计算机网络2

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网络层

网络层的功能

  • 网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

  • 路由选择与分组转发

  • 异构网络互联
  • 拥塞控制
  • 差错检测（仅对IP数据报首部）

TCP/IP协议栈

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  • IP数据报 = 首部（固定部分+可变部分） + 数据部分
  • 重要的固定部分
  • 首部长度：4B为单位。由于首部长度一般为20B（不够时有填充部分），所以值常为5
  • 总长度：1B为单位。值=首部长+数据长；若数据报进行了分片，则值=首部总长+分片数据总长
  • 协议：TCP为6，UDP为17
  • 首部检验和
  • 源地址、目的地址
  • 标识：一个数据报只有一个标识，它所有分片的标识相同，使得可以正确组装IP数据报
  • 标志：MF=还有分片，DF=不能分片
  • 片偏移：以8B为单位。
  • 重要的可变部分
  • 填充部分：全0
1. IP数据包分片
  • 最大传送单元MTU：==链路层中MAC帧的数据部分==长度，即IP数据报长度（首部+数据部分），以太网中MTU=1500B
  • 当IP数据报支持分片（DF=0），且数据报长度>1500B时，则可以分片
  • 片偏移计算：假设此时MTU=1420B（题目没说就默认IP数据报首部为20B）
  • 若此时有一个数据报，总长度=3820B>MTU，问如何分片，并计算片偏移？
    1. 数据报3820B = 首部20B+数据，所以数据部分为3800B
    2. 分片a 1420B = 首部20B+数据1400B，(MF,DF)=(1,0)。由于从0B开始分片，所以片偏移=0
    3. 分片b 1420B = 首部20B+数据1400B，(MF,DF)=(1,0)。由于从1400B开始分片，所以片偏移=1400/8=175
    4. 分片c 1020B = 首部20B+数据1000B，(MF,DF)=(0,0)。由于从2800B开始分片，所以片偏移=2800/8=350
2. IP地址（基于ipv4协议）

  • 发展阶段：分类IP（有分类编址）->划分子网（加入子网号）->构成超网（无分类编址）

  • IP分类

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  • 本网的特殊IP地址：0代表全0，1代表全1

    • (网络号,主机号) = (0,0)，本网的地址，即默认网关
    • (网络号,主机号) = (0,特定值)，本网的特定主机地址（路由器转发匹配不通过时会进行匹配）
    • (网络号,主机号) = (1,1)，本网的广播地址

  • 特定网络的特殊IP地址：0代表全0，1代表全1

    • (网络号,主机号) = (特定值,0)，特定网络的地址
    • (网络号,主机号) = (特定值,1)，特定网络的广播地址

  • 本机的特殊IP地址：0代表全0，1代表全1

    • (网络号,主机号) = (127,非0非1)，本机环回地址

  • 局域网内的本地IP地址

  • A类：10开头
  • B类：172开头
  • C类：192开头
  • 由于本地IP地址在广域网中会重复，所以普通路由器一律不转发这类IP地址
  • 本地IP地址访问广域网需要路由器使用NAT技术，它至少有一个外部IP地址用于转换。

  • NAT技术：略

  • 划分子网与子网掩码：略

  • 无分类编址CIDR与构造超网

  • 取消分类和子网号，而是使用网络前缀：X.X.X.X/N
  • 将多个子网聚合为大的子网，叫做：构造超网或路由聚合
    • 方法：缩小网络前缀，直到刚好包含这几个子网
4. ARP协议和RARP协议
  • ARP：每台机器使用一个ARP高速缓存，建立IP地址->MAC地址的映射。
  • 若主机A向主机B发送一个IP数据报，而此时A的ARP cache没有关于B的内容
    1. A广播发送一个带有(B主机IP,A主机IP,A主机MAC)的ARP请求，但只有B会接收请求，使得B将A的映射加入ARP cache中
    2. B单播发送一个带有(B主机IP,B主机MAC)的ARP响应，使得A将B的映射加入ARP cache中
    3. 此时==A和B均拥有==对方的ARP映射
  • RARP：建立MAC地址->IP地址的映射，已经被DHCP协议所包含，此处略。
5.DHCP协议
  • 见应用层-DHCP协议
6. ICMP协议和IGMP协议
  • ICMP：略
  • 单播、多播、广播：略
  • IGMP：略

路由选择与分组转发

1. 分组转发

  • 目的：根据路由表创建转发表，通过转发表得到目标IP地址；然后结合ARP cache得到目标MAC地址，最终放入数据报中。

  • 转发表：匹配时使用，其内容为(目标的IP地址，下一跳路由器的IP地址)

