网络课堂链接:计算机网络微课堂(有字幕无背景音乐版) 源笔记：BloothOfYouth/Computer-Network-Notes

网络协议概念:书P21

网络系统结构概念：书本P22

• 网络协议即协议是为网络中的数据交换而建立的规则。

• 计算机网络各级及其协议集合，称为网络的系统结构

• 换句话说，计算机网络的系统结构是对计算机网络及其部件功能的准确定义。

• 计算机网络(可以简称简称网络)计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起

• 因特网是世界上最大的互联网。

• internet

  • 它是互联网的一个特殊术语，一般指由多个计算机网络互连而成的网络。
  • 这些网络之间的通信协议可以是任意的

• Internet

  • 是因特网的专有名词，是指世界上最大、最开放的特定极端和网络，由众多网络连接而成。
  • 采用TCP/IP协议簇作为通信规则，其前身是美国ARPANET

• 因特网组成

  • 边缘部分
    • 主机
    • 功能：信息处理
  • 中心部分
    • 路由器，一种典型的分组交换机
    • 功能：按存储转发的方式进行分组交换

笔记P9

• 电路交换
• 分组交换
  • 将整个消息数据作为报纸
  • 把报文分成一个包
• 报文交换

笔记p10

• 分组交换
  • 采用了存储转发技术。将报纸(要发送的整个数据数据)分成几个数据段，每个数据段加入由控制信息组成的第一部分，形成几个组。由于第一组包含重要的控制信息，如目的地址和原始地址，每个组可以在互联网上独立选择传输路径。
  • 在传输数据之前，分组交换不需要占用端到端的通信资源，分组到达路由器后，先存储，找到转发表，再转发，省去建立和释放连接的费用，所以效率更高。

优缺点比较

• 电路交换：由于通信资源的可靠保证，端对端通信质量具有高效率。

• 报纸交换：无需预约传输带宽，动态利用传输带宽对突发数据通信效率高，通信速度快。

• 分组交换:报文交换高效快捷，分组小，路由灵活，网络生存性能好

笔记P15

• 速率
  • 传输比特的速度、比特率
  • 1B=8b(计算题一般用，注意)

• 带宽

  • 单位时间内从网络中的某一点到另一点的最高数据率
  • 很多题里作为发送速率

• 吞吐量

• 时延

  • 发送时延
  • 传播时延
  • 排队时延

• 丢包率

• 信道利用率

  • 利用率并非越高越好

分层的必要性

• 笔记P23

• 各层之间是独立的。某一层可以使用其下一层提供的服务而不需要知道服务是如何实现的。

• 灵活性好。当某一层发生变化时，只要其接口关系不变，则这层以上或以下的各层均不受影响。

• 结构上可分割开。各层可以采用最合适的技术来实现

• 易于实现和维护。

• 能促进标准化工作。

常见的计算机网络体系结构

• OSI：法律上的国际标准
• TCP/IP：实际上的国际标准
• 只有五层的原理体系结构：将TCP/IP的网络接口层分为数据链路层和物理层

课本P23

五层协议网络体系结构是将TCP/IP体系结构的网络接口层变为了数据链路层和物理层

综合OSI 和TCP/IP 的优点，采用一种原理体系结构。 各层的主要功能：

1. 物理层 物理层的任务就是透明地传送比特流。（注意：传递信息的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，是在物理层的下面，当做第0 层。） 物理层还要确定连接电缆插头的定义及连接法。
2. 数据链路层 数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。
3. 网络层 网络层的任务就是要选择合适的路由，使 发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站的运输层。
4. 运输层 运输层的任务是向上一层的进行通信的两台主机的两个进程之间提供一个可靠的端到端服务，使它们看不见运输层以下的数据通信的细节。
   • 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务
   • 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中的相应进程。
5. 应用层 应用层直接为用户的应用进程提供服务。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。

