计算机网络

计算机网络体系结构

计算机网络概述

计算机网络的概念

计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合

计算机网络的组成

物理组成

包括硬件、软件、协议三大部分

1. 硬件：由主机、通信处理机、通信线路和交换设备组成
2. 软件：主要包括实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件
3. 协议：数据在线路上传输需要遵循一定的规则

工作方式组成

可分为边缘部分和核心部分

功能组成

可分为通信子网和资源子网两部分

计算机网络的功能

计算机网络的分类

计算机网络主要性能指标

时延

1. 发送时延，也称为传输时延
   主机或路由器发送数据帧所需要的时间
   发送时延 = 数据帧长度 (bit) / 发送速率 (bit/s)
2. 传播时延
   传播时延 = 信道长度 (m) / 电磁波在信道上的传播速度 （m/s)
3. 处理时延
4. 排队时延

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

时延带宽积

又称为以比特为单位的链路长度
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

往返时间

从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认消息总共经历的时间

利用率

包括信道利用率和网络利用率

计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络分层结构

协议

接口

又称为服务访问点，从物理层开始每一层都向上层提供服务访问点，没有接口就不能提供服务

服务

指下层为相邻上层提供的功能调用

ISO/OSI参考模型和TCP/IP参考模型

1. 5层结构的总结

2. OSI参考模型和TCP/IP模型的区别

TCP/IP模型是4层模型(应用层、传输层、网络层、网络接口层)

TCP/IP模型的网络层提供的是无连接不可靠的数据报服务

物理层

通信基础

信号

信号：数据的电气或电磁的表现，数据是传送信息的实体

信源、信道及信宿

速率、波特及码元

波特率：表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数(也可称为脉冲个数或者信号变化的次数)，单位是波特(Baud)，1波特表示数字通信系统每秒传输1个码元
比特率：表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数，即比特数，单位为bit/s
正常情况下，每比特只能表示两种信号变化(0或1)，可看成二进制。但是一个码元仅携带一个比特数据率很低，所以通过一些手段将信号的变化次数增加，从而让一个码元携带更多的比特。例如增加到16种信号变化(可看成十六进制)，那么需要4bit(log₂16 = 4)来表示，此时一个码元携带了4bit

带宽

传统定义：通信线路允许通过的信号频带范围，就是允许通过的最高频率减去最低频率
但是在计算机网络中，带宽是用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力

奈奎斯特定理

1. 采样定理 假设原始信号中最大频率为f，那么采样频率f_采样必须大于或等于最大频率f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息
2. 奈奎斯特定理 怎么寻找在保证不出现码间串扰的条件下码元传输速率的最大值？奈奎斯特在采样定理和无噪声的基础上，提出了奈奎斯特定理：
   C_max=f_采样*log₂N=2f * log₂N (bit/s)
   其中f表示理想低通信道的带宽；N表示每个码元的离散电平的数目
   奈奎斯特定理仅给出了在无噪声情况下码元的最大传输速率(2f)，并没有给出最大数据传输率，只要N足够大，最大数据传输速率C_max就可以无穷大

香农定理

信噪比(dB)=10log₁₀(S/N) (dB)
引入信噪比之后可得出香农公式为
C_max=W*log₂(1+S/N) (bit/s)
W为信道的带宽，想要提高最大数据传输速率，应该设法提高带宽或者信噪比

编码与调制

1. 调制
   数字数据调制为模拟信号：带通调制、基带调制
2. 编码
   数字数据编码为数字信号
   非归零码(NRZ):用低电平表示0，高电平表示1
   曼彻斯特编码：将每个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1，码元0正好相反
   差分曼彻斯特编码：若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反

数据传输方式

1. 电路交换
   电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路
2. 报文交换
   数据交换的单位是报文，报文携带有目的地址、源地址等信息，在交换节点采用存储转发的传输方式
3. 分组交换
   分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组逐个地发送出去

数据报与虚电路

数据报

1. 发送分组前无需建立连接
2. 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，有可能丢失
3. 在具有多个分组的报文中，交换机尚未接受完第二个分组，已经收到的第一个分组就可以转发出去，不仅减小了延迟，而且大大提高了吞吐量
4. 当某一台交换机或一段链路故障时，可相应地更新转发表，寻找到另一条替代路径转发分组，对故障适应能力强
5. 发送方和接收方不独占某一链路，资源利用率高

