1. 物理层

物理层要点

1. 数字通信系统模型

源点,产生数据的设备(如计算机)
发送器,将数字比特信号转为模拟信号(0101格式转成波型)
接收器,把模拟信号转成数字信号(波型转成0101格式)
终点,接收数据的信号(如服务器)
数字信号就是0101格式的信号
模拟信号就是连续的波形格式的信号

2. 信道概念

信道表示向一个方向发送数据的媒介.一条电话线可以认为是包含一条发送信道和一条接收信道.
通信方式

单向通信,单工通信,只有单项信道.只能A->Bf发送信息,如广播,无线电
双向交替通信,半双工通信,通信双方可以交替发送信息,不能同时发送信息,如先A->B,在B->A,类似对讲机
双向同时通信,全双工通信,通信双方可同时发送信息,如电话.
为什么会有多种通信方式?因为传输的情况有很多种,单工适合广播,半双工适合对讲机,全双工适合打电话.

3. 传输媒介

先是三种有线通信

双绞线
把两个绝缘铜导线绕在一起,电话系统使用最多.可以传递数字和模拟信号.
同轴电缆
中间是铜芯,外边包屏蔽层,具有抗干扰性,传输速率高
光缆
中介是光纤,外边包低折射率的包层,使光在光线中进行全反射,传输带宽高,信号基本没损耗.
再是无线通信
短波通信(高频通信) 主要靠空中电离层的反射,信号不稳定,质量差,但在山区、戈壁、海洋，主要依靠短波通信,
无线电微波通信,在空间主要是直线传播,微波传输质量高,通信信道容量大.分为地面微波和卫星通信,地面微波需要大量中继站把信号不断传递下去.卫星通信覆盖范围广,3颗卫星就能覆盖全球,但是传播延时比较大.

4. 信道复用技术

信道复用技术的目的.就是为了在总的传输线路有限的情况下通过优化来提高传输效率
就是多个发送接收端公用同一个信道,这样节省资源提高效率.

频分复用 : 不同的发送端始终使用不同的发送频率同时发送数据(a 用1000kHz发送,b用2000kHz发送,同时发送)
时分复用 : 多用户在不用时间间隔上发送(a-b-c-d 一直按这个顺序重复发送)
波分复用 : 波是真对光纤来说的.类似频分复用,把光分成不同波段,让几个用户同时发送数据.
码分复用 : 就是将一个bit 分成多重格式(码型),每个传输方持有一种,然后每个传输方把数据取合后发送出去,接收方在把数据按码型在给解出来.可提高传输可靠性,减少干扰.

比如 AB两个发送方,A把比特信号1,0拆成 101,011(这叫码片序列).B把比特信号1,0拆成
110,010.二者都发送1 时,变成(101&110)=100,都发送0时为(011&010)=101,总之是两个
码型取并集.虽然发送量变大了.但是AB双方可以同时发送,接收方在用A,B的码片序列把
数据解出来.每个发送方的码序列必须各不相同,且互相正交.

5. 宽带接入技术

ADSL
ADSL技术就是利用居民家中的电话线改造上网的技术.成本小.覆盖广.电话线中0-4kHz的低频留给电话通话功能,高频部分用来上王.电话线中的信号是模拟信号(波形),因此在电话线的两端(用户端.网络运营商端)需要安装调制解调器.就是把模拟信号转为数字信号.
ADSL的特点是下载速度远大于上传速度(大概10:1)因为下载使用的信道比上行的多得多.
光纤同轴技术.
网络的主干部分使用光纤,在用户附近的地方改为用同轴电缆.光纤在光纤节点(光纤和电缆链接点)转为电信号通过电缆发送到用户.
此时发送到用户家庭中的是数字信号.那么用户的电视要接受模拟信号,就需要一个数字信号转模拟信号的调解器,我国就是机顶盒.这个和上边的ADSL是反过来的.
根据情况,有多重光纤到用户的情况:光纤到小区,光纤到大楼,光纤到户.无非就是光纤节点离用户越来越近.

