Network

基础概念

  • 速率(比特率):在数字信道传送数据位数的速率,b/s,kb/s,Mb/s(mbps:Mb per second)(运营商常用,进制10进制),也可以理解为带宽的概念
  • 存储容量,1Byte=8bit(进制1024)
  • 时延:发送时延+传播时延+排队时延+处理时延
  • RTT:往返时延,发送开始到发送方收到接收方的ack,即2*传输时延,不含发送时延,处理时延等
  • 信源:产生和发送数据的源头
  • 信宿:接收数据的终点
  • 信道:信号的传输媒介
  • 单工同行:电报,一方只能发送,一方只能接受
  • 半双工通信:对讲机,双方错开说话
  • 全双工通信:视频电话,双方同时说

OSI 七层模型,TCPIP四层

why

解决互联网异构问题

what

序号 名称 TCP/IP 常见协议 作用
7 应用层
6 表示层
5 会话层 应用层
4 传输层 传输层
3 网络层 网际层
2 数据链路层 网络接口层
1 物理层

difference

index OSI TCPIP
1 理论模型 实际应用
2-网络层区别 无连接+面向连接 无连接
3- 传输层区别 面向连接 无连接+面向连接
  • 面向连接:TCP的建立连接,然后收发数据,断开连接
  • 无连接:无需建立连接,直接发数据
  • 五层参考模型就是将TCP/IP的网络接口层分成了:数据链路层和物理层,从底向上依次是:物理层,数据链路层,网络层,传输层,应用层

传输介质

what

传输介质是第0层,是物理层下面的载体

分类

导向性传输介质:固体,如光纤,双绞线,同轴电缆(电视线)

非导向类传输介质:空气,真空,海水,等

物理层

why

解决计算机的传输媒体多样性的问题

what

主机发送数据无需关心底层的介质是双绞线还是光纤,或者是华为家生产的,还是中兴家生产的。

类比就是你要发一个包裹,你可以选择四通一达以及顺丰,也不用管包裹走水陆空那一路,你只要负责发包裹,剩下的事情,物理层解决

概念

  • 码元:固定时长的信号波形(数字脉冲),举个例子:二进制码元,0和1,四进制码元,00,01,10,11,八进制码元000,001,010,100,011,110,101,111,即,一个码元可以携带多个比特信息
  • 码元传输速率:1s传输多少个码元,单位:波特(Baud)
  • 信息传输速率:码元传输速率*n(1个码元有n个比特表示,如101,n=3),值就是带宽b/s
  • 编码
  • 解码

编码

名称 特点
二进制数据
非归零编码(NRZ) 简单,但无法检错,无法保持同步
归零编码(RZ) 一个码元内要恢复到零
曼彻斯特编码 下跳是1,上跳是0
差分曼彻斯特编码 同1异0

其他了解:反向不归零编码(NRZI),4B/5B编码

奈氏准则(奈奎斯特定理,传输极限,避免码间串扰)

definition

在理想环境下,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2W Baud,W为信道带宽,单位Hz

极限数据传输率

$$
v=2W\log_2 V(b.s)
$$

  • W:带宽(Hz)
  • V:几种码元/码元的离散电平数目

意义

  • 码元传输速率有上限
  • 带宽越宽,极限传输率越高
  • 使用多元制的调制方法,提高码元携带的比特数

香农定理(信噪比)

definition

$$
信噪比= \frac{信号的平均功率}{噪声的平均功率}
$$

记作:S/N
$$
信噪比(dB)=10\ln (S/N)
$$
单位:dB,分贝


以上是信噪比的两种表现形式

香农定理:解决了带宽受限有噪音的信道中,不产生误差,信息的数据传输率的上限(奈斯是理想环境

传输速率

$$
v=W\log_2 (1+S/N)
$$

单位:b/s

W:带宽Hz

题目如果说信噪比是1000,即S/N=1000带入,如果题目说信噪比30dB则带入公式求出S/N的值,再代入公式

意义

  • 信噪比越大,极限传输速率越高

考题注意:题目可能让你求奈氏准则和香农定理的速率,取其最小值为极限速率

设备(处理信号)

