计算机网络学习笔记

一、计算机网络概论

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

  1. 21世纪的重要特征:数字化、网络化和信息化,以网络为核心。
  2. “三网融合”:电信网络、有线电视网络、计算机网络
  3. 互联网(Internet)的两个重要基本特点:连通性、共享
  4. 互联网+的特点:深度融合

1.2 互联网概述

  • 互联网(Internet)
  • 计算机网络(简称网络)

    • 由若干结点(node)和连接结点的链路(link)组成。
  • 互联网(internetwork / internet)

    • 通过路由器把网络互连起来,构成更大的计算机网络。
    • 网络的网络(network of networks)
  1. 与网络相连的计算机常称为主机(host)
  2. 互联网基础结构发展的三个阶段:

    • 第一阶段:1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。
    • 第二阶段:建成了三级结构的互联网,分为主干网、地区网和校园网(企业网)。
    • 第三阶段:逐渐形成多层次ISP结构的互联网。

      • 互联网服务提供者ISP(Internet Service Provider), 分为主干ISP、地区ISP和本地ISP
  3. 成为互联网正是标准要经历的三个阶段:

    • 互联网草案(Internet Draft),有效期六个月,不是RFC文档。
    • 建议标准(Proposed Standard),RFC文档。
    • 互联网标准(Internet Standard),分配到编号STD xx。一个标准可以与多个RFC文档关联。
  4. RFC文档包括:建议标准、互联网标准、历史的RFC、实验的RFC和提供信息的RFC文档。

1.3 互联网的组成

  1. 从互联网的工作方式可以分为两大块:

    • 边缘部分:由连接在互联网上的主机端系统end system)组成。
    • 核心部分:由大量网络和连接网络的路由器组成。
  2. 端系统之间的通信方式:

    • 客户-服务器方式(Client/Server方式, C/S方式)
    • 对等方式(Peer-to-Peer方式,P2P方式)
  3. 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)转发收到的分组,实现分组交换(packet switching)
  4. 电路交换是面向连接的,分为三个阶段:

    • 建立连接
    • 通信
    • 释放连接
  5. 分组交换采用存储转发技术。

    • 在发送段先将较长的报文划分为较短的、固定长度的数据段
    • 在每一个数据段前面添加上首部构成分组(packet),首部中包含地址等控制信息。
    • 分组为数据传输单元依次发送到接收端,每个分组独立地选择传输路径
    • 接收端受到分组后剥去首部还原成报文。
  6. 路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。处理分组的过程是:

    • 放入缓存(暂时存储)
    • 查找转发表
    • 转发
  7. 分组交换的优点:

    • 高效动态分配传输带宽。
    • 灵活:每一个分组独立地选择最合适的转发路由。
    • 迅速:可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。
    • 可靠:保证可靠性的网络协议。
  8. 分组交换的问题:

    • 分组储存转发时需要排队,造成时延
    • 首部造成一定开销

1.4 计算机在我国的发展

  • 中国电信互联网 CHINANT
  • 中国联通互联网 UNINET
  • 中国移动互联网 CMNET
  • 中国教育和科研计算机网 CERNET
  • 中国科学技术网 CSTNET

1.5 计算机网络的类别

  1. 从网络的作用范围分:

    • 广域网WAN(Wide Area Network)
    • 城域网MAN(Metropolitan Area Network)
    • 局域网LAN(Local Area Network)
    • 个人局域网PAN(Personal Area Network)
    • 若中央处理及之间的距离非常近,则称之为多处理机系统,而不成其为计算机网络。
  2. 从网络的使用者分:

    • 公用网(public network)
    • 专用网(private network)
  3. 接入网AN(Access Network)