课本P23

笔记P24

物理层考虑的事怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

分为三大部分

• 源系统（或发送端、发送方）
  • 源点
    • 产生要传输的数据（比特流）。
  • 发送器
    • 通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
    • 典型的发送器就是调制器，将数字信号转换为模拟信号
• 传输系统（或传输网络）
• 目的系统（或接收端、接收方）
  • 接收器
    • 接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。
    • 典型的接收器就是解调器
  • 终点
    • 终点设备从接收器获取传送过来的信息。

数据、信号、模拟数据、模拟信号、数字数据、数字信号、调制、编码、基带信号、宽带信号等基本概念

笔记P8

通信的目的是传输消息

• 数据：是运送信息的实体。

• 信号：则是数据的电气的或电磁的表现。

• 编码：数字数据转换为数字信号

• 调制：数字信号变为模拟信号

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，分为

• 模拟数据：运送信息的模拟信号。

• 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续变化的信号。

• 数字数据：取值为不连续数值的数据。

• 数字信号：取值为有限的几个离散值的信号。

• 基带信号：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号（数字信号）。

• 带通信号：把基带信号经过载波调制后（模拟信号），把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。

  • 最基本的带通调制方法：调幅、调频、调相

• 码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

  • 码元是承载信息的基本信号单位

• 单工通信：即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。

• 半双工通信：即通信和双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。

• 全双工通信：即通信的双方可以同时发送和接收信息。

• 串行传输：使用一根数据线传输数据，一次传输1个比特，多个比特需要一个接一个依次传输。

• 并行传输：使用多根数据线一次传输多个比特。

• 信息的带宽或信道的信噪比越大，信息的极限传输速率越高

• 串行传输和并行传输

  • 串行：1个bit一个bit发送，只要一条数据传输线路即可
  • 并行：一次发送n个比特，需要n条传输线路。速度快但成本高
  • 计算机内部数据常采用并行传输，数据在传输线路上采用串行传输。
    • 计算机->传输线路需要并/串转换
    • 传输线路->计算机需要串/并转换

• 同步传输和异步传输

  • 都是串行通信

• 单向通信、双向交替通信、双向同时通信（也叫做单工、半双工、全双工）

  • 信道：表示向某一方向传送信息的媒体。不等同于电路，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道
  • 单工：只有一个方向，如无线电广播、电视广播
  • 半双工：双方都可以发送，但不能同时，如对讲机
  • 全双工：双方可以同时发送，如微信聊天

• 基带传输

  • 数字信号

• 频带传输

  • 调制为模拟信号

传输媒体：发送器和接收器之间的物理通路

一般来说，单工通信，传输媒体中只有一条信道，要么发送要么接收。半双工和全双工中，传输媒体包含两个信道，一个发送和一个接收。但如果采用信道复用技术，则一个传输媒体可以包含多个信道。

• 复用：通过一条物理线路同时传送多路用户的信号

• 发送端放一个复用器，接收端放一个分用器

• 目的：充分利用昂贵的通信线路

• 多个信源的彼此无关的信号，结合在一条物理信道上进行传送的技术。

• 为了通过共享信道,最大限度提高信道利用率。

• 频分FDM、时分TDM、统计时分STDM

  • 频分复用
    • 所有用户在相同的时间占用不同的带宽资源（这里的带宽指的是频率带宽而不是数据的发送速率）
    • 复用器将每一路信号调制到不同频率的载波上
  • 时分复用
    • 所有用户在不同时间内占用相同的频带宽度
  • 统计时分复用
    • 动态分配时隙

• 波分

  • 光的频分复用

• 码分CDM

  • 码分多址CDMA
  • 不同用户在相同时间使用相同频带进行通信
  • 各用户使用经过特殊挑选的相互正交的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
  • 优点：这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
  • 缺点：占用较大的带宽。
  • 在CDMA中，每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。通常m的值是64或128。