  • 中继器:再生和还原数字信号
  • 集线器:多口的中继器,放大转发,不能分割冲突域,平分带宽

数据链路层

definition

数据链路层将网络层的数据可靠的传输到相邻接点的目标及网络层

作用:加强物理层传输原始比特流的功能,将物理层提供的可能出错的连接改为在逻辑上无差错的数据链路

简单来说:数据链路层给报文编号,可以进行流量控制,丢失重发等

作用

  • 提供:无确认无连接,有确认无连接,有确认面向连接服务
  • 链路管理,连接的建立、维持、释放
  • 组帧
  • 流量控制
  • 差错控制

组帧

在网络层的数据头尾添加:帧首部,帧尾部,让对方说识别帧的开始和结束

组帧的四种方法:(Transmission)

  • 字符计数法:帧首部第一字节记录帧的长度(传输过程中,这个字符可能被修改,或者丢失,后续帧全部错误)
  • 字符填充法:帧首部填充SOH(00000001),尾部填充EOT(00000100)(数据部分有可能有SOH,EOT—>解决方式,转义字符)
  • 零比特填充法:比如首部01111110,则数据部分遇到五个1填充一个0,来避免假SOH
  • 违规编码法:如曼彻斯特会有,高-低–>1,低-高–>0,然后用低低和高高来做SOH,EOT

最大传输单元MTU

why

因为一个帧中IP数据包的内容不可能无限大

what

MTU最大传送单元

差错控制

差错分为两种:

  • 位错:比特位数字出错

    修正位错:

    • 检错编码:奇偶校验,CRC循环冗余码(只知道错了)
    • 纠错编码:海明码(知道错了,还知道错哪儿了)
  • 帧错:丢失,重复,失序

    修复帧错:

    • 重传

冗余编码:数据放松之前,附加冗余位,使之符合某种规则,接收端检查不符合规则就判断为出错(即,奇偶校验,CRC,海明码)

奇偶校验码(n-1位信息元,1位校验元)

  • 奇校验码:1的个数为奇数
  • 偶校验码:1的个数为偶数

例:1100101奇校验–>11100101

“1”可以填到任意位置,只要有奇数个“1”,接收方就认为这一段没有出错,但如果丢了两个“1”就检查不错来了,所以出现了CRC

CRC循环冗余

要传的数据/多项式=商……余数

发送的数据=要传的数据+余数(FCS帧检验序列,又称冗余码)

例题:1101011011 生成多项式10011

要传的数据末尾加上4个0,除以10011余数1110,则发送的数据为:1101011011 1110

检查:11010110111110%10011==0则帧没有出错,否则丢弃

FCS的生成及校验是硬件实现,处理迅速,不会延迟

海明码

1.发现双比特错,纠正但比特错

2.工作原理:牵一发而动全身

3.确定校验码位数r–>确定校验码和数据的位置–>求出校验码的值–>检错并纠错

1.去顶校验码位数r

海明不等式:2^r≥k+r+1(r为冗余信息位,k为信息位)

例如:要发送的数据D=101101

数据位数k=6,满足不等式的最小r为4,也就是海明码有6+4=10位,即数据位6位,校验4位

2.确定校验码和数据的位置

校验码放在2的几次方的位置,剩下填数据位就可以了

3.求校验码的值

第一位校验码校验二进制最后一位为1的数

第二位校验码校验二进制倒数第二位为1的数字

以此类推

令校验位与选中的数异或为0,就可以得到校验位的值

得到101101的海明码是:0010011101(第1,2,4,8为为校验位)

4.检错并纠正

取校验位做异或运算,得到的值就是出错的位置(上述例子中假设第五位出错,则四个校验码的值,拼起来的和就是5

流量控制和可靠传输机制

what

解决发送和接受能力不匹配的问题

difference

数据链路层 传输层
流量控制 点到点(相邻节点) 端到端
手段 收不下,不返回确认帧 接收端发送窗口公告

流量控制方法

  • 停止-等待协议
  • 滑动窗口协议:
    • 回退N帧协议(GBN:go back N)
    • 选择重传协议SR

停止-等待协议(等确认帧再发送)

