局域网 广域网 IP TCP UDP

        这系列文章为计算机网络理论的学习笔记，学习笔记基于老师给的的PPT、他人学习笔记和维基百科、百度百科等一系列权威资料。学习笔记仅个人学习用，便于记录和复习，无广泛传播之意，若有侵权，请联系我删除。欢迎各位大佬指正和交流。

       每部分都有相应的实验swf文件，便于大家更好的理解学习，由于CSDN不方便放出，有需要的可以找博主私信要。

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1 局域网基本原理

        局域网就是一个局部区域网络，分布范围有限，可大可小，大到一栋建筑楼与相邻建筑之间的连接，小到可以是学校机房之间的联系。

        局域网自身相对其他网络传输速度更快，性能更稳定，框架简易，并且是封闭性的。

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1.1 局域网与OSI参考模型 

1.1.1 关于LLC和MAC的基本概念

• LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）：局域网中数据链路层的上层部分，用户的数据链路服务通过LLC子层为网络层提供统一的接口。
• MAC（Media Access Control，媒体接入控制）：介质访问控制子层，与物理层相关。MAC不是物理层！！！

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1.1.2 OSI参考模型与局域网的对照

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 1.1.3 主要局域网技术

//具体内容，百度一下，你就知道

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1.2 以太网技术基础（传输介质）

1.2.1 技术介绍

• 早期的以太网使用粗同轴电缆 (10BASE5)、细同轴电缆(10BASE2)和双绞线（10BASE-T）在总线型拓扑中连接计算机。
• 关于 10BASE2-T 的名称解释： 10 - 10 MBps；  BASE - 基带传输；  2 - 传输距离/百米；   T - 传输介质

        最初的同轴粗缆和同轴细缆等物理介质被早期的 UTP 类电缆所取代。经过改良，物理拓扑改为使用集线器(Hub)与主机构成的物理星型拓扑。

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1.2.2 MDI/MDIX

• 同类接口互连用交叉线，异类接口互连用直连线。
• H3C以太网交换机支持MDI/MDIX自适应，不必考虑连线类型。

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1.2.3 10BASE-T线缆和接口

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1.2.4 CSMA/CD载波侦听  (多路访问介质中)

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1.2.5 CSMA/CD冲突检测和退避  (多路访问介质中)

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1.2.6 单播与广播

• 接收地址包括本卡（本地网卡）MAC地址、广播地址和本机所属组播组地址。
• 网卡丢弃与本卡（本地网卡）接收地址不匹配的帧。
• 网卡解开与本卡（本地网卡）接收地址匹配的帧，将数据递交上层处理。

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1.2.7 以太网流量控制

• 在半双工线路上采用背压式流控

接收方反向发送电压信号制造冲突，使发送方停止发送。

• 在全双工线路上采用802.3 PAUSE流控

接收方向保留组播地址01-80-C2-00-00-01反向发送PAUSE帧，通知发送方停止发送。

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1.2.8 关于全双工和半双工的工作原理

        无论是全双工还是半双工都支持双向传输。

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1.3 现代以太网技术

1.3.1 单模光纤与多模光纤

• 单模光纤

        单模光纤(Single Mode Fiber)，光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层间发生全发射，当直径较小时，只允许一个方向的光通过，即为单模光纤。

        单模光纤的中心玻璃芯很细，芯径一般为8.5或9.5μm，并在1310和1550nm的波长下工作。

• 多模光纤

        多模光纤(Multi Mode Fiber)，就是允许有多个导模传输的光纤。多模光纤的纤芯直径一般为50μm/62.5μm，由于多模光纤的芯径较大，可容许不同模式的光于一根光纤上传输。

        多模的标准波长分别为850nm和1300nm。还有一种新的多模光纤标准，称为WBMMF(宽带多模光纤)，它使用的波长在850nm到953nm之间。

• 单模光纤的纤芯与光波长相同，传送单一波长的光。
• 多模光纤的纤芯较粗，传输多种不同波长不同角度的光。
• 单模光纤衰耗小，传输距离可达数十千米。
• 多模光纤衰耗大，传输距离通常在千米以内吧。
• 单模光纤成本高，多模光纤成本低。

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1.3.2 模拟信号的数字转换

        脉冲编码调制的步骤：取样 ==> 量化 ==> 编码（二进制编码） 

        高电平1  低电平 0

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1.3.5 交换机扩展以太网拓扑

        冲突域的内容在：《以太网交换机 VLAN 生成树协议》

作用：

• 隔离冲突域，避免冲突域过大。
• 进一步扩大物理连接范围。
• 提高以太网带宽利用率，增加吞吐量。
• 适应不同的速率和不同的双工状况。

        关于Hub和Switch，可以看对应的swf文件了解工作原理，博主就不录制动画了。

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1.4 WLAN技术基础

        WLAN，即Wireless Local Area Network，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。

        利用射频技术，使用电磁波，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，在空中进行通信连接，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

