计算机网络

计算机网络学习笔记。

基础

  • 计算机网络功能：数据通信、资源共享、分布式处理(hadoop)、提高可靠性、负载均衡
  • 计算机网路组成：硬件、软件、协议/边缘部分、核心部分/通信子网、资源子网
  • 计算机网络分类：广域网、城域网、局域网、个人区域网/公用网、专用网/电路交换、报文交换、分组交换/总线型、星型、环型、网状型/广播式网络、点对点网络
  • 法定标准OSI与事实标准TCP/IP
  • 传输速率：单位10^3换算，单位b/s
  • 传输带宽：最高数据率
  • 传输吞吐量：单位时间内通过的数据量，由链路上的总和
  • 时延：发送时延（=数据长度/信道带宽）、传播时延（=信道长度/电磁波传输速率）、排队时延、处理时延
  • 时延带宽积：单位bit，以比特为单位的链路长度，表示某段链路现在有多少比特。
  • 往返时延RTT：越大可以发送数据越多，包括传播时延x2+末端处理时间
  • 利用率：信道利用率和网络利用率，当利用率接近1时，时延将急剧增大（堵车）

分层结构

  • 计算机网络的分层基本原则：独立、清晰、可分割、下层对上层服务、标准化
  • 分层结构：
    • 实体：对等实体处于同一层
    • 协议：对等实体间的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（语法、语义、同步）
    • 接口：（访问服务点SAP）上层使用下层服务的入口
    • 服务：下层为上层提供的功能调用（垂直）
    • SDU：服务数据单元
    • PCI：协议控制信息
    • PDU：协议数据单元，PDU = PCI + SDU
  • 分层形式：7层OSI参考模型、TCP/IP参考模型、方便记忆的5层参考模型
  • ISO/OSI参考模型：从下到上：物 联 网 输 会 示 用，信息从上到下再从下到上，在中间系统不经过上四层，上四层叫端到端通信，下三层叫点对点通信
    • 应用层：所有能和用户产生网络流量的程序，FTP、SMTP、HTTP等
    • 表示层：用于处理在两个系统中交换信息的表示方式，JPEG、ASCII
      • 数据格式变换
      • 数据加密解密
      • 数据压缩与恢复
    • 会话层：建立同步，向表示层实体、用户进程提供建立连接并在连接上有序的传输数据，建立、管理、终止会话以及建立同步点/校验点实现同步，ADSP、ASP
    • 传输层：负责端到端通信，可靠传输、差错控制、流量控制、复用分用，TCP/UDP
      • 复用：多个进程同时使用下层服务
      • 分用：下层（传输层）把收到的信息分别交付给上面应用层的相应进程
    • 网络层：路由控制（最佳路径）、流量控制、差错控制、拥塞控制，IP/IPX/ICMP/IGMP/ARP/RARP/OSPF
    • 数据链路层：上层的数据组装成帧、差错控制（帧错+位错）、流量控制、访问接入控制，SDLC/HDLC/PPP/STP
    • 物理层：透明传输、物理媒体、单位比特，传输方式包括单工、半双工、双工，定义传输速率，比特同步，RJ45、802.3
  • TCP/IP四层参考模型：
    • 应用层：HTTP/FTP/DNS
    • 传输层：TCP/UDP
    • 网际层：IP
    • 网络接口层：Ethernet、ATM、Frame Relay
  • OSI和TCP/IP区别：
    • 相同：都分层，都有独立协议栈、都实现异构网络互联
    • 不同：网络层（都实现无连接），OSI无连接+面向连接，TCP/IP无连接；传输层（都实现面向连接），OIS面向连接，TCP/IP无连接+面向连接
  • 五层参考模型：应用层（报文）、传输层（报文段）、网络层（数据报）、数据链路层（帧）、物理层（比特）

