输单位：比特
功能
定义接口特性
定义传输模式（单、(半)双工）
定义传输速率
比特同步
比特编码
协议：Rj45、802.3
通信子网（数据通信）
4层TCP/IP参考模型（事实标准）
应用层：对应OSI上三层
OSI TCP/IP 传输层 面向连接 无/面向连接
网际层 无/面向连接 无连接
网络接口层：对应OSI下两层
5层模型(方便学习)
将网络接口层分为数据链路层和物理层
2. 物理层解决如何在各种传输媒体上传输数据比特流
通信基础
术语
码元
一个固定时长的信号波形（数字脉冲）
一个码元可以携带多个比特的信息量
K进制码元——码元的离散状态有K个，1比特表示2个状态
速率
码元传输速率
别名：码元速率、波形速率、调制速率、符号速率、波特率
单位时间传输的码元个数
单位：波特（Baud）（码元/s）
信息传输速率
别名：信息速率、比特率
单位时间传输的二进制码元个数（即比特数）
单位：比特/秒（b/s）
基带信号：低频信号，这里指数字信号，在数字信道上传输（基带传输）
宽带信号：将基带信号调制后形成的高频信号，在模拟信道上传输（宽带传输）
信噪比：信号的平均功率/噪声的平均功率，记S/N，单位：dB例如20dB=10log10(S/N)，此时S/N=100；
数据失真处理
影响因素
码元速率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量
码间串扰
接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象
奈奎斯特定理
理想低通条件下（无噪声）为了避免码间串扰极限码元速率：2W Baud，W是信道带宽，单位Hz
香农定理
信道的极限数据传输率：Wlog2(1+S/N) ，单位：b/s
数据的编码和调制
编码
数字信号编码成数字信号
非归零编码（NRZ）
用低电平表示0，高电平表示1，或者相反
归零编码（RZ）
信号电平在一个码元内都要恢复到0
反向不归零编码（NRZI）
信号电平在边界处翻转表示0，不变表示1
曼彻斯特编码
一个码元内，电平中间部分是前高后底还是前低后高
数据传输率只有调制速率的一半，编码效率50%
差分曼彻斯特编码
每个码元中间都有电平跳变（与曼彻斯特编码一样）
电平在边界处翻转表示0，不变表示1
4B/5B编码
用5个比特来表示4个比特的数据，编码效率为80%
模拟信号编码成数字信号
典型：对音频信号进行编码的脉码编制（PCM）
采样（采样频率不小于信号最大频率）、量化、编码
调制
数字信号调制成模拟信号
幅移键控，频移键控，相移键控，正交振幅调制（调幅） （调频） （调相） （调频+调相）
模拟信号调制称模拟信号
数据交换方式
电路交换
建立一条专用物理链路进行数据传输
优点：延迟小、适合数字和模拟信号、数据顺序传送
缺点：利用率低，建立连接慢、无纠错
报文交换
无需专用链路，采用存储转发方式通过交换设备进行报文传输
优点：无需建立连接，可随时发送报文；动态分配线路；相对可靠
缺点：只适用于数字信号，实时性差、报文长度没限制
分组交换
数据报方式
与报文交换类似，差别在将报文划分成了一定长度的分组
比报文时间少但是需要额外的信息量(源、目的地址，编号)可靠性由用户主机控制
虚电路方式
需要建立一条逻辑上相连的虚电路，结点通过查表控制
其他与电路交换类似，分组只走虚电路，容错率低可靠性由网络保证
传输介质
双绞线
1.双绞线，2.屏蔽双绞线（抗电磁干扰）
同轴电缆：能传数字/宽带信号，干扰小，贵
光纤
多模光纤
适合近距离传输
多束光线通过反射在光纤中传输线粗成本低
单模光纤
适合远距离传输
单束光线在光纤中直线传输线细成本高
导向性
无线电波
穿透力强，所有方向
微波
地面微波接力通信
卫星通信，容易受外界干扰
红外线、激光
需要转换为各自的信号格式
方向性
非导向性
物理层设备
物理层接口特性
机械特性
定义物理连接的特性，如接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
电气特性
