计算机网络思维导图

《计算机网络:自顶向下方法(原书第6版)》第1版于12年前出版，首创采用自顶向下的方法讲解计算机网络的原理和协议，出版以来已被几百所大学和学院选用。是业界经典的计算机网络教材之一。第6版继续保持了以前版本的特色，为计算机网络教学提供了一种新颖和与时俱进的方法。全书共九章，以下为本书的导图笔记，供大家学习参考。

计算机网络

• 基本知识
  • 网络协议
    • 组成要素
      • 语法
      • 语义
      • 同步
  • 通信知识
    • 分组交换
      • 传输方式
        • 虚电路
        • 数据报
      • 时延
        • 类型
          • 结点处理时延
          • 排队时延
          • 传输时延
          • 传播时延
        • 计算
          • d(nodal)=d(proc)+d(queue)+d(trans)+d(prop)
        • 存储转发和直接转发的区别
          • 存储转发需要收到一个完整的帧再发送，慢
          • 直接转发收到数据就发送，快
      • 分组丢失
        • 分组到达速度大于发送速度，分组缓存容量有限
    • 电路交换
      • 实现方式
        • FDM（频分）
        • TDM（时分）
        • CDMA（码分）
• 应用层
  • 协议数据单元（PDU）
    • 报文（message）
  • 协议
    • HTTP
      • Web
    • FTP
      • 传输文件
    • SMTP(简单邮件传输协议）
      • 传输邮件
    • POP3
      • 查看邮件
    • IMAP
      • 查看邮件
    • DNS（域名系统）
      • 查找域名对应的IP地址
        • 迭代查询
        • 递归查询
      • 根DNS服务器
      • 顶级域DNS服务器
      • 权威DNS服务器
      • 本地DNS服务器
• 传输层（运输层）
  • 协议数据单元（PDU）
    • 报文段（segment）
  • 协议
    • TCP（传输控制协议）
      • TCP报文段结构
        • 标志字段
          • ACK
          • SYN
          • FIN
        • 序号和确认号
          • TCP提供累积确认
      • 往返实践的估计和超时
        • 估计往返时间
          • 仅在某个时刻做一次测量。且不为重传的报文段测量SampleRTT,只为传送一次的测量
          • 公式
            • EstimatedRTT(RTTs)=(1-α)*EstimatedRTT+α*SampleRTT α推荐为0.125
            • RTT变化程度DevRTT(RTTD)=(1-β)*DevRTT+β*|SampleRTT-EstimatedRTT|
        • 设置重传超时间隔（Karn算法）
          • RTO(TimeoutInterval)=EstimatedRTT+4*DevRTT
          • 如果重传，RTO=2*RTO
      • 功能
        • 可靠数据传输
          • 特色功能
            • 快速重传
              • 接收方
                • 每收到一个失序报文段，立即发送一个对上一个按序到达报文的重复确认
              • 发送方
                • 一旦收到3个冗余ACK，直接重发对方要求的报文段，不过重传计时器依然有效
          • 特点
            • 发送和接收窗口不一定一样大
            • TCP标准没有规定对不按需到达数据如何处理
            • TCP要求接收方必须有累积确认的功能
        • 流量控制
          • 发送方不能淹没接收方缓存
          • 接收窗口rwnd
          • 利用滑动窗口实现流量控制
        • 拥塞控制
          • 和流量控制的区别
            • 拥塞控制针对全网，流量控制针对一对连接
          • 状态变量
            • 拥塞窗口cwnd
            • 慢启动阈值ssthresh
          • 拥塞的影响
            • 时延变大
            • 丢包
          • 方法
            • 慢开始和拥塞避免
              • 见文章详解
            • 快重传和快恢复
              • 见文章详解
      • TCP连接管理
        • 三个阶段
          • 连接建立
            • 三次握手
              • 步骤（见文章详解）
              • 原因
                • 双方能确知对方的存在
                • 允许双方协商一些参数
                • 对运输实体资源进行分配
          • 数据传送
          • 连接释放
            • 见文章详解
    • UDP（用户数据报协议）
      • 无连接的
        • 不可靠、失序交付
        • 不提供不必要的可靠性扩展（在网络层基础上）
      • 报文段结构
        • 校验和的计算
  • 和网络层的关系
    • 网络层针对主机之间的逻辑通信
