计算机网络概述

计算机网络技术知识概述，尽力描绘出各部分的关系。第一张是综述全部内容，后面两张是综述的一部分。 如需知识梳理或交流，可联系Q：394722384，注明来意。

计算机网络

• 计算机网络基础
  • 定义
    • 相互连接、自主的计算机的集合
  • 构成要素
    • 主机hosts
    • 交换节点switches/中间节点nodes
    • 链路links
      • 在相邻节点之间传输数据的路径
    • 网络应用applications
    • 协议protocols
      • 网络实体之间的通信规则
  • 基本需求
    • 可扩展的连通性(Scalable connectivity)
      • 可以为直接或间接的连通
      • 可扩展：以合理的开销，支持系统增长到任意大规模
    • 成本合算的资源共享(Cost-effective resource sharing)
    • 支持共性服务(Support for common services)
  • 协议
    • 语法：消息字段的组织 语义：消息字段的取值含义 规则：时序及逻辑
• 数据链路层 网络连通性
  • 连通方式
    • 直接连通
      • 点到点、多路接入、租用专线
        • 物理妹纸(媒质)或逻辑通道
      • • 点到点可靠传输 怎么办？ ---ARQ自动重发请求
          • 确认、超时、重传
          • • 停止等待，效率低
            • 进阶
            • 滑动窗口
              • 确认： 逐帧确认和累积确认
                • 帧丢确认 ： 重复确认、负面确认、选择性确认(复杂)
              • 重传： 回退N帧重传和选择性重传
              • 防回绕：帧序号k，2^k需大于两窗
              • 时序图
        • 多路接入
          • 冲突
            • 解决：媒体多路接入MAC
          • MAC
            • 协议分类：信道分割（如TDMA、FDMA）、 随机接入（CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA）、 轮转（令牌环、FDDI、蓝牙）
            • 以太网的MAC协议
              • 以太网特点： CSMA/CD 无连接、不可靠
              • 以太网的帧：注意其MAC地址（48位）
                • 单播唯一固定 广播全1，多播首位1
              • 共享式以太网
                • 链路上的帧：选择性接收
                • 帧传输冲突 解决：CSMA/CD
                  • 特点：载波侦听和冲突检测
                  • 算法：见缝插针（没人就马上，有人就伺机） 感觉有人说话，立即瞎说一通，指数回退定时器，16次不行就算了
            • 无线局域网(802.11)的MAC协议
              • 问题：隐藏节点和暴露节点 解决：CSMA/CA
              • CSMA/CA
                • 传输前”控制帧“交换 停止等待算法，一帧一帧来
                • 发方：信道空闲，开始传 信道忙，启动定时器，忙碌就按兵不动，闲着计时，到点发然后再定时。 收方：收到无错误，ack
                • 控制帧：RTS（我要发啦）、CTS（你发吧）
                  • CTS覆盖范围要专心，其他人别吭声 RTS覆盖但CTS没有覆盖，你说你的
              • 基础设施和自组织
    • 间接连通
      • 特点：通过节点
      • 方式：电路交换、分组交换
        • 电路交换 占用固定
        • 分组交换： 存储转发
          • 可应对突发性
          • • 数据报交换
              • 交换机独立转发各数据包
            • 虚电路交换
              • 两队输入端口和虚电路号 允许不同端口复用虚电路号
            • 采用交换表
            • 源路由
• 网络设计采用 分层次模块化
  • 为什么 灵活简便
  • 模式
    • 平铺式
    • 分层式
      • 中间层 为妹纸(媒质)提供传输服务的抽象表示
  • 网络架构
    • Internet四层架构
    • TCP/IP协议族 四层
• 网络性能
  • 容量、时延
  • 吞吐量
    • 由于协议限制， 不可能达到链路带宽
      • 带宽是链路全速运行每秒传输的比特数
    • 分组流吞吐量 某路最小值
    • 网络吞吐量 输出之和
  • 传输时序 传输时延
    • 分组交换
    • • 时序里看吞吐量
      • 时延带宽积
        • 管道满载： 带宽×RTT
• 传输层、应用层 网关
  • 传输网关、应用网关
• 网络层 路由器
  • 建立路由表、查找转发表、转发 基于IP
• 物理层 集线器、中继器
  • 信号放大复制转发
  • 中继器可再生信号
• 应用层
  • HTTP
    • 基于TCP 无状态
  • DNS 域名解析
    • 域名映射成IP地址和端口号
    • 域名层次空间
    • 鱼的记忆：
  • NAT地址转换 私有地址到全网唯一IP地址
    • 合租一间
    • 路由器维护NAT转换表
    • 外面怎么找进来： 静态配置（来访者都给我）、 通用即插即用（我当一天主人）、 中继（咱外面细说）
• 传输层
  • 端到端协议
    • UDP
      • 面向消息、无连接
      • 在IP基础上复用 端口号
        • 短平快、但马大哈
    • TCP
      • 面向连接：三次握手四次挥手
        • 全双工
        • 端口
      • 可靠传输：滑动窗口
        • 改进算法
        • 序号不能回绕、keep the pipe full
      • 什么时候传：触发条件