规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围
功能特性
指明线路上某一电平表示何种意义
过程特性
也叫规程特性，指名时序关系
中继器也叫转发器
对信息的整形放大(再生)并转发
仅作用于数字信号的电气部分
两端物理层协议必须相同，上层(链，网…)可不同
5-4-3规则：（以太网规范的）5段通信介质，4个中继，3段可挂计算机
集线器
实质：多口中继器
性质：星型拓扑，数据共享(广播式，半双工)
所有工作主机平分带宽
3. 数据链路层
p, li { white-space: pre-wrap; } 全称 简称 名称 Stop-And-wait 停等协议 停止-等待(ARQ)协议 Go-Back-N GBN 后退N帧(ARQ)协议 Selective Repeat SR 选择重传(ARQ)协议 Hawaii's hello ALOHA 介质访问控制 Carrier Sence Multiple Access CSMA 介质访问控制 上面+Collision Detection CSMA/CD 介质访问控制 上面+Collision Avoidance CSMA/CA 介质访问控制 High-level Data Link Control HDLC 广域网 Point-to-Point Protocol PPP 广域网
链路层的功能
为网络层提供服务
无确认的无连接服务
适合实时通信、误码率低的信道，如以太网
有确认的无连接服务
适合误码率较高的信道，如无线通信
有确认的有连接服务
适用于可靠性、实时性较高的场合
链路管理
对数据链路层（点对点）连接的建立、维持和释放的过程
组帧
封装成帧
在一段数据的前后部分添加首部和尾部信息，构成一个帧
作用
帧定界、帧同步：确定帧的起始和结束位置
组帧的4种方法
字符计数法
帧首部使用一个计数字段（第一个字节，8位）来表明帧内字符数
字符（节）填充法
使用一些特定的字符来定界一帧的开始（SOH）和结束（EOT）
对数据内可能出现的定界符：在数据中的界定符前加转义字符ESC来
零比特填充法（常用）
用01111110来标志一个帧的开始和结束
如果信息位中出现连续5个"1"时，在后面添一个"0"
违规编码法（常用 IEEE 802）
使用一些违规的编码（例如曼切斯特编码的高-高和低-低）来定界帧
差错控制
类型
位错：比特位出错
帧错：丢失、重复、失序
控制方法
检错编码
奇偶校验码
只能检查奇数位错，检测能力50%
循环冗余码CRC
生成多项式和模2除法
使用这种方法，只要接收端接收到帧，就认为没有差错
纠错编码
海明码
发现双比特错，纠正单比特错
L - 1 = D+C（D>=C）；L码距、D检错位数、C纠错位数
海明不等式：2^r >= k+r+1，r是校验码位数，k是信息位数
校验位依次放在2^n位上，信息位顺序填充
所有第n位是1的位置编号上的位构成一组，使用偶校验
纠错时比较偶校验错误的组共有的那1位信息
流量控制
控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每一个帧可靠传输：发送方自动重传
信道利用率：发送时间/一个发送周期
信道吞吐率：信道利用率*发送速率
停止-等待协议
窗口限制：发送窗口 = 1，接收窗口 = 1
每发送一个帧就停止发送，等待对方确认后再发送下一个
发送方设有超时计数器，在规定时间内未收到确认，发送重传
后退N帧协议（GBN）
窗口限制：发送窗口=＜(2^n)-1，接收窗口 = 1；用n比特进行编号
累积确认：表示已收到n号和它之前的所有帧
每个已发送的帧设置超时计数器，在规定时间内未收到确认，发送重传
注意：接收方必须按序接收帧，不按序则丢弃。注意：信道质量差时不一定优于停-等协议。
选择重传协议（SR）
窗口限制：发送窗口+接收窗口≤2^n；用n比特进行编号
默认情况：发送窗口=接收窗口=2^(n-1)，这是最好情况
每个已发送的帧设置超时计数器，在规定时间内未收到确认，发送重传