用户到因特网的宽带接入方法和优缺点

• 非对称数字用户线ADSL
  • 用数字技术对现有的模拟电路改造
  • xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。成本低，易实现，但带宽和质量差异性大。
  • 采用FDM频分复用技术，将用户线划分为数据信道和语音信道。
• 光纤同轴混合网HFC
  • 在有线电视网的基础上开发的
  • HFC网的最大的优点具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
  • 要将现有的450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网需要相当的资金和时间。
• FTTx
  • 即光纤到…
  • （光纤到……）这里字母 x 可代表不同意思。可提供最好的带宽和质量、但现阶段线路和工程成本太大
• 无线宽带上网

• 链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路

• 数据链路：在链路的基础上增加了一些必要的硬件（如网络适配器）和软件（如协议的实现），来控制数据的传输。

• “电路接通了”表示链路两端的结点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流了，但是，数据传输并不可靠，在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才是“数据链路接通了”，此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传功能，才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接

数据链路层把数据组织成一定大小的数据帧，以帧为单位进行发送、接收和应答。

三个基本问题：封装成帧、差错检测、可靠传输

• 封装成帧

  • 帧定界是分组交换的必然要求

  • 透明传输避免消息符号与帧定界符号相混淆

  • 透明传输不等于可靠传输，透明传输是封装成帧的一个要点

• 差错检测

  • 防止合差错的无效数据帧浪费后续路由上的传输和处理资源

• 可靠传输

• 封装成帧要解决帧定界和透明传输的问题

• 如何让接收方的数据链路层从物理层交付的比特流中提取出一个一个的帧呢–帧定界

• 封装成帧是指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧。

• 帧定界

  • 帧头和帧尾中包含有重要的控制信息，其作用之一就是帧定界。

  • 一个常用的方法是在帧的开头和结束添加帧定界标志，记作flag

  • 不是每一种数据链路层协议的帧都包含帧定界标志

    比如PPP帧开始和结束标志都有，但以太网V2的mac帧没有帧结束定界符

• 透明传输

  • 透明传输是指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制，好像数据链路层不存在一样。

  • 说白了就是，flag（帧定界标志）不也是字符/一串比特吗，但要是帧的数据部分（上层交付的传输数据）中也包含有flag，那就会被误判，所以数据链路层就应该对上层交付的数据有限制，其内容不能包含flag的值。

    但透明传输要求我们不能禁止传送这种特殊的比特组合（即跟flag一样的字符/比特），要想办法解决

  • 针对面向字符和面向比特的物理链路，可以分别采用字符填充法和比特填充法来解决透明传输的问题。

  • 面向字符（插入转义字符‘ESC’）

  • 面向比特

    • 面向比特的传输服务中，帧定界标志可以使用某种特殊的比特组合，此时可以用开销更小的比特填充来实现透明传输
    • PPP协议采用零比特填充法

• 帧的数据部分长度

  • 为了提高帧的传输速率，应该使帧的数据部分的长度尽可能大些
  • 考虑到差错控制等多重因素，每一种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限，即最大传送单元MTU

• 帧检验序列FCS

• 在数据链路层通常使用循环冗余校验（CRC）技术进行差错检测

• 基本操作

• 生成多项式举例（生成多项式各项系数构成的比特串是什么）

• 具体算法（发送时添加冗余码）

• • 要点
    • 构造被除数要添加生成多项式的最高次数个0
    • 余数的位数要跟生成多项式最高次数相同，位数不足前面补0
    • 异或运算，相同为0，不同为1

• 收到帧时检验

• 总结

  • 检错码只能检测出差错，不能定位错误，所以无法纠正错误
  • 循环冗余校验CRC漏检率非常低，虽然计算复杂但易于用硬件实现，所以广泛使用在数据链路层
  • CRC时一种检错方法，帧校验序列FCS是添加在数据后面的冗余码

具体放到传输层讲

• 点对点信道：一对一
• 广播信道：一对多

• 这一章我们首先介绍点对点信道所要讨论的基本问题，以及在这种信道上最常用的点对点协议PPP。然后讨论信道共享技术和共享式以太网，以及数据链路层的分组交换设备网桥和以太网交换机。最后讨论了无线局域网。