6. 回答问题.

物理层的主要功能是什么.通过什么方式来实现的?这一次中最重要的点有哪些,哪些是要解决的问题?

物理层主要的功能是链接.如何把各地的用户通过硬件线路接入到互联网上来.还有就是如何减少波信号在传输过程中的损坏.和提高传输数据量.要针对不同的环境使用不同的传输方式,同时保证信号能正确的传输过去并被解读出来.

2. 数据链路层

链路层要点

链路层要解决什么问题,主要功能是什么,有什么特殊的控制机制,什么是1对1,1对多的通信,对应硬件设备有哪些,有什么作用

1. 基础知识

链路: 链路就是物理上实际相连的两个节点中间的线路,中间只有线路没有交换节点.
数据链路: 包含链路和控制链路传输的必要的协议,包含硬件和软件(可以理解为链路加两边的物理节点和通信协议)
帧: 链路层的数据单元,在链路层看来所有传输的数据都是帧.链路层和物理层进行数据交换时也是帧,链路层把帧发个物理层,物理层把数据封装成帧交给链路层.
封装成帧: 链路层把上层(网络层)发下来的数据,加上首部和尾部,封装成帧.首部尾部用来界定一帧的开头和结尾,同时确定能传输的数据部分的最大长度(MTU)
透明传输: 帧的首部尾部用控制字符(SOH,EOT)表示,那么就不允许数据部分中有和帧首部尾部相同的数据.如果有,在数据部分该符号前加入转义字符(ESC)来消除.接到帧的数据链路层则要把数据中的转义字符给去掉在传输给网络层协议

透明传输的转义字符
差错检测: 下层的物理层传输数据0101时可能会出错.这叫比特差错.
为了在链路层避免.先生产一个fcs(帧检查序列)添加到帧的数据部分后边.下个链路节点收到该帧后,进行一个校验算法,判断是否有比特差错.有就丢弃改帧,没有就接受该帧.
这就确保了链路接收节点接受的帧都是没有差错的.(保证一个帧在发送节点和接收节点的完全一致,但不保证发送节点发送的帧全被接受节点接收到.)
差错检测只保证接收节点接收到的帧没有比特差错.但不保证没有"帧丢失,帧重复,帧乱序"的问题.为此还设计的帧的编号机制,确认机制和重传机制.但这三个机制只在无线网络传输时使用,有线网交给上传协议处理.
帧丢失: 发出的帧没到达接收节点
帧乱序:后发的帧先到达接收节点
帧重复: 同一帧发送了多次到达接收节点

2. 点对点协议ppp(1对1传输)

点对点协议就是用户到网络运行商ISP通信时使用的数据链路层协议.

2.1.协议组成

将IP数据报封装成帧的方法
建立,配置,测试数据链路链接的链路控制协议(LCP)
网络控制协议NCP,用来支持不同的网络层协议

2.2. ppp帧的格式说明

ppp帧是1对1传输.所以帧中并没有存源点和目标节点的mac地址

首部尾部的F是帧界定符,界定帧开始和结束,如果两个界定符之间没内容,是空帧,应当丢弃.
A C 字段目前没有意义
协议部分规定上层网络层使用哪种协议
fcs 是帧检验序列,检查帧中数据没有比特差错(0变成1,1变成0)
ppp帧同样需要透明传输,发送时如果数据部分中有和帧界定符相同的字段要进行转义(转义字符是0x7D).接收后在去掉转义字符

2.3. ppp协议工作流程

ppp是用户和网络运营商进行连接的协议,流程大概是: 建立物理连接--建立链路控制协议(lcp)--口令鉴别--建立网络控制协议(ncp)-交换数据-发送链路中止消息-断开链路控制协议(lcp);

ppp协议状态图

首先是链路静止,此时设备和运营商无连接
设备请求建立链接后,进入链路建立状态,目的是建立链路控制连接(lcp)
开始协商一些lcp配置(链路上最大帧的长度,使用哪种鉴别协议等),配置成功后,进入鉴别阶段.鉴别失败就链路中止.
鉴别阶段只允许发送"lcp消息,鉴别协议消息,检测链路质量消息"三种.鉴别成功,进入网络层协议阶段
网络层协议阶段网络控制协议NCP根据链路双方不同的网络层协议交换网络控制报文.(就是两端使用不同的网络层协议.NCP进行转换,依然可以通信)
链路打开状态,双方开始交换真正的数据报文.
数据发送完后.任意一方可以发送中止请求.转到链路中止状态.然后回到链路静止状态.

