互联网服务提供商ISP可以从互联网管理机构获得许多IP地址,同时拥有通信线路以及路由器等联网设备,个人或机构向ISP缴纳一定的费用就可以接入互联网。
互联网交换中心IXP是不同电信运营商之间为连通各自网络而建立的集中交换平台。
目前互联网是一种多层次的ISP结构,ISP根据覆盖面积的大小分为第一层ISP、区域ISP和接入ISP。互联网交换点IXP允许两个ISP直接相连而不用经过第三个ISP。
电路交换
电路交换用于电话通信系统,两个用户要通信之前需要建立一条专用的物理链路,并且在整个整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路,因此电路交换对线路的利用率很低,往往不到10%。
分组交换
每个分组都有首部和尾部,包含了源地址和目的地址等控制信息,在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响,因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组,也就是说分组交换不需要占用传输线路。
在一个邮局通信系统中,邮局收到一份邮件之后,先存储下来,然后把相同目的地的邮件一起转发到下一个目的地,这个过程就是存储转发过程,分组交换也使用了存储转发过程。
排队时延
分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待的时间,取决于网络当前的通信量。
处理时延
主机或路由器收到分组时进行处理所需要的时间,例如分析首部、从分组中提取数据、进行差错检验或查找适当的路由等。
传播时延
电磁波在信道中传播所需要花费的时间,电磁波传播的速度接近光速。
其中l表示信道长度,v表示电磁波在信道上的传播速度。
2.OSI(开放式系统互联)
五层协议没有表示层和会话层,而是将这些功能留给应用程序开发者处理。
3.TCP/IP
TCP/IP体系结构不严格遵循OSI分层概念,应用层可能会直接使用IP层或网络接口层。
4.数据在各层之间的传递过程
在向下的过程中,需要添加下层协议所需要的首部或尾部,而在向上的过程中不断拆开首部和尾部。
路由器只有下面三层协议,因为路由器位于网络核心中,不需要为进程或者应用程序提供服务,因此也不需要传输层和应用层。
根据信息在传输线上的传送方向,分为以下三种通信方式:
模拟信号是连续的信号,数字信号是离散的信号。带通调制把数字信号转换为模拟信号。
将网络层传下来的分组添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束。
CSMA/CD表示载波监听多点接入、碰撞检测。
记端到端的传播时延为 τ,最先发送的站点最多经过2τ就可以知道是否发生了碰撞,称2τ为争用期。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。
当发生碰撞时,站点要停止发送,等待一段时间再发送。这个时间采用截断二进制指数退避算法来确定。从离散的整数集合{0,1,…,(2^k-1)}中随机取出一个数,记作r,然后去r倍的争用期作为重传等待时间。
互联网用户通常需要连接到某个ISP之后才能接入到互联网,PPP协议是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。
PPP的帧格式:
MAC地址是链路层地址,长度为6字节(48位),用于唯一标识网络适配器(网卡)。
一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个MAC地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器,因此就有两个MAC地址。
局域网是一种典型的广播信道,主要特点是网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限。
主要有以太网、令牌环网、FDDI和ATM等局域网技术,目前以太网占领着有线局域网市场。
可以按照网络拓扑机构对局域网进行分类:
以太网是一种星型拓扑结构局域网。
早期使用集线器进行连接,集线器是一种物理层设备,作用于比特而不是帧,当一个比特到达接口时,集线器重新生成这个比特,并将其能量强度放大,从而扩大网络的传输距离,之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧,那么就发生了碰撞。
目前以太网使用交换机替代了集线器,交换机是一种链路层设备,它不会发生碰撞,能根据MAC地址进行存储转发。
以太网帧格式:
交换机具有自学习能力,学习的是交换表的内容,交换表中存储着MAC地址到接口的映射。
正是由于这种自学习能力,因此交换机是一种即插即用设备,不需要网络管理员手动配置交换表内容。
下图中,交换机有4个接口,主机A 向主机 B 发送数据帧时,交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B,先查交换表,此时没有主机 B 的表项,那么主机 A 就发送广播帧,主机 C 和主机 D 会丢弃该帧,主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时,交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1,就发送数据帧到接口 1,同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。
虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组,只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。
例如下图中(A1,A2,A3,A4)属于一个虚拟局域网,A1发送的广播会被A2,A3,A4收到,而其它站点收不到。
使用VLAN干线连接来建立虚拟局域网,每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口,以互连VLAN交换机。
IEEE定义了一种扩展的以太网帧格式802.1Q,它在标准以太网帧上加进了4字节首部VLAN标签,用于表示该帧属于哪一个局域网。
