计算机网络五层架构及基础知识

一、相关概念

• （1）计算机网络：
  • a）从构成来看，由节点和边组成的图。
    节点包括 主机节点（端系统end system/host，方框表示）、数据交换节点（路由器交换机等，用圆形表示）
    边称为链路，包括 接入网络链路，主干链路（数据交换节点间的边）
    协议：对等层的实体通讯过程中遵循的规范。包含格式（语法和语意）、时序、动作
  • b）从服务角度来看，互联网是分布式应用及为其提供通信服务的基础设施
• （2）网络结构：网络边缘、核心、接入
  
  网络边缘是指主机设备，其上面有分布式应用，是互联网存在的理由
  接入即是将主机设备接入核心
  主机通过核心与其他主机相连，核心主要是数据交换作用
  • a）网络边缘
    TCP：面向连接的，两者做好准备，底层协议栈做好准备，分配资源等。面向连接是指仅仅是端系统维持连接状态；有连接则需要中间路径节点均知道。
    UDP：无连接的，不可靠。
  • b）网络核心：数据如何传输
    电路交换：每个线路带宽分为若干片，为每个用户分配一个片（频分、时分），建立独占的线路连接，建立连接后即使不传输数据也会占用，浪费资源。
    分组交换：使用全部线路带宽，通信单位为分组packet，发送一个才进行通讯，资源共享。交换节点采用存储转发方式。本质上仍然是划分时间片的方式，只不过这种划分是不确定的。可能出现排队和丢包
    分组交换在突发性强（活跃时间短）的环境下能支持更多用户，虽然有概率传输的数据比线路带宽大，但中转节点引入缓存，在大概率下能快速传输，小概率下会缓存数据，仍能通过大概率的事件将其成功发送出去。

服务访问点（SAP）：下层服务提供者区分不同上层用户的信息
服务是下层在SAP上通过原语（提供服务的形式）向上层提供服务

SDU是上层提供的数据单元
通过层间接口需要加上接口控制信息（ICI）
在第n层时加上头部（n-header），变成n-PDU（协议数据单元）
（3）层次结构
应用层：网络应用
传输层：TCP、UDP；进程区分；完成报文之间的交互（提供可靠服务）
网络层：IP（转发协议）；实现以分组为单位的端到端的传输。
链路层：网卡；在相邻两点之间传输以帧为单位的数据
物理层：将数据帧与物理信号之间转换

二、应用层

（1）原理
a）标识和寻址
主机IP、TCP还是UDP、端口号；从进程角度来看，一个进程可用IP+port（端节点，end point）标识
b）如何使用传输层的服务：地点和形式
穿过层间接口的必要三个信息：发的什么，发给谁，谁发的；再进行封装。
每次传输都需要携带这三个信息比较繁琐，数据本身是经常变化，而两个进程会话通常持续一段时间，为统一管理以及减少穿过层间接口的数据量，引入Socket（用某个代号表示通信的双方或单方）
对TCP而言为4元组（源IP，源port，目标IP，目标port） 唯一指定了一个会话关系 ，由本地操作系统管理表项；
对UDP而言为2元组（源IP，源port），仅仅代表一个端节点；
c）根据报文执行相应的动作：动作（应用层协议）

（2）Web和HTTP：超文本传输协议
Web网页本身是一个对象，包含基本的HTML文件（居中等格式控制），内部嵌入很多对象（嵌入的为对象的链接，而非对象本身，可通过URL（唯一标识）来访问任何一个对象）

HTTP使用TCP，本身是无状态服务器，通过Cookies补丁将其变为有状态的。
流水线方式持久HTTP：所有请求依次发送；而非等待一个请求相应后再发另一个请求（非流水线）
TCP不提供边界服务，需要上层HTTP协议自己维护
加入本地缓存可以加快访问速度、减轻网络负担，减轻服务器负担。为解决本地缓存与远端服务器一致性问题，每次访问本地缓存时，其会加入If-modified-since: < date>字段访问远端服务器，如果缓存中的对象是最新的，就不需要发送对象。

（3）FTP：文件传输协议
天然为有状态的协议
控制连接与数据连接分开，当控制连接（port 21）建立后，服务器主动向客户端发送建立数据连接请求（port 20，数据传输通过此连接完成）
（4）EMail：服务器守候在port 25
aa)用户代理发给邮件服务器（SMTP）；
bb)邮件服务器放入发送队列，发给目标邮件服务器（SMTP）；
cc)目标邮件服务器将其放入邮箱中，用户代理再从邮箱中拉取邮件（POP3）；
原本要求邮件内容均为ASCII范围
（5）DNS
DNS完成从域名到IP地址的转换，一般是给其他应用使用的
端口：运行在UDP的port 53
（6）TCP套接字编程
地点：层间接口的SAP（Socket）上；方式：Socket API，字节流形式