虚电路

1. 用户之间必须建立通信连接，数据传输过程中不再需要寻找路径，相对数据包方式时延较小
2. 通常分组走同样的路径，所以分组一定是按序到达目的主机的
3. 分组首部并不包含目的地址，而是包含虚电路标识符，相对数据报方式开销小
4. 当某个交换机或某条链路出现故障彻底失效时，所有经过该交换机或该链路的虚电路将遭到破坏

注：数据报服务和虚电路服务都由网络层提供

传输介质

传输介质分类

导向型传输介质：包含双绞线、同轴电缆和光纤

物理层设备

中继器

放大器放大的是模拟信号，中继器放大的是数字信号

集线器

集线器不能隔离冲突域

数据链路层

数据链路层的功能

1. 链路管理：负责数据链路的建立、维持和释放，主要用于面向连接的服务
2. 帧同步：接收方确定收到的比特流中一帧的开始位置与结束位置
3. 差错控制：用于使接收方确定接收到的数据就是由发送发送的数据
4. 透明传输：不管数据是什么样的比特组合都应当能在链路上传送

组帧

组帧的优点：如果出错只需发送出错的帧即可

1. 字符计数法
2. 字节填充的首尾界符法
3. 比特填充的首尾标志法
4. 物理编码违例法

注：在使用字节填充的首尾界符法时，并不是所有形式的帧都需要帧开始符和帧结束符

差错控制

检错编码

1. 奇偶校验码
   在信息码后面加一位校验码，分奇校验和偶校验
   奇校验：添加一位校验码后，使得整个码字里面1的个数是奇数。接收端收到数据后就校验数据里1的个数，若检测到奇数个1，则认为传输没有出错；若检测到偶数个1，则说明传输过程中，数据发生了改变，要求重发
   偶校验：添加一位校验码后，使得整个码字里面1的个数是偶数。接收端收到数据后就校验数据里1的个数，若检测到偶数个1，则认为传输没有出错；若检测到奇数个1，则说明传输过程中，数据发生了改变，要求重发

2. 循环冗余码
   学会二进制除法即可 ◎ 示例

纠错编码

海明码：在信息字段中插入若干位数据用于监督码字里的哪一位数据发生了变化，具有一位纠错能力

具体求解步骤如下：

1. 确定校验码的位数r
2. 确定校验码的位置
3. 确定数据的位置
4. 求出校验位的值

流量控制与可靠传输机制

流量控制

1. 停止-等待流量控制
   发送方发出一帧，然后等待应答信号到达再发送下一帧；接收方每收到一帧后，返回一个应答信号，表示可以接收下一帧
2. 滑动窗口流量控制
   在任意时刻，发送方都维持了一组连续的允许发送的帧序号，称为发送窗口。同时接收方也维持了一组连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样，甚至大小也可以不同。发送方窗口内的序列号代表了已经被发送但是还没有被确认的帧，或者是可以被发送的帧。发送端每收到一个帧的确认，发送窗口就向前滑动一个帧的位置。当发送窗口尺寸达到最大尺寸时，发送方会强行关闭网络层，直到出现一个空闲缓冲区。在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下，并将窗口前移一个位置。若接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。 ◎ 滑动窗口流量控制的发送窗口

可靠传输机制

总结可靠传输与无差错接收的区别
解析：在数据链路层若仅仅使用了循环冗余码检验差错检测技术，只能做到对帧的无差错接收，接收端虽然收到了帧，但最终还是因为有差错被丢弃，即没有被接收

滑动窗口机制

• 只有在接收窗口向前滑动时，发送窗口才有可能向前滑动
• 可靠传输机制包括3种协议只是在发送窗口和接收窗口大小上有所差别
  停止-等待协议：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1
  后退N帧协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小=1
  选择重传协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小>1
• 当接收窗口的大小为1时，一定可保证帧按序接收