物理层

  • 物理层：机械特性（引脚）、电气特性（电压、速率、距离）、功能特性（电平含义）、规程特性（规程和时序）
  • 典型数据通信模型：信源->数字信号->调制解调器->模拟信号->广域网（传输系统）->模拟信号->调制解调器->数字信号->信宿
  • 数据：信息实体
  • 信号：数据在传输过程中的存在形式，包括数字信号和模拟信号
  • 信源/信宿：起点，终点
  • 信道：传输媒介，有方向，数字/模拟、有线/无线
  • 单工：1条信道，没有反向；半双工：2条信道，分时；全双工：两条信道，可同时
  • 串行传输（速度慢、远距离）与并行传输（速度快、近距离）
  • 码元：一个固定时长的信号波形，二进制码元只包括0和1状态，除此之外还要M（2^n）进制码元；1码元可以携带多个比特的信息量
  • 码元速率：1 波特（baud） = 1 码元/s，表示一秒内可以向信道传输的码元数目，不同的传输速率可以有相同的码元速率（码元进制不同的情况下）
  • 信息传输速率：表示单位时间内数字系统传输的二进制码元（等同于比特数）的个数。
  • 信息传输速率 = 码元传输速率 x 码元携带的比特数 bit/s
  • 奈氏准则 – 解决内忧（码间串扰）
    • 失真：码元传输速率越大、距离越远、遭受越大、传输介质差都会加强失真
    • 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
    • 奈氏准则：在理想（无噪声）低通条件下，为避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位Hz
    • 传输速率上限 = 2Wlog2 (V) bit/s
    • 奈氏准则只给出码元传输速率的限制，提高码元携带的比特数可以进一步提高整体的传输速率
  • 香农定理 – 解决外患（噪声）
    • 信噪比：衡量噪声对信号的影响 = 10lg(S/N) dB
    • 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为不产生误差，信息的传输速率的上限值 = Wlog2 (1 + S/N) bit/s, S/N 为信噪比。
  • 基带信号：来自信源的（数字）信号，送到数字信道上传输；宽带信号：调制后，送到模拟信道上传输（远距离）
  • 编码：数据转数据信号；调制`：数据转模拟信号
    • 数字数据编码采用数字发送器，调制采用调制器
    • 模拟数据编码采用PCM编码器，调制采用放大器调制器
  • 数字数据编码为数字信号：
    • 非归零编码NRZ：难以保持同步，0低电平，1高电平
    • 曼彻斯特编码：包括了时钟自同步，数据传输速率只有调制速率的一半。
    • 差分曼彻斯特编码：同1异0，主要增加了抗干扰性
  • 数字数据通过调制器转为模拟信号的原理：
    • ASK：调幅
    • FSK：调频
    • PSK：调相
    • QAM：调幅+调相
  • 模拟数据PCM编码器转数字信号：
    • 高保真：PCM
    • 包括：抽样、量化、编码
  • 模拟数据调制为模拟信号：频分复用技术
  • 物理层传输介质：导向型、非导向型传输介质
    • 导向型：
      • 双绞线：非屏蔽双绞线UTP、屏蔽双绞线STP
      • 同轴电缆：传输距离更远
      • 光纤：光脉冲（全反射），损耗小
    • 非导向型传输的信号：
      • 无线电波，穿透强
      • 微波：频带范围高
      • 红外线、激光
  • 物理层设备：
    • 中继器：对信号再生还原（再生数字信号），延长传输距离
    • 集线器：（多口中继器）：再生、放大信号（星型拓扑），广播