    • 传输层为主机上的进程提供通信，即端到端的通信，依赖于网络层，并且可以加强
  • 多路复用（分用）和多路分解
    • 多路复用（发送端）
      • 从不同套接字收集数据块，为每个数据块封装上首部信息生成报文段，传递到网络层
    • 多路分解（接收端）
      • 将传输层报文段中的数据交付到正确的套接字，定向给进程
  • 端口
    • 熟知端口（0-1023）
      • 不能随便用
    • 登记端口（1024-49151）
      • 为应用程序长期使用，必须在IANA登记，防止重复
    • 客户端口或短暂端口（49152-65535）
      • 客户进程短暂使用
  • 可靠数据传输原理
    • 构建可靠传输（RDT）
      • 信道无错误、无丢失
        • rdt1.0
      • 信道有错误、无丢失
        • rdt2.0（停止等待）
          • 错误处理
            • 发送端重传
          • 新增状态
            • 发送端检测
            • 接收端校验
              • ACK（肯定确认）
              • NAK（否定确认）
          • 存在缺陷
            • ACK或NAK出错，发送方无法得知
        • rdt2.1
          • 发送方收到含糊不清的ACK或NAK时，重传冗余分组
          • 接收端需要判定数据是否重复
            • 给每个分组加一个标签代表顺序号
        • rdt2.2
          • 两次对上个分组的ACK，代表这个分组的NAK
      • 信道有错误、有丢失
        • rdt3.0
          • 设置定时器，超时即重传
          • 效率低
            • 采用流水线的方式发送
              • 增加序号范围
              • 发送端需要缓存没确认的分组
              • 处理丢失、损坏和超时的分组
                • 回退N步（GBN）
                  • 滑动窗口
                  • 累积确认
                  • 接收端无需缓存
                • 选择重传（SR）
                  • 滑动窗口
                  • 接收端需要缓存
                  • 发送窗口不能大于接收窗口
                  • 序号个数大于等于发送窗口加接收窗口大小，这样包的序号不会重复
• 网络层
  • 协议数据单元（PDU）
    • 分组（packet）
  • 转发和路由选择
    • 区别
      • 转发：单个路由器选择输出链路
      • 路由选择：规划整条路径
    • 路由器
      • 只工作到网络层
    • 路由算法
  • 虚电路和数据报网络
    • 虚电路
      • 特点
        • 每个路由器都要为进行中的连接维持连接状态信息
        • 每个路由器有一张转发表记录VC号
        • 一条完整的虚电路中每段链路有一个VC号
        • 分组首部中包含VC号，由路由器更新
          • 为何要改变VC号：简化虚电路建立
      • 信令协议
        • 用于建立、保持、拆除虚电路
    • 数据报网络
      • 特点
        • 没有连接建立的概念
        • 转发靠识别目的主机地址
          • 地址太多怎么办
            • 最长前缀匹配原则
        • 同一个端到端，不同时间，分组走的路径可能不同
        • 数据报网络的分组也称数据报
  • 路由器工作原理
    • 路由器结构
      • 路由器转发平面（硬件实现）
        • 输入端口
          • 功能
            • 将输入的物理链路与路由器相连接（物理层功能）
            • 与位于入链路远端的数据链路层交互（数据链路层功能）
            • 查询转发表决定输出端口
        • 交换结构
          • 种类
            • 经内存交换
              • 特点
                • 在路由选择处理器的直接控制下完成
                • 数据报经过两次数据总线
            • 经总线交换
              • 特点
                • 不需要路由选择处理器的干预
                • 一次只有一个分组能够跨越总线
            • 经互联网络交换
              • 特点
                • 能够并行转发多个分组
        • 输出端口
      • 路由器转发控制平面（软件实现）
        • 路由选择处理器
    • 何处出现排队
      • 延时溢出
      • 线路前部阻塞
  • 网络层三个主要组件
    • 1.网际协议(IP)
      • 提供
        • 路由功能
        • 决定数据报是否到达目的地，或是否要被转发
          • 如果要转发，IP决定下一个位置
      • 不提供
        • 可信赖的保证
      • 数据报格式
        • 详见文章
      • 分片和重组
        • 原因
          • 不同的链路层协议有不同的MTU（最大传送单元）
        • 特点
          • 重组只在终点进行，路由器只做转发和选路
