计算机网络（自顶向下的方法）
目录
3、动态主机配置协议（DHCP,Dynamic Host Configuration Protocol）
4、网络地址转换（NAT,Network Address Translation）
4.3 ICMP(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议)
1、RIP（Routing Information Protocol,路由选择信息协议）
2、OSPF（Open Shortest Path First,最短路径优先路由协议）
3、BGP（Border Gateway Protocol,边界网关协议）
一、概述
1、ISP（Internet Service Provider）网络服务提供商
2、API (Application Programming Interface）应用程序编程接口。连接到网络的端系统会提供应用程序编程接口，它定义了在不同终端上运行的软件之间通过网络的通信方式。
3、协议（protocol）。规定了交换数据的报文格式与次序，以及报文发送、接收或发生其它事件时所采取的动作
4、协议栈模型
- 应用层（application）：为用户程序提供接口。应用层的信息分组称为报文（message）
- 表示层（OSI）（presentation）：为不同终端的上层用户提供信息和数据的格式化方法
- 会话层（OSI）（session）：负责在网络中的两节点之间建立和维持通信
- 运输层（transport）：实现进程到进程的通信。分组称为报文段（segment）
- 网络层（network）：实现主机间的通信。分组称为数据报（datagram）。
- 数据链路层（link）：实现相邻节点间的数据传输。分组称为帧（frame）。
- 物理层（physical）：完成物理介质上比特流的传输。单位为比特（bit）。
5、设备归属
- 路由器（Routers），网络层（第三层）。
- 交换机（Switches），链路层（第二层）。
- 网桥（Bridges），链路层，功能与交换机相似，区别在于交换机多端口，网桥二端口。
- 转发器（Repeater），物理层（第一层）。两个端口，一入一出，对衰减的信号进行放大整形或再生，起到扩展网段距离的作用。
- 集线器（Hubs），物理层（第一层）。起数据转发和网络拓展作用。和交换机不同的是集线器是通过广播的方式传递数据。多个端口，单进多出。
6、协议汇总
基于UDP：RIP，DNS，SNMP，DHCP。
- 应用层：HTTP，FTP，SMTP，POP3，IMAP，DNS，P2P，BitTorrent，SNMP，Telnet。
- 传输层：UDP，TCP。
- 网络层：IP，DHCP
- 链路层：TDMA，FDMA，时隙ALOHA，ALOHA，CSMA，CSMA/CD，CSMA/CA，ARP。
二、应用层
3、DNS
- DNS迭代解析：全部由DNS客户端向本地名称服务器（本地域名服务器）查询
- DNS递归解析：当客户机向DNS服务器发出请求后，若DNS服务器本身不能解析，则会向另外的DNS服务器发出查询请求得到结果后转交给客户机
三、传输层
四、网络层
4.2 IPv4
1、IP分片
2、子网分配
- 子网掩码：前n位全1，后（32-n）位全0
- 网络号：IP地址与子网掩码做与运算的结果
- 广播地址：网络位不变，主机位全置1
- 主机号：保留网络位，主机位为IP地址
- 主机号范围：网络地址+1~广播地址-1
- 三类网络：
- A：0.0.0.0~127.255.255.255（00~01）8网络，24主机
- B：128.0.0.0~191.255.255.255（100~101） 16网络，16主机
- C：192.0.0.0~223.255.255.255（1100~1101） 24网络，8主机
-
127.0.0.1:本地回环地址(Loopback Address)，不属于任何一个有类别地址类。它代表设备的本地虚拟接口，所以默认被看作是永远不会宕掉的接口。在Windows操作系统中也有相似的定义，所以通常在安装网卡前就可以ping通这个本地回环地址。一般都会用来检查本地网络协议、基本数据接口等是否正常。
3、动态主机配置协议（DHCP,Dynamic Host Configuration Protocol）
- 即插即用协议，允许主机自动获取一个IP地址（为主机分配一个临时的IP地址）
- 当主机加入或离开时，DHCP更新IP地址表。DHCP服务器会动态的从地址池中抽取地址和放回地址。
- DHCP为新到来的主机分配IP地址：