        具有安装便捷、部署简单、易于进行网络规划和调整、灵活性和移动性高、故障定位容易、易于扩展等优点。

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1.4.1 802.11协议

• 802.11协议的发展

	802.11	802.11b	802.11a	802.11g
标准发布时间	July 1997	Sept 1999	Sept 1999	June 2003
合法频宽	83.5MHz	83.5MHz	325MHz	83.5MHz
频率范围	2.400-2.483GHz	2.400-2.483GHz	5.150-5.350GHz  5.725-5.850GHz	2.400-2.483GHz
非重叠信道	3	3	12	3
调制技术	FHSS/DSSS	CCK/ DSSS	OFDM	CCK/OFDM
物理发送速率	1, 2	1,2,5.5, 11	6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54	6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54
无线覆盖范围	N/A	100M	50M	<100M
理论上的最大UDP吞吐量(1500 byte)	1.7 Mbps	7.1 Mbps	30.9 Mbps	30.9 Mbps
理论上的TCP/IP吞吐量 (1500 byte)	1.6 Mbps	5.9 Mbps	24.4 Mbps	24.4 Mbps
兼容性	N/A	与11g产品可互通	与11b/g不能互通	与11b产品可互通

• 802.11b/g工作频段划分图

• 802.11无线网络的介质访问控制

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1.4.2 无线覆盖原则－蜂窝式覆盖

• 任意相邻区域使用无频率交叉的频道，如1、6、11频道。（此处的1、6、11指的是802.11b/g工作频段划分图的频道）
• 适当调整发射功率，避免跨区域同频干扰。
• 蜂窝式无线覆盖实现无交叉频率重复使用。

                               

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无线网络典型部署应用

1. 热点覆盖

2. 办公地点无线互连

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2 广域网基本原理

        广域网 WAN是连接不同地区局域网(LAN)或城域网(MAN)计算机通信的远程网。覆盖的物理范围从几十公里到几千公里不等，基于电信运营商的通信网络设施建立远程连接，能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

        广域网 ≠ 互联网

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2.1 广域网和OSI参考模型对照

        广域网技术对应于OSI模型的数据链路层和物理层

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 2.2 广域网的连接方式

        广域网连接方式分为专线方式、电路交换方式和分组交换方式。

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2.3 点到点广域网技术介绍 

       专线连接模型：相当于有线连接。  

       用光缆、电缆，或者通过卫星、微波等无线通信方式，或租用电话专线、*N专线将网络连通。

• 点到点永久性独占线路，固定带宽。
• 典型技术：异步模拟专线、同步数字专线

       电路交换连接模型：相当于拨号上网。   

• 按需拨号建立连接，暂时性独占线路，带宽固定。
• 典型技术：PSTN、ISDN

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2.4 分组交换广域网技术介绍

• 分组交换连接模型：在通信过程中，通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制实现数据交互的通信方式，被称为分组交换。

        分组交换的本质就是存储转发，它将所接受的分组暂时存储下来，在目的方向路由上排队，当它可以发送信息时，再将信息发送到相应的路由上，完成转发。

       存储转发的过程就是分组交换的过程。

        一个端系统设备可以通过虚电路连接到多个通信对端。                

        典型技术：X.25、帧中继、ATM……

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3 IP基本原理

3.1 IP协议概述

        IP是Internet Protocol（网际互连协议）的缩写，是TCP/IP体系中的网际层协议。

       IP协议规定了数据的封装方式，网络节点的标识方法，用于网络上数据的端到端的传递。

       IP是整个TCP/IP协议族的核心，也是构成互联网的基础。

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3.1.1 IP及其相关协议

• TCP：传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
• UDP：用户数据报协议为应用程序提供一种无需建立连接就可以发送封装 IP 数据包的方法。

        IP、TCP、UDP都有对应的swf文件，可以帮助理解他们的工作原理。

        UDP协议与TCP协议都用于处理数据包。

        在OSI模型中，两者都位于传输层，处于IP协议的上一层。

        网络层包括：IP协议、ICMP控制报文协议、ARP地址转换协议、RARP反向地址转换协议。

        IP是网络层的核心，通过路由选择将下一跳IP封装后交给接口层。IP数据报是无连接服务。

        ICMP是网络层的补充，可以通过Ping命令回送报文，用来检测网络是否通畅。Ping命令就是发送ICMP的echo包，通过回送的echo relay进行网络测试。