3.广播协议(1对多)

3.1基础知识

以太网.就是用作为总线发送数据的网络.
*总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式，也就是说，连接端用户的[物理媒体]由所有设备共享.
总线的优点是电缆长度短，布线、维护容易，总线中任一节点发生故障都不会造成整个[网络]的瘫痪，可靠性高

网络拓扑结构

image.png
适配器(网卡)
数据串行传输(网络端)和并行传输的转换(计算机端)
mac地址存在适配器中
适配器收到局域网的帧后,交给网络层处理.
网络层传递下的IP包,适配器包成帧,发送给局域网

3.2 CSMA/CD协议(载波监听多点接入/碰撞检测协议)

总线特点: 一个计算机发送数据时,所有总线上的计算机都能收到数据,因此同一时间只能有一个发送方.

多点接入:在总线网络上,多台计算机连接在一根总线上
载波监听: 发送方在发送前和发送中,不停检测信道(单向传输的网络线路)是否有其他方在发送数据,只有信道空闲时才能发送数据.
碰撞检测: 检测发送数据时别人是否也在发送数据(此时信号变化幅度变大),如果有,就发送了数据碰撞.检测到碰撞后.停止发送并向后延时一段时间在继续发送.
为什么会发送碰撞?数据在信道传播需要时间,发送方A此时监听到信道空闲,可能是发送方B的数据还没到达,此时A再发送.AB的数据就会碰撞.
CSMA/CD 协议需要边发送边监听信道,因此使用双向交替通信(半双工)
碰撞窗口(争用期):发送端知道发生碰撞的最长时间.就是数据在端到端的链路上的往返时间,就是下图 A到B在到A的时间

碰撞发送

如果过了争用期还没检测到碰撞,说明数据顺利送达.因此链路层会缓存数据的时间为争用期的时间.过了这个时间发送成功,清除缓存

4. mac地址

mac地址就是硬件地址.全球唯一.数据链路层通过硬件地址找到下一个接收数据的硬件节点并传输数据.
mac帧格式
规定Mac帧长度不小于64字节.

最前边插入是让适配器(网卡)同步时间用
目的地址:是下个接收端的Mac
源地址是:当前发送数据的Mac
类型标识:上层使用的协议
数据:是上层的报文
fcs是帧的检测序列

5. 以太网扩展

1. 物理层扩展

就是把多个集线器连成的局域网在用集线器连起来,坏处是以前每个集线器连接的网是一个碰撞域,连起来后.碰撞域变大了.增大了数据碰撞的几率.好处是不同系的局域网可以跨系通信,也可以接受更大的物理距离(以太网传输距离有限)

image.png

2. 数据链路层扩展

二层交换机(以太网交换机):
工作在链路层的交换机.该机有十几个接口,每个接口连接一台硬件.
该机内部有缓存,转发效率高.
有交换表,可以查询帧的目的地址与接口的对应关系,把目的地址转发到特定的接口.(有一点像路由器的概念,但是是使用Mac地址作为查询参数的).
内部的交换表是通过与相邻的以太网交换机进行信息交换而自动生成的(具有自学功能).
当有一个帧到达交换机时,交换机记录该帧的mac源地址和接口的对应表.下次转发到这个Mac地址时直接走记录的接口.下一次另一个源地址发来的消息,再次记录Mac地址和接口的对应关系这样多个Mac源地址和接口的对应关系就逐渐建立起来.

