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计算机网络整理
计算机网络知识点总结
1.掌握五层的功能:
、
1.1:
物理层:
传输比特流
1.2:
数据链路层:
将ip数据报装帧并添加必要的控制信息如同步信息,地址信息,差错控制等
1.3:
网络层:
在发送数据时将运输层的数据封装层ip数据报并添加ip报头,第二个功能是进行路由选择,主要的协议是无连接的ip协议,当然还有大量的路由选择协议。
1.4:
运输层:
向两个主机中进程间的通信提供通用的数据传输。
主要协议:
TCP-提供面向连接的,可靠的数据传输,单位是报文段
UDP-提供无连接的,尽最大努力的数据传输,单位是用户数据报
1.5:
应用层:
进程间的交互完成网络的应用
协议有:
HTTP.SMTP.FTP等等
1.数据链路层具体实现所需的功能更模块可协议:
2.1:
通信方式:
(1)点对点.通信
(2)广播通信.
2.2:
解决的问题:
2.2.1:
封装成帧
2.2.2:
透明传输
2.2.3:
差错检验
2.3:
通信方式-点对点所用到的协议PPP
特点(所需功能):
简单,封装成帧,透明性,多种网络层协议,多种类型链路,差错检验,检查连接状态,最大传输单元,网络层地址协议商,数据压缩协商
2.3.1:
PPP组成部分:
(1)封装数据报到数据链路层上
(2)建立,配置,测试数据链路层连接的协议-LCP
(3)网络控制协议-NCP
2.3.2:
帧格式
(1)F-标志字段(一个帧的开始或结束)
(2)A-地址字段
(3)C-控制字段
(4)协议-0x0021(信息字段是IP数据报)/0xC021(LCP的数据)/0x8021(网络层的控制数据)
(5)信息字段(<1500)
(6)FCS-冗余码
(7)F
2.3.3:
PPP工作状态:
2.3.3.1:
LCP进行数据链路的建立
2.3.3.2:
进入链路鉴别状态
2.3.3.3:
鉴别成功就进入网络层协议状态
2.4:
通信方式-广播信道
2.4.1:
信道的划分(物理层详见)
2.4.2:
动态接入控制:
随机接入
受控接入
2.5:
名词:
适配器:
功能:
进行数据传输方式-串行和并行的转换
CSMA/CD协议(碰撞检测)
功能:
协调以太网上各个计算机的工作
2.6:
以太网的MAC地址:
2.6.1:
MAC地址的分配:
一般为6位。
前三位有IEEE的RA分配,后三位由各厂商自行分配
只要不冲突即可。
这种方法叫做:
EUI-48.
2.6.2:
MAC地址中I/G位:
0-单个站地址1-组地址(进行多播)
G/L位:
0-全球管理1-本地管理(用户可任意分配网络上的地址)但以太网不会理会这个G/L位。
2.7:
适配器对于MAC地址接受的三种情况:
(1)单播帧,收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同
(2)广播帧
(3)多播帧
以太网的特殊工作方式:
混杂方式(窃听网络)
2.6.3:
MAC帧的格式:
目的地址-6字节||源地址-6字节||类型-2字节(标志上一层使用什么协议。
如0x0800表示的是IP协议)||数据字段-46-1500字节之间||FCS-4字节(帧检验序列使用CRC)FCS判断结束标志是根据发送码元时的电压变化判断的,当发送方把一个以太网帧发送完毕后就不再发送其他码元了,这样发送方网络适配器的接口上的电压就不再变化,接收方根据电压变化情况就可判断结束发送了。
特殊情况:
数据字段小于46字节时,MAC会在数据字段的后面添加填充字段。
保证帧长度不小于64字节,在有填充字段的情况下接收方的MAC子层剥去首部和尾部后将数据字段和填充字段上交个上层协议。
问题:
如何判别填充字段的大小:
当上层的协议为IP协议时,IP段中的总长度+MAC填充字段=MAC帧上交的长度。
但是:
一般在发送的MAC帧中会由硬件在前面加8字节的数据。