- DHCP发现（客户在UDP分组中广播DHCP发现报文）
- DHCP提供（一个或多个DHCP服务器广播DHCP提供报文作出响应）
- DHCP请求（客户从所有服务器中选择一个，提供DHCP请求报文）
- DHCP ACK （DHCP服务器用DHCP ACK报文响应请求）
- 缺点：因为每到一个地方DHCP就会分配一个新的IP，故当结点在子网间移动时，其不能维持该结点与远程应用之间的TCP连接
4、网络地址转换（NAT,Network Address Translation）
- 解决问题：子网变大（新的设备加入）后的地址分配问题
- 私有IP、端口号与公有IP、端口号之间的转化（由路由器改写）
- 缺点：
- 不同主机上的不同进程被NAT变为了同一个IP+端口号（破坏进程编址）；
- 越级处理，路由器处理了传输层的分组；
- 违反了端到端原则（结点介入了主机间的通信），妨碍了部分P2P应用（文件共享、语音应用）
- 应该使用IPv6来解决IP不够的问题，而非用NAT
- 优点：
- 解决了IP不够用的问题
- 能够用一个IP代表所有内网的资源使用
- UPnP：解决了NAT在P2P应用中NAT穿越的问题
4.3 ICMP(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议)
用于差错报告，报告在某个位置IP路由器不能找到一条路径
4.4 IPv6
1、IPv4与IPv6
| IPv4 | IPv6 | |
| 地址容量 | 32bit（点分十进制） | 128bit（冒号十六进制，8组） |
| 首部大小 | 20B~60B | 40B（没有首部检验和，选项） |
| 分片 | 支持分片（根据路由MTU） | 不支持分片，长度超出则丢弃，并发送“分组太大” |
| 数据传播 | 单播，广播 | 单播，广播，任播（可以使数据报交付给一组主机中的任意一个） |
2、从IPv4到IPv6
1.双栈（dual-stack）
使用双栈的结点能够使用IPv4与IPv6，能够接收与发送IPv4、IPv6
2.建隧道（tunnrling）
将IPv6打包为IPv4进行传输
隧道：两个IPv6中间的IPv4路由器的集合
4.5 路由选择算法
1、全局式路由选择算法
-
用完整的、全局的网络计算最短路径
-
链路状态算法 （Link Stack）
Dijkstra算法- D（v）：源节点到目的结点v的最低费用；
- p（v）：最短路径的前一结点（v的邻居）；
- N‘：已确认结点集
2、分散式路由选择算法
- 迭代的、分布式的计算方式计算最短路径
- 距离向量算法 DV（distance vector）
- 迭代的：算法持续到邻居间无更多的信息交换为止
- 分布式的：每个结点需要从一个或多个邻居处获得信息
- 异步的：不要求所有结点步伐一致的操作
- 每次更新到邻居结点的最短距离表
- 路由选择环路，坏消息（链路状态改变）传播慢
| LS | DV |
| 在网络上的所有结点广播信息 | 只和邻居结点广播信息 |
| 信息包括到邻居结点的距离D（v） | 信息包括所有结点最短的距离min{dv} |
| 收敛速度快O（ |
收敛速度慢（路由选择环路，无穷计数） |
| 能够广播不正确路径 | |
| 健壮的，不正确链路仅在小范围传播 | 不正确链路会扩散到整个网络 |
4.6 因特网中的路由选择
自治系统（AS）用以解决路由器规模过大时路由算法计算量过于复杂，以及公司有管理自治需求的问题，提出在一个AS中运行在自治系统内部的路由选择算法（RIP、OSPF）与网关路由器
1、RIP（Routing Information Protocol,路由选择信息协议）
- 基于DV算法实现的一种距离向量协议，使用术语跳，指示从源路由器到目的子网的最短路径所经过的子网数量（算上自己，最大15跳）
- 邻居间每30s使用RIP响应报文更新信息，每台路由器需要维护一张路由选择表
- RIP是基于UDP运行的应用层协议，但其功能服务于网络层
2、OSPF（Open Shortest Path First,最短路径优先路由协议）
- 基于LS算法的AS路由选择协议
- 优点：1.安全，可以鉴别OSPF报文的真实性；2.允许从多条费用相同的路径中选择一条使用；3.对单播和多播路由选择的综合支持；4.支持在单个路由选择域内的层次结构
3、BGP（Border Gateway Protocol,边界网关协议）
- BGP为每个AS提供的功能：
- 从邻居AS获取子网的可达性信息
- 向本AS内部的所有路由器通告它（子网）的可达信息
