计算机网络课程笔记

版权声明

• 计算机网络系列学习笔记来源于以下资料：
  • James F. Kurose 和 Keith W. Ross 的著作《计算机网络——自顶向下方法》第6版 [1]；
  • 李全龙副教授和聂兰顺副教授在中国大学MOOC网站上所授课程计算机网络 [2]；
• 该系列笔记不以盈利为目的，仅用于个人学习、课后复习及科学研究；
• 如有侵权，请与本人联系（[email protected]），经核实后即刻删除；
• 本文采用 署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0 国际 (CC BY-NC-ND 4.0) 协议发布；

1. 计算机网络概述

1.1 基本概念

• host/end systems：主机/端系统，通过通信链路和分组交换机实现互联；
  • 客户机；
  • 服务器；
• ISP：Internet service provider；
• LAN：Local Area Network，局域网；
• RFC：Request for Comments，请求评议文档，定义公开协议；

1.2 网络结构

• 计算机网络结构：
  • 网络边缘：
    • 主机/端系统：每个端系统有一个 IP 地址；
      • client-server 模型；
      • peer-peer (P2P) 模型；
    • 接入网：将端系统连接到边缘路由器的物理链路；
      • 带宽：bandwidth，bps；
      • 共享/独占；
  • 网络核心：分组转发设备；
• 常见的接入网络：
  • DSL & ADSL：
    • DSL： Digital Subscriber Line，数字用户线，使用 FDM（频分复用），借助已有的电话线连接至中心局；
    • ADSL： Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线路；
      • 下行传输速率高于上行传输速率；
      • 用户独占接入网络；
  • HFC：Hybrid Fiber Coax，混合光纤同轴电缆网；
    • 下行传输速率高于上行传输速率；
    • 用户共享接入网络；
  • FTTH：光纤到户；
  • 无线接入网络：
    • 无线局域网：LANs，同一建筑物内；
    • 广域无线接入：通过电信运营商，接入范围约为几十公里；

1.3 网络核心

• 网络核心的功能：路由（routing）、转发；
• 网络核心解决的基本问题：数据交换，将数据从源主机送达目的主机；
  • 转发表：每台路由器具有一个转发表，将目的地址（或目的地址的一部分）映射为输出链路；
  • 路由选择协议：自动设置转发表；
• 数据交换的类型：
  • 电路交换：独占频带资源，E.g. 电话网络；
    • 建立连接；
    • 通信；
    • 释放连接；
  • 报文交换：采用存储转发方式；
  • 分组交换：采用存储转发方式，需要拆分、重组报文；
    • 分组：将报文拆分为较小的数据包，并加上头部信息；
• 分组交换相较于电路交换的优缺点：
  • 优点：
    • 简单可用，无需建立连接、拆除连接；
    • 适用于传输突发数据，共享频带资源，允许更多用户同时使用网络；
  • 缺点：可能产生拥塞，导致分组延迟和丢失，需要协议加以控制；
• 分组交换相较于报文交换的优势：
  • 分组交换对路由器的缓存要求低；
  • 分组交换中，通信链路上的路由器可以并行转发分组，传输延迟更小；

1.4 网络性能

1.4.1 衡量网络性能的指标

• 衡量网络性能的指标：
  • 速率；
  • 带宽：在计算机网络中，指数字信道的最高传输速率，单位为 bps；
  • 时延；
  • 时延带宽积；
  • 丢包率；
  • 吞吐量：路由器转发分组的速率；

1.4.2 时延

• 流量强度：$\frac{La}{R}$；
  • L：分组长度 L 比特；
  • a：分组到达路由器的速率，单位为分组/秒；
  • R：传输速率；
• 时延：
  • 处理时延：通常为微秒数量级；
    • 检查分组首部，确定输出链路；
    • 检查传输错误；
  • 排队时延；
    • 若流量强度趋近于0，则排队时延趋近于0；
    • 若流量强度趋近于1，则排队时延趋近于无穷；
    • 若流量强度趋大于1，则发生丢包；
  • 传输时延：$传输延迟=\frac{分组长度}{链路带宽}$；
  • 传播时延：$传播延迟=\frac{物理链路长度}{信号传播速度}$；
• 时延带宽积：
  • $时延带宽积(bit)=传播时延(s)\times 带宽(bit/s)$；
  • 含义：当第一个bit的信息到达信宿后，链路中所有信息的比特数，即链路中能容纳的比特数，又称以比特为单位的链路长度；

1.4.3 丢包和吞吐量

• 丢包：
  • 路由器缓存容量有限，若分组到达已满队列，则发生丢包；
  • 由前序节点或源节点重发，也可能不重发；
  • $丢包率=\frac{丢包数}{已发分组总数}$；
• 端到端吞吐量：发送端与接收端之间的传输速率，取决于瓶颈链路；
  • 瞬时吞吐量；
  • 平均吞吐量；

1.5 计算机网络的体系结构

1.5.1 基本概念

• ISO：International Organization for Standardization，国际标准化组织；
• OSI：Open System Interconnect，开放系统互连模型，是一种分层网络体系结构模型；
• PDU：Protocol Data Unit，协议数据单元，OSI 模型中的每一层都将建立协议数据单元，附加到数据中；
• SAP：Service Access Point，服务访问点，同一系统中相邻层实体间通过接口交换原语，指定服务内容；
• 协议栈：各层所有协议的总称；
• 各层中分组的称谓：
  • 报文：message，应用层的信息分组；
  • 报文段：segment，运输层的信息分组；
  • 数据报：datagram，网络层的信息分组；
  • 帧：frame，链路层的分组；
• 分组中具有两种类型的字段：
  • 首部字段；
  • 有效载荷字段；

1.5.2 协议层次

• 5层因特网协议栈：
  • 应用层：支持各种网络应用，协议是应用中的一个重要部分；
    • DNS：域名解析；
    • FTP：2个端系统间文件传输；
    • HTTP：Web 文档的请求和传送；
    • SMTP：电子邮件报文传输；
  • 运输层：进程间数据传输，TCP、UDP；
  • 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发，IP协议、路由选择协议；
  • 链路层：相邻网络元素（主机、交换机、路由器）的数据传输；
  • 物理层：比特传输；
• 7层 OSI 模型：
  • 应用层；
  • 表示层：使通信的应用程序能解释交换数据的含义，提供数据压缩、数据加密和数据描述；
  • 会话层：提供数据交换定界和同步功能；
  • 运输层；
  • 网络层；
  • 数据链路层；
  • 物理层；

1.5.3 网路中各层的功能

• 数据链路层的功能：负责节点间的数据传输；
  • 组帧；
  • 物理寻址；
  • 流量控制；
  • 差错控制；
  • 访问（接入）控制；
• 网络层的功能：从源主机到目的主机数据分组交付；
  • 逻辑寻址；
  • 路由；
  • 分组转发；
• 运输层的功能：端到端之间完整的报文传输；
  • 分段与重组；
  • SAP 寻址；
  • 连接控制；
  • 流量控制；
  • 差错控制；
• 会话层的功能：
  • 对话控制；
  • 同步；
• 表示层的功能：两个系统间交换信息的语法和语义；
  • 数据表示转换；
  • 加密/解密；
  • 压缩/解压；
• 应用层的功能：支持用户通过用户代理或网络接口使用网络服务；