交换机记录表

6.回答问题

链路层要解决什么问题,主要功能是什么,有什么特殊的控制机制,什么是1对1,1对多的通信,对应硬件设备有哪些,有什么作用

数据链路层把消息封装成帧,带有标记开头和结尾的界定符号,上层协议标识,源mac和目的Mac地址,数据校验字段

链路层传递
链路层就是把两台计算机之间的通信,分成了硬件相连的一小段一小段的连接消息传递.计算机H1.H2进行通信,在链路层并不知道最终B的地址,Mac帧里的地址(源地址,目标地址)是不断变化的如下 (H1,R1) ->(R1,R2)->(R2,R3)->(R3-H2).
消息双方通过mac地址来找到对方.同时对数据做校验,防止物理层面的传输引起数据比特位的错误.
链路层先建立1对1的通信来接入网络.然后在总线上使用1对多的总线传输方式来发送数据.
那么总线上所以其他站点都会收到消息,但是是有是Mac匹配的才接受消息,不匹配的把消息都丢弃.
因为采用总线的方式,同时只能有一个站发送数据,因此加入载波监听和碰撞检测,及检测碰撞后延时在发送数据,来避免多个站发送数据导致数据全部不能使用.
以太网交换机,通过使用地址表.把目的Mac地址转发到正确的接口.减少了数据在无用接口上的传递.
适配器(网卡)就是计算机里的Mac地址对应的硬件,作用是接收局域网的帧,解成IP包转发给网络层. 接收网络层的ip包,封装成帧,转发给局域网.

3. 网络层

网络层用来做什么?主要特点是什么?有什么难点?如何解决的?

1.基础知识

面向连接方式:计算机双方通信时,先建立一条连接,(一条虚电路),保留双方通信所需要一切资源,然后在该链接上进行通信.(类似打电话)
无连接方式: 不需建立链接,发送方直接发送数据,接收方发现数据错误或者顺序不变.择由接收方进行整理,通知发送方重发.(类似发快递)
网络层向上只提供简单的,无连接的,尽最大努力交付的数据报服务.也就是无连接方式(把面向连接交给了更上层传输层来处理)
两者对比,虚电路就是面向连接,数据报就是无连接

对比
IP协议组成
地址解析协议ARP: 通过IP地址找到对应的Mac地址
网际控制报文协议ICMP: 监控网络情况,报告网络错误
网际组管理协议IGMP: 用来在多播路由器与其局域网中的主机建立、维护多播组成员关系
虚拟互联网络.
互联网其实就是把许多局域网再次连接起来.形成网络的网络.而不用的网络技术不同,硬件不同,需求不同,所以需要进一步的进行抽象,否则无法实现,这就是IP协议.忽略了不同网络的差异.在使用IP网络时,就好像在单一网络环境里通信一样.

网络抽象
不同协议对应的硬件
物理层: 转发器
数据链路层: 网桥/桥接器,交换机(多个网桥的集成)
网络层 :路由器
传输层: 网关
ip层传输案例
如下图,其中R是路由器,他也具有ip地址,他只有物理层,链路层和传输层这三层.数据在不同类型之间的传输,在ip层抽象后看来,就是在多个具有ip地址的节点之间的传输.就是H1->R1->R2->R3->R4->R5->H2

2. IP地址

2.1 组成

ip地址就是给互联网上每台主机和路由器分配唯一的32位标识符(虚拟机里ip可能不唯一)
ip组成网络号:主机号

ip地址分类

D类地址用于多播(1对多)
IP地址为32位,通常分成4个8位,用十进制标识,如100000000 00001011 00000011 00011111 表示为128.11.3.31
一些特殊要点

image.png
IP地址有网络号和主机号,因此ip地址机构只分配网络号,主机号交给申请ip的单位自己分配.路由器也只针对网络号进行查询转发数据分组.
ip地址标识的是一条链路的接口,因此如果计算机有有线和无线.就会有两个ip地址,而路由器连接多个网络则有多个ip地址.
互联网平等对待没每个ip地址.
同一局域网网络号唯一,所以网桥和转发器连接的网络仍是同一局域网.网桥和转发器没有ip地址.