没发送完一个帧就停止发送,等待对方的确认,在收到确认后在发送下一个帧

丢帧重传时间(数据丢之或者ack丢失):>RTT

  • 数据丢失重传

  • ack丢失,数据重传,接收方丢弃,重传ACK

  • ack迟到,数据重传,接收方丢弃,重传ACK,收到第二次发的确认帧,后续收到迟到的ack丢掉

流水线技术:一次发送多帧(滑动窗口的起源)

滑动窗口协议(窗口多帧发送)

采用累积确认

停止等待 GBN SR
发送窗口 1 >1 >1
接受窗口 1 1 >1

GBN特点

  • 上层调用(发送或缓存网络层数据)
  • 累计确认(ack为最后收到的帧的编号)
  • 超时重传
  • (缺点,选择重传修正这个问题)接收方无缓存,延迟或者出错全部丢弃(如果1号收到2号丢失,3,4号陆续到了都丢弃,等待发送发超时重传2号帧

GBN滑动窗口的长度
$$
1≤W≤2^n-1
$$
因为发送窗口过大,会使得对方区别新帧和旧帧,即编号的数目可能是固定的,他是循环利用的,可能会重复

选择重传协议(SR=GBK+接收方有窗口):缓存收到的帧,返回确认收到帧的编号(不代表编号前的帧都收到),窗口长度:
$$
1≤W≤2^n-1
$$
发送方窗口=接收方窗口(大了溢出,小了没意义)

信道利用率

发送周期内,有效发送数据所占据的比例,也就是(发送数据帧时间)除以(发送数据帧开始到接收到ack的总时间)
$$
信道利用率=(L/C)/T
$$
L:T内发送L比特数据

C:发送方数据传输率

T:发送周期,发送到收到ack

信道吞吐率

信道利用率* 发送方的发送速率

数据传输速率4kb/s,单向传播时延30ms,如果停止等待协议的信道最大利用率达到80%,数据帧长度为?

$$
0.8=\frac{L/4}{L/4+2*30}
$$

信道划分介质访问(高效率利用传输介质)

分两种

  • 点对点链路:专有线路,如ppp协议
  • 广播式链路:共享通信介质,如对讲机

介质访问控制

  • 静态分配(不冲突)
    • 频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)
    • 时分复用TDM(time)
    • 波分复用WDM(wave)
    • 码分复用CDM(code)
  • 动态分配
    • 轮训访问:
      • 令牌(不冲突)
    • 随机访问:(冲突)
      • aloha
      • CSMA
      • CSMA/CD
      • CSMA/CA

1.统计时分复用STDM

提出原因:有的主机在这个时间片不会发送信息,信道造成浪费

通过集中器,ABCD四个人,集中器大小设定为3,每来3个人,就发送走一波数据

解决TDM平分带宽的问题,集中器的TDM帧可以发送的数据都是一个人的数据,从而不影响带宽

2.CDMA码分多址,是CDM的一种方式

CDM(后续补充,没听懂)

1个比特分为多个chip(芯片/码片),每个站点被指定一个唯一的m位的chip序列

如何划分信道?

多个站点同时发送数据时候,要求各个站点芯片序列相互正交

多个站点接收数据的时候,数据在信道中被线性相加

ALOHA协议(想发就发)

特点:不监听信道,不按时间片发送,随机重发(发的时候彼此不知道冲突,所以可能两个人都发送失败)

ALOHA改进:时隙ALOHA协议,将时间分片,用户在时间片开始时刻同步接入网络信道,如果冲突,则下个时间片开始时刻再发送

CSMA协议家族(先听再发)

CSMA:carrier sense multiple access

CS:载波侦听:发送前检测

MA:多点接入

信道忙
  • 1-坚持CSMA:一直监听到信道闲,冲突则等待随机时间再来一直监听
    • 信道利用率高
    • 两个站点都坚持,死锁
  • 非坚持CSMA:等待随机时间后再监听
    • 减少冲突可能性
    • 信道利用率低
  • p-坚持CSMA:空闲以p概率传输,忙则以概率1-p等待下个时间片(不必深究),忙则等待随机时间再监听
    • 减少冲突
    • 信道利用率较高
    • 发生冲突后可能会坚持把数据帧发完(提出CD协议)
CDMA/CD(先听再说:边听边说)

cd:collision detection碰撞检测

在CSMA基础上,发送数据时也监听信道,忙则停止发送–半双工网络

争用期/冲突窗口/碰撞窗口:2T,如果没有碰撞则这次发送不会有冲突

如何确定重传?截断二进制指数规避算法(待完善)

