网络的模型

OSI模型：七层模型

• 应用层：向用户提供应用程序服务

• 表示层：对格式进行转换，例如加密/解密，压缩和解压缩

• 会话层：建立和管理通信双方的会话，例如腾讯会议双方的通信。

• 传输层：提供进程为单位的端到端的传输服务。

• 网际层：不同网络之间的通信服务，IP协议，路由和转发。

• 链路层：同一局域网下的通信服务，例如成帧，差错检验，信道冲突和无线网络。

• 物理层：二进制比特流的传输服务。

TCP/IP模型：只有四层

• 无链路层

物理层

*链路类型：全双工，半双工，单工

单工：谁能发送、谁能接收，是固定的；数据流只能沿一个固定方向传输；应用：家庭电话。

半双工：谁发送、谁接收，可以变化，但必须轮流；数据流可以沿两个相反方向传输，但同一时间只能传输一个方向的数据流；应用：无限局域网

全双工：谁发送、谁接收，可以变化，并且可以同时进行；数据流可以沿两个相反方向传输，同一时间可以传输相反方向的数据流；应用：TCP双向连接。

信道传输速率

奈奎斯特定律

在理想条件下（带宽受限无噪声），指出码元传输速率是有上限的，超过此上限会出现严重的码间串扰

香农定律

指出了在有噪声的条件下，信道的极限传输速率和信噪比和带宽有关系，如果两者都达到了极限，想要提高速率只能通过让每个码元携带更多的比特信息（换一种编码方式）。

数字调制Modulation：将模拟信号转换数字信号

基带传输

• NRZ编码：0-1编码，无法识别长期的静默0/1

• 曼切斯特编码：将时钟信号叠加到编码中

• 翻转-NRZ编码：0-1编码，编码跳转的信号，仍然无法解决静默问题

• 4B/5B编码：使用5B信息编码4B信息，存在浪费

宽带传输：多路复用技术

• 时分复用
• 频分复用
• 波长复用

• 码分复用技术：共享信道支持同时发送消息

链路层：成帧，差错检验，信道冲突和无限网络

成帧：区分不同帧

• 字节技术法：
• 标志位法：
• 字节填充法：
• 4B/5B编码中增加新的标志

差错检验：冗余位技术—汉明码，奇偶校验，循环冗余码

奇偶检验：只能检验奇数位。

汉明距离：定义为从一个码字转换为另一个有效码字的最短距离，检验和修复的最短位数？

• d位汉明码：检验不超过d位的错误
• 2d+1位汉明码：修复小于等于d位的错误。理解：不仅要检测出来，并且确定唯一最短路径(到两个码字的距离有区别)。

循环冗余码：使用多项式除法决定冗余位

• 给定生成多项式$G(x)$，取生成多项式最高位的系数例如4，扩充原始码字的位数
• 进行多项式的除法，得到最后余数，余数的位数不超过生成多项式的最高系数+1(注意0位)
• 使用该结果填充冗余位。
• 如果没有差错，则接受的数据应该能整除生成多项式；否则则说明出现差错。

流量控制：滑动窗口协议

重要的点

捎带确认：在传输数据时顺便传输ACK确认，不单独发送一个ACK确认报文

累计确认：ACKx表示对于前x个报文的累计确认

窗口大小：$W_s+W_R\le 2^m$, $m$表示用于编码报文的位数；防止：窗口移动，相同编号报文带来的歧义问题。

• 假设m=2，那么窗口的编号为0,1,2和3.
• 假设发送方窗口为1，接受为4，4+1>4，出现冲突的问题
• 发送方发送1，但是出现拥塞问题未及时传递。此时重新发送1，正常接受，然后接连发送2，3，4和1。此时滞留的1号报文和新发送的1号报文都传递来了，就会出现二义性的问题。
• 注意此时接受方窗口已经移到了新的1号了。

停止-等待 Stop-and-wait：接受和发送窗口都为1

退回N步 Go-back-N：接受窗口为1，发送窗口为N

• 接受方返回的是一个累计的确认

选择性重传 Selective Repeat：接受和发送窗口数大于等于1

• 只是选择性的重传特定的报文(packet)

链路利用率的计算方式

传输时延和传播时延

• 传输时延：数据从网卡推送到物理链路/从链路下载到网卡的时间，例如以太网为10Mbps
• 传播时延：二进制数据流从物理链路一段传播到另一端的时间。

MAC层：媒体访问控制，数据链路层的一个子层

信道划分：静态划分和动态划分

静态划分：时分/频分/码分复用信道

动态划分：CSMA/CD协议

CSMA/CD协议：载波监听，如果有冲突不发送；冲突避免，发送后还需要检测冲突，如果有冲突随机等待并且重发

冲突检测时间和如何避免冲突检测不及时：规定数据大小，约束帧的传输时间>信道上的往返传播时延

• 冲突检测时间：往返传播时间 RTT

以太网：802.3

以太网帧的结构

• 长度为1536个字节左右
  

MTU：单个网络中最大传输单元，表示为以太网帧的负载

透明传输：每一个路由器负责包裹的拆分和整合

非透明传输：每一个路由器只负责包裹的拆分，整合工作在接受方

以太网的传输速率：标准以太网10Mbps，快速100Mbps等

WIFI：802.11

连接过程：与基站连接，分为积极连接(主动探索基站)，消极连接(基站主动介绍)

