计算机网络学习笔记

四种分组延迟

结点处理延迟

排队延迟

传输延迟

传播延迟

物理层功能

接口特性（机械特性，电气特性，功能特性，规程特性）

比特编码

数据率

比特同步（时钟同步）

传输模式（单工，半双工，全双工）

数据链路层功能

负责结点-结点数据传输

组帧

物理寻址

流量控制（避免淹没接收端）

差错控制（检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧）

访问控制（在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路控制使用权）

网络层功能

负责源主机到目的主机数据分组交付（可能穿越多个网络）

逻辑寻址（全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址）

路由（路由器互联网络，并路由分组至最终目的主机）

分组转发

传输层功能

报文的分段和重组

SAP寻址（确保将完整报文提交给正确进程，如端口号）

连接控制

流量控制

差错控制

会话层功能

对话控制（建立，维护）

同步（在数据流中插入同步点）

表述层功能

数据表示转化（转换为主机摆）

应用层功能

支持用户通过用户代理或网络接口使用网络

典型应用层服务

网络应用的体系结构

客户机/服务器结构（Client-Server，C/S）

点对点结构（Peer-to-peer，P2P）

混合结构（Hybrid）

客户机/服务器结构

服务器

• 7*24小时提供服务
• 永久性访问地址/域名
• 利用大量服务器实现可扩展性

客户机

• 与服务器通信，使用服务器提供的服务
• 间歇性接入网络
• 可能使用动态IP地址
• 不会与其他客户机直接通信

纯P2P结构

• 没有永远在线的服务器
• 任意端系统/节点之间可以直接通讯
• 节点间歇性接入网络
• 节点可能改变IP地址

优点：高度可伸缩

缺点：难于管理

混合结构

文件传输使用P2P结构

文件的搜索采用C/S结构——集中式

• 每个节点向中央服务器登记自己的内容
• 每个节点向中央服务器提交查询请求，查找感兴趣的内容。

进程：

主机上运行的程序

同一主机上运行的进程之间如何通信？

• 进程间通信机制
• 操作系统提供

不同主机上运行的进程间如何通信？

消息交换

套接字：Socket

• 进程间通信利用socket发送/接受消息实现
• 类似于寄信
• 传输基础设施向进程API

应用层协议

• 网络应用需遵循应用层协议
• 公开协议
  • 由RFC定义
  • 允许互操作
  • HTTP,SMTP,….
• 私有协议
  • 多数P2P文件共享应用

应用层协议的内容

• 消息的类型
  • 请求消息
  • 响应消息
• 消息的语法/格式
  • 消息中有哪些字段
  • 每个字段如何描述
• 字段的语义
  • 字段中信息的含义
• 规则
  • 进程何时发送/响应消息
  • 进程如何发送/响应消息

网络应用对传输服务的需求

• 数据丢失/可靠性
  • 某些网络应用能够容忍一定的数据丢失：网络电话
  • 某些网络应用要求100%可靠的数据传输：文件传输，telnet
• 时间/延迟
  • 有些应用只有在延迟足够低时才“有效”
  • 网络电话/网络游戏
• 带宽
  • 某些应用只有在带宽达到最低要求时才“有效”：网络视频
  • 某些应用能够适应任何带宽——弹性应用：email

Internet提供的传输服务

TCP服务

• 面向连接：客户机/服务器进程间需要建立连接
• 可靠的传输
• 流量控制：发送方不会发送速度过快，超过接收方的处理能力
• 拥塞控制：当网络负载过过重时能够限制发送方的发送速度
• 不提供时间/延迟保障
• 不提供最小带宽保障

UDP服务

• 无连接
• 不可靠的数据传输
• 不提供：
  • 可靠性保障
  • 流量控制
  • 拥塞控制
  • 延迟保障
  • 带宽保障

HTTP协议概述

超文本传输协议

CS结构

HTTP版本：

• 1.0：RFC 1945
• 1.1：RFC 2068

使用TCP传输服务

• 服务器在80端口等待客户的请求
• 浏览器发起到服务器的TCP连接（创建套接字Socket）
• 服务器接受来自浏览器的TCP连接
• 浏览器与Web服务器交换HTTP消息
• 关闭TCP连接