因为网络层是整个互联网的核心,因此应当让网络层尽可能简单。网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交互的数据报服务。
使用IP协议,可以把异构的物理网络连接起来,使得在网络层看起来好像是一个统一的网络。
与IP协议配套使用的还有三个协议:
IP地址的编址方式经历了三个历史阶段:
1.分类
由两部分组成,网络号和主机号,其中不同分类具有不同的网络号长度,并且是固定的。
IP地址::={<网络号>,<主机号>}
2.子网划分
通过在主机号字段中拿一部分作为子网号,把两级IP地址划分为三级IP地址。
IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
要使用子网,必须配置子网掩码。一个B类地址的默认子网掩码为255.255.0.0,如果B类地址的子网占两个比特,那么子网掩码为11111111 11111111 11000000 00000000,也就是255.255.192.0.
注意,外部网络看不到子网的存在。
3.无分类
无分类编址CIDR消除了传统A类、B类和C类地址以及划分子网的概念,使用网络前缀和主机号来对IP地址进行编码,网络前缀的长度可以根据需要变化。
IP地址::={<网络前缀号>,<主机号>}
CIDR的记法上采用在IP地址后面加上网络前缀长度的方法,例如128.14.25.7/20表示前20为为网络前缀。
CIDR的地址掩码可以继续称为子网掩码,子网掩码首1长度为网络前缀的长度。
一个CIDR地址块中有很多地址,一个CIDR表示的网络就可以表示原来的很多个网络,并且在路由表中只需要一个路由就可以代替原来很多路由表项的数量。把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合,也成为构成超网。
在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成,在查找时可能会得到不止一个匹配结果,应当采用最长前缀匹配来确定该匹配哪一个。
网络层实现主机之间的通信,而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中,IP数据报的源地址和目的地址始终不变,而MAC地址随着链路的改变而改变。
ARP实现由IP地址得到MAC地址。
每个主机都有一个ARO高速缓存,里面有本局域网上各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表。
如果主机A知道主机B的IP地址,但是ARO高速缓存中没有该IP地址到MAC地址的映射,此时主机A通过广播的方式发送ARP请求分组,主机B收到该请求之后,会发送ARP响应分组给主机A告知其MAC地址,随后主机A向其高速缓存中写入主机B的IP地址到MAC地址的映射。
ICMP是为了更有效的转发IP数据报和提高交付成功的机会。它封装在IP数据报中,但是不属于高层协议。
ICMP报文分为差错报告报文和询问报文。
1.Ping
Ping是ICMP的一个重要应用,主要用于测试两台主机之间的连通性。
Ping的原理是通过向目的主机发送ICMP Echo请求报文,目的主机收到之后会发送Echo回答报文。Ping会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。
2.Traceroute
Traceroute是ICMP的另一个应用,用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
Traceroute发送的IP数据报封装的是无法交付的UDP用户数据报,并由目的主机发送终点不可达差错报告报文。
由于IP地址的紧缺,一个机构能申请到的IP地址数往往远小于本机构所拥有的主机数。并且一个机构并不需要把所有的主机接入到外部的互联网中,机构内的计算机可以使用仅在本机构有效的IP地址(专用地址)。
有三个专用地址块:
VPN使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。专用指机构内的主机只与本机构内的其它主机通信。
下图中,场所A和B的通信经过互联网,如果场所A的主机X要和另一个场所B的主机Y通信,IP数据报的源地址是10.0.0.1,目的地址是10.2.0.3,数据报先发送到与互联网相连的路由器R1,R1对内部数据进行加密,然后重新加上数据报的首部,源地址是路由器R1的全球地址125.1.2.3,目的地址是路由器R2的全球地址194.4.5.6.路由器R2受到数据报后将数据部分进行解密,恢复原来的数据报,此时目的地址为10.2.0.3,就交付给Y。
专用网内部的主机使用本地IP地址又想和互联网上的主机通信时,可以使用NAT来将本地IP转换为全球IP。
在以前,NAT将本地IP和全球IP一一对应,这种方式下拥有n个全球IP地址的专用网内最多只可以同时有n台主机接入互联网。为了更有效的利用全球IP地址,现在常用的NAT转换表把传输层的端口号也用上了,使得多个专用网内部的主机共用一个全球IP地址。使用端口号的NAT也叫做网络地址与端口转换NAPT。
路由器从功能上可以划分为:路由选择和分组转发。
分组转发结构由三个部分组成:交换结构、一组输入端口和一组输出端口。
路由选择协议都是自适应的,能随着网络通信量和拓扑结构的变化而自适应地进行调整。
互联网可以划分为许多较小的自治系统AS,一个AS可以使用一种和别的AS不同的路由选择协议。
可以把路由选择协议划分为两大类:
RIP协议实现简单,开销小。但是RIP能使用的最大距离为15,限制了网络的规模,并且当网络出现故障时,要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器。
2.内部网关协议OSPF
开放最短路径优先OSPF,是为了克服RIP的缺点而开发出来的。
开放表示OSPF不受某一家厂商控制,而是公开发表的,最短路径优先表示使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF。
OSPF具有以下特点:
