计算机网络

第一章、概述

1.1

1. 互联网具有两个重要的基本特点：连通性和共享
2. 网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等
3. Internet、internet的区别：
   用TCP/IP连在一起的网络：Internet
   用其他协议连在一起的网络：internet

1.2 互联网基础结构发展的三个阶段：

• 第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。1983 年(计算机网络元年)TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。
• 第二阶段：建成三级结构的因特网：主干网、地区网和校园网（或企业网）。
• 第三阶段：形成多层次的ISP（Internet Service Provider 因特网服务提供者）结构的因特网

1. 互联网交换点IXP(网络互换点)作用：
   允许两个网络直接相连并交换分组（可以不再经过最上层的主干ISP）

   
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2. 互联网标准的三个阶段
   1）互联网草案
   2）建议标准
   3）互联网标准

1.3互联网的组成

• 边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。这部分由用户直接使用，用来进行通信和资源共享。
  特点：用户直接进行信息处理和信息共享，低速连接核心网
• 核心部分 : 由大量的网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。
  特点：为边缘部分提供高速远程分组交换

（1）. 互联网的边缘部分，即连在互联网上的所有主机(端系统)

作用：利用核心部分提供的服务，使众多主机之间能够相互通信，并交换或共享信息

1. 计算机之间的通信：两台主机上的进程间的通信
2. 通讯方式：
   1）客户-服务器方式
   2）对等连接方式
   区别：前者严格区分服务和被服务者，后者无此区别，后者实际是前者的双向应用
3. 客户-服务器方式
   1）客户-服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程
   2）主要特征：客户是服务器请求方，服务器是服务提供方
   3）两个的通信都要通过核心部分
4. 对等连接方式
   1）不区分服务的请求方和提供方
   2）即可作为服务提供方，也可作为服务请求方

（2）. 互联网的核心部分

1. 在网络核心部分起作用的是路由器，路由器是实现分组交换的关键构件，主要任务是转发收到的分组

2. 分组转发 是网络核心部分最重要的功能

3. 典型的交换技术：
   1）电路交换——电话机使用交换机完成交换任务
   2）分组交换——
   3）报文交换

   
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4. 电路交换的特点
   电路交换是面向连接的
   分三个阶段：
   A：建立连接
   B：通信
   C：释放连接

5. 分组交换的特点（分组交换，以分组为单位在网络中传递数据单元）
   1）分组交换采用存储转发技术
   2）分组是互联网中传送的数据单元
   3）方式：

   
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6. 路由器作用过程：
   1）收到的分组放入缓存
   2）查找转发表，确定转发的端口
   3）从对应端口转发出去

7. 三种方式的比较

   
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1.5 计算机网络的类别

1. 按作用范围：
   1）广域网
   2）城域网
   3）局域网
   4）个人区域网
2. 按使用者分类：
   1）公用网
   2）专用网
3. 按通信距离分：广域网、局域网、城域网
4. 按信息交换方式分：电路交换网、分组交换网、总和交换网
5. 按网络拓扑结构分：星型网、树型网、环型网、总线网
6. 按通信介质分：双绞线网、同轴电缆网、光纤网、卫星网
7. 按传输带宽分：基带网、宽带网
8. 按速率分：高速网、中速网、低速网
9. 按通信传播方式分：广播式、点到点式

1.6 计算机网络性能指标

1. 速率
   1）数据的传送速率
   2）换算40Gbit/s = 4*10^10bit/s
   3）如100M以太网，实际是指100Mb/s
2. 带宽：
   1）网络中某通道传送数据的能力
   2）单位时间内网络中某信道能通过的“最高数据率”
   3）特点：时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄
3. 吞吐量：
   1）单位时间内通过某网络的实际的数据量
   2）守网络的带宽或网络的额定速率的限制
4. 时延：
   1）发送时延=数据帧长(bit)/发送速率(bit/s)
   2）传播时延=信道长度(m)/信道上的传播速率(m/s)
   3）处理时延：收到分组时，处理分组所花费的时间
   4）排队时延：在路由器输入输出队列中排队等待的时延（取决于当时的网络通信量）
   5）总时延：四个时延之和
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   【注】对于高速网络链路，提高的仅仅是数据的发送速率。而不是比特在链路上的传播速率
   所以在高速链路上，比特会传的更快 错
5. 时延带宽积=传播时延X带宽
   又称为：以比特为单位的链路长度。表示链路的容量。
6. 往返时间、
   从发送方发送数据开始，到发送发收到接收方的确认为止，所花费的时间。
7. 利用率
   1）分为信道利用率和网络利用率
   2）信道利用率：某信道百分之几的时间是有数据通过的
   3）信道利用率增大时，信道引起的时延也就迅速增加
   4）当前时延=空闲时时延/（1-利用率）
   【注】数据传输效率=发送的应用层数据 / 所发送的总数据