1.6 网络安全概述

• 网络攻击类型：
  • 入侵用户设备；
    • 病毒：需要某种形式的用户交互，方可感染用户设备；
    • 蠕虫：无需明显的用户交互，即可感染用户设备；
  • 攻击服务器和网络基础设施：
    • 僵尸网络：由众多受害设备组成，被用于发起 DDoS；
    • DDoS：分布式拒绝服务攻击；
      • DoS：Denial-of-Service (DoS) attack，拒绝服务攻击；
  • 嗅探分组：
    • 分组嗅探器：一台被动的接收机，用于记录各个分组的副本；
  • 伪装身份：
    • IP 哄骗：将具有虚假源地址的分组注入因特网；
    • 使用端点鉴别技术加以防范；

2. 应用层

2.1 应用层协议原理

2.1.1 网络应用的体系结构

• 网络应用的体系结构：
  • 客户机/服务器结构：Client-Server (C/S)，客户机之间不直接通信；
  • P2P结构：对等体系结构，端系统之间可直接通讯；
    • 优点：不需要庞大的服务器基础设施和服务器带宽；
    • 缺点：不易管理；
  • 混合结构：E.g. 服务器跟踪客户机 IP，客户机之间直接交换报文；

2.1.2 进程通信

• 进程间通信：
  • 同一主机上不同进程间通信：操作系统提供进程间通信机制；
  • 不同主机上不同进程间通信：报文交换，使用 Socket 发送/接收消息；
• 进程的标识符：IP 地址 + 端口号；
  • IP 地址：4字节，用于寻址主机；
  • 端口号：16 bits；
    • 为每个 Socket 分配1个端口号；
    • 周知端口号：well-known port number，0-1023，保留给常见的应用层协议使用；
• 常见端口号：
  • FTP：21；
  • HTTP：80；

2.2 Web 和 HTTP

2.2.1 HTTP 概述

• Web：World Wide Web，万维网，应用层协议为 HTTP；
  • 网页包含多个对象；
  • 网页间相互链接；
• HTTP 的实现：
  • 客户程序：Web 浏览器实现 HTTP 的客户端；
  • 服务器程序：Web 服务器实现 HTTP 的服务端；
  • 常见的 Web 服务器：
    • Apache；
    • Microsoft Internet Information Server；
• Web 页面：由对象组成，一个基本 HTML 文件和若干个引用对象；
  • 对象：E.g. HTML 文件、JPEG 图片、视频片段……
  • 对象寻址：URL (Uniform Resource Locator)，统一资源定位器，E.g. http://www.someSchool.edu/someDepartment/picture.gif；
    • 主机名：www.someSchool.edu；
    • 路径名：/someDepartment/picture.gif；
• HTTP 协议：Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议；
  • 无状态协议：服务器不保存任何客户信息；
  • 请求/响应交互模式；
• HTTP 连接的类型：默认使用持续连接，但也可配置为使用非持续连接；
  • 非持续连接：HTTP 1.0 版本；
    • 每个 TCP 连接至多允许传输一个对象；
    • 缺点：若有多个对象需要传输，则需多次建立 TCP 连接，时间开销大；
  • 持续连接：HTTP 1.1 版本，每个 TCP 连接允许传输多个对象；
    • 无流水线机制的持久性连接：
      • 仅当客户端收到前一个响应后，才发送新的请求；
      • 每个被引用对象耗时1 RTT；
    • 流水线机制的持久性连接：
      • 客户端遇到一个引用对象，则立即发出请求；
      • 理想状态下，收到所有引用对象仅耗时1 RTT；
• 面试题 HTTP 1.0 协议和 HTTP 1.1 协议的区别？
  • 长连接和流水线机制：HTTP 1.1 支持长连接和流水线机制，可在1个 TCP 连接上传送多个 HTTP 请求，减小了频繁建立连接产生的开销；
  • 节省带宽：HTTP 1.1 允许用户传输对象中的部分内容，支持断点续传；
  • host 域：HTTP 1.1 具有 host 域，允许多个虚拟主机共享同一 IP；
  • 错误状态响应吗：HTTP 1.1 增加了24个错误状态响应码；
  • 缓存处理：HTTP 1.1 引入更多缓存策略；
• 非持续连接的响应时间：$响应时间=2RTT+文件传输时间$；
  • RTT：Round Trip Time，往返时间，一个短分组在客户机和服务器间往返一次所需时间；
  • 建立 TCP 连接：1 RTT；
  • 客户向服务器发送确认消息并发送 HTTP 请求、接收到 HTTP 响应消息的第一个字节：1 RTT；
  • 响应消息中的文件传输时间；

2.2.2 HTTP 报文格式

• HTTP 报文：
  • 请求报文；
  • 响应报文；
• HTTP 请求报文格式：
  • 请求行：HTTP 请求报文的第一行；
    • 面试题 HTTP 请求报文中方法字段取值：
      • PUT：增，将对象上传到 Web 服务器；
      • DELETE：删，将对象从 Web 服务器上删除；
      • POST：改，用户提交表单，E.g. 使用搜索引擎搜索关键词；
      • GET：查，大部分 HTTP 请求报文使用 GET 方法，也可对 HTML 表单使用 GET 方法，输入数据包含在 URL 中；
      • HEAD：测试，类似于 GET 方法，服务器使用一个 HTTP 报文响应，但不返回请求对象，便于开发者调试；
    • URL 字段：请求对象的标识；
    • HTTP 版本字段；
    • entity body：使用 POST 方法时，entity body 中存放表单中的值；
  • 首部行：header line；
• 面试题 GET 和 POST 的区别：
  • GET：
    • 参数放在 URL 中，在一个 TCP 数据包中发送 HTTP header 和数据；
    • 只能进行 URL 编码；
    • 参数被完整保留到浏览器历史记录里；
    • 在 URL 中传递的参数长度有限，只接受 ASCII 字符；
    • GET 的参数暴露在 URL 中，不能传递敏感信息；
  • POST：
    • 参数放在请求体中，产生两个 TCP 数据包，浏览器先发送 header，收到响应后再发送数据；
    • 支持多种编码方式；
    • 参数不会被保留；
    • 参数的长度和数据类型无限制；
• HTTP 响应报文格式：
  • 状态行；
    • 协议版本；
    • 状态码；
    • 状态信息；
  • 首部行；
  • entity body：被请求的对象内容；
• HTTP 响应状态代码：
  • 面试题 解释 HTTP 请求中状态码304的含义？

状态码	相应短语	含义
200	OK
301	Moved Permanently	请求的对象已被永久转移，新的 URL 定义在响应报文的Location:首部行中
304	Not Modified	自上次请求后，文件未被修改
400	Bad Request	服务器无法理解该请求
404	Not Found
505	HTTP Version Not Supported

• 面试题 HTTP 和 HTTPS 之间的差别？
  • 两者的连接方式和所用端口号不同；
  • HTTP 运行在 TCP 上，明文传输，HTTPS 运行在 SSL 上，加密传输；
  • HTTPS 需要向 CA 申请证书（付费）；
  • HTTPS 可防止运营商劫持；