第一字段是7字节的前同步码(使接收端的适配器在接受MAC帧时能够迅速调整自己的时钟频率使它和发送端的时钟频率同步)第二个字段-帧开始界定符:
10101011前六位起到同步作用,后两位的11提示接受方:
MAC帧马上就要来了。
以太网在传输数据时是以帧为单位的,以帧开始界定符作为帧的界限的。
无效帧情况:
(1)帧的长度不是整数字节
(2)FCS检查出有错误
(3)收到的MAC数据段长度不再46-1500字节的范围内(46+18字节的首部和尾部所以有效的MAC帧为64-1500字节)。
(4)处理办法:
丢弃。
2.8:
网桥:
以太网在数据链路层的扩展
作用:
根据收到的MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发或过滤(丢弃)
实现的物理依据:
网桥的内部接口管理软件和网桥协议实体。
转发帧的依据:
转发表(转发数据库/路由目录)转发表会丢弃在同一个网段的帧。
网桥的优势:
(1)过滤通信量大,增大吞吐量。
(通过隔开碰撞域,与转发器的区别在此体现)
(2)扩大物理范围(增大了以太网上的工作站的数量)
(3)能够互连不同物理层,不同MAC子层和不同速率的以太网
网桥的缺点:
(1)增加时延(对接受的帧进行转发时先存储和查找转发表,而且在转发之前还要进行CSMA/CD算法(碰撞检测))
(2)MAC子层没有流量控制功能(在网络上重负载时网桥中的缓存若溢出,会丢失帧)
(3)只适用于用户不太多和通信量不太大的以太网,否则会因传播过多的广播信息
产生网络拥堵,即广播风暴
2.8.1:
网桥的内部结构:
常见《计算机网络》第6版p95
2.8.2:
透明网桥:
特点:
即插即用(不用人工配置转发表)
透明网桥的自学习过程:
开始时转发表为空,但接受到一个MAC帧时,记录其源地址到地址一栏,并记录其接口到接口一栏中。
这样在转发帧时就可把记录的地址作为目的地址,对应的接口作为转发接口将MAC帧发送到目的地。
注意:
网桥是存储式转发,而集线器是逐比特转发再进行处理,不管地址是什么。
透明网桥使用生成树算法:
互连在一起的网桥进行通信从而获得网络拓扑的子集,在此子集中不存在回路。
进而避免了兜圈子的情况。
2.9:
源路由网桥:
由发送帧的源站进行路由选择时使用。
工作方式:
将详细的路由信息放在帧的首部。
原理:
源站点发送广播帧(沿所有可能的路由发送),在传送过程中记录经过的每个路由,当发现目的站点后就沿原路返回源站点,下一步源站点就会选择出一个最佳路由,在随后从这个源站点发送到该目的站点的帧的首部中携带确定的路由信息。
-----发现帧
发现帧的另一个作用:
帮助源站点确定能通过网络的帧的最大的长度。
2.10:
多接口网桥---以太网交换机
特点:
通过自学习建立内部转发表。
采用独占式传输媒体。
工作方式:
存储转发或直接转发。
2.10.2:
VLAN-虚拟局域网---以太网为网络用户提供的一种网络服务
特点:
(1)同一个虚拟局域网上的每个站点都能够收到本网的广播,反而即使在同一个局域网的站点却收不到这种广播,这也就避免了广播风暴。
(2)可以随时按需要重新组合资源和设备(VLAN就是用户和资源的逻辑组合),使得用户从不同的服务器或数据库上存取所需资源。
(3)1988年IEEE组织在以太网帧中添加了4字节的VLAN标记字段用来指明发送该帧的工作站属于哪个虚拟局域网。
(4)VLAN标记:
前两个字节固定为0x8100称为IEEE802.1Q标记类型,在后面两个字节中前3位是用户优先级字段,下一位是CFI--规范格式指示符,剩余的12位是该虚拟局域网的标识符VID(唯一标识)。
(5)由于添加了4字节字段,所以MAC帧的最大长度从原来的1518扩展为现在的1522字节。
3.0:
网络层(为主机之间提供逻辑通信)
解决的问题:
(1)虚拟互联网的概念
(2)IP地址与物理地址的关系
(3)传统IP地址的分类和无分类域间路由选择CIDR
(4)路由选择协议的工作原理
3.1:
设计思路:
网络层只提供简单的,灵活的,无连接的,尽最大努力交付的数据报服务。
在发送分组时不需要先建立连接。
每个分组独立发送,
特点:
路由设计简单,成本大大降低,运行方式灵活,能适用多种多种应用。
3.2:
网际协议IP
3.2.1:
辅助协议ARP,ICMP,IGMP(关系图见p114)
3.2.2:
关于中间设备在不同层的名称:
(1)物理层的中间设备:
转发器
(2)数据链路层的中间设备:
网桥或桥接器
(3)网络层的中间设备:
路由器
(4)网络层以上使用的中间设备:
网关(用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换)
IP网的理念:
在网络层上采用IP协议构成一个虚拟互联网,使得性能各异的网络看起来好像是一个统一的网。
理解IP:
IP地址就是给因特网上的每一个主机或路由的每一个接口分配一个在全世界范围唯一的32位的标识符。
现在的IP地址由ICANN(因特网名字和数字分配机构)进行分配。
3.3:
分类的IP地址
组成:
两个固定长度的字段。
第一个字段:
网络号(net-id),标志主机连接的因特网的网络号,这个网络号必须是唯一的。
第二个字段:
主机号(host-id),标志该主机或路由。
3.3.1:
常用的三类IP地址
(1)A类:
网络号:
1字节,其中只有7位可使用,第一位已固定为0,可指派的网络号为126个。
解释126:
网络号字段为全0表示本网络。
网络号为127(01111111)保留:
作为本地软件进行回环测试本主机的进程之间的通信之用。
所以127网络号的地址根本不是一个网络地址。
主机号:
3字节,最大主机数:
16777214个。
解释16777214:
主机号全0表示IP地址是本地主机所连接到的单个网络地址。
(2)B类:
网络号:
2字节,前两位10固定。
可指派的最小网络地址:
128.1.0.0(不是
128.0.0.0)网络号为16383个。
主机号:
2字节,最大主机数:
65534个。
解释65534:
扣除全0和全1的主机号。
(3)C类:
网络号:
3字节,前面3位为110固定。
可指派的最小网络192.0.1.0
网络总数为:
3097151。
最大主机数:
254。
3.4:
IP地址的特点:
(1)IP地址管理机构只分配网络号,主机号由所属网络号的单位自行分配。
(2)路由器也按照网络号进行分组的转发。
(3)IP地址标志一个主机或路由和一条链路的接口。
(4)不同的网络号的局域网必须由路由器进行连接。
3.5:
IP地址与硬件地址
IP地址--逻辑地址,用于包括网络层在内的其上的各层使用。
IP数据报交给数据链路层时就别封装成MAC帧,在MAC帧的首部有源地址和目的地址都是硬件地址。
由于在数据链路层IP报被封装成MAC帧,所以,看不见目的IP地址和源IP地址,只能
看见硬件地址(源和目的,可变)。
注意要点:
(1)IP层只能看到IP数据报,看不见MAC帧的变化
(2)路由器只根据目的站点的IP地址的网络号进行路由选择
(3)链路层只能看见MAC帧
(4)IP层抽象的互联网屏蔽了下层这些硬件地址的变化以及复杂的路由转发问题,包括链路层的网桥转发问题,而呈现出在网络层之上讨论的问题可以用同统一的,抽象的IP地址研究主机和主机之间的通信。
3.6:
地址解析协议--ARP(为了从IP地址中解析出硬件地址)
3.6.1:
工作原理:
在主机ARP的高速缓存中存放IP地址到硬件地址的映射表。
分析表的建立和工作过程:
A主机发送IP数据报给本局域网的主机B,现在映射表中查找B的MAC地址,若有,这将MAC地址写入MAC帧,通过局域网将该帧发往此硬件地址。
否则:
(1)ARP进程在本局域网发送一个ARP请求分组,以广播的形式。
(2)在本局域网上的
所有运行ARP进程的主机都接受该ARP请求分组。
(3)若B主机的IP地址和ARP请求分组中要查找的IP地址一致,就收下这个请求分组,并
发送响应分组给A,并在响应分组中写入自己的硬件地址。
