此处对《计算机网络——自顶向下方法》的学习做一个小总结。
一、计算机网络模型
TCP/IP模型
- 应用层
- 运输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层
OSI模型
- 应用层
- 表示层
- 会话层
- 运输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层
二、网络传输技术详解
三、详解TCP/IP模型
一、概述
协议
协议，即一系列公开的标准，是网络传输的核心。离开协议，不同的计算机间将无法互相理解，即使物理上相连也无法顺利进行通信。
数据单元
数据单元为网络传输过程中的单位数据包，在不同的协议层中，单位数据包不同，故数据单元对应不同的协议层有不同的称呼。
协议栈
用户数据自发送方送往接收方，在发送方经过应用层、运输层、网络层等层层协议，一层一层地封装成不同层次的数据单元，包装成一个层层包裹的数据块，当抵达接收方时，则按照物理层、数据链路层，这一与发送时相反的方向进行解包。其表现形式与栈类似，故将计算机网络中协议的组合，称为协议栈。
二、应用层
原始数据
原始数据即为用户操作中直接产生的数据，包括消息、多媒体流等等。此处的原始数据是相对网络数据而言的。当原始数据被应用程序解读时，往往需要符合一定的格式，但是其不涉及网络传输的部分，我们仍旧认为其是原始数据。
应用层协议
应用层协议将用户的应用层数据封装成应用层数据单元，再交付给接下来的网络层协议。联网应用程序的多种多样也催生了多种多样的应用层协议。
- HTTP协议
- SMTP协议
- DNS协议
- BitTorrent协议
其协议规定的数据单元头部将规定如何还原网络数据为原始数据。再对原始数据进行处理。
应用层数据单元
应用层数据单元由原始数据与应用层头部组成。是应用层协议中数据的最小单位。
应用层作用
应用层向上为应用程序提供网络服务，而向下，则委托运输层完成取决于选定的运输层协议的任务（TCP/UDP）。
三、运输层
运输层数据
对于运输层来说，由应用层交付的整个应用层数据单元（应用层头部与原始数据）被称之为运输层数据。运输层并不关心应用层对数据的处理，仅仅完成自己的任务。
多路复用与多路分解
计算机可以同时与多个对象进行通信，故用不同的端口与不同对象交互，以避免混乱。对应用层，运输层提供套接字，应用层的进程只需要申请一个套接字，便可以该套接字进行网络通信。而在运输层，操作系统则将套接字与端口绑定（可能多个套接字一个端口、可能一对一）。 UDP下：对于网络中传来的报文段，操作系统则依靠源端口号、目的端口号二元组判断应该将该报文段交付给哪一个端口。 TCP下：则依靠源IP、目的IP、源端口号、目的端口号四元组判断应交付给哪一个套接字。 多路复用即将不同套接字的数据处理发出的过程。 多路分解即将收到的报文段分发给适当的套接字的过程。
运输层协议
运输层协议仅包括两者：
- TCP
- UDP
1.TCP
TCP（Transmission Control Protocol），也称传输控制协议。是两种传输协议的一种。其为应用层提供面向连接的，可靠的数据传输服务。除去基本传输服务外，它也提供差错检验、数据流控制、拥塞控制等服务。此外，还应注意到，TCP协议采用了分组交换策略，因此，TCP协议下的分组由传输层进行，使得报文段大小小于MSS<MTU，这样在IP段便不再需要分组。
- 面向连接：进行基于TCP的数据交换前，发送方与接收方需要先进行三次握手，以确认连接关系。而结束交换后，则需要进行四次挥手，以彻底断开连接。
- 可靠：在连接的基础上，TCP依靠TCP头部中的Seq与Ack字段，使得发送方与接收方可以互相确认已成功传输的分组，并依照GBN或SR机制进行重传，以保证数据的成功传输。