2.2.3 Cookie 技术

• Cookie 技术：用于辨别用户身份，将数据加密后存储在用户本地；
• Cookie 组件：
  • HTTP 响应消息的 Cookie 首部行；
  • HTTP 请求消息的 Cookie 首部行；
  • 保存在客户机上的 Cookie 文件，由浏览器管理；
  • Web 服务器的后端数据库；

2.2.4 Web 缓存

• Web 缓存器/代理服务器：架设在 origin server 和 client 之间，既充当客户端，又充当服务器；
  • 缩短响应时间；
  • 减少接入链路到因特网的通信量，从而降低费用；
• CDN：Content Distribution Network，内容分发网络；
  • 由多个地理上分散的缓存器组成；
  • 实现大量流量本地化；
• 条件 GET 方法：Web 缓存器向初始服务器发送条件 GET 方法，判断对象自指定日期后是否被修改；

2.3 FTP

2.3.1 FTP 概述

• FTP：File Transfer Protocol，文件传输协议；
  • 运输层协议：TCP；
  • 使用2个并行的 TCP 连接：
    • 控制连接：传输控制信息，持续连接；
    • 数据连接：传输数据信息，非持续连接；
• 带外传送和带内传送：out-of-band，in-band；
  • 带外传送：控制信息和数据信息通过不同 TCP 连接传输，E.g. FTP；
  • 带内传送：控制信息和数据信息通过同一个 TCP 连接传输，E.g. HTTP；
• FTP 和 HTTP 的异同：
  • 相同点：均为文件传输协议；
  • 不同点：
    • FTP： 使用2个并行的 TCP 连接；
    • HTTP：使用1个 TCP 连接；

2.3.2 FTP 报文

• FTP 协议命令：
  • retrieve：vt. 检索，取回；
  • store：vt. 储存；n.商店，仓库；

命令	含义
USER username:	向服务器发送用户标识
PASS password:	向服务器发送用户口令
LIST:	请求服务器返回当前目录中的文件列表
RETR filename:	在当前目录中检索并返回该文件
STOR filename:	在当前目录中上传该文件

• FTP 状态码：

状态码	相应短语
331	Username OK, Password required
125	Data connection already open; transfer starting
425	Can’t open data connection
452	Error writing file

2.4 Email

2.4.1 Email 应用概述

• Email 应用的构成组件：
  • 邮件客户端：；
  • 邮件服务器；
  • SMTP 协议：Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议；

2.4.2 SMTP 协议

• SMTP 协议：；
  • 传输层协议：TCP，持续连接；
  • 传输的阶段：握手、消息传输、关闭；
  • 命令/响应交互模式；
  • 邮件报文仅能用7位 ASCII 码表示，如需传送多媒体数据，则应将二进制多媒体数据编码为 ASCII 码；
  • SMTP 一般不使用中间邮件服务器发送邮件，TCP 连接直接将收发双方的邮件服务器相连；
• SMTP 和 HTTP 的区别：
  • 协议类型：
    • SMTP：是一个推协议（push protocol）；
    • HTTP：是一个拉协议（pull protocol）；
  • 编码格式：
    • SMTP：报文使用7位 ASCII 编码；
    • HTTP：无该要求；
  • 报文格式：
    • SMTP：将所有对象放在一个报文中；
    • HTTP：将每个对象放在对应的响应报文中；

2.4.3 邮件访问协议

• 为什么需要邮件访问协议：
  • SMTP：
    • 将邮件从发送方的用户代理传送到发送方的邮件服务器；
    • 将邮件从发送方的邮件服务器传送到接收方的邮件服务器；
    • 接收方不能使用 SMTP 协议取回报文，因为取报文是一个拉操作，而SMTP 是一个推协议；
  • 邮件访问协议：接收方的用户代理从邮件服务器中获取邮件；
    • POP3：Post Office Protocol-Version 3；
    • IMAP：Internet Mail Access Protocol；
    • 基于 Web 的电子邮件；

SMTP

SMTP

Mail Access Protocol

sender

Sender mail server

Recipient mail server

Recipient

• POP3：
  • 授权阶段：用户代理以明文形式向用户邮件服务器发送用户名和密码；
  • 事务处理阶段；
  • 更新阶段；
• POP3 的用户代理可选配置：
  • 下载并删除邮件，将邮件存储在本地主机上的邮件文件夹中；
  • 下载并保存邮件；
• IMAP：
  • 在远程服务器上建立邮件文件夹，并保存邮件；
  • 维护用户状态信息；
  • 允许用户代理获取报文组件，E.g. 仅读取报文首部；
• 基于 Web 的电子邮件：
  • 用户代理为浏览器；
  • 邮件访问协议为 HTTP；
  • 浏览器（发送方的用户代理）至发送方的邮件服务器亦使用 HTTP；

2.5 DNS

2.5.1 DNS 提供的服务

• 主机的标识方法：

  • 主机名；
  • IP 地址；

• DNS：Domain Name System，域名系统；

  • DNS：应用层协议；
  • 运输层协议：UDP；
  • DNS 功能：
    • 域名解析：实现域名和 IP 地址之间的映射；
    • 主机别名：一台主机可以有一个规范主机名和若干个别名；
    • 邮件服务器别名；
    • 负载分配：繁忙的站点被冗余分布在多个不同的端系统上，DNS 将主机名依次映射到各个 IP 上；

2.5.2 DNS 工作机理

• 集中式 DNS 的缺陷：
  • 单点故障；
  • 通信容量；
  • 用户时延（远距离的集中式数据库）：若查询用户距离 DNS 服务器较远，则时延较长；
  • 不易维护、扩展；
• DNS 层次结构：
  • 根服务器：本地 DNS 服务器无法解析域名时，则访问根服务器；
  • 顶级域名服务器：E.g. com、org、edu；
  • 权威域名服务器；
• 本地 DNS 服务器：严格意义上不属于 DNS 层次结构；
  • 每个 ISP 均有一个本地 DNS 服务器；
  • 主机需先向本地 DNS 服务器发送查询报文，再由本地 DNS 服务器依次向 DNS 层次结构中的各服务器发送查询报文；
  • DNS 缓存：缓存主机名和 IP 地址之间的映射关系；

2.5.3 DNS 记录和报文

• RR：Resource Record，资源记录，即主机名到 IP 地址的映射；
  • 实现 DNS 分布式数据库的所有 DNS 服务器存储了 RR；
  • RR 以4元组的形式表示：(Name, Value, Type, TTL)；
    • TTL：RR 应从缓存中删除的时间；
    • 不同的 Type 值对应不同类型的记录，参见 [1] 中 Page 94第3-17行；
• DNS 报文格式：参见 [1] 中 Page 94-95；

2.6 P2P 应用

2.6.1 P2P 概述

• 基于 P2P 体系结构的应用：
  • 文件分发；
  • 分布式散列表：一种基于 P2P 结构的数据库；
    • 使用散列函数将各对等方的原始名称转换为标识符；
    • 各对等方均存储若干个键值对；
• P2P 索引技术：
  • 集中式索引：单点失效、瓶颈问题；
  • 泛洪查询：大量消耗网络带宽，导致网络拥塞；
    • 分布式架构，每个节点仅对该节点共享的文件进行索引；
    • 查询消息通过已有的 TCP 连接发送给相邻节点；
  • 层次式覆盖网络：介于集中式索引和泛洪查询之间；
    • 节点和超级节点之间存在 TCP 连接；
    • 超级节点之间存在 TCP 连接；
    • 超级节点跟踪子节点的内容，并为子节点提供索引；