无状态

• 服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的信息

HTTP连接的两种类型

非持久性连接

• 每个TCP连接最多允许传输一个对象
• HTTP 1.0版本使用非持久性连接

持久性连接

• 每个TCP连接允许传输多个对象
• HTTP 1.1版本默认使用持久性连接

Web缓存/代理服务器技术

功能

• 在不访问服务器的前提下满足客户端的HTTP请求

为什么要发明这种技术？

• 缩短客户请求的响应时间
• 减少机构/组织的流量
• 在大范围内实现有效的内容分发

Email应用的构成

• 邮件客户端

  • 读写Email消息
  • 与服务其交互。收发Email
  • Web客户端
  • outlook，gmail，foxmail

• 邮件服务器

  • 邮箱：存储发给该用户的Email
  • 消息队列：存储等待发送的Email

• STMP协议

  • 邮件服务器之间传递消息所使用的协议
  • 客户端：发送消息的服务器
  • 服务器：接收消息的服务器

STMP协议

使用TCP进行email消息的可靠传输

端口25

传输过程的三个阶段

• 握手
• 消息的传输
• 关闭

命令/相应交互模式

• 命令：ASCII文本
• 响应：状态代码和语句

Email消息只能包含7位ASCII码

Email消息格式

头部行

• To
• From
• Subject

消息体

• 消息本身
• 只能是ASCII字符

邮件访问协议

邮件访问协议：从服务器获取邮件

• POP：Post Office Protocol
  • 认证/授权
• IMAP：Internet Mail Access Protocol
  • 更多功能
  • 更加复杂
  • 能够操纵服务器上存储的消息
• HTTP：163，QQ Mail等

POP协议

认证过程

• 客户端命令
  • User：声明用户名
  • Pass： 声明密码
• 服务器响应
  • +OK
  • -ERR
• 事务阶段
  • List：列出消息数量
  • Retr：用编号获取消息
  • Dele：删除消息
  • Quit

IMAP协议

所有消息统一保存在一个地方：服务器

允许用户利用文件夹组织消息

IMAP支持跨会话的用户状态

• 文件夹的名字
• 文件夹与消息ID之间的映射等

DNS

Internet上主机/路由器的识别问题

• IP地址
• 域名

域名解析系统DNS

• 多层命名服务器构成的分布式数据库
• 应用层协议：完成名字的解析
  • Internet核心功能，用应用层协议实现
  • 网络边界复杂

DNS服务

• 域名向IP地址的翻译
• 主机别名
• 邮件服务器别名
• 负载均衡：Web服务器

DNS根域名服务器

本地域名解析服务器无法解析域名时，访问根域名服务器

根域名服务器

• 如果不知道映射，访问权威域名服务器
• 获得映射
• 向本地域名服务器返回映射

顶级域名服务器：负责com,org,net,edu等等

权威域名服务器：组织的域名解析服务器，提供组织内部服务器的解析服务

• 组织负责维护
• 服务提供商负责维护

本地域名解析服务器

不严格属于层级体系

每个ISP有一个本地域名服务器

• 默认域名解析服务器

当主机进行DNS查询时，查询被发送到本地域名服务器

• 作为代理，将查询传发给域名解析服务器系统

DNS查询

迭代查询

递归查询

P2P：搜索信息

文件共享（电驴）

• 利用索引动态跟踪节点所共享的文件的位置
• 节点需要告诉索引它拥有哪些文件
• 节点搜索索引，从而获知能够得到哪些 文件

即时消息（QQ）

• 索引负责将用户名映射到位置
• 当用户开启IM应用时，需要通知索引它的位置
• 节点检索索引，确认用户的IP地址

集中式索引

洪范式查询

层次式覆盖网络

Socket API函数

WSAStartup函数

使用Socket的应用程序在使用Socket之前必须首先调用WSAStartup函数

两个参数：

• 第一个参数指明程序请求使用的WinSock版本，其中高位字节指明副版本，低位字节指明主版本。
  • 十六进制整数，例如0x102表示2.1版
• 第二个参数返回实际的WinSock的版本信息
  • 指向WSADATA结构的指针