1.7 计算机网络体系结构

OSI体系结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层

1. 网络协议三个组成：
   1）语法
   2）语义
   3）同步
2. 协议的形式：
   1）文字描述
   2）程序代码

3. 各层完成的功能

   
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4. TCP/IP是四层体系结构
   1）应用层
   2）运输层
   3）网际层
   4）网络接口层(把数据链路层和物理层合并到一起)

5. 三种体系结构的区别：

   
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6. 五层结构的数据传输方式
   1）应用进程数据传到应用层，数据+应用层首部=PDU（协议数据单元）
   2）应用层PDU传到运输层，PDU+运输层首部=运输层报文
   3）运输层报文传到网络层，运输层报文+网络层首部=IP数据报(或叫分组)
   4）IP数据报传到数据链路层，IP数据报+链路层首部=数据链路层帧
   5）数据链路层帧传到物理层，物理层把比特流传到物理媒体
   【注】一个系统中相邻两层实体进行交互的地方——服务访问点
   【注】信号在物理层传输后，在另一台主机的物理层接收，然后剥去首部或帧头尾部，交给上层
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7. 应用层
   应用层交互的数据单元称为报文
8. 运输层：
   主要使用两种协议：
   1）TCP
   2）UDP
9. 网络层：
   1）使用IP协议
   2）传输IP数据报（数据报）
10. 协议是水平的，服务是垂直的
11. 路由器在转发分组时最高只用到网际层而没有使用到运输层和应用层

第二章、物理层

（一）物理层的基本概念

1. 物理层的作用：尽可能的屏蔽下层的差异，使数据链路层感觉不到这些差异，就可以使数据链路层只关心本层的协议和服务
2. 物理层的协议也常称为物理层的规程
3. 数据在计算机内部多采用并行传输方式，在数据通信线路上传输的方式一般为串行传输(出于经济考虑)

（二）数据通信的基础知识

1. 数据通信系统分三部分：
   1）源系统（发送端、发送方）
   2）传输系统（传输网络）
   3）目的系统（接收端、接收方）

2. 源系统：
   1）源点
   2）发送器

3. 目的系统
   1）接收器
   2）终点

4. 通信的目的使传送消息，信号可以分为两大类：
   1）模拟信号：消息参数的取值使连续的
   2）数字信号：消息的参数的取值使离散的

5. 通信方式
   1）单向通信（单工）
   2）双向交替通信（半双工）
   3）双向同时通信（全双工）

6. 基带信号：来自信源的信号。
   带通信号：经过载波调制后的信号。
   基本带通调制方法：调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)

7. 基带信号变成带通信号的方式：
   1）编码：如不归0制、曼彻斯特编码（具有自同步能力）
   2）调制

   
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8. 码元(数字信号的基本波形)传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真越严重

9. 限制码元在通道上的传输速率的因素：
   1）信道能够通过的频率范围
   2）信噪比

10. 信道能够通过的频率范围
    1）码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限
    2）如果信道的频带越宽，即能通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰

11. 信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比(S/N)
    信号相对较强，噪声的影响久相对较小
    香农公式：
    C = W*log2 (1+S/N) (bit/s)
    C：信道的极限信息传输速率
    W:信道宽度 S：信号的平均功率 N：噪声的平均功率
    香农公式意义： 只要信息传输速率低于信道的极限传信率，就可以实现无差别传输

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12. 提高信息传送速率的方法：让每个码元携带更多比特的信息量
13. 导线型传输媒体
    1）双绞线
    2）同轴电缆
    3）光缆(光纤)
    光纤种类：
    A:多模光纤（用发光二极管，便宜，定向性较差）
    B:单模光纤（注入激光二极管，定向性好）
14. 非导向传输媒体：
    微波、红外线、激光、卫星通信

(三)信道复用技术

1. 频分复用 FDM：用户在同样的时间占用不同的带宽资源
2. 时分复用 TDM：用户在不同的时间占用同样的频带宽度
   可能照成线路资源的浪费
3. 统计时分复用 STDM
   能明显提高信道的利用率
   原因：STDM帧不是固定分配时限，而是按需动态的分配时限
4. 波分复用 WDM(光的频分复用)
   1)分波器
5. 码分复用 CDM（重点）
   也叫码分多址 CDMA
   1）优点：多个用户同时共享信道；同时共享频带
   2）工作原理
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【注】两个不同站的 码片序列 正交