2.6.2 文件分发

• BitTorrent：一种流行的应用于文件分发的 P2P 协议；
  • torrent，n. 激流，洪流；
  • torrent：参与一个特定文件传输的所有对等方组成的集合；
  • 每个 torrent 具有一个 tracker（追踪器），用于跟踪正在参与 torrent 的所有对等方；
  • 所有对等方之间上传、下载等长度的文件块；
  • 最稀缺优先：rarest first，优先下载、上传最稀缺的文件块；

2.7 Socket 编程

2.7.1 Overview

• Socket API：套接字接口；
  • socket，n. 插座；
  • 介于应用层和传输层之间；
  • 源地址和目的地址：
    • IP 地址：区分主机；
    • 端口号：每个进程可能有一个或多个 Socket，每个 Socket 都会被分配一个端口号；

2.7.2 UDP Socket 编程

• 相关要求及源代码参见 [1] 中的2.7.1；

2.7.3 TCP Socket 编程

• TCP 连接过程：
  • serverSocket：欢迎套接字，客户通过3次握手，通过欢迎套接字与服务器交互，服务器新生成一个连接套接字，供某个客户专用；
  • connection Socket：客户机和服务器之间通过连接套接字收发数据；
• 相关要求及源代码参见 [1] 中的2.7.2；

3. 运输层

3.1 运输层服务

• 运输层和网络层提供的服务：
  • 运输层：提供不同主机上进程之间的逻辑通信机制；
    • 多路复用、多路分用；
    • 运输层协议仅运行在端系统上，中间路由器上不实现运输层协议，不识别、不处理运输层加在应用层报文上的信息；
    • 运输层提供的部分服务内容受到网络层限制：E.g. 时延保障、带宽保障；
    • 运输层可提供一些网络层不提供的服务：E.g. 可靠数据传输、数据加密；
  • 网络层：提供主机之间的逻辑通信机制；
• 运输层协议提供的服务：
  • 面向连接的服务：进程通信前有握手过程；
    • 客户机-服务器进程间需要建立连接；
    • TCP 连接是全双工的连接；
  • 可靠数据传输：防数据丢失；
  • 流量控制：发送方的发送速度不超过接收方的处理能力；
    • 带宽敏感的应用：对吞吐量需求有下限；
    • 弹性应用：根据当前情况利用吞吐量；
  • 拥塞控制：
    • 当网络负载过重时，限制发送方的速度；
    • 限制每个 TCP 连接，使其公平共享带宽；
  • 时延；
  • 安全性：加密、数据完整性校验、端点鉴别；
    • TCP、UDP 均无数据加密机制；
    • SSL：Secure Socket Layer，安全套接字层，作为 TCP 的加强版本，提供进程间安全性服务，包括加密、数据完整性校验、端点鉴别；
• TCP 和 UDP：
  • TCP：按发送的顺序交付数据；
  • UDP：报文段可能乱序到达；
  • UDP 提供的最低限度的服务:
    • 数据交付；
    • 差错检查；

传输服务	TCP	UDP
面向连接的服务	T	F
可靠数据传输	T	F
流量控制	T	F
拥塞控制	T	F
时延保障	F	F
最小带宽保障	F	F

• 常见应用的运输层协议：

应用	应用层协议	运输层协议
电子邮件	SMTP	TCP
Web	HTTP	TCP
文件传输	FTP	TCP
远程终端访问	Telnet	TCP
域名解析	DNS	UDP
流式多媒体	常使用专用协议	UDP/TCP
因特网电话	常使用专用协议	UDP/TCP

3.2 多路复用与多路分解

• 多路复用、多路分解：主机间交付扩展到进程间交付；
  • 多路复用：运输层从多个 Socket 接收数据，为数据块封装上首部信息，生成报文段，交给网络层；
  • 多路分用：运输层根据首部信息，将接收到的 Segment 定向到对应的 Socket；
• Socket 标识：
  • UDP：无连接的分用；
    • 使用二元组识别套接字：(目的IP地址，目的端口号)；
    • 若两个报文段的源 IP 地址和源端口号不同，但目的IP地址和目的端口号相同，将被定向到相同的 Socket；
  • TCP：面向连接的分用；
    • 使用四元组识别套接字：(源IP地址，源端口号，目的IP地址，目的端口号)；
    • 若两个报文段的源 IP 地址和源端口号不同，但目的IP地址和目的端口号相同，将被定向到不同的 Socket，因为 TCP 提供面向连接的服务，所建立的连接仅供2个特定的 Socket 交互；

3.3 UDP

• UDP：User Datagram Protocol，用户数据报协议；
  • 网络层协议：IP 协议；
  • 校验和：checksum，提供简单的错误校验，但无法恢复错误；
  • 可在应用层加入部分 UDP 不提供的服务：增加可靠性机制，实现可靠数据传输；
• UDP 的优点：适用于对速度要求高，但对数据丢失不明感的应用；
  • UDP 首部开销小；
  • 无拥塞控制机制，便于应用控制发送时间和速率；
  • 无连接的服务，没有建立连接产生的时间开销，延时少；
  • 无连接的服务，无需维护连接状态，可支持更多用户；

3.4 可靠数据传输原理

3.4.1 Overview

• FSM：Finite-State Machine，有限状态机；
• rdt：Reliable Data Transfer，可靠数据传输；
• udt：Unreliable Data Transfer，不可靠数据传输；

3.4.2 构造可靠数据传输协议

• rdt1.0：经完全可靠信道的可靠数据传输；
  • 假定分组按发送顺序交付；
• rdt2.0：经具有比特差错信道的可靠数据传输；
  • 假定分组按发送顺序交付；
  • rdt2.0是一个停-等协议：stop-and-wait：
    • ACK：肯定确认；
    • NAK：否定确认；
    • 发送端在接收到反馈信息之前，处于等待状态，期间不会发送新的数据；
• ARQ：Automatic Repeat reQuest，自动重传请求；
  • 差错检测；
  • 接收方反馈；
  • 重传；
  • 注意：若反馈信号无法准确传递至发送方，则发送方重新发送该数据报，为避免出现冗余的数据报，需要在各个数据报中加入序号；
• rdt3.0：经具有比特差错的丢包信道的可靠数据传输；
  • 超出设定时间范围后，发送方重传数据报；

3.4.3 流水线可靠数据传输协议

• 为什么引入流水线可靠数据传输协议：rdt3.0是一个停等协议，发送方大部分时间处于等待状态，效率低下；
• 流水线协议中的差错恢复方法：
  • 回退N步：GBN，Go-Back-N，亦称滑动窗口协议；
    • 累计确认：若发送方收到序号为 n 的 datagram 对应的 ACK，则表明序号小于或等于 n 的 datagram 均已被接收方正确接收；
    • 接收方丢弃所有失序 datagram，发送方重传；
  • 选择重传：SR，Selective Repeat；
    • 若滑动窗的窗口过大，则无法判断一个 datagram 是新的 datagram 还是重传的 datagram；
    • 窗口长度必须小于或等于序号空间大小的二分之一；