    • 既不属于核心部分也不属于边缘部分。
    • 多数属于局域网

1.6 计算机网络的性能

  • 速率
  • 带宽
  • 吞吐率
  • 时延
  • 时延带宽积
  • 往返时间RTT
  • 利用率
  1. 速率
  • 数据的传送速率,也称为数据率(data rate)、比特率(bit rate)。速率往往指的是额定速率或标称速率,非实际运行速率。
  • 一个比特(bit)就是一个二进制数字中的一个1或0.
  • 单位:bit/s, kbit/s, Mbit/s, Gbit/s等。
  1. 带宽
  • 原指信号具有的频带宽度,单位为赫(千赫、兆赫、吉赫等)。 (频域称谓)
    计算机网络中表示单位时间内网络中的某信道所能通过的最高数据率,单位为bit/s。 (时域称谓)

二、物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体
其作用是尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性。

  • 机械特性
  • 电气特性
  • 功能特性
  • 过程特性

2.2 数据通信的基础知识

数据通信系统包括三大部分:源系统(发送端、发送方)、传输系统(传输网络)、目的系统(接收端、接收方)

信道:向某一方向传送信息的媒体。

  • 单项通信(单工通信):只能有一个方向通信而没有反方向的交互。
  • 双向交替通信(半双工通信):通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送。
  • 双向同时通信(全双工通信):通信双方可以同时发送和接受信息。

调制分为两大类:

  • 基带调制:仅对基带信号的波形进行变换,变换后的信号仍是基带信号。这种过程成为编码
  • 带通调制:使用载波进行调制。将基带信号转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号

常用编码方式:

  • 不归零制:正电平代表1,负电平代表0
  • 归零制:正脉冲代表1,负脉冲代表0
  • 曼彻斯特编码:位周期中心的向上跳变代表0,向下跳变代表1。反之亦可。
  • 差分曼彻斯特编码:在每一位中心处始终都有跳变。位边界有跳变代表0,无跳变代表1。

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力,产生的信号频率比不归零制高。

最基本的二元制带通调制方法:

  • 调幅(AM)
  • 调频(FM)
  • 调相(PM)

限制码元在信道上的传输速率的因素:

  • 信道能够通过的频率范围奈氏准则给出了在理想条件下,为了避免码间串扰,码元的传输速率的上限值。
    信道的频带越宽,能够通过的信号高频分量越多,传输速率的上限值越高。
  • 信噪比。信号的平均功率和噪声的平均功率之比,记为S/N,单位为分贝(dB)。
    信噪比(dB) = 10 log 10(S/N)

香农公式
信道的极限信息传输速率C可表达为:C = W log2(1+S/N)
其中W:信道带宽(Hz)

对于频带宽度已经确定的信道,如果信噪比不能再提高了,且码元传输速率也达到了上限值,那么可以用编码的方法让每一个码元携带更多的比特的信息量来提高信息的传输速率。

2.3 物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体

  • 双绞线:屏蔽双绞线STP、无屏蔽双绞线UTP。
    布线标准为EIA/TIA-568-A,规定了从1类线到5类线五个种类的UTP标准。最常用的UTP是5类线(Category 5 / CAT5)。
  • 同轴电缆:50Ω同轴电缆——Lan/数字传输
    75Ω同轴电缆——有线电视/模拟传输
  • 光缆:多模光纤、单模光纤

非导引型传输媒体(自由空间)

  • 短波通信
  • 微波

2.4 信道复用技术

  • 频分复用FDM
  • 时分复用TDM
  • 统计时分复用STDM
  • 波分复用WDM
  • 码分复用CDM (码分多址CDMA)

码片序列
每一个比特时间划分为m个短的间隔,称为码片
每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。
码片序列实现了扩频,所占用的频带宽度提高到原来数值的m倍
每个站的码片序列必须各不相同必须互相正交
不同站的码片向量的规格化内积等于0。
任意码片向量与自己的规格化内积等于1,与该码片反码的向量的规格化内积等于-1.

