计算机网络复习
基本概念
- 分布式系统是计算机网络发展的高级阶段
- 计算机网络的组成
- 硬件
- 计算机
- 接口设备
- 传输介质
- 软件
- 通信协议
- 应用软件
- 硬件
- 主要传输技术
- 广播式连接/传播技术
- 点到点连接/传输技术
- 网络分类
- 以网络作用范围分
- 局域网
- 城域网
- 广域网
- 以网络的交换功能分
- 电路交换
- 报文交换
- 分组交换
- 以网络作用范围分
- LAN和WAN各自的侧重点
- WAN: 侧重于路由算法，意在找到一条最佳路径
- LAN：冲突算法，意在处理在网络中可能出现的冲突
- 五层协议的体系结构
- 应用层
- 传输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层
- 网卡实现了
数据链路层和物理层的功能 - 在五层协议中是如何工作的
- 在计算机网络中，协议是水平的，控制对等实体之间的通信。服务是垂直的，即下层为上层提供接口
- 服务访问节点：同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP
- 服务分为两种：
- 面向连接服务
- 无连接服务
OSI参考模型和TCP/IP模型
- OSI模型
- OSI各层的功能
- 物理层：利用传输介质建立物理连接，为数据链路层提供服务，传输单位是比特
- 数据链路层：在通信实体间建立数据链路连接，传输以“帧”为单位，在里面使用差错控制和流量控制
- 网络层：使用路由算法实现选择最佳路由，为数据在结点之间传输创建逻辑链路，实现拥塞控制和网络互联
- 传输层：实现端到端传输，处理数据包错误和数据包次序
- 会话层：负责维护两个结点之间的传输链接
- 表示层：用于处理在两个通信系统中交换信息的表⽰⽅方式，数据解压缩，数据解加密，数据格式转换
- 应用层：为应用程序提供网络服务
- TCP/IP协议栈
- 网络接口层：参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报，允许主机接入多种网络协议
- 网络层（互联网层）：相当OSI参考模型网络层无连接网络服务，处理网络路由，流控和拥塞问题，该层的IP协议是无连接的、“经历而为”的服务
- 传输层：实现端到端连接，其中
TCP是⼀一种可靠的⾯面向连接协议，⽤用户数据报协议UDP是⼀一种不可靠的⽆无连接协议 - 应用层：文件传输协议FTP，域名系统DNS，超文本传输协议HTTP
物理层-数据通信技术
- 时延：数据块从一端传输到另外一端的时间
- 通信方式
- 串行通信
- 并行通信
- 调制解调技术：数据进行模拟化和恢复的过程
- 复用技术
- 频分复用
- 时分复用
- 波分复用
- 分组交换原理：先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，编号之后再发送
数据链路层
- 数据链路层的目的：在不可靠的物理链路上实现无差错、高质量的数据传输
- 端到端：源节点到目的节点
- 数据链路层的功能
- 链路管理
- 帧同步
- 差错控制
- 流量控制
- 透明传输
- 能为网络层提供的服务
- 无确定，无连接的服务
- 有确定，无连接的服务
- 有确定，有连接的服务
- 数据链路层主要是涉及到同步问题（位同步，字符同步，帧同步）
- 帧同步就是将原有的比特流分成若干个帧进行传输
- 数据链路层中的差错控制的方式
- 反馈纠错，能发现错误，不知道错的位置
- 前向纠错
- 混合纠错
- 使用编码方式来实现纠错检错，海明码，奇偶校验码，循环冗余编码
- 数据链路层协议（用于检错纠错和流量控制）
- 停等协议
- 简单停等协议
- 实用的停等协议（确定帧ACK，否定帧NAK，同时设置超时计时器）
- 滑动窗口协议（可进行双向传输）
- 使用回退N帧技术的协议（只有在接收窗口向前滑动时(与此同时也发送了确认)，发送窗口才有可能向前滑动）
- 选择重传协议
- 停等协议
- HDLC协议，主要有三种帧：信息帧、监控帧、无序号帧
- 因特网的点对点协议（PPP），最常用的
介质访问控制子层MAC