3.5 TCP

3.5.1 Overview

• TCP：Transmission Control protocol，传输控制协议；
  • TCP 连接提供全双工服务；
  • TCP 连接为单播通信；
• MTU：Maximum Transmission Unit，最大传输单元，即最大链路层帧长度；
• MSS：Maximum Segment Size，最大报文段长度，除运输层协议首部之外的长度，即封装在 Segment 中应用层数据的长度；
  • MSS 受到 MTU 的限制；
• 报文段的序号：
  • 将报文按字节编号，按 MSS 分割报文，取 Segment 中第一个字节的编号作为报文段的序号；
  • 注意：不是按照报文段的排列编号；

3.5.2 TCP 数据传输原理

• 超时/重传机制：rdt、TCP 均使用该机制处理 Segment 丢失；
• TCP 协议可视为 GBN 和 SR 的混合体；

3.5.3 流量控制

• 流量控制和拥塞控制的区别：
  • 流量控制：限制发送方的发送速率，使其与接收方的读取速率匹配，避免接收方的缓存溢出；
  • 拥塞控制：限制发送方的发送速率，避免 IP 网络拥塞；
• 流量控制的实现方式：发送方维护一个名为接收窗口的变量，记录接收方缓存的可用空间大小；

3.5.4 TCP 连接管理

• TCP 报文中的部分标志字段：
  • ACK；
  • SYN：Synchronize Sequence Numbers，同步序列编号；
  • FIN：用于关闭 TCP 连接；
  • RST：Reset，重置；
• 面试题 三次握手：即建立 TCP 连接，前两个 Segment 中不含有效载荷（即不含应用层数据），第三个报文段中可包含有效载荷；
  • Step 1：客户端向服务器端发送一个 Segment，不含有效载荷；
    • 首部标志位 SYN=1，因此该 Segment 被称为 SYN Segment；
    • 序号字段：客户端随机选择一个初始序号；
  • Step 2：服务器端向客户端发送一个 Segment，不含有效载荷；
    • 首部标志位 SYN=1、ACK=1，因此该 Segment 被称为 SYN ACK Segment；
    • 序号字段：由服务器端选择；
    • 确认号字段：将 SYN Segment 中的序号字段加一；
  • Step 3：客户端向服务器端发送一个 Segment，可携带有效载荷；
    • 首部标志位 SYN=0、ACK=1；
    • 确认号字段：将 SYN ACK 的序号字段加一；
• 面试题 四次挥手：客户机和服务器均可选择关闭 TCP 连接；
  • Step 1：客户端向服务器发送1个 Segment；
    • FIN=1；
    • 序号字段；
  • Step 2：服务器向客户端发送1个确认 Segment；
    • ACK=1；
    • 序号字段；
    • 确认号字段：
    • 注意：此时客户端不再向服务器发送数据，但仍可接收来自服务器的数据；
  • Step 3：服务器向客户端发送1个 Segment；
    • FIN=1；
    • 序号字段；
    • 确认号字段；
  • Step 4：客户端向服务器发送1个确认 Segment；
    • ACK=1；
    • 序号字段；
    • 确认号字段：
  • 客户端等待 2 MSL （Maximum Segment Lifetime）后，关闭 TCP 连接，释放所有相关资源；
    • 该步骤用于防止 Step4 中的 ACK Segment 丢失；
    • 若 Step4 中的 ACK Segment 丢失，则服务器将向客户端重新发送 Step 3 中的 Segment，此时客户端向服务器重新发送 Step 4 中的 Segment；
• 面试题 简要说明 SSL 4次握手？
  • Step 1：客户端向服务器发送报文，包括客户端生成的1个随机数（Client random）、客户端支持的加密方法；
  • Step 2：服务器向客户端发送报文，包括服务器生成的1个随机数（Server random）、1种被服务器选择的加密方法、服务器证书、非对称加密公钥（便于客户端加密 Premaster secret）；
  • Step 3：确认服务器证书合法后，客户端向服务器发送报文，客户端生成第3个随机数（Premaster secret），使用 Step 2 中服务器的公钥和约定的加密方法对报文加密；
  • Step 4：服务器使用私钥将报文解密后，可得第3个随机数，根据3个随机数（Client random、Server ransom、Premaster secret），可求得对称加密密钥，服务器向客户端发送报文，告知客户端此后的 HTTP 报文使用该密钥和约定的加密方法加密数据；
• 面试题 若建立连接后，客户端发生故障，应如何处理？
  • TCP 连接中，服务器维护1个定时器，每当服务器收到来自客户端的报文，则重置该定时器；
  • 若定时器溢出后，服务器仍未收到来自客户端的报文，则向客户端发送探测报文段；
  • 若发送多个探测报文段均无响应，服务器将关闭 TCP 连接；
• 面试题 能否使用2次握手取代3次握手？
  • 不能；
  • 3次握手可以让双方均确认连接已建立；
  • 若使用2次握手，则可能发生死锁；
    • 客户端向服务器请求建立连接；
    • 服务器向客户端发送确认报文段，假设该报文段丢失；
    • 服务器将认为连接已建立，可向客户端发送报文；
    • 客户端无法判断连接是否已建立，拒不接收来自服务器的报文；
    • 服务器发送报文后，无法收到对应的确认报文，引发超时重传，从而形成死锁；
• 面试题 为什么建立 TCP 连接需要3次握手，而关闭 TCP 连接需要4次握手？
  • 建立 TCP 连接过程中，第2次握手时，将 SYN 和 ACK 放在1个报文段中发送；
    • ACK：用于确认客户端的请求；
    • SYN：用于同步序列编号；
  • 关闭 TCP 连接过程中，服务器的 ACK、FIN 不得不使用2个 Segment 发送；
    • ACK：确认已收到来自客户端的 Segment，但服务器可能仍有部分数据处于发送状态，无法立即关闭连接；
    • FIN：服务器中的 Segment 均已发送完成，将关闭连接；
• 若接收到的 Segment 中包含的端口号或源 IP 地址，在服务器上无对应的 Socket，则不同的运输层协议给出不同的回应；
  • TCP：服务器向客户端发送1个重置 Segment，其中 RST 标志位被置为1；
  • UDP：服务器向客户端发送1个 ICMP Segment；
• 面试题 为什么 TCP 能实现可靠数据传输？
  • 三次握手、四次挥手；
  • 超时重传；
  • 借助滑动窗口实现流量控制；
  • 拥塞控制；