- 基于可达性信息与策略，确定到达某个子网的最佳路由。
- 内部和外部BGP
- 跨越两个AS的BGP连接称为外部BGP（External Border Gateway Protocol，eBGP）
- 在相同AS中的两台路由器之间的会话称为内部BGP（Internal Border Gateway Protocol，iBGP）
- BGP基于TCP实现，功能服务于网络层
- BGP路由选择（热土豆路由选择）：将分组以最低开销送出其AS
4.7 广播和多播
广播：从一个源结点到网络中所有其他结点交付分组的服务
多播：从一个源结点向其他网络中一个结点子集交付分组
1、广播方法
- N次单播
- 无控制洪泛
- 洪泛（flooding）：结点向它的所有邻居结点都发送分组副本。
- 广播风暴（broadcast storm）：网络中存在环时，结点无休止的广播分组。
- 受控洪泛
五、数据链路层
5.1 链路层提供的服务
- 成帧（framing）：将网络层数据报用链路层帧封装起来。
- 链路接入：媒体访问控制MAC（Medium Access Control）规定了帧在链路上的传播规则
- 可靠交付（reliable data transfer）：保证无差错地传递网络层数据报，特别对于误码率较高的无线链路。许多有线的链路层不提供可靠交付服务。
- 差错检测和纠正
5.2 差错检测和纠正
奇偶校验（parity checking）
- 如果要发送包含d个比特的数据，发送方加上一个额外的校验比特。如果采用偶校验，则使这（d+1）个比特中1的总数为偶数。
- 接收方接收（d+1）个比特，如果采用偶校验，但是1的总数为奇数，则检查出错误。但是没有差错纠正能力。
检验和（checksum）
- 对于数据D，发送方计算所有数据16比特字的和，如果溢出则回卷（指加到最后一位）。
- 求这个和的反码（就是将结果的0换成1，1换成0）。
- 将数据与检验和发送给接收方。
- 接收方将数据和检验和的所有16比特字加到一起，如果结果全为1，则正确，反之出错。
循环冗余检测（Cyclic Redundancy Check，CRC）
- 接收方和发送方提前规定一个生成多项式G，包含（r+1）个比特。
- 发送方要发送一个包含 d 比特的数据D。
- 接收方计算：D末尾添r个0，除以 G ，如果余数R为0，则正确，反之有错误。
- CRC=G+R，可以检测到连续的 r 比特或者更少的误差。
5.3 多路链路访问链路和协议
1、多路访问（Multiple Access）问题
- 多路访问协议：协调多个发送和接收结点对在一条共享广播信道上的传输行为
- 碰撞（collide）：多个结点同时传输帧，所有结点同时接收到多个帧。传输的帧在所有接收方发生碰撞
2、多路访问解决办法
- 信道划分协议（Channel Partitioning Protocols）
- 时分多路复用（time division multiple access，TDMA）
- 频分多路复用（frequency division multiple access，FDMA）
- 码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）
- 随机接入协议（Random Access Protocols）
- 时隙ALOHA（slotted ALOHA):把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送.
- ALOHA:
- 载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）
- 具有碰撞检测的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）
- 具有碰撞避免的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）
- 时隙ALOHA（slotted ALOHA):把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送.
- 轮流协议（taking-turns protocols）
- 轮询协议（polling protocol）。主节点以循环的方式轮询（poll）每个节点。
- 令牌传递协议（token-passing protocol）。传递令牌，有令牌才发送帧。
3、交换局域网
六、物理层
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