      • IPv4编址
        • 长度
          • 32比特
        • 书写方式
          • 点分十进制
        • CIDR（无类别域间路由选择）
          • 三部分
            • network ID
            • subnet ID
            • host ID
          • 子网掩码
          • 更早的分类路由
        • NAT(网络地址转换）
          • 特点
            • 本地网络地址和外部地址分开
            • 对外只有一个唯一的地址
          • 争议
            • 路由器应该只工作到网络层
            • 违背了端到端的假设
            • 地址短缺应当用IPv6解决
    • 2.ICMP（互联网控制报文协议）
      • 用于主机和路由器交换信息
        • 报错
        • 回显请求等等
      • 特点
        • 通常被认为是IP的一部分，但从体系结构上讲它是位于IP之上的，因为ICMP报文承载在IP分组中
    • 3.路由选择
      • 目的
        • 给定一组路由器以及连接路由器的链路，找到一条从源路由器到目的路由器的好路径
      • 算法
        • 全局式路由选择算法，也称链路状态算法（LS算法）
          • 问题
            • 若代价计算基于所承载的流量，会产生振荡，费用反复改变
          • 内容
            • 详见文章
        • 分散式路由选择算法，也称距离向量算法（DV算法）
          • 问题
            • 好消息传得快，坏消息传得慢
              • 导致不断往复计算
              • 解决方案
                • 增加毒性逆转
          • 内容
            • 详见文章
      • 分层路由
        • 路由器不能保存全球所有的路由的信息
        • AS（自治系统）
          • 同一个AS内部运行相同的路由协议（自治系统内部路由选择协议）
            • 热土豆路由
          • 所有AS之间运行相同的路由协议（自治系统间路由选择协议）
            • 网关路由器（gateway router）
      • 协议
        • 域内
          • RIP（路由选择信息协议）
            • DV算法
            • 代价和跳数对应
            • 最大跳数15
            • RIP通告
              • 30秒交换一次
              • 180秒没有响应代表链路中断
            • 运行在UDP之上，当作应用层进程来实现
          • OSPF（开放最短路径优先）
            • LS算法
              • Dijkstra算法
            • 过程
              • 通告携带信息，广播到整个AS系统，OSPF通告包含在报文中，OSPF报文直接由IP承载
            • 优点
              • 安全，能够使用鉴别
              • 允许使用多条相同费用路径
              • 不同服务类型可以用多种方式算代价
              • 同时支持单播和多播路由（MOSPF）
              • 在更大的范围内可以使用层次结构的OSPF
        • 域间
          • BGP（边界网关协议）
            • 工作手段
              • 1.从相邻AS处获得子网可达性信息
              • 2.向本AS内部的所有路由器传播这些可达性信息
              • 3.基于可达性信息和AS策略，决定到达子网的“好”路由
            • BGP会话
              • 性质
                • 半永久的TCP连接
              • 用途
                • 用于一对路由器交换路由信息
              • 分类
                • 外部BGP会话（eBGP）
                • 内部BGP会话（iBGP）
              • 特点
                • BGP会话并非与物理链路一一对应
  • 广播和多播路由
    • IGMP（因特网组管理协议）
• 数据链路层
  • 协议数据单元（PDU）
    • 帧（frame）
  • 简介
    • 功能
      • 相邻结点的传输
    • 术语
      • nodes（结点）
        • 主机和路由器
      • links（链路）
        • 沿着通信路径连接相邻结点的通信信道
      • frame（帧）
        • 封装数据报
    • 特点
      • 同个路径不同链路可能采用不同的协议传数据
      • 不同的链路协议提供不同的服务
  • 提供的服务
    • 成帧
    • 链路接入
    • 可靠交付
    • 差错检测与纠正
      • 奇偶校验
      • 因特网检验和（Internet checksum）
      • 循环冗余检测（CRC）
  • 多路访问协议（multiple access protocol)
    • 术语
      • 碰撞（collide）
      • 争用期
    • 信道划分协议