3.6 TCP 拥塞控制

3.6.1 概念

• cwdn：Congestion window，拥塞窗口，发送方在每个 RTT 内，向接收方发送 cwdn 个字节的数据；
• ssthresh：Slow start threshold，慢启动阈值；
  • 当发生丢包时，将当前拥塞窗口值的一半作为慢启动阈值；
• AIMD：Additive-Increase，Multiplicative-Decrease，加性增，乘性减；
  • 每个 RTT 内，拥塞窗口的大小增加1MSS；
  • 发生拥塞后，拥塞窗口大小减半；
• 2种类型的拥塞控制方法：TCP 使用端到端拥塞控制；
  • 端到端拥塞控制：网络层不为运输层的拥塞控制提供显式支持，端系统通过观察网络行为（E.g. 分组丢失、时延）来判断拥塞状态；
  • 网络辅助的拥塞控制：
    • 路由器向发送方提供拥塞状态信息；
    • 路由器对途经该路由器的分组做标记，接收方收到被标记的分组后，向发送方发送拥塞信息；

3.6.2 TCP 拥塞控制

• TCP 感知网络拥塞的方式：即感知丢包的方式；

  • 某个特定的 Segment 对应的 ACK 超时；
  • 收到3个冗余的 ACK（即一个初始 ACK 和3个冗余 ACK）；
    • 若收到2个冗余的 ACK，则可能是报文乱序；
    • 若收到3个冗余的 ACK，则可能是 Segment 丢失；
    • 若收到4个冗余的 ACK，则更可能是 Segment 丢失；
    • 因此在收到3个冗余的 ACK 后，可初步判定为 Segment 丢失，即发生网络拥塞；
  • 注意：
    • 超时：表明网络拥塞程度较重；
    • 收到3个冗余 ACK：表明网络还能传输部分 Segment；

• TCP 调节传输速率的方式：

  • 调整拥塞窗口的大小，加性增，乘性减；
  • 慢启动；

• TCP 拥塞控制算法的组成部分：

  • 慢启动；
  • 拥塞避免；
  • 快速恢复（可选）；

• 慢启动：

  • cwdn 的初始值设置为1个 MSS；
  • 发送方每收到一个 Segment 的 ACK，即将 cwdn 增加1个 MSS，E.g. 1、2、4、8……；
  • 慢启动阶段，发送速率以指数增长；

• 超时重传和快速重传：

  • 超时重传：若定时器溢出，则判定某个 Segment 丢失，重传该 Segment；
  • 快速重传：若发送方接收到3个冗余的 ACK，则判定某个 Segment 丢失，无需等待定时器溢出，重传该 Segment；

• 快速恢复：

  • 收到3个冗余的 ACK 后，将慢启动阈值设置为当前拥塞窗口的一半；
  • 将拥塞窗口值加3，重传丢失的 Segment；
    • 收到3个冗余的 ACK，表明有3个 Segment 已到达接收方的缓存中，不再占用网络资源，因此可将拥塞窗口加3个 MSS；
  • 若发送方继续收到冗余的 ACK，则每收到一个冗余的 ACK，即将拥塞窗口加1个 MSS；
  • 当发送方接收到新 Segment 对应的 ACK 时，发送端将拥塞窗口降低为步骤一中的值，此后进入拥塞避免状态；

• 面试题 简述拥塞控制模式？

  • 若拥塞窗口小于慢启动阈值，则处于慢启动状态，拥塞窗口指数增长；

  • 若拥塞窗口大于慢启动阈值，则处于拥塞避免状态，拥塞窗口线性增长；

  • 若收到3个冗余 ACK，

    • 则将慢启动阈值设置为当前拥塞窗口大小的一半；

    • 拥塞窗口值减半；

    • 每个 RTT 内，拥塞窗口加1 MSS（拥塞窗口大小线性增长）；

  • 若发生超时：

    • 立即将慢启动阈值设置为当前拥塞窗口大小的一半；
    • 令拥塞窗口大小为1 MSS；
    • 发送方每收到一个 Segment 的 ACK，即将拥塞窗口增加1个 MSS（拥塞窗口大小指数增长）；
    • 当拥塞窗口大小达到慢启动阈值后，再线性增长；

4. 网络层

4.1 Overview

4.1.1 转发和路由选择

• 网络层的功能：
  • 转发：在单一路由器中，从一条入链路到一条出链路的传送；
  • 路由选择：决定从发送方到接收方的最优路径；
  • 建立连接；
• 转发表：每台路由器具有1个转发表，存储 datagram 首部值和输出链路之间的对应关系；
  • 即 VC 号和输入输出链路之间的对应关系；
• 分组交换机：
  • 链路层交换机：
    • 常用于接入网；
    • 实现2个层次：物理层和链路层；
    • 不能识别 IP 地址，但能识别以太网地址；
    • 基于链路层 frame 首部转发；
  • 路由器：
    • 常用于网络核心；
    • 实现3个层次：物理层、链路层和网络层；
    • 基于网络层 datagram 首部转发；

4.1.2 网络服务模型

• 网络层提供的服务：
  • 确保交付；
  • 具有时延上界的确保交付；
  • 有序分组交付；
  • 带宽保障：确保最小带宽，若发送速率低于最小带宽，则 datagram 不丢失；
  • 确保最大时延抖动：相邻 datagram 之间的时间间隔，在传输过程中的变化不超过某个阈值；
  • 安全保障：数据加密、数据完整性校验、源鉴别；
• 不同的网络体系结构：
  • 因特网；
  • CBR ATM：Constant Bit Rate，恒定比特率 ATM 网络服务；
  • ABR ATM：Available Bit Rate，可用比特率 ATM 网络服务；
    • 若网络中有空闲资源，则发送方可使用比最小速率更高的速率发送数据；
    • ABR ATM 为发送方提供反馈信息（拥塞指示），以便发送方调整发送速率；

网络体系结构	服务模型	带宽保障	不丢包	有序	定时	拥塞指示
因特网	尽力而为	无	F	F	F	F
ATM	CBR	保证恒定速率	T	T	T	不会出现拥塞
ATM	ABR	保证最小速率	F	T	F	T

4.2 虚电路网络和数据报网络

4.2.1 Overview

• 运输层和网络层提供的服务：
  • 运输层：提供不同主机上进程之间的逻辑通信机制；
    • 多路复用、多路分用；
    • 运输层协议仅运行在端系统上，中间路由器上不实现运输层协议，不识别、不处理运输层加在应用层报文上的信息；
  • 网络层：提供不同主机之间的逻辑通信机制；
    • 虚电路网络：Virtual-Circuit，VC；
      • 在网络层提供连接服务，E.g. ATM、帧中继；
      • 因此网络层连接亦称为虚电路；
    • 数据报网络：在网络层提供无连接服务，E.g. 因特网；
• 网络层组件：
  • IP 协议；
  • 路由选择协议：决定从发送方到接收方的最优路径，更新转发表；
  • ICMP 协议；

4.2.2 虚电路网络

• 1条虚电路的组成部分：
  • 源主机和目的主机之间的通信链路和路由器；
    • 路由器维护连接状态信息；
  • 每条通信链路上的 VC 号；
    • datagram 首部含有1个 VC 号；
    • datagram 每经过1个路由器，需根据路由器中的转发表更新 VC 号；
  • 路径上每台路由器的转发表；
    • 创建一条虚电路，则为转发表新增表项；
    • 删除一条虚电路，则为转发表删除对应表项；
• 建立1条虚电路的步骤：
  • 虚电路建立；
  • 数据传送；
  • 虚电路拆除；
• 运输层中建立 TCP 连接和网络层中建立虚电路连接的区别：
  • 运输层中的连接服务：建立连接仅涉及2个端系统，路径中的路由器不关注该问题；
  • 网络层中的连接服务：2个端系统、路径中的所有路由器均参与虚电路建立，且每台路由器均能感知经过该路由器的所有虚电路；

