计算机网络

快速自查

• 物理层
  • 调制：曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码；QAM
  • 奈奎斯特准则，信噪比，香农公式
  • 媒体：TP (U,S,F)，光纤波段 (0.85, 1.3, 1.55) 带宽 (25THz)，无线电 (2-40GHz)
  • 信道复用：FDM, TDM, WDM, CDM
  • SONET / SDH (51.84, 155.52 Mbps)
  • ASDL, HFC, FTTx, ODN (PON)
• 数据链路层
  • LLC, MAC; MTU, SOH, EOT, ESC; BER, FCS, ARQ
  • CRC, Hamming; ARQ, SW, GBN, SR
  • PPP: LCP, NCP, CHAP, PAP
  • CSMA/CD: 0.1us, 96b IFG, 512b CW, 16, 48b jam
  • MAC: addr (I/G, G/L, broadcast), 18B, 1500B, VLAN (802.1Q, 4B)
  • Switch: CAM, STP; 交换结构
  • 802.3u/z/ab; 10ns, 512B; bursting
• 网络层
  • IP (20B+4*n, pld*8, trie) ARP (0806 8+10*2), ICMP (8+n), IGMP (8)
  • IPv6(40B) ICMPv6 (ND, MLD)
  • ip range, private addr, NAT (NAPT)
  • AS, IGP, RIP (hop, udp+4+20*n), OSPF (proto89, 24+); EGP, BGP-4 (iBGP. eBGP, select algo, 19+)
  • multicast: mbone, 01-00-5e-0b1, 路由选择 (DVMRP, PIM)，RPB
  • MPLS: 4B, label, LDP, LSP, LSR, FEC; SR
  • SDN: OpenFlow, 南北
  • libc socket
• 传输层
  • UDP: 8B hdr, checksum (2B, 12B phead, pad4B)
  • TCP: TPDU, port (49512); hdr 20+4*n, Options (2B TL+nV, MSS 2, Window Scale 1, TS 8, SACK 8/16)
  • swnd, cwnd, rwnd; ARQ; SACK, D-SACK; RTO (Karn), 快速重传, ZWP （持续计时器）, Nagle, Reno 四阶段; AQM
  • TCP state machine; MSL; keepalive timer
• 应用层
  • TCP: FTP (20/21), TELNET (23), SMTP (25/587), POP3 (110/005), IMAP (143/993)
  • UDP: DNS (53), NFS (2049), TFTP (69), DHCP (68/67), SNMP (161/162, SMI, MIB)
  • DNS: 四种 DNS, 递归迭代
  • WWW: URLm HTTP (1.0, 1.1, 2), HTML, Email (SMTP, POP3, IMAP, pld), MIME, Proxy, Payload (v1), CGI, 搜索引擎, Blog, SNS
  • P2P: Time, DHT, Chore ring (KID, NID, finger table)
• 无线网络
  • 802.11: AP, Service set (BSS, ESS, SSID, B/ESSID), Association; AD Hoc (MANET, WSN); version (bagncx); WPAN
  • CSMA/CA: CW, 预约 (RTS,CTS), NAV, IFS (slot time, SIFS, DIFS); backoff time; MAC (4+3*6+2+6+body+4)
  • WPAN: Bluetooth (IEEE802.15.1, BLE, Piconet), ZigBee (IEEE 802.15.4, FFD, RFD), 802.15.3
  • 蜂窝: 1G (FDMA), 2G (T/FDMA, GSM, GPRS), 3G (T/CDMA, UTRAN), 4G (SC/OFDMA+MIMO, LTE, E-UTRAN, EPC)