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【注】该站自己的码片向量和该站发出的信号规格化内积的结果是1，和码片反码的向量的规格化内积为-1(此时代表该站发送的是0，才会使用码片反码的向量)

3）原理分析：

如果X站要接收S站发送的数据，X站就必须知道S站的特有的码片序列，然后用S站的码片序列和自己所接收到的未知信号进行求内积运算。最后求内积的结果表明：

A:所有其他站的信号都被过滤掉(其内积相关项都为0)
B：S站发送的比特为1时，X站内积的结果是+1
C：S站发送的比特是0时，X站内积的结果是-1

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(补充)

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（五）数字传输系统

1. 早期数字传输的缺点：
   1）速率标准不统一
   2）不是同步传输

第三章、数据链路层

1. 数据链路层属于计算机网络的低层
   数据链路层使用的信道为：
   1）点对点信道
   2）广播信道
2. 设备间的通信过程中，网络主机、路由器都必须实现数据链路层

（一）使用点对点信道的数据链路层

1. 链路：无源点到点的物理线路（链路只是一条路径的组成部分）
   数据链路：实现协议（一些必要的通信协议来控制数据的传输）的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路

2. 物理链路就是链路
   逻辑链路就是数据链路

3. 数据链路层的协议数据单元——帧

4. 数据链路层的把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把帧中的数据取出来上交网络层。
   网络层协议数据单元就是IP数据报(数据报、分组、包)

5. 数据链路层的三个基本问题：
   1）封装成帧
   2）透明传输
   3）差错控制

6. 封装成帧
   1）原理：就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部
   2）首尾部重要的作用就是进行 帧定界（帧定界是分组交换的必然要求）
   3）每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最大传送单元MTU
   4）控制字符SOH放在帧的最前面，表示帧的首部开始，EOT表示帧的结束
   5）帧结构：
   

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7. 透明传输
   1）原因：数据中的每个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，数据链路层就会错误地“找到帧定界符”
   2）解决办法：
   A:字节填充（字符填充）
   B:原理：在数据中可能出现的控制字符(EOT、SOH)前面插入一个转义字符“ESC”（十六进制1B）
   3)若转义字符也出现在数据中，那就在转义字符之前插入一个转义字符

   
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8. 差错控制

目的：差错检测防止无效数据帧浪费后续路由上的传输和处理资源

1）原因：传输过程中可能产生 比特差错（1 => 0或0 => 1）
2）传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为 误码率，误码率与信噪比有很大关系
3）循环冗余检验CRC检错技术

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【注】这种为了检错而添加的冗余码常常称为帧检验序列（FCS）

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9. CRC和FCS并不相同
   1）CRC是检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码
   2）FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法
10. 无比特差错 与 无传输差错
    1)数据链路层使用的CRC能实现无比特差错，但不是可靠传输
    2)要实现无差错传输必须加上确认和重传机制（如TCP协议控制的传输）

（二）点对点协议PPP

1. PPP协议有三个组成部分
   1）一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法
   2）链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)
   3）网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)
2. PPP帧格式
   1）首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段F，标志字段是PPP帧的定界符。如果连续两帧之间只需用一个标志字段：如 帧1-F-帧2
   2）若出现连续两个标志字段，就表示一个空帧，应丢弃
   3）尾部包含了FCS
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3. 透明传输
   PPP异步传输时，使用字符填充法——P79

   
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同步传输时，协议规定采用比特填充P——80

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（三）使用广播信道的数据链路层

1. 特点
2. 局域网按拓扑结构分类：
   1）星形网（集线器）
   2）环形网
   3）总线网
3. 共享通信媒体资源的方法：
   1）静态划分信道（频分复用、码分复用等）
   2）动态媒体控制接入（多点接入）
   A:随机接入：面临问题：碰撞
   B:受控接入：如：探询（轮询）
4. 局域网的数据链路层分两个子层：
   1） 逻辑链路控制（LLC）（一般不考虑这一层）
   2）媒体接入控制（MAC）
   【注】不管采用任何协议的局域网，对LLC子层来说都是透明的
5. 网络接口板
   1）通信适配器、网卡
   2）适配器的重要功能就是进行数据串行传输和并行传输的转换
   3）适配器和CPU并行通信，和局域网串行通信
   4）适配器接收到有差错的帧时，就把这个帧直接丢弃，而不必通知计算机；当接收正确的帧时，使用“中断”通知计算机，并交给网络层

