计算机网络总结¶

2021年秋季学期计算机网络李风华清华大学

无97 杨希杰总结笔记

授课思路¶

计算机网络的发展历史和基本概念(2课时)
计算机网络体系结构(3课时)
物理层技术(2课时)
数据链路层技术(6课时)
网络层技术(7课时)
传输层技术(4课时)
应用层技术(4课时)

1 概论¶

计算机网络：

A computer network is a collection of autonomous computers, interconnected by communication channels.
自治的计算机通过通信信道互连起来的集合体
- 自治 (Autonomous)
- 互连 (Interconnected)
- 集合体 (Collection)

计算机网络的分类：

（基于空间距离）局域网 LAN、城域网 MAN、广域网 WAN、个域网 PAN

计算机网络的组成：

直观角度
- 节点（用户主机、交换机、路由器）
- 通信链路（双绞线、光纤、无线信道）
逻辑角度
- 通信子网（通信链路、路由器、交换机）
- 资源子网（用户主机、服务器）

计算机网络通信：

分组的传递

计算机网络基本通信方式：

广播式通信
交换式通信（简单、灵活、可扩展、健壮）

2 计算机网络体系结构¶

计算机网络的基本功能：

为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路（连接性；可标识、可定位；正确性；其他）
计算机网络中提供的功能是分层次的

计算机网络体系结构：协议与服务

协议：同层之间 (层内功能)
服务：不同层次之间 (层间关系)，分服务提供者和服务用户

服务访问点SAP (Service Access Point)
- 任何层间服务都是在接口上的SAP进行的
接口数据单元IDU (Interface Data Unit)
- IDU由上层的服务数据单元SDU(Service Data Unit)和接口控制信息ICI(Interface Control Information)组成
协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)
- PDU由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息PCI (Protocol Control Information)组成

分层：

优点
- 模块化：易于开发、管理和维护
- 独立性：层次内部的变化不会影响其他层次
- 复用性：高层模块可以复用底层模块的功能
- 标准化：为不同厂家的设备互联提供条件
缺点
- 低效：信息屏蔽导致性能优化困难

ISO/OSI参考模型：

7 应用层：为应用程序提供访问网络的功能
6 表示层：数据表示
5 会话层：主机间会话管理
4 传输层：端到端数据传输（段）
3 网络层：定址和寻址（分组）
2 数据链路层：介质访问（帧）
1 物理层：比特传输（比特）
（糟糕的时间、糟糕的技术、糟糕的实现、糟糕的策略）

TCP/IP参考模型：

应用层(Application Layer)
- 提供各种Internet管理和应用服务
传输层(Transport Layer)
- 提供端到端的数据传输服务
互连网层/IP层(Internet Layer)
- 控制通信子网提供源点到目的点的分组传送
主机至网络层(Host-to-Network/Network Interface)
- 物理层(Physical Layer)
- 数据链路层(Data Link Layer)
- TCP/IP协议没有进行明确规定

课程中使用的模型：

5 应用层
4 传输层
3 网络层
2 数据链路层
1 物理层

3 物理层技术¶

物理背景：

有限的带宽限制了数据的传输速率

常见的编码方式：

非归零码 NRZ
曼彻斯特码 Manchester 相位编码
差分曼彻斯特码 Differential Manchester
逢“1”变化的NRZ码
逢“0”变化的NRZ码

载波传输：

ASK FSK PSK

多路复用：

时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

交换方式：

电路交换：建立电路，传输数据，拆除电路
- 电路交换适用于实时信息和模拟信号传送，在线路带宽比较低的情况下使用比较经济
报文交换
- 报文交换适用于线路带宽比较高的情况，可靠灵活，但延迟大
分组交换：数据包、虚电路
- 分组交换缩短了延迟，也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。是目前公认较(最)好的一种交换技术

4 数据链路层技术¶

数据链路层：

如何在有差错的线路上，进行无差错传输

成帧：

将比特流分成离散的帧，并计算每个帧的校验和（字符计数法、带字符填充的首尾字符定界法、带位填充的首尾标记定界法、物理层编码违例法）

差错控制：

接收方给发送方一个反馈/响应

纠错码：海明码

位号为2的幂的位是校验位，其余是信息位；为看清数据位k对哪些校验位有影响，将k写成2的幂的和（例：11 = 1 + 2 + 8，即如果校验位0 1 3出错，则数据位11出错）。只能纠1bit错误

检错码：CRC码

选取一个r阶的多项式。发送端在帧末尾加r个0，用模2的运算做除法得到余数添加到帧末；接收端直接除，整除则没出错，非整除则出错。

数据链路层基本协议：

单工停等协议(A Simplex Stop-and-Wait Protocol)
有噪声信道的单工协议(A Simplex Protocol for a Noisy Channel)
滑动窗口协议(Sliding Window Protocol)
选择重传协议(A Protocol Using Selective Repeat)

5 数据链路层技术 2¶

信道分配方式：

静态分配、动态分配

信道竞争协议/多路访问协议：

纯ALOHA协议
分槽ALOHA协议
载波监听多路访问协议CSMA(Carrier Sense Multiple Access Protocols)
1-坚持型CSMA(1-persistent CSMA)
非坚持型CSMA(non-persistent CSMA)
p-坚持型CSMA(p-persistent CSMA)
带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD

局域网技术：

（从上到下，网络层）
LLC 逻辑链路控制子层 LLC(Logical Link Control)：确认机制和流量控制
MAC介质访问控制子层 MAC(Medium Access Control)：数据封装(发送和接收)、介质访问管理
（物理层）