4.2.3 数据报网络

• 数据报网络中的 datagram 传递：
  • 端系统为 datagram 的首部加上目的地址；
  • 路由器中的转发表将目的地址映射到对应的路由器输出链路；
  • 路由器不维护连接状态信息；
• 为什么数据报网络中的 datagram 传递是无序的？
  • 虚电路网络：
    • 在建立、拆除虚电路时更新路由器转发表；
    • 所有 datagram 在发送过程中途经相同的路径，因此 datagram 有序传递；
  • 数据报网络：
    • 路由选择算法修改转发表；
    • 所有 datagram 在发送过程中途经不同的路径，因此 datagram 无序传递；

4.3 路由器工作原理

• 路由器的4个组成部分：
  • 输入端口；
  • 交换结构；
  • 输出端口；
  • 路由选择处理器；

4.4 IP 协议

4.4.1 Overview

• IP ：Internet protocol，网际协议，定义路由器和端系统间收发分组的格式，提供不可靠服务，因特网中的转发和编址；
  • IP 协议的版本：
    • IPv4；
    • IPv6；
  • 不确保报文段的交付；
  • 不确保报文段按序交付；
  • 不保证数据完整性；

4.4.2 IPv4 数据报格式

• 为什么需要将 IP datagram 分片？
  • 不同的链路层协议中，MTU 的大小不同；
  • 在端系统中，网络层将属于同一 datagram 的所有分片重组；
  • 注意：
    • 分片、重组增加了时间开销，且使得系统易被攻击；
    • IPv6：分片在端系统上完成，若因 datagram 过大，使得路由器无法转发，则路由器将丢弃该 datagram，并向发送方发送一个“数据报太大”的 ICMP 差错报文；
• IP datagram 中的部分字段：
  • 标识：每个 datagram 的标识号递增，判断哪些分片属于同一个 datagram；
  • 标志：最后1个分片被设置为0，其余分片被设置为1；
  • 片偏移字段：用于判断同一 datagram 中不同分片的先后顺序；

4.4.3 IPv4 编址

4.4.3.1 DHCP 协议

• IPv4 地址：4字节，32 bit；
  • 主机、路由器上的每个接口均具有唯一 IP 地址；
  • IP 广播地址：255.255.255.255；
  • IP 源地址：0.0.0.0；
• 子网掩码：同一子网中所有设备具有相同的子网地址，E.g. 223.1.1.0/x；
  • 网络地址：IP 地址中的前 x 比特；
• 默认网关：与主机相连的第一跳路由器地址；
• 编址方案：
  • 分类编址：
    • A 类网络：网络地址长度为1字节；
    • B 类网络：网络地址长度为2字节；
    • C 类网络：网络地址长度为3字节；
  • CIDR：Classless Interdomain Routing，无类别域间路由选择；
    • 网络地址为 IP 地址中的前 x 比特；
• DHCP：Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议；
  • 允许主机自动获取（被分配）1个 IP 地址；
  • 允许主机获取默认网关；
  • 允许主机获取本地 DNS 服务器地址；
• DHCP 协议的4个步骤：
  • Step 1：DHCP 服务器发现；
    • DHCP 客户发送 DHCP 发现报文，使用 IP 广播地址；
  • Step 2：DHCP 服务器提供：
    • DHCP 服务器发送 DHCP 提供报文，使用 IP 广播地址；
  • Step 3：DHCP 请求：
    • 客户从一个或多个 DHCP 服务器报文中选择一个，并向对应的 DHCP 服务器发送 DHCP 请求报文；
  • Step 4：DHCP ACK：服务器向客户发送 DHCP 响应报文；

4.4.3.2 网络地址转换

• NAT：Network Address Translation，网络地址转换；
  • NAT 转换表：路由器查询该转换表，将来自广域网的分组转发给对应的内部主机；
• 10.0.0.0/8：为家庭网络等专用网络保留；

4.4.4 ICMP 协议

• 面试题 简述 ICMP 协议：Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议；
  • 功能：
    • 差错报告；
    • 响应请求；
  • 应用：
    • Ping：测试2台主机间的连通性；
    • Traceroute：跟踪1个分组从源主机到目的主机之间的传输路径；
• ICMP 报文是 IP datagram 有效载荷中的一部分；

4.4.5 IPv6

• IPv6 地址长度：16字节，128 bits；
• ICMPv6：新版的 ICMP，用于 IPv6；

4.5 路由选择协议

4.5.1 Overview

• 默认路由器：与主机相连的第一跳路由器；
  • 源路由器：源主机的默认路由器；
  • 目的路由器：目的主机的默认路由器；
• 路由选择算法：
  • 全局式路由选择算法：亦称链路状态算法（Link State，LS），算法需以网络中所有链路的通信代价为输入；
    • 将网络抽象为1幅无向图，使用 Dijkstra 算法；
  • 分散式路由选择算法：
    • 每个节点仅需获取与其相邻链路的通信代价作为输入；
    • E.g. 距离向量算法（Distance-Vector，DV）；

4.5.2 层次路由选择

• 自治系统：AS（Autonomous System），内部的路由器运行相同的路由选择协议；
  • 自治系统内部路由选择协议：亦称内部网关协议；
    • RIP：Routing Information Protocol，路由选择信息协议；
      • 常用于下层 ISP 和企业网；
      • 算法本质：距离向量算法；
    • OSPF：Open Shortest Path First，开放最短路优先；
      • 常用于上层 ISP 中；
      • 算法本质：链路状态算法；
  • 自治系统间路由选择协议：2个通信的自治系统必须运行相同的自治系统间路由选择协议；
    • BGP：Broder Gateway Protoco，边界网关协议；
• 网关路由器：自治系统中连接其它自治系统的路由器；

4.6 因特网中的路由选择协议

4.6.1 RIP

• 跳：从源路由器至目的子网（包含目的子网）的最短路径经过的子网数量；
• RIP：一个运行在 UDP 上的应用层协议，来实现网络层功能（路由选择）；
  • RIP 请求报文：请求相邻路由器到目的地的费用；
  • RIP 通告：亦称 RIP 响应报文，相邻路由器间交换路由选择信息；

4.6.2 BGP

• BGP 会话：发送 BGP 报文的 TCP 连接；
  • eBGP：external BGP session，外部 BGP 会话，2个自治系统间的 BGP 会话；
  • iBGP：internal BGP session，内部 BGP 会话，同一个自治系统中2台路由器间的 BGP 会话；
• BGP 的功能：
  • 从相邻自治系统中获取子网可达性信息；
  • 向本自治系统中的所有路由器传播可达性信息；
  • 基于可达性信息和自治系统策略，决定通向某个子网的最佳路径；