？？？如何在在局域网上，通过广播通信实现一对一通信：

发送数据帧时，在帧首部写明接收站的地址，接收方接收时，将数据帧的目的地址和适配器ROM中存放的硬件地址一致时，才接收这个数据帧，否则丢弃

6. CSMA/CD协议
   1）解决在局域网中 共享通信媒体资源时 的随机接入过程 产生碰撞 的问题
   2）CSMA/CD工作原理：

   
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7. 原理补充：
   1）以太网规定了帧间最小间隔为9.6微秒，相当于96比特时间，为了使刚刚接收到数据帧的站的接收缓存得到清理
   2）截断二进制指数退避算法的目的：为了防止刚发生碰撞的站，不是立即去监听信道是否空闲，而是让他推迟一个随机时间再去监听信道是否空闲（避免再次碰撞）,【注】这个退避时间之后，
   3）重传超过16次后不能成功，就丢弃帧
   4）2t(两倍端到端的端往返时延)为争用期：经过争用期这段时间还没检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞
   5）10Mbit/s以太网取51.2微秒为争用期的长度，在争用期内可发送512bit，即64字节，在以太网发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突(因为争用期使2t，在这2t内，信道一直被占用，如果你发送64字节还没发生冲突，那么其他端口肯定是一直检测到信道被占用着的，所以他不会发送数据，就不会发生冲突)
   6）最短有效帧长：64字节 ，凡是小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧，因为如果发生冲突，一定是在发送的前64字节之内
   7）强化碰撞：发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，将立即停止发送数据，并且再继续发送32bit或48bit的人为干扰信号，以便所有用户都知道
8. CSMA/CD的重要特性：
   1）使用这个协议的以太网不能进行全双工通信，而只能进行半双工通信
   2）每个站发送数据的一小段时间内，都有可能遭遇碰撞
   3）这种发送的不确定性，使以太网的平均通信量远小于最高数据率(也叫带通)

（四）MAC层(媒体访问控制)的硬件地址

1. 48位（6个字节）MAC地址，一半分成“组织唯一标识符”，一半分成“扩展唯一标识符“
2. 生产适配器时，6个字节的MAC地址已被固化在适配器的ROM，所以MAC地址也叫硬件地址或物理地址
3. 适配器知识：
   1）计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器（Adapter）
   2）适配器上装有处理器和存储器（包括RAM和ROM）
   3）适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的
   4）适配器和计算机之间的通信是通过计算机主板上的 I/O 总线以并行传输方式进行的
   5）适配器的一个重要功能就是实现数据串行传输和并行传输的转换
   6）由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在适配器中必须装有对数据进行缓存的存储芯片
   7）适配器接受和发送各种帧时不使用计算机的CPU
4. MAC结构：
   【注】
   1）数据字段的最小长度 = MAC帧的最小长度字节64字节-18字节的首部和尾部
   2）如果数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段后面加入整数字节的填充字段，保证以太网的MAC帧不小于64字节
   3）为了达到比特同步(适配器的时钟与比特流达到同步，如不同步，MAC帧的前若干位就无法接收，使整个MAC帧成为无用的帧)，实际传输的帧要比MAC帧多8个字节
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（五）拓展的以太网

1. 在物理层扩展—集线器 P91
   现在，双绞线以太网成为以太网的主流类型，扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法就是使用光纤(通常是一对光纤)和一对光纤调制解调器。
   光纤调制解调器的作用，是进行电信号和光信号的转换。
2. 在数据链路层扩展—网桥（自学习算法）P94
   注：在数据链路层扩展以太网要使用网桥
   网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发或过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发这个帧，而是检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃(即过滤)。
   具体可以参考这篇博客：
   http://blog.csdn.net/cainv89/article/details/50651489
   1）以太网交换机就是一个多接口的网桥，有多个接口
   2）相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞的传输数据(所以每个碰撞域都是单独的，采用全双工方式工作)
   3）集线器是N个用户共享集线器提供的带宽B，平均每个用户仅占B/N，集线器总带宽为N
   4）交换机为每个用户提供带宽B，每个用户独占带宽B，交换机总带宽为B*N（交换机的最大优点）
   5）自学习算法：
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   6）星形以太网不采用CSMA/CD，但任然叫作以太网
   原因：星形以太网传输的帧结构并未改变，任然使用以太网的帧
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   7）总线形以太网的广播域增大，但碰撞域也增大；
   星形以太网的广播域增大，碰撞域不变

3. 虚拟局域网-交换机P98
   多接口网桥即交换式集线器常称为以太网交换机。利用以太网交换机可以很方便地 实现虚拟局域网，虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符（在源地址和类型之间插入），称为 VLAN 标记。
   1）结构：