- 差错检验：在TCP头部增设16位的校验和。其值为全部数据进行按16位回卷求和后的反码。在发送前计算与接收后分别计算该值，可以检测数据传输过程中是否发生错误。若发生，则进行修正或丢弃数据包。
- 数据流控制:接收方通过TCP头部中的剩余窗口字段，告知发送方其剩余容纳能力。发送方则保证其已发送的分组数与即将发出的分组数之和小于该值。控制方式：调整发送窗口的大小。
- 拥塞控制:基于不断调整自我发送窗口大小的机制，TCP协议得以避免在丢包、超时时不断重传，加重网络拥堵。
拥塞控制详解： TCP的窗口大小的管理模式有三种：
- 慢启动 慢启动模式下，发送窗口大小以每1MSS为起点，成2、4、8、16的指数速度增长。直到1.抵达ssthresh阈值；2.发生超时或丢包。
- 拥塞避免 拥塞避免模式下，发送窗口大小每RTT一MSS的速度线性增长。直到发生超时或丢包。
- 快速恢复 快速恢复模式下，发送方先快速重发引发快速恢复分组。
转换过程：运输层开始工作后进入慢启动模式，当达到阈值ssthresh则转入拥塞避免模式；若超时，则将ssthresh设为当前窗口大小的一半，重新开始慢启动模式；丢包则执行快速恢复，将ssthresh与窗口都设为当下窗口的一半，再进入拥塞避免模式。
2.UDP
UDP（User Datagram Protocol），用户数据报协议。是一种不面向连接的、不可靠的数据传输服务。其仅提供差错检验功能。UDP不采用分组策略，故UDP的分组在IP中进行。
3.比较
TCP 可靠 为拥塞避免所限制 连接较为繁复 速度较慢 应用：文件传输、邮件传输 UDP 不可靠 不受限制 无连接 速度快 应用：流媒体、DNS
PS：运输层头部不包含IP地址，仅含（源、目的）端口号
4.网络层（概述与数据平面）
网络层分组
网络层分组称为数据报，由运输层报文段加上网络层首部组成。
网络层协议
网络层协议，即IPInternet Protocol（网际互连协议）。向运输层提供尽力而为的传输服务，即不保证可靠、按时，但是努力送达。TCP与UDP都由IP封装而成。相比于TCP、UDP为端到端服务，IP协议则控制数据包在网络中的传递。
IP服务模型
数据平面
路由器根据其内的路由表，将从输入端口传输而来的数据报依照其目的IP地址，将其转发至对应的输出端口，完成数据包的传递，一一接力，最终抵达终点。数据平面完成转发功能。
控制平面
控制平面负责计算路由表，给数据平面的数据交换提供依据。
控制平面-传统方法
在传统方法中，路由选择协议由每台路由器自行执行，以确定与更新路由表。
控制平面-SDN方法
在SDN（Soft Defined Network）中，一定范围的网络内，所有路由器由远程控制服务器统一控制，故可高效快捷地实现路由表计算功能，同时可支持许多其他附加功能（按其余首部匹配转发终点）。
路由器工作原理
分组交换
为实现传输的有效性，IP协议采用了分组交换策略，使得数据报大小大于46，小于1500，称为MTU。
组成
数据平面：（常为硬件组成）
- 输入端口
- 输出端口
- 交换结构
控制平面：（常为软件构成）
- 路由选择处理器
输入端口
输入端口负责：
- 将分组从物理层解包到数据链路层
- 将分组经过数据链路层校验后拼凑成网络层数据报
- 根据头部数据信息（目的IP地址等），将得到的网络层数据报发往对应的输出端口
交换结构
交换结构负责：
将各个输入端口的数据报分发给正确的输出端口
输出端口
输出端口执行输入端口相反的工作：
- 接收来自交换结构的数据报
- 将数据报添加数据链路层头部
- 转换成物理信号发出
路由选择处理器
执行控制平面功能，在传统模式下，为数据平面提供路由表；而在SDN模式下，则负责与远程控制器通信，更新维护转发表项。
IP
IPv4
要点：
- IPv4采用32位地址进行编址。
- 其首部长为20字节。
- 分片：由于数据报大小受链路层限制，故必要时需对网络层数据包进行分片。
编址
基本概念