停止-等待协议

基本思想：发送方传输一个帧后，必须等待对方的确认才能发送下一帧。若在规定时间内没有收到确认，则发送方超时，并重传原始帧

出现的差错主要有以下两类：

1. 第一类错误就是数据帧被损坏或者丢失
   处理数据帧被损坏的情况时，使用计时器即可解决。发送方在发送一个帧后，若数据能够被正确地接收到，则接收方就发送一个确认帧；若接收方收到的是一个被损坏的数据帧，则直接丢弃，只要计时器超过了发送方就会重新发送该数据帧，重复直至数据帧无错误地到达接收方为止
2. 第二类错误是确认帧被破坏或者丢失
   解决方法就是让发送方在每个待发的帧头部加一个编号，而接收方对每个到达的帧的编号进行识别，判断是新帧还是要抛弃的重复帧

后退N帧(GBN)协议

基本原理：发送方发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧，如果这时收到了接收方的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。如果某个帧出错了，接收方只能简单地丢弃该帧及其所有的后续帧。发送方超时后需要重发该出错帧及其后续的所有帧

选择重传(SR)协议

基本思想：若一帧出错，则其后续帧先存入接收方的缓冲区中，同时要求发送方重传出错帧，一旦收到重传帧后，就和原先存在缓冲区的其余帧一起按正确的顺序送至主机

介质访问控制

介质访问控制分类

1. 信道划分
2. 随机访问
3. 轮询访问 1是静态分配信道的方法，2、3是动态分配信道的方法

信道划分介质访问控制

1. 频分多路复用
2. 时分多路复用
3. 波分多路复用
4. 码分多路复用

随机访问介质访问控制

1. ALOHA协议
   当网络中的任何一个节点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。如果在一段时间内没有收到确认，该节点就认为传输过程中发生了冲突。发生冲突的节点需要等待一段随机时间后再发送数据，直至发送成功为止。
2. CSMA协议
   载波侦听多路访问（CSMA）协议是在 ALOHA 协议的基础上改进而来的一种多路访问控制协议。在CSMA中，每个节点发送数据之前都使用载波侦听技术来判定通信信道是否空闲。常用的CSMA有以下3种策略。

• 1-坚持 CSMA:当发送节点监听到信道空闲时，立即发送数据，否则继续监听。
• p-坚持 CSMA:当发送节点监听到信道空闲时，以概率p发送数据，以概率1-p延迟一段时间并重新监听。
• 非坚持CSMA:当发送节点一旦监听到信道空闲时，立即发送数据，否则延迟一段随机的时间再重新监听。

3. CSMA/CD协议
   CSMA/CD全称为带冲突检测的载波侦听多路访问协议，它是在局域网中被广泛应用的介质访问控制协议。
   CSMA/CD 工作流程:每个站在发送数据之前要先检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，若有，则暂时不发送数据，以免发生冲突;若没有，则发送数据。计算机在发送数据的同时检测信道上是否有冲突发生，若有，则采用截断二进制指数类型退避算法来等待一段随机时间后再次重发。总体来说，可概括为“先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”。

   在二进制指数后退算法中，N次碰撞之后，站点会在0~M之间选择一个随机数，分以下3类情况讨论。

   1. 当1≤N≤10时，M=2N-1
   2. 当1≤N≤10时，M=2N-1
   3. 当N=16时，直接丢弃，并给计算机发送一个错误报告

   注意:二进制指数后退算法解决了站点检测到冲突后继续等待的时间问题

4. CSMA/CA协议
   CSMA/CA主要用在无线局域网中，由IEEE 802.11标准定义，它在 CSMA 的基础上增加了冲突避免的功能。冲突避免要求每个节点在发送数据之前监听信道。如果信道空闲，则发送数据。发送节点在发送完一个帧后，必须等待一段时间(称为帧间间隔)，检查接收方是否发回帧的确认。若收到确认，则表明无冲突发生;若在规定时间内没有收到确认，表明出现冲突，重发该帧。

局域网

局域网的基本概念与体系结构

1. 局域网最主要的特点
2. 局域网的主要优点
3. 局域网的主要技术要素
4. 局域网的主要拓扑结构
5. 局域网的主要传输介质
6. 局域网的主要介质访问控制方法

