計算機網絡學習筆記

時間 2020-05-19

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計算機網絡筆記

朝花夕拾，簡要回顧一下計算機網絡課程。html

計算機網絡筆記

概論

文章收藏

計算機網絡基礎知識前端

計算機網絡常見面試題面試

爲什麼要進行三次握手和四次揮手算法

產生和發展

美國國防部 -> ARPANET -> MILNET(軍事), ARPANET -> NSFNET數據庫

遠程聯機系統 50s -> 60s
前端處理機FEP，調制解調器M，終端控制器TC，主機，終端T
服務器
計算機-計算機網絡 60s ->70s
通訊子網(路由器和線路)，資源子網（服務器和主機）缺點：沒法任意互聯，拓展性差
網絡
開放式標準化網絡 80s -> now
統一的網絡體系結構：OSI，CCITT，TCP/IP架構

計算機網絡定義

參考定義：將若干臺具備獨立功能的計算機系統，用某種或多種通訊介質鏈接起來，經過完善的網絡協議，在數據交換的基礎上，實現網絡資源共享的系統稱爲計算機網絡。socket

網絡協議和網絡體系結構

網絡協議

一整套通訊規程，包括規定要交換的數據格式、控制信息的格式和控制功能、通訊過程當中事件執行的次序等。可能涉及到：tcp

物理傳輸介質
數據編碼
收/發端同步
數據傳輸單元格式
控制通訊方向
路由選擇
差錯控制
流量控制
數據加密，如何加密

網絡體系結構

真正的物理通訊老是發生在除物理層。除物理層外，其他各對等層實體間都是進行虛擬通訊。
通訊必須在對等層進行，不容許交差通訊。
虛擬通訊是一種邏輯通訊，其意義在於：
1. 設計本層協議時，不受其餘層協議的內部實現影響。
2. 經過層間接口調用低層提供的服務，只要得到低層足夠支持，虛擬通訊就能得以實現。
n-1層爲n層提供服務。n層直接使用n-1層提供的服務，間接使用n-2, n-3, …… 層提供的服務。

OSI參考模型

OSI參考模型各層功能

物理層 完成原始數據位流在物理介質上傳輸，而無論位流的信息含義。
數據鏈路層 完成數據幀在相鄰的結點間無差錯傳輸。
網絡層 完成報文分組在源/目的結點之間傳輸。
傳輸層 完成報文段在源/目的主機進程之間的透明傳輸。

網絡通訊↑ 數據處理↓

會話層 進行會話管理，包括通訊方向控制（單工，半雙工，全雙工）
表示層 數據格式轉化、數據加密/解密、數據壓縮/解壓。
應用層 爲用戶提供各類網絡服務，包括文件，電子郵件，數據庫，WWW，DNS等。

Internet參考模型

兩個核心協議：TCP和IP，故此模型也稱爲TCP/IP協議。

(Internet和OSI的參考模型比較)

應用層對應OSI的應用層，表示層和會話層。主要包括：FTP, SMTP, TELNET, DNS, HTTP 等
傳輸層：TCP(傳輸控制協議Transmission control protocol)
, UDP(用戶數據報協議User Datagram protocol )
互聯網層大致對應OSI的網絡層，爲IP協議。將IP分組以數據報方式從源主機發送到目的主機。
子網層對應物理層和數據鏈路層：802.3, PPP, 802.5, 千兆百兆以太網等

物理層（中繼器、集線器）

數據通訊基礎

通訊系統模型

graph TD A[信源] -->B[變換器] B --> |發送端| C[信道] C --> |接收端| D[反變換器] D -->E[信宿]

模擬通訊與數字通訊
信道, 兩個重要參數：帶寬(Hz)，誤碼率(bps)
帶寬與數據率的關係
1.奈奎斯特（無噪聲信道）C = 2Hlog2L
2.香農定理（有噪聲信道，L不受限）C =Hlog2(1+S/N)
(C：數據率，H：帶寬，L：數字信號的離散取值數，S/N：信噪比)
波特率：每秒傳輸的碼元的數目 C=Blog2L (B爲波特率)
誤碼率：P = Ne/N
信道通訊方向：單工，半雙工，雙工
數字信號的編碼 e.g. 非歸零，曼切斯特，差分曼切斯特
調製（調幅，調頻，調相），解調（採樣，量化，編碼）。
數據同步方式：字符同步和位同步
多路複用：頻分複用，時分複用

