下文中出现的页数都出自《计算机网络》（第7版 谢希仁著）
一、概述
1.1 网络体系结构
1.1.1 OSI（法律上的国际标准）
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7层&作用（由上到下）
应用层：文件传输、管理
表示层：确保一个系统的应用层发送的消息可以被另一个系统的应用层读取，编码转换，数据解析，管理数据的解密和加密
会话层：负责在网络中的两节点建立，维持和终止通信，在一层协议中，可以解决节点连接的协调和管理问题
运输层：定义一些传输数据的协议和端口。传输协议同时进行流量控制，或是根据接收方接收数据的快慢程度，规定适当的发送速率，解决传输效率及能力的问题
网络层：控制子网的运行，如逻辑编址，分组传输，路由选择最小单位——分组（包）报文
数据链路层：主要是对物理层传输的比特流包装，检测保证数据传输的可靠性，将物理层接收的数据进行MAC地址的封装和解封装，也可以简单的理解为物理寻址。交换机就处在这一层
物理层：主要对物理连接方式，电气特性，机械特性等制定统一标准并传输比特流
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概念清楚但复杂不实用
1.1.2 TCP/IP（事实上的国际标准）
- 4层
- 应用层、运输层、网际层、网络接口层
1.1.3 五层协议
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作用（由上到下）
应用层：通过应用进程间的交互完成特定网络应用。应用层协议：DNS,HTTP,SMTP等。报文在这一层交换
运输层：TCP（可靠）/UDP
网络层：IP
数据链路层：同上1.1.1
物理层：同上1.1.1
1.2 三种交换
- 电路交换：一方发起呼叫，独占一条物理线路。通信时双方一直占用该线路。优点是时延低、实时性强、交换设备成本低。缺点是线路利用率低、通信效率低、不同类型终端间不能通信
- 报文交换：将用户的报文存储在交换机的存储器中。当所需要的输出电路空闲时，再将该报文发向接收交换机或终端，它以“存储——转发”方式在网内传输数据。优点是中继电路利用率高，可以实现不同速率、规程的终端间通信。缺点是实时性差、传输时延大、占用交换机大量内存外存
- 分组交换：采用动态复用的技术。比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好
1.3 其它概念
- 为何要分层？P29
- 网络协议三要素：语法、语义、同步
- 带宽、时延
- 协议&服务：使用本层服务的实体只能看见服务，看不见下层的协议（书详细）
- 客户、服务器指的是应用进程
二、物理层
2.1 信道通信方式
- 单工：只要单方向的发送，无反向交互
- 半双工：双向发送，但不可同时发送
- 双工：可以同时发送
2.2 奈奎斯特&香农公式
- 码元速率极限值B与信道带宽的关系：B=2*H(Baud)
- C=2Hlog2N(bps) N为一个码元所取得离散值个数（无噪声）
- 信噪比=10log10(S/N)
- 信道极限传输速率C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)（有噪声）
2.3 中继器和集线器的工作原理
- 中继器：原理是信号再生和还原，扩大网络传输距离
- 集线器：实质上是一个多端口的中继器，在网络中只起到信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围
三、数据链路层
3.1 数据帧的概念和可靠传输
- 数据帧：数据链路层的协议数据单元，它包括三部分：帧首部，数据部分，帧尾部
- 可靠传输：数据链路层的发送端发送什么，在接收端就收到什么。传输差错分两类：比特差错和传输差错（丢失、重复、失序），没有这两类差错才能算可靠传输。CRC检验能实现无比特差错，但实现不了无传输差错。传输差错可通过帧编号、确认重传机制实现。数据链路层的协议都不是可靠传输（这里会有歧义。现在，对于通信质量良好的线路，数据链路层不使用确认和重传机制，即不要求它提供可靠传输，出现差错时由上层协议如TCP完成。对于通信质量差的线路，要求提供可靠传输）
3.2 差错检测
3.2.1 奇偶检验
根据被传输的一组二进制代码的数位中“1”的个数是奇数或偶数来进行校验。通常专门设置一个奇偶校验位，用它使这组代码中“1”的个数为奇数或偶数。
- 缺点：奇偶校验位是一种错误检测码，但是由于没有办法确定哪一位出错，所以它不能进行错误校正。发生错误时必须扔掉全部的数据，然后从头开始传输数据。在噪声很多的媒介上成功传输数据可能要花费很长的时间，甚至根本无法实现
- 优点：它是使用一位数据能够达到的最好的校验码，并且它仅仅需要一些异或门就能够生成
3.2.2 循环冗余检验
P74