        ARP是正向地址解析协议，通过IP地址寻找对应主机的MAC地址。

        RARP是反向地址解析协议，通过MAC地址确定IP地址。比如无盘工作站和DHCP服务。

        网络接口层：网络接口层不是一个独立的层次，只是一个接口。TCP/IP并没有对他定义什么具体的协议。

        网络接口层可以使用各种网络，如LAN、MAN、WAN，甚至点对点链路。

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3.1.2 IP的主要作用

• 标识节点和链路

        用唯一的IP地址标识每一个节点。

        用唯一的IP网络号标识每一个链路。

• 寻址和转发

        确定节点所在网络的位置，进而确定节点所在的位置。

        IP路由器选择适当的路径将IP包转发到目的节点。

• 适应各种数据链路

        根据链路的MTU对IP包进行分片和重组。

        为了通过实际的数据链路传递信息，须建立IP地址到数据链路层地址的映射。

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3.1.3 IP网络的结构

• IP网络由多个网段构成，每个网段对应一个链路。
• 路由器负责将网段连接起来，适配链路层协议，在网络之间转发数据包。

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3.1.4 IP头格式

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3.2 IP地址和地址映射

        这部分内容也有对应的swf文件，可以先看看ARP.swf

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3.2.1 IP 地址格式和表示方法

        32位IP地址分为网络号和主机号两部分，用以标识网络和主机，网络号和主机号各有16位，每8位为1个块，每块由0和1组成，用二进制转换后表示IP地址。

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3.2.2 网络号和主机号

• 网络号用于区分不同的IP网络。
• 主机号用于标识该网络内的一个IP节点。

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3.2.3 IP地址分类  

特殊的IP地址

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3.2.4 ARP

        ARP协议用于把已知的IP地址解析为MAC地址。

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 3.2.5 RARP

        RARP用于在数据链路层地址已知时解析IP地址

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3.3 IP包转发

        主机将跨网段IP包交给默认网关，路由器负责跨网段转发数据包。

3.3.1 主机单播IP包发送

        若目的地址所处网络号与本机所处网络号相同，则目的处于直连网段。

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3.3.2 路由器单播IP包转发

• 若目的地址所处网络号与本机任一接口的网络号相同，则目的处于相应接口直连网段。
• 路由器通过查找路由信息判断下一跳路由器地址。

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3.3.3 主机接收IP包

• 如果IP包的目的地址符合下列情况之一，则主机接收此包，否则主机的网络层丢弃此IP包。

1. 目的IP地址等于自己的IP地址。
2. 目的IP地址是一个广播地址。
3. 目的IP地址是一个组播地址，而本机的某个服务属于此组播组。

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3.3.4 广播风暴

• 路由器转发广播将导致全网充斥广播，可能引发广播风暴。
• 路由器默认不转发广播。

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3.4 其他相关协议介绍

3.4.1 代理ARP

        可以看 ARP_IP_Indirect_delivery.swf 文件进行理解学习。

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3.4.2 ICMP

        ICMP定义了网络层控制和传递消息的功能。

• ICMP定义了错误报告和其它关于IP数据包处理情况的消息。
• ICMP可用于报告IP数据包传递过程中发生的错误、失败等信息，提供网络诊断等功能。
• ICMP消息可分为ICMP差错消息和ICMP查询消息。

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4 TCP和UDP基本原理

        TCP和UDP通过端口号标识上层应用和服务

4.1 TCP/IP传输层的作用

• 提供面向连接或无连接的服务
• 维护连接状态
• 对应用层数据进行分段和封装
• 实现多路复用
• 可靠地传输数据
• 执行流量控制

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4.2 TCP基本原理

        可以看TCP-flow.swf进行学习。

        TCP通过校验和进行差错校验，通过序列号确认和超时重传机制实现可靠传输，通过滑动窗口实现流量控制。

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4.2.1 TCP封装

                  

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4.2.2 TCP三次握手（建立连接）

TCP三次握手的过程如下：

1. 客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。

2. 服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）的ACK（ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。

3. 客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ACK=y+1）报文，进入Established状态。

        三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了。                                               

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4.2.3 TCP四次握手（连接终止）

TCP四次握手的过程如下：

（1） 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。

（2） 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。

注意：FIN的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程，放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后，因为，FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。

（3） 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。

（4） 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。 [3]

既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。

                         

        无论是客户还是服务器，任何一端都可以执行主动关闭。

        通常情况是，客户执行主动关闭，但是某些协议，例如HTTP/1.0却由服务器执行主动关闭。

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4.3 UDP基本原理

        可以看UDP.swf进行学习。

        UDP实现简单，资源占用少，实时性强，适用于可靠性高的网络和延迟敏感的应用

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4.3.1 UDP封装

                 

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4.4 TCP与UDP的对比

        TCP 是面向连接的传输控制协议，而UDP 提供了无连接的数据报服务；

        TCP 具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；UDP 在传输数据前不建立连接，不对数据报进行检查与修改，无须等待对方的应答，所以会出现分组丢失、重复、乱序，应用程序需要负责传输可靠性方面的所有工作；

        UDP 具有较好的实时性，工作效率较 TCP 协议高；

        UDP 段结构比 TCP 的段结构简单，因此网络开销也小。

        TCP 协议可以保证接收端毫无差错地接收到发送端发出的字节流，为应用程序提供可靠的通信服务。对可靠性要求高的通信系统往往使用 TCP 传输数据。