物理層協議

物理層協議實質上是通訊接口標準
涉及內容：機械，功能，規格，電氣特性

數據鏈路層（交換機）

數據幀是傳送單位
做用：物理地址尋址、數據的成幀、流量控制、數據的檢錯、重發等。

差錯控制

傳輸差錯的特徵
- 緣由：熱噪聲（持續性，小幅度），衝擊噪聲（大幅度，突發性）
- 差錯控制方法：經過特殊的編碼使接收端可以發現甚至糾錯
- 檢錯碼，糾錯碼
編碼效率、檢錯和糾錯
- 碼字：信息位，校驗位（冗餘）
- 碼距：兩個碼字的不一樣位數個數
- 海明距離：兩個碼字之間的最小距離
- 編碼效率：R=m/n=m/(m+r)
- 檢測d位錯，海明距離d+1;糾正d位錯，海明2d+1
海明碼
循環冗餘碼CRC
其餘編碼：奇偶校驗碼

流量控制

停-等協議：發一幀後等應答
滑動窗口協議：連續發送若干後再等待應答
順序接受管道協議（回退N）：接受窗口尺寸爲1的滑動窗口協議，某幀丟失後其後所有丟棄並返回否定。
選擇接收管道協議

上述協議均可看做滑動窗口協議，差異在於窗口尺寸的不一樣

窗口尺寸的限制：
Wt>=Wr, Wt+Wr<=2^m (幀序號的位數爲m)

網絡層（路由器）

實現兩個主機系統之間的數據透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、鏈接的創建、保持和終止等

電路交換和分組交換

電路交換(起源電話)
創建電路，傳輸數據，拆除電路
分組交換
報文，分組（分組序列源地址目的地址分組類型控制信息長度數據）化整爲零存儲轉發 複用鏈路

虛電路和數據報

虛電路
通訊前發送方和接收方之間必須創建鏈接（虛電路），因此虛電路是面向鏈接的網絡服務。

虛電路只是一種邏輯電路，而不是真正的物理電路。報文分組在虛電路上傳輸不像再物理線路上那樣中暢通無阻。而是要中間節點的存儲轉發。

一條鏈路上容許創建多個虛電路。

一旦虛電路創建完畢，本地通訊的全部分組必須通過該虛電路進行。所以，虛電路可以保證分組的順序接收。

僅當創建虛電路時須要源/目的結點地址，數據分組需分配一個虛電路號而無須源/目的結點地址。

數據報
數據報無需創建鏈接，每一個報文分組攜帶完整的源/目的地址，獨立的選擇路徑，經過同的路徑到達目的主機

無需創建鏈接就可傳輸報文分組，所以數據報稱爲無鏈接網絡服務。
不一樣的報文分組能夠經過不一樣的路由到達目的主機，先發出的分組未必先，所以數據報服務不能保證報文分組順序接收。
每一個報文分組攜帶完整的源/目的地址，獨立的選擇路徑

	數據報子網	虛電路子網
延時	分組傳輸延時	電路創建，分組傳輸延時
路由選擇	每一個分組單獨選擇路由	創建虛電路時選擇路由，之後全部分組都使用該路由
狀態信息	子網無需保存狀態信息	每一個結點要保存一張虛電路表
地址	每一個分組包括源和目的的完整地址	每一個分組含有一個短的虛電路號
結點失敗的影響	除了在崩潰時正在該結點處理的分組都丟失外，無其餘影響	全部通過失效結點的虛電路都要被終止
擁塞控制	難	若是有足夠的緩衝區分配給已經創建的虛電路，則容易控制

路由選擇

路由選擇：根據某種策略（靜態、動態），選擇一條最佳的路徑到達目的主機，對路由器而言，路由選擇實質上是選擇最佳輸出端口。
虛電路：一次路由選擇
數據報：每一個分組要進行路由選擇

