计算机网络小结(谢希仁 著)

本文概述了互联网的发展历程,从单个网络到全球互联网的三级结构,介绍了关键技术如客户/服务器、分组交换、网络协议三要素以及数据链路层和物理层的细节。此外,文章还涵盖了性能指标、信道理论、网络层服务、路由选择协议和网络地址转换等关键概念。

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概述
  1. 互联网两个重要基本特征:连通性、共享

  2. 互联网发展的三个阶段:

    • 第一阶段:从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。这个阶段只是一个单个的分组交换网。所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的节点交换机相连。
    • 第二阶段:三级结构的互联网。三级计算机网络分为主干网,地区网和校园网。希望实现连接到互联网的所有用户都可以相互通信。
    • 第三阶段:全球范围的多层次ISP结构的互联网。NSFNET逐渐被商用的互联网主干网替代,政府机构不在负责互联网的运营,取而代之的时互联网提供者ISP(互联网服务提供商)。
  3. 互联网的组成

    • 边缘部分

      • 客户/服务器
      • p2p:类似于客户/服务器模式,不过p2p中每一个主机既是客户端,也是服务器。
    • 核心部分

      • 电路交换:在进行通信前必须建立一个连接,可以理解为面向连接的服务方式。
      • 分组交换:将要发送的一整个数据块划分为若干个小块,同时加上首部,形成一个个分组
  4. 计算机网络中的性能指标:

    • 速率:在信道中实际的传输速率

    • 带宽:在信道中最大的传输速率

    • 吞吐量:在规定时间内传输的数据量

    • 时延-

      • 发送时延:信号源发送数据的速度,用数据长度除以数据率。
      • 传输时延:数据在信道中的传输速度,用信道长度除以介质的传播速率。
    • 时延带宽积:可以理解为在持续传输数据、最大传输速率保留在信道中的数据量,传播时延*带宽。

    • 往返时间:A向B发送数据后,B要返回一个响应,收到这个响应所需要的时间,传播时延*2。

    • 利用率:信道的利用率。信道的利用率越高,网络的响应时延越长。其中D表示实际时延,D0D_0D0表示空闲信道的时延,U表示信道的利用率。
      D=D01−U D = \frac{D_0}{1-U} D=1UD0

  5. 网络协议的三要素

    • 语法:规定数据和控制信息的结构与格式。
    • 语义:解释每个控制信息每个部分的意义。
    • 同步:对事件实现的先后顺序的详细说明。
  6. 五层协议的体系结构

    • 应用层
    • 运输层:TCP和UDP
    • 网络层:数据层面和协议层面
    • 数据链路层:点对点和广播信道
    • 物理层:
  7. 体系结构是指各层及其协议的集合。

物理层
  1. 信号可分为:

    • 连续信号
    • 离散信号:使用码元进行表示
  2. 信道可以分为:

    • 单向信道:只能发送消息。
    • 半双工信道:既能发送消息,又能接收消息。
    • 全双工信道:同上,不过可以同时进行,可以理解为建立了两个信道。
  3. 调制可以分为:

    • 编码(变换之后仍然时基带信号):常见的是曼切斯特编码,编码之后码元是归零编码的两倍
    • 带通调制:将低频信号转换为高频信号,方便在信道中进行传输。
  4. 信道的极限容量:

    • 奈氏准则:带宽为 WWW HZ的低通信道,码元传输速率最大为2W。

    • 信噪比:信号的功率和噪音的功率之比,信噪比越大越好。
      SN \frac{S}{N} NS

    • 香农公式的极限传输速率:极限传输速率收到带宽和信噪比的影响。
      C=W∗log⁡2(1+SN) C = W * \log_{2}({1+\frac{S}{N}}) C=Wlog2(1+NS)

  5. 传输媒体:

    • 引导型传输媒体:
      • 双绞线
      • 同轴电缆
      • 光缆
    • 非引导型传输媒体:
  6. 信道复用技术:

    • 频分复用:将各路信号在相同的时间占用不同的带宽。

    • 时分复用:将各路信号在不同的时间占用相同的带宽。

    • 波分复用:在单一光纤中同时传输多种不同波长的光信号

    • 码分复用:当码分共享信道被多个地址占用时,每个地址的码分序列都不相同,并且正交。码分序列中0表示为-1,1表示为1.
      不同的码分序列:S∗T=0相同的码分序列:S∗S=1码分序列及其反码:S∗S‾=−1 不同的码分序列:S * T = 0\\ 相同的码分序列:S * S = 1\\ 码分序列及其反码:S * \overline{S} = -1 不同的码分序列:ST=0相同的码分序列:SS=1码分序列及其反码:SS=1

数据链路层
  1. 数据链路层的信道:

    • 点对点信道
    • 广播信道
  2. 数据链路:一条物理链路 + 一些通信协议

  3. 帧:数据链路层的协议数据单元。

  4. 数据链路层的三个问题:

    • 封装成帧:将网络层传下来的数据加上特定的首部和尾部,形成帧。
    • 透明传输:在传输的过程中使用转义字符对定界符进行转换。
    • 差错检测:使用循环冗余码来对数据部分进行检测。先确定除数(n),在数据部分后面加上n-1个0,然后除以除数,将余数(n-1)加在数据部分后面一起进行传输。
  5. PPP协议:用于计算机和ISP通信时所使用的数据链路层协议。

    • 差错检测方法:

      • 字节填充:将7E改为7D 5E,将7D改为7D 5D。
      • 比特填充:在连续出现5次的1后面加上0。这是因为7E的比特数表示为01111110。
    • 帧的格式:将IP数据报作为数据部分,加上8字节的首部和尾部。信息部分的长度不超过1500字节,所以一个ppp帧的长度不超过1508个字节。

F(7E)AC协议IP数据报FCSF(7E)
  1. CSMA/CD协议:用于广播信道。所有主机不管想要发送数据之前还是发送数据之中,每个站都要不断地检测信道。

    • 最短帧长:512bit/64字节。长度小于64字节的帧直接丢弃。

    • 阶段二进制避让:在 2n2^n2n 个数字中随机选取一个数字重新发送数据。

    • 最短争用期:51.2us

    • 信道利用率:我们使用传播时延 τ\tauτ 和发送时延 T0T_0T0 的比值(a)来表示信道利用率(S)。值得注意的是a和S应该是成反比的关系。
      a=τT0Smax=T0T0+τ=11+a因此a越小,代表信道的利用率越高,因为我们希望把时间放在发送数据上面 a= \frac{\tau}{T_0}\\ S_{max} = \frac{T_0}{T_0+\tau} = \frac{1}{1+a}\\ 因此a越小,代表信道的利用率越高,因为我们希望把时间放在发送数据上面 a=T0τSmax=T0+τT0=1+a1因此a越小,代表信道的利用率越高,因为我们希望把时间放在发送数据上面

    • MAC帧:MAC地址存放在ROM中,全球唯一。在IP数据报加上18个字节的首部和尾部。在物理层传送时还需要就加上8字节的前同步码和帧定界符。

      • MAC帧判断为无效帧的情况:
        1. 帧的长度不是整数字节
        2. FCS有问题
        3. MAC帧的数据长度不位于[64,1518]之间。
      • MAC帧的格式
      目的地址源地址类型IP数据报FCS
  2. 在物理层扩展以太网:使用集线器将多个集线器连接,不过这样会使得最大吞吐量减小;并且不同带宽的集线器不能连在一起。

  3. 在数据链路层扩展以太网

    • 使用以太网交换机进行扩展
      • 以太网交换机的自学习功能:现在交换机的转发表中寻找目的地址端口,若没有则进行广播,若有则直接指定端口发送消息。
    • 使用网桥进行扩展:
      • 网桥类似于交换机,不过无论如何都会直接发送到网桥中,然后网桥再根据是否有目的地址的端口决定是否转发。
网络层
  1. 网络层要设计得尽量简单,向其上层值提供简单灵活的无连接的,尽最大努力交付的数据报服务。