注意：接收方可以不按序的接收在窗口内的帧，失序的帧放到缓存
介质访问控制(MAC)
(Medium Accesss Control)采取一定措施，使两对结点之间通信不会发送互相干扰的情况
信道划分介质访问控制(静态)
频分多路复用 FDM(Frequency)
划分为不同频段的子信道，可以同时传输多个不同频率的信号
时分多路复用 TDM(Time)
按时间划分若干时间片，每个信号轮流使用时间片占用整个信道
统计时分多路复用STDM
不固定分配时隙，按需动态分配时隙
波分多路复用 WDM(Wave)
本质是光的频分多路复用
码分多路复用 CDM(Code)
采用不同的编码来区分各路原始信号，既共享空间，又共享时间
码分多址CDMA
1比特分为多个码片，每个站点指定唯一的码片序列
站点发送1时发送码片序列，发0时发送序列反码
要求：各站点序列相互正交（内积为0）
合并：各路数据在信道中对应位相加
分量：合并的数据和源站序列规格化内积
随机访问介质访问控制(动态)
ALOHA
纯ALOHA
发送：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发，想发就发
冲突检测：发送冲突接收方不予确认，发送方等待一段时间未收到确认判断冲突
冲突解决：超时后等一随机时间再重传
时隙ALOHA
区别：按时间槽发送，发送冲突后须等到下一个时间片开始时刻再发送
纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低
CSMA
发送
发送帧前先监听信道，信道空闲不冲突时才发送
发送冲突后依然会把帧发送完
类型
1-坚持CSMA
1. 空闲则直接传输，不必等待；
2. 忙则一直监听，直到空闲；
冲突时，等待一个随机时间再监听；
非坚持CSMA
1. 空闲则直接传输，不必等待；
2. 忙则等待一个随机时间再监听；
p-坚持CSMA
1. 空闲则以p的概率直接传输；1-p的概率等下一个时间槽再传输；
2. 忙则等待一个随机时间再监听；
优点：既像非坚持那些减少冲突，又能像1-坚持那样减少媒体空闲等待时间
CSMA/CD（总线以太网）
CSMA改进，适用总线型网络或半双工网络环境(以太网)，能够边发边听
争用期：2T，(T为单向传播时延)，就能知道是否发生碰撞
发送
检测到冲突（根据电平摆动幅值）就停止发送，按照算法进行重传
重传算法
定义参数k，k=min{重传次数，10}
从离散集合[0，1，2,,,(2^k)-1]中随机取一个数r，重传时间 = 2Tr
重传16次后仍不成功，抛弃此帧，向上层报告
最小帧长
避免检测冲突后，由于帧长度过小而已经发送出去
最小帧长 = 2*T *传输速率；PS：以太网最小64B
CSMA/CA（无线局域网）
CA碰撞避免：通过预约信道（必须）、ACK确认帧（必须）
隐蔽站问题：双方太远听不到；可用RTS/CTS帧（可选）来实现
轮询访问介质访问控制(动态)
轮询访问
主结点轮流“询问”从属结点是否发送数据
令牌传递协议
令牌：一个特殊格式的MAC控制帧
令牌在令牌环网中循环传递，拥有令牌的结点才能发送数据
注意：令牌传递通路在逻辑上必须是一个环
局域网
(Lcoal Area NetWork)通常采用广播方式
局域网拓扑结构
星型、总线型（常用）、环形、树型
局域网介质访问控制方法
CSMA/CD，常用于总线型网络和树型网络
令牌总线，常用于总线型网络和树型网络
令牌环，用于环形网
局域网分类
令牌网 802.5 逻辑总，物理星FDDI(光纤) 802.8 不用看以太网 802.3 逻辑环，看参数WLAN 802.11 物理星，逻辑星
以太网
标准以太网
采用802.3系列标准，逻辑上拓扑总线型，使用CSMA/CD
提供无连接、不可靠的服务 ，采用曼切斯特编码
传输介质和网卡
网络接口板[也叫网络适配器或网络接口卡]，出厂附带唯一MAC地址(物理地址)
传输介质
10Base-T
非屏蔽双绞线，最大段长100m
逻辑拓扑：总线型；物理拓扑：星型；
10BaseE2