WSACleanup

• 应用程序在完成对请求的Socket库的使用最后要调用WSACleanup函数
• 解除与Socket库的绑定
• 释放Socket库所占用的系统资源

socket

sd = socket(protofamily,type,proto);

• 创建套接字

• 操作系统返回套接字描述符（sd）

• 第一份参数（协议族）：protofamily=PF_INET（TCP/IP）

• 第二个参数（套接字类型）：

  type=SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM or SOCK_RAW（TCP/IP）

• 第三个参数（协议号）：0为默认

例如：创建一个流套接字的代码段

struct protoent *p;
p=getprotobyname("tcp");
SOCKET sd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,p->p_proto)

Socket面向TCP/IP的服务类型

TCP：可靠、面向连接、字节流传输、点对点

UDP：不可靠、无连接、数据报传输

bind函数

int bind(sd,localaddr,addrlen);

绑定套接字的本地端点地址

• IP地址+端口号

参数

• 套接字描述符（sd）
• 端点地址（localaddr）
• 地址长度（addrlen）

客户程序一般不必调用bind函数

INADDR_ANY

listen函数

int listen(sd,queuesize);

置服务器端的流套接字处于监听状态

• 仅服务器端调用
• 仅用于面向连接的流套接字

设置连接请求队列大小（queuesize）

返回值:

0：成功

Socket_ERROR：失败

connect函数

connect(sd,saddr,saddrlen);

• 客户程序调用connect函数来使客户套接字（sd）与特定计算机的特定端口（saddr）的套接字（服务）进行连接
• 仅用于客户端
• 可用于TCP客户端也可以用于UDP客户端
  • TCP客户端：建立TCP连接
  • UDP客户端：指定服务器端点地址

accept函数

newsock = accept(sd,caddr,caddrlen)

• 服务程序调用accept函数从处于监听状态的流套接字sd的客户连接请求队列中取出排在最前的一个客户请求，并且创建一个新的套接字来与客户套接字创建连接通道
  • 仅用于TCP套接字
  • 仅用于服务器
• 利用新创建的套接字（newsock）与客户通信

4种类型基本服务器

• 循环无连接

• 循环面向连接

• 并发无连接

• 并发面向连接

传输层服务和协议

传输层协议为运行在不同Host上的进程提供了一种逻辑通信机制

端系统运行传输层协议

• 发送方：将应用递交的消息分成一个或多个的Segment，并向下传给网络层
• 接收方：将接收到的segment组装成消息，并向上交给应用层

传输层可以为应用提供多种协议

• Internet上的TCP
• Internet上的UDP

网络层：提供主机之间的逻辑通信机制

传输层：提供应用进程之间的逻辑通信机制

• 位于网络层之上
• 依赖于网络层服务
• 对网络层服务进行增强

多路复用/分用

接收端进行多路分用：传输层依据头部信息将收到的Segment交给正确的Socket，即不同的进程

发送端进行多路复用：从多个Socket接收数据，为每块数据封装上头部信息，生成Segment，交给网络层。

分用如何工作？

主机接收到IP数据报（datagram）

• 每个数据报携带源IP地址，目的IP地址
• 每个数据报携带一个传输层的段（Segment）
• 每个段携带源端口号和目的端口号

主机收到Segment之后，传输层协议提取IP地址和端口号信息，将Segment导向相应的Socket

• TCP做更多处理

无连接分用（面向UDP）

• 利用端口号创建Socket
• UDP的Socket用二元组标识（目的IP地址，目的端口号）
• 主机收到UDP段后
  • 检查段中的目的端口号
  • 将UDP段导向绑定在该端口号的Socket
• 来自不同源IP地址和/或源端口号的IP数据包被导向同一个Socket