所有路由器都具有全网的拓扑结构图,并且是一致的。相比于RIP,OSPF的更新过程收敛的更快。
3.外部网关协议BGP
BGP(Border Gateway Pratocol,边界网关协议)
AS之间的路由选择很困难,主要是由于:
BGP只能寻找一条比较好的路由,而不是最佳路由。
每个AS都必须配置BGP发言人,通过在两个相邻BGP发言人之间建立TCP连接来交换路由信息。
网络层只把分组发送到目的主机,但是真正进行通信的并不是主机而是主机中的进程。传输层提供了进程间的逻辑通信,传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节,使应用程序看起来像是在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。
首部字段只有8个字节,包括源端口、目的端口、长度、检验和。12字节的伪首部是为了计算检验和临时添加的。
三次握手的原因
第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器,让服务器错误打开连接。
客户端发送的连接请求如果在网络中滞留,那么就会隔很长一段时间才能收到服务器发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后,就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器,如果不进行三次握手,那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手,客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认,不进行第三次握手,因此就不会再次打开连接。
四次挥手的原因
客户端发送了FIN连接释放报文之后,服务器收到了这个报文,就进入了CLOSE_WAIT状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据,传送完毕之后,服务器会发送FIN连接释放报文。
TIME_WAIT
客户端接收到服务器端的FIN报文之后,进入了此状态,此时并不是直接进入CLOSED状态,还需要等待一个时间计时器设置的时间2MSL。这么做有两个理由:
TCP使用超时重传来实现可靠传输:如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认,那么就重传这个报文段。
一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间称为往返时间RTT,加权平均往返时间RTTs计算如下:
其中,0 ≤ a < 1,RTTs 随着 a 的增加更容易受到 RTT 的影响。
超时时间RTO应该略大于RTTs,TCP使用的超时时间计算如下:
其中 RTTd 为偏差的加权平均值。
窗口是缓存的一部分,用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口,接收方通过TCP报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小,发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。
发送窗口内的字节都允许被发送,接受窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认,那么就将发送窗口向右滑动一定距离,知道左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态;接收窗口的滑动类似,接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机,就向右滑动接收窗口。
接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认,例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35},其中 {31}按序到达,而 {34, 35} 就不是,因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后,就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。
流量控制是为了控制发送方发送速率,保证接收方来得及接收。
接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小,从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为0,则发送方不能发送数据。
如果网络出现拥塞,分组将会丢失,此时发送方会继续重传,从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时,应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像,但是出发点不同,流量控制是为了让接收方能来得及接收,而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。
TCP主要通过四个算法来进行拥塞控制:慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。
发送方需要维护一个叫做拥塞窗口(cwnd)的状态变量,注意拥塞窗口与发送方窗口的区别:拥塞窗口只是一个状态变量,实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。
为了便于讨论,做如下假设:
1.慢开始与拥塞避免
发送的最初执行慢开始,令cwnd=1,发送方只能发送1个报文段;当收到确认后,将cnwd加倍,因此之后发送方能够发送的报文段数量为:2、4、8…
注意到慢开始每个轮次都将cwnd加倍,这样会让cwnd增长速度非常快,从而使得发送方发送的速度增长速度过快,网络拥塞的可能性也就更高。设置一个慢开始门限ssthresh,当cwnd>=ssthresh时,进入拥塞避免,每个轮次只将cwnd加1.
