计算机网络体系结构
2021-08-20 22:13:21 11 举报AI智能生成
计算机网络体系结构
作者其他创作
大纲/内容
数据通信
资源共享
分布式处理
提高可靠性
负载均衡
功能
硬件
软件
协议
组成部分
边缘部分
核心部分
工作方式
实现数据通信
通信子网
现资源共享/数据处理
资源子网
功能组成
组成
交换技术
广域网 WAN
城域网 MAN
广播技术
局域网 LAN
个人区域网
分布范围
中国电信等
公用网
军队内部网等
专用网
使用者
电路交换
报文交换
分组交换
总线型
星型
环型
网状型
拓扑结构
广播式网络
点对点网络
传输技术
分类
互连的
自治的
概念
OSI
法定标准
TCP/IP
事实标准
标准
RFC四个阶段
ISO、ITU、IEEE、IETF
相关组织
标准化
数据传输率或比特率
速率
理论传输速率上限
带宽
某时间内链路实际的数据量
吞吐量
发送时延
传播时延
排队时延
处理时延
时延
传播时延 x 带宽
时延带宽积
传播时延*2 + 末端处理时间
往返时延 RTT
信道利用率
网络利用率
利用率
性能指标
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链数层
物理层
OSI 参考模型
物联网淑惠试用
HTTP、FTP、DNS
TCP、UDP
IP
网际层
Ethernet、ATM、Frame Relay
网络接口层
TCP/IP 模型
客户/服务器模型（Client/Server）
P2P模型（Peer-to-peer）
网络应用模型
实现域名到ip地址的转换
根域名服务器
顶级域名服务器
权限域名服务器
“本地连接”中的DNS地址，就是本地DNS (域名服务器)的地址
本地域名服务器
域名服务器
主机 向 本地域名服务器 的查询
递归查询
本地域名服务器 向 根域名服务器 的查询
迭代查询
域名解析过程
域名解析系统DNS
提供 不同种类主机系统 (硬、软件体系等都可以不同)之间的文件传输能力
控制连接 21
数据连接 20
文本模式: ASCII模式
二进制模式: Binary模式
传输模式
使用 TCP 实现可靠传输
FTP
适合 UDP 环境
TFTP
文件传输协议
TCP连接
C/S 网络应用模型
SMTP 25
TCP 连接
POP3 110
IMAP
POP3 IMAP
SMTP协议上的一种扩充
MIME
电子邮件
URL一般形式
C/S
HTML
WWW
无状态
存在本地、文本文件
Cookie
非流水线方式
HTTP/1.1 的 默认方式
流水线方式
持久连接
非持久连接
连接方式
请求报文
响应报文
类型
面向文本
ASCII码串
格式
HTTP报文
HTTP
万维网www和HTTP协议
提供 进程 和 进程 之间的逻辑通信
复用和分用
对收到的报文进行 差错检测
可靠，面向连接，时延大，适用于大文件
TCP
不可靠，无连接，时延小，适用于小文件
UDP
两个协议
SAP（服务访问点/接口）
端口
具体的数字标识；只有本地意义
端口号
FTP 21
TELNET 23
SMTP 25
DNS 53
TFTP 69
HTTP 80
SNMP 161
熟知端口号 0 ~ 1023
登记端口号 1024 ~ 49151
服务端
客户端 49152 ~ 65535
端口号范围
套接字Socket = ( 主机IP地址，端口号)
唯一标识了网络中的一个主机（IP地址）和它上面的一个进程（端口号）
套接字
寻址 与 端口
概述
无连接的
使用 最大努力交付，即 不保证可靠交付
面向报文，适合一次 少量数据
无拥塞控制，适合 实时应用
首部开销小，大小为 8B
特点
源端口号 2B
目的端口号 2B
UDP长度 2B
UDP校验和 2B
首部格式 8B
0字段
17字段
UDP长度
伪首部
校验
面向连接（虚连接）
点对点（无法用于广播或多播）
可靠有序，不丢不重
发送缓存
接收缓存
全双工通信
面向 字节流
源端口 2B
目的端 2B
序号seq 4B
确认号ack 4B
数据偏移(首部长度) 4位
URG=1时， 标明此报文段中有紧急数据
紧急位URG
确认位ACK
推送位PSH
复位RST
SYN=1时，连接请求报文 或 连接接受报文
同步位SYN
FIN=1时， 要求释放连接
终止位FIN
6个控制位
现在允许对方发送的数据量
窗口：2B
检验和：2B
紧急指针：2B
固定首部（20B）
最大报文段长度MSS
窗口扩大
时间戳
选择确认
选项（长度可变）
填充
首部格式 （单位4B）
SYN=1
seq=x
客户端 发送 连接请求