面向连接的分用（面向TCP）

• TCP的Socket用四元组标识
  • 源IP地址
  • 源端口号
  • 目的IP地址
  • 目的端口号
• 接收端利用所有的四个值将Segment导向合适的Socket
• 服务器可能同时支持多个TCP Socket
  • 每个Socket用自己的四元组标识
• web服务器为每个客户端开不同的Socket

UDP（用户数据报协议）

基于Internet IP协议

• 复用/分用
• 简单的错误校验

“Best effort” 服务，UDP段可能

• 丢失
• 非按序到达

无连接

• UDP发送方和接收方之间不需要握手
• 每个UDP段的处理独立于其他段

UDP为什么存在？

• 无需建立连接（减少延迟）
• 实现简单：无需维护连接状态
• 头部开销少
• 没有拥塞控制：应用可更好地控制发送时间和速率

TCP概述

点对点

• 一个发送方，一个接收方

可靠的，按序的字节流

流水线机制

• TCP拥塞控制和流量控制机制，设置窗口尺寸

发送方/接收方缓存

全双工

• 同一连接中能够传输双向数据流

面向连接

• 通信双方在发送数据之前必须建立连接
• 连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点中并不维护状态
• TCP连接包括：两台主机上的缓存，连接状态变量，socket等

流量控制机制

TCP可靠数据传输概述

TCP在IP层提供的不可靠服务基础上实现可靠数据传输服务

流水线机制

累积确认

TCP使用单一重传定时器

触发重传的事件

• 超时
• 收到重复ACK

渐进式

• 暂不考虑重复ACK
• 暂不考虑流量控制
• 暂不考虑拥塞控制

拥塞控制原理

拥塞的表现

• 分组丢失（路由器缓存溢出）
• 分组延迟过大（在路由器缓存中排队）

拥塞控制的方法

• 端到端拥塞控制：
  • 网络层不需要显式的提供支持
  • 端系统通过观察loss，delay等网络行为判断是否发生拥塞
  • TCP采取这种方法
• 网络辅助的拥塞控制
  • 路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息
  • 简单的拥塞指示：SNA,DECbit,TCP/IP ECN,ATM
  • 指示发送方应该采取何种速率

网络层服务

• 从发送主机向接受主机传送数据段
• 发送主机：将数据段封装到数据报中
• 接受主机：向传输层交付数据段
• 每个主机和路由器都运行网络层协议
• 路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域
  • 决策如何处理IP数据报

网络层核心功能-转发与路由

转发：将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口

路由：确定分组从源到目的经过的路径

• 路由算法

网络层核心功能-连接建立

某些网络的重要功能

• ATM，帧中继X.25

数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接

• 网络设备（如路由器）参与连接的建立

网络层连接与传输层连接的对比

• 网络层连接：两个主机之间（路径上的路由器等设备参与其中）
• 传输层连接：两个应用进程之间（对中间网络设备透明）

网络层服务模型

无连接服务

• 不事先为系列分组的传输确定传输路径
• 每个分组独立确定传输路径
• 不同分组可能传输路径不同
• 数据报网络

连接服务

• 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径（建立连接）
• 然后沿该路径（连接）传输系列分组
• 系列分组传输路径相同
• 传输结束后拆除连接
• 虚电路网络

连接服务与无连接服务

数据报网络和虚电路网络是典型两类分组交换网络

数据报网路提供网络层无连接服务

虚电路网络提供网络层连接服务

类似于传输层的无连接服务（UDP）和面向连接服务（TCP）但是网络层服务：

• 主机到主机服务
• 网络核心实现

虚电路

虚电路：一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径（逻辑连接）

• 分组交换
• 每个分组的传输利用链路的全部带宽
• 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