概述

• Internet / 互联网：
  • 基本特点：连通性，资源共享
  • 组成/要素：计算机，信道， 通信协议
  • 发展阶段：ARPANET (1969/1983)，三级结构 NSFNET (1985) （主干+地区+企业），多层 ISP （主干，地区，本地 多 tier）
    • Internet Service Provider (ISP)
    • Internet eXchange Point (IXP) 互联网交换点
    • Content Provider
    • Request For Comments (RFC) (Proposed, Drafted, STD)
  • 标准化：RFC
  • 边缘网 edge/end system
    • 端通信方式：C/S, P2P
    • 接入网 Access Network：从用户到 ISP 边缘路由器之间的网络
  • 核心网
    • router + packet switch
    • 交换技术：电路交换（点对点），分组交换，报文交换
      • 分组交换优点：高效 灵活 迅速 可靠；逐段占用 独立选择 无需连接 协议可靠
      • 缺点：排队延迟 带宽无保证 增加开销
      • 报文交换：电报
  • 我国发展：铁道部 (1980)，CNPAC (1989)，CHINANET (1994)
    • 最大主干网：CHINANET, UNINET, CMNET, CERNET, CSTNET
• 网络：节点 node + 链路 link
  • internet 互连网：网络 + router；internet ≠ Internet
  • 计算机通信网：计算机+通道+通信协议
• 计算机网络
  • 计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
  • 分类：
    • 作用范围：WAN (wide) MAN (metropolitan) LAN (local) PAN (personal)
    • 使用者：public/private
    • Access Network 边缘路由器
• 性能参数
  • （额定）速率/带宽
  • （实际）吞吐 throughput
  • 时延：发送/传输时延 (end)，传播 (link)，处理 (node)，排队 (node)
    • 提高速率 = 提高发送速率 = 减小发送时延
    • 网络实际时延 = 空闲时延 / (1-利用率)
  • 时延带宽积：链路可容纳的数据量
  • RTT：2传播+remote 处理排队发送
  • 有效数据率 = 数据长度 / (发送时间+RTT) = 带宽 * 发送时间/(发送时间+RTT)
  • 信道利用率：利用时间比
  • 其他：标准化，可靠性，可扩展性
• 计算机网络体系结构
  • 开放系统互连参考模型 Open Systems Interconnection Reference Model (OSI/RM)
  • 网络协议：语法 (payload) +语义+同步 （顺序）
  • entity 实体：可收发信息的软硬件
  • 分层
    • 五层/七层 (ISO 7498)：物理，数据链路，网络，传输，应用（会话，表示，应用）
    • TCP/IP：网络接口，IP，TCP/UDP，应用
  • Protocol Data Unit (PDU): (OSI) 对等层次之间传送的数据单位
  • Service Access Point (SAP): 相邻两层的实体交互点
  • 服务数据单元 SDU 层与层之间交换的数据的单位 （与 PDU many2many）

物理层

物理层传输比特流

• 作用：传输数据比特流，屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
• 任务：确定传输媒体接口的 机械 电器 功能 过程 特性
• 数据通信系统的模型：源系统+传输系统+目的系统
• 术语：
  • message, data, signal, 码元,
  • 信道，单工，半双工，全双工
  • 基带信号，调制，带通调制，基带调制
• 编码
  • 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0
  • 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0
  • 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。有子同步能力
  • 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。
• 带通调制
  • AM, FM, PM, QAM
  • 奈奎斯特：速率=2带宽 （码元）
  • 信噪比 10log(S/N); C=W log2(1+S/N) （信息量）
  • 波特率 Baud Rate/Bd 单位时间内传输的码元的个数
• 物理媒介
  • 导引式：
    • 双绞线 twisted pair (UTP/STP 双绞屏蔽；x/xTP 整条屏蔽 F(foiled)/S(braid screen))
    • 同轴电缆
    • 光纤 （单模/多模）
      • 同步光纤网 SONET 51.84 Mbits (OC-1/STS-1) 为基频；波长为 1310 nm 和 1550 nm 的激光源；定义了帧结构
      • 同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy) 155.52 Mbits (STM-1) 为基频
  • 无线电微波通信
    • 多径效应 失真
    • 微波接力，卫星通信
    • ISM 频段：(902,928), (2400,2483.5), (5725,5850)
• 复用技术
  • 频分复用、时分复用和统计时分复用（动态时隙）
  • 波分复用：使用一根光纤来同时传输多个光载波信号
  • 码分复用 CDM：各用户码型表不同
• 宽带接入
  • SONET (OC/STS) / SDH 标准：51.84 Mbps / 155.52 Mbps；1310 / 1550 nm optics
  • ADSL 离散多音调(DMT，实质 FDM；标准 G.992.1/G.dmt)；ADSL2 (G.992.3,.4,.5)，SDSL HDSL VDSL GigaDSL
  • 光纤同轴混合网 （HFC)，把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤
  • FTTx
  • 光配线网 ODN：头端 OLT 1:N 光网络单元 ONU
  • 无源光网络 PON：EPON, GPON