同轴电缆（细），最大段长185m
逻辑拓扑：总线型；物理拓扑：总线型；
10BaseE5
同轴电缆（粗），最大段长500m
逻辑拓扑：总线型；物理拓扑：总线型；
10Base-FL
光线对，最大段长2000m
逻辑拓扑：总线；物理拓扑：点对点
以太网MAC帧(共添加18B)
格式：目的地址(6B)+源地址(6B)+类型(2B)+数据(46~1500B)+FCS(4B)
100Base-T以太网（双绞线）：支持全双工和半双工通信
千兆以太网（光纤）：支持全双工和半双工通信
10G以太网（光纤）：支持全双工
无线局域网WLAN
：采用IEEE802.11标准，链路层用CSMA/CA标准
广域网LAN
(Lcoal Area NetWork)通常采用点对点方式
PPP(点对点)协议
串行线路通信面向字节的协议；
组成
链路控制协议(LCP)
网络控制协议(NCP)
将IP数据报封装到串行链路的方法
帧格式：FAC(1B+1B+1B)+协议(2B)+数据(0~1500B)+尾部(3B)
点对点，不用CSMA/CD，没有最短帧长无序号和确认机制；能无差错接受但不可靠可连接不同数据链路层协议;支持全双工通信；默认字节填充，可用硬件实现比特填充
HDLC(高级链路控制)协议
ISO制定面向比特的协议
帧格式：FAC(1B+1B+1B)+数据(0~1500B)+尾部(3B)
站的概念与数据操作方式
主站/从站/辅助站
正常响应/异步平衡/异步响应
帧类型
根据第12位的取法分为信息帧(传输信息)监督帧(流量检测，差错控制)无编号帧(控制功能如建立连接等)
面向比特，不依赖协议(不需要协议字段)；序号和确认机制，提供可靠传输；支持全双工、透明传输；
数据链路层设备
网桥
组合多个以太网，原来的一个以太网称为网段
根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤，可以隔离冲突域
透明网桥：按照自学习算法处理收到的帧，并生成树，选的不是最佳路由
源路由网桥
广播一个发现帧去找最佳路由
发送帧时，把详细的最佳路由信息放在帧首部中
以太网交换机
本质上是一个多端口的网桥
交换方式
直通式：只检查目的地址，转发速度快
存储转发：先将帧缓存，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
4. 网络层
p, li { white-space: pre-wrap; } Classless Inter-Domain Routine CIDR 无分类域间路由选择 网络层 Address Resolution P~ ARP 网络地址解析协议 Dynamic Host Configuration P DCHP 动态主机配置协议 应用层 Internet Control Messagee P ICMP 网际控制报文协议 网络层 (内部)Interior Gateway P IGP Routing Inf P(路由信息协议) 应用层RIP (内部)Interior Gateway P IGP Open SPF(开放最短路径) 网络层OSPF (外部)External Gateway P EGP Border Gateway P(边界网关协议) 应用层BGP Internet Goup Management P IGMP 因特网组管理协议 网络层
网络层的功能
异构网络互联
路由选择与分组转发
拥塞控制
IPv4
IP数据报
格式
版本(4b)首部长度(4b)区分服务(8b)总长度(16b)
标识(16b)标志(3b)片偏移(18b)
生存时间(8b)协议(8b)首部校验和(16b)
源地址(32b)
目的地址(32b)
固定字段20B
可选字段(0~40B)
注意：协议字段值为6表示TCP；17表示UDP注意：首部长度单位4B,总长度单位1B，片偏移单位8B注意：生存时间TTL：路由器在转发分组前减一注意：以太网帧的最大传送单元MTU为1500B
IP数据报分片
当数据报长度超过MTU时，需要进行分片