ACK=1
seq=y
ack=x+1
服务器端 返回 确认
SYN=0
seq=x+1
ack=y+1
客户端 返回确认的确认，可以 携带数据
设置SYN cookie
SYN洪泛攻击
三次握手
FIN=1
seq=u
客户端 发送 连接释放报文段
seq=v
ack=u+1
服务器端 回送一个 确认报文段
seq=w
服务器端 发完数据，就发出 连接释放报文段
seq=u+1
ack=w+1
等待2MSL，彻底关闭
客户端 回送一个 确认报文段
四次挥手
连接管理
序号
确认
重传
四种机制
发送窗口 SWND (Send Window)
接收窗口 RWND (Receiver Window)
拥塞窗口 CWND（Congestion Window）
GBN、SR协议
窗口和协议
可靠传输
利用 滑动窗口机制 实现流量控制
累计确认 + SR选择重传协议 + 动态调整接收窗口
持续计时器
流量控制
拥塞窗口最开始的初始值 1
指数规律增长
慢开始算法
拥塞时 窗口的一半
ssthresh值（慢开始限值）
线性增加
拥塞避免算法
乘法减少；降为初始值cwnd=1
网络拥塞
慢开始、 拥塞避免
收到 3个重复的冗余ACK
快重传
发生拥塞时，窗口降到新的ssthresh值
快恢复
线性增加 拥塞窗口
拥塞避免
快重传、 快恢复
四种算法
拥塞控制
路由选择与分组转发
异构网络互联
开环控制
闭环控制
独占资源
存储转发
无连接服务
可能发生乱序、重复与丢失
数据报方式
连接服务
数据报方式（体现在分组）和 电路交换方式（体现在建立连接）结合
通过虚电路顺序传送，不会乱序、重复或丢失
致命弱点：单点故障
虚电路方式
数据交换方式
一定要有
一种八片首饰
固定部分（20B）
可有可无
可变部分（0~40B）
首部
传输层的传输单元 报文段，含有TCP、UDP段
数据
以太网的MTU是1500字节
最大传送单元MTU
分片
IP数据报
全世界唯一 的 32位/4字节 标识符
网络号 + 主机号
网络号范围 1 ~ 126（去掉 0 和 127）
网络号占8位(1字节)，第一位必须为0
私有IP地址：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255共1个网段
A类
网络号范围 128~191
网络号占16位(2字节)，前两位必须为10
私有IP地址：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255共16个网段
B类
网络号范围 192~223
网络号占24位(3字节)，前三位必须为110
私有IP地址：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255共256个网段
C类
多播地址
网络号范围 224~239
前四位1110
D类
备用地址
网络号范围 240~255
前四位1111
E类
Network Address Translation
私有IP地址 与 外部IP地址 的转换
网络地址转换NAT
把主机号当中较高的位数作为子网号
网络号/子网号 全1
主机号 全0
子网掩码与IP地址逐位 相与，就得到子网网络地址
子网掩码
子网划分
无分类域间路由选择CIDR（Classless Inter-Domain Routing）
IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀(可以任意长度1 ~ 32)的位数
如：128.14.32.0/20：表示前20位是网络号(网络前缀)，后12位是主机号
将多个子网聚合成一个较大的子网，也叫路由聚合
构成超网
路由表可能得到几个匹配结果，应选择具有 最长网络前缀的路由
最长前缀匹配
子网号可以全0全1
无分类编址CIDR
IPv4地址
地址解析协议：Address Resolution Protocol
IP地址与MAC地址的映射
ARP高速缓存：10-20min更新一次
ARP协议
动态主机配置协议：Dynamic Host Configuration Protocol
动态获取IP地址
即插即用
地址重用
支持移动用户加入
在用地址续租
发现报文
提供报文
确认报文
流程
DHCP协议
互联网控制报文协议：Internet Control Message Protocol
为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会
差错(或异常)报告
网络探询
对 ICMP差错报告报文 不再发送ICMP差错报告报文