最小帧长(避免还没碰撞检测完,数据已经发送结束了):帧长>=2T*数据发送速率

以太网规定最短帧长64B,凡是小的都是无效帧,丢弃

CDMA/CA(先听再说,礼让说)

CA:collision acoidance避免碰撞

应用于无线局域网的冲突

先检测信道是否空闲–>

空闲时发送RTS(request to send:发送端地址,接收端地址,发送持续时间),忙则等待–>

接收端收到RTS,响应CTS(clear to send),再次期间不会再响应别人的RTS–>

发送方收到CTS后,开始发送数据帧(同时预约信道:发送方告知预计传输时间,从而告知别的站点多久后重发)–>

接收端收到数据帧,采用CRC来检验数据,正确则响应ACK,如果丢失遵循上面的规避算法来确定推迟重发时间

CSMA/CD CSMA/CA
传输介质 有线 无线
载波检测方式 电压 能量检测,载波检测,能量波混合检测
冲突类型 检测冲突 避免冲突

相同点:先听再说,监听,冲突后,有限次重传机制

轮询访问介质访问控制

轮询协议:主节点轮流和从属节点发送数据

  • 轮询开销大
  • 等待延迟
  • 主节点故障

令牌传递协议:

  • 令牌:一个特殊格式的MAC控制帧,不含任何信息
  • 每个节点可以拿到令牌一段时间,发送数据
  • 令牌开销大
  • 等待延迟
  • 单点故障
  • 应用于环网
  • 适用于负载重,通信量大的网络中

局域网(Local Area Network)

  • 范围小
  • 速度较快
  • 延迟短,误码率低,可靠性高
  • 共享
  • 分布式控制,广播式通信,能广播和组播

星型拓扑,总线型拓扑(CSMA/CD,令牌总线产生逻辑环),环形拓扑(令牌环),属性拓扑

局域网分类:以太网,令牌环网,FDDI网,ATM网,无线局域网

数据链路层=逻辑链路层LLC+截止访问控制MAC层

  • LLC识别网络层协议并封装,知道如何处理ACK,为网络层提供:无确认无连接,面向连接,带确认连接,高速传送
  • MAC,帧的封装,拆封,帧的寻址识别,发送接收,链路管理,帧差错控制,屏蔽物理链路种类的差异性

以太网(Ethernet)

  • 便宜
  • 使用广泛
  • 相对简单
  • 速率较高

提供无连接,不可靠的服务:

  • 无连接:无需握手
  • 不可靠,没有编号,不确认,差错丢弃(传输层负责)

通过通信适配器通信:MAC地址,前24位代表厂家,后24位自己规定,常用6个十六进制数字表示

无线局域网

广域网

PPP协议:点对点协议,只支持全双工

  • 简单:无需纠错,无需编号,无需流量控制
  • 封装成帧:帧定界符
  • 透明传输:异步线路字节填充,同步线路比特填充
  • 多种网络层协议:封装IP数据包采用多种协议
  • 多种类型链路:串并行,同异步,光电……
  • 差错检测:错丢弃
  • 检测连接状态
  • 最大传送单元:数据部分最大MTU
  • 网络层地址协商
  • 数据压缩协商

PPP组成的三个部分:

  • 一个将IP数据包封装到串行链路(同异步串行)的方法
  • 链路控制协议LCP:建立和维护数据链路连接
  • 网络控制协议NCP:PPP支持多种网络层协议,对应NCP来配置,为网络层建立和配置逻辑连接

PPP帧格式

HDLC协议

高级数据链路控制:High-level data link control,是一个同步网上传输数据,面向比特的数据链路层协议

HDLC

三种站:

  • 主站
  • 从站
  • 复合站

PPP&HDLC共同点

  • 全双工
  • 透明传输
  • 查错但不纠错

不同点:

