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

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)

1. 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

2. 🌟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

3. TCP的流量控制(Flow Control)

• 基本概念
• 方法

4. 🌟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)

5. TCP拥塞控制与网际层拥塞控制的关系(P318)

6. 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)

1. 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)

2. 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

3. 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

1. 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

2. 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)

3. 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

4. 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

5. 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)

1. 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)

2. 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

1. 基本概念

2. 局域网上进行的硬件多播

3. 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

4. 因特网的多播路由选择协议(其他的)

八、移动IP技术

1. 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

2. 🌟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

3. 引进的主要变化

4. 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

5. IPv6数据报的扩展首部(非重点)

6. 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)

7. 从IPv4向IPv6过渡

使用双协议栈(Dual Stack)

使用隧道技术(Tunneling)

8. 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)

1. 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

2. 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

3. 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

数据链路层、物理层(、传输媒体层)
计算机网络原理参考模型II