同一数据报分出的片使用同一标识字段
标志字段（3位）
中间位DFDon't F最低位MFMore F
DF=0，可以分片
MF=1，后面还有分片
MF=0，代表最后一片
DF=1，不要分片
片偏移字段（13位）
除了最后一个分片，其他分片一定是8B的整数倍
IPv4地址
分类
A(0),B(10),C(110),D(1110),E(1111)
特殊ip地址
主机号全0表网络本身(不可作地址)，全1表本网络广播
32位全0表本主机，32位1表等效本网络广播
127.x.x.x为环回自检地址
私有IP地址
A类(10.x.x.x)，B类(172.16-31.x.x)，C类(192.168.x.x)
网络地址转换(NAT)（软件）
通过NAT路由器的NAT转换表实现局域网主机和外界互联网的连接
NAT看到了端口，工作在传输层
子网划分
目的：能够在单位内部灵活使用IP地址，划分为不同子网段
划分方法：从原主机号借用若干位作为子网号
子网掩码
网络号，子网号全1，主机号全0
子网掩码与IP地址按位相与，就得到子网网络地址
路由器转发分组的算法
提取目的IP地址
检查是否直接交付
检查特定主机路由
检测路由表中有无到该IP的路径
交给默认路由0.0.0.0
丢弃，报告错误
无分类编址CIDR
斜杆记录法
路由聚合：将多个子网合成一个较大的子网（缩短网络前缀）
最长前缀匹配：由于CIDR特性，查找路由表时可能得到多个匹配结果，应选择最长网络前缀的路由。前缀越长，路由范围越具体
地址解析协议ARP
概念
ARP则完成了IP地址到MAC地址的映射
每台主机或者路由器都有一个ARP缓存，存放本局域网上各主机和路由的IP到MAC地址的映射表（交换机没有MAC地址）
ARP自动进行，需要IP地址，工作在网络层
ARP过程
1. 查表，有就写入MAC帧，没有转2
2. 广播ARP请求分组，同网主机都收到ARP请求
3. 返回ARP响应分组，分组内有需要的映射
4. 写入ARP缓冲，写入MAC帧
5. 注意：请求是广播，响应是单播
具体情况
比较简单不写了
动态主机配置协议DHCP
DHCP是应用层协议，使用客户/服务器（C/S）模式，通过广播方式进行，基于UDP
利用广播的方式为新接入的用户动态分配IP
过程
1. 客户机广播"DHCP发现"
2. 服务器收到后广播"DHCP提供"
3. 客户机收到后广播"DHCP请求"
4. 服务器收到后广播"DHCP确认"
网际控制报文协议ICMP
概念
作用：网络探询和差错（异常）报告
工作在网络层
本身就是一个IP数据报
报文类型
差错报告报文
终点不可达：无法交付数据
源点抑制：拥塞而丢失数据
时间超过：TTL=0
Traceroute用这个
参数问题：首部字段有问题
改变路由：有更好的路由
ICMP询问报文
回送请求和回答报文
ping命令用这个
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
不发送差错报文的情况
对ICMP差错报文不再发送
对第一个分片的数据报片的所有后续数据片不再发送
对具有组播地址的数据报不发送
对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）不发送
IPv6
IPv6数据报
格式
与IPv4的区别
地址长度从4B扩展到16B
将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部
支持即插即用（自动配置），不需要DHCP协议
v6的首部长度是8B的整数倍，v4首部长度是4B整数倍
v6只能在主机处分片，v4可以在路由器和主机处分片
IPv6地址
表示形式
基本地址类型
单播
一对一通信
可做源地址和目的地址
多播
一对多通信
可做目的地址
任播
一对多中的一个通信
可做目的地址
IPv6向IPv4过渡
双协议栈策略：一个设备同时安装v6和v4协议栈
隧道技术策略：将v6数据报重新封装到v4数据报中
路由协议
层次路由
自治系统AS：互联网分割成小的AS，AS内部使用一种协议，外部可以使用另一种协议(Autonomous System)