2.6 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL
FFFx技术

三、数据链路层

3.1 使用点对点信道的数据链路层

三个基本问题:

  • 封装成帧 在数据前后添加首部和尾部构成帧。
    使用特殊的帧定界符:首部SOH、尾部EOT
  • 透明传输
    字节填充或字符填充解决透明传输问题。发送端的数据链路层在数据中出现控制字符的前面插入转义字符ESC,接收端的数据链路层在送往网络层之前删除转义字符。
  • 差错控制循环冗余检验CRC

    • k位的数据M乘2的n次,相当于在M后面添加n个0.
    • 得到的(k+n)位数除以事先选定好的长度位(n-1)位的除数P,得到商Q和余数R。余数R比除数P少一位,即R是n位。
    • 将余数R作为冗余码拼接到数据M后面发送出去。

在数据后面添加的冗余码成为帧检验序列FCS(Frame Check Sequence)
接收端对收到的每一帧进行CRC检验:

  • 余数R = 0,则判定此帧无差错,接受。
  • 余数R != 0, 则判定此帧有差错,丢弃
    仅用CRC只能做到无差错接受,要做到可靠传输必须再加上确认和重传机制。

3.2 点对点协议PPP

PPP协议的帧格式
首部4个字段,尾部2个字段
标志字段F = 0x7E
地址字段A = 0xFF (实际不起作用)
控制字段C = 0x03
PPP是面向字节的,所有ppp帧的长度都是整数字节。

ppp帧格式

透明传输问题

  • 同步传输时使用零比特填充
    发送端只要发现由5个连续的1,立即填入1个0;接收端每当发现5个连续的1,删除后面的一个0。
  • 异步传输时使用字符填充法

PPP协议不是纯粹的数据链路层协议,还包含了物理层和网络层的内容。

3.3 使用广播信道的数据链路层

IEEE802.3是第一个IEEE的以太网标准。
802.3标准中数据链路层的两个子层:

  • 逻辑链路控制LLC子层 (与传输媒体无关)局域网对LLC子层是透明的。
  • 媒体接入控制MAC子层 (与接入到传输媒体有关的内容)

以太网采取了两种重要的措施:

  • 采用较为灵活的无连接的工作方式
    以太网提供的服务是不可靠的交付,即最大努力的交付。差错的纠正由高层来决定
  • 以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码
    缺点:所占频带宽度比原始基带信号增加了一倍。

CSMA/CD协议载波监听多点接入/碰撞检测

  • 先听先发
  • 边听边发
  • 冲突停止
  • 随即延迟后重发

碰撞检测的原因:电磁波在总线上的传播速率是有限的,需要在发送期间进行碰撞检测,以检测冲突。

CSMA/CD重要特性
不能进行全双工通信,只能进行半双工通信
发送数据后的一小段时间内存在遭遇碰撞的可能性,具有不确定性,是的平均通信量远小于最高数据率。

争用期
在发送数据帧后至多经过时间2┏(两倍的端到端往返时延)就可知道是否遭受到碰撞。端到端的往返时延2┏称为争用期,或碰撞窗口

以太网规定最短有效帧长为64字节。长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧

CSMA/CD协议的要点

  • 准备发送
  • 检测信道
  • 检查碰撞

    • 发送成功:争用期内一直未检测到碰撞。
    • 发送失败:争用期内检测到碰撞,立即停止发送数据,并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法。

集线器的特点
使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是CSMA/CD协议,并共享逻辑上的总线
集线器工作在物理层

要提高以太网的信道利用率,必须减小┏与To之比。
以太网参数α = ┏ / To
α越小,信道利用率越高。
对以太网参数α的要求是:

  • 数据率一定时,以太网的连线长度收到限制。
  • 以太网的帧长不饿能太短,否则To的值会太小。

理想情况下的极限信道利用率Smax = To/(To + ┏) = 1 / (1+α)