传输层及协议

  • 传输层：只有主机才有的层次，处于第四层
    • 功能：
      • 进程与进程之间的逻辑通信
      • 复用与分用
      • 对收到的报文进行差错检错
  • 两大协议：
    • TCP：面向连接的传输控制协议，不提供广播、多播，可靠面向连接、时延大，适用于大文件
    • UDP：无连接的用户数据报协议，不可靠，无连接，时延小，适用于小文件
  • 寻址与端口：端口是传输层的SAP，标识主机的应用进程，只具有本地意义
  • 端口长度16bit，共65536个，其中服务端使用0-1023作为熟知端口号，1024-49151作为登记端口号，客户端使用49152-65535作为客户进程动态选择的端口号
  • 常用熟知端口号：FTP 21,TELNET 23,SMTP 25,DNS 53,TFTP 69,HTTP 80,SNMP 161
  • 套接字Socket = 主机IP地址+端口号的组合，套接字唯一标识了网络中一个主机和它上面的进程。
  • UDP协议：
    • 特点：无连接、不保证可靠交付、面向报文，只增加UDP首部（开销小，8Byte），无拥塞控制适合实时应用
    • 首部格式：8B，包括16位源端口号2B，16位目的端口号2B，16位UDP长度2B，16位UDP检验和2B，数据段（>=0）
    • 接收方分用时，找不到对应的目标端口，就丢弃报文，并给发送方发送ICMP“端口不可达”差错报告报文
    • UDP校验：
      • 伪首部：包括源IP，目的IP，0，17，UDP长度（UDP首部+UDP数据段长度）；伪首部只在计算时出现，不对外传送
      • 校验过程：

  • TCP协议：
    • 特点：
      • 面向连接、点对点、可靠有序不丢不重、全双工通信的发送缓存与接收缓存、面向字节流
      • TCP首部格式：
  • TCP连接传输三个阶段：连接建立、数据传送、连接释放，分为服务器与客户。
  • TCP连接的 三次握手：
    1. 客户端发送连接请求报文段，无应用层数据，SYN = 1，seq = x（随机产生）
    2. 服务器端为连接分配缓存与变量，并发送确认报文段，允许连接，无应用层数据，SYN = 1，ACK = 1，seq = y（随机），ack = x+1
    3. 客户端为该TCP连接分配缓存与变量，并向服务器端返回确认的确认，可以携带数据，SYN = 0，ACK = 1，seq = x+1，ack = y+1
  • SYN洪泛攻击：攻击者不确认TCP的回复，大量攻击使得服务器宕机，解决方法：SYN cookie
  • TCP连接的 四次挥手：
    1. 客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接。FIN = 1,seq = u
    2. 服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个连接方向的连接就释放了–半关闭状态，ACK = 1,seq = v，ack = u+1
    3. 服务器端发完数据，就发出连接释放报文段，主动关闭TCP连接，FIN = 1，ACK = 1，seq = w，ack = u+1
    4. 客户端回送一个确认报文段，再等到时间等待计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭。ACK = 1，seq = u+1，ack = w+1
  • TCP可靠传输：
    • 实现机制：校验（与UDP伪首部反码计算方式类似）、序号、确认、重传
      • 序号：发送方发送一定字节后，接收方将向发送方发送确认接收报文，并告知发送方应当继续发送的字节序号，在某个报文异常时，就算后面的报文提前到达，接收方也会持续请求发送方发送最小累加的序号，直到重发接收到后，更新到最新要接收的报文的序号的确认报文（此时提前接收到的就相当于发送了确认，不用重新发送确认报文）
      • 确认与重传：TCP的发送方在规定的时间（重传时间）内没有收到确认就要重传已发送的报文段。（超时重传）
        • 重传时间过短，增大网络负载，过长则空闲时间过大
        • 自适应RTTs算法（加权平均往返时间）：持续计算第一次、第二次……的往返时间。
      • 冗余ACK：
        • 产生原因：部分报文段提前到达，而重传报文段持续等待重传时间过长
        • 原理：每当比期望序号大的失序报文段到达时，接收方发送一个冗余ACK，指向下一个期待字节的序号。当发送方接收到3个对于某个接收方没收到的报文段的前一个报文段的冗余ACK（这个ACK指向没收到的报文段），发送方认为该报文段已经丢失，重传这个没收到的报文段。（快速重传机制）
        • 结果：对于某个丢失的报文段，发送方不用一直等接收方确认，而可以接着发后面的报文段，降低重传等待时间。
  • TCP的流量控制：
    • 目的：控制发送方的发送速率，防止过快而丢包
    • 滑动窗口：（类似链路层）