Sockaddr_in数据结构（代表一个端节点）：

成员变量	作用
sin_family	地址簇，表示使用TCP/IP还是IPS通信
sin_port	端口号
sin_addr	IP地址
sin_zero[8]	对齐作用，有些协议IP地址比较长，TCP只用sin_addr即可

hostent数据结构（作为域名解析函数的参数使用，给定主机域名获得IP地址）:

成员变量	作用
*h_name	主机域名
**h_aliases	主机一系列别名
h_length	地址长度
*h_addr_list	IP地址列表

注意：客户端不需要显式bind的（操作系统隐式执行，使用哪个端口无所谓）；服务器必须显式bind，因为需要知道其监听在哪个端口等待请求。
C函数中htons((u_short)port)将其变为网络次序，大端/小端
（7）UDP编程
数据可能乱序或丢失
在发送每个报文中需要明确指明对方IP和端口
接收时，也需要知道是谁发给我的（引用型参数）
提供数据报形式，在IP中也叫数据报，注意区分

三、传输层

向上层提供的服务：远程进程到进程的以报文为单位的逻辑通信
将报文分为报文段
（1）多路复用和解复用：本质上是引入端口号解决，但使用Socket使得层间传输信息最少
源端口和目标端口用于封装TCP的头部信息，TCP往IP层提交时还需要给出源IP和目标IP
解析时也是执行对应过程，有了这四个信息就可以确定Socket值
UDP中只需要两个值即可确定，即使是不同主机发送的信息，只要目标IP和目标端口一样，都发给同一个进程

• （2）可靠数据传输RDT，下面为其逻辑递进过程
  • package，在校验和出错时，发送方重新传输
  • ACK/NAK反馈也可能出错，对package加上序号进行标识，若接收到的未知的反馈，则重新将原package传输一次，即使这个反馈是ACK，由于加了序号，接收方可以辨认出此次是重复传输，直接丢弃即可。两个序号（0,1）即可
  • 去掉NAK，对ACK编号，对当前package的反向确认，使用前一个p的正向确认代表(取模的前一个)
  • p可能在传输过程中丢失，发送方引入超时重传机制
  • 流水线式传输，即短时间内发送多个package。按接收窗口是否>1,分为两种方式：GBN和SR。
    a）GBN的接收窗口为1，后面的package先到时不会接收，返回的ack中为当前需要的package号，表示该号之前的均以收到，因此其确认号具有累计作用。只有一个超时定时器，超时后将发送窗口的所有数据重传。
    b）SR的接收窗口大于1，后面的package先到，满足接收窗口时会接收，并在ack中返回该package序号；有若干个超时定时器，哪个超时重传哪个。

发送缓冲区：已发送但未得到确认的分组
接收窗口=接收缓冲区，接收方设置缓冲区的原因是：接收方接收的速度可能与发送方不一致

(3) TCP协议
TCP中的序号代表body部分第一个字节在整个字节流中的偏移量。（初始序号一般不为0，这是为了防止滞留在网络中的旧的连接对新的连接造成影响，双方协商确认）
其可靠数据传输结合了GBN和SR两种方法。
确认号具有累计作用，表示期待其传输的字节序号及之后，该号之前的已经收到（不包含该序号）。
超时定时器时间设置：移动平均值+4*移动类似方差
只设置一个超时定时器(类似go back n)，超时定时器到时只发送最老的段（类似swich）。
快速重传：在超时定时器到时之前，收到该段三个冗余确认，则直接重传。
流量控制：接收方将其接收缓冲区的剩余字节数反馈给发送方，发送方保证发送的字节数不超过该值
TCP三次握手，第三次握手通常跟第一次数据传递结合在一起

(4)拥塞控制：在不造成网络拥塞前提下，尽量提高发送速率
拥塞时，网络延时大，有效输出少，重传了很多没有必要的数据，加速网络变化。甚至发生死锁现象。
ATM异步传输网络，利用网络核心提供的信息做拥塞控制。
(5)TCP端到端的拥塞控制
如何检测：
某些段超时：直接被中间路由器丢弃，此时路由器会给出超时反馈。虽然有可能是因校验和出错被丢弃，但这种概率比较小。
三个冗余ACK：说明发出的段是乱序到达，可能是轻微拥塞

四、网络层

4.1数据平面

（1）网络层协议在每个路由器和主机中，每个路由器会检查经过其段的IP地址
每个数据段到路由器时会进行解封装，选择路径，封装后传送到下一个路由器

路由：全局路径。更粗糙一些，例如从北京到上海再到伦敦，而北京到上海有多条路可以选择。
转发：在数据交换节点从哪个端口进入后从哪个端口出，类似局部路径。
IP协议根据路由表做转发。网络层的连接体现在端主机和路径上的所有路由器。而TCP/UDP仅仅体现在端系统。