数据链路层

数据链路层传输帧

• 基础
  • 信道：点对点 / 广播
  • 链路/物理链路：无源的 点到点的 物理线路段
  • 数据链路/逻辑链路：在链路上传的协议
  • 封装成帧：帧定界
  • 透明传输：转义定界符
  • 差错控制：帧检验序列 FCS（奇偶，CRC）
    • 传输差错：比特差错，帧丢失、帧重复或帧失序；CRC 实现无比特差错
    • CRC：左移 n，除以 P (n+1 bit)，余数 R 拼接；只能概率检错
    • 汉明码：8-4 码纠错一位 （TODO 要背吗？）
  • 流量控制：停止-等待协议和滑动窗口协议
    • 后退N帧协议：接收窗口为1，n ack 则 <=n 全 ack
    • 选择重传协议：只传超时，不管未来
  • 子层：
    • 逻辑链路控制 LLC：封装识别网络层协议；传输可靠性保障和控制、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输
    • 媒体接入控制 MAC：分配信道的使用权；数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制
    • PLS 数据编码解码
  • 适配器：
    • 串并转换，包的装配和拆装，网络存取控制，数据缓存，以太网协议
• PPP
  • 数据传输方式：异步传输 (byte)，同步传输 (frame)
  • 有 LCP 链路协商，NCP 网络协商（分配 IP），CHAP PAP 认证协议，
  • 帧格式：7e ff 03 [00 21] (variable) [content] [FECx2] 7e
    • 转义：7e->7d5e, 7d->7d5d, 03->7d23
    • 零比特填充：>5 连 1 -> 填 0
    • 8B + 转义 额外开销
• 局域网
  • 拓扑：星形网，环形网，总线网
  • 动态媒体接入控制：随机接入，受控接入
  • Ethernet standards: DIX Ethernet V2, IEEE 802.3
  • CSMA/CD：载波侦听多路访问/冲突检测
    1. 侦听信道，直到不忙 96bit 时间开始发送；检测到碰撞
    2. 发送特殊阻塞资讯并立即停止发送数据：特殊阻塞资讯是连续几个字节的全1信号，此举意在强化碰撞，以使得其它装置能尽快检测到碰撞发生。
    3. 在固定时间（一开始是1 contention period times）内等待随机的时间，再次发送。
    4. 若依旧碰撞，则采用截断二进制指数避退算法进行发送。即十次之内停止前一次“固定时间”的两倍时间内随机再发送，十次后则停止前一次“固定时间”内随机再发送。尝试共16次之后仍然失败则放弃发送。
• Ethernet 10BASE-T: 0.8us/bit
  • 无连接，无编号；
  • CSMA:
    • 以太网的端到端往返时延 2τ 称为争用期，或碰撞窗口 (ethernet = 51.2 μs = 512bit, 0.1us/bit)；
    • jamming: 检测到冲突后 48bit jam 信号
    • 侦听时间 96bit
    • 帧间最小间隔 9.6us
    • 参数 a=τ (端到端时延) / T0 (发送时延)
    • 信道利用率 最大值 1/(1+a)，30% 时已经有很大的碰撞率了
    • 注：现在交换机/路由器时代已经不需要 CSMA 了
  • MAC: 48bit, 前分配，后随意 (lsb)
    • bit0: Individual / Group 位：0 单站，1 组
    • bit1: Global / Local 位：0 全球管理，1 用户随意
    • 全 1: 广播
  • 帧结构：
    • 8 byte 前 (55 55 55 55 55 55 55 d5) （物理层插入）
    • 14B 头: 6B src, 6B dst, 2B type/len （<1536 为 len）
    • 46-1500B 内容
    • 4B FCS
    • 18B 额外开销
  • 扩展设备：
    • 中继器(Repeater)：信号放大
    • 集线器 Hub：碰撞域很大
    • 网桥 Bridge / 交换机 Switch：有存储器（储存转发/直通），即插即用
      • 学习 src，丢弃 src=dst，广播 unknown dst，转发 known dst
      • 环路消除：开生成树
      • （第三章）交换结构：通过存储器、通过总线、通过纵横交换结构/互联网络
        • 通过存储器：交换速率<存储器带宽/2
        • crossbar switch fabric / interconnection network：几乎无阻塞
    • 路由器 Router
    • 网关 Gateway
  • VLAN (IEEE 802.1Q)
    • 实现：端口隔离，基于 MAC，基于 IP，基于网络协议，基于端口（？
    • 帧结构：12B addr 后加 4B 标记：81 00 (pri:3b) (cfi: 1b) (vlanid 12b)
• Ethernet
  • 100BASE-T (IEEE 802.3u)：可全双工；不用 CSMA/CD；IEEE 802.3 MAC；帧间隔 0.96us