通信过程：呼叫建立—->数据传输—->拆除呼叫

每个分组携带虚电路标识（VCID），而不是目的主机地址

虚电路经过的每个网络设备（如路由器）维护每条经过它的虚电路连接状态

链路，网络设备资源（如带宽，缓存等）可以面向VC进行预分配

• 预分配资源=可预期服务性能
• 如ATM的电路仿真（CBR）

VC的具体实现

每条虚电路包括：

1：从源主机到目的主机的一条路径

2：虚电路号（VCID），沿路每段链路一个编号

3：沿路每个网络层设备（如路由器），利用转发表记录经过的每条虚电路

沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址

同一条VC，在每段链路上的VCID通常不同

• 路由器传发分组时一句转发表改写/替换虚电路号

虚电路信令协议

用于VC的建立，维护与拆除

• 路径选择

应用于虚电路网络

• 如ATM，帧中继网络等

目前的Internet不采用

数据报网络

网络层无连接

每个分组携带目的地址

路由器根据分组的目的地址转发分组

• 基于路由协议/算法构建转发表
• 检索转发表
• 每个分组独立选路

IP分组格式

版本号字段占4位：IP协议的版本号

首部长度字段占4位：IP分组首部长度

• 以4字节为单位

服务类型（TOS）字段占8位：指示期望获得哪种类型的服务

• 1998年这个字段改名为区分服务
• 只有在网络提供区分服务时使用
• 一般情况下不使用，通常IP分组的该字段（第2字节）的值为00H

总长度字段占16位：IP分组的总字节数（首部+数据）

• 最大IP分组的总长度：65535B
• 最小的IP分组首部：20B
• IP分组可以封装的最大数据：65535-20=65515B

生存时间（TTL）字段占8位：IP分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）

• 路由器转发一次分组，TTL减1
• 如果TTL=0，路由器则丢弃该IP分组

协议字段占8位：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包

• 实现复用/分解
• 6为TCP,表示封装的为TCP段，17为UDP，表示封装的是UDP数据报

首部校验和字段占16位：实现对IP分组首部的差错检测

• 计算校验和时，该字段置全0
• 采用反码算术运算求和，和的反码作为首部校验和字段

源IP地址，目的IP地址字段各占32位：分别标识发送分组的源主机/路由器（网络接口）和接受分组的目的主机/路由器（网络接口）的IP地址

选项字段占长度可变，范围在1~40B之间：携带安全，源选路径，时间戳和路由记录等内容

• 实际上很少被使用

填充字段占长度可变，范围在0~3B之间：目的是补齐整个首部，符合32位对齐，即保证首部长度是四字节的倍数

IP分片

最大传输单元（MTU）

网络链路存在MTU（最大传输单元）-链路层数据帧可封装数据的上限

大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被”分片“

• 1个IP分组分为多片IP分组
• IP分片到达目的主机后进行重组

IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序

IP分片过程

• 假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M
• 若L>M，且DF=0，则可以/需要分片
• 分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识
• 通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为MTU允许的最大分片

IP编址

IP分组：

• 源地址-从哪儿来
• 目的地址-到哪儿去

接口：主机/路由器与物理链接的连接

• 实现网络层功能
• 路由器通常由多个接口
• 主机通常只有一个或两个接口

IP地址：32比特（IPv4）编号标识主机，路由器的接口

IP地址与每个接口关联

IP子网

IP地址：

网络号—高比特位

主机号—低比特位

|NetID|HostID|

IP子网

• IP地址具有相同网络号的设备接口
• 不跨越路由器（第三及以上层网络设备）可以彼此物理联通的接口

子网划分

IP地址：

网络号—高位比特

子网号—原网络主机号部分比特

主机号—低位比特

|NetID|SubID|HostID|

子网掩码

形如IP地址

• 32位
• 点分十进制形式

取值

• NetID，SubID位全取1
• HostID位全取0

例如

• A类网的默认子网掩码为：255.0.0.0
• B类网的默认子网掩码为：255.255.0.0
• C类网的默认子网掩码为：255.255.255.0
• 借用3比特划分子网的B网的子网掩码为：255.255.224.0