点对点协议PPP是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议

• 特点

  • 简单
  • 只检测差错，不纠正差错
  • 不使用序号，也不进行流量控制
  • 支持多种网络层协议

• PPPoE是为宽带上网的助剂使用的链路层协议

  • 使ISP可以通过DSL、电路调制解调器、以太网等宽带接入技术，以以太网接口形式为用户提供接入服务。

• PPP协议由三部分组成

  • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法（封装成帧）
    • 既支持面向字符的异步电路，也支持面向比特的同步电路
    • 对不同类型设置了最大传输单元MTU的默认值
  • 链路控制协议LCP
    • 用于建立、配置以及测试数据链路的连接
  • 网络控制协议NCP
    • 其中的每一个协议支持不同的网络层协议

• 帧格式

• 透明传输

  • 笔记P26

• 差错检测

• 工作状态

媒体接入控制（介质访问控制）–广播信道

媒体介入控制使用一对多的广播通信方式

首先明白分类，一个是广播一个是点对点

• 共享式局域网
  • 广播信道可以进行一对多通信，方便且廉价地连接多个邻近计算机，曾经被广泛的应用于局域网之中。使用广播信道的局域网称为共享式局域网。
• 交换式局域网
  • 随着技术发展，具有更高性能的点对点链路和链路层交换机的交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网。
  • 但由于广播信道的天性，无线局域网仍然使用共享媒体技术
• 局域网使用了集线器(HUB)或交换机(Switch)这种连接设备。利用集线器连接的局域网叫共享式局域网,利用交换机连接的局域网叫交换式局域网。

下面介绍的（媒体接入控制技术等）都是基于广播信道的。

广播信道链接了多个站点（可以是主机也可以是路由器），方便，但如果有两个站点以上同时发送数据，在共享信道中就会产生冲突。所以要协调该问题，即媒体接入控制MAC和多址接入问题。

媒体接入控制技术主要分为以下两类

• 静态划分信道
  • 频分多址
  • 时分多址
  • 码分多址
  • 这种固定划分的很不方便，通常在无线网络的物理层使用，而不是在数据链路层使用
• 动态接入控制
  • 随机接入
    • 所有站点通过竞争，随机在信道上发送数据
    • 可能会发生碰撞，则都发送失败
    • 这类协议解决的问题就是尽量避免冲突和在冲突后快速恢复通信
    • 著名的共享式以太网（等同于局域网）采用的就是随机接入
  • 受控接入（淘汰）

先介绍局域网

局域网特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点树木均有限

• 按网络拓扑分类：

  • 星形网
  • 环形网
  • 总线网
    • 总线网以传统以太网最为著名
    • 经过三十多年发展，以太网在局域网市场占有绝对优势，成为局域网的同义词

• 双绞线已成为局域网中的主流传输媒体

• 以太网基本概念

  • 最初的以太网是将很多计算机连接到一根总线上，易于实现广播通信。
  • 以太网(Ethernet)是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准
  • 以太网采用无连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。目的站收到有差错的帧就将它丢弃，什么也不做。

• 传统以太网：DIX Ethernet V2 标准的局域网

• 以太网两个主要标准

  • DIX Ethernet V2 标准

  • IEEE 802.3标准

• 为什么LLC子层的标准已制定出来了但现在却很少使用？
  • 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。

计算机通过通信适配器与局域网连接（以前在主机机箱中插入的时候叫网卡，现在直接嵌入计算机主板，所以叫适配器更合适）。

MAC地址是以太网的MAC子层所使用的地址

• 使用点对点信道的数据链路层不需要使用地址

• 使用广播信道的数据链路层必须使用地址来区分各主机

• 该唯一标识，即一个数据链路层地址。

• 在每个主机发送的帧中必须携带标识发送主机和接收主机的地址，用于媒体接入控制MAC，因此称为MAC地址

• MAC地址一般被固化在网卡（适配器）的ROM中，因此MAC地址也被称为硬件地址。（有时也叫物理地址，但并不意味在物理层！）

• 严格来说，MAC地址是对网络上各接口（适配器）的唯一标识，而不是对各设备的唯一标识。一个设备有多个接口，就有多个MAC地址。

• MAC地址有48位

• IEEE的注册管理机构是局域网全球地址的法定管理机构，负责分配六个字节的前三个字节。后三个由厂商自己分配。

  • 组织唯一标识符OUI/公司标识符
    • 生产网络设备的厂商，需要申请一个或多个OUI
  • 网络接口标识符
    • 有获得OUI的厂商自行随意分配