局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC地址
MAC-48

第一字节的最低位为IG位(Individual/Group)。
I/G位=0时,表示单站地址;I/G位=1时,表示组地址
第一字节的最低第二位为G/L位(Global/Local)。
G/L位=0时,表示全球管理;G/L位=1时,表示本地管理

适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址,如果是发往本站的帧则收下(包括单播帧广播帧多播帧),否则丢弃此帧。

以太网V2的MAC帧格式:
以太网V2的MAC帧格式

无效的MAC帧

  • 数据字段的长度与长度字段的值不一致
  • 帧的长度不是整数个字节
  • 用收到的帧检验序列FCS查出有差错
  • 数据字段的长度不在46~1500字节之间
  • 有效的MAC帧长度不在64~1518字节之间

对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃,以太网不负责重传丢弃的帧

IEEE802.3MAC帧格式与以太网V2 MAC帧格式的区别:
IEEE802.3规定的MAC帧的第三个字段是长度/类型

帧间最小间隔为9.6μs

3.4 扩展的以太网

物理层扩展以太网:

  • 使用光纤扩展
  • 使用集线器扩展

数据链路层扩展以太网:

  • 早期使用网桥,根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。
  • 现在使用以太网交换机。实质上是一个多接口的网桥,工作在全双工方式,具有并行性

以太网交换机的交换方式

  • 存储转发方式
  • 直通方式

交换机自学习和转发帧的步骤归纳

  • 交换机收到一帧后先进行自学习。查找交换表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。

    • 如没有,就在交换表中增加一个项目(源地址、进入的接口和有效时间)。
    • 如有,则将原有的项目进行更新(进入的接口和有效时间)。
  • 转发帧。查找交换表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目

    • 如没有,则向所有其他接口转发。
    • 如有,则按交换表中给出的接口进行转发。
    • 若交换表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口,则丢弃这个帧。

交换机使用了生成树协议STP,使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状接口,从而消除了兜圈子现象。

早期以太网采用无源的总线接口,现在采用以太网交换机的星星结构

虚拟局域网使用的以太网帧格式
在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符,称为VLAN标记(tag)。插入VLAN标记得出的帧称为802.1Q帧带标记的以太网帧
802.1Q.jpg

3.5 高速以太网

速率达到或超过100 Mbits/s的以太网称为高速以太网
100BASE-T在双绞线上传送100Mbits/s基带信号的星型拓扑以太网,仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议。又称为快速以太网,代号为IEEE 802.3u
在全双工方式下工作时,不适用CSMA/CD协议。
MAC帧格式仍然是802.3标准。

半双工方式工作的吉比特以太网增加了两个功能:

  • 载波延伸 最小帧长仍为64字节,将争用时间增大为512字节
  • 分组突发

全双工方式工作时不使用载波延伸和分组突发。

10吉比特以太网只工作在全双工方式

四、网络层

4.1 网络层提供的两种服务

  • 虚电路服务。可靠通信由网络来保证。
  • 数据报服务。网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务网络层不提供服务质量的承诺

4.2 网际协议IP

五种不同的中间系统(中继系统)

  • 物理层:转发器
  • 数据链路层:网桥或桥接器
  • 网络层:路由器
  • 网桥和路由器的混合物:桥路器
  • 网络层以上的中继系统:网关

IP地址及其表示方法
分类的IP地址。最基本的编制方法。
IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>}
ip adreess

点分十进制记法
每8位为一组,将每8位的二进制数转换为十进制数,进一步提高可读性。

IP地址的重要特点

  • IP地址是一种分等级的地址结构
  • IP地址是标记一个主机(或路由器)和一条链路的接口。当一个主机同时连接到两个网络上时,必须同时具有两个相应的IP地址,其网络号必须是不同的。这种主机称为多归属主机
    一个路由器至少应当由两个不同的IP地址
  • 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络,具有同样的网络号。
  • 所有分配到网络号的网络都是平等的。

从层次的角度看:

  • IP地址是网络层和以上各层使用的地址,是一种逻辑地址。
  • 硬件地址(或物理地址)是数据链路层和物理层使用的地址。
    IP地址和硬件地址的区别

地址解析协议ARP:从网络层使用的IP地址,解析出在数据链路层使用的硬件地址。
每一个主机都设有一个ARP高速缓存,里面有所在局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。
< IP address;MAC address;TTL >
TTL:地址映射有效时间

当主机欲向本局域网上的某个主机发送IP数据报时,就先在其ARP高速缓存中查看有无目的主机的IP地址。

  • 如有,就可查出其对应的硬件地址,再将此地址写入MAC帧,通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。
  • 如没有,ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组。收到ARP相应分组后,将得到的IP地址到硬件地址的映射写入ARP高速缓存。

ARP高速缓存的作用:存放最近获得的IP地址到MAC地址的绑定,以减少ARP广播的数量。

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果要找的主机和源主机不在同一个局域网上,则要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址,然后把分组发送给这个路由器,让这个路由器把分组转发非下一个网络。剩下的工作由下一个网络来做。

IP数据报格式
IP数据报格式.jpg

IP数据报由首部数据两部分组成。首部前一部分是固定长度,共20字节,是所有IP数据报必须具有的。
可选字段的长度是可变的。
版本占4位,指IP协议的版本。
首部长度占4位,可表示的最大数值是15个单位(一个单位为4字节)。因此IP的首部长度最大值为60字节。
区分服务占8位。
总长度占16位,指首部和数据之和的长度。必须不超过最大传送单元MTU。
标识占16位,产生IP数据报的标识。
标志占3位
片偏移占13位,指出较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。以8个字节为偏移单位。
生存时间占8位,记为TTL。指数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。
协议占8位,指出此数据报携带的数据使用何种协议。
首部检验和占16位,只检验数据报的首部,不采用CRC检验码而使用16位二进制反码求和算法。
源地址目的地址各占4字节。

根据目的网络地址就能确定下一跳路由器。通过多次间接交付找到目的主机所在网络上的路由器,再向目的主机进行直接交付

路由器还可采用默认路由减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间

路由器分组转发算法

  • 从数据报的首部提取目的主机的IP地址D,得出目的网络地址为N。
  • 若网络N与此路由器直接相连,则把数据报直接交付目的主机D;否则间接交付
  • 若路由表中由目的地址为D的特定主机路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器。
  • 否则,若路由表中有到达网络N的路由,则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器。
  • 否则,若路由表中有一个默认路由,则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器。
  • 否则,报告转发分组出错。

路由表指出,到某个网络应当先到某个路由器(即下一跳路由器)

4.3 划分子网和构造超网

三级IP地址:在两级的IP地址中增加了一个子网号字段。这种做法叫作划分子网。只是把主机号这部分进行再划分,而不改变IP地址原来的网络号
IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>}

划分子网纯属一个单位内部的事情,对外部网络透明

使用子网掩码可以找出IP地址中的子网部分。
(IP 地址) AND (子网掩码) =网络地址
规则:

  • 子网掩码长度=32位
  • 某位=1:IP地址中的对应位为网络号和子网号
  • 某位=0:IP地址中的对应位为主机号

子网划分方法:固定长度子网变长子网
在采用固定长度子网时,所划分的所有子网的子网掩码都是相同的。

划分子网增加了灵活性,但却减少了能够连接在网络上的主机总数

在划分子网情况下路由器转发分组的算法

  • 从数据报的首部提取目的主机的IP地址D得出目的网络地址为N 先用各网络的子网掩码和D逐位相与,得出网络地址D。
  • 若网络N与此路由器直接相连,则把数据报直接交付目的主机D;否则间接交付
  • 若路由表中由目的地址为D的特定主机路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器。
  • 否则,若路由表有到达网络N的路由。对路由表中的每一行,将子网掩码和D逐位相与。若结果中与该行的目的网络地址匹配,则把数据报传送给路由表该行指明的下一跳路由器。
  • 否则,若路由表中有一个默认路由,则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器。
  • 否则,报告转发分组出错。