网桥技术：

网桥(bridge)是工作在数据链路层的一种网络互连设备，它在互连的LAN之间实现帧的存储和转发
作用：扩展局域网段、隔离冲突域
工作原理：
- 网桥工作在混杂(promiscuous)方式，接收所有的帧;
- 网桥接收到一帧后，通过查询地址/端口对应表来确定是丢弃还是转发;
- 网桥刚启动时，地址/端口对应表为空，采用洪泛(flooding)方法转发帧;
- 在转发过程中采用逆向学习(backward learning)算法收集MAC地址。网桥通过分析帧的源MAC地址得到MAC地址与端口的对应关系,并写入地址/端口对应表;
- 网桥软件对地址/端口对应表进行不断的更新，并定时检查，删除在一段时间内没有更新的地址/端口项;
解决多个网桥产生回路的问题：让网桥之间互相通信，用一棵连接每个LAN的生成树(Spanning Tree)覆盖实际的拓扑结构

6 网络层技术 1¶

网络层：

了解通信子网的拓扑结构，选择路由；提供面向连接和无连接的服务

IP协议：

定址：

地址组成：子网掩码（1...1 0...0）前半部分为网络号、后半部分为主机号。主机号全0表示本主机、全1表示广播地址
无类域间路由CIDR(Classless InterDomain Routing)：最长匹配原则:路由查找时，若多个路由表项匹配成功，选择掩码长 (1比特数多)的路由表项;

Internet控制协议：

Internet控制消息协议ICMP(Internet Control Message Protocol)：主要用来报告出错和测试，ICMP报文封装在IP包中
地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)：解决网络层地址(IP地址)与数据链路层地址(MAC地址)的映射问题;
反向地址解析协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)：解决数据链路层地址(MAC地址)与网络层地址(IP 地址)的映射问题

7 网络层技术 1¶

寻址/路由 Routing

距离向量路由算法：

解决路由环路的方法：
- 水平分割:路由信息交互时，不把从各个相邻节点学习到的路由信息发送回原来的节点
- 反向抑制/毒性反转:路由信息交互时将故障链路的开销设置为无限大
- 触发更新:一旦网络状态发生变化，就强制发出更新信息，在其他路由器更新周期到达之前，更新所有路由表
典型的距离向量路由协议：RIP路由协议

链路状态路由协议

Dijkstra算法
缺点：
- 算法初始阶段带宽开销较大
- 算法需要较大的CPU和内存开销
- 网络规模较大或链路状态变化频繁时，效率较低
典型的链路状态路由协议：OSPF:开放的最短路径优先协议

距离向量路由算法总结

从邻居节点的角度了解网络结构
以跳数为开销衡量标准
交互路由表
周期性路由信息交互

链路状态路由算法总结

了解整个网络的拓扑结构
多种参数组合作为衡量标准
交互LSP，计算最短路径树
触发更新

8 网络层技术 3¶

域间路由协议：

策略控制
边界网关协议BGP (Border Gateway Protocol)

下一代互联网网络层协议：IPv6

现在还是孤岛，但之后会成为汪洋

9 传输层技术 1¶

传输层：

消除网络层的不可靠性
提供从源端主机到目的端主机的可靠的、与实际使用的网络无关的信息传输。

传输层提供的两种服务：

面向连接的传输服务：连接建立，数据传输，连接释放
无连接的传输服务

建立连接：

（Connect Request / Connect Acknowledge TPDU (Transport Protocol Data Unit, 传输协议数据单元)）

客户端：发送CR TPDU - 阻塞 - 收到CA TPDU - 连接建立
服务器端：LISTEN(阻塞) - 收到CR TPDU - 发送CA TPDU - 连接建立

拆除连接

不对称方式：任何一方都可以关闭双向连接
对称方式：每个方向的连接单独关闭，双方都执行Disconnect才能关闭整条连接

TCP Transmission Control Protocol 传输控制协议：

连接管理：建立连接：三次握手；释放连接：三次握手 + 定时器
可靠传输：滑动窗口
流控制和拥塞控制：可变滑动窗口、慢启动、拥塞避免

三次握手：三次握手方案解决了由于网络层会丢失、存储和重复包带来的问题

A 发出序号为X的CR TPDU;
B 发出序号为Y的CA TPDU并确认A的序号为X的CR TPDU;
A 发出序号为X+1的第一个数据TPDU，并确认B的序号为Y 的CR TPDU。

标识位：置1表示有效

URG urgent：和紧急指针配合使用，发送紧急数据;
ACK acknowledge：确认号是否有效;
PSH push：指示发送方和接收方将数据不做缓存，立刻发送或接收;
RST reset：由于不可恢复的错误重置连接;
SYN sync：用于连接建立指示;
FIN finish：用于连接释放指示

拥塞窗口 (Cwnd, Congestion Window)的确定

初值为一个MSS (Max Segment Size)
变化：考虑吞吐率和公平性，采用AIMD (Additive Increase / Multiplicative Decrease)

UDP User Datagram Protocol 用户数据报协议：

不需要建立连接，延迟小；经常用于流媒体应用
best effort服务，UDP 报文可能会丢失、乱序

10 应用层技术¶

网络应用程序：相互通信的分布的进程

应用层协议：利用底层协议提供的服务，定义应用程序直接交换的信息及相应的动作

进程如何指明它要与之通信的另一个进程：

IP地址指明该进程所在的主机
端口号指明该主机应该把收到的数据交给哪个当地进程

客户/服务器模型：

客户/服务器模型是所有网络应用的基础。
客户/服务器分别指参与一次通信的两个应用实体，客户方主动地发起通信请求，服务器方被动地等待通信的建立

一些基础的互联网服务：

域名服务 DNS
WWW服务
电子邮件
P2P

计算机网络 总结¶