        • 问题：如何保证实时性、窗口利用率高？
        • 满MSS、应用进程触发、定时期满 以及Nagle改进
          • Nagle：有人成功了，咱不等了赶紧去
      • 超时重传问题
        • 如何估计Timeout：采样权值以及改进：
          • TCP不再是点到点 RTT情况复杂
          • 重传第一个RTT不测，超时值加倍
        • 快速重传：三次重复
      • 拥塞控制
        • 控制发送窗口
        • • 通告窗口
            • 通告收方剩余缓存大小
          • 拥塞窗口
            • 拥塞阈值
            • AIMD 加性增加/乘性减少
            • 慢启动
              • 乘兴增加/达阈值加性增加 阈值加性动 超时阈值半，拥塞窗从头开始
              • 应用于：TCP连接开始和发生粗粒度超时
            • 快速恢复
              • 拥塞窗减半，加性增加
• 互联网络 网络层
  • 将异构网络互相连接
  • 网际协议：IP
    • 服务模型
      • 尽力交付
      • 数据报交换：无连接
    • 编址方式：32位构成=网络号+主机号
      • ABC类 0~127，主机24位 128~191，主机16位 192~223，主机8位 D类224~239多播
      • 全一广播、全零是网络号
      • 在此基础上，做子网划分，灵活变长 IP地址与子网掩码相与，就是子网号
        • 子网应当距离很近
        • 同一个子网，子网号相同。 不同的子网，掩码可以相同
        • CIDR原理类似
          • CIDR无类别域间路由
    • 数据报模型
      • 一个分组构成
        • 源主机发标准MTU， 超出了链路中最大传输单元MTU 路由器将IP数据报分片、目的主机重组
      • 数据报传输 存储转发
        • 主机查dst网络号，本网直接转，外网走default路由 路由器：dst网我有，出；查表吓一跳；都无就default出
        • 查表：最长前缀匹配
  • IP的辅助协议
    • ARP
      • IP地址有了，但是数据要MAC地址才能送到
        • 为什么IP地址送不到？
        • 局域网里维护一个IP和MAC映射表 要是表里没得，喊一嗓子，让他主动现形
    • DHCP
      • 能够动态配置进入范围的主机的IP地址
        • 有朋自远方来
    • ICMP
      • 规定时间内没泡到地方，路由给主机报信
  • ipv6
    • 地址128bit
    • ipv4扩展成ipv6
      • 前缀0
    • 路由聚合问题
  • 路由
    • 怎么去
    • 控制层面
    • 根据协议分类
      • 域内路由IGP 域间路由EGP
        • 两层结构Internet路由
        • 距离向量（如RIP） 链路状态（OSPF、IS-IS）
          • 距离向量：乡村版路由 问题：坏消息跑得慢(无穷计数) 解决：采用小值代表∞、水平分割(别转发我的)
            • UDP
            • 我们做题所有节点一个全局表
            • 更新：周期、路径变化 开销：链路开销为1，超过16就是∞
          • 链路状态：城市版路由，全网告知 问题：流量负荷重
            • IP
            • 我们做题对一个节点的证实表和临时表
            • 更新：周期、添加节点、节点失效（周期hello维护）
            • 两级分层路由
              • 边界路由器（OSPF+BGP） 主干网路由器(OSPF) 区边界路由器(班委接头) 内部路由器
              • 链路状态不出区
        • 路径向量 (BGP)
          • AS之间
          • TCP
          • 基于策略
            • 商业
            • 可达胜于最优
          • AS层面的路由信息交换
          • 周期性确认有效
    • 多播路由
      • D类地址
      • 路由器建立了多播转发表
      • 多播路由协议
        • 源特定树
          • DVMRP
            • 逆向路径多播 剪枝嫁接
        • 共享树
    • MPLS
      • 多协议标记交换 像虚电路一样的标签
    • 移动IP
      • 本地代理转交给外地代理
      • 三角形，改进：第三条边
• 要解决的问题
  • 编码
    • NRZ 到NRZI逢一跳变， 或曼彻斯特编码NRZ和CLK异或
  • 成帧
  • 差错检测
    • 二维奇偶校验
      • 缉查
    • 循环冗余校验CRC
      • k阶生成多项式 源码移位k模二除，得余数 移位加余数得结果
• 数据链路层 交换机
  • 存储转发以太网帧
  • 即插即用
  • 网 桥
    • 基本网桥，大嘴巴
    • 学习型网桥
      • 如何学：留下买路钱
      • 输出： 转发表有输出条目，选择性输出 无输出条目，洪泛
      • 超时： 鱼的记忆
    • 生成树算法 避免回环
      • 开始自以为是， 根外有根，又没指派就闭嘴 有机会就夺权
        • 根网桥、网段指派网桥
  • 以太网交换机
    • 转发表 目的主机MAC地址、可达端口、时间戳
      • 如何生成： 自学习
  • 网卡
    • 有自己的mac地址 属于链路层设备
• 关键词 计算机（通信终端）、 网络（相互连通）
• 物理层：原始比特 数据链路层：网络接口数据帧 网络层：主机数据包 传输层：进程 会话层：会话管理、接入控制、消息同步 表示层：不同表达形式的数据转换 应用层：用户服务
• 分层思想把网络系统分成了不同的实体， 每个实体的功能仅依赖于底层实体所提供的服务
• 与其他通信网络的区别
  • 通用性
    • 支持多样的应用