  2. 网络层的两种服务:

    • 虚电路服务:连接的服务方式。所传送的分组不出错、丢失、重复和失序(不按序列到达终点),也保证分组传送的时限,缺点是路由器复杂,网络成本高。
    • 数据报服务:无连接的服务方式。无网络资源障碍,尽力而为。
  3. 网络层的两个层面:

    • 数据层面:传送数据。
    • 控制层面:传送路由信息。
  4. 中间设备:

    • 集线器,转发器(物理层)
    • 交换机、网桥、桥接器(数据链路层)
    • 路由器(网络层)
    • 网关(网络层以上)
  5. 电脑中有一个转发表:用于存放同一局域网上其他主机的信息

  6. 分类的IP地址:

    • A类地址:1-127
    • B类地址:128-191
    • C类地址:192-223
    • D类地址:224-239
    • E类地址:240-255
  7. 无分类编码方式:使用"斜线记法",也可以使用掩码方式确定网络号。得到一个网络号之后我们可以进一步使用掩码来进行子网的划分。

  8. 一个路由器至少连接到两个网络,至少有两个不同的IP地址。

  9. ARP协议:将IP地址转换为MAC地址。

  10. 每台主机都有ARP高速缓存:若ARP中有记录,直接发送,没有则广播发送ARP请求分组(为了得到目的地址的MAC地址)

  11. IP数据报:首部固定20字节,首部后面是可选字段。首部最长为60字节。

    • 总长度:
    • 标识:
      • MF:“还有分片”,若为1表示后面还有分片。
      • DF:“不能分片”,若为0表示分片。
    • 片偏移:以8字节为单位,计算在原始数据的偏移量。
    • 协议:
      • ip(4)
      • TCP(6)
      • UDP(17)
      • 首部检验和:检验首部是否正确。
  12. IP层转发分组的方式:找到网络号进行转发分组

    • 最长前缀匹配:
    • 二叉线索查找转发表:根据转发表中已有的IP地址,得到每一个IP地址的唯一前缀,根据唯一前缀来构造二叉树。当查找某一个IP地址时,IP地址位于叶子节点则查找成功,否则不在转发表中。
  13. ICMP报文:当IP数据报出错时,会发送ICMP报文。ICMP报文作为IP数据报的数据部分进行发送。

    • ICMP差错报文:
    首部ICMP的前八字节出错的IP数据报首部出错的IP数据报数据字段前八字节
    • ICMP询问报文:
  14. IPv6使用冒号进行零压缩,使用16进制表示。

  15. IPv4—>IPv6:

    • 双协议栈:部分主机同时装上两个协议栈。
    • 隧道技术:将IPv6数据报作为IPv4数据报的数据部分进行传送,其中协议字段设置为41。
  16. 路由选择协议:

    • 自治系统内部:
      • RIP协议:
        1. 将收到的RIP数据下一跳改为X,同时距离+1。
        2. 查看路由表,若没有,则直接加入到路由表中;若有,原始路由表中的下一跳为X,则直接修改,否则判断距离在进行选择。
      • OSPF协议:向所有路由器发送相邻的路由器链路状态。使用层次结构搭建区域划分:
        1. 主干部分
        2. 区域边界
        3. 自治系统边界
    • 自治系统间:
      • BGP协议:BGP路由 = “前缀,AS-PATH,NEXT-HOP”
  17. 硬件多播:使用硬件进行广播。源地址为MAC地址前25位,后23位为IP地址的后23位。

  18. VPN:在一个专用网络号中,可以有私网IP地址。也就是说在不同的网络号中,私网IP地址是可以相同的。

  19. NAT:将私网IP地址转换为公网IP地址,向外界进行通信。

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