  • 1000BASE-T：
    • 争用时间 512B，载波延伸填充；
    • 分组突发：很多短帧要连续发送时只有第一个要载波延伸
  • 更高速：只有全双工
  • Ethernet 不支持用户身份鉴别 -> PPPoE
• 无线局域网 WLAN (IEEE 802.11)
  • 便携站（便于移动），移动站（边移动边工作）
  • 基础
    • 有固定基础设施
    • 星形拓扑 (AP)，MAC 层使用 CSMA/CA 协议
    • 信道使用 2.4 GHz 和 5 GHz 频段；802.11b 使用 85 MHz - 11 信道（实际只用 1,6,11），每信道带宽 22Mhz
  • 基本服务集 BSS：包括一个接入点 AP 和若干个移动站
    • 有 SSID；AP MAC 为 BSSID
    • 基本服务区 BSA
  • 扩展服务集 ESS：包括一个分配系统 DS 和若干 BSS
    • 有 ESSID
    • DS 可以用 Ethernet, PPP, WLAN
    • 可以通过 Portal 连接到 802.x 局域网
  • 关联 Association：一个虚拟线路
    • 扫描：被动（AP 信标帧），主动（探测请求帧 +探测响应帧）
    • 建立：关联请求帧+关联响应帧
    • 重建关联：转移关联到另一个 AP
    • 关闭：分离
    • 安全建立：WEP / WPA / WPA2
  • 移动自组网络 / Ad Hoc 网络 / IBSS
    • 没有 AP，所有节点地位平等，自组织，点对点
    • 被 Wi-Fi Direct 取代
    • 无线传感器网络 WSN（？）
      • 传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络
      • 需求：低带宽，低功耗，小巧；用于 IoT
  • 移动接入：
    • 固定接入
    • 移动接入：以车辆速度移动
    • 便携接入：以步行速度移动
    • 游牧接入：两点间移动（？）
  • 版本
    • b, a, g, n, ac, ax
    • 物理层：扩频(b)，正交频分复用 OFDM (a,g)，多入多出 MIMO+OFDM (n,ac,ax)
    • 带宽：11M (b), 54M (a,g), 600M (n), 7G (ac), 9.6 G (ax)
  • MAC 协议
    • 碰撞检测：无法实现
      • RX 信号弱（隐蔽站问题，检测不到 Peer 信号）
      • 接收端仍然有可能发生碰撞
      • 信道不空闲
    • CSMA/CA + 停止等待协议
      • 载波监听：检测无线信道的信号能量，通过 网络分配向量 NAV 告知其他终端信道占用状态
      • 冲突避免：信道空闲时间 >= 分布式帧间间隔 DIFS；随机退避计时器 CW = min (CW×2, CWmax)
        • $t = 2^n-1\quad 4\le n \le 10$
        • 退避：检测到信道忙，重传，忙完发（分配只需要 SIFS）
        • 短帧间间隔 SIFS
        • DIFS = SIFS + 2*slot
        • slot=9us, SIFS = 10 us (2.4GHz) / 16us (5GHz), DIFS = 28us
        • 信道预约：RTS (20B) /CTS (14B)（请求发送 / 允许发送）
      • 两个子层：DCF 分布协调功能 和 PCF 点协调功能
    • 帧类型：控制帧，数据帧，管理帧
    • MAC address:
      • dst, src, nextdst/src
• WPAN (IEEE 802.15)
  • 把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络
  • Bluetooth
    • 皮可网：蓝牙使用 TDM 方式和扩频跳频 FHSS 技术组成的网，有一个主设备 (Master) 和最多 7 个工作的从设备；扩散网
  • ZigBee：通信距离短，传输数据速率低，成本低廉，MAC 层沿用 802.11
    • 网络最多 255 个节点
    • 全功能设备，精简功能设备
  • 超宽带 UWB 技术
• 蜂窝无线通信
  • 1G: FM+FDMA
  • 2G: 全球通 GSM；FDMA+TDMA，125*8
    • 基站 BSC, 移动交换中心 MSC，网关 GMSC - 电话网
    • GPRS / EDGE 实现数据通信
  • 3G: CDMA
    • 基站 BSC，GPRS 服务支持站点 SGSN，网关 GGSN - 互连网
    • 通用移动通信系统陆地无线接入网 UTRAN
    • 无线网络控制器 RNC
  • 4G: 下行 OFDMA + MIMO，上行 SC+FDMA
    • 用户设备 UE，无线接入网 E-UTRAN (eNB 组成)，EPC 核心网（P-GW 接互连网，S-GW 接无线接入网，HSS 数据库，MME 通过 HSS 控制基站、用户）
    • VoLTE
    • LTE 子层：PDCP (GTP-U) 封装 L3 packet；RLC 链路控制，重排重传；MAC；PHY
  • 5G: OFDMA

