计算机网络：408考研｜湖科大教书匠｜原理参考模型II｜学习笔记

系列目录

计算机网络总纲领
 计算机网络特殊考点
 计算机网络原理参考模型I
计算机网络原理参考模型II

系列目录
更新日志
前言
[应用层(Application Layer)](#应用层(Application Layer))
- 一、应用层概述
- 二、客户/服务器方式和对等方式
- [三、动态主机配置协议(DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol)](#三、动态主机配置协议(DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol))
- [四、域名系统(DNS, Domain Name System)](#四、域名系统(DNS, Domain Name System))
- [五、文件传送协议(FTP, File Transfer Protocol 采用C/S方式)](#五、文件传送协议(FTP, File Transfer Protocol 采用C/S方式))
- 六、电子邮件(E-mail)
- [七、万维网(WWW, World Wide Web)](#七、万维网(WWW, World Wide Web))
[运输层(Transport Layer)](#运输层(Transport Layer))
- 一、运输层概述
- 二、UDP和TCP的对比
- [三、🌟🌟🌟传输控制协议(TCP, Transport Control Protocol)](#三、🌟🌟🌟传输控制协议(TCP, Transport Control Protocol))
[网络层(Network Layer)](#网络层(Network Layer))

更新日志

6.26 后面还会考虑继续补充重要的内容、配图和习题

前言

⚠️上篇文章在这里～原理参考模型I

⚠️不是十分重要的内容就不展开了，为了文章格式的一致性，还是选择将部分知识点列出来，有需要可以自行翻阅书籍～

应用层(Application Layer)

主要任务：通过应用进程的交互实现特定网络应用

一、应用层概述

应用层是建立和设计计算机网络的最终目的
网络应用程序只运行在端系统中，而运输层已经提供了端到端的进程间的逻辑通讯服务

二、客户/服务器方式和对等方式

开发一种新的网络应用首要考虑------网络应用程序在各种端系统上的组织方式和他们之间的关系

客户/服务器方式(C/S, Client/Server方式)
- (基于的应用)服务集中型
对等方式(P2P, Peer-to-Peer方式)
- 服务分散型
- 优势
  - 可扩展性------系统性能不会因为规模的增大而降低------具有成本上的优势

三、动态主机配置协议(DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol)

"即插即联网"(Plug-and-Play Networking)

作用

IP地址
子网掩码
默认网关(的IP地址)
域名服务器(DNS)(的IP地址)

工作过程

DHCP报文的封装
使用运输层的UDP所提供的服务
- 服务器UDP端口号------67
- 客户UDP端口号------68
DHCP的基本工作过程(P336-339)
- 七种报文类型
  - DHCP发现报文(DHCP DISCOVER)
  - DHCP提供报文(DHCP OFFER)
  - DHCP请求报文(DHCP REQUEST)
  - DHCP确认报文(DHCP ACK(Acknowlegment))
  - DHCP谢绝报文(DHCP DECLINE)
  - DHCP否认报文(DHCP NACK(NegativeAcknowlegment))
  - DHCP释放报文(DHCP RELEASE)
- 基本工作工程(P336, 图6-6)

DHCP中继代理

四、域名系统(DNS, Domain Name System)

作用

因特网的域名结构(层次树状结构)

顶级域名(TLD, Top Level Domain)
- 国家顶级域名(nTLD)
- 通用顶级域名(gTLD)
- 反向域(arpa)
二级域名(我国)
- 类别域名
- 行政区域名
三级域名
四级域名

因特网上的域名服务器

根域名服务器
顶级域名服务器
权限域名服务器
本地域名服务器(默认域名服务器)

因特网的域名解析过程

域名查询方式
- 递归查询------从请求主机 到本地域名服务器的查询(采用)
- 迭代查询------其余的查询

五、文件传送协议(FTP, File Transfer Protocol 采用C/S方式)

六、电子邮件(E-mail)

七、万维网(WWW, World Wide Web)

运输层(Transport Layer)

主要任务：为相互通信的应用进程提供逻辑通信服务

一、运输层概述

进程间基于网络的通信

TCP/IP体系结构运输层中的两个重要协议(TPDU, Transport Protocol Data Unit 运输协议数据单元)*

无连接不可靠的UDP协议
- UDP用户数据报(User Datagram)
面向连接的可靠的TCP协议
- TCP报文段(Segment)

运输层端口号、复用与分用

运输层端口号
进程端口号(PID, Process Identification)
端口号只具有本地意义
- 服务器端
  - 熟知端口号(全球通用端口号)
  - 登记端口号
- 客户端
  - 短暂端口号(又称临时端口号)

