计算机网络

Chapter 1

因特网概述

1. 若干节点和链路互联形成网络
2. 若干网络通过路由器互联形成互联网
3. 因特网是世界上最大的互联网

Internet Service Provider 因特网服务提供者, 如电信移动联通
用户先接入 ISP 之后再接入因特网

因特网的组成

1. 边缘部分: 用户直接使用的主机, 进行通信和资源共享
2. 核心部分: 大量网络和路由器组成, 提供连通性和交换

三种交换方式

1. 电路交换:
   • 建立连接
   • 通话
   • 释放连接
2. 报文交换:
   • 把要传输的数据(报文)整个发送出去
3. 分组交换:
   • 报文分组之后加上首部
   • 分别通过路由器网络发送到目标位置
   • 组合各组成为完整报文

性能指标

1. 速率: bps: 表示数据传送的速率 min(主机接口速率, 线路带宽, 路由器接口速率)
   
2. 带宽: bps: 表示数据传送的能力
3. 吞吐量: 单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量
4. 时延: 数据传送耗费的时间
   
5. 时延带宽积: $传播时延 \times 带宽$
   • 发送的第一个比特到达终点时, 发送端已经发送了 时延带宽积 个比特
6. 往返时间 (RTT)
7. 利用率: 利用率越高, 时延越高
   • 信道利用率: 某个信道有数据通过的时间占比
   • 网络利用率: 网络中所有信道的利用率加权平均
8. 丢包率: 一定时间内丢失的分组数量比全部分组数量
   • 传输过程中出现误码
   • 到达的分组交换机队列已满

计算机网络体系结构

常见的结构

TCP/IP: 网络接口层, 网际层, 运输层, 应用层
原理体系结构(用于教学): 物理层, 数据链路层, 网络层, 运输层, 应用层

术语

1. 实体: 任何可发送或可接收信息的硬件或软件进程
   对等实体: 收发双方相同层次的实体
2. 协议: 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合
   • 语法: 定义所交换信息的格式
   • 语义: 定义接收双方所要完成的操作
   • 同步: 定义收发双方的时序关系
     
3. 服务: 两个对等实体之间的协议使得他们能向上一层提供服务

物理层

传输媒体

1. 导引型传输媒体: 同轴电缆, 双绞线, 光纤, 电力线
2. 非导引型传输媒体: 无线电波, 微波, 红外线, 可见光

传输方式

串行, 并行
同步, 异步
单工, 半双工, 全双工

编码和调制

编码:

调制:

信道的极限容量

信道复用技术

1. 频分复用: 子信道占据一定频带, 频带之间有隔离频带
2. 时分复用: 类似 CPU 并发
3. 波分复用: 光的频分复用
4. 码分复用: 谁发乘谁

链路层

数据链路层向上层提供的服务模型

1. 不可靠传输服务: 丢弃有误码的帧
2. 可靠传输服务: 实现准确的信息传送 (不局限于链路层)

封装成帧

透明传输

透明传输对上层传下来的数据没有任何要求

面向字节的物理链路: 字节填充

面向比特的物理链路: 比特填充

最大传送单元 (MTU): 帧的数据部分的长度上限

差错检验

1. 奇偶校验: 添加一位奇偶校验码, 但是在偶数个位出错的时候会漏检
2. 循环冗余校验(CRC): 视频

可靠传输

1. 停止等待协议
   
2. 回退 N 帧协议
   
3. 选择重传协议
   

点对点协议 PPP

1. 帧格式
   
2. 透明传输
   
   

网络适配器(网卡)

MAC地址

以太网卡用于接入有限局域网
WiFi 网卡用于接入无限局域网

MAC 地址是对网络上各接口的唯一标识

网卡从网络中接收的每一个帧, 检查帧首部的 MAC 地址

1. 广播地址 (FF-FF-FF-FF-FF-FF), 接收帧
2. 网卡支持的多播地址, 接收帧
3. 网卡的全球单播 MAC 地址与之符合: 接收帧

混合模式: 不管 MAC 地址是什么, 都接收帧

CSMA/CD 协议

共享式以太网使用

载波监听多址接入/碰撞检测

不能进行全双工通信, 只能进行半双工通信

使用集线器连线可以形成星型网络

网桥

自学习和转发流程

生成树协议 STP

多个透明网桥来提供冗余链路

为防止回路, 网桥之间产生生成树, 当出现故障的时候就会重新生成生成树

交换式以太网

仅使用交换机的以太网就是交互式以太网

交换机的接口连接交换机或计算机的时候, 可以使用全双工工作方式

交换机的接口连接集线器的时候, 只能使用 CSMA/CD 协议工作在半双工模式

一般的交换机使用存储转发, 有一些交换机使用直接转发

直接转发:

1. 时延很小
2. 不检查纠错码将帧转发出去

共享式以太网和交换式以太网区别

交换机每个端口连接的网络 构成一个独立的冲突域
交换机互联的工作站构成一个整体的广播域

集线器互联的工作站构成整体的广播域和冲突域

虚拟局域网 VLAN

交换式以太网的巨大广播域会产生一些问题: 广播风暴

以太网交换机进行配置之后, 把一些接口分配 PVID 形成局域网
广播的时候交换机把传入的数据打上标签, 然后传出的时候再去标签

无限局域网 WLAN

1. 有固定基础设施的无线局域网
2. 无固定基础设施的无限局域网

固定基础设施是预先建立的多个固定的通讯基站

无线局域网的最小构件是 基本服务集 BSS, 每个 BSS 有一个接入点 AP
每个 AP 在安装的时候会被分配一个 唯一的服务器标识符 SSID

每个 AP 可以连接到 分配系统 DS, 从而和其他的 BSS 连接从而构成扩展服务集 ESS

主机从一个服务集漫游到另一个服务集的时候, 仍然可以保持和其他主机的连接
区别是使用的 AP 不同

1. 关联服务
   移动站和接入点 AP 建立关联的办法有两种
   • 被动扫描: 被动等待 AP 传来的信标帧
     
   • 主动扫描: 向 AP 传探测请求帧, 收到探测相应帧
2. 重建关联服务和分离服务: 更换连接的 AP 和 终止连接 AP 的时候使用

无固定基础设施的无线局域网主要是依靠连接在网络里的节点转发
因此每个节点都要有路由功能

自组织网络内部有特定的路由选择协议, 整个内部网络通过网关(协议转换器)连接到因特网

无线局域网使用很多种物理协议
数据链路层使用 CSMA/CA 协议

MAC 帧

网络层

将分组通过源主机经过多个网络和多端链路传输到目的主机
功能包括分组转发和路由选择

网络层面向上层提供的两种服务

1. 面向连接的虚电路服务
   
2. 无连接的数据报服务
   

划分子网来缓解 IP 地址被大量浪费的问题

无分类方式易于实现路由聚合

IP 地址和 MAC 地址

在数据包的传送过程中, IP 地址不改变, MAC 地址改变

如果只使用 MAC 地址通信:

使用 地址解析协议 ARP 来通过 IP 地址找到相应的 MAC 地址

静态路由配置

1. 设置默认路由: xxx.xxx.xxx.xxx/0
2. 设置特定主机路由: xxx.xxx.xxx.xxx/32

由于最长前缀匹配的原因, 特定主机路由优先级最高, 默认路由优先级最低

动态路由配置

1. RIP

2. OSPF

链路状态: 本路由器和哪些路由器相邻, 以及相应链路的代价

防止邻居表中路由器太多, 选定指定路由器 DR 和备用指定路由器 BDR
其他的路由器只与 DR 和 BDR 建立邻居关系, 并通过他们交换信息

3. BDP

每个 AS 都会有至少一个 BGP 发言人

不同 AS 之间通过 BGP 发言人通信, BGP 发言人决定网络内部的较优路线

路由器

路由器是有多个输入输出端口, 进行转发分组的专用计算机

ICMP

典型应用

1. ping
2. 跟踪路由
   

虚拟专用网

NAT

IP 多播

局域网多播: 有五位 无法映射到 MAC 地址, 所以需要软件过滤以下
因特网 IP 多播: 使用 IGMP 和 多播路由选择协议

IGMP

多播路由选择协议

1. RPM 算法: 先用 RPB 建立广播树, 然后剔除非成员路由器
2. 组共享多播路由选择:
   

IPV6

从 IPV4 过渡到 IPV6

1. 双协议栈, 同时使用 IPV4 和 IPV6 协议栈
2. 隧道技术, 把 IPV6 和 IPV4 互相转换

ICMPv6: 合并原本的 ICMP, IGCM, ARP

SDN

把网络的数据和控制部分分离, 使用软件控制

OpenFlow

SDN 体系结构中 控制层面和数据层面之间的通信接口

运输层

运输层为运行在不同主机上的应用进程提供直接的逻辑通信服务

网际层拥塞控制: 主动队列管理 AQM
随机早期丢弃: RED

超时重传时间应略大于往返时间 RTT

应用层

网络应用程序在各种段系统上的组织方式和他们之间的关系

1. 客户/服务器方式( Client/Server, C/S 方式 )
2. 对等方式 (Peer to Peer, P2P)

DHCP

DNS

FTP

电子邮件

MIME:

HTTP

网络安全

1. 对称密钥密码体制: DES, 3DES, AES
   通信双方使用相同的密钥加密和解密
2. 公钥密码体制: RSA
   被通信的一方公布公钥, 自己留着私钥, 对它通信的乙方使用它的公钥加密之后, 它用私钥解密

报文鉴别: 对于不需要保密内容的情况, 只需要检测报文从而保证完整性
MD, MD5, SHA-1, SHA-2, SHA-3, HMAC 等方法加密报文

数字签名: 对报文摘要进行数字签名

实体鉴别:

密钥分发:

访问控制

1. 物理层安全
   
   早期使用的简单的安全机制
   
2. 数据链路层安全
   
3. 网络层安全
   
   
   
4. 运输层安全
   
   
   
5. 应用层安全
   PGP
   
   

防火墙

1. 分组过滤路由器
   
   
2. 应用网关
   
   
   
   

网络攻击和防范

1. 网络扫描
   
2. 网络监听
   
3. 拒绝服务攻击