网络层

网络层传输分组

• 基础
  • 两类观点：可靠交付（虚电路 VC）；数据报服务
  • 构成：数据转发平面，控制平面（路由）
  • SDN：解耦数据平面何控制平面，由一个或多个集中式 SDN 控制器统一计算路由、下发策略
• IP
  • 三个基础协议
    • 地址解析协议 ARP
    • 网际控制报文协议 ICMP
    • 网际组管理协议 IGMP
  • Internet: TCP/IP
  • 间接交付/直接交付：只有edge 是直接
  • IP 地址
    • 表示方法：点分十进制
    • 网络号+主机号
    • 分类：A (0b0…/8) B(0b10…/16) C(0b110…/24) 多播 (0b1110…) 保留 (0b1111…)
    • 特殊：
      • .0: 本主机 (dhcp)
      • .255: 网段广播
      • -1: 本网络广播 (路由器不转发)
      • 127./8: loopback
    • CIDR，网络前缀，地址块，地址掩码
      • /32: 主机路由
      • /31: 点对点
      • /0: 默认路由
      • 路由聚合
    • (RFC 1918) 专用地址：10./8, 172.16./12, 192.168./16
  • ARP: IP to MAC
    • 平行于 IP，type 08 06
    • [硬件类型 2B] [协议类型 2B] [HW 长度 1B] [Proto 长度 1B] [Op 2B] [src MAC 6B] [src IP 4B] [dst MAC 6B] [dst IP 4B]
    • ARP 高速缓存
    • 四种情况：edge - router
    • ARP欺骗；防御：MAC 绑定，伪造检测
  • IP 分组格式
    • [VER 4b] [hdr len 4b] [区分服务 1B] [len 2B]
    • [id 2B] [MF DF RSV 3b] [fragment offset 13b]
    • [TTL 1B] [Proto 1B] [Checksum 2B]
    • [src 4B] [dst 4B] [optional with pad n*4B]
    • [data varlen]
  • 分片 offset: data 偏移 / 8
  • 常见 proto: ICMP(1), IGMP(2), IP(4), TCP(6), UDP(17) IPv6(41) ICMPv6(58), OSPF(89)
• 路由
  • 核心：转发表逐行寻找前缀匹配
  • 特殊路由：/0, /32
  • 加速数据结构：前缀树 trie
  • 基于终点的转发
  • 路由器：路由选择 + 分组转发
• ICMP
  • 格式：[Type 1B] [Code 1B] [Checksum 2B] [data varlen]
  • 差错报告：
    • 3 目标不可达（路由器/主机/TCP/UDP port）
    • 11 超时（分片/TTL）
    • 12 参数问题
    • 5 重定向
    • 4 源抑制
    • 不可发送：对 ICMP 差错，对非首分片，对多播/特殊地址
  • 询问：
    • 8,0 Echo
    • 13,14 Timestamp
  • (v6) 邻站发现报文
  • (v6) 组成员关系报文
• IPv6
  • 变化：更大的地址空间，灵活的首部格式，支持 IP 分配，支持资源的预分配，分配 anycast ip
  • 格式：base header + payload (extension header + data)
    • [VER 4b] [Traffic class 1B] [Flow label 20b]
    • [payload len 2B] [next hdr 1B] [ttl 1B]
    • [src 16B] [dst 16B]
  • 扩展头部：逐跳选项，路由选择，分片，鉴别，封装安全有效载荷，目的站选项
  • 冒号十六进制记法，零压缩，CIDR
  • 地址类型
    • ::/128: unspecified
    • ::1/128: loopback
    • ff00::/8: multicast
    • fe80::/10: local link
• 路由选择协议
  • AS
    • 分类：末梢 AS，多归属 AS，穿越 AS，对等 AS
  • 层次：域间路由选择，域内路由选择
    • 自治系统 AS
    • 内部网关协议 IGP：RIP, OSPF
    • 外部网关协议 EGP：BGP
  • RIP：
    • Over UDP 520
    • 基于距离表：每个路由器都要维护到每一个目的网络的 hop；max hop 16
    • 实现：按固定时间间隔 (30s) 交换，相邻路由器交换 全量信息；本质上是分布式 Bellman-Ford 算法，收敛慢
    • 报文：UDP port 520
      • [cmd 1B] [ver 1B] [00 00]
      • 多个路由项 [地址类型 2B] [ASid 2B] [addr] [mask] [nexthop] [distance]
  • OSPF:
    • IP proto 89
    • 基于链路状态
    • 实现：固定间隔 (30m) 或状态变化时，向所有路由器泛洪 相邻链路状态；收敛快！！
    • 路由器分类：ASBR -> ABR -> BR