• 适配器有过滤功能，每收到一个MAC帧就用硬件检查MAC帧中的目的地址。是发往本站的帧就收下，不是则丢弃。这里“发往本站的帧”包括三种：

  • 单播帧
    • 收到的帧MAC地址跟本站硬件地址相同
  • 广播帧
    • 发送给本局域网所有站点的帧（全1地址）
  • 多播帧
    • 发送给本局域网一部分站点的帧

书P86

笔记P34

共享式以太网

为了通信方便，以太网采取了以下两种措施

• 第一，采用比较灵活的无连接的工作方式。不可靠的交付，错的直接扔了，上层没收到要不要重传由上层决定。

• 第二，以太网采用基带传输，发送的数据都使用曼彻斯特编码。

• 以太网同一时间只允许一个站点发送数据，协调方式是一种特殊的协议CSMA/CD协议，它是载波监听多址接入/碰撞检测的缩写。

  • 多址接入MA
  • 载波监听CS
  • 碰撞检测CD

课本P91

• 10BASE-T中的“10”表示信号在电缆上的传输速率为10MB/s

• “BASE”表示电缆上的信号是基带信号（没有调制过的）

• “T”代表双绞线星形网

• 但10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。

10BASE-T星形以太网的出现，是局域网发展史上一座非常重要的里程碑

• 采用集线器
  • 是用集线器的局域网在物理上是一个星形网，逻辑上还是一个总线网，个站点共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议
  • 一个集线器有许多接口，一个集线器很像一个多接口的转发器
  • 集线器工作在物理层，其接口仅仅简单的转发比特

以太网V2的MAC帧

• 目的地址6字节

• 源地址6字节

• 类型（标志上一层用的什么协议）2字节

• 数据字段

• FCS4字节

• MAC帧最小帧长为64字节，减去其他18字节，数据部分最少为46，不足会补

笔记P60（比较详细）

使用集线器、转发器可以在物理层扩展以太网（扩展后的以太网仍是个一个网络）。

• 在物理层扩展的以太网仍然是一个碰撞域（发出的帧会跟其他站点发出的帧产生碰撞的那部分网络），不能连接过多的站点，否则平均吞吐量太低，而且会导致大量的冲突。

• 同时其地理覆盖范围受以太网有争用期对端到端时延的限制。

早期使用网桥（一般两个接口），现在使用以太网交换机（实质上就是一个多接口的网桥）。

几个以太网连接形成一个更大的以太网，以前的以太网叫做网段

采用存储转发方式。

使用网桥可以在数据链路层扩展以太网（扩展后的以太网仍是个一个网络）。网桥在转发帧时，不改变帧的源地址。

• 网桥的优点是：

  • 对帧进行转发和过滤，增大了吞吐量（有针对性转发，而不是集线器向所有端口转发）；
  • 扩大了网络物理范围，提高了可靠性；
  • 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