擴散法（洪泛法）
當結點收到一個分組後，把該分組向除進來的鏈路外的全部其餘鏈路轉發，結果至少有一個分組以最快的速度到達目的結點。
問題：產生大量重複分組解決：設置下一跳字段每次減小
固定式路由選擇
每一個結點保存一張固定的路由表，當某一分組到達時，根據分組的目的結點，在路由表中找到其對應的輸出鏈路，而後來分組從該鏈路轉發出去。
最佳路由選擇算法
- 通常採用最短路徑算法。
- "費用」的含義很是普遍，能夠是距離、平均通訊量、延遲、下跳數等。
- 將網絡當作連通圖，每條鏈路以其「費用」爲權值，經過Dijkstra最短路徑算法求出任意兩個結點之間的最短距離。
  動態策略：根據當前拓撲結構和流量的變化來動態改變路由，又稱爲自適應路由
孤立路由算法
- 熱土豆算法（與固定路由算法混合使用）
- 逆向自學習（好消息靈敏，壞消息能夠設置時間刪除未刷新記錄）
集中路由算法
分佈路由算法
- 距離向量（D-V算法）:每一個結點都保存一張路由表，路由表包括三個主要字段，即目的地址，最短距離、最佳輸出鏈路。與固定路由選擇不一樣的是：相鄰結點之間按期交換路由信息（如每隔十秒），並根據最新路由信息，刷新路由表。
- 鏈路狀態路由選擇（L-S算法）:按期廣播路由信息並根據最新信息刷新路由表。發現鄰居節點，測量鏈路開銷，產生鏈路狀態分組。對網絡反應迅速

	D-V	L-S
交換路由信息	按期	網絡拓撲結構發生改變（或按期）
路由更新	緩慢	迅速
適用範圍	小規模，變化緩慢的網絡	大規模，變化較激烈的網絡

IP協議

IP協議是Internet體系結構的核心協議，已成爲鏈接異構網絡的工業標準。
IP提供無鏈接的數據報服務，每一個IP分組長度≤64K字節，不能保證分組可靠的，按序到達，這些留給高層協議解決。
IP協議須要路由協議ICMP，ARP，RARP等協議支持
ARP: 根據IP地址獲取物理地址

地址

host-id爲零的IP地址表示該網絡自己
回送地址：127.0.0.0-127.255.255.254爲回送地址。
0.0.0.0：表明的是本主機地址，任何一臺主機均可以其表示本身,僅在系統啓動時會使用，啓動完成後再也不使用。
255.255.255.255：受限廣播地址，廣播範圍爲主機所在的網絡。全部網關都不會向外廣播。
保留地址：10.0.0.0 172.16~172.31 192.168.0.0~192.158.255.0

子網的規模與借用主機字段的位數有關。借用位數越多，子網規模越大。
採用子網掩碼來分離網絡號和主機號

ip尋址：每一個路由器中都保存一張路由表（不管是靜態仍是動態）。路由表的主要項目有兩個：網絡號、下一跳地址（最佳輸出鏈路）。

其餘協議

網際控制報文協議 ICMP
差錯報告，詢問報文 ping TTL

地址解析協議ARP
是將IP地址轉化成MAC，有存則發送，沒有則發送ARP請求找相應的MAC地址。

RARP與ARP相反，知道MAC不知道IP。

傳輸層（網關）

在計算機網絡中，傳輸層處於很是重要的位置。傳輸層，也稱爲運輸層，不管在OIS仍是在TCP/IP模型中，傳輸層都處於面向應用部分的最低層和麪向通訊部分的最高層。（承上啓下）進程間通訊

網絡邊緣：主機、存儲、服務器、數據庫
網絡核心：路由器、鏈路

主要功能：爲運行在網絡邊緣的不同主機上的各應用程序之間提供通訊服務；在應用層和網絡層之間充當複用器的做用。各類各樣的網絡應用，經過傳輸層的端口被提交統一的網絡層，並由IP協議用統一的方式將它們發送到網絡中。

提供的服務

面向鏈接的服務（TCP）FTP,Telnet 可靠開銷大
面向無鏈接的服務（UDP）SNMP,DNS 不提供可靠交付

端口與地址
進程標識符X，利用協議端口（軟件端口）。
熟知端口：0~1023
登記端口號：1024~49151
客戶端口號，短暫端口號：49152~65535

傳輸服務訪問點：當兩個不一樣主機的兩個進程須要通訊時，必須指明對方是哪個進程，這個標記稱爲傳輸層地址，也稱爲傳輸服務訪問點（TSAP）
傳輸層地址（TSAP） = 主機IP地址+端口號
e.g. 192.168.10.1:80