分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送，只发第一个
组播地址
特殊地址(如127.0.0.0环回地址或0.0.0.0本网内主机地址)
不应发送ICMP差错报文的情况
终点不可达
源点抑制（取消）
时间超过
参数问题
改变路由(重定向)
ICMP差错报文
测试目的站是否可达以及了解其相关状态
ping
回送请求 和 回答报文
用来进行时钟同步和测量时间
时间戳请求和回答报文
掩码地址请求和回答报文（不再使用）
路由器询问和通告报文（不再使用）
ICMP询问报文
报文种类
测试两个主机之间的连通性
使用了ICMP回送请求和回答报文
Ping
跟踪一个分组从源点到终点的路径
使用了ICMP时间超过差错报告报文
Traceroute
应用
ICMP协议
网际组管理协议：Internet group management protocol
在 一个路由器内部 所使用的协议
IGMP协议
在 多个路由器之间 进行路径选择的协议
目的是找出 以源主机为根节点的 组播转发树
组播路由选择协议
IGMP + 组播路由选择协议
重要协议
首部40B，首部单位8B
数据报
IPv6和IPv4
一般形式：冒号十六进制记法
全0字段用一个0表示
非全0字段省略掉前面的0，不管有几个
如：4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2176——4BF5:0:0:0:BA5F:39A:A:2176
常规压缩
一连串连续的0可以被一对冒号取代
双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次
如：FF05:0:0:0:0:0:0:B3——FF05::B3
零压缩
压缩形式
地址表示形式
一对一
单播
一对多
多播
一对多中的一个
任播
基本地址类型
双栈协议
隧道技术
IPv6向IPv4过渡的策略
IPv6
静态路由算法
链路状态路由算法 OSPF
距离向量路由算法 RIP
动态路由算法
路由算法
路由信息协议：Routing Information Protocol
一种分布式的基于 距离向量算法 的路由选择协议
记录最佳距离
最多15个路由；16表示不可达
距离
适用于小互联网
仅和 相邻路由器 交换信息
交换的信息是 自己的路由表
每30秒交换一次路由信息
路由交换细节
首部 + 路由部分，传递给传输层的UDP协议，作为UDP报文段的一部分
RIP是应用层协议
使用UDP传输数据
报文格式
慢收敛
RIP
开放最短路径优先OSPF(Open shortest path first)协议
使用 分布式 的 链路状态协议
适用于规模比较大的自治系统
使用 洪泛法（洪水泛滥）向自治系统内所有路由器发送信息
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
只有当链路 状态发生变化时，才进行交换
OSPF的交换细节
问候分组
描述分组
请求分组
更新分组
确认分组
OSPF的五个重要分组
每隔 30min，要刷新一次数据库中的链路状态
只涉及到与相邻路由器
收敛速度很快
其他特点
OSPF
内部网关协议IGP
边界网关协议 ：Border Gateway Protocol
与其他自治系统AS的 邻站BGP发言人 交换信息
BGP发言人之间交换的 网络可达性的信息
发生变化时 更新有变化的部分
交换细节
OPEN (打开)报文
UPDATE (更新)报文
KEEPALIVE(保活/确认存活)报文
NOTIFICATION (通知)报文
四种报文
BGP
外部网关协议EGP
路由选择协议
相关术语
通信过程
移动IP
构造路由表
更新路由表
维护路由表
路由选择处理机
路由选择
送往路由选择处理机
RIP/OSPF分组
查找转发表并输出
数据分组
分组转发
路由器
网络层设备
功能和概述
帧首部使用一个计数字段
字符计数法
ASCII码文件
转义字符ESC
非ASCII码文件
字符(节)填充法
开始和结束：01111110（6个1）
5“1” 1 “0”
零比特填充法
曼彻斯特编码中 高-高、低-低 表示起止
违规编码法
封装成帧 和 透明传输
随机噪声(热噪声) 全局
冲击噪声 局部
差错由噪声引起
帧错
奇偶校验码
CRC循环冗余码
检错
功能：可以 发现双比特错，只能 纠正单比特错
原理：牵一发而动全身
海明不等式
确定校验码位数
确定校验码和数据的位置
求出校验码的值
检错并纠错
工作流程
