《计算机网络》笔记

[qianlei90]

一、体系结构

二、物理层

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三、链路层

3.1 三个基本问题

封装成帧

将网络层的IP数据包拆分，加上帧首部和帧尾部封装成帧后，再发送出去，一般使用控制字符来表示帧定界符：

透明传输

链路层应该对网络层透明，即网络层不管给什么数据，链路层都是可以发送过去的。但是有这样的情况：网络层给的数据中，也包含了跟帧定界符一样的字符，该怎么判定这个字符是要传输的数据，还是帧定界符呢？

下图中出现帧判定错误：

答案是使用转义字符，通过字节填充的方式，转义掉数据中的控制字符。如果数据中也包括转义字符，则再在前面加一个转义字符：

差错校验：

链路层在传输数据时，可能会出现两种错误：

1. 传输差错：在一批数据中会传输多个帧，出现帧丢失、重复或顺序错误等情况
2. 比特差错：一个帧中的某个比特数据出错，0变1，1变0

传输差错

OSI要求链路层是可靠的，但实际上链路层出错的概率很低，当前实现上都已经不再使用帧确认、重传了，这部的处理交给了上层协议，所以链路层实际上是不可靠的。

比特差错

将数据分组，通过CRC校验计算帧校验序列，附加到在每组数据的后面，再封装成帧后发送出。接收端进行校验，丢弃出错的帧。可以认为“凡是接收端的链路层所接受的帧均无差错”。

3.2 交换机

交换机是多接口网桥，通过自学习完善转发表。

四、网络层

• ARP（Address Resolution Protocol）：地址解析协议
• RARP（Reverse Address Resolution Protocol）：逆地址解析协议
• ICMP（Internet Control Message Protocol）：网际控制报文协议
• IGMP（Internet Group Management Protocol）：网际组管理协议

4.1 ARP

4.2 IP数据报格式

• 版本：IPV4或IPV6。
• 首部长度：20字节～60字节，必须是4字节的整数倍，不足4字节时填充。
• 区分服务：一般不使用。
• 总长度：首部和数据之和的长度，最大为2¹⁶-1=65535字节。当IP数据报大于链路层的MTU时，需要对IP数据报进行分片，这时总长度指的是分片后每个分片的首部长度和数据长度的总和。
• 标识：分片后为了识别是否是同一个数据报。
• 标志：后面是否还有分片和能否分片。
• 片偏移：分片在原分组中的相对偏移位置。

• 生存时间：IP数据报在网络中可经过多少个路由器，每经过一个路由器就减1，为0时则丢弃数据报，最大值255。若设为1，表示只在本局域网中传送。
• 协议：IP数据报携带的数据，是哪种协议的，以便接收端的主机知道将数据上交给哪个处理过程，常用的协议如下：

• 首部校验和：只校验IP数据报的首部，不包括数据部分。采用反算术运算。

4.3 分组转发

4.4 子网划分

子网划分

在一个网络中，将IP地址中的主机号部分，取前几位作为子网编号，对网络进行划分。子网划分增加了网络的灵活性，却减少了网络中的主机总数。

子网掩码

IP地址与子网掩码进行与运算，得到网络地址。

使用子网时的分组转发

4.5 CIDR

CIDR其实就是将IP地址分成可变长度的两部分，前面是网络前缀，后面是主机号。用<IP地址>/<前缀长度>这样的记法。

在路由表中进行匹配时，从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由，使用二叉线索树来查找：

由于上面用的是“唯一前缀”，并非“网络前缀”，所以找到叶子节点后，再将目的地址和叶子节点的子网掩码进行与运算，看是否匹配。至于如何从路由表的IP地址中，计算出所有的唯一前缀，是一道算法题：trie树，关键字“字符串最短唯一前缀”。

五、传输层

5.1 UDP

无连接、不可靠，面向报文，即应用层下来的数据，直接添加头部就交给网络层，没有合并和拆分。

UDP校验时，把首部和数据部分一起校验，IP数据报是只校验首部的。

5.2 TCP

面向连接、可靠，点对点，全双工通信，字节流。

停止等待协议

• 发送端：发送一个分组，等待确认，分组被保存而不是直接删除
• 接收端：正确接收分组，则发送确认，错误或丢失分组则不发送
• 发送端：收到确认就删除分组，超时未收到就重新发送

这种可靠传输协议也叫自动重传请求ARQ（Automatic Repeat-reQuest）。停止等待协议很慢，信道利用率也很低，所以使用流水线传输，即连续ARQ协议和滑动窗口协议。

连续ARQ协议

5.3 TCP报文格式

几个重要字段：

• 序号：本报文的第一个数据字节的序号。TCP以字节流的方式发送数据，是字节的顺序编号，范围1~2³²-1，超出后继续从0开始
• 确认号：希望收到下一个报文的序号
• 紧急位URG（URGent）：高优先级数据，无需排队尽快发送
• 确认位ACK（ACKnowlegment）
• 同步位SYN（SYNchronization）
• 终止FIN
• 窗口大小：动态调整接收方的接口窗口大小，用来进行流量控制和拥塞控制

5.4 流量控制：滑动窗口

Ref

• https://media.pearsoncmg.com/aw/ecs_kurose_compnetwork_7/cw/content/interactiveanimations/selective-repeat-protocol/index.html
• http://v.youku.com/v_show/id_XNDg1NDUyMDUy.html

5.5 拥塞控制

• 拥塞窗口cwnd：发送方维持的一个窗口，大小取决于网络的拥塞程度，并且动态变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。只要没有出现拥塞，发送方就让拥塞窗口增大一点，出现拥塞，就减小一点。
• 传输轮次：把cwnd内的报文都发送出去，并被接收确认接收

慢开始

由于对网络负荷的情况不清楚，先探测一下，由小到大逐渐增大发送窗口，每经过一次传输轮训，拥塞窗口cwnd就加倍。

拥塞避免

让cwnd缓慢增大，每次加1，线性增长，而不是加倍

快重传

接收方每收到一个失序的报文，就立即发出重复确认，而不用等待自己发送数据时才进行捎带确认。

发送方一连收到三个重复确认就立即重传对方尚未收到的报文。

快恢复

发送方一连收到三个重复确认时，就“乘法减小”，把ssthresh减半，然后执行拥塞避免算法，“加法增大”

5.6 三次握手与四次挥手

建立连接：

释放连接：

为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候是四次挥手呢？因为发送FIN时，只是表示自己这一方不再有数据要发送，但是对方发送的数据，还是需要继续接收，直到对方也发送FIN后才可以断开连接。