计算机网络：408考研｜湖科大教书匠｜原理参考模型II

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

系列目录
更新日志
前言
应用层(Application Layer)
- 一、应用层概述
- 二、客户/服务器方式和对等方式
- 三、动态主机配置协议(DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol)
- 四、域名系统(DNS, Domain Name System)
- 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)
- 一、运输层概述
- 二、UDP和TCP的对比
- 三、🌟🌟🌟传输控制协议(TCP, Transport Control Protocol)
网络层(Network Layer)
- 一、网络层概述
- 二、网际协议(IP)
- 三、静态路由配置
- 四、因特网的路由选择协议
- 五、网际控制报文协议(ICMP)
- 六、虚拟专用网和网络地址转换
- 七、IP多播
- 八、移动IP技术
- 九、软件定义网络(SDN)

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)

TCP报文段的首部格式

请添加图片描述

补充： UDP用户数据报的首部格式
请添加图片描述

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

🌟TCP的运输连接管理

请添加图片描述

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

TCP的流量控制(Flow Control)

基本概念
方法

🌟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

请添加图片描述

 - 慢开始(Slow-Start)
 - 拥塞避免(Congestion Avoidance)
 - 快重传(Fast Retransmit)
 - 快恢复(Fast Recovery)

TCP拥塞控制与网际层拥塞控制的关系(P318)

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)

配套协议

请添加图片描述

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)

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

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

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

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)

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

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

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)

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)

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

基本概念

局域网上进行的硬件多播

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

因特网的多播路由选择协议(其他的)

八、移动IP技术

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

🌟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

引进的主要变化

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

IPv6数据报的扩展首部(非重点)

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)