以太网的工作原理

以太网采用总线拓扑结构，所有计算机都共享一条总线，信息以广播方式发送。为了保证数据通信的方便性和可靠性，以太网使用了CSMA/CD技术对总线进行访问控制。考虑到局域网信道质量好，以太网采取了以下两项重要的措施以使通信更加简便

1. 采用无连接的工作方式
2. 不对发送的数据帧进行编号，也不要求对发送方发送确认

因此以太网提供的服务是不可靠的服务,即尽最大努力交付,差错的纠正由传输层的TCP完成

以太网的MAC帧

局域网中的每台计算机都有一个唯一的号码，称为MAC 地址或物理地址、硬件地址。每块网卡出厂即被赋予一个全球唯一的MAC地址,它被固化在网卡的ROM中,共48bit(6B)

以太网的传输介质

传统以太网可使用的传输介质有4种，即粗缆、细缆、双绞线和光纤。对应的，MAC层下面给出了这4种传输介质的物理层，即10Base5（粗缆)、10Base2(细缆)、10Base-T(双绞线）和10Base-F(光纤)。其中，Base是指电缆上的信号为基带信号，采用曼彻斯特编码;Base前面的10表示数据传输速率为10Mbit/s;Base后面的5或2表示每一段电缆最长为500m或200m(实为185m);T表示双绞线，F表示光纤。

广域网

广域网的基本概念

PPP

1. PPP是一个面向字节的协议
2. PPP不需要的功能:纠错（PPP只负责检错)、流量控制（由TCP负责)、序号(PPP是不可靠传输协议，所以不需要对帧进行编号)、多点线路(PPP是点对点的通信方式)、半双工或单工（PPP只支持全双工链路）

HDLC协议

高级数据链路控制（HDLC）协议是ISO制定的面向比特(PPP是面向字节的，这个要记住）的数据链路控制协议。它可适用于链路的两种基本配置:非平衡配置和平衡配置

数据链路层设备

网桥的概念和基本原理

在数据链路层扩展局域网使用的是网桥。网桥工作在数据链路层，其特点是具有过滤帧的功能。网桥至少有两个端口，每个端口与一个网段相连。网桥每从一个端口接收到一个帧，就先暂存到缓存中。若该帧未出现差错，且欲发往的目的站MAC地址属于另一个网段（同一个网段无需转发，应该丢弃)，则通过查找转发表，将该帧从对应的端口发出。因此，仅在同一个网段中通信的帧，不会被网桥转发到另一个网段中，因而不会加重整个网络的负担。

以太网交换机及其工作原理

以太网交换机实质上是多端口网桥，它工作在数据链路层。以太网交换机的每个端口都直接与主机或集线器相连，并且一般都工作在全双工方式。当主机需要通信时，交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据，通信完成后断开连接。

各层设备的广播域、冲突域及总结

网络层

网络层的功能

异构网络互连

将网络互联起来需要一些中间设备，根据中继系统所在的层次，有以下4种不同的中继系统。

1. 物理层：中继器或集线器
2. 数据链路层：网桥或交换机
3. 网络层：路由器
4. 网络层以上：网关

路由与转发

路由器的主要功能包括路由选择（确定哪一条路径）与分组转发(当一个分组到达时所采用的动作)。根据所需性能要求，可以采用适当的路由算法来构造路由表进行路由选择。不仅如此，该路由表还会根据从各相邻路由器所得到的关于整个网络的拓扑变化情况，动态地改变所选择的路由，以便得到最佳路由

1. 路由选择:根据路由算法确定一个进来的分组应该被传送到哪一条输出路线上。如果子网内部使用数据报，那么对每一个进来的分组都要重新选择路径。如果子网内部使用虚电路，那么只有当创建一个新的虚电路时，才需要确定路由路径
2. 分组转发:路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去

注意:路由表是根据路由选择算法得出的，而转发表是从路由表得出的

拥塞控制

1. 开环控制
2. 闭环控制

路由算法

静态路由与动态路由

静态路由特点是简单和开销小，但不能及时适应网络状态的变化
动态路由特点是较好地适应网络状态的变化，分为两种基本类型：距离-向量路由算法和链路状态路由算法

距离-向量路由算法

在距离-向量路由算法中，所有的节点都定期地将它们整个路由选择表传送给所有与之直接相邻的节点。这种路由选择表包含每条路径的目的地（另一节点）和路径的代价（距离)

