网络

1.一些概念：
电路交换：仿电话交换，建立电路、传输数据再拆除电路。需要通信双方同时激活，双方之间的通信资源专用。
报文交换：交换机存储报文，在合适时间转发。
分组交换：将报文分组，分组前后添加信息标识分组，形成一个交换单位，便于交换机存储，分析和处理。

端系统：通信进程的主机
客户服务器模式C/S：服务由客户主动请求，由服务器提供，
对等模式P2P：两主机通信是地位平等，都可以起客户和服务器的作用。

速率：主机在信道上单位时间内传输的数据量
带宽：信号所占频带宽度
吞吐量：单位时间内通过信道、接口等网络的数据量
发送时延：发送开始到帧最后一个bit的时间，数据帧长度/信道带宽
传播时延：电磁波在信道中传播的时间=信道长度/信道中的传播速率
处理时延：分组首部分析、从分组提取信息、差错检测、寻找路由等的时间
排队时延：分组进出路由需要排队和等待转发的时间
时延带宽积：传播时延*带宽

实体：收发信息的进程或硬件
协议：对等实体(同一层)通信的行为规则的集合
服务：某层对其上层提供的操作
面向连接服务：虚电路，对等实体交换信息前先建立连接，结束后释放。可以连续向同一目的发送多个报文
面向无连接服务：数据报,证实交付，请求回答。
服务原语：相邻层的户服务可用原语和参数来表示，具体实现是通过系统调用，函数调用，系统调用，或操作系统内核提供的进程控制机制来完成。一般三个基本组成部分：原语名，原语类型，原语参数。
LISTEN:表示准备就绪。阻塞的系统调用，指定到有请求到来。服务器监听到有连接请求，就返回一个ack。
CONNECT:客户发送一个分组，请求连接。然后客户进程挂起到服务器返回应答。收到确认报文后，恢复运行。
DISCONNECT:终止当前连接

2.协议
要求：
语法：规定协议元素数据、控制信息的格式
语义：规定通信双方如何操作
同步：规定通信事件发生的顺序

分层原则：
有一个抽象的不同等级，设立一个相应的层次。
每一层的功能有确切定义。每层应该有建立和释放，流量控制，差错控制，分段和重装，复用和分用等。
层间接口要清晰，信息量要少。
层的数目要合适。功能划分明确，结构不复杂，

分层优点：
各层独立，了解接口，降低系统复杂度
灵活，一层内变更，接口不变，不会对相邻层产生影响
易于实现和维护
标准化

3.物理层：为数据链路层提供一个物理连接(建立，维持，释放)，实现在物理媒体上透明地传送比特流(实际传送的bit没有变化)所需的各种功能。使接口按规定相互兼容。

3.1物理层：
数据终端设备：具有数据处理和转发能力的设备。
数据电路终接设备：DCE,在DTE和传输线路间提供信号转换和编码的功能，如调制解调器。
并行传输：多个信道上同时传送。
串行传输：一条信道上按顺序传送比特流。需要知道位宽，字符起始结束，帧起始结束。即位同步，字符同步，块同步。
同步传输：把块整体传送。收发器间的时钟同步，帧同步。
异步传输：用一个频率为传输比特率的n倍时钟(一般为16，串口就是这样的)，在每一个比特的中心对接收信号采样，来确定字符中一个比特的状态。起始位和停止位极性不同。

规定4方面的特性：
机械：接口
电气：输出阻抗，输入阻抗，信号电平。平衡性，负载要求，速率，距离等
功能：各接口信号线功能定义
规程：相互关系，动作顺序，测试维护等

4.数据链路层：
4.1.屏蔽物理层，为网络层提供一个数据链路连接。通过检验、确认和反馈等进行无差错传输。按帧传输。

任务：将ip数据报封装成帧传给物理层，从物理层接上传的帧中提取ip数据报给网络层，如差错则丢弃。

功能：
链路管理：数据链路的建立，维持，释放
帧的封装和拆封：帧头尾，差错检测
帧定界：帧的边界确定
透明传输：控制信息和数据信息相同时，使接收端能区分。
差错检测：检验码，CRC，实现无比特差错的传输。