不同点 PPP HDLC
面向 字节 比特
协议字段 没有
序号和ACK 有↓
可靠性 不可靠 可靠

链路层设备

  • 网桥:根据MAC的目的地址进行帧的转发和过滤(隔离冲突域)
    • 过滤通信量,增大吞吐量
    • 扩大物理范围
    • 提高可靠性
    • 互联不同物理层
  • 交换机

网桥

  • 透明网桥:以太网上的站点不知道所发送的帧经过了哪几个网桥,是一种热插拔设备–自学习(通过广播来学习转发表)
  • 源路由网桥:把详细的最佳路由信息(路由最少\时间最短)放在帧的首部——通过广播方式向目的站发送一个发送帧

以太网交换机(多接口网桥)

  • 直通式:检查地址直接转发(延迟小,可靠性低,无法支持不同速率的端口交换)
  • 存储转发式:将帧放入高速缓存,检查正确性,正确则转发,错误丢弃(延迟大,可靠性高,支持不同速率端口)
隔离冲突域 隔离广播域
物理层(中继器,集线器) × ×
链路层(网桥,交换机) ×
网络层(路由)

诀窍

  • 广播域,0个路由1个广播域,1个路由2两个广播域
  • 冲突域:链路层设备(交换机)有几根线就是几个冲突域

网络层

功能

把分组从源端传到目的端,为分组交换网上的不同主机提供通信服务

  • 路由选择和分组转发(最佳路径OSPF)
  • 异构网互联
  • 控制拥塞
    • 开环控制(静)
    • 闭环控制(动态控制)

数据交换方式

  • 电路交换(两端一根线直连)
  • 报文交换
  • 分组交换

有两种连接方式

  • 数据报方式:无连接服务(无需建立连接,每个分组都有地址)
  • 虚电路方式:连接服务(建立连接)
数据报服务 虚电路
建立连接 ×
目的地址 每个分组都有 建立有,分组只有虚电路号
路由选择 每个分组独立进行路由选择转发 同一路径
分组顺序 不保证有序 有序
可靠性 不可靠通信,可靠性由主机保证 可靠性由网络保证
网络故障适应性 遇故障丢失,其他分组路径发生变化 所有经过此节点都丢包
差错处理和流量控制主机 控制,本身不保证 分组交换网负责或者主机负责

报文的分装

应用层:报文

传输层:报文段

网络层:IP数据包,分组

数据链路层:帧

物理层:比特流

IP

ip数据报格式

ip数据报=首部+数据部分

ip 数据报分片

MTU

以太网最大MTU是1500字节

IP数据报第32-63位,标识(16)+标志(3)+片偏移(13)

  • 标识(16):统一数据报的分片使用同一标识
  • 标志(4):中间位DF,DF=1禁止分片,DF=0允许分片,最低位MF,MF=1后面还有分片,MF=0,后面没有分片了
  • 片偏移:分片后相对位置,除了最后一个分片,其他都是8B的整倍数

总长度:单位1B

片偏移:单位是8B

首部长度:单位是4B

NAT

ip地址转化表,通过端口来实现地址映射

IP分类

子网掩码

无分类编址CIDR

1554451416437

ARP(IP-MAC)

广播ARP请求分组

源ip+目的ip+源MAC+目的MAC(全1)

单播ARP响应分组

ip+mac

如果A–>B经历5个路由,一共要使用6次ARP协议

DHCP(应用层协议,广播,基于UDP,CS架构)

静态配置ip

动态配置ip–>DHCP协议

  • 主机广播DHCP发现
  • DHCP服务器广播DHCP提供
  • 主机广播DHCP请求
  • DHCP服务器广播DHCP确认

ICMP

ICMP支持主机或者路由器

  • 差错报告
  • 网络探寻
ICMP报错 含义
终点不可达 无法交付
源点抑制(已取消) 目标向源主机发送,发慢点
时间超过 TTL=0时,发送超时报文
参数错误 首部字段有问题
重定向 让主机重新选择路由