• 网桥的缺点是：

  • 增加了时延（要查表转发）
  • 可能会产生网络风暴（过多广播帧）

• 无碰撞，所以不适用CSMA/CD协议

笔记P69

课本P101

笔记P76

一个或多个以太网交换机连接而形成的大的交换式以太网，其所有站点同属于一个广播域。

巨大的广播域会带来广播风暴，浪费网络资源和CPU资源。

未来分割广播域，虚拟局域网VLAN技术应运而生

概念：虚拟局域网是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求。

• 需要交换机能处理带有VLAN标记的帧–IEEE 802.1 Q帧
• 比以太网V2的MAC帧多了四字节的VLAN标记

无限局域网（WLAN）可分为两大类。第一类是有固定基础设施的，第二类是无固定基础设施的。（固定基础设施指预先建立的，能够覆盖一定地理范围的一批固定机站）

• IEEE的802.11是无线局域网的标准，使用802.11系列协议的局域网又称Wi-Fi。
• 802.11无线局域网支持有固定基础设施和无固定基础设施两种模式。
  • 有固定基础设施
    • 使用星形拓扑，各站点需要通过叫做接入点AP的中心结点和外间或互相进行通信。
  • 无固定基础设施
    • 允许在通信范围内的各站点间进行单跳通信，组成一个无中心不与外界网络连接的自组网络

书P109

无线网络和移动网络

• 802.11标准并没有定义如何实现漫游，但是定义了一些基本工具，例如，一个移动站若要加入到一个基本服务集BSS，就必须先选择一个接入点AP，并与此接入点建立关联。建立关联就表示这个移动站加入了选定的AP所属的子网。并和这个接入点AP建立起了**一个虚拟线路。**只有关联的AP才能向这个移送站发送数据帧，这和手机开机后必须和附近的某个基站建立关联的概念是类似的。
• 为了使一个服务基本集BSS能够为更多的移送站提供服务，往往在一个BSS内安装的有多个接入点AP。有时一个移动站也可以收到本基本服务集以外的AP信号。移动站只能在多个AP中选择一个关联，通常选择的是信号最强的一个AP，但有时也可能该AP提供的信道都已经被其他移动站使用了。在这种情况下，也只能与信号强度稍差些的AP建立关联。
• 移动站与接入点AP建立关联的方法有两种。
  • 一种是被动扫描，即移动站等待接收接入点AP周期性发出的信标帧。信标帧包含有若干个系统参数（例如服务及标识符SSID以及支持的速率等）。
  • 另一种是主动扫描，即移动端主动发出探测请求帧，然后等待从接入点发回的探测响应帧。

IEEE 802.11标准

使用CSMA/CA协议

在CSMA基础上加入碰撞避免CA功能，且不再实现碰撞检测

便携站：便于移动的，但是便携站⼯作时位置固定不变 移动站：不仅能移动，⽽且可以在移动的过程中通信， 移动站⼀般使⽤电池供电

基站：无线局域网的最小构建–基本服务集中的接入点AP。

热点：无线因特网服务提供者，因特网公众无线接入点

wi-fi：使用802.11系列协议的局域网又称Wi-Fi

网络层和数据链路层区别

网络层与数据链路层的功能

课本P125

笔记P3

实质：可靠交付应当由谁来负责？是网络还是端系统？

• 面向连接的虚电路服务

  • 让网络负责可靠交付
  • 通信之前先建立虚电路

• 无连接的数据报服务

  • 可靠通信由主机保证
  • 网络层向上之提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

IP协议：实现网络互连。使参与互连的性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。

网际协议IP是TCP/IP体系中最主要的协议之一。

与IP协议配套使用的还有四个协议

• 地址解析协议ARP

  • 是解决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

• 逆地址解析协议RARP

• 网际控制报文协议ICMP

  • 提供差错报告和询问报文，以提高IP数据交付成功的机会

• 网际组管理协议IGMP

  • 用于探寻、转发本局域网内的组成员关系

ARP协议：是解决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

工作步骤：笔记 第三章P56

课本P152

笔记P61

网际控制报文协议ICMP

ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供异常情况的报告，可以获得网络是否正常，设置是否有误以及设备有何异常等信息，从而便于进行网络上的问题诊断。

• 报文分为两类
  • 差错报告报文
  • 询问报告
• 应用例子
  • 分组网间探测PING
    • 使用ICMP回送请求和回答报文
  • 跟踪路由