帧定界方法：
字节填充
比特填充
字节计数
非法编码：IEEE802.1采用这种方法，码元中点不发生电平变化。

4.2
ppp协议：工作在数据链路层，由三个部分组成
将ip数据报封装到串行链路的方法。
建立，配置合测试数据链路连接的控制协议LCP.
一组网路控制协议，每一个协议支持不同的网络层协议。

帧格式：
F A C 协议 信息 FCS 
F: 1字节 0x7F
A: 1字节 0xFF
C: 1字节 0x03
协议：2字节 
信息：长度：最长为1500字节，同步采用0比特插入删除，异步采用字节(0x7D)填充.
FCS:2字节(可协商为4字节)，CRC帧检验序列，

电话拨号、宽带使用这个协议上网。

4.3MAC:
IEEE802将物理层划分为与传输媒体相关和无关的物理层特性的两个子层，将数据链路层划分为媒体接入控制MAC和逻辑链路控制LLC两个子层。

实际中，网络层ip下传的数据直接封装到mac帧中，不在关注LLC层。

媒体接入控制MAC:
逻辑链路控制LLC:统一封装成LLC帧。

MAC帧格式：
目的地址(6)，源地址(6)，上层协议类型(2)， 数据(46~1500), FCS(4),
物理媒介上传送时加前导码7字节0XAA和1字节0XAB帧起始定界。
帧间要有间隙(大于9.6us)，帧起始后的数据都属于这个帧，不用帧结束定界，也不需要字节填充来保证透明传输。

4.4CSMA/CD:
载波监听：先检查总线上是否有数据在发送。
多点接入：计算机多点的方式接入到总线上
冲突检测：发送数据的同时检测总线信号电压的变化。

冲突时间：
数据从A到B的时间是T，A发数据，
B在X(X A在T+X时感知冲突。发送强化冲突干扰信号(Tj)，停止发送。
这个时间是2T+X+Tj

重传算法：
确定规避时间，就是争用期(以太网规定为51.2us)。
根据重传次数k，随机计算重传的推迟时间。
若重传次数k高于16时，丢弃该帧，向上层报告。

网络适配器：网卡，实现数据封装拆封，链路管理，曼特斯特编码和译码，数据缓冲等

4.5扩网
4.5.1集线器：物理层转发
4.5.2网桥：数据链路层。帧格式转换，传输速率转换，帧长度、帧的语义转换。

作用：扩展网络，不同拓扑和传输媒介的网络互连，过滤帧，故障隔离
问题：存储转发带来时延，mac层无流量控制可能会丢帧，用户大的情况会因广播风暴产生网络阻塞。

4.5.2.1透明网桥

洪泛法：向进入端口外的其他端口发送收到的帧。
逆向学习算法：按源地址找转发表，转发表中不存在就添加到转发表中。转发表中没有目的地址，则洪泛法发送
使用：避免环状网络。

4.5.2.2源路由网桥
发送帧源站负责路由选择。

确定路由：发一个探询帧，记录经历的路由，到达后按原路由返回。
好处：较好的使用冗余链路
缺点：兜圈子现象，增加主机负担。

4.5.3交换机
直通式：直接按目的mac确定转发接口转发
存储转发：缓存，进行差错检测过滤无效帧。
无碎片直通式：小于64B的帧过滤掉，
混合式：自适应，根据网络情况选择转发方式

5.网络层：为分组选择路由和交换结点，解决多段物理链路组成的数据链路的数据传输问题。
虚拟互联网：不同的网络协议与互联网协议转换。
提供的两种服务：虚电路服务和数据报服务
网际协议：