- 求添加在数据后面的n位余数：在要传输的数据后面要补n位0. n=除数的位数-1.做除法得到要添加的余数
- 做减法时用异或
- 把余数添加后，做除法，若余数不为0则表明有错误被检测到
3.3 CSMA/CD
- 多点接入：总线型网络
- 载波监听：不停地检测信道的空闲情况
- 冲突/碰撞检测：边发送边监听
- 发送“冲突加强信号”，确保足够的冲突持续时间，以便让所有用户都知道现在发生了冲突
由此判断CSMA/CD只能进行半双工通信
3.3.1 截断二进制指数退避
P88
- 争用期：一个站在发送完数据以后，只有通过争用期的“考验”，即经过争用期还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。具体的争用期时间为51.2微秒，对于10Mbit/s以太网，在争用期内可以发送512比特，所以也可以说争用期是512比特时间。这种时间单位与数据率密切相关
- 重传应推后r倍的争用期。r从[0，1，… ，(2^k-1)]里随机选一个。k=Min[重传次数，10]
- 以太网规定了最短帧长64字节。（发送的数据很短会填充到64字节）所以若发生碰撞一定是在发送数据的前64字节，换句话说，凡是长度小于64字节的帧都是由于碰撞（冲突）而终止的无效帧
- 最小帧长=总线传播时延 * 数据传输速率 *2
- 当发送数据的站检测到碰撞后，除了停止发送以外，还要再发送一个人为干扰信号（冲突加强信号32bit或48bit）
- 帧间最小间隔：9.6微秒=96比特时间。检测到信道空闲后，如果在这96比特时间内信道都保持空闲的话就可以发送帧
3.4 MAC地址/MAC帧
- 6字节48位
- 实际上是适配器地址，当适配器接入到一台计算机中时，适配器上的“地址”就变成了这台计算机的MAC地址
- MAC帧长不少于64字节
3.5 交换机&网桥
- 网桥：在数据链路层扩展以太网，最初人们使用网桥，它对收到的帧根据其MAC帧的目的MAC地址进行转发（查找网桥中的地址表）和过滤。用网桥相连的网段仍然是同一个局域网（网络号一样）
- 交换机实质：多接口的网桥。每个接口与一台主机或另一个交换机相连，以全双工工作
- 通过交换机进行通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
3.6 链路层协议
- 回退n帧：一次发多个帧，如果有错误，从那个发生错误的帧开始及其之后所有的帧全部再重新发送。复杂度低，但是不必要的帧会再重发，所以大幅度范围内使用的话效率不高
- 滑动窗口：没收到接收方确认的情况下可以连续把窗口内的数据都发送出去（注意是可以，但也不一定是都发出去，可以发一部分）
- HDLC：可靠传输
- PPP：简单、应用广泛
四、网络层
4.1 IP数据报的格式和分片
P128
- IP协议规定所有主机或路由器都必须能接收长度不大于576字节的数据报。当主机需要发送长度超过576字节的数据报时，应当先了解目的主机能否接受这样长的数据报（是否超过MTU值），否则要进行分片
- 标志位（首部第二行16-18位）：最低位MF=1表示后面还有分片，MF=0表示这是若干数据报分片中的最后一片。中间一位DF=0时才允许分片
- 片偏移（首部第二行19-31位）：表示某个分片在原分组中的相对位置。以8个字节为偏移单位。即每个分片的长度都应该是8字节（64位）的整数倍
4.2 IP地址
- IP地址::={<网络号>,<主机号>} 32位
- 指派范围：P121
- 当一台主机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（网络号不同）
- 广播地址：将主机号全部设置为1
- 主机号：将网络号（包括子网号）全部设置为0
4.3 子网划分
- 划分子网是一个单位内部的事情，本单位以外的网络看不见这个网络由多少个子网组成，对外仍然表现为一个网络
- 划分方法：从主机号借用若干位作为子网号。IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
- 增加了灵活性，但减少了能够连接在网络上的主机总数
4.4 子网掩码
- 默认子网掩码：IP地址中的网络号对应位置全为1，其余为0
- 核心在于让子网掩码和IP地址按位与（AND），能得到子网的网络地址（这样保留了子网号，并清零了主机号）
- 注意区分子网数和可用子网数（-2）
4.5 CIDR
- 无分类地址
- IP地址::={<网络前缀>,<主机号>}
- 斜线记法：在IP地址后面加上“/”，然后写上网络前缀所占的位数
- CIDR地址块：网络前缀相同的连续IP地址（这种地址的聚合常称为路由聚合）
- 地址掩码：一串1和一串0组成。1的个数就是网络前缀的长度（即/后面的数字）
- 核心思想在于：用一个地址（斜线记法）就代表了很多个地址，简化了路由表的查找。把直接的查找分成了好几步，一步步找到目的地址