   
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   2）虚拟局域网限制了接收广播信息的计算机数，使网络不会因为传播过多信息（广播风暴）而性能恶化

（六）高速以太网

1. 一般以太网的速度是10Mbit/s，当以太网速度达到100Mbit/s，他的最短帧长和帧间最小间隔都变为原来的1/10，但将一个网段的最大电缆长度减小到100米

2. 吉比特以太网：
   1）1Gbit/s下以全双工和半双工两种方式工作
   2）在半双工方式下使用CSMA/CD协议，但在全双工的方式下不使用
   3）半双工方式下，吉比特以太网增加载波延伸和分组突发功能
   4）载波延伸：

   
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   5）分组突发：

   
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   5）全双工方式下的吉比特以太网，不使用载波延伸和分组突发

补充：

1. 数据链路连接具有检测、确认、重传功能，使不可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输

第四章 网络层

（一）网络层提供两种服务：

1. 可靠交付——虚电路
2. 尽最大努力交付——数据报服务
   网络层不提供服务质量的承诺，如果主机的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责可靠交付

3. 两者对比：

   
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（二）网际协议IP

网际协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一，也是最重要的因特网标准协议之一

1. 与IP协议配套是用的四个协议：
   1）地址解析协议ARP：是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。
   2）网际控制报文协议ICMP：提供差错报告和询问报文，以提高IP数据交付成功的机会
   3）网际组管理协议IGMP：：用于探寻、转发本局域网内的组成员关系。
   【注】逆地址解析协议已被淘汰
2. 将异构的网络互相连接起来，因为没有一种单一的网络能够适应所有的用户需求，所以网络互连也变得困难，所以需要一些中间设备：
   1）物理层中间设备：转发器(repeater)
   2）数据链路层中间设备：网桥或桥接器(bridge)
   3）网络层中间设备：路由器(router)
   4）网络层以上的中间设备：网关(gateway)
   5）网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)
3. 网络互连都是指用路由器进行网络互连和路由选择
   网关：网络层使用的路由器

4. 分类的IP地址
   1）IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。由因特网名字与号码指派公司ICANN进行分配。
   2）IP地址编址方法：
   A：分类的IP地址，最基本的编址方法
   B：子网的划分，基本编址方法上的改进
   C：构造超网，一种无分类编址方法
   3）各类IP地址的网络号字段和主机号字段

   
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5. A类地址：首位为0
   1）网络号1个字节，主机号3个字节
   A类地址的网络号有1个字节，占8位，但有一位是网络字段号，所以只供7位使用，可派网络号：2^7-2:
   -2是因为全0和全1不用：全0——本网络；全1（127 = 01111111）——环回测试
   目的地址为环回地址的IP数据报永远不会出现在任何网络上（由本机中的协议软件处理数据报中的数据），以为网络号为127的地址根本不是一个网络地址.
   2）A类地址的主机号占3个字节，最大主机数为2^24-2：
   全0的主机号字段表示该I[地址是“本机”连接到的单个网络地址（如5.6.7.8的网络地址为5.0.0.0）
   全1表示“所有的”，表示整个该网络上的所有主机
   3）范围：地址范围1.0.0.0到126.255.255.255
6. B类网络，2个字节，前两位为10
   1）网络号前两位（1 0）已经固定（2^8 = 10000000 00000000），所以不存在全0或全1，但B类网络的128.0.0.0是不指派的，所以网络号总数2^14-1
   2）主机号和A类一样：2^16-2
   3）范围：地址范围128.0.0.0-191.255.255.255
7. C类和B类网络分配类似，C类前三位为：110
   范围：地址范围192.0.0.0-223.255.255.255
8. IP的重要特点：
   1）IP地址分级的地址结构（网络号，主机号）
   A：网络号分配后，主机号自行分配，方便管理
   B：路由器仅根据目的主机的网络号转发内容，减小存储空间和查表时间
   2）一个路由器至少应该有两个不同的IP地址
   3）一个网络是指具有相同的网络号的主机集合，即使用转发器或网桥连接起来的若干局域网仍是同一网络
9. IP地址与硬件地址
   1）硬件地址是数据链路层和物理层使用的地址
   2）IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址
   3）IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址放在MAC帧的首部。当数据报放入数据链路层的MAC帧中后，整个IP数据报就成为MAC帧的数据，因而在数据链路层看不见数据报的IP地址。
   4）路由器只根据目的站的IP地址网络号进行路由选择