互联网络

• 网际协议：IP
  • 服务模型
    • 尽力交付
    • 数据报交换：无连接
  • 编址方式：32位构成=网络号+主机号
    • ABC类 0~127，主机24位 128~191，主机16位 192~223，主机8位 D类224~239多播
    • 全一广播、全零是网络号
    • 在此基础上，做子网划分，灵活变长 IP地址与子网掩码相与，就是子网号
      • 子网应当距离很近
      • 同一个子网，子网号相同。 不同的子网，掩码可以相同
      • CIDR原理类似
        • CIDR无类别域间路由
  • 数据报模型
    • 一个分组构成
      • 超出了链路中最大传输单元MTU 就需要源主机IP数据报分片、目的主机重组
    • 数据报传输
      • 主机查dst网络号，本网直接转，外网走default路由 路由器：dst网我有，出；查表吓一跳；都无就default出
      • 查表：最长前缀匹配
• IP的辅助协议
  • ARP
    • IP地址有了，但是数据要MAC地址才能送到
      • 为什么IP地址送不到？
      • 局域网里维护一个IP和MAC映射表 要是表里没得，喊一嗓子，让他主动现形
  • DHCP
    • 能够动态配置进入范围的主机的IP地址
      • 有朋自远方来
  • ICMP
    • 规定时间内没泡到地方，路由给主机报信
• ipv6
  • 地址128bit
  • ipv4扩展成ipv6
    • 前缀0
  • 路由聚合问题
• 路由
  • 怎么去
  • 控制层面
  • 根据协议分类
    • 域内路由IGP 域间路由EGP
      • 两层结构Internet路由
      • 距离向量（如RIP） 链路状态（OSPF、IS-IS）
        • 距离向量：乡村版路由 问题：坏消息跑得慢(无穷计数) 解决：采用小值代表∞、水平分割(别转发我的)
          • 我们做题所有节点一个全局表
          • 更新：周期、路径变化 开销：链路开销为1，超过16就是∞
        • 链路状态：城市版路由，全网告知 问题：流量负荷重
          • 我们做题对一个节点的证实表和临时表
          • 更新：周期、添加节点、节点失效（周期hello维护）
          • 两级分层路由
            • 边界路由器（OSPF+BGP） 主干网路由器(OSPF) 区边界路由器(班委接头) 内部路由器
            • 链路状态不出区
      • 路径向量 (BGP)
        • AS之间
        • 基于策略
          • 商业
          • 可达胜于最优
        • AS层面的路由信息交换
        • 周期性确认有效
  • 多播路由
    • D类地址
    • 路由器建立了多播转发表
    • 多播路由协议
      • 原特定树
        • DVMRP
          • 逆向路径多播 剪枝嫁接
      • 共享树
  • MPLS
    • 多协议标记交换 像虚电路一样的标签
  • 移动IP
    • 本地代理转交给外地代理
    • 三角形，改进：第三条边
• 连接不同类型的网络
  • 节点：路由器
  • 网络异构性，且可扩展性
• 网络太多，路由器记不过来
  • CIDR聚合，连载一起的，本路由器一视同仁

传输层

• 端到端协议
  • UDP
    • 面向消息、无连接
    • 在IP基础上复用 端口号
      • 短平快、但马大哈
  • TCP
    • 面向连接：三次握手四次挥手
      • 全双工
      • 端口
    • 可靠传输：滑动窗口
      • 改进算法
      • 序号不能回绕、keep the pipe full
    • 什么时候传：触发条件
      • 满MSS、应用进程触发、定时期满
    • 超时重传问题
      • RTT如何估计：采样权值以及Nagle改进
        • Nagle：有人成功了，咱不等了赶紧去
      • 快速重传：三振出局
    • 流量控制、拥塞控制
      • 通告窗口
      • 拥塞窗口
• 应用层
  • HTTP
  • DNS 域名解析
  • NAT地址转换