内部网关协议IGP：一个AS内使用的 RIP、OSPF
外部网关协议EGP：AS之间使用的 BGP
路由信息协议（RIP）
概念
RIP是应用层协议，使用UDP传送数据
规定
网络中每一个路由器都维护从他自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离
距离也称“跳数”，路由器到直连网络的距离为1，每经过一个路由，距离+1
RIP允许一条路由最多包含15个路由器，距离16表示网络不可达
特点
仅和相邻路由交换信息
路由器交换的信息是自己的路由表
每30s交换一次路由信息
好消息传的快，坏消息传的慢（慢收敛）
距离向量算法
每个路由表项包含<目的网络N，距离d，下一跳路由器X>
对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，先修改此报文中的所有项目，把“下一跳”字段中的地址都改为X，并把所有“距离”字段+1
RIP报文接收
当原来的路由表中没有目的网络N时，把该项目添加到路由表中
当原来的路由表中有目的网络N，且下一跳是X时，更新(不论距离是否变大)
当原来的路由表中有目的网路N，且下一跳不是X时，比较原有和报文中的距离，选择距离更小的作为自己的表项
如果180s还没有收到相邻路由器的更新路由表，把相邻路由表的距离设为16
开放最短路径优先协议（OSPF）
概念
OSPF是网络层协议，使用IP数据报传送
特点
使用泛洪法向AS内所有路由器交换信息（广播）
发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态
只有当链路状态发生变化时，才发送信息
每隔30min，要刷新一次数据库中的链路状态
适用于规模更大一点的AS
不存在坏消息传的慢，收敛速度很快
链路状态路由算法
问候(HELLO)分组
发现并维持邻站的可达性
数据库描述分组
想邻站发送链路状态摘要信息
链路状态请求分组
邻站收到后，对需要更新的信息请求详细信息
链路状态更新分组
发现链路变化，洪泛法向全网更新分组
链路状态确认分组
邻站对收到的信息进行确认
注意：成本度量metric表到邻站的距离注意：使用Dijstra算法构造最短路径注意：更新分组用于更新自己的检测到的变化
边界网关协议（BGP）
概念
BGP是应用层协议，基于TCP
用于不同AS的边界路由器（BGP发言人）之间的路由信息交换
交换的网络可达性的信息，即到达某个网络所要经过的一系列AS
发生变化时，更新有变化的部分
特点
仅和相邻路由交换信息
首次交换BGP的邻站交换的是整个路由表，后续只更新有变化的部分
BGP发言人交换的信息是路径向量，采用的路径向量算法
BGP发言人除了运行BGP外，还必须运行本AS用的内部网关协议
BGP支持CIDR，因此BGP的路由表包括目的网络前缀、下一跳路由器以及到达该目的网络要经过的AS序列
4种报文
打开Open报文：用来与相邻的BGP发言人建立关系，并认证发送方
更新Update报文：通告新路径或撤销原路径
保活Keepalive报文：确认OPEN报文，并周期性的证实邻站关系
通知Notification报文：发送检测到的错误或关闭连接
IP组播
概念
一对多传输数据（有选择）
仅适用于UDP传输
主机使用IGMP协议加入组播组
IP组播地址
组播使用D类地址（224.0.0.0~239.255.255.255）
组播地址只能用于目的地址，不能用于源地址
对组播数据报不产生ICMP差错报文
并非所有的D类地址都可以作为组播地址
硬件组播
硬件组播地址（01-00-5E-00-00-00 ~ 01-00-5E-7F-FF-FF）
IP组播地址后23位映射到MAC组播地址后23位
32位IP地址-D类首部(4位)-映射(23位)=7位，这能引起冲突，需要软件过滤
IGMP和组播路由选择算法
IGMP协议
让路由器知道本网中是否有主机（进程）参加或退出了某个组播组
IGMP使用IP数据报传递报文
