计算机网络
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计算机网络笔记-物理层、数据链路层、网络层

物理层

理论概念

  • 数据
  • 信号
  • 码元
    • 通过码元数量计算码元信息量：k进制码元 $ \log_2k $
  • 信源：发送信号
  • 信宿：接受信号
  • 信道
    • 信道≠电路
    • 从信道数量上来看
      • 串行传输
      • 并行传输：多信道
    • 从信号方向上来看
      • 单向通信：比如现实中光模块接的单模光纤
      • 半双工通信：比如对讲机
      • 全双工通信：比如打电话
  • 波特（Baud）：单位时间内脉冲的个数
    • 即码元
  • 比特（Bit）：信息量的单位
    • 即二进制位
  • 速率：也叫数据率，一般指信息传输速率
    • 码元传输速率：单位时间（1s内）传输的码元个数，单位为波特
    • 信息传输速率：单位时间（1s内）传输的比特数，单位为比特每秒（b/s或bps）
    • 波特率转比特率：比特率=波特率x码元信息量
  • 带宽：单位是赫兹（Hz），一般是直接给出的物理参数
  • 失真：也叫噪声
    • 较小的失真：信号经过处理后依然可以识别
    • 较大的失真：信号通过处理也无法再被识别
  • 奈奎斯特定理：注意是定理不是频率，单位bps
    • 奈奎斯特率
    • 避免码间串扰
    • 理想情况下：无噪声，带宽有限
    • 极限速率：$ MAX=2W \log_2 V $
  • 香农定理：单位bps
    • 避免噪声干扰
    • 非理想情况下：有噪声（一般是白噪声），带宽有限
    • 极限速率：$ MAX = W \log_2 (1 + \frac{S}{N})) $
    • [[TODO]]

数据链路层

功能

  • 差错控制
    • 使用编码计算进行差错控制
      • FEC：前向纠错，发现错误直接纠正
      • ARQ：自动重传，发现错误请求重传
        • 是主要应用的差错控制技术

网络层

  • 目的：向传输层提供最大可能交付的、无连接的、简单的数据报服务。
  • 异构网络互联
    • 寻址方法、路由算法、差错处理算法均可能不同
  • [[TODO]]