IP地址与接口一一关联（具有多个接口的路由器具有多个IP地址）。IPv4地址为32位，4个字节，常采用点分十制记法进行书写，即以10进制数字表示每个字节，其间由点分开。
PS:特殊地址：
- 0.0.0.0/8 在本地网络中代表自己，仅允许被用作源，用作目的地时，网络包将会被
- 255.255.255.255/32 表示受限的广播（局域网广播）
- 127.0.0.0/8 用于回环（访问自身）
子网
IP地址的分配遵循子网原则，即与一个端口关联的主机IP地址，具有一定长度相同的前缀。分配网络地址时，一个组织往往分配具有一定长度相同前缀的IP地址。在路由器中，又额外添加子网掩码这一项来指出子网前缀在IP地址中的长度，这样一来，对于路由表而言，地址匹配工作将大大降低。另一方面，为保证路由器的灵活性，设定最长前缀匹配原则，使得一台路由器可以处理不在其相关联子网中的某一IP地址。而具有相同前缀的多个子网连接在同一较大（前缀较短）子网下，又可以进一步合并子网，称之为路由聚合，使得网络结构更加层次化。
PS:子网掩码，诸如111111110000000~0之类的，前1后零组成的序列，1的部分对应的IP地址的位置表示子网号，而0的部分表示主机号。
前缀细则
- 分类编址：网络前缀仅采用8、16或24bit。这使得分配合适IP地址数量变得困难。
- 无类别域间路由选择（Classless Interdomain Routing，CIDR），自由选择前缀长度。
获取IP地址
组织获取IP地址块
组织获得IP地址的方法：
- 向ISP申请
- 向管理局直接申请
成员获取IP地址-DHCP
动态主机配置协议
- 主机发送DHCP发现报文
- DHCP服务器发送DHCP提供报文
- 主机发送DHCP请求
- 服务器返回DHCP ACK报文
NAT
网络地址转换（NAT）
NAT路由器通过改写本地设备分组的IP地址与端口（NAT转换表），使得外界看起来像是与一台公网设备进行交互一般。
其余技术： NAT穿越；通用即插即用协议。
IPv6
要点：
- 40字节首部
- 取消路由器分片
隧道
为使得IPv6融入IPv4网络，采用隧道法。即在IPv4间，将IPv6数据报装入IPv4数据报进行运输。而在IPv6设备看来，IPv4则仿佛不存在一般。
SDN
SDN结构体系
- SDN网络应用
- SDN控制器
- SDN数据平面
SDN网络应用
借由SDN控制器提供的API编写的网路控制应用，不需要考虑底层的硬件。网络管理员依靠网络应用可以较为轻松地设置网络。
SDN控制器
SDN控制器，向下，统筹SDN数据平面的硬件设备，负责与路由器交换数据，下达指令；向上，为网络应用提供网络相关信息，接收指令。
数据平面
数据平面由众多路由器构成，接收来自控制器的匹配加动作转发表，并以此为依据进行数据报的转发工作。
SDN功能
- 简单转发：依照IP地址进行转发，行为同传统结构一致
- 防火墙：对特定IP进行隔离
- 负载均衡：将数据报均衡地分配给多个同IP地址的服务器，均衡各个服务器的负载。
常见SDN协议
- OpenFlow
5. 网络层（控制平面）
控制平面分类
- 每路由器控制
每路由控制模式下，路由器间互相通信取得网络连接数据信息，每台路由器独立运行路由选择算法，确认路由表。
- 逻辑集中式控制
逻辑集中控制模式下，路由器间不互相通信，而仅与远程控制器交换数据，并执行下发的指令和路由表。
路由选择算法
分类
集中or分散
- 集中式路由选择算法（链路状态算法，LS）：需要知晓全局网络连接数据
- 分散式路由选择算法（距离向量算法，DV）：通过临近结点间交互，逐级迭代
静态or动态
- 静态路由选择算法：人工更新数据
- 动态路由选择算法：协议自动更新
负载敏感or迟钝
- 负载敏感：根据拥塞与否决定线路
- 负载迟钝：不在意负载
LS算法详解