如果出现了超时,则令ssthresh=cwnd/2,然后重新执行慢开始。
2.快重传与快恢复
在接收方,要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认,例如已经接收到M1和M2,此时收到M4,应当发送对M2的确认。
在发送方,如果收到三个重复确认,那么可以知道下一个报文段丢失,此时执行快重传,立即重传下一个报文段,例如收到三个M2,则M3丢失,立即重传M3。
在这种情况下,只是丢失个别报文段,而不是网络拥塞。因此执行快恢复,令ssthresh=cwnd/2,cwnd=ssthresh,注意到此时直接进入拥塞避免。
慢开始和快恢复指的是cwnd的设定值,而不是cwnd的增长速率。慢开始cwnd设定为1,而快恢复cwnd设定为ssthresh。
DNS是一个分布式数据库,提供了主机名和IP地址之间相互转换的服务。这里的分布式数据库是指,每个站点只保留它自己的那部分数据。
域名具有层次结构,从上到下依次为:根域名、顶级域名、二级域名。
DNS可以使用UDP或者TCP进行传输,使用的端口号都为53,。大多数情况下DNS使用UDP进行传输,这就要求域名解析器和域名服务器都必须自己处理超时和重传从而保证可靠性。在两种情况下会使用TCP进行传输:
FTP使用TCP进行连接,它需要两个连接来传送一个文件:
根据数据是否是服务器端主动建立,FTP有主动和被动两种模式:
主动模式要求客户端开放端口号给服务器端,需要去配置客户端的防火墙。被动模式只需要服务器端开放端口号即可,无需客户端配置防火墙。但是被动模式会导致服务器端的安全性减弱,因为开放了过多的端口号。
DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)提供了即插即用的联网方式,用户不再需要手动配置IP地址等信息。
DHCP配置的内容不仅是IP地址,还包括子网掩码、网关IP地址。
DHCP工作过程如下:
TELNET用于登录到远程主机上,并且远程主机上的输出也会返回。
TELNET可以适应许多计算机和操作系统的差异,例如不同操作系统的换行符定义。
一个电子邮件系统由三部分组成:用户代理、邮件服务器以及邮件协议。
邮件协议包含发送协议和读取协议,发送协议常用SMTP,读取协议常用PO3和IMAP。
1.SMTP
SMTP只能发送ASCII码,而互联网邮件扩充MIME可以发送二进制文件。MIME并没有改动或者取代SMTP,而是增加邮件主体的结构,定义了非ASCII码的编码规则。
2.POP3
POP3的特点是只要用户从服务器上读取了邮件,就把该邮件删除。
3.IMAP
IMAP协议中客户端和服务器上的邮件保持同步,如果不手动删除邮件,那么服务器上的邮件也不会被删除,IMAP这种做法可以让用户随时随地去访问服务器上的邮件。
1.DHCP配置主机信息
2.ARP解析MAC地址
3.DNS解析域名
4.HTTP请求页面