2.2 IP地址与MAC地址

Mac是数据链路层和物理层使用的地址,是硬件地址,由设备产生. ip地址是网络层以上使用的地址,是逻辑地址,由软件分配.
下两图表示IP地址和Mac地址区别.在一次数据发送过程中h1发消息给h2.网络层的源地址和目标地址ip1和ip2是不变的.指向的是这次通信主机的双方的地址.而链路层的源地址和目标地址Ha1和Ha2是不断变化的.指的是每段链路传递过程时的传递两端的地址.ip地址是一种更高层次的抽象.
在网络层.路由器只看见ip地址,因而根据目标地址的网络号选择合适的线路转发,找出下个转发节点对应的Mac地址.
在链路层.路由器则只看见Mac地址,每次经过路由器.把之前的Mac地址都去掉,生成新的Mac地址进行转发.

2.3 地址解析协议ARP

用来找到ip地址对应的Mac地址,进行链路层转发.

在主机中放一个高速缓存.用来存放ip地址到Mac地址的映射表
映射表生成原理

1. 主机A向B要发送ip数据包时,先查询A的映射表,是否有B对应的Mac,
有就把地址写入mac帧里.
2. 如果没有.主机A向局域网发送ARP请求广播"我的ip是209.0.0.5,我的Mac是00-00-c0-15-ad-18,
我要找ip是209.0.0.6的Mac地址".
3. 局域网中与209.0.0.6不匹配的主机忽略这条数据包.二主机B匹配这个地址,他就发条
点对点通信给A"我的ip是209.0.0.6 我的mac是08-00-2b-ee-0a"同时把A的ip和mac存
在B自己的映射表里.
4. A收到ARP响应后,保存B的IP和Mac在A的映射表中,同时把写入Mac帧中.把之前的数据
包发给B.

映射表通常有生存时间(如10-20分钟),超时后从缓存中删除.
ARP只解决在同一局域网中ip和Mac的映射,不能解析不同网络的映射.因为路由器通常连接多个网络,所以是先找到找到要转发出去ip,在通过arp找到对应的Mac.在封装进Mac帧进行发送.所以路由或主机也主要是在他连接的两个网络中的数据转发.如下图的R1把消息冲网1转到网2,并不能转到网3,也拿不到网3里设备的mac地址.

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2.4IP数据报格式

版本: ip协议版本 IPv6/IPv6
总长度:首部长度+数据长度之和,不能超过链路层规定的最大传送单元(MTU)
标识:当数据报长度超过MTU时,需要分片,分片后的几个数据报有相同标识.可以组成原来的同一个数据
片偏移:分片后的数据报在原来数据中的位置,用给分片的包排序.
生存时间(TTL):每经过一个路由器减一,当为0时,丢弃这个数据报,防止数据在网络中无限制的循环兜圈子而无法到达接收方,浪费资源.
协议:指数据部分使用的协议,供应用层来解读.
首部校验和:简单算法校验首部,首部出错就丢弃该数据报.

2.5 网络层数据转发流程

对于一个局域网路由器不存储该网络所有的主机的ip,而是只保存主机或路由器ip的网络号和对应出口的对应关系.因此当有数据报要进行转发时,先查出网络号对应的出口,可能是下一个路由器(就会得到一个ip),也可能是本机连接的接口(得到接口号),如果是得到ip,在通ARP查到Mac,写到链路层的帧中,进行转发.如果是接口,就进行直接交付.