其他不匹配的主机忽略A的ARP请求分组。
(4)主机A收到B的响应分组后在自己的映射表中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。
(5)为了减少网络通信量,A在发送ARP请求报文时就把自己的IP地址到硬件地址的映射写在ARP请求分组中。
(6)ARP是解决在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题,若不在同一个局域网上的两个主机进行通信,则需要ARP解析本局域网上的路由IP将其解析为硬件地址,然后由该路由进行转发然后在下一个选定的局域网查找重复
(1)-(5),若还没有则继续转发,直到找到目的主机为止。
3.7:
IP数据报的格式(重点中的重点)
(1)版本4位,(IP协议的版本)
(2)首部长度4位---可表示的最大十进制数是15,所以能表示的最大首部字节数是
15*4=60字节。
当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时,必须利用最后的填充字节填充。
(3)区分服务8位,(一般情况下不使用)
(4)总长度16位,所以数据报的最大长度为65535。
关于MTU:
IP层下边的每一种协议都规定了一个数据帧中的数据字段的最大长度(MTU),当IP数据报封装层数据链路层的帧时一定不能超过规定的MTU值(一般为1500字节),否则就得把过长的数据报进行分片处理了。
一般情况下,IP数据报考虑到传输效率和速度的因素(数据报越大效率越高,但速率越低),
IP协议规定:
在因特网中的主机或路由器必须能接受长度不超过576字节的数据报,这是假定上层交付下来的数据报长度不超过512字节,加上IP数据报的首部60字节再加上4字节的富裕量得到576字节。
在进行分片时,总长度字段的意思是:
分片后的每一个分片的首部长度与该分片的长度的总和。
(5)标识(identification)16位。
IP软件在存储器中维持了一个数据报计数器,每产生一个数据报就加1,并且将计数器的值赋给该数据报的标识字段(标识号并不是序号),作用是:
在进行分片后标识字段的值就被复制到所有的数据报片的标识字段中,以便在交付给上层时能根据有相同标识字段的分片重组为原来的数据报。
(6)标志(flag)MF(最低位)=1:
后边还有分片。
MF=0:
是最后一个数据报分片。
DF(中间的一位):
不能分片,DF=0时才允许分片
(7)片偏移13位。
在数据报进行分片后该片数据分片在源分组中的相对位置,以8字节为单位(分片长度一定是64位(8字节)的整数倍)。
(8)生存时间(TTL)8位。
目的:
防止无法交付的数据报在因特网中无限的兜圈子。
过程:
以秒为单位,每经过一个路由就减1,TTL为0时就丢弃该数据报。
(9)协议8位。
指出此数据报使用的是何种协议,便于目的主机的IP层明白要将该数据报上交到那个处理进程。
常见协议的字段值:
ICMP:
1IGMP:
2IP:
4TCP:
6EGP:
8IGP:
9UDP:
17
IPv6:
41ESP:
50OSPF:
89
(10)首部检验和16位。
只检验数据报的首部(因为没=每经过一个路由都要重新计算首部检验和(生存时间,标志,片偏移都可能变化)不检验数据部分是为了减少计算的工作量),IP首部的检验和不采用CRC。
使用的检验方法见p130
(11)源地址32位
(12)目的地址32位
3.8:
IP数据报的可变部分:
可选的内容,支持排错,测量,安全措施,填充字节等。
3.9:
IP层转发流程
分析:
IP数据报在路由器上转发时不可能记录所有主机的地址,否则转发表就过于庞大了,
那么,路由器的转发表就只记录主机所在的网络地址,这样,它就只包含所有主机的网络地址,一行代表一个网络。
在进行路由转发时,进行查找,能找到就直接进行交付,否则继续
转发给适当的路由(可以转发给默认的路由,也可以指定转发路由),那么问题来了,
如何找到下一跳路由呢?