服务模型：向上层提供服务的指标等于特定值时的称呼。
路由表是分布式计算出来，路由表交给路由器的网络层
基于目标的转发：仅仅依据目标的IP地址
ICMP信令协议，ping等程序实际上就是发送ICMP段
upper layer决定给上层的TCP还是UDP或其他协议

（2）分片与重组
各网络的MTU（最大传输字节数）可能不一致，因此需要分片，分完的片到目标主机才进行重组
子网：高位IP相同，内部不需要借助路由器互相可达（可借助交换机）
路由过程是以网络为单位进行转发，使用32位ip代价太大。
ABC类网络都是单拨地址。A,B,C类分别使用1,2,3个字节代表网络号，这种方式不太灵活。
(2.1)无类间路由，使用子网掩码来区分网络号和主机号，子网掩码为1代表网络号，为0代表主机号。
32位全0代表本机地址，全1代表广播地址
路由聚集：减少路由通告，路由表项，计算的代价。允许有空洞，这会造成匹配时多项符合要求，以最长匹配长度为准。
(2.2)网络地址转换，10.x.x.x代表内网地址。从内网地址到外网地址需要路由器进行转换，该路由器需要记录一些信息，并使用端口号来对应内网地址和端口两个信息，从而可以转换回来。

4.2 控制平面

传统算法：只匹配目标IP，动作只有转发
通用匹配（SDN）：可以匹配多项，有多种动作
路由信息计算都是以子网为单位。

链路状态算法：最小生成树算法
距离矢量算法：bellman-fold算法

将网络分为两个层面：
自治区域内网关协议：自治区域内做了路由聚集，使得自治区域间的点数量大幅减小。
自治区域间

五、链路层

检错和纠错

网络层实际的路由是以子网为单位，因此其可以到达目标子网，在目标子网内部如何到目标主机则由链路层完成。

因此其主要功能：路由节点转到另一个路由节点，主机到路由节点的相互传输

• 两种形式：
  • 点到点连接：一般用于广域网
  • 多点连接：发送给谁，同时发送的冲突问题。一般用在局域网

链路层的PDU：帧

网卡上实现了链路层和相应物理层的功能，其MAC地址固定

CRC校验：要保护的范围为D位，发送方数据后面需要加r位冗余位(EDC)，使得可以被生成多项式整除(r+1位)。

能够检查出所有数量<=r位bit的错误，对高于r个的错误检查不出的概率也较小

MAP:比较MAC地址，两点或多点同时发送会出现冲突。

• 共享方式：

  • （1）划分信道方式：

    随机存取的方式

  • (2)随机访问

  • 算法如下

    0.时域ALOHA：时间同步，时间分成时间段，只有在时间段的开始处才能发送帧，发送冲突时，下一次发送概率为p
    
    1.CSMA:局部检测方式减少冲突，当前有主机发送时则不发送，发送前进行载波侦听。
    
    受传送距离影响，仍有可能发生冲突
    
    2.CSMA/CD:边说边听，当冲突发生时，立即停止对当前帧的发送。在有形的介质检测振幅等中容易实现。
    
    以太网使用该方式。检测到冲突时，强化冲突信号，以确保让其他节点检测到冲突，防止冲突时间非常短时信号强度弱，让其他节点误以为没有冲突发生。
    
    重发：二进制指数退避算法
    
    3.CSMA/CA：冲突避免，在WLAN中使用，无线开放环境传播信号衰减很快。只在发送前检测，信道忙时随机选一个值，在信道空闲时过一个周期减一，减为0时发送。
    
    需要接收方给出ACK信号，ACK信号等待时间短。
    
    预约避免冲突，可选项，一般发送长帧时使用
    

  • (3)轮转方式

IP地址是分层的，MAC地址是平面的。在子网内部进行标识。
为什么不用一个地址？
分离可以解耦MAC地址和IP地址的关系，链路层上还可以支持不同的协议，不一定是IP协议。如果只用一个地址，必须得触及网络层，而链路层其实就可以做出一定区分。

每一跳都需要将IP地址转换为MAC地址

目标MAC地址不是本机或者广播地址时，设置为混杂模式也会接受，主要作用就是侦听，抓包

交换机是一个在链路层工作的存储转发设备，通过MAC地址区分发送端口，转发之前采用CSMA/CD协议先侦听。

路由器是工作在网络层的存储转发设备。

注意：
LAN中 不碰=成功，的条件为帧的传播时间>=2t(t表示子网内最远两个站点传播时间)
因此帧比较短时，会有填充码

六、物理层

manchester编码

DHCP是应用进程，其报文封装在UDP的数据报中。主机进入一个子网，进行广播得到DHCP服务器的响应后获得IP地址。

对称密钥加密：加密的K和解密的K一样

UDP校验和传输的为:和的反码，这样校验时，和+反码=全1

参考

中科大郑烇老师B站课程: link