- 是解决当局域网中共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权问题，属于数据链路层中的一个子层
- 多路随机访问协议
- ALOHA协议（纯ALOHA和时隙/分槽ALOHA）
- 载波监听多路访问协议（监听信道中的载波）
- 无冲突协议
- 基本位图协议
- 二进制下数法
- 以太网技术（一种局域网技术）
- CSMA/CD载波监听多路访问/冲突检测方法 CSMA/CA载波监听多路访问/冲突避免
- 以太网MAC层协议
- 在局域⽹中，硬件地址⼜又称为物理地址， 或MAC地址，48bit,以太网规定了最短有效帧长为64字节
- 数据链路层交换(互联)
- 网桥工作在数据链路层，网桥根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发，确定是从哪个端口转发
- 虚拟局域网能够使地理位置超越物理结构
网络层
- 网络层目的：将分组从源端沿着网络路径送到目标端
- 网络层解决的问题
- 路由选择
- 拥塞控制
- 网络互联
- 网络层既可以提供无连接服务（数据报），也可以提供面向连接服务（虚电路）
- 路由算法，分为非自适应算法和自适应算法
- 最短路径路由算法，静态路由算法，Dijkstra
- 扩散算法
- 动态路由算法
- 距离⽮矢量路由算法：通过相邻节点的距离信息，间接算出自己的路由表信息。 路由信息向全网发送
- 链路状态路由算法：仅在邻居节点之间交换。收敛时间不定
- 网络拥塞控制
- 拥塞控制
- 向源端反馈信息
- 警告位
- 抑制分组
- 逐级跳抑制分组（对经过的每一级路由器都产生作用）
- 负载丢弃
- 抖动控制
- 向源端反馈信息
- 流量控制
- 拥塞控制
- 网络互联：对等层不同协议的网络互联
- 分段：在不同网络中进行传输的时候，因为不同网络最大分组长度不同，需要重新分段并传输，分为透明分段和不透明分段
- 网络层和数据链路层的区别
- 网络层是将源端发出的分组通过各种途径最终送到目的端
- 数据链路层是将数据帧从介质的一端送到另外一端
- 网络层是处理端到端数据传输的最低层
Internet上的网络层
- IP协议中几种重要的协议
- 地址解析协议ARP
- 每个电脑中都有ARP高速缓存，里面有主机和路由器地址到硬件地址的映射表
- 当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数 据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址， 再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址（实际上就是映射MAC地址）
- 如果在缓存中没有，那就进行全网广播，收到数据报之后就知道MAC地址是多少了，然后就可以构建MAC帧了
- 因特网控制报文协议ICMP
- 因特网组管理协议IGMP
- 地址解析协议ARP
- IP地址：Internet中网络层使用的地址，是基于位置的地址，与MAC地址的基于设备特性不同，IP地址即可以标记设备，也可以标记网络
- IP地址可以分为两级：网络号+主机号
- 特殊IP地址：
- 全0地址:本主机地址
- 全1地址:全网所有路由器广播
- 主机部分全0:网络地址
- 主机部分全1:本网全路由器广播
- 127开头:环回地址
- 地址解析协议ARP：主机中进行IP地址映射的
- 划分子网：使用子网掩码(subnet mask)可以很方便地找出IP地址中的子网部分
- 就是映射表中含有目的网络地址和子网掩码，通过与操作来判断是否是这个网络地址下的
- CIDR地址划分的方法，使用最长前缀匹配来获取网络信息
- 一个IP数据分组由首部和数据两部分组成，首部是20字节
- 因特网控制报文协议ICMP，用于报告差错和控制异常
- PING使用了ICMP回送请求与回送回答报文，是应用层直接使用网络层ICMP的例子，它没有通过运输层的 TCP或UDP
- OSPF：属于内部网关路由协议
- BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议
- IPV6首部长度40字节，地址128位，使用扩展首部来实现IPV4中的部分功能