套接字：爲了使應用程序可以方便地使用協議棧軟件進行通訊的一種方法。{協議，本地地址，本地端口，遠程地址，遠程端口} 上聯應用，下聯網絡協議棧。

流式套接字（stream socket）：提供面向鏈接、可靠的數據傳輸服務，數據無差錯、無重複的發送，且按發送順序接收。內設流量控制，避免數據流超限；數據被看做是字節流，無長度限制。

數據報式套接字（Datagram socket）：提供無鏈接服務。數據包以獨立包形式發送，不提供無差錯保證，數據可能丟失或重複，而且接收順序混亂。

原始套接字（Raw Socket）：字容許對較低層次的協議，如IP、ICMP直接訪問，用於檢驗新的協議的實現。

用戶數據報協議（UDP）

UDP 只在 IP 的數據報服務之上增長了不多一點的功能，即端口的功能和差錯檢測的功能。

UDP是無鏈接協議，在發送數據以前不須要創建鏈接。不保證可靠交付，同時也不使用擁塞控制。
UDP是面向報文，沒有擁塞控制，很適合多媒體通訊的要求。
UDP支持一對1、一對多、多對一和多對多的交互通訊。
UDP 的首部開銷小，只有 8 個字節。
發送方 UDP 對應用程序交下來的報文，在添加首部後就向下交付 IP 層。
UDP 對應用層交下來的報文，既不合並，也不拆分，而是保留這些報文的邊界。
應用層交給 UDP 多長的報文，UDP 就照樣發送，即一次發送一個報文。
接收方 UDP 對 IP 層交上來的 UDP 用戶數據報，在去除首部後就原封不動地交付上層的應用進程，一次交付一個完整的報文。
應用程序必須選擇合適大小的報文。

傳輸控制協議（TCP）

是一種面向鏈接的、可靠的、基於字節流的傳輸層通訊協議。

TCP 是面向鏈接的傳輸層協議。
每一條 TCP 鏈接只能有兩個端點(endpoint)，每一條 TCP 鏈接只能是點對點的（一對一）。
TCP 提供可靠交付的服務。
TCP 提供全雙工通訊。
面向字節流。

TCP的鏈接

TCP把鏈接做爲最基本的抽象。
每一條TCP 鏈接有兩個端點。
TCP鏈接的端點叫作套接字(socket)或插口。
端口號拼接到(contatenated with) IP 地址即構成了套接字
{(IP1: port1), (IP2: port2)}
鏈接的三個階段：鏈接創建、數據傳送、鏈接釋放

爲什麼要進行三次握手和三次揮手
鏈接須要三次握手

客戶端→服務器。客戶端向服務器提出鏈接創建請求，即發出同步請求報文。
客戶端←服務器。服務器收到客戶端的鏈接請求後，向客戶端發出贊成創建鏈接的同步確認報文。
客戶端→服務器。客戶端在收到服務器的同步確認報文後，向服務器發出確認報文。
目的：同步雙方的序列號和確認號並交換TCP窗口大小；讓雙方都證明對方能收到

鏈接的釋放 四次揮手

客戶端→服務器。客戶端向服務器發出一個鏈接釋放報文。
客戶端←服務器。服務器收到客戶端的釋放鏈接請求後，向客戶端發出確認報文。
此時客戶端再也不發送數據(僅響應報文)給服務器，僅接收報文。（半關閉狀態）
客戶端←服務器。服務器在發送完最後的數據後，向客戶端發出鏈接釋放確認報文。
客戶端→服務器。客戶端在收到服務器鏈接釋放報文後，向服務器發出確認報文。
- 發送後客戶端再等 2*MSL （若是服務器沒收到最後的ACK 服務器會再請求一次等待2MSL確保服務器收到了） 1MSL時間留給最後的ACK確認報文段到達服務器端，1MSL時間留給服務器端再次發送的FIN。
- 收到後服務器CLOSED