链路状态路由算法

链路状态路由算法要求每个参与该算法的节点都有完全的网络拓扑信息，它们执行下述两项任务

1. 主动测试所有邻接节点的状态，两个共享一条链接的节点是相邻节点，它们连接到同一条链路
2. 定期地将链路状态传播给所有其他节点（或称为路由节点)

层次路由

因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统，每个自治系统有权自主地决定本系统内应采用何种路由选择协议
因特网把路由选择协议分为两大类

1. 一个自治系统内部所使用的路由选择协议称为内部网关协议（IGP)，具体的协议有RIP和OSPF等
2. 自治系统之间使用的路由选择协议称为外部网关协议（EGP)，主要在不同自治系统的路由器之间交换路由信息，并负责为分组在不同自治系统之间选择最优的路径，具体的协议有BGP

IPv4

IPv4分组

IPv4地址

1. IPv4地址的分类
   A类地址：网络号为前面8位，第一位规定为0，每个A类网络上的最大主机是2²⁴-2
   B类地址：网络号为前面16位，前两位规定为10，每个B类网络上的最大主机是2¹⁶-2
   C类地址：网络号为前面24位，前三位规定为110，每个C类网络上的最大主机是2⁸-2
2. 6种特殊地址

NAT

NAT 就是将专用网内部使用的本地IP地址转换成有效的外部全球IP地址，使得整个专用网只需要一个全球IP地址就可以与因特网连通

子网划分与子网掩码

1. 子网划分
   划分子网的基本思路:从主机号借用若干个比特作为子网号，而主机号也就相应减少了若干个比特，网络号不变。于是三级的IP地址可记为
   IP地址::={<网络号>，<子网号>，<主机号>}

2. 子网掩码
   子网掩码是一个与P地址相对应的32位的二进制串，它由一串1和0组成。其中，1对应于P地址中的网络号和子网号，0对应于主机号。因为1对1进行与操作，结果为1;1对0进行与操作，结果为0

CIDR

无分类编址（CIDR）是为解决IP地址耗尽而提出的一种措施

1. CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间。CIDR使用各种长度的“网络前缀”来代替分类地址中的网络号和子网号。于是，IP地址又从三级编址回到了两级编址，其地址格式为 IP地址::-{<网络前缀>，<主机号>}
   为了区分网络前缀，通常采用“斜线记法”(又称CIDR记法)，即IP地址/网络前缀所占位数
2. 将网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”。一个CIDR地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合(也称构成超网)，它使得路由表中的一个项目可以表示很多个原来传统分类地址的路由，因此可以缩短路由表，减小路由器之间选择信息的交换，从而提高网络性能

ARP

在每个主机中都有一个ARP高速缓存，里面存放的是所在局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表，ARP的职责就是动态地维护该表。

当源主机欲向本局域网上的某个目标主机发送IP分组时，应先在其ARP高速缓存中查看有无目标主机的IP地址。如果有，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。如果没有，则先通过广播ARP请求分组，在获得目标主机的ARP响应分组后，将目标主机的硬件地址写入ARP 高速缓存，建立目标主机的P地址到硬件地址的映射关系。

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题的。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络，剩下的工作就由下一个网络来做。

ARP请求分组是广播送的，ARP响应分组是普通的单播，即从一个源地址发送到一个目的地址

DHCP

动态主机配置协议（DHCP）常用于给主机动态地分配P地址

DHCP是应用层协议，DHCP报文使用 UDP传输

ICMP

ICMP报文分为两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文

ICMP差错报告报文的分类

1. 终点不可达。当路由器或主机不能交付数据报时，就向源点发送终点不可达报文。
2. 源站抑制。当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。
3. 时间超过。当IP分组的TTL值被减为0后，路由器除了要丢弃该分组外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。
4. 参数问题。当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文（现在一般都不发)。
5. 改变路由（重定向)。路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给其他的路由器（比当前更好的路由)。

ICMP询问报文的分类

1. 有回送请求和回答报文
2. 时间戳请求和回答报文
3. 掩码地址请求和回答报文
4. 路由器询问和通告报文

路由协议

路由选择协议分类

1. 内部网关协议(IGP)
2. 外部网关协议(EGP)