发送方的复用与接收方的分用

发送方的复用
- UDP复用------运输层使用UDP协议进行封装
- TCP复用
- IP复用------IP协议封装成IP数据报
接收方的分用
- UDP分用
- TCP分用
- IP分用
🌟运输层端口号应用举例(自己费曼一下, P285,后面会补充)

二、UDP和TCP的对比

无连接的UDP和面向连接的TCP

无连接的UDP
🌟面向连接的TCP(TCP的连接管理)
- "三报文握手"建立连接
- "四报文挥手"释放连接

UDP和TCP对单播、多播和广播的支持情况

UDP支持单播、多播和广播
TCP仅支持单播

UDP和TCP对应用层报文的处理

UDP是面向应用层报文的
TCP是面向字节流的(全双工通信)------实现可靠传输 、流量控制 及拥塞控制的基础

UDP和TCP对数据传输可靠性的支持

UDP提供无连接不可靠的数据传输服务
TCP提供面向连接可靠的数据传输服务

三、🌟🌟🌟传输控制协议(TCP, Transport Control Protocol)

TCP报文段的首部格式

补充： UDP用户数据报的首部格式

源端口字段和目的端口字段
- 源端口字段
- 目的端口字段
序号字段、确认号字段以及确认标志位(ACK)
- 序号字段
- 确认号字段和确认标志位(ACK)
数据偏移字段
保留字段
窗口字段
检验和字段
同步标志位------TCP双方通过"三报文握手"建立连接
终止标志位------TCP双方通过"四报文挥手"释放连接
复位标志位：复位TCP连接
推送标志位
紧急标志位(URG)和紧急指针字段
选项字段
- 最大报文段长度
- 窗口扩大选项
- 时间戳选项(功能)
  - 计算往返时间(RTT)
  - 防止序号绕回(PAWS, Protect Against Wrapped Sequence Numbers)------处理序号超范围的情况
- 选择确认选项
填充字段------与IPv4数据报首部中的作用相同

🌟TCP的运输连接管理

TCP运输连接的三个阶段
- 建立TCP连接
- 数据传送
- 释放连接
🌟"三报文握手"建立TCP连接
🌟"四报文挥手"释放TCP连接
TCP保活计时器

TCP的流量控制(Flow Control)

基本概念
方法

🌟TCP的拥塞控制(Congestion Control)

基本概念
基本方法
- 流量控制与拥塞控制的(任务)区别
  - (流控)确保发送方不会持续地以超过接收方接受能力的速率发送数据
  - (拥控)防止过多地数据注入到网络中，是网络能够承受现有的网络负荷
- 拥塞控制的基本方法(控制论)
  - 开环控制方法
  - 闭环控制方法
    - 显示反馈算法
    - 隐式反馈算法
🌟四种拥塞控制方法

 - 慢开始(Slow-Start)
 - 拥塞避免(Congestion Avoidance)
 - 快重传(Fast Retransmit)
 - 快恢复(Fast Recovery)

TCP拥塞控制与网际层拥塞控制的关系(P318)

TCP可靠运输的实现

TCP超时重传时间(RTO)的选择
TCP的选择确认(SACK)
TCP窗口和缓存的关系

网络层(Network Layer)

主要任务：将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到的目的主机

一、网络层概述

分组转发和路由选择

分组转发
⚠️转发表是从路由表得出，其结构应使查找过程最优化
- 路由选择处理机->路由选择协议->路由表->转发表
路由选择(Routing)
⚠️路由选择生成的其实是路由表(Routing Table)，路由表一般仅包含从目的主机到下一跳的映射，需对网络拓扑变化计算的最优化
- 集中式路由选择
- 分布式路由选择
- 人工路由选择

网络层向上层提供两种服务

面向连接的虚电路服务
- 两台计算机通信，首先建立网络层的连接(也就是建立一条虚电路VC, Virtual Circuit)
- (核心思想)可靠通信可由网络自身来保证
- 虚电路只是一条逻辑上的连接
无连接的数据报服务
- 两台计算机通信时，不需要建立网络层连接

二、网际协议(IP)

配套协议

IP协议要使用

地址解析协议(ARP, Address Resolution Protocol)
逆地址解析协议(RARP, Reverse Address Resolution Protocol)------淘汰不使用了

要使用IP协议

网际控制报文协议(ICMP, Internet Control Message Protocol)
网际组管理协议(IGMP, Internet Group Management Protocol)