5.1
不同网络互连：
有相连的链路
合适的路由控制和数据交换
良好的服务机制如计费、状态报告等，
不更改任何网络结构，借助互连设备来协调和适配网络间的差异：寻址方式、分组长度、接入技术、路由选择技术、超时控制、差错控制、状态报告、用户接入控制、面向连接和无连接的服务、网络管理等

转发器：物理层
网桥：数据链路层
网络层：路由器
网络上层：网关

5.2
虚电路服务：先建立一个数据链路，数据报按确定的数据链路顺序到达。
数据报服务：分组携带目的信息，独立选择路由。

5.3
5.3.1
ip配套协议:

地址解析：ARP
逆地址解析：RARP

因特网控制报文协议：ICMP
网际组管理协议：IGMP

几种IP地址格式：
分类的ip地址，子网，变长子网，无分类编址，网络地址转换

ip数据报格式：
版本：4--->ipv4
首部长度：4字节的倍数
区分服务：优先权3位，D-->时延，T--->吞吐率，R--->可靠性，C--->低廉的路由，最后一位保留
总长度：首部和数据的总长度(分片后的)
标识：片标志
标志(3位)：第一位不用，第二位DF=1表示允许分片，第三位MF=1该片不是数据报的最后一片
片偏移(13位)：本片在数据报中的偏移，以8字节为单位
生存时间：经过路由后减一，为0时丢弃
协议：数据报所携带的数据所使用的协议编号，tcp-->6, udp--->17,
首部检验和：令此段为0，按反码加法对数据首部的每16位求和，然后取反写入检验和字段。接收端的处理：将接收到的首部中16位序列反码加法再加一次，所得的和为0，则保留，否则丢弃。
源ip：
目的ip：
选项：
数据：

5.3.2
互联网的分组转发:
按以下顺序，
A:ip数据报首部提取目的ip地址D得出主机网络地址N，
B:若N是路由直接相连的网络则直接交互，
C:查特定主机路由，若有D地址则转发
D:若表中有路由地址则转发到N
E:若有默认路由就转发，否则出错。

以上算法中，若划分子网，则要考虑子网掩码。若是采无分类编址，则要选择最长匹配的路由。


5.4路由协议
路由算法特点：
正确：能找到目的
简单：减少计算时间
适应：网络状态改变时能改变路由，使网络正常运行
稳定：通信量及拓扑变化，不至于发生震荡
公平：用户平等，流量平衡
最佳：实现路由算法的代价低。综合考虑跳数，时延，带宽，负载，可靠，开销等。

内部网关协议IGP：自治系统内部路由选择.有RIP,OSPF
外部网关协议EGP：两个自治系统内部使用不同路由信息选择协议.

5.4.1路由信息协议RIP:

距离向量：路由器保存自己到其他每个路由的跳数，直接相连为1。
距离向量算法：到目的网络的距离(最大为16)最短。使用的是udp协议
原理：路由器定时向相邻的路由广播自己的路由表。

每个表项有网络地址，距离和下一条路由器地址

距离向量算法过程：
收到相邻路由器X发送的RIP报文，进行操作
A：下一条地址改为X，将RIP报文所有表项的距离加1。
B：对修改后的RIP报文中的每一个表项进行操作：
路由表中没有网络地址N，则添加，继续处理下一条表项。否则，就查下一跳地址项。
若下一跳地址为X，就替换，继续处理下一条表项。否则查看距离选项。
若距离小，就更新，继续处理下一条表项。否则什么也不做

C：3分钟内没有收到相邻路由器的更新表，将相邻路距离设为16，即不可达。

存在问题：
规模：跳数限制15
更新：坏消息慢，好消息快

5.4.2开放最短路径优先OSPF

特点：
A:路由表更新时采用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送路由信息。dijkstra最短通路算法计算出自己的路由表。链路状态用32位表示，增长速度不超过5s/次。
B:所有的路由维持一个链路状态数据库。与哪些路由器相邻及该链路的度量。
C:同一目的网络的多条相同代价路径，可以进行通信量分配。
D:仅在可靠的路由器之间交换链路信息
E:支持子网及无分类编址
F:采用ip传输。