RIP

RIP认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少，即“距离短”。RIP 允许一条路径最多只能包含15个路由器。“距离”的最大值为16时即相当于不可达。可见，RIP只适用于小型互联网。RIP不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP选择一个具有最少路由器的路由（最短路由)，哪怕还存在另一条高速（低时延）但路由器较多的路由

RIP的三要点:

1. 仅和相邻路由器交换信息
2. 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表
3. 按固定的时间间隔（如每隔30s）交换路由信息

OSPF

OSPF协议的三要点:

1. 向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法
2. 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息
3. “链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻以及该链路的“度量”(metric)。只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息

BGP

边界网关协议（BGP）是在不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议
边界网关协议只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能转圈)，而并非要寻找一条最佳路由

总结

网络层设备

路由器的组成与功能

路由器工作在网络层，实质上是一种多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是连接不同的网络转发分组

路由选择：确定数据报走那一条路径，即路由器根据不同的算法生成动态的路由表

分组转发：路由器根据转发表将用户的IP数据从合适的端口报转发出去

传输层

传输层提供的服务

传输层的功能

传输层为两台主机提供了应用进程之间的通信，又称为端到端通信
传输层的功能如下:

1. 提供应用进程间的逻辑通信(网络层提供主机之间的逻辑通信)
2. 差错检测
3. 提供无连接或面向连接的服务
4. 复用和分用

传输层寻址与端口

1. 端口的基本概念
   端口就是用来标识应用层的进程
   软件端口与硬件端口的区别:硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口(如交换机和路由器的端口),而软件端口是应用层的各种协议进程与传输实体进行层间交互的一种地址
2. 端口号
   由于同一时刻一台主机上会有大量的网络应用进程在运行，所以需要有大量的端口号来标识不同的进程
3. 套接字
   套接字 = (主机IP地址，端口号)

无连接服务与面向连接服务

传输层提供了两种类型的服务:无连接服务和面向连接服务，相应的实现分别是用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP)。当采用TCP时，传输层向上提供的是一条全双工的可靠的逻辑信道;当采用UDP时，传输层向上提供的是一条不可靠的逻辑信道。

UDP的主要特点

1. 传送数据前无须建立连接，数据到达后也无须确认
2. 不可靠交付
3. 报文头部短，传输开销小，时延较短

TCP的主要特点

1. 面向连接，不提供广播或多播服务
2. 可靠交付
3. 报文段头部长，传输开销大

TCP

TCP连接管理

TCP传输连接的建立采用“三次握手”的方法

第一步:客户机A的TCP向服务器B发出连接请求报文段，其首部中的同步位SYN=1(TCP 规定，SYN报文段不能携带数据，但要消耗一个序号)，并选择序号 seq=x，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是x。

第二步:服务器收到了数据报，并从SYN位为1知道这是一个建立连接的请求。如果同意，则发回确认。B在确认报文段中应使SYN=1，ACK=1，其确认号ack=x+1，自己选择的序号seq=y。注意，此时该报文段也不能携带数据(助记:因为有SYN=1，所以不能带数据)。

第三步:A收到此报文段后向B给出确认，其ACK=1，确认号ack=y+1。A的TCP通知上层应用进程，连接已经建立。B的TCP收到主机A的确认后，也通知其上层应用进程，此时TCP连接已经建立，ACK报文可以携带数据（没有SYN 字段)，如果不携带数据则不消耗序号。

释放传输连接
第一步:数据传输结束后，通信双方都可释放连接。现在A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接。A将连接释放报文段首部的FIN置1，其序号 seq=u，等待B的确认。这里要注意，因为TCP是双工的，也就是说，可以想象一对TCP连接上有两条数据通路。当发送FIN报文时，发送FIN的一端就不能发送数据，也就是关闭了其中一条数据通路，但是对方还是可以发送数据的。

第二步:如图5-9所示，B发出确认，确认号ack=u+1，而这个报文段自己的序号seq=v。TCP服务器进程通知高层应用进程。从A到B这个方向的连接就释放了，TCP连接处于半关闭状态。B若发送数据，则A仍要接收。