10. 地址解析协议
    1）ARP的的作用：从网络层使用的IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址（解析是自动进行的，用户感受不到这个解析过程）
    2）每一个主机内都设有ARP高速缓存，里面存着所有在局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表
    3）工作方式：
    主机1向主机2发送IP数据报时，先查自己的ARP Cache中有无主机2的IP地址
    A：有，先查出主机2的硬件地址，然后直接将硬件地址写入MAC帧，再通过局域网将该MAC帧发往次硬件地址
    B：若没有，就发送一个ARP请求分组的广播在局域网上，收到ARP响应后，将得到的IP地址到硬件的映射写入ARP Cache
    4）ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。
    5）如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。

    
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11. IP数据报的格式：
    一个IP数据报由首部（20 字节+可选字段）和数据两部分组成（前20字节是固定的）
    1）版本：4(IPV4)或(IPV6)
    2）首部长度：4个字节，以为前20字节是固定的，所以最小值为5，最大值15（此时首部长度为60字节）
    3）区分服务
    4）总长度：数据报的总长度不能超过数据链路层规定的最大传送单元MTU，如果超过了MTU，就要考虑进行分片，最常用的以太网就规定其MTU值是1500字节
    5）标识：若数据报被分片后，分片的数据报的标识部分相同。这样能使个报片能重装成原来的数据报
    6）标志：MF：MF=1还有分片，MF=0这是若干报片中最后一个；DF：DF=0时允许分片
    7）片偏移：分片后的数据报片在在原分组中的相对位置
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    8）生存时间(TTL)：路由器每次转发数据报之前就把TTL的值减一，若TTL值减小到0，就丢弃这个数据报
    9）协议：指出数据报携带的数据是何种协议
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12. IP数据报分组转发流程：
    分组转发
    (1) 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。
    (2) 若网络 N 与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机 D(直接交付)；否则是间接交付，执行(3)。【注】如果有子网掩码，需要先和子网掩码相与之后，再匹配
    (3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。
    (4) 若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。
    (5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)
    (6) 报告转发分组出错。
    【注】下一跳的路由有3种：网络号所在的路由、对特定的目的主机的特定主机路由、在所在网络号上呵特定主机路由中没查到的，使用的默认路由
    路由表在得到下一跳得路由后，会将这个路由地址交给数据链路层得网络接口软件，由这个软件将下一跳得IP地址解析成硬件地址，并将这个硬件地址写入链路层得MAC帧首部，然后根据这个硬件地址找到路由器。 又不是简单的将下一跳的路由器地址写到IP数据报中，何况 IP数据报中没有用来存下一跳地址的地方

（三）划分子网和构造超网

1. 划分子网
   将两级IP地址变成为三级IP地址
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   1）网络间的通信任然是先通过目的网络号找到下一跳路由，再根据目的网络号和子网号找到子网，最后将数据报交付给主机
   2）划分子网只是把主机号部分进行在划分，而不改变IP地址的原来的网络号
2. 子网掩码
   1）从一个IP数据报的首部无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分，而使用子网掩码可以找出IP地址中的子网部分
   2）子网掩码左边部分的一连串1，对应于网络号和子网号，右部分的0，对应于主机号
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   3）运算：将收到的数据报的目的IP地址和三级IP地址的子网掩码相与，可以得出子网的网络地址
   4）子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性：
   路由器和相邻的路由器交换信息时，需要将自己所在网络的子网掩码告诉对方
   5）划分子网增加了灵活性，但减少了能够连接在网上的主机总数
   6）不同网络之间的主机通信时，发送方先看看接收方的网络号和自己的是不是相同，若是，则直接交付，若不相同，则发送方必须把分组传送到接收方所在的路由器上，然后逐项查找路由表（从上往下逐个相与，看目的IP的地址和与的结果的地址是否匹配）
3. 无分类编址CIDR（构造超网）
   1）无分类域间路由器选择CIDR，使用32位的子网掩码
   2）特点：A：消除了传统的A、B、C类地址以及划分子网的概念
   B：把网络前缀相同的连续IP地址组成了“CIDR”
   3）如128.14.32.0/20 表示的地址块为2^12个地址(32-20=12)
   128.14.32.0/20
   最小地址为：128.14.32.0（128.14.128.14.00100000.00000000）
   最大地址为：128.14.47.255（128.14.00111111.11111111）
   4）一个CIDR地址块可以表示多个地址，这种地址的聚合常称为路由聚合(构造超网)
   5）CIDR简写，如10/10代表10.0.0.0/10
   6）网络前缀的后面加星号的表示方法
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   7）CIDR的好处：使IPv4的地址空间得到有效的分配，可以根据用户的需要分配适当大小的CIDR地址块
   8）使用了网络前缀这种记法之后，路由器的每个项目由网络前缀和下一跳地址，但这会造成查找路由表时，不止一个匹配结果，所以要采用最长前缀匹配(最佳匹配)，即选择前缀最长的地址