异构网络互联

原理：多个异构网络由路由器互联，网络层都使用网际协议IP，像是统一的网络，即IP网
好处：IP网的主机进行通信，看不见互连的各网络的具体异构细节

IPv4地址及其编制方法

编制方法

分类编制
- 两部分
  - 网络号
  - 主机号
- 五类
  - A类地址
  - B类地址
  - C类地址
  - D类地址(多播地址)
  - E类地址(保留地址)
划分子网(分类编制的改进)
- 子网掩码
- 默认子网掩码------未划分子网的情况下使用的子网掩码
无分类编制
- 无分类域间选择(CIDR, Classless Inter-Domain Routing)
- 路由聚合(构造超网)

应用规划

定长的子网掩码(FLSM, Fixed Length Subnet Mask)
变长的子网掩码(VLSM, Variable Length Subnet Mask)
IPv4地址与MAC地址
地址解析协议(ARP)：通过已知IP地址找到其相应的MAC地址
IP数据报的发送和转发过程
- 主机发送IP数据报
  - 直接交付
  - 间接交付
- 路由器转发IP数据报
IPv4数据报的首部格式(首部各字段含义)
- 第一层
  - 版本字段
  - 首部长度、可选字段和填充(第六-N层)
    - 首部长度字段
    - 可选字段
    - 填充字段
  - 区分服务字段
  - 总长度字段
- 第二层
  - 标识、标志和片偏移
    共同用于IPv4数据报分片
    - 标识字段
    - 标志字段
      - 最低位(MF, More Fragment)
      - 中间位(DF, Don't Fragment)
      - 最高位(保留位)
    - 片偏移字段(取值以8字节为单位)
- 第三层
  - 生存时间(TTL, Time To Live)
  - 协议
  - 首部检验和(因特网检验和 Internet Checksum)
- 第四、五层
  - 源IP地址和目的IP地址

三、静态路由配置

直连路由和非直连路由
- 直连路由------路由器自行得出
- 非直连路由------网络运维人员配置
默认路由和特定主机路由
- 默认路由------条目的匹配优先级最低
- 特定主机路由------条目的匹配优先级最高

四、因特网的路由选择协议

路由选择分类

静态路由选择------人工配置
动态路由选择------路由器通过路由选择协议自动获取路由信息

因特网采用分层次的路由选择协议(三个特点)

自适应
分布式
分层次

自治系统(AS, Autonomous System)
- AS之间的路由选择
  - 域间路由选择------外部网关协议这个类别(EGP, External Gateway Protocol)
- AS内部的路由选择
  - 域内路由选择------内部网关协议这个类别(IGP, Interior Gateway Protocol)

路由信息协议(RIP, Routing Information Protocol)

内部网关协议中最先得到使用的协议之一；基于距离向量

相关基本概念(只适用于小型互联网)

RIP使用跳数作为度量来衡量到达目的网络的距离

(基于)距离向量(D-V)
跳数(Hop Count)
度量(Metric)
"好的路由"：所通过路由器数量最少的路由

三个重要特点

和谁交换信息------仅和相邻路由器交换信息
交换什么信息------交换的信息是路由器自己的路由表
何时交换信息------周期性交换------触发更新(网络拓扑发生变化)

距离向量算法

存在的问题("坏消息传播的慢")

又称路由环路或RIP距离无穷计数问题

版本和相关报文

优缺点

优点
- 实现简单、路由器开销小
- "好消息传播得快"
缺点
- "坏消息传播得慢"
- 限制AS规模

开放最短路径优先协议(OSPF, Open Shortest Path First)

相关基本概念

(基于)链路状态(LS)
OSPF路由器邻居关系的建立和维护
- 交互问候(Hello)分组
- 建立和维护邻居关系
链路状态通告(LSA, Link State Advertisement)
- 直连网络的链路状态信息
- 邻居路由器的链路状态信息
链路状态更新分组(LSU, Line State Update)
- 洪泛法
链路状态数据库(LSDB, Link State Database)
基于LSDB进行最短路径优先(SPF) 计算

五种分组类型

问候(Hello)
数据库描述(Database Description)
链路状态请求(Link State Request)
链路状态更新(Link State Update)
链路状态确认(Link State Acknowledgement)
🌟OSPF的基本工作过程(P215)
多点接入网络中的OSPF路由器
- 选举指定路由器(DR) 和备用路由器(BDR) 的方法(P217 图4-80)
  - 所有非DR/BDR(普通路由器)只与DR/BDR建立邻居关系
  - 非DR/BDR(普通路由器)之间必须通过DR/BDR进行交换
OSPF划分区域

边界网关协议(BGP, Border Gateway Protocol)

基本概念

BGP边界路由器

适用于多级结构的因特网

BGP-4的四种报文

版本4是目前使用最多的版本

OPEN(打开)报文
UPDATE(更新)报文
KEEPALIVE(保活)报文
NOTIFICATION(通知)报文

五、网际控制报文协议(ICMP)