*隐藏终端和暴露终端问题

• 隐藏终端：传输方向相反，未发现覆盖的情况，以为信道空闲，同时发送产生冲突。
  

• 暴露终端：传输方向相反但并未覆盖。误以为产生冲突，放弃发送。

网络层

IP协议：互联网协议

IP协议（Internet Protocol，网际协议）是TCP/IP体系中的网络层协议，主要负责：

• IP地址分配与寻址
• 路由选择算法
• IP数据报封装
• 数据分片与重组
• 无连接的数据报传输
• TTL控制防止循环
• 标识上层协议（TCP/UDP等）

IPv4地址：32位，0.0.0.0-255.255.255.255，8bit/1字节为一组，分别私有和公开IP地址。

IP数据报封装

• DF：不允许分片
• MF：该分片是否为最后一个分片，也就是"还有没有其他分片"
• Offset：该分片所处偏差(前n-1个分片的累计)/8。注意不是最后真实的偏移量，因为13位<16位，所以一个单位代表8bit，还需要单独乘以8。
  

IP寻址：网络id+主机id—分类寻址，子网寻址，CIDR

分类寻址：网络id和主机id的地址范围进行分类

• 前几位是固定，避免出现相同前缀的网络
• 分类标准是：网络id的范围增大，但主机id的范围缩小。
  

子网寻址：确定网络id+子网id+主机id，固定/可变子网划分，默认网关和子网掩码

• 出了网络id后，还需要进一步划分不同的子网id，最后才是主机id
• 固定子网：子网的大小是完全一致的
• 可变子网：根据所需要的主机数(例如8-3位，16-4位)，定义子网的大小。

寻址方式

• 目标地址&子网掩码，和当前网络&子网掩码，比较目标地址和当前网络是否属于同一个局域网下。
• 如果不属于，则发送给默认网关(路由器)，由默认网关决定下一跳。
  

CIDR：无分类域间路由，只区分前缀id和主机id，路由聚合确定共同前缀和掩码和最长前缀匹配确定网络

• 不区分网络，子网和主机。
• 只区分前缀id和主机id。使用206.0.68.0/22中的22标记前缀长度。

路由聚合

• 多个IP地址取共同前缀，作为前缀ID。
  

最长前缀匹配：进行子网掩码匹配时，取最长匹配

• 多个IP地址和路由表项匹配时，优先选择最长匹配的一项作为下一跳。
  

NAT：网络地址翻译

• 路由器会将用户的私有地址翻译为互联网上的公开地址。

私有地址和公开地址

互联网控制协议

ICMP：互联网控制消息协议，用于错误报告和回复请求(ping命令)

ARP：MAC地址寻求协议，用于查询某个IP地址对应的MAC地址，如果不属于一个局域网，则改为发送默认网关的ARP请求。

• 局域网内广播ARP请求
• 如果局域网内有对应IP地址，则该主机会回复ARP请求
  
• 如果没有人回复，则会发送对于默认网关的ARP请求，将包裹发送至网关处理。

DHCP：动态主机控制协议，为每一个主机分配IP地址，子网掩码和默认网关等网络必备信息。

本地DHCP服务器和DHCP缓存

路由算法

路由和转发的含义

泛洪：与广播类似，对于不同局域网的概念，保证不会出现环

距离矢量算法：分布式的Bellman-Fold算法，代表：路由信息算法

• 每一个路由器定期向周边节点发送/接受路由表。路由表关于与其他节点的距离信息
• 运行Bellman-Fold算法中的松弛操作，决定更新到哪一个路由器的距离。

缺点：坏消息传递慢，被相邻节点误导

链路状态算法：全局式的Dijsktra算法，代表：开放最短路径算法

• 每一个节点将其位置的拓扑信息，定期泛洪到网络上每一个节点。
• 所有节点都会定期这么做，使得任意一个节点都维护当前网络的拓扑信息。
• 运行dijsktra算法获得最短路径。
  

缺点：维护全局拓扑结构的代价昂贵

边界路由算法：自治系统，内层边界路由算法，外层边界路由算法

自治系统：不同路由器所连接的一个网络整体

内层边界路由算法：每一个网络整体所使用的路由算法，例如OBPF和RIP算法

外层边界路由算法：边界路由器，不同网络整体所使用的路由算法，公平性且非最优

网际层中的多播和广播(泛洪)

