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因特网五层协议笔记

就是笔记了。主要参考《计算机网络：自顶向下方法》第六版中文版教材，结合计网课程考点总结。

概述#

  • 因特网(Internet)：又称互联网，指利用TCP/IP通讯协定所创建的世界范围的计算机网络，网络与网络之间所串联成的庞大网络。
    • vs 万维网(WWW)：后者是基于超文本相互连接而成的全球性网络，是互联网所能提供的服务之一。此外互联网还能提供的服务包括P2P网络、文件共享、IP电话服务等。
  • 协议(protocol)：一个协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及报文发送/接收一条报文或其他事件所采取的动作。
  • 分组(packet)：将报文(message)划分成的小的数据块
  • 分组交换网中的性能描述：
    • 丢包(loss)：分组等待队列已满，新分组无法保存
    • 时延(delay)：节点总时延(total nodal delay) = 结点处理时延(nodal processing delay) + 排队时延(queuing delay) + 传输时延(transmission delay) + 传播时延(propagation delay)
      • 传输时延 vs 传播时延：前者是路由器将分组推出所需要的时间(可理解为处理完之后到送上高速公路前这段)，后者是一个比特从一台路由器向另一台路由器传播所需要的时间(就是在高速上飞驰到出口这段了)
    • 吞吐量(throughput)：接收数据的速度
  • 分层协议：
    • 因特网的分层协议：物理层-链路层-网络层-传输层-应用层
    • 七层ISO OSI模型：物理层-链路层-网络层-传输层-会话层-表示层-应用层
    • 各层功能：
      • 应用层：网络应用程序及其应用层协议存留的地方
      • 传输层：在应用程序端点之间传送应用层报文
      • 网络层：将数据报从一台主机移动到另一台主机
      • 链路层：将链路帧从一个结点(主机或路由器)移动到路径上的下一个结点
      • 物理层：将帧中的每个比特从一个结点移动到下一个结点

应用层#

  • 数据单位：报文(message)

要点#

  • 应用程序体系结构：CS结构/P2P结构
  • 进程通信：socket
  • 服务分类：可靠数据传输，吞吐量，定时，安全性
    • 持续链接和非持续连接
    • 使用的运输层协议：TCP vs UDP
    • SSL

协议和应用#

web 和 HTTP#

  • 带流水线的持续连接
    • 关键词：TCP，RTT，80端口，CS结构
  • 报文格式
    • 关键词：请求行，首部行，实体体
    • 常用状态码：200 301 304 400 404 500
  • 无状态协议
    • cookie
  • web缓存
    • 代理服务器(web缓存器)
    • 条件GET方法："If-Modified-Since""Last-Modified"首部行

DNS：因特网的目录服务#

  • 解决的问题：主机名到IP地址的转换
    • 关键字：UDP，53端口，CS结构
  • 分布式设计
    • 层次：根/顶级域(TLD)/权威/本地DNS服务器
    • 递归查询 vs 迭代查询：前者发起查询主体逐步推移，后者同一主题发起查询
    • DNS缓存

P2P#

  • 文件分发
    • 分发时间及下界计算
      • C/S结构文件分发时间：$D{cs}\geq max{\frac{NF}{u{s}}, \frac{F}{d_{min}}}$
      • P2P结构文件分发时间：$D{p2p}\geq max{\frac{F}{u{s}}, \frac{F}{d{min}}, \frac{NF}{u{s}+\sum{i=1}^{N}u{i}}}$
      • 分布式散列表(P2P数据库)(DHT)
    • 关键字：散列函数，
    • 实现：环形DHT，具有捷径的环形DHT，

socket编程#

教材用的python，自行用NodeJS。注意tcp socket在net库，udp socket在dgram库。

传输层#

  • 数据单位：报文段(segment)
  • 为运行在不同主机的应用进程之间提供了逻辑通信
  • 在端系统中实现而非在路由器
  • 报文段格式：源端口号字段、目的端口号字段

协议#

TCP#

  • 关键词：可靠数据传输协议，拥塞控制，面向连接
  • 多路复用和多路分解
    • 多路分解：将运输层报文段中的数据交付到正确的socket
    • 多路复用：将不同socket的数据块封装好生成报文段，传播到网络层
  • socket标识：四元组(源IP+源端口号+目的IP+目的端口号)
  • socket分配：每个连接都建立一个新socket
  • 报文段结构
可靠数据传输原理#
  • 有限状态机(Finite-State Machine, FSM)
  • 自动重传请求(ARQ)协议：差错检测+接收方反馈+重传
  • 额外的问题与解决
    • ACK/NAK本身受损：添加分组序号
    • 丢包：倒计数计时器
    • 链路利用率低：流水线技术
    • 流水线技术差错恢复：回退N步(GO-Back-N, GBN)、选择重传(Selective Repeat, SR)
  • 拥塞控制
TCP实现#
  • 连接管理
    • 建立连接：三次握手
    • 关闭连接
  • TCP拥塞算法：加性增、乘性减(Additive-Increase Multiplicative-Decrease, AIMD)
    • 参数：cwnd/ssthresh
    • 慢启动：cwnd**2，直到出现了：
      1. 超时：$ssthresh=cwnd_{t}\div 2, cwnd=1$，然后重新开始慢启动
      2. $cwnd=ssthreash$：进入拥塞避免模式
      3. 检测到3个ACK：执行快速重传并进入快速恢复模式$$
    • 拥塞避免：cwnd++，直到出现了：
      1. 超时：同上
      2. 3个ACK：$cwnd=cwnd{t}\div 2(+3MSS), ssthresh=cwnd{t}\div 2$
    • 快速恢复(非必须)：cwnd++

