《计算机网络——自顶向下方法》读书笔记——数据链路层、Web页面请求流程和加密算法

1、链路层概述

    链路层主体是网卡，屏蔽了不同的物理层实现，将网络层的数据报传输到相邻的节点。

    提供成帧、链路接入（MAC协议）、可靠交付、差错检测和纠正等服务。

    差错检测和纠正包括（1）奇偶检校，检查1的个数，二位奇偶检校可以纠正单个比特差错（2）检验和（3）循环冗余检测

 

2、多路访问链路和协议

    协调多个发送/接收点对一个共享广播信道的访问，避免碰撞，有如下几种协议：

    （1）信道划分协议：时分、频分、码分等

    （2）随机接入协议：碰撞后，重发该帧前等待一个随机时延

    例如CSMA载波侦听多路访问协议，节点在传播前先侦听信道，直到检测到一小段时间内没有信号传输，然后再开始传输，如果检测到碰撞就停止传输，继续侦听。

    （3）轮流协议：【1】轮询协议，有一个主节点，轮询每个节点    【2】令牌传递协议，无主节点

 

3、MAC地址，ARP和RARP协议

    MAC地址是6字节16进制48位的，形如FF-FF-FF-FF-FF-FF，是网卡的地址（网络适配器）。目的MAC地址是下一跳的MAC地址，每经过一个路由器，源和目的MAC地址都会改变。

    为什么同时要有IP和MAC地址？理论上也可以只使用IP地址转发（三层交换机），同时使用IP和MAC地址有利于分层，网络层不一定使用IP协议，链路层也不一定使用以太网协议。

    MAC地址绑定硬件，而IP地址不是，当硬件离开子网A进入子网B，会根据DHCP协议被分配一个新IP，子网的IP前缀一致，便于管理。

    交换机有一张表，存储MAC地址和通向该地址的接口号。交换机具有自学习的功能，对于进入的帧，存储它的源MAC地址和进入的接口号（如果表中原先没有该MAC地址的话）。

    

    ARP：地址解析协议，提供IP-MAC地址的转换。ARP只为同一个子网上的主机和路由器接口解析IP地址，每台主机或路由器保存ARP表，表项有IP地址、MAC地址、TTL。如果目的IP不在表中，则广播询问子网内的节点。

    RARP提供MAC-IP地址的转换。

 

4、交换机和网桥（链路层设备），中继器和集线器（物理层设备）

    交换机和网桥：都有帧转发、帧过滤、生成树算法的功能；交换机有更多的输入输出端口。

                                         

    中继器和集线器：都是在比特级别对信号进行再生和重定向，延长传输距离，集线器端口更多。

 

5、Web页面请求的历程

    （1）如果没有IP地址，DHCP获得IP地址

    生成DHCP请求报文，放入UDP报文段，放入目的地址255.255.255.255和源地址0.0.0.0的IP数据报中，放入目的MAC地址FF:FF:FF:FF:FF:FF和源MAC地址的以太网帧（链路层帧）中。

    DHCP服务器收到请求，生成包含DHCP服务器分配的IP地址、DNS服务器IP地址、默认网关、子网掩码的ACK报文，放入UDP报文段，放入IP数据报和以太网帧（包括源MAC地址和客户MAC地址），源MAC地址是路由器连到归属网络的MAC地址。

    （2）生成DNS查询报文，有查询缓存则利用查询缓存（浏览器缓存和DNS服务器缓存），放入UDP报文段，放入IP数据报，目的IP是本地DNS服务器的IP。

    如果不知道本地DNS服务器的MAC地址，使用ARP协议。生成ARP查询报文，放在目的地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF的以太网帧中，包含了默认网关路由器的IP地址，网关路由器发送ARP回答，客户获得网关路由器的MAC地址。

    将生成的DNS查询报文放入以太网帧，交付给网关路由器。

    （3）网关路由器寻址到DNS服务器

    网关路由器抽取IP数据报，检查目的IP地址，根据转发表确定转出的接口，转发表已根据域内路由协议（RIP，OSPF）和域间路由协议（BGP）确定好了，最终报文到达DNS服务器，服务器返回目的网址的IP地址。

    主机向本地DNS服务器是递归查询，本地DNS服务器向上层DNS服务器是迭代查询。

    （4）TCP和HTTP

    生成HTTP请求报文，根据目的IP生成TCP套接字，三次握手，客户发送SYN，根据路由器的转发表转发，到达欢迎套接字，生成连接套接字，返回SYN&ACK报文，客户端再返回ACK报文，附上生成的HTTP请求报文，最终服务器返回HTTP响应。

 

6、加密算法

    对称加密（单密钥加密）：使用同一密钥加密解密，有点是算法公开，计算量小，加密速度快，加密效率高，缺点是必须事先协商密钥，每对用户都要维护唯一密钥，数量巨大。

    RSA（非对称加密）：（1）选择两个大素数p，q，p*q为1024比特数量级

    （2）n=pq，z=（p-1）（q-1）

    （3）选择一个数e<n，e、z互质

    （4）选择d使得ed mod z = 1，公钥为（n，e），私钥为（n，d），明文报文m加密为c = m^e mod n，解密时利用了数论的知识，m = c^d mod n

    c^d mod n = m^ed mod n = m ^ (ed mod z) mod n = m

 

    MD5：将信息位数填充到512的整数倍，分组进行位运算，输出32位16进制（128位）的结果。