通过链路状态广播，所有路由器都将获得整个网络的完整视图。其后，每台路由器依照Dijkstra算法，计算出合适的路由表，并以此为依据转发数据报。
DV算法详解
特点：迭代、异步和分布式算法。 分布式：路由器从邻居接收信息进行计算，将计算结果再次发出。 迭代：更新过程将持续到无信息交换。 异步：不要求同时进行。
依照Bellman-Ford算法，每台路由器互相发送计算结果，并在接收消息后更新自己的数据，在多轮迭代后，其路由表将收束到最小开销。
英特网网络结构
英特网全网被划分为多个自洽系统（AS）（ISP自由划分），这样有助于：
- ISP自我管理而无需对外公开
- 控制规模。
在AS内，采用自洽系统内路由选择协议 在AS间，则采用边界网关协议
开放最短路优先（OSPF）
OSPF算法是一种LS算法。特点：
- 周期性（30分钟或遇到变化）广播。
- 仅与信任的AS路由器交换信息
- 支持AS内部的层次结构（即多个子AS）
编辑网关协议（BGP）
BGP负责跨越AS的网络连接选择路径，但是其目的不在于给定最终主机的路由路线，而只是将数据报引导至对应的AS。为实现这一点，其使得路由器可以：
1. 从邻居AS获得前缀可达信息
BGP协议下，每台路由器都将广播自己的前缀可达信息。 AS间，依靠外部BGP（eBGP连接），网关路由器向邻居AS的网关路由器发送， AS内，依靠内部BGP（iBGP连接），内部路由器向全体广播。
2. 确定到达给定前缀的最好路由
BGP中传递的信息将包含AS-PATH，这一属性类似A-B-X（A、B、X为AS）的结构传递可达路线信息。在决定路由时：
- 依照管理员设定的本地偏好
- 选取AS-PATH最短路由
- 热土豆
- BGP标识符
PS：BGP还用于IP任播
因特网控制报文协议 ICMP
ICMP用于交换网络层的相关信息，例如遇到无法转发的数据报时，则丢弃并回发目的网络不可达。
简单网络管理协议 SNMP
SDN体系中，远程控制器与路由硬件设备间的通信，就建立在SNMP上。
6. 链路层
链路层同网络层关系
网络层规定了数据报如何从一个网络传输到另一个网络；而链路层则规定了链路层帧在设备到设备中的传输。
链路层概述
在主机和路由器中，被称为网络适配器的硬件芯片实现了链路层的功能：
- 成帧：将数据报封装成链路层帧
- 链路接入：由媒体访问控制协议协调帧的传输
- 可靠交付：依靠重传实现可靠的帧传递
- 差错检测和纠正：依靠校验位检验帧中的错误以及进行可能的纠正（奇偶校验、校验和、循环冗余检测）
多路访问链路和协议
网络链路分为点对点链路和广播链路。 在广播链路中会出现多路访问问题（碰撞）。 解决方案：
1.信道划分协议
时分多路复用
频分多路复用
码多分址
2.随机接入协议（）
载波侦听多路访问（CSMA）
碰撞检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）
3.轮流协议
MAC
MAC地址
每台主机以及路由器的每一个接口都配备有唯一的6字节的MAC地址。
- 不同于IP地址，MAC地址为扁平结构，不具备层次性
- MAC地址与设备绑定，不随接入网位置变化
地址解析协议（ARP）
地址解析协议（ARP）负责将IP地址转换为MAC地址，使得主机与路由器可以由网络层的IP地址得知接下来要传输的设备的MAC地址。
ARP的原理为： 发起方构造ARP分组，包含源IP、MAC与目的IP，广播到子网全部设备上。符合目的IP地址条件的设备便会进行回复，这样，发起方便获得了所求的MAC地址。 设备中存有ARP表，记录了IP与MAC的对应关系，并定期更新。
以太网
以太网是时下最为流行的局域有线网技术，是链路层网络，仅设计MAC地址。 与其同一等级的包括环令牌、FDDI、ATM。
交换机工作原理
交换机的工作不涉及网络层，故交换机无IP地址。 此外，交换机虽具备网络适配器，却无MAC地址。 故，交换机对于网络中的路由器和主机而言，是透明的。