UDP#

  • 关键词：不可靠，无连接
  • socket标识：二元组(目的IP地址+目的端口号)
  • socket分配：到达同IP和端口的报文段共用同一个socket
  • 传输准备：无需准备即可进行数据传输
  • 检验和：差错检测功能

网络层#

  • 主要功能：
    • 转发(单一路由器的出入选择)，
    • 路由选择(多个路由器间的路径选择)，
    • 建立连接
  • 数据单位：数据报(datagram)

路由器工作原理#

  • 转发表：前缀-链路接口，最长前缀匹配规则
  • 结构：输入端口(使用转发表)，交换结构，输出端口，路由选择处理器
  • 分组队列，排队
    • 线路前部阻塞(Head-Of-the-Line, HOL)
  • 数据报格式
  • 因特网网络层的主要组件：IP协议，因特网路由选择协议，因特网控制报文协议(ICMP)

IP协议#

  • 关键词：尽力而为交付服务，不可靠服务
  • IPv4
    • 编址：32比特/4字节
    • 子网，子网掩码，
      • 无类别域间路由选择(Classless Interdomain Routing, CIDR)：a.b.c.d/x
    • 动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration, DHCP)：自动分配新IP地址的过程
    • 网络地址转换(Network Address Translation. NAT)：管理IP地址的典型方法
  • IPv6
    • 编址：128比特
    • v4迁移到v6：双站，建隧道

ICMP#

  • ping：ICMP类型0

路由选择算法#

  • 解决问题：从源路由器到目的路由器的路由选择问题
  • 分类：
    • 全局式路由选择算法/链路状态算法(Link State, LS)：
      • 网络拓扑和链路费用均已知
      • eg：Dijkstra算法
    • 分散式路由选择算法/距离向量算法(Distance Vector, DV)：
      • 迭代、异步、分布式算法
      • 原理：Bellman-Ford方程：$d{x}(y)=min{v}{c(x, v)+d{v}(y)}$，其中v是y的邻居之一
      • 链路费用发生变化、链路故障引起的距离向量变化过程：”好消息传得快，坏消息传得慢“
    • 层次路由选择：自治系统(Autonomous System, AS) + 自治系统内部路由选择协议(intra-autonomous system routing protocol) + 自治系统间路由选择协议(inter-autonomous system routing protocol)
      • 因特网中的自治系统内部的路由选择：路由选择信息协议(Routing Information Protocol, RIP)，开放最短路优先(Open Shortest Path First, OSPF)
      • 自治间的路由选择：边界网关协议(Border Gateway Protocol, BGP) <-- "绝对至关重要的协议！"“将所有的东西粘合在一起了”

链路层#

  • 数据单位：帧(frame)
  • 基本服务：将数据报通过单一通信链路从一个结点移动到相邻结点
    • 成帧
    • 链路接入
    • 可靠交付
    • (比特级)差错检测和纠正
      • 奇偶校检/二维奇偶校检(two-dimensional parity)，
      • 检验和方法(checksum)
      • 循环冗余检测(Cyclic Redundancy Check, CRC)

协议#

  • 点对点链路(point-to-point link)和协议
    • 点对点协议(point-to-point protocol, PPP)
    • 高级数据链路控制(high-level data link control, HDLC)
  • 广播链路(broadcast link)/多路访问链路和协议(multiple access protocol)
    • 信道划分协议(channel partitioning protocol)
      • 时分多路复用(TDM)
      • 频分多路复用(FDM)
      • 码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)：每个结点编码，用编码给数据报编码发送
    • 随机接入协议(random access protocol)
      • 时隙ALOHA：所有节点同步，在每个时隙开始时开始传输
      • 纯ALOHA
      • 载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)和具有碰撞检测的CSMA(CSMA with Collision Detection, CSMA/CD)
    • 轮流协议(taking-turns protocol)
  • 局域网
    • MAC地址：链路层地址，设备的网络适配器所有
      • 6字节，$2^{6 \times 8}=2^{48}$种可能，16进制表示
    • 地址解析协议(Address Resolution Protocol, ARP)：IP地址和MAC地址间的转换
      • vs DNS：前者只为一个子网下的主机和路由器接口解析IP地址，后者为因特网中任何主机解析主机名

交换机工作原理#

  • 过滤，转发：交换机表
  • 自学习特性
  • 即插即用
  • vs 路由器：
    • 前者用MAC地址转发分组，后者用IP地址
    • 前者在链路层，后者在网络层

无线移动网络#

Wifi：802.11无线LAN#

  • 基本构建模块：极本服务集(Basic Service Set, BSS) = 中央基站(Base Station，作为接入点(Access Point, AP)) + 多个无线站点
  • MAC协议：带碰撞避免的CSMA(CSMA with collision avoidance, CSMA/CA)