（四）网际控制报文协议ICMP

为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了ICMP，ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。

1. 类型：ICMP差错报告报文、ICMP询问报文
2. ICMP报文的前8个字节存放：类型、代码、检验和，后四个字节的内容和ICMP的类型有关
3. ICMP差错报文的种类：终点不可达、时间超过、参数问题、改变路由
4. ICMP 询问报文有两种：
   回送请求和回答报文
   时间戳请求和回答报文
5. ICMP的一个重要应用就是分组网间探测PING，用于测试两台主机之间的连通性

（五）路由器的路由选择协议

1. 自治系统(AS)
   一个AS对其他的AS表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略
   目前一个ISP就是一个自治系统
2. 路由选择协议：
   1）内部网关协议IGP——域内路由选择：在一个自治系统内部使用的路由选择协议
   如：RIP、OSPF
   2）外部网关协议EGP——域间路由选择：一个自治系统使用一种协议将路由选择信
   息传递到另一个自治系统中
   如：BGP
   【注】路由器和网关为同义词，网关多用在应用层
3. 内部网关协议：
   1）路由信息协议RIP是一种分布式的、基于距离向量的路由选择协议
   2）”距离“：从一个路由器到直接连接的网络的距离定义为1；
   从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数+1
   3）RIP允许一条路径最多包含15个路由器，当达到16个时，相当于不可达
   4）RIP不能在两个网络之间同时使用多条路由
   5）RIP特点：之和相邻的路由器按固定的时间间隔交换路由表
4. 距离向量算法
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   1）先把接收的表的下一跳地址都改为发送方的地址，并把距离加一
   2）对于修改的表中的每一项，如果接收方的原表中没有这个目的网络，则直接加到原表中，若已经有了，则执行下一步——此时状态：原表中的目的网络中和修改了的表中的目的网络相同
   3）如果这个目的网络有了，看原表的下一跳地址是否是发送方的地址，如果是，则直接将原表中的替换(【注】此时尽管修改后的表中的距离要长一点，仍然要替换)
   。若下一跳的地址不是发送方的地址，则进行下一步——此时状态：目的网络相同，但是下一跳地址不同
   4）如果修改的表的距离小于原表的距离(等于时，不对原表进行替换)，则进行替换，否则不操作
   【注】先判断目的网络——>再判断下一跳地址——>最后看距离
5. RIP协议的优缺点：
   1）缺：
   RIP 存在的一个问题是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。
   2）优：
   RIP 协议最大的优点就是实现简单，开销较小。
   RIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为 15（16 表示不可达）。
   路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加。
6. 开放最短路径优先OSPF
   OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议，其主要特点：
   （1）使用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送信息。
   对比：RIP只向与自己相邻的几个路由器发送信息
   （2）发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，只是路由器所知的的部分信息。
   对比：RIP发送的信息：到所有路由器的距离和下一跳地址
   （3）只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。
   对比：RIP定期交换路由表信息
7. OSPF将一个自治系统再划分成若干个区域(有一个32位的标识符)
   一个区域内的路由器最好不超过200个，区域之间不使用OSPF
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   【注】主干区域边上的路由器称为区域边界路由器，
8. RIP使用运输层的用户数据报UDP传输
   OSPF不用UDP，而是直接用IP数据报传送
9. 外部网关协议
   边界网关协议BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议，它采用路径向量路由选择协议，其主要特点：
   （2）自治系统AS之间的路由选择必须考虑有关策略。
   （3）BGP只能力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻找一条最佳路由。

补充

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第五章 传输层

（一）运输层协议的概述

1. 运输层是位于网络边缘部分的主机的协议栈才有的，核心部分只有(网络层、链路层、物理层)
2. 运输层功能
   1）运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）
   2）运输层还要对收到的报文进行差错检测
   3）运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP
   (网络层只提供最大努力交互，不可靠，但使用TCP，使得这条逻辑通信信道相当于全双工的可靠信道，而使用UDP时，逻辑通信信道为不可靠信道)
3. 运输层向高层用户屏蔽了下面网络的核心，使应用进程看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道
4. 运输层的两个主要协议
   TCP/IP 的运输层有两个不同的协议：
   1）用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)
   2）传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)
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5. 协议端口号
   1）目的：使运行不同操作系统的计算机应用进程能够互相通信，就必须用统一的方法对TCP_IP体系的应用进程进行标志——端口号
   2）软件端口：协议栈层间的抽象的协议端口
   硬件端口：路由器或交换机上的端口
6. TCP/IP的运输层的端口用一个 16 位端口号进行标志
   端口号只具备本地意义，即端口号只是为了标志本计算机应用层中的各进程。
   客户发起通讯请求时，必须先知道对方服务器的IP地址和端口号，运输层的端口号分为下面三大类：
   1）熟知端口号，数值一般为 0~1023。
   一些常用的熟知端口号：
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   2）登记端口号，数值为1024~49151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。
   3）客户端口号或短暂端口号，数值为49152~65535，留给客户进程选择暂时使用。