ICMP差错报告报文数据字段

不发送ICMP差错报文的情况

  • 对本身的报错出错不再报错
  • 第一分片报错,后去分片不报错
  • 组播不报错
  • 特殊地址不报错(0.0.0.0/127.0.0.1)

ICMP询问报文:

  • 回送请求和回答报文(ping)
  • 时间戳请求和回答报文(时间同步和测量时间)

ICMP应用

  • PING
  • Traceroute:跟踪分组发送的路径,使用ICMP时间超过差错报文

IPv4(32bit)

不能使用的ip地址

网络号 主机号 作ip源地址 作IP目的地址 用途
全0 全0 × 默认路由
全0 特定值 × 表示本网内某个特定的主机
全1 全1 x 广播地址
特定值 全0 x x 网络地址,表示一个网络
特定值 全1 x 直接广播地址,对特定网络上的所有主机广播
127 除全0,1 用于本地软件换回测试
另一种 地址范围 网段数
A类 10.0.0.0~10.255.255.255 1
B 172.16.0.0~172.31.255.255 16
C 192.168.0.0~192.168.255.255 256

ABC为专属内部网络地址

IPv6(128bit)

首部40bit+有效负荷(≥64k)

网络层设备

路由

  • 静态路由算法
  • 动态路由算法
    • 全局性:链路状态路由算法OSPF(规模大)
    • 分散性:距离向量路由算法RIP(规模小)

自制系统AS:在单一技术管理下的一组路由器(一个局域网内,自己管理自己的,要不然路由算法无法完成)

路由选择协议

  • 内部网关协议IGP(AS内)RIP,OSPF
  • 外部网关协议EGP(AS间)BGP

RIP

定义:一种分布式基于距离向量的路由选择协议,简单,维护自己到目的网络唯一最佳距离(跳数)记录

feature:

  • 仅相邻交换信息
  • 每30s更新路由表,180s无消息则判断邻居没了
  • 故障发现慢(你发现旁边故障了,但邻居以为经过你就可以到达,然后你以为经过邻居,再经过你就可以到达,循环到,双方都变成16跳,才发现网络故障)

OSPF(类似Dijkstra)分布式链路状态

feature:

  • 自治系统内广播(非RIP的相邻)
  • 交换链路状态(费用,距离,时延,带宽等)
  • 链路状态变化才更新
  • 每隔30分钟刷新一次数据库中的链路状态
  • 故障发现比较快

OSPF分区:

BGP

AS间通信,交换网络可达性信息,发生变化时更新

OPEN–>UPDATE–>KEEPALIVE–>NOTIFICATION

协议 RIP OSPF BGP
类型 内部 内部 外部
路由算法 距离-向量 链路状态 路径-向量
传递协议 udp ip TCP
路径选择 跳数最少 代价最低 较好,非最佳
交换节点 相邻 所有 相邻
交换内容 自身路由表 所有 首次整个路由表,非首次,变化内容

IP组播(D类地址)

  • 单播
  • 广播
  • 组播(多播)基于UDP

IGMP协议+组播路由选择协议

传输层

  • 进程间逻辑通信
  • 复用和分用
  • 差错检测
  • TCP UDP
  • 端口号(16bit)
    • 服务端0-1023
    • 服务端1024-49151
    • 客户端49152-65535
service port
FTP 21
TELNET 23
SMTP 25
DNS 53
TFTP 69
HTTP 80
SNMP 161

Socket=ip+port

UDP

FEATURE:

  • 无连接
  • 不保证可靠交付
  • 面向报文
  • 无拥塞控制
  • 首部开销小8B,小于20B(TCP)

UDP检验

TCP

FEATURE

  • 面向连接
  • 点对点
  • 可靠有序
  • 全双工
  • 面向字节流

序号

确认号:期望收到的序号

数据偏移

URG:紧急位,值为1时高优先级发送

ACK:确认位,连接建立后等于1

PSH:推送位,值为1时,接收方尽快交付给应用进程

RST:复位,必须释放连接

SYN:同步位,1,标明是一个连接请求/连接接受报文

FIN:释放连接

窗口:接受窗口,即允许发送方的数据量

校验和

紧急指针:指出URG=1时,紧急数据的字节数

三次握手

四次挥手

流量控制

窗口控制

待补充