      • ASBR: 生成 1,5,7 LSA，向全 AS 泛洪
      • ABR: 生成 1,2,3,4 LSA，向区域内 + 区域间泛洪
      • BR: 生成 1,2 LSA，向区域内泛洪
    • LSA 类型
      • T1 Router LSA；区域内所有路由器
      • T2 Network LSA：该广播/多路访问网段上所有连接的 OSPF 路由器
      • T3 Summary LSA：将一个区域内的路由（来自 Type 1/2）汇总后通告到其他区域
      • T4 ASBR Summary LSA：告诉其他区域 如何到达 ASBR
      • T5 AS External LSA：描述从其他路由协议引入的外部路由
    • 消息类型
      • T1 Hello：发现邻居 (to 224.0.0.5), 10s period
      • T2 Database Description：交换摘要信息 （LSA 头部列表）
      • T3 Link State Request：向邻居 请求缺失或较新的 LSA 详细信息
      • T4 Link State Update：携带一个或多个完整的 LSA，用于响应 LSR / 泛洪新的或更新的链路状态信息
      • T5 Link State Acknowledgment: ACK T4 LSU
    • 工作过程：
      1. 确定邻站可达
      2. 同步链路状态数据库
      3. 更新链路状态
    • designated router: 只与 DR 建立 Full 邻接，减少 flooding 的网络压力
  • BGP
    • TCP 179
    • 用于自治系统 AS 之间的路由选择；力求得出能用、还行的路由，未必最佳
    • BGP 发言者间有持续的 BGP session
    • iBGP 会向 iBGP 发 eBGP 源信息，向 eBGP 发 iBGP 源消息
    • 防环：过滤收到的、带自己的路由
    • 选择策略：
      • local preference 最高
      • AS 跳数最小
      • 分组在 AS 内的转发次数最少
      • BGP ID （最大路由器 IP 地址）数值最小
    • 报文类型：
      • T1 Open：连接握手
      • T2 Update：通告可达路由和撤销不可达路由
      • T3 Notification：用于通知错误信息并关闭连接
      • T4 Keepalive
      • T5 Route refresh：重新发送特定地址族（如 IPv4/IPv6）的路由信息，实现动态路由刷新
• 多播
  • 节约网络资源：一包=多包
    • Ethernet: MAC=01-00-5E / 23
    • IP: D 类 IP，v4 映射到 MAC
  • IGMP: 使多播路由器知道多播组成员信息
    • 工作：加入多播组，探询组成员变化情况 (125s period)
    • 减少开销：随机时延分散响应，抑制机制（单主机响应则不再响应）
  • 多播路由选择协议：使多播路由器协同工作，把多播数据报用最小代价传送给多播组的所有成员
    • 距离向量多播路由选择协议 DVMRP
    • 基于核心的转发树 CBT
    • 开放最短通路优先的多播扩展 MOSPF
    • 协议无关多播-稀疏方式 PIM-SM
    • 协议无关多播-密集方式 PIM-DM
  • 多播路由选择
    • 洪泛与剪除
      • 反向路径广播 RPB 防环：检查数据报是否经最短路径（src 的单播接口正确）传送来的
      • 形成以源为根节点的多播转发树
      • 剪枝与嫁接（通过 end router 主动发送 prune）
    • 隧道技术：多播组成员网络分散
    • 基于核心的发现技术：
      • 指定一个核心路由器，以核心路由器为根做转发树
• VPN
  • 使用互连网构建的专用网
  • 用隧道技术实现虚拟专用网
  • 类型：内联网，外联网，远程接入 VPN
  • NAT：专用网与互联网上的主机通信；需要 NAT 路由器；轮用 IP
  • NAPT：使用传输层端口号
• MPLS 多协议标签交换
  • 本质上类似于 IP 路由表的一个高速的转发缓存，可以做到显式的、灵活的路由控制优化
  • 标记交换路由器 LSR：具有标记交换和路由选择功能
  • 工作过程：
    1. 找出标签交换路径 LSP（相当于 ip 路由的 cache）
    2. 打标签，然后转发
    3. 标签对换（一个标签仅在两个 LSR 之间才有意义）
    4. 去除标签
  • 标签分配协议 LDP：转发等价类 FEC -> 标签
    • FEC 用于负载平衡
  • MPLS 首部：[tag 20b] [expr 3b] [stack 1b] [ttl 8b]
  • 问题：协议复杂，流量调度功能难以实现
  • 段路由选择协议 SR：不需要使用 LDP 协议
• SDN：实现控制面与数据面的分离
  • OpenFlow：SDN 体系结构中控制层面和数据层面之间的通信接口
    • 架构：管理员 -(north: api)- SDN 控制器 -(south: flow table)- 可管理交换机
  • flow table: 规定“匹配 + 动作”
  • 可实现简单转发，负载均衡，防火墙等功能（抢 nftables 的活？）