（二）用户数据报协议UDP

1. UDP在IP的数据报服务上添加了复用和分用功能和差错检测功能
2. 特点：
   1）无连接
   2）尽最大努力交付，不保证可靠交付
   3）UDP是面向报文的
   4）没有拥塞控制
   5）支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信(即点对点、广播、多播)
   6）首部开销小，只有8个字节
3. 接收方UDP对IP层交上来的UDP用户数据报，去除首部后就直接交付给上层，一次交付一个完整的报文(不对数据进行缓存)

4. UDP首部格式：
   【注】伪首部不是UDP数据报的真正首部，只是在计算校验和(二进制反码求和)时，临时添加在UDP数据报的前面。这个伪首部既不向下传送，也不向上递交

   
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（三）传输控制协议TCP

1. TCP在网络层的服务基础之上提供了可靠交付的服务，是面向连接的运输层协议，并且每条TCP只能点对点(一对一)，不支持多播、广播，TCP提供可靠交付的服务，和全双工的通信
2. TCP连接方式：
   1）TCP的连接时虚连接
   2）TCP根据接收方的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文
   3）TCP连接的端点叫做套接字(端口号拼接到IP地址就构成了套接字，如192.169.1.20:2028)
   4）同一个IP地址可以有多个不同的TCP连接，同一个端口也可以出现在多个不同的TCP连接中
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（四）可靠传输的工作原理

1. 理想传输条件：传输信道不产生差错、速度匹配
2. 停止等待协议
   1）无差错情况：
   每发送完一个分组就停止发送，等到对方确认，收到对方确认之后再发送下一个分组
   2）出现差错情况：
   A：接收方接收信息时，出现差错，就会在接收方的数据链路层丢弃这个信息
   B：信息在传输过程中丢失了
   以上问题解决办法：超时重传
   自动重传请求
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   C：接收方的确认信息丢失或延迟了，会导致发送方继续超时重传
   解决办法：编号
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3. 确认丢失和确认迟到
   1）在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本，以备重发
   2）分组和确认分组都必须进行编号
   3）超时重传时间应该比数据正常传输的平均往返时间更长一些
   【注】重传和确认机制，保证了在不可靠的传输网络上实现可靠传输
4. 信道利用率：
   停等协议的信道利用率太低(等待的时间内信道上面没有数据传输)
   解决办法：流水线传输
5. 连续ARQ协议——自动重传请求
   1）发送方一次可以放出多个分组
   2）使用滑动窗口控制发送方和接收所发送接收的分组数目和编号
   3）每收到一个确认，就将窗口向前滑动
   4）接收方采用累计确认
   5）采用回退N方法重传
6. TCP每一端都有一个发送窗口和接收窗口

7. 连续ARQ协议和停止等待协议：

   
   54.PNG

（五）TCP报文段的首部格式

格式：

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1. 源地址、目的地址
2. 序号字段：TCP连接中传送的字节流的么一个字节都按顺序编号
3. 确认号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号
4. 数据偏移：
5. 保留：保留今后使用
6. 紧急URG：当URG=1时，该指针字段有效，标记此报文段为紧急数据
7. 确认ACK：ACK=1时，表示该报文为确认报文，建立连接后的所有传送的报文都必须把ACK置1.
8. 推送PSH：当PSH=1时，报文段不用等到缓存占满之后再交付(此操作很少使用)
9. 复位RST：RST=1时，表明连接出现严重差错，必须释放连接，然后重新建立连接
10. 同步SYN：SYN=1,ACK=0：连接请求报文；SYN=1,ACK=1：连接接收报文
11. 终止FIN：此报文段的发送数据已发送完毕
12. 窗口：接收方让发送方设置其发送窗口的依据
13. 检验和：伪首部
14. 紧急指针
15. 选项： 里面包含最大报文段长度MSS，目的是为了不让数据过大，否则网络层的MTU与之不匹配，以及不让数据过小，使网络的利用率降低
16. 填充字段、

（六）TCP可靠传输的实现