ICMP报文的种类

ICMP差错报告报文(P224, 五种差错情况)

用来向主机或路由报告差错情况

终点不可达
源点抑制
时间超过(超时)
参数问题
改变路由(重定向)
ICMP询问报文(常用)
用来想主机或路由器询问情况
- 回送请求和回答(报文)
- 时间戳请求和回答(报文)

ICMP的典型应用

分组网间探测(PING)

跟踪路由
- 🌟traceroute和tracet
  - UNIX版本(具体命令)------traceroute
    - 应用层使用UDP协议
    - 网际层使用ICMP报文类型只有差错报告报文
  - Windows版本------tracet
    - 应用层直接使用网际层的ICMP协议(回送请求和回答报文以及差错报告报文)
- tracet的基本实现原理

六、虚拟专用网和网络地址转换

虚拟专用网(VPN, Virual Private Network)

内联网(内联网VPN, Intanet VPN)
外联网(外联网VPN, Extranet VPN)
远程接入VPN(Remote Access VPN)

网络地址转换(NAT, Network Address Translation)

最基本的NAT方法
网络地址与端口号转换(NAPT, Network Address and Port Translation)------使用端口号NAT------将NAT和运输端口号结合使用

七、IP多播

基本概念

局域网上进行的硬件多播

在因特网上进行IP多播需要的两种协议(多播转发树)

网际组管理协议(IGMP)

基本概念(报文类型)
- 成员报告报文
- 成员查询报文
- 离开组报文

基本工作原理

加入多播组------主机
监视多播组的成员变化------多播路由器
退出多播组------成员

多播路由选择协议

基于源树(Source-Base Tree)多播路由选择
反向路径(RPM, Revese Path Multicasting)算法
反向路径广播(RPB, Reverse Path Broadcasting)------建立广播转发树------不会产生环路
- 剪枝(Pruning)算法
组共享树(Group-Shared Tree)多播路由选择

因特网的多播路由选择协议(其他的)

八、移动IP技术

基本概念

归属网络
归属地址(永久地址)
归属代理
外地网络(被访网络)
外地代理
转交地址

🌟基本工作原理

代理发现与注册
固定主机向移动主机发送IP数据报
移动主机向固定主机发送IP数据报
同址转交地址(Co-Located Care-of Address)
三角形路由问题(Triangle Routing Problem)9.下一代网际协议IPv6

引进的主要变化

IPv6数据报的基本首部

组成
- 基本首部
- 有效载荷(净载荷)
各字段的含义
- 版本
- 通信量类
- 流标号
- 有效载荷长度
- 下一个首部
- 跳数限制
- 源地址
- 目的地址

IPv6数据报的扩展首部(非重点)

IPv6地址

空间大小
表示方法
- 冒号十六进制记法
- 再使用"左侧零 "省略和"连续零"压缩(限一次)
- 冒号法还可以结合点分十进制的后缀
- CIDR(无分类域间路由选择)的斜线表示法依然适用
分类
- IPv6数据报的目的地址分类
  - 单播
  - 多播
  - 任播
- IPv6地址分类
  - 未指明地址
  - 环回地址
  - 多播地址
  - 本地链路单播地址
  - 全球单播地址(三级结构)
    - 全球路由选择前缀(Global Routing Prefix)
    - 子网标识符(Subnet ID)
    - 接口标识符(Interface ID)

从IPv4向IPv6过渡

使用双协议栈(Dual Stack)

使用隧道技术(Tunneling)

网际控制报文协议ICMPv6

合并了ARP(地址解析协议)和IGMP(网际组管理协议)的功能

九、软件定义网络(SDN)

网络层的数据层面和控制层面

路由器的功能

分组转发------为主机间的通信提供转发服务
路由选择

路由器之间传送的信息

源主机和目的主机之间所传送的信息
路由信息

路由的网络层(抽象划分)

数据层面(转发层面)
控制层面

OpenFlow协议

传统意义上的数据层面的任务

SDN中的广义转发

"匹配"
"动作"
转发分组
负载均衡
重写IP首部
防火墙(阻挡或丢弃分组)

OpenFlow交换机和流表

OpenFlow交换机、流表、SDN远程控制器三者之间的关系
流表中的各字段
OpenFlow"匹配+动作"网络举例
- 简单转发
- 负载均衡
- 防火墙

SDN体系结构

四个关键特征

基于流的转发
数据层面与控制层面分离
位于数据层面分组交换机之外的网络控制功能
可编程的网络

SDN控制器(三个层次)

通信层
网络范围的状态管理层
到网络控制应用程序层的接口