第三步:若B已经没有要向A发送的数据，其应用进程就通知TCP释放连接。

第四步:A收到连接释放报文段后，必须发出确认。在确认报文段中，ACK=1，确认号ack=w+1，自己的序号seq=u+1。

TCP可靠传输

1. TCP数据编号与确认
   TCP是面向字节的。TCP将所要传送的报文看成是字节组成的数据流，并使每一个字节对应于一个序号。在连接建立时，双方要商定初始序号。TCP每次发送的报文段的首部中的序号字段数值表示该报文段中的数据部分的第一个字节的序号。
   TCP 的确认是对接收到的数据的最高序号表示确认。接收端返回的确认号是已收到的数据的最高序号加1。因此，确认号表示接收端期望下次收到的数据中的第一个数据字节的序号。

2. TCP的重传机制 TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到了规定时间还没有收到确认，那么就要重传该报文段。

RTT=(1-α)×(旧的 RTT)+α×(新的往返时延样本)

TCP拥塞控制的基本概念

拥塞控制与流量控制的性质对比:

1. 拥塞控制所要做的只有一个目的，就是使得网络能够承受现有的网络负荷。
2. 拥塞控制是一个全局性的过程，涉及所有的主机、所有的路由器以及与降低网络传输性能有关的所有因素。
3. 流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。
4. 流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。
5. 拥塞控制是很难设计的，因为它是一个动态的（而不是静态的）问题。
6. 当前网络正朝着高速化的方向发展，这很容易出现缓存不够大而造成分组的丢失。但分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。
7. 在许多情况下，正是拥塞控制本身成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因，这点应特别引起重视。

拥塞控制又分为闭环控制和开环控制

拥塞控制的4种算法

发送端的主机在确定发送报文段的速率时，既要根据接收端的接收能力，又要从全局考虑不要使网络发生拥塞。因此，TCP要求发送端维护以下两个窗口。

1. 接收端窗口rwnd:接收端根据其目前接收缓存大小所许诺的最新的窗口值，反映了接收端的容量。由接收端将其放在TCP报文的首部的窗口字段通知发送端，如图5-14所示。
2. 拥塞窗口cwnd:发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值，反映了网络的当前容量。

发送端发送窗口的上限值应当取接收端窗口rwnd和拥塞窗口cwnd这两个变量中较小的一个，即应按以下公式确定:
发送窗口的上限值=Min [rwnd，cwnd]

慢开始算法的原理

1. 在主机刚刚开始发送报文段时可先设置拥塞窗口 cwnd=1，即设置为一个最大报文段长度MSS的数值
2. 在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口加1，即增加一个MSS的数值
3. 用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口 cwnd，可以使分组注入到网络的速率更加合理

拥塞避免算法的原理
为防止拥塞窗口 cwnd的增长引起网络阻塞，还需要一个状态变量，即慢开始门限ssthresh，其用法如下:
当cwnd<ssthresh时，使用慢开始算法
当cwnd>ssthresh时，停止使用慢开始算法，改用拥塞避免算法
当cwnd=ssthresh 时，既可以使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法

快重传算法

快恢复算法

应用层

网络应用模型

1. 客户/服务器模型(C/S模型)
2. P2P模型

DNS系统

DNS系统的概念

从概念上可以将DNS分为3个部分:层次域名空间、域名服务器、解析器

层次域名空间

级别最低的域名写在最左边，而级别最高的顶级域名写在最右边

域名服务器

1. 根域名服务器
2. 顶级域名服务器
3. 权限域名服务器
4. 本地域名服务器

FTP

FTP客户机和服务器间传递 FTP命令时，使用的连接是建立在TCP之上的控制连接

WWW

WWW的概念和组成结构

一个大规模的、联机式的信息储藏所
wwW使用统一资源定位符（URL）来标志wwW上的各种文档。URL 的一般格式为
<协议>://<主机>:<端口号>/<路径>

HTTP

超文本传送协议（HTTP）是在客户程序（如浏览器）与www服务器程序之间进行交互所使用的协议。HTTP是面向事务的应用层协议，它使用TCP连接进行可靠传输，服务器默认监听在80端口。