传输层：提供进程级端到端的服务

网络套接字-Socket：应用层与传输层通信的一个抽象接口，包括IP地址(主机)+端口号(进程)

端口号：知名端口号

TCP：面向连接，基于字节流的服务

数据格式：TCP Segment-TCP段

TCP Header结构：端口号，SYN/FIN/ACK表示，序列号字段

序列号-Sequence Number：负载中第一个字节的序号，例如Seq=100，表示负载中下一次传递的第一个字节序号为100

确认码-ACK Number：期待接受的下一个字节的序号，例如序号101，表示预期接受导的下一个字节序号为101

TCP连接建立：三次握手，SYN占据一个字节

• 客户发送TCP建立请求：SYN=1
• 服务器返回ACK=1，并且也请求建立TCP连接，SYN=1（此时客户端-服务器的传输路径成立）
• 客户返回ACK=1（此时服务器-客户端的传输路径成立）
• 只有最后一步可以通过捎带ACK的方式实现。
  

为什么不能改为二次握手：滞留的TCP连接建立请求

TCP连接取消：四次挥手，FIN占据一个字节

• 客户端发起TCP连接取消请求FIN=1
• 此时服务器返回ACK=1，客户端-服务器的传输连接断开。
• 但是服务器可能还有数据发送给客户，因此暂不断开服务器-客户端的传输连接
• 数据传输完毕后，服务器发起TCP连接取消请求FIN=1
• 最后客户端返回ACK确认。双向的连接都断开。
  

为什么不能改为四次挥手：服务器可能还有数据需要传输给客户

TCP流量控制

流量控制的动机：发送方和接受方的发送/接受速率不匹配

滑动窗口协议：序列号，剩余接受窗口大小

• 发送方正常发送数据和序列号
• 接受方返回确认号和剩余的窗口大小(WIN=2048)

TCP超时时间管理：确认合适的超时时间，SRTT，RTO等

TCP拥塞控制：快启动，拥塞避免，快重传，快回复

最大段长-MSS：拥塞控制中，数据传输的基本单位

MTU和MSS：帧的负载的长度=IP包裹的总长度=IP头+TCP段=IP头+TCP头+TCP段

快启动：小于拥塞阈值时，每返回一个MSS的ACK，窗口大小+1，乘法增加

• 在拥塞窗口小于拥塞阈值时，每收到一个ACK就增加窗口大小

拥塞避免：大于等于拥塞阈值时，每一个RTT，窗口大小+1，线性增加

快回复：遇到连续三个重复的ACK时，窗口和阈值缩小为一半

快重传：遇到连续三个重复的ACK时，直接重传丢失的TCP段

超时处理：阈值变为一半，窗口变为1

TCP Reno和Tahoe：前者包含快速重传和回复的逻辑

QUIC：快速UDP网络连接

UDP：无连接，不可靠的连接服务

UDP数据报的格式

应用层

网络应用架构/模型-Application Architecture：CS模式和P2P模式

CS模式：架构简单，方便管理，随时可提供服务；不易扩展，服务器压力大

P2P模式：架构复杂，不方便管理，消息传递复杂；容易扩展，分布式，扩展性强

域名系统-DNS：网址-IP地址

根服务器：提供顶级域名服务器的IP地址

顶级域名服务器：包含edu/com等顶级域名的服务器

权威服务器：包含所需域名的名称服务器，查询时直接返回IP地址

DNS缓存和本地DNS服务器：包含一些常用域名缓存的本地服务器

迭代查询和递归查询

URL：统一资源定位符

HTTP/HTTPs

Cookie和Session

• Cookie是在HTTP回应中设置的，存放在用户本地。
• Session ID对应Cookie ID，存储用户的个性化信息，存放在服务器端。
• 均是为了解决HTTP无状态这一特点。

HTML

邮件系统：用户代理和邮件服务器

发送协议：简单邮件传输协议-SMTP，只能发送文本类数据；MIME，可以发送多媒体数据

接受协议：POP3协议，IMAP-允许用户以文件夹形式管理邮件

网络设备

集线器：存在冲突，信道共享，需要开启CSMA/CD协议

交换器和网桥：不存在冲突，信道独立，分割冲突域

直接转发 / 存储转发机制

• 直接转发：只读取/下载目的地址(MAC地址)，然后根据MAC地址将数据转发到下一个链路
• 存储转发：将数据暂时缓存下来，期间检查目的地址，是否出现差错，然后再进行转发。

设备	典型方式
集线器 Hub	直接转发（物理层）
交换机 Switch	主要是存储转发，也可直接转发
路由器 Router	必须存储转发

为什么路由器需要存储转发：根据IP地址查找路由表(非根本)，检验数据，修改条数,等

路由器：分割不同网络/广播域

路由功能：交换控制信息，更新路由表

转发功能：根据路由表+路由算法决定下一跳