  • 基于终点的转发

  • 直接交付：如果源与目的主机在一个网络下，那么就和路由器没关系，源主机直接转发给目的主机即可。

    • 查找方式：目的主机IP & 本网络子网掩码 == 本网络的网络号

    • 匹配交付：

    • 网络号时期（分类IP）：遍历路由表的每一项，查找：目的主机IP & 网络A的子网掩码 == 网络A的网络号

    • 网络前缀时期（CIDR）：按上一种匹配方式可能会匹配到多个结果，这时需要基于最长前缀匹配，因为前缀越长则网络范围越小；同时可以使用二叉线索树来优化查找。

    • 主机路由
    • 默认路由
    • 当匹配到下一跳IP后，还需要使用ARP cache转换成MAC地址，才能开始转发
2. 路由选择

  • 目的：确定最优路由，从而构建路由表

  • 自治系统AS：一个AS中的所有路由器必须连通

  • ==路由选择协议==概述

  • 不分层次（不基于AS）

  • 静态路由算法：手动维护路由表

  • 动态路由算法

    • 全局：OSPF
    • 局部：RIP

  • 分层次的协议（基于AS）

  • 内部网关协议（AS内）：IGP

  • 外部网关协议（AS间）：EGP

3. OSPF与RIP概述

  • OSPF：略

  • RIP：基于距离向量，最大优点是简单

  • 在路由表中添加“距离”项目，维护从自己到其他每一个目的网络的最短距离
  • RIP报文内容：(目的网络地址，距离，下一跳地址)
  • 每30s，路由器向相邻路由器发送RIP报文，其他路由器把RIP报文的距离+1，然后直接覆盖进路由表中
    • 如果RIP报文的距离比路由表中的长，则不覆盖
  • 若180s后还没有收到相邻路由器X的RIP，则把指向X的RIP报文中的距离，设为16（不可达）
4. IGP与EGP概述
  • IGP：略
  • EGP：略

网络层设备

  • 路由器

传输层

传输层的功能

  • 进程与进程的通信
  • 复用与分用
  • 复用：应用层的多个应用，都可以通过传输层的多个端口，再传输到一个网络层中。
  • 分用：一个网络层发送数据后，通过传输层的多个端口，传输到不同应用中。
  • 差错检测（对TCP/UDP报文部分，即对IP数据报的数据部分）

端口

  • 端口号
  • 服务端：熟知端口号（0~1023）；登记端口号

  • 客户端

  • 熟知端口号记忆：

  • TELNET:23

  • DNS:53

  • FTP:21 TFTP:69
  • SMTP:25 POP3:110

  • HTTP:80 HTTPS:443

  • DHCP(服务端):67 DHCP(客户端):68

  • SNMP:161 SNMP(trap):162

两大协议

1. TCP协议

  • 特点：可靠，面向连接，全双工通信，面向字节流

  • 连接管理

  • 三报文握手（建立连接）

  • 四报文握手（关闭连接）

  • 可靠传输

  • 累积确认、捎带确认与选择确认

  • 超时重传RTT、RTTs、RTTd、RTO

  • 流量控制

  • 拥塞控制

  • 发送窗口swnd = Min(接收窗口，拥塞窗口cwnd)

  • 慢开始(cwnd<=ssthresh)：每一个传输轮次后，cwnd+=cwnd。

  • 拥塞避免(cwnd>=ssthresh)：每一个传输轮次后，cwnd+=1。

  • 慢/快重传指明了超时的时间点

    • ”慢重传“(超时计时器超时)：超时计时器超时后，才开始重传。
    • 快重传(3-ACK)：一旦收到连续的3个重复确认，则一定有丢失，立即重传。

  • 慢/快恢复指明了超时之后，怎么去设置ssthresh和cwnd

    • ”慢恢复“(超时计时器超时)：ssthresh/=2，cwnd=1。

    • 快恢复(3-ACK)：ssthresh/=2，cwnd=ssthresh。

  • 过程1：初始->慢开始->拥塞避免==(超时)=>“慢重传”+”慢恢复“==>慢开始（因为此时cnwd<ssthresh）

  • 过程2：慢开始->拥塞避免==(3-ACK)=>快重传+快恢复==>拥塞避免（因为此时cnwd=ssthresh）
2. UDP协议
  • 特点：不可靠，无连接，时延小，适用于小文件
  • 可靠传输

应用层

网络应用模型

1. C/S
2. P2P

应用程序

1. DNS（域名解析系统）
  • 域名：根域名、顶级域名、一级域名...
  • DNS服务器：根域名、顶级域名、权限域名、本地域名服务器
  • 域名解析的两种方式：
  • 递归查询（靠别人）
  • 迭代查询（靠自己）
2. FTP（文件传输协议）
  • FTP过程
  • FTP客户端<=>FTP服务器端
  • 控制进程：端口21，会话时一直保持
  • 数据传输进程：默认端口20，传输数据时才开启。
    • 主动模式时，端口使用TCP 20端口
    • 被动模式时，端口由C和S端自行协商，使用熟知端口号（即端口号>1024）

  • FTP传输模式：文本模式、二进制传输模式

  • 两种协议：FTP协议、TFTP协议（简单文件传输协议）

  • 都基于C/S、使用TCP
3. Email
  • Email = 信封 + 内容(首部+主体)
  • Email过程
  • 发送：用户代理客户端A（STMP客户）=>邮件服务器A（STMP服务器）
  • 传输：邮件服务器A（STMP客户）=>邮件服务器B（STMP服务器）
  • 接收：邮件服务器B（POP3服务器）=>用户代理客户端B（POP3客户）
  • 四种协议：STMP协议（发，简单邮件传送协议）、POP3协议（收，邮局协议）、IMAP协议（收，网际报文存取协议）、MIME协议（编码，通用因特网邮件扩充协议）
  • 都基于C/S、使用TCP
  • STMP端口：25
  • POP3端口：110
4. WWW
  • URL
  • WWW过程：
  • 浏览器<=>WWW服务器端
  • 一种协议：HTTP协议（超文本传输协议）
  • 基于C/S、使用TCP==但是，HTTP协议无需建立连接==
  • HTTP端口：80
  • HTTP请求报文、HTTP响应报文
5. DHCP（动态主机配置协议）
6. SNMP（简单网络管理协议）
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