同时，交换机采用星型拓扑结构，不存在碰撞，故无需使用MAC协议。
交换机内部存有交换机表，储存了交换机接口和MAC地址的对应关系。 在工作过程中，交换机会自行学习，记录收到的帧的MAC地址，并将其和接口关联。 同时，按交换机表转发帧，如若没有，则对接收端口外的所有端口进行广播。
交换机VS路由器
交换机较路由器易于配置，但是缺乏安全性，也不适用于大规模网络。故在生产实践过程中，应按需求决定使用。
交换机的其余用途
- 交换机接口分组，构建虚拟局域网
- 构建大型数据中心网络
- 利用其思想，链路虚拟化，如多协议标签交换。
总和
- 接入网设备，利用DHCP协议，生产UDP报文段，经IP与以太网获得IP地址。
- 设备利用DNS的UDP报文获取目的域名的IP地址。
- 多级路由器通过期间链路传递报文，抵达服务器。
- 服务器做出回应。。。。。。（TCP与应用层协议）
7.无线网络和移动网络
无线网络概述
硬件实现
无线网络中的设备往往通过基站接入到互联网中，称之为基础设施模式；此外，还存在不接入互联网的小型网络，称之为自组织网络。
无线网络特性
相较于传统有线网络，无线网络在传输数据过程中：
- 有较大的损耗
- 容易出现碰撞（碰撞检测延迟、隐藏终端问题）
对于问题二，常用码分多址，CDMA来解决。
CMDA
CMDA协议下，从同一个信号（碰撞信号的混合信号）中，可以由不同的解码方式，将各个型号恢复出来。
无线LAN-WiFi:802.11
基站：接入点（AP） MAC协议：CSMA/CA 信道划分：11给个信道
个人域网络：蓝牙 ZigBee
蜂窝移动网络
- 2G：使用无线电话的设施建设
- 3G：仍旧使用无线电话设施，但上层将电话信号和数据信号分开处理
- 4G，LTE：构建基于IP的全新蜂窝网络，电话信号也由IP设施进行传输
移动网络概述
移动性分类
- 在相同无线接入网中移动，程度：低
- 在不同接入网间移动，移动时关闭，程度：中
- 在不同间移动且保持通信，程度：高。
移动处理原理
设备存在一个永久居所，称为归属网络。归属网络中的管理器，为归属代理。而现接入网络，称之为外部网络，其管理器称之为外部代理。
间接路由选择：设备的外部网络时刻告知其归属网络设备的位置，外部通信时，设备发出数据直接交付，接收数据先法治归属网络，再转发至设备所在的外部网络。值得一提，其过程是透明的。
直接路由选择：外部通信过程中不在需要转发，而是通过询问，使得通信方得到设备的外部网络，再直接通信。
例子：移动IP；GSM蜂窝网（锚MSC）
8.计算机网络安全
安全通信的要求
- 机密性：仅通信双方能理解报文内容，要求加密
- 报文完整性：报文不被篡改，需要校验
- 端点鉴别：通信双方能鉴别对方身份
- 运行安全性：不受蠕虫、病毒影响
密码学知识概述（机密性的探讨）
原文：明文。 加密方式：加密算法。 结果：密文。
体系：对称密匙系统と公开密匙系统
对称密匙系统
对称密匙系统中，通信双方使用相同的密匙对通信内容进行加密解密。
古有：凯撒密码
现在通用体系：3DES算法和AES算法
公开密匙体系
每一方持有私匙和公匙，将公匙公开，他人用公匙加密报文后，仅有收件方使用私匙才能正确解密，得到原文。
现在通用体系：RSA
PS：公开密匙体系较为耗费算力，常用RSA加密对称钥匙后转用堆成密匙系统通信
报文完整性
解决方案：在报文后附加MD5对正文的散列计算结果。在发送与接收时分别计算，若吻合，则传输无误。
数字签名
借由公开密匙系统，发送方可用私匙加密其原文（可能由某些算法进行加密后的密文）依照某些散列函数提取的片段，附加在报文上。当接收方用公匙解开片段，并再次用散列函数计算片段后，便可依照吻合与否判断报文来源。
ps：报文鉴别码：MAC
公匙认证
为使得接收者可以获得正确的公匙，设立专门机构，管理公匙。并颁发公匙证书。接收者可由公匙证书在机构处查询公匙。
端点鉴别（略）
…