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
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

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	有	没有
序号和ACK	无	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

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