      • TDM（时分复用）
      • FDM（频分复用）
      • CDMA（码分多址）
    • 随机访问协议
      • slotted ALOHA（时隙ALOHA）
      • 纯ALOHA
      • CSMA（载波监听多路访问）
      • CSMA/CD（带有冲突检测的载波监听多路访问）
        • 802.3即以太网中采用
        • 使用二进制指数后退算法确定重传等待时间
        • 效率比ALOHA高
      • CSMA/CA（带有冲突避免的载波监听多路访问）
        • 802.11即WiFi中采用
    • 轮流协议
      • 轮询（polling）
      • 令牌传递（token passing）
  • 交换局域网
    • 寻址
      • MAC地址
        • 48位
      • ARP（地址解析协议）
    • 以太网
      • 以太网帧
        • 长度在64-1518bytes
          • 其中数据部分长度在46-1500bytes之间
      • 争用期
        • 概念（详见文章）
        • 10M以太网取51.2微秒为争用期
      • 链路层交换机
        • 特点
          • 透明
            • 主机和路由器并不能感受到它的存在
          • 自学习
            • 即插即用
        • 功能
          • 转发和过滤
        • 性质
          • 消除碰撞
          • 异质的链路
            • 交换机使不同链路彼此隔离，不同链路能以不同速率运行
          • 管理
            • 易于进行网络管理
        • 使用以太网交换机可以实现虚拟局域网
          • VLAN
            • 只是一种服务，并不是新型网络
      • 高速以太网
        • 100BASE-T
          • 特点
            • 可在全双工方式下工作而无冲突
            • 不使用CSMA/CD
            • MAC帧格式仍是802.3标准
            • 帧间间隔由9.6微秒，改为0.96微秒
          • 三种不同物理层标准
            • 100BASE-TX
              • 2对双绞线
            • 100BASE-FX
              • 光纤
            • 100BASE-T4
              • 4对双绞线
            • 不支持同轴电缆
        • 吉比特以太网
          • 特点
            • 允许在1Gb/s下以全双工和半双工工作
            • 使用802.3帧
            • 半双工下使用CSMA/CD
            • 与10Mb/s 100Mb/s兼容
          • 物理层
            • 1000BASE-X
              • 光纤
            • 1000BASE-T
              • 4对双绞线
        • 10Gbit以太网
          • 特点
            • 802.3帧
            • 不再使用铜线，只使用光纤
            • 只工作在全双工方式，不使用CSMA/CD
        • 以太网从10Mb/s到10Gb/s表明以太网
          • 可扩展
          • 灵活
          • 易于安装
          • 稳健性好
  • 点对点传输
    • 特点
      • 面向连接
        • 一个发送方，一个接收方，一条链路
    • 流行的协议
      • PPP 点对点协议
        • 三个组成部分
          • 1.一个将IP数据报封装到串行链路的方法
          • 2.链路控制协议
          • 3.网络控制协议
        • 需要提供的服务
          • 发送端把网络层的数据报封装成数据链路层的帧，接收端解封装
          • 可以携带任何bit格式
          • 差错检测（不纠正）
          • 有连接的服务
          • 终端可以学习并配置网络地址
        • 不用提供的
          • 纠错
          • 流量控制
          • 失序传送
          • 多点链路
      • HDLC 高级数据链路控制
    • 三个基本问题
      • 1.封装成帧
      • 2.透明传输
      • 3.差错检测
• 物理层
  • 协议数据单元（PDU）
    • 比特（bit）
  • 拓扑种类
    • 总线型拓扑
    • 星型拓扑
    • 树型拓扑
    • 环形拓扑
    • 网状拓扑
  • 接入方式
    • 拨号上网
    • ADSL（非对称数字用户线路）
    • HFC（混合光纤同轴电缆网）
    • 光纤接入
    • 无线网络
      • 802.11b WiFi
      • 蜂窝网
  • 物理媒介
    • 双绞线（TP）
      • 按用途分类
        • Cat 3
          • 电话使用
        • Cat 5
          • 以太网使用
      • 按有无屏蔽分类
        • 无屏蔽双绞线 UTP
        • 有屏蔽双绞线 STP
    • 同轴电缆
    • 光纤
    • 无线电