海明码
纠错
差错控制
位错/比特错
差错类型
数据的 准确传输
控制发送速率
滑动窗口 可以解决
三者关系
无差错
数据帧 丢失 或 出错
确认帧（ACK）丢失
确认帧（ACK）迟到
有差错
应用情况
简单！但信道利用率低
性能分析
信道利用率：U = ( L / C ) / T
信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率
信道利用率、吞吐量
停止-等待协议
发送窗口多个
接收窗口一个
滑动窗口
上层的调用
累积确认
收到了一个ACK
超时事件
发送方必响应的三件事
正确接收
错误接收
接收方要做的事
运行中的GBN
【1 ≤ W ≤ 2^n -1】n进制
发送窗口长度
只按顺序接收帧，不按序无情丢弃
确认序列号最大的、按序到达的帧
发送窗口最大为2^n-1，接收窗口大小为1
重点总结
优点：连续发送，比停-等协议信道利用率高
缺点：重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，传送效率降低
后退N帧协议（GBN）
接收窗口多个
ACK帧序号窗口内，标记为已接收
ACK帧序号为窗口下标，窗口右移
发送方必须响应的三件事
来者不拒；有缓存，失序的帧将被缓存
逐一确认 收一个确认一个
运行中的SR
接收窗口 + 发送窗口 不超过2^n：W_R + W_t <= 2^n
接收窗口的尺寸不应超过序号范围的一半：W_R <= 2^(n-1)
发送窗口长度 = 接收窗口长度 = 2^(n-1)
滑动窗口长度
对数据帧逐一确认，收一个确认一个
只重传出错帧
接收方有缓存
选择重传协议（SR）
滑动窗口协议
流量控制、可靠传输、滑动窗口
独占频率资源，互不影响
效率高，实现容易
类似操作系统的 “并行”
适合模拟信号
频分多路复用FDM
占用固定序号的时隙
类似操作系统的 “并发”
适合数字信号
按需动态分配时隙
统计时分复用STDM
改进型
时分多路复用TDM
光的频分多路复用
波分多路复用WDM
CDMA
码分多路复用CDM
多路复用
静态划分信道
不监听信道
不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。想发就发
纯ALOHA协议
控制想发就发的随意性
时隙ALOHA协议
ALOHA协议
载波监听 多路访问 协议CSMA (carrier sense multiple access)
发送前监听
如有冲突；等待随机时长再监听
直接传输
信道空闲
一直监听
信道忙
监听
优点：信道利用率高
缺点：冲突就不可避免
1-坚持CSMA
等待随机时长再监听
优点：减少冲突发生的可能性
缺点：可能都在延迟等待，信道使用率降低
非坚持CSMA
如有冲突：坚持把数据帧发送完
以p概率直接传输；1-p概率等待到下一个时间槽再传输
优点：减少冲突，提高信道利用率
缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费
p-坚持CSMA
CSMA协议
CS：载波侦听/监听 carrier sense
MA：多点接入 multiple access
CD：碰撞检测 collision detection
载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD
边发送边监听
传播时延对监听的影响
重传次数 = min[重传次数，10]
重传退避时间
重传超16次，丢弃
截断二进制指数规避算法
碰撞后的重传时机
最小帧长：以太网64Byte
适用于总线型以太网
CSMA/CD协议
CA：碰撞避免 collision avoidance
载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA
先听后发，发前再等
适用于无线局域网
CSMA/CA协议
随机访问 （有冲突）
优点：既不产生冲突，发送时又占全部带宽
轮询/令牌开销
等待延迟
单点故障
缺点
轮询协议
常用于负载较重、通信量较大的网络中
令牌环网局域网
令牌传递协议
轮询访问
动态划分信道
介质访问控制（MAC）
广播式
共享公共通信信道
地理范围较小
数据传输速率高
以太网
树型
双绞线
同轴电缆
光纤
有线局域网
电磁波
无线局域网
传输介质
常用于总线型局域网，例如以太网，也用于树型网络
常用于总线型局域网，也用于树型网络
令牌总线传递协议
环形局域网
令牌环传递协议
介质访问控制方法
应用最广泛
造价低廉
逻辑上总线型，物理上星型
V2