过程:
在路由器收到一个IP数据报时,会从自己的路由转发表中得出下一跳路由器的IP地址,然后把这个IP地址转换成MAC地址(通过数据链路层的网络接口管理软件)放在MAC帧的首部,根据这个MAC地址找到下一跳路由器。
算法:
(1)从数据报提取目的主机的IP地址D得出目的主机所在的网络地址N
(2)若N是和此时的路由直接连接的某个网络,就进行直接交付(直接把MAC帧交付给目的主机)否则转(3)
(3)若路由表中有目的主机D的特定路由,就把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器。
否则转(4)
(4)路由表中有达到目的主机D所在的网络N的路由,把数据报传送给所指明的下一跳路由器。
否则转(5)
(5)若路由器有默认路由,就把数据报传送给转发表中所指明的默认路由。
否则转(6)
(6)报告转发分组出错。
3.10:
子网的划分呢和超网的构造
3.10.1:
三级IP地址
原因:
(1)二级IP地址空间利用率低。
(收到实际因素限制,远远不能达到按类分划的最大主机数)
(2)给每个物理网络分配网络号使得路由器的转发表过大,直接导致网络性能降低太多。
(3)二级IP地址不够灵活。
解决途径:
在IP地址中增加“子网号字段”成为三级IP地址。
也叫做划分子网。
子网划分的思路:
(1)在同一个单位,可以将多个所属的物理网络划分若干个子网,单位外部不可见,依然表现为一个网络。
(2)子网号是从主机号借用位分配的。
IP地址:
:
={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
(3)从其他网络发送过来的IP数据报依然是根据网络号找到本单位网络上的路由器的,不过当该目的主机所在网络的路由器收到IP数据报时,按照目的网络号和子网号找到子网,将数据报交付给目的主机。
(4)子网掩码:
(让本局域网的路由器能找到目的主机所在的子网)
规定:
子网掩码中用1表示新增的子网号,用0表示主机号
子网IP地址的得出:
将子网掩码和收到的IP数据报的目的主机的IP地址进行
“与”操作。
现在子网掩码已经被标准规定,路由器要把自己所在网络的子网掩码放在转发表中,
表中的每个项目除了要给出目的网络地址外,还要给出目的网网络的子网掩码。
3.11:
使用子网时的分组转发
路由表需包含的内容:
(1)目的网络地址
(2)子网掩码
(3)下一跳路由IP地址
算法:
(1)从收到的IP数据报中获取目的IP地址D
(2)先判断是否为直接交付。
方法:
对路由器直接相连的网络进行逐个检查(将D和所有子网掩码进行“与”操作)看结果是否与目的IP地址一致。
如果匹配就直接交付,否则转(3)
(3)表中有目的主机的特定路由时,将报数据报转发给所指定的下一跳路由。
否则转(4)
(4)对路由表中的每一行(目的网络地址,子网掩码,下一跳地址),用其中的子网掩码
和D进行“与”操作,结果为N,若N与该行的目的网络地址匹配就将数据报转发该行指定的
下一跳路由。
否则转(5)
(5)若路由表中有默认路由就将数据报传送给该转发表指定的默认路由器,否则转(6)
(6)报告转发分组出错
3.12:
无分类编址CIDR(超网)
见p140-p145.(实用)
3.13:
网际控制报文协议-ICMP
ICMP允许主机或路由器报告差错和异常情况,而且ICMP报文封装在IP数据报中,但属于IP层的协议,不是高层协议哦。
图见p123.