- 动态分配IP协议：DHCP协议，相当于如果一个主机接入到网络中发现自己没有IP地址，那么就需要以某端口为基准，用广播的形式来传输信息以发现可用的IP地址。DHCP服务器收到消息以后，会以广播的形式将ip地址回复给主机，然后主机可以选择来自不同 DHCP服务器的某一个IP，然后做确认处理
- DHCP协议的运行过程：DHCP协议的运行过程
- 拥塞控制策略
传输层（主要是TCP/UDP）
- 传输层：实现端到端之间的数据传输
- 传输层与网络层的区别：传输层提供应用进程间的逻辑通信
- 端口：用于区别应用层的不同进程，16bit
- 在网络中，每个应用程序是端到端通信连接的端点，使用socket，或套接字、套接口标识，套接字就是socket
- TCP/IP协议中提供两种传输层协议
- 用户数据报协议UDP–无连接服务
- 传输控制协议TCP–面向连接的服务
- 套接字中，传输用户（应用程序）通过传输服务原语访问传输服务
在套接字中，server和client采用面向连接的方式完成数据访问
TCP协议
- TCP的服务
- 面向连接的服务
- 完全可靠（无丢失，无重复，无乱序）
- 可靠的连接建立和连接释放
- TCP的握手和挥手过程
- 相关网址：TCP的握手和挥手过程
- TCP报头中，同时含有发送序号和确认号（为提高效率可以使用捎带确认和累积确认的技术）
- 每一个TCP报头中是有一个数据偏移的，可以用于确认报文的位置
- TCP的三次握手
- 基本原理图（左图是正常的三次握手的过程，右图是出现了呼叫冲突的情况）
- 三次握手方案解决了由于网络层会丢失、存储和重复包带来的问题
- 基本原理图（左图是正常的三次握手的过程，右图是出现了呼叫冲突的情况）
- TCP的四次挥手
- 基本原理图
- 基本原理图
- TCP的拥塞控制
- 缓冲区管理：由于IP协议是无连接的，所以不可靠。传输层实体必须缓存发出的信息，以方便在错误的情况下重传
- 在TCP协议中，可采用可变滑动窗口协议来实现流量控制
- TCP的传输策略
- 基于确认和可变窗口大小
- 窗口大小为0时，正常情况下，发送方不 能再发送TCP段
- 拥塞一般发生在路由器上，网络层感知拥塞，但是控制介入的唯一方式却是传输层放缓发送速度
- 流量控制和拥塞控制的差别
- 拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能承受现有的网络负荷
- 流量控制往往指的是点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做的就是控制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接受
- TCP的拥塞控制机制。进行拥塞控制的四种算法，即慢开始（Slow-start)，拥塞避免（Congestion Avoidance)快重传（Fast Restrangsmit)和快恢复（Fast Recovery）
- 慢启动算法，就是不断试探窗口的最佳阈值，是一种拥塞避免算法（试探知道出现丢包的情况）
- 快重传与快恢复
- 在执行过程中，如果出现了次序不对的情况，则表示发生了拥塞和丢包，那就通过连续发送相同ACK的方式。发送端只要收到三个相同ACK，则表示该数据报丢失了，立即重传数据报，不必等待超时重传
- 相关链接： 拥塞控制的相关讲解
- TCP的三次握手的解读
- TIME_WAIT状态的讲解
- TIME_WAIT的讲解
- TIME_WAIT存在的原因
- 可靠的终止TCP连接
- 保证让迟来的TCP报文段有足够的时间被识别并丢弃
- TIME_WAIT存在的意义
- 可靠的终止TCP连接，若处于TIME_WAIT的client发送给server确认报文段丢失的话，server将在此又一次发送FIN报文段，那么client必须处于一个可接收的状态就是TIME_WAIT而不是close状态
- 保证迟来的TCP报文段有足够的时间被识别并丢弃，linux中一个TCPport不能打开两次或两次以上。当client处于TIME_WAIT状态时我们将无法使用此port建立新连接，假设不存在TIME__WAIT状态，新连接可能会收到旧连接的数据