IP协议

  • IP数据报格式
    • 首部：最先发送
      • 固定部分：大小相同，20字节，160bit
        • 版本 4bit：IPv4？IPv6？
        • 首部长度 4bit：单位是半字节（4bit），最低为5；长度一定是4bit的整数倍，不足在末尾用填充位填充；
        • 区分服务 8bit
        • 总长度 16bit：首部长度+数据部分长度
        • 标识 16bit
        • 标志 4bit
        • 片偏移 12bit
        • 生存时间 8bit：即TTL值，为防止
        • 协议 8bit：数据部分的协议类型。TCP：6，UDP：17。
        • 首部校验和 16bit：只检验首部完整性；每经过一次路由器都要重新计算一次（首部会发生变化）
        • 源地址 32bit
        • 目的地址 32bit
        • 可选字段 0～40bit
        • 填充位
      • 可变部分：可有可无，大多数时间没有
    • 数据部分：传输层的报文段
  • IP数据报分片
    • MTU：最大传输单元，数据部分长度大于这个值必须分片
    • 标识：同一个数据部分的不同分片使用同一个标识值
    • 标志：共4bit，只有后两个bit有意义
      • 中间位DF：为1禁止分片，为0允许分片
      • 最低位MF：为1表示还有分片，为0表示最后一片/没有分片
    • 片偏移：分片在组中的相对位置（第几个片），单位为字节（8bit）；也即偏移的字节数
      • 字节数从0开始
    • 注意单位问题：总长度单位为1bit，片偏移单位为8bit，首部单位为4bit，“总1片8首4”
  • IPv4地址
    • 使用点分十进制表示
    • IP地址分类
      • IP地址是区域唯一的
      • IP地址只可以区分路由器或主机的接口：一个主机可能有多个接口
      • IP地址由网络号和主机号构成：各占多少位不固定
      • 特殊的双主机逻辑网络：IP无编号网络
        IP Unnumbered Explained
      • “类别位”：通过IP地址的前几位划分类型
        • A类：0，0～8为网络号
        • B类：10，0～16位为网络号
        • C类：110，0～24位为网络号
        • D类：1110，多播地址
        • E类：1111，保留地址
      • 特殊IP地址：
        • 0.0.0.0：可表示任意地址（listen 0.0.0.0）或默认路由（0.0.0.0 route via X.X.X.X），也叫未指明地址
        • 0.0.0.0/8：网络号全0,主机号不为0，表示同一网络下的某个主机
        • 255.255.255.255：本网广播地址，向它发送相当于向本网所有主机发送
        • X.X.X.0：网络号不为0、主机号为0，只用于表示一个网络，不能使用
        • X.X.X.255：网络号不为0、主机号位全为1，特定网络的广播地址
        • 127.0.0.0/8：环回地址，用于本地调试
        • 169.254.0.0/16：链路本地地址/缺省IP地址，常见于DHCP分配失败时，相当于“目前还没有IP”
        • 始终注意X.X.X.0/24和X.X.X.255/24这两种IP地址，算可用地址数时要减去
      • 私有IP地址：
        • 10.0.0.0/8
        • 172.16.X.X～172.31.X.X
        • 192.168.0.0/16
      • 记住特殊数字的二进制
        • 0：00000000
        • 255：11111111
        • 192：11000000
        • 128：10000000
        • 10：00001010
        • 168：10101000
        • 172：10101100
        • 127：11111100
    • 子网划分
      • 目的：便于扩展网络、管理网络、减少子网IP地址浪费；更灵活的控制一个子网中能容纳多少台设备
      • 将两层IP地址转化为三层IP地址：网络号、子网号和主机号
      • 子网号对外是透明的，看作是主机号的一部分
      • 三层IP地址中，主机位最少是2位（去掉全0和全1，可提供给两台设备）
      • 子网掩码：网络号部分的位为1，主机号部分的位为0
      • 已知主机地址和子网掩码，求子网地址：二者按位相与（and），结果的四段式10进制就是子网地址
      • 路由器路由表基本结构
        • 目的网络地址：发给谁？
        • 目的网络地址的子网掩码：他在哪个子网？
        • 下一跳的地址：通过什么发给他？
      • 路由器路由转发的基本流程
        • 找到分组IP地址：发给谁？
        • 尝试直接交付：子网是不是直接和我连接？
        • 不能直接交付，查路由表配置，进行IP完全匹配：是不是手动配置了发给他的路线？
        • 没有配置，查路由表，进行IP前缀匹配（网络号匹配）：是不是手动配置了发给他所在的子网的路线？
        • 以上均失败，发给默认路由：子网不在我这，是不是分组分配错了？
        • 默认路由发给该路由器，路由器再发给默认路由，重复直到TTL=0，直接丢弃并报错：分组出错，谁也联系不到他
    • CIDR组成超网
    • 网络地址转换：NAT
      • 有流量时会通过路由器的NAT转换表转换为正确的IP地址，再发送信息
      • NAT转换表包含端口号
  • IPv6
    • 解决IPv4地址不够用的办法
      • NAT
      • CIDR
      • 治标不治本
    • IPv6的主要目标
      • 从根本上解决IP地址不够用的问题
      • 改进和精简首部格式，使路由器处理速度更快（快速处理/转发数据报）
      • 支持QoS服务模型
    • IPv6封包格式
      • 基本首部，40字节，320bit
        • 版本 4bit
          • 值为“6”
        • 优先级 8bit
          • 标识数据报是否优先处理
        • 流标签 20bit
          • 类似IPv4中的标识，但是是“流”，与QoS有关
        • 有效载荷长度 16bit
          • 扩展首部+数据部分 大小
        • 下一个首部 8bit
          • 基本首部和每个扩展首部各有一个“下一个首部”字段
          • 如果当前首部不是最后一个首部，该字段指向下一个首部的偏移
          • 如果当前首部是最后一个首部，该字段指向数据部分的起始偏移
          • 把所有部分“串在一起”
        • 跳数限制 8bit
          • 相当于IPv4中的TTL
        • 源地址 128bit
        • 目标地址 128bit
      • 有效载荷，最高65535字节，64KB
        • 扩展首部：代替IPv4首部中的可变部分
        • 数据部分
    • 与IPv4的区别 image-20230222175836723
    • IPv6地址
      • 使用冒号16进制表示
      • 连续的0可以用一个0代替
        • 0000:0000:0000变成0:0:0
        • 0AAA:B000:000C变成 AAA:B000:C
        • 缩头不缩尾
      • 双冒号零压缩，多组0用双冒号代替
        • AAAA:0000:0000:0000:BBBB变为AAAA:0:0:0:BBBB再变为AAAA::BBBB
        • AAAA:0000:0000:0000:BBBB:0000:0000只能变为AAAA::BBBB:0:0
        • 双冒号只能使用一次，压缩最前面的多组零
      • 网络号和主机号
        • 未指明情况下，网络号为64位（最后16位为子网号），主机号为64位
        • 可以使用类似CIDR的表示法表示网络号的位数，如：/24 代表网络号有24位，其他位是主机号
    • IPv6地址类型
      • 单播：一对一，可做源地址和目标地址
      • 多播：一对多，只能作为目标地址
      • 不存在广播：广播用多播实现
      • 任播：本质一对多，实际一对一（一般是发给离本机最近的目标主机）
        • 例子：多台主机提供相同服务时使用任播负载均衡
    • IPv6地址划分
      • 全球单播：以001位开头，2000::/3
      • 链路本地：FE80::/10
      • 本地环回：::1/128
      • 未指明：::0/0，也可写成::/0
      • 唯一本地地址/私有地址：FC00::/7
      • 内嵌IPv4的IPv6地址
    • IPv4向IPv6过渡
      • 双栈协议：主机同时使用IPv4和IPv6地址（不同接口）
      • 隧道技术：IPv6-IPv4-发送，IPv4-IPv6-接收