问候分组：相邻链路每10秒交换一次，40秒没有收到相邻路由的问候分组则标记为不可达，需重新设计路由表
数据库描述分组：向邻站提供自己链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息
链路状态请求分组：向邻站请求发送某些链路状态项目的信息
链路状态更新分组：洪泛法向全网更新链路状态
链路状态确认分组：对链路更新分组确认。
5.4.3
外部网关协议：不同自治系统之间交换路由信息。
与邻站交换路由表。只有网络变换时才更新。
采用tcp传输。

5.5路由器
建立、维护、更新路由表，经路由选择把分组转发出去。

6.传输层：
传输层的代码运行在主机上，网络层的代码主要运行在路由器上。

端口区分主机上的通信进程。http ---tcp---80
ftp---tcp---21/20

6.1udp
6.1.1特点：
无连接，
努力交付，不可靠的传输。
面向报文，避免在ip层拆分，应用层选择合适长度。
没有拥塞控制。
首部8字节。

6.1.2报文格式：
源端口，目的端口，报文长度，检验和。

伪首部：源ip，目的ip，1字节0,1字节协议值17，udp报文长度。
检验和计算：伪首部添加到udp数据报，检验和字段置0，按16字节划分(如有需要添加全0字节)，按16位反码求和。结果取反写入检验字段，去掉伪首部。

6.2tcp
6.2.1特点
面向连接。
虚链接，点到点。
可靠的交付，
全双工通信。
面向字节流
6.2.2报文格式

源端口(16)
目的端口(16)
序列号(32)：第一个字节的序号
确认号(32)：希望收到下一个数据字节的序号
数据偏移(4)：首部长度，4字节的倍数
保留(6)：
标志(6)：URG=1紧急，ACK=1确认，PSH=1立即送往应用层，RST=1复位，SYN=1同步，FIN=1释放连接
窗口(16)：接收端窗口大小
检验和(16)：算法根udp一直，
紧急指针(16)：URG=1时才有意义，指出紧急数据的末尾在报文段中的位置
选项和填充：

6.3
停等协议：
接收端：报文正确到达就返回确认。
发送端：一次一个分组，超时重传。

自动重传请求协议：
接收端：按序接收正确报文，返回确认或者只返回最后的一个正确的。
发送端：一次发多个分组，超时重传。

tcp序号确定：
即时确认：返回一个确认报文
累计确认：下一个报文中的捎带确认

发送端：超时重传
接收端：错误的就丢弃，收到重复的报文丢弃后要发确认，未按序的自行处理。可以使用SACK选项。

滑动窗口：在允许接收发送的窗口内，标识出已接收发送的和可以接收发送的分界。确认后调整窗口两边边界。

流量控制：
窗口为0时接收端发送窗口为0的确认，缓冲区有空间时发送不为0的报告。
发送端收到窗口为0的报文后停止发送，启动计时，超时就发一个探询报文要求给出窗口值。

重传控制：因报文丢失或损伤，发送端等待重传时间超时，就重新发送。

重传时间的设置：设置过长则网络空闲，过短则发生不必要的重传。需根据网络动态调整。

拥塞：对网络中某个资源要求超过其能力时整个网络性能下降。
拥塞控制：在拥塞发生前防止过多的报文进入网络或者使网络从拥塞中恢复。

6.4连接管理
三次握手建立连接：请求连接端发SYN+SN，目的端SYN+ACK+SN+AN，请求端再发ACK+SN+AN.

四次挥手释放连接：
第一次：先发端A发 FIN+SN(前面发送数据的最后一个字节加1)，等待B确认。
第二次：端B收到，同意释放发送SYN,ACK,SN,AN。B不再接收A的数据报文。
第三次：此时B还可以向A发送数据.数据发完后发送FIN,ACK,SN,AN，等待A的确认释放
第四次：A发出确认ACK,AN,SN,