传输层

• 基础：
  • 运输层功能：提供应用进程间的逻辑通信，屏蔽网络核心的细节，为进程提供端到端的逻辑通信信道
  • 传输协议数据单元 TPDU：两个对等传输实体在通信时传送的数据单位
  • 端口功能：复用网络层，多进程分用；只有本地意义
  • TCP/UDP 端口号分配：
    • 0-1023 熟知端口，IANA 分配
    • 1024-49151 登记端口
    • 49152-65535 客户端端口
• UDP：
  • 无连接、面向报文通信
  • header: [src port 2B] [dst port 2B] [total len 2B] [checksum 2B]
    • checksum: 异或和的反，要填充位头部 (v4 12B / v6 40B)
• TCP：
  • 有连接，面向字节流通信
  • socket
    • socket API 的简称
    • 一个 syscall
    • 调用 socket call 的 endpoint
    • socket 描述符
    • 内核里的 Berkeley 实现
  • 停止等待协议：发送/接收窗口=1；丢失啥都不做
    • 利用率 U=TD/(TD+RTT+TA)
  • 连续 ARQ 协议
    • 接收方对按序到达的最后一个分组发送确认
    • Go-back-N：需要再退回来重传已发送过的 N 个分组
  • header
    • [src port 2B] [dst port 2B] [seq 4B] [ack 4B]
    • [data offset 4b] [rsv 6b] [flags 6b] [window 2B]
    • [checksum 2B] [urgent pointer 2B] [options 4B*n]
    • data offset: *4B
    • flags: URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN
    • window: 接收方目前允许对方发送的数据量
    • URGENT: 紧急数据的字节数
    • 窗口扩大 3B，表示移位值；最大 «14，2**30-1
    • Timestamp: 10B，时间戳值字段，时间戳回送回答字段；计算往返时间，防止序号绕回
  • 可靠传输
    • 发送窗口和接收窗口
    • 标准没有规定对不按序到达的数据应如何处理
    • 要求接收方必须有累积确认的功能 以减小传输开销
    • 加权平均往返时间 （Karn 算法）
      • RTTs=(1-a)RTTs + aRTT; (a=1/8)
      • RTTd = (1-b)RTTd + b |RTTs - RTT| (b=0.25)
      • RTO = RTTs + 4 RTTd
      • 每次重传 RTO=g RTO (g = 2)
    • 选择确认 SACK：只传送缺少的数据；报告收到的不连续的边界
    • Duplicate SACK：报告重复接收
    • 快速重传：收到三个相同的 ACK 报文
  • 流量控制：
    • 滑动窗口 rwnd：控制发送速率
    • 持续计时器：防止零窗口死锁，定时零窗口探测
    • Nagle 算法：解决糊涂窗口综合症，收到确认/buf数据已达到发送窗口一半或已达到报文段的最大长度
    • 接收方：接收缓存已有足够空间容纳一个最长的报文段，或者等到接收缓存已有一半空闲，才 ACK
  • 拥塞控制
    • 开环控制：事先约束；闭环控制：反馈环路
    • 实现：拥塞窗口 cwnd
      • 慢开始：每个 round cwnd * 2
      • 拥塞避免：cwnd 达到 ssthresh 后 +1
      • 超时重传计时器超时：ssthresh = max (cwnd/2，2)，cwnd = 1，慢开始
      • 收到 3 个重复的确认：ssthresh = cwnd = cwnd/2 快重传，拥塞避免
    • 分组丢弃策略
      • 先进先出FIFO+尾部丢弃策略 -> 连接共振
      • 主动队列管理 AQM：队列长度达到某个值得警惕的数值时主动丢弃
      • 随机早期检测 RED：队列分为 丢弃，随机丢弃 (Thmax)，排队区域 (Thmin)
      • RED 不好用 -> CoDel 等
  • 发送窗口 = min(rwnd, cwnd)
  • 有限状态机
    • 
    • SYN, FIN 会额外消耗一个 seq（视为“占用 1 字节”的虚拟数据）；SYN 不允许带额外数据
    • 2MSL 目的：保证发送的最后一个 ACK 报文段能够到达 B，防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中
• system API （第五章）
  • Berkeley: socket; MS: Windows Socket; AT&T: Transport Layer Interface
  • BSD socket：socket, bind, listen, connect, accept, recv, send, close