算法
基于链路状态的路由选择
基于距离-向量的路由选择
协议无关的组播（稀疏/密集）
移动IP
概念
移动结点在不同的地方使用固定的网络IP地址上网
三种功能实体
移动结点
拥有永久IP地址的结点
本部代理（归属代理）
外部代理
移动IP通信过程
移动结点A进入外部网络时，向本地代理注册位置(位置由外地代理动态配置)
本地代理接受注册后，会构建一条隧道转交数据，在本地隧道封装，外地解隧道封装
移动结点去其他外地需要更新注册地址，回本地需要注销结点
网络层设备
路由器的组成与功能
路由器是有多输入/输出端口的专用计算机
同网数据直接交付，非同网数据根据转发表间接交付
路由器能连接异构网络并隔离广播/冲突域
结构上由路由选择和分组转发两部分组成实现了：物理层、数据链路层和网络层完成两个功能：分组转发和路由计算
路由表与路由转发
路由表根据算法得出
路由转发：指根据转发表从合适端口转发出去；仅涉及一个路由器路由选择：选择合适路由，用于构建路由表；涉及多个路由器
5. 传输层
传输层服务
传输层的功能
提供进程与进程之间的逻辑通信
复用和分用：不同进程的数据可以使用同一传输层协议传送，类似于信件和信箱
对收到的报文进行差错检测
提供两个传输协议TCP和UDP
传输层的寻址与端口
（软件）端口是传输层的SAP，唯一标识主机中的进程，数据从网络层交付到传输层后，通过端口号区分不同进程的数据来交付；PS：SAP服务访问点
端口号只标识本计算机应用层的各进程
端口号长度为16bit，前面供服务器，后面供客户端
常用的熟知端口号：
p, li { white-space: pre-wrap; } 应用程序 端口号 FTP 21 TELNET 23 SMTP 25 DNS 53 HTTP 80
套接字 = （主机IP地址+端口号）
UDP（用户数据报协议）
特点
面向无连接，最大努力交付，不保证可靠
面向报文，不对报文进行处理，给多长就发多长
无拥塞控制，适合实时应用
UDP首部格式
16位源端口，16位目的端口
16位UDPc长度，16位UDP校验和
固定8B,不可扩展
注意:校验和检验整个数据报，是可选的，全0代表不校验
UDP校验
校验时添加12B伪首部，包括收发人IP信息等(伪首部并不会发送)
校验过程
添加伪首部，16b为单位进行反码计算，而后反码写入
TCP（传输控制协议）
特点
面向连接（虚连接），提供可靠、有序、不丢失、不重复的交付服务
每一条TCP连接只能有两个端点
提供全双工通信，设有发送缓存和接收缓存
面向字节流，每次取发送缓存里的一些字节进行发送
TCP首部格式
数据偏移：4位，单位4B，代表首部长度，最长为15*4B=60B
序号seq：本次报文段发送的数据的第一个字节的序号
确认号ack：期望收到对方的下一个报文段数据的第一个字节的序号
保证按序传输
6个控制位
紧急位URG：URG=1时，表示本报文是高优先级的数据，应尽快传送
确认位ACK：建立连接后所有报文段ACK设为1
推送位PSH：收到PSH=1的报文，接收方不用缓存填满尽快交付给进程
复位RST：RST=1时，表示有严重错误，需要重新连接
同步位SYN：SYN=1表示这是一个请求连接的报文
终止位FIN：FIN=1表示数据已发送完毕，可以断开连接
窗口：允许对方发送的最大数据量
TCP连接管理
TCP连接建立（3次握手）
TCP连接的释放（4次握手）
注意：三次握手第三次就可以进行数据传输注意：4次握手，第2、3次可以一并发送
TCP可靠传输
1.序号：给数据流中每一个字节都标上序号
2.确认：使用累计确认方式，表明已经正确接收的序号和下一个要接收的序号
3.重传
超时重传：规定时间没有收到确认就重传已发送的报文段
冗余ACK：发送方连续接到3个对同一报文的ACK，认定该报文丢失，快速重传
TCP流量控制
TCP利用滑动窗口机制实现流量控制（GBN、SR）
接收方根据接收缓存大小动态调整接收窗口rwnd，通过报文的窗口字段将rwnd通知发送方
发送方的发送窗口上限 = min{ rwnd , cwnd }
TCP拥塞控制