IEEE802.3系列标准规范
两个标准
无连接 不可靠的服务
粗缆
细缆
非屏蔽双绞线 UTP：unshielded twisted pair
传输速率：10Mb/s
10BASE-T
适配器 与 MAC地址
目的地址（6B）
源地址（6B）
类型（2B）
数据：长度46B~1500B
FCS（4B）
IEEE802.3
MAC帧的格式
速率 >= 100Mb/s
高速以太网
明日黄花
令牌环网
物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构
FDDI网
较新型的单元交换技术，使用53字节固定长度的单元进行交换
ATM网
采用ІЕЕЕ802.11标准
802.11 MAC帧头格式
有固定基础设施
无固定基础设施
无线局域网WLAN
IEEE 802.3
简记：五环
IEEE 802.5
光纤技术
IEEE 802.8
IEEE 802.11
IEEE802标准
Logical Link Control
逻辑链路层LLC子层
Media Access Control
介质访问控制MAC子层
MAC子层 和 LLC子层
局域网
覆盖物理层、链路层、网络层
点对点
强调数据共享
使用最广泛的数据链路层协议
只支持全双工链路
面向字节
简单：对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制
封装成帧
透明传输
多种网络层协议
多种类型链路：串行/并行， 同步/异步，电/光....
差错检测
检测连接状态
最大传送单元
网络层地址协商
数据压缩协商
应满足的要求
不支持多点线路
无需满足的要求
一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法
链路控制协议LCP
网络控制协议NCP
三个组成部分
16进制表示为7E，二进制表示为01111110
1字节
F（标志字段/帧定界符）
A（地址字段）
C（控制字段）
标识信息部分是什么
2字节
协议字段
首部（地址字段）
不超过1500字节
信息部分
FCS
尾部
帧格式
PPP协议
高级数据链路控制(High-Level Data Link Control 或简称 HDLC)
面向比特bit
透明传输，0比特插入法
CRC检验
主站
从站
复合站
HDLC的站
HDLC协议
都只支持全双工链路
都可以实现透明传输
都可以实现差错检测，但不纠正差错
相同点
PPP 面向字节；HDLC 面向比特
PPP 有2节字的协议字段；HDLC 没有协议字段
PPP 无序号和确认机制；HDLC 有序号和确认机制
PPP 不可靠；HDLC 可靠
不同点
二者比较
广域网
光纤传输
主干集线器
物理层扩展以太网
透明网桥
源路由网桥
网桥
直通式交换机
存储转发式交换机
交换机 （多接口网桥）
网桥、交换机都可隔离冲突域、但不隔离广播域
冲突域 和 广播域
链路层扩展以太网
链路层设备
数据链路层
解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况等
机械特性
电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
电气特性
指明某条线上出现的某一电平表示何种意义
功能特性
工作规程和时序关系
规程特性
四种特性
码元、速率、波特、带宽
数据、信号、信道、信源、信宿
术语
单工
半双工
全双工
通信方式
串行
并行
数据传输方式
模拟信号、数字信号
基带信号、宽带信号
信号
非归零编码
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码
归零编码
反向不归零编码
4B/5B编码
数字数据 编码为 数字信号
抽样
量化
编码
模拟数据 编码为 数字信号
数字数据 调制为 模拟信号
模拟数据 调制为 模拟信号
调制
编码与调制
数据通信基础知识
极限码元传输速率 = 2W Baud
极限数据传输速率 = 2W log (2)V (b/s)
奈氏准则
极限数据传输速率 = W log (2)(1 + S/N) (b/s)
香农定理
两个定理
屏蔽双绞线
非屏蔽双绞线
基带同轴电缆
宽带同轴电缆
单模光纤
多模多纤
导向性
无线电波
微波
红外线、激光
非导向性
中继器
傻瓜式：既不能隔离冲突域，也不能隔离广播域
集线器(多口中继器)
设备
五层模型
体系结构与参考模型
计算机网络
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