4.7 广播和多播路由选择

4.7.1 Overview

• 单播、多播和广播：
  • 单播：点对点通信；
  • 多播：1个源节点将数据发送给多个目的节点；
  • 广播：1个源节点将数据发送给网络中所有其它节点；

4.7.2 广播路由选择算法

• 广播路由选择的实现方法：
  • 无控制洪泛：可能导致广播风暴，无休止地转发同一个分组；
  • 受控洪泛：避免广播风暴，但仍可能接收到冗余分组；
    • 序号控制洪泛；
    • 反向路径转发：当前节点仅接收距离源节点最短路径上传来的分组；
  • 生成树广播：避免路由器接收到冗余分组；
    • 最小生成树算法；

4.7.3 多播

• 如何标识接收方的地址？
  • 单播：报文中含有目的主机的 IP；
  • 广播：无需目的主机的 IP；
  • 多播：使用 D 类多播地址；
• 多播组：与1个 D 类多播地址关联的目的主机的集合；
• 因特网中网络层多播的2个组件：
  • IGMP：因特网组管理协议；
  • 多播路由选择协议；

5. 链路层

5.1 Overview

• 链路层信道：
  • 广播链路；
  • 点对点链路：
    • 点对点协议：point-to-point protocol，PPP；
    • 高级数据链路控制协议：HDLC，high-level data link control；
• MAC：Medium Access Control，媒体访问控制协议；
  • 功能：规定帧在链路上的传输规则；
• 链路层提供的服务：
  • 成帧；
  • 链路接入：MAC 协议；
  • 可靠数据传输：通过确认、重传实现；
    • 常用于高差错率的链路，E.g. 无线链路；
    • 低比特差错的链路上一般不提供可靠数据传输服务；
  • 差错检测、纠正；
• 链路层的实现：大部分在硬件中实现，小部分在软件中实现；
  • 路由器：在线路卡中实现链路层；
    • 路由器可有多个接口；
    • 每个接口含有各自的 IP 地址、适配器、ARP 模块；
  • 主机：在网络适配器中实现；
    • 网络适配器：亦称网络接口卡，即 PCI 卡槽中的插入卡，现已被集成至主板中；
    • 每台主机仅有1个 IP 地址和1个适配器；
    • 每个适配器具有1个 MAC 地址；

5.2 差错检测和纠正

• EDC：Error-Detection and Correction，差错检测与纠正比特，该比特值用于差错检测和纠正错误比特；
• 3种差错检测方法：
  • 奇偶校验；
  • 校验和：常用于运输层，E.g. TCP、UDP 报文中；
    • 优点：实现简单，分组开销小；
    • 缺点：差错保护较弱；
  • 循环冗余检测：CRC，Cyclic Redundancy Check，常用于链路层；
• 奇偶校验：增加1 bit 奇偶校验位；
  • 奇校验：数据比特和校验比特中1的个数为奇数；
  • 偶校验；
  • 二维奇偶校验：
    • 奇偶校验无法检测偶数个错误 bit；
    • 将数据比特划分为 i 行 j 列，对每行每列求得 i+j+1个错误纠正比特；
    • 二维奇偶校验可检测多个错误 bit；

5.3 多路访问链路和协议

5.3.1 Overview

• 多路访问：多个节点共享同一广播信道，可相互广播；
• 多路访问协议：规范节点在共享广播信道上的行为；
  • 信道划分协议；
  • 随机接入协议；
  • 轮流协议；
    • 轮询协议；
    • 令牌传递协议；
• 碰撞：多个节点同时传输帧，在接收方处发生碰撞，涉及碰撞的帧全部丢失；

5.3.2 信道划分协议

• 信道划分协议：即多路复用方法：
  • FDM：频分复用；
  • TDM：时分复用；
  • WDM：波分复用，在光通信中，根据光的波长不同实现信道复用，本质上是 FDM；
  • CDMA：Code Division Multiple Access，码分多址，各用户的码片序列正交；
• 信道划分协议的缺点：若传输速率 R bps 的信道支持 N 个节点，则在仅有1个节点发送数据的情况下，大量信道资源被闲置；

5.3.3 随机接入协议

• 常见的随机接入协议：
  • ALOHA 协议；
  • CSMA 协议：载波侦听多路访问协议，E.g. 以太网；
  • CSMA/CD：CSMA with Collision Detection，具有碰撞检测的 CSMA；
    • 载波侦听：节点在发送数据前，先检测信道中是否有数据正在传输；
    • 碰撞检测：若当前节点检测到信道中其它节点正在传输数据，则当前节点停止数据传输；
• Q：既然已有载波侦听，则应该不出现碰撞，为什么还需要碰撞检测？
  • A：由于信道传播时延，其它节点可能正在发送数据，而当前节点载波侦听时未检测到信道中有数据传输，此时可能出现碰撞；
• ALOHA 协议：
  • 将1个帧（不同于链路层中的分组 frame）划分为若干时隙；
  • 某节点将在1个时隙中发送数据，若发生碰撞，则以概率 p 在接下来的每个时隙中重传该帧；
  • 优点：相较于信道划分协议，若在仅有1个节点发送数据的情况下，能充分利用信道资源；

5.4 交换局域网

5.4.1 链路层寻址和 ARP 协议

• 交换机运行在链路层，交换链路层帧，而非网络层数据报，寻址过程使用链路层地址而非 IP 地址；
  • 链路层地址：亦称 LAN 地址、物理地址、MAC 地址；
    • 主机和路由器不具有链路层地址；
    • 主机和路由器的适配器（即网络接口）具有链路层地址；
  • 网络层地址：IP 地址；
• ARP：Address Resolution Protocol，地址解析协议，仅对同一子网内的主机、路由器接口，将网络层地址转换为链路层地址；
  • 每台主机或路由器维护一张 ARP 表，其中包含 IP 地址和 MAC 地址的映射关系；
  • 若 ARP 表中含有目的主机的 IP 地址，则使用对应的 MAC 地址发送 frame；
  • 若 ARP 表中不含目的主机的 IP 地址，则源主机使用 MAC 广播地址发送 ARP 查询分组，对应的目的主机返回带有所需 MAC 地址的报文；
• MAC 地址：
  • 6字节；
  • 常将每个字节表示为2个16进制数；
  • MAC 广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF；

5.4.2 以太网

• 以太网：ethernet，一种目前应用最广泛的局域网技术；
  • 向网络层提供不可靠服务；
• 面试题 路由器和交换机的区别？
  • 路由器：
    • 运行在网络层；
    • 基于 IP 地址转发分组；
    • 可划分广播域；
  • 交换机：
    • 运行在链路层；
    • 基于 MAC 地址转发分组；
    • 不可划分广播域（连接至同一交换机的主机属于同一局域网）；

6. 综合性面试题

• 面试题 常见端口及服务：

  服务	端口号
  FTP	21
  SMTP	25
  HTTP	80
  MySQL	3306

• 面试题 简述从浏览器中输入网址，至最终展示页面，需经过哪些过程？

  • DNS 解析；
  • 建立 TCP 连接；
  • HTTP 请求；
  • 服务器处理 HTTP 请求，并发回 HTTP 响应报文；
  • 浏览器解析渲染页面；

References

[1] Kurose, F. J, Ross, K. W. 计算机网络自顶向下方法[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.
[2] https://www.icourse163.org/learn/HIT-154005?tid=1206679208#/learn/announce.