拥塞控制
条件：对资源的需求总和 > 可用资源
表现：网络吞吐量随着输入负荷的增大而下降
控制算法
慢开始和拥塞避免
慢开始：拥塞窗口cwnd按指数增长（每次*2）
拥塞避免：cwnd按线性增长（每次+1）
设置门限值ssthresh，当cwnd<ssthresh时，使用慢开始；当cwnd>=ssthresh时，使用拥塞避免
当cwnd增大到发生网络拥塞时，cwnd变为1重新慢开始，同时ssthresh变为cwnd的一半
快重传和快恢复
快重传：收到3个重复的确认后，判断发生拥塞，直接重传而不必等计时器超时
快恢复：发生拥塞时，cwnd减为一半，直接开始拥塞避免算法，不用回到1
6. 应用层
p, li { white-space: pre-wrap; } Domain Name System DNS 域名系统 File Transfer P FTP 文件传输协议 Multipurpose Internet Mail Extensions MIME 多用途国际邮件扩充 Simple Mail Transfer P SMPT 简单邮件传输协议 Post Office P POP3 邮局协议 Internet Message Access P IMAP 英特网报文存取协议 World Wide Web WWW 万维网 Hyper Text Markup Language HTML 超文本标记语言 Hyper Text Transfer P HTTP 超文本传输协议
网络应用层模型
客户/服务器(C/S)模型
可扩展性不好
P2P(Peer-to-Peer)模型
会占用较多内存
DNS
使用UDP，端口53，负责域名到IP的转换
概念上划分
层次域名空间
域名不能用除‘-’外的标点，英文不区分大小写，不超过63字符
域名服务器
从域名到IP的解析由域名服务器上程序完成
解析器
4种域名服务器
本地域名服务器
根域名服务器
顶级域名服务器
权限域名服务器
请求过程
递归式（少用）
请求：主机->本地->根->顶级->权限
响应：权限->顶级->根->本地->主机
迭代式
1. 请求：主机->本地->根
2. 响应：根->本地(告知对应顶级域名服务器)
3. 请求：本地->顶级
4. 响应：顶级->本地(告知对应权限域名服务器)
5. 请求：本地->权限
6. 响应：权限->本地
可以有多次，视具体域名情况而定
7. 响应：本地->主机
FTP
特点
使用TCP，端口21,20
传输方式（带外传送）
控制连接：使用端口21，传输控制信息，会话期间一直打开
数据连接：使用端口20，传输数据
注意：数据连接有主动模式PORT和被动PASVPORT:客户连21后,随机开放个端口，让服务器通过20主动连接PASV:客户端发送PASV命令，服务器随机开放一个端口给客户机连接
电子邮件
组成：用户代理(UA)，邮件服务器和协议
过程
发件人
发送邮件服务器
接收邮件服务器
收件人
电子邮件格式
To和From(自动填充)必选，Subject可选
MIME：提供了非ASCII码的编码规则，让邮件可传输各种类型数据注意：MIME并未改动SMTP，只是提供了编码规则
STMP（推）
特点：使用TCP，端口号25，使用C/S工作方式
本身只能传送ASCII码，可以用MIME将其它文件重编码
POP3（拉）
特点：使用TCP，端口号110，使用C/S工作方式
除了POP还有IMAP协议：允许用户只获取邮件部分信息
万维网WWW
内核组成
URL（统一资源定位符）
万维网范围内唯一标识某个文档(资源)
HTML（超文本标记语言）
方便的用超链接完成跳转功能
HTTP（超文本传输协议）
HTTP
定义了传送和请求文档的方式，是面向事务的
使用TCP作为传输层协议，保证了可靠传输
注意：HTTP本身是无连接的(传输是可靠的，请求不是)
HTTP是无状态的，不记得服务记录，但是实际可用Cookie(放在本地)跟踪用户
非持久连接(每个对象都需要建立连接)与持久连接(又分流水线和非流水线)
HTTP报文结构不是重点别看了