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2.6 子网划分

1.子网号

子网划分原因:IP地址不够用.利用率低.不够灵活.因此加入子网掩码,

将网络号:主机号的ip地址改为网络号:子网号:主机号
子网号对外界不可见,
子网号的做法是从主机和借用若干位.同时主机号减少同样位数,并不改变原来的ip地址.
外界网络发送的数据.仍根据ip数据报的网络号找到本网络的路由器.路由器在按网络号.子网号,交给对应的主机
比如某机构拥有B类IP地址145.13.0.0(网络号是145.13),外界会把145.13网络号的数据报都转发到该机构,在查找该ip的子网号.再从该子网号里找到对应ip的主机.
有ip地址是145.13.3.1的ip报文进入该机构,.现假设子网号为8位,则主机号也只剩8位.那么145.13.3就是主机号加子网号.则145.13.3子网里ip为145.13.3.1的主机会收到信息.那该如何确定子网号有多少呢?我们需要子网掩码
子网掩码就是用来确定子网号有多少位的.子网掩码的位数等于网络号加子网号.子网掩码每位都是1.所以把ip地址与子网掩码进行与运预算.就能得到主机号.
同一个ip.如果子网掩码不同.则对应的是不同的主机.
比如ip 145.13.3.1,假设网络号都是145.13.3.1 ,当子网掩码为4位时,主机号占12位,当子网掩码是8位时,主机号占8位

目标ip 145.13.67.1
二进制      10010001   00001101  01000011   00000001
子网掩码4位 11111111   11111111   11110000  00000000
对应主机号  00000000   00000000   00000011  00000001
对应子网号  00000000   00000000   01000000  00000000
表示.子网号为64的网络里主机号为3.1的机器收到了消息
子网掩码8位 11111111   11111111   11111111   00000000
对应主机号  00000000   00000000   00000000   00000001
对应子网号  00000000   00000000   01000011   00000000
表示子网号为67的网络里.主机号为1的机器收到了消息.

可见.同一ip.如果有不同位数的子网掩码.就会产生不同的子网号.结果也是不同的主机号.但子网并没有使ip数量变多.只是更加灵活而已.提高了ip的利用率.其实就是把同一网络号下的网络又细分了一下.

2. 路由器的变化

增加子网掩码后.路由器之间交行路由信息时,还有把自己网络的子网掩码告诉相邻路由器.所以表中还需存储目标的网络地址和子网掩码.

路由转发算法:

从收到的ip数据报中获得目的IP地址 D.
先看直接交付.就是和该路由直接连接的网络.用各网络的子网掩码和D进行与预算.得到网络地址 F(网络号+子网号),看是否和直接连接的网络地址匹配.匹配就直接转发交付.不行就下一步(匹配成功时并不需要主机号相同,)
查找ip和D相同的地址,如果有,进行转发数据报文.否则下一步
遍历表中每一行,与D进行与运算得到网络地址F2,如果和该行的网络地址相同,则转发给该行指明的下一跳接口.否则下一步
如果有默认路由器.则转发给默认路由器.否则下一步
报告转发分支错误.

3. 无分类编址CIDR

无分类编址去掉ip中ABC类和子网的概念.把ip分成"网络号:主机号"两部分.ip后边加上"/数字"表示前缀所占位数.
如 128.14.35.7/20 表示前缀占20位,主机号占12位.
这样以后.路由就只需要用网络前缀去匹配对应跳转地址就可以.这叫做路由聚合.这使得路由信息表中的条目大大减少.从而减少路由器交行信息表的次数.提高路由信息表的查询次数
网络前缀越远,包含的地址数越多.
路由匹配时,规则也响应变化.路由表由网络前缀和下一跳地址组成.从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由进行匹配.
如 192.168.13.0 匹配到 192.168.0.0/24 和192.168.0.0/26,则要选择192.168.0.0/26进行转发.
需要注意的是,无论是子网掩码还是cidr,都并没有增加IP地址的数量.也没有使1个ip地址对应多个站点.他们只是通过更加精细化的分组.提高了ip地址分配时的效率.同时减少了路由器中路由表的数量,提高查询速度.比如你有1w台机器要联网.以前需要分配一个B类地址给你,但B类地址最大有65534个ip可使用.而你用不了这么多就造成浪费.现在可以给以一个b类地址加一个子网掩码(比如26位子网掩码),那么b类子网掩码中和你不同的那些ip,就可以分配给其他人.或者给你分配一个16位的前缀.其他16位的前缀就可以分配给别人.而你的每个ip仍旧是唯一的.

计算机网络-笔记