- 最长前缀匹配：查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果，我们应当从中选择具有最长网络前缀的路由
4.6 ARP（地址解析协议）
要搞懂ARP，就要先搞懂IP地址和MAC地址的关系。在OSI模型中，网络层及以上使用IP地址（逻辑地址），数据链路层和物理层使用MAC地址（硬件地址）。发送数据时，数据由上至下，到数据链路上传输。IP数据报交给数据链路层时被封装成为了MAC帧。接收数据时，剥去MAC帧的首部和尾部以后上交网络层，网络层才能找到IP数据报及其中有用的信息。
ARP就是根据IP地址（网络层）获取MAC地址（数据链路层）的一个协议。
全世界各式各样的网络使用不同的硬件地址，为了通信就要进行复杂的硬件地址转换工作（调用ARP）。IP地址把这种转换工作“屏蔽”了，这样互联网上的主机只需要有一个IP地址即可。
- ARP缓存保存IP-MAC地址之间的映射关系
- 如果ARP无相应缓存，则发送广播请求MAC地址
- 使用生存时间定期删除更新
4.7 ICMP（网际控制报文协议）
- 用于在IP主机、路由器之间传递控制信息
- 可用于测试两台主机之间的连通性（探测PING）
4.8 路由表、路由器的工作原理
- 在互联网上转发分组时，是从一个路由器转发到下一个路由器
- 当路由器需要和其他路由器连接时，连接的每个路由器都有若干个不同的IP地址（个数视连接的路由器个数决定）
- 路由表由许多条路由组成。每一条路由最主要的信息是：（目的网络地址，下一跳地址）
- 分组转发算法：如果目的地址是和此路由器直接相连的某个网络地址就直接交付（通过ARP协议把目的地址转换为MAC帧发送），否则根据网络地址确定下一跳地址。如果没有找到指明的下一跳路由器，则发送给默认路由（如果有）
4.9 RIP
- 基于距离向量的路由选择协议
- 使用UDP数据报
- 允许一条路径最多包含15个路由器。“距离”=16时即不可达，故只适用于小型网络
- 选择最短路由（“距离”最短），不会考虑时延等因素
- 仅和相邻路由按固定的时间间隔交换信息，交换的信息是当前本路由器知道的全部信息（自己的路由表），交换后更新路由表
- 好消息传播快，坏消息传播慢
- 实现简单，开销小
路由表更新（交换）的原则是找出到每个目的网络的最短距离。这种更新算法称为距离向量算法。
4.9.1 距离向量算法
P155
- 先把地址为X的路由器发送来的RIP报文距离都+1，并把下一跳地址改成X
- 对比接收的路由表，目的网络没有的就添加。有的话要看下一跳路由器是否一致。若一致就替换，不一致比较距离，比原来距离短就替换
4.10 OSPF
- 基于链路状态的协议
- 使用IP数据报
- 与RIP不同：不只是向相邻路由器发送信息，而是向本自治系统内所有路由器发送信息，交换的信息是和本路由器相邻的所有路由器的链路状态。不是按固定时间发送，而是只有当链路状态发生变化时才发送
- 更新过程收敛快
五、运输层
5.1 TCP
- 面向连接
- 提供可靠交付
- 全双工通信，有拥塞控制
- 点对点（一对一）的连接
- 面向字节流
- 资源开销大
- 报文段结构：P217
- 三/四次握手：P238
5.1.1 TCP拥塞控制
- 慢开始：达到ssthresh前，cwnd每次翻倍
- 拥塞避免：达到ssthresh后，cwnd每次加1
- 快恢复：3-ACK（对同一报文的重复确认）之后把ssthresh设为当前cwnd/2，并设cwnd=ssthresh，然后开始执行拥塞避免算法
- 快重传：3-ACK，发送方收到3个报文的重复确认后就认为需要重传
- 超时：把ssthresh设为当前cwnd/2，并设cwnd=1
- 发送方窗口上限=Min[cwnd,rwnd]
5.2 UDP
- 无连接
- 不可靠交付
- 面向报文（保留报文边界）
- 无拥塞控制
- 支持多种交互通信（一对一、一对多、多对一、多对多）
- 首部开销小
5.3 端口、套接字
P206
- 端口：通信的终点是进程，但实际上我们只要把所传送的报文交到目的主机的某个合适的端口，剩下交付进程的工作交给TCP/UDP完成即可。端口即应用层（各种协议进程）和运输层（运输实体）之间进行层间交互的一种地址
- 计算机要相互通信，要知道IP地址（为了找到对方的计算机），也要找到对方的端口号（为了找到对方计算机中的应用进程）
- 套接字socket=（IP地址：端口号）。是TCP连接的端点
六、应用层
6.1 DNS
- 域名到IP地址的解析
- 各域名服务器的作用
- 主机向本地域名服务器的查询一般采用递归查询
- 本地域名服务器向根域名服务器的查询一般采用迭代查询
6.2 SMTP（邮件传送）POP3（邮件读取）HTTP
- SMTP不使用中间的邮件服务器
- POP3用于用户从POP3服务器读取邮件
（为了找到对方计算机中的应用进程）