CIDR

无类域间路由

• 消除传统的A类，B类和C类地址界限
  • NetID+SubID—>Network Prefix(Prefix)可以任意长度
• 融合子网地址与子网掩码，方便子网划分
  • 无类地址格式：a,b,c,d/x,其中x为前缀长度

CIDR与路由聚合

无类域间路由

• 提高IPv4地址空间分配效率
• 提高路由效率
  • 将多个子网聚合为一个较大的子网
  • 构造超网
  • 路由聚合

DHCP协议

如何获得IP地址

• 硬编码
  • 静态配置

动态主机配置协议—DHCP

• 从服务器动态获取
  • IP地址
  • 子网掩码
  • 默认网关地址
  • DNS服务器名称和IP地址
• ”即插即用“
• 允许地址重用
• 支持在用地址续租
• 支持移动用户加入网络

动态主机配置协议（DHCP）

主机广播 “DHCP discover”（发现报文）

DHCP服务器利用 “DHCP offer”（提供报文）进行相应

主机请求IP地址：“DHCP request”（请求报文）

DHCP服务器分配IP地址：“DHCP ack”（确认报文）

DHCP工作过程：

DHCP协议在应用层实现

• 请求报文封装到UDP数据报中
• IP广播
• 链路层广播（e.g.以太网广播）

DHCP服务器构造ACK报文

• 包括分配给客户的IP地址，子网掩码，默认网关，DNS服务器地址

网络地址转换（NAT）

动机：

• 只需/能从ISP申请一个IP地址
  • IPv4地址耗尽
• 本地网络设备IP地址的变更，无需通告外界网络
• 变更ISP时，无需修改内部网络设备IP地址
• 内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址（安全）

实现

• 替换
  • 利用（NAT IP地址，新端口号）替换每个外出IP数据报的（源IP地址，源端口号）
• 记录
  • 将每对（NAT IP地址，新端口号）与（源IP地址，源端口号）的替换信息存储到NAT转换表中
• 替换
  • 根据NAT转换表，利用（源IP地址，源端口号）替换每个进入内网IP数据报的（目的IP地址，目的端口号），即（NAT IP地址，新端口号）

NAT穿透问题

解决方案1：静态配置NAT，将特定端口的连接请求转发给服务器

解决方法2：利用UPnP，互联网网关设备协议（IGD-Internet Gateway Device）自动配置

解决方案3：中继（skype）

• NAT内部的客户与中继服务器建立连接
• 外部客户也与中继服务器建立连接
• 中继服务器桥接两个连接的分组

互联网控制报文协议（ICMP）

ICMP支持主机或路由器：

• 差错报告
• 网络探询

两类ICMP报文：

• 差错报告报文（5种）
  • 目的不可达
  • 源抑制
  • 超时/超期
  • 参数问题
  • 重定向
• 网络探询报文（2组）
  • 回声（Echo）请求与应答报文
  • 时间戳请求与应答报文

例外情况

几种不发送ICMP差错报告报文的特殊情况

• 对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文
• 除第1个IP数据报分片外，对所有后续分片均不发送ICMP差错报告报文
• 对所有多播IP数据报均不发送ICMP差错报告报文
• 对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的IP数据报不发送ICMP差错报告报文

几种ICMP报文已不再使用

• 信息请求与应答报文
• 子网掩码请求与应答报文
• 路由器询问和通告报文

ICMP报文的格式

ICMP差错报告报文数据封装：

ICMP应用举例：Traceroute

源主机向目的主机发送一些列UDP数据报

• 第1组IP数据报TTL=1
• 第2组IP数据报TTL=2，etc
• 目的端口号为不可能使用端口号

当第n组数据报（TTL=n）到达第n个路由器时：

• 路由器丢弃数据报
• 向源主机发送ICMP报文（type=11，code=0）
• ICMP报文携带路由器名称和IP地址信息