无分类编址CIDR
使用变长子网掩码VLSM可进一步提高IP地址资源的利用率。在此基础上进一步研究出无分类编制方法——无分类域间路由选择CIDR。IP地址从三级编址又回到了两级编址。
CIDR使用斜线记法(CIDR记法)
一个CIDR地址块可以表示很多地址,称为路由聚合。也成为构成超网
CIDR地址块中的地址数一定是2的整数次幂。
在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果,选择更具体的那一个,即最长前缀的地址

4.4网际控制报文协议ICMP

ICMP报文.jpg

  • 差错报告报文
  • 询问报文

PING用来测试两个主机之间的连通性。
Traceroute(tracert)用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。

4.5 互联网的路由选择协议

互联网采用分层次的路由选择协议。
自治系统 AS
一个 AS 对其他 AS 表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略
两大路由选择协议:

  • 内部网关协议IGP。在自治系统内部使用。
  • 外部网关协议EGP。将路由选择信息传递到另一个自治系统中。

在自治系统之间的路由选择叫做域间路由选择
在自治系统内部的路由选择叫做域内路由选择

内部网关协议RIP:一种分布式的、基于距离向量的路由选择协议。
从一个路由器到直接连接的网络的距离为1。到非直接连接的网络的距离为所经过的路由器数+1。
距离也称为跳数
好的路由距离短。RIP允许一条路径最多经过15个路由器距离的最大值为16即相当于不可达。
RIP不能在两个网络之间同时使用多个路由。
RIP协议的三个特点:

  • 仅和相邻路由器交换信息。
  • 交换信息为自己的路由表(全部信息)。
  • 固定时间间隔交换路由信息。

RIP2具有简单的鉴别功能。
RIP协议的特点:好消息传播得快,坏消息传播得慢。

内部网关协议OSPF
基本特点:

  • 开放
  • 最短路径优先
  • 采用分布式的链路状态协议

使用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送信息。
发送的信息是与本路由器相邻路由器的链路状态,是部分信息
只有当链路状态发生变化时才会使用洪泛法发送信息。

链路状态数据库是全网的拓扑结构图,在全网范围内是一致的。能较快地更新。
OSPF的更新过程快是其重要优点。

OSPF使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫做主干区域
OSPF不用UDP而是直接使用IP数据报传送。
当互联网规模很大时,OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多。OSPF没有坏消息传播得慢的问题
采用指定的路由器,使广播的信息量大大减少。

外部网关协议BGP
每一个自治系统的管理员选择至少一个路由器作为BGP发言人
两个BGP发言人建立TCP连接交换BGP报文——建立BGP会话交换路由信息。

路由器的结构

  • 路由选择部分
  • 分组转发部分

路由器中的队列溢出是导致分组丢失的重要原因。

五、运输层

5.1 运输层协议概述

运输层属于面向通信部份的最高层,同时也是用户功能中的最底层
只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有运输层。

作用:运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信

  • 从IP层来说,通信的两端是两台主机
  • 从运输层角度看,通信的真正端点是主机中的进程

网络层和运输层的主要区别

  • 网络层为主机之间提供逻辑通信。
  • 运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。

功能复用、分用
运输协议

  • 面向连接的传输控制协议TCP。相当于全双工的可靠信道
  • 无连接的用户数据报协议UDP。相当于不可靠信道

数据单元:运输协议数据单元TPDU

  • TCP报文段
  • UDP报文或用户数据报

端口号
只具有本地意义,标志本计算机应用层中的各进程

5.2 用户数据报协议UDP

特点:

  • 无连接的
  • 尽最大努力交付
  • 面向报文的
  • 没有拥塞控制
  • 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
  • 首部开销小

两个字段:

  • 首部字段(8字节4字段)
  • 数据字段

5.3 传输控制协议TCP

特点:

  • 面向连接的
  • 只能由两个端点,只能是点对点的
  • 提供可靠交付
  • 提供全双工通信
  • 面向字节流

TCP连接的端点叫做套接字(socket)或插口
套接字 socket = (IP地址 : 端口号)
TCP 连接 ::= {socket1, socket2} = {(IP1: port1),(IP2: port2)}

5.5 TCP报文段的首部格式

TCP首部的最小长度为20字节
选项字段:最大报文段长度MSS,表示数据字段的最大长度。

5.6 TCP可靠传输的实现

发送缓存:发送方的应用进程把字节流写入TCP的发送缓存。
接收缓存:接收方的应用进程从TCP的接收缓存中读取字节流。

重传时间的选择是TCP最复杂的问题之一。TCP采用了一种自适应算法——**修正的Karn算法。

5.7 TCP的流量控制

利用滑动窗口机制实现流量控制。
TCP为每一个连接设有一个持续计时器防止死锁

5.8 TCP的拥塞控制

出现拥塞的原因∑对资源需求 > 可用资源
增加资源不能解决拥塞
拥塞引起的重传并不会缓解网络的拥塞,反而会加剧网络的拥塞。
分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。

  • 开环控制
  • 闭环控制

TCP采用基于窗口的方法进行拥塞控制(属于闭环控制)。发送方维持一个拥塞窗口CWND
真正的发送窗口值 = Min(公告窗口值,拥塞窗口值)。

拥塞的判断:

  • 重传定时器超时
  • 收到三个相同(重复)的ACK 

TCP拥塞控制算法:

  • 慢开始
  • 拥塞避免
  • 快重传
  • 快恢复

5.9 TCP的运输连接管理

运输连接的三个阶段:

  • 连接建立
  • 数据传送
  • 连接释放

TCP连接的建立采用客户服务器方式
TCP建立连接的过程叫做三报文握手
TCP连接释放过程是四报文握手

六、应用层

6.1 域名系统DNS

域名只是逻辑概念

  • 国家顶级域名nTLD
  • 通用顶级域名gTLD
  • 基础结构域名(只有一个arpa,又称反向域名)

根域名服务器共有13套装置。
主机向本地域名服务器的查询一般采用递归查询
本地域名服务器向根域名服务器的查询通常采用迭代查询
每个域名服务器都维护一个高速缓存。

6.2 文件传输协议FTP

使用客户服务器方式,一个主进程和若干个从属进程。
NFS在网络上传送的只是少量的修改数据。
简单文件传送协议TFTP每次传送的数据PDU也称为文件块

6.3 远程终端协议TELNET

使用客户服务器方式。
使用网络虚拟终端NVT格式。

6.4 万维网WWW

万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所。访问方式称为链接
万维网是分布式超媒体系统。是超文本系统的扩充。
一个超文本由多个信息源链接成。超媒体与超文本的区别是文档内容不同。
客户服务器方式工作。

统一资源定位符URL
一般形式:<协议>://<主机>:<端口>/<路径>

  • 协议:ftp、http、News
  • 主机:存放资源的主机的域名
  • 端口/路径有时可省略

超文本传送协议HTTP
面向事务的。
HTTP/1.1协议使用持续连接

  • 非流水线方式
  • 流水线方式

代理服务器又称为万维网高速缓存。使用高速缓存可减少访问互联网服务器的时延。
HTTP的报文结构:

  • 请求报文
  • 响应报文

状态行包括HTTP的版本、状态码以及简单短语。
状态码都是三位数字。

  • 1xx表示通知信息
  • 2xx表示成功
  • 3xx表示重定向
  • 4xx表示客户的差错
  • 5xx表示服务器的差错

Cookie表示HTTP服务器和客户之间传递的状态信息。

超文本标记语言HTML
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