课本P132

笔记P7

分类编址

• 分为ABCDE 5类;每一类地址都由两个固定长度的字段组成。
• 其中一个字段是网络号 net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络。
• 而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。
• 各类地址的网络号字段net-id分别为1，2，3，0，0字节；主机号字段host-id分别为3字节、2字节、1字节、4字节、4字节。

• IP地址特点

1. IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：
   1. 第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。
   2. 第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。
2. **实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。**当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。
3. 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。
4. 所有分配到网络号 net-id 的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。

课本P136

笔记P18

需先掌握：划分子网、无分类编址

概念：把许多前缀相同的地址用一个替代

计算：第几个字节不同，就展开，找到共同前缀

• IP地址
  • IP地址放在IP数据报的首部
  • 在网络层和网络层以上使用的是IP地址
  • IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。从而把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。
• MAC地址
  • MAC地址则放在MAC帧的首部
  • 在数据链路层及以下使用的是MAC地址（物理地址）
  • MAC地址在一定程度上与硬件一致，基于物理、能够标识具体的链路通信对象、IP地址给予逻辑域的划分、不受硬件限制

课本P143

笔记P56

• 以IPv4首部为例

• 版本（4bit）
  • 标识IP协议版本，通信双方使用的IP协议必须一致。目前最广泛的版本号是4，即IPv4。
• 首部长度（4bit）
  • 表示IP数据报首部的长度
  • • 可变字段
    • 填充字段：保证首部长度是4字节整数倍
• 区分服务（8bit）
• 总长度（16bit）
  • 表示IP数据报的总长度（首部+数据载荷）
• 标识、标志、片偏移
  • 这三个字段用于IP数据报分片
  • 当IPv4数据报长度超过MTU时，无法封装，需要进行分片
• 生存时间TTL（8bit）
  • 以跳数为单位，转发一次-1，直到为0
  • 防止IP数据包在网络中永久兜圈
• 协议（8bit）
  • 包括ICMP、IGMP、TCP、UDP、IPv6、OSPF
• 首部检验和(16bit)
  • 称为因特网检验和
  • 只检验首部，不检验数据部分
• 源IP地址和目的IP地址

课本P147

笔记P22

主机发送IP数据报，路由器转发IP数据报

• 目的网络地址

  • 可以目的网络地址与源地址的子网掩码与运算得到目的网络地址
  • 若与源网络地址一样，则直接交付。
  • 若与源网络地址不一样，则间接交付，传输给主机所在网络的默认网关，由默认网关帮忙转发。

• 默认网关

  • 用户为了让本网络中的主机能够和其他网络中的主机进行通信，就必须给其制定本网络的一个路由器接口。由该路由器帮忙转发，所指定的路由器，也称为默认网关。

• 路由表

  • 每一行对应一个网络

• 路由器收到IP数据报如何转发

  • 先检查数据报首部是否出错
    • 出错则丢弃并报告
    • 不出错则转发
  • 根据IP数据报的目的地址在路由表中查找要匹配的条目。
    • 找不到则报告
    • 找到则转发给条目中指定的下一跳

课本P157

笔记P36

因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统，一般记作AS

一个AS对其他AS表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略

在目前的因特网中，一个大的ISP就是一个自治系统

• 内部网关协议IGP（一个自治系统内部）
  • RIP
  • OSPF
• 外部网关协议EGP（自治系统之间）
  • BGP

自治系统之间的路由选择也叫域间路由选择，自治系统内部的路由选择叫做域内路由选择。

课本P158

笔记P41

重点

课本P167

笔记P38

• 建议的IPv6协议没有首部检验和
• 在IPv4首部中有一个“协议”字段，但在IPv6的固定首部却没
  • 在IP数据报传送的路径上的所有路由器都不需要这一字段的信息。只有目的主机才需要。在IPv6使用“下一个首部”字段完成IPv4中的“协议”字段的功能。
• IPv6地址长度增大了

课本P193

主要是三种方法：

1. 双栈技术：主机或路由器同时装有IPV4和IPV6两个协议栈，因此主机既能和IPV4通 信， 也能和IPV6通信。
2. 隧道