3.13.1:
ICMP报文种类:
(1)ICMP差错报告报文
(2)ICMP询问报文
ICMP格式:
(1)类型8位
(2)代码8位
(3)检验和16位
(4)4字节内容----取决于ICMP报文的类型
(5)ICMP数据部分-----长度由类型决定
ICMP报文的代码段:
进一步区分某种类型中的不同情况
检验和字段:
检查ICMP报文,包括数据部分,因为IP数据报不进行数据部分的差错检验。
3.13.2:
ICMP差错报文的5种类型
(1)终点不可达。
路由或主机不能交付数据报时向源点发送该报文
(2)源点抑制。
目的:
放慢源点发送数据报的速率。
原因:
路由或主机由于网络拥堵把数据报弄丢了。
(3)时间超过。
TTL(生存时间)为零时,丢弃该数据报并向源点发送时间超过报文。
或终点在规定的时间内无法收到一个数据报的全部数据片时,丢弃已经收到的数据片并且向源点发送时间超出报文
(4)参数问题。
路由器或主机收到的数据报首部有差错时丢弃该数据报并向源点发送参数问题报文。
(5)改变路由(重定向)。
路由器把改变报文发送给主机,让主机知道下次将数据报发送给另一个路由器。
解释:
在因特网中的主机都有自己的转发表,每次发送数据报时,先查看自己的转发表。
但是,这里有一个现实因素:
由于网络上的主机数量过于庞大,考虑到效率因素主机们不会定期和接在网络上的路由进行定期的信息交换(交换转发表中的路由信息)。
所以一般的处理办法:
指定一个默认路由。
所以当出现重定向情况时,就要通知发送方修改转发表:
在该主机的转发表中增加一个项目。
(到达指定目的地址应跳转的下一跳路由而不是默认路由)。
3.13.3:
ICMP差错报文的组成:
将收到的需要进行差错报告的数据报的IP数据报的首部和数据字段的前8字节提取出来,再加上相应的ICMP差错报告报文的前8个字节。
提取收到的数据报的数据字段的前8字节目的:
获取运输层的端口号以及运输层报文的发送序号。
这些信息有利于源点通知高层协议。
3.13.3.1:
不发送ICMP差错报告报文的情况:
(1)发送过ICMP差错报告报文
(2)第一个分片的后续数据分片不再发送ICMP差错报告报文
(3)具有多播地址的数据报不发送
(4)特殊地址如127.0.0.0(回环测试)或0.0.0.0(本网络)
3.13.4:
ICMP询问报文
(1)回送请求和回答。
目的:
测试目的站点是否可达并了解其连接情况。
过程:
当主机或路由向特定目的主机发送ICMP回送请求报文时,收到该报文的目的主机必须向源主机或路由发送ICMP回送回答报文。
(2)时间戳请求和回答。
目的:
进行时钟同步并测量时间(时间是从1900年到当前一刻所经历的秒数).
3.13.5:
ICMP应用举例:
ping见p148-p149
3.14:
因特网的路由选择协议
特点:
(1)路由算法正确完整
(2)简单
(3)能适应网络通信量和网络拓扑的变化(通信量突增时能协调好网络负载,当某个网络结点故障时能合理选择其他路径。
)
(4)稳定性。
尽量不要让路由频繁变化
(5)公平性。
除了个别高优先级的用户,其他必须考虑每个用户端到端的时延问题。
(6)最佳的。
在某一特定要求下能得出较为合理的选择,如一般情况下考虑到网络可靠性比时延性重要时,最佳就代表的是选择最佳路由。
(7)静态路由选择协议和动态路由选择协议。
(静态实现简单但不能很好的适应网络状态的变化,动态适应性强但是实现复杂。
)
3.14.1:
分层路由选择协议
原因:
(1)因特网的巨大规模使得路由转发表变得无法工作。
(2)单位自身只想直接使
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