ARP协议

  • 数据链路层需要本机MAC地址和目标主机MAC地址
  • 每个主机维护一个ARP高速缓存：ARP表
  • 维护ARP表
    • 已知IP，不知道MAC，发广播ARP请求分组（请求帧）
      • 广播ARP请求中，目标主机MAC地址为全1（FF-FF-FF-FF-FF-FF）
    • 目标主机识别到广播ARP请求中的IP地址是自己，发单播（点对点）ARP响应请求（响应帧）
    • 本机得到响应帧，更新ARP表
    • 后续的数据分组依照ARP表内的项，填充MAC地址并发送
  • 以上ARP表的维护适用于目标主机和本机在同一个局域网内的情况：较大的网络不适合进行广播寻找主机
  • [[TODO]]

DHCP协议

  • 应用层协议，基于UDP

RIP协议

  • 应用层协议，基于UDP
  • 一种分布式的、基于距离向量的路由选择协议
  • 特点：简单，只能用于小范围互联网
  • 主机维护路由表，存放当前路由器到其他每一个目的网络唯一的最佳距离记录
    • 距离一般指 跳数
    • 距离值小于15为合法，距离值为16表示网络不可达
    • 路由表重要的表项
      • 目的网络地址
      • 距离值
      • 下一跳的路由器地址
  • 对路由表进行定时更新
    • 只和相邻路由器交换信息，相互交换自己的路由表
    • 每30s交换一次，相邻路由器180s内无响应则判定失联
      • 初始情况下，路由器的路由表只包含相邻路由器的、距离为1的路由
      • 若干次更新后，每个路由器均会获得当前路由器到所有可能的网络的最短距离（小于等于15），也称“收敛”。
      • 若相邻的路由器之一失联，则从路由表中删除下一跳是该路由器的路由表项
    • 路由表更新算法
    • 子主题 4
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