应用层

• DNS
  • via UDP 53
  • 域名结构
    • 层次树状结构
    • 每一个标号不超过 63 char，总长不超过 255 char
    • 子域：顶级域、二级域、三级域
  • TLD
    • 国家顶级域名 nTLD / ccTLD
    • 通用顶级域名 gTLD
    • 基础结构域名：arpa
    • 新顶级域名：公司可向 ICANN 申请
  • 域名服务器
    • 根：13个 (iana.org)
    • 顶级
    • 权威/权限 (Authoritative)
    • 本地/递归/默认
  • 查询：迭代查询 / 递归查询（加 RD flag，只问根）
  • DNS 安全
    • DNS污染
    • DNS劫持
    • Hosts文件劫持
• FTP
  • via TCP 20/21
    • port 21 负责接受请求
    • port 20 负责主动模式的数据传输 （S -> C）
  • 一个文件共享协议
    • 文件传送协议：复制整个文件。对文件副本进行访问
    • 联机访问协议：透明存取，由操作系统负责
  • vsftpd：fork 模型
    • 主进程负责接受新的请求
    • 子进程负责处理单个 session
    • session 内还会创建数据传送进程
• TFTP
  • via UDP 69
  • 只支持文件传输，不支持交互
  • 协议实现：512B/chunk，手搓的停止等待协议
• TELNET
  • via TCP 23
  • 简单的远程终端协议；
  • 网络虚拟终端 NVT 格式：使用数据 (>=0)，控制字符集(<0)
• WWW / HTTP
  • WWW
    • 访问方法：链接
    • 是超媒体系统
    • 以 Client (Browser) / Server 工作
    • 使用 HTTP / HTML
  • 统一资源定位符 URL： [proto]://[host]:[port]/[path]
  • HTTP
    • via TCP 80
    • HTTP 是面向事务的应用层协议，无连接无状态
    • Request Payload
      • [Method] [URL] [VERSION] CRLF
      • [Header]: [Value] CRLF * N
      • CRLF
      • [BODY]
    • Response Payload
      • [VERSION] [Status] [Explain] CRLF
      • 其余同 Request
    • HTTP 1.0: 2RTT per request
    • HTTP 1.1 Keep Alive，流水线
    • HTTP2：帧化，没有队头阻塞，二进制编码
    • Status code: 1 inform, 2 succeed, 3 redirect, 4 client err, 5 svr err
    • Cookie 存状态
  • 代理服务器：cache 加速
  • HTML (RFC 2854)
    • 定义了许多用于排版的命令
    • XML：抄袭 HTML 的；XHTML (RFC 3236)
    • CSS
  • 动态文档
    • PHP/RSC/Django
    • CGI 脚本
    • 活动文档技术：javascript
  • Search engine
    • 全文检索搜索引擎，分类目录搜索引擎（黄页）
    • 垂直搜索引擎（特定领域），元搜索引擎（不做搜索，只是搜索引擎的搬运工）
    • 网页排名（链接图）
    • 博客和微博，社交网站(SNS)
• 电子邮件
  • 协议：发送 SMTP （TCP25)，接收 POP3 / IMAP
  • 组件：用户代理，邮件服务器，协议
  • 地址格式：[name]@[domain]
  • SMTP Payload (rfc5321)
    • MAIL FROM <[email addr]> CRLF
    • RCPT TO <[email addr]> CRLF * N
    • [HEADER]: [Value]CRLF*N
    • CRLF
    • [Body]
    • [CRLF].[CRLF]
  • POP3 相当于消息队列，阅后服务器删除；IMAP 是在线阅读服务器
  • MIME
    • MIME-Version，Content-Description，Content-Id，Content-Transfer-Encoding，Content-Type
    • Content-Transfer-Encoding：7bit, 8bit, binary, base64, quoted
    • Content-Type: [type]/[subtype]；multipart！
• DHCP
  • via UDP 67(server) / 68(client)
  • DHCP 中继代理
  • 工作过程：
    • DHCPDISCOVER，DHCPOFFER，DHCPREQUEST，DHCPACK，DHCPRELEASE
    • 提供 ip, mask, default router, default dns
    • 租用期 lease period：
      • 到一半重新 DHCPREQUEST；得到 DHCPNACK 则重新 DISCOVER
      • 到 87.5% 再 DHCPREQUEST
• SNMP
  • via UDP 161 (manager poll) / 162 (agent send)
  • SNMP 架构主要包括以下三个核心组件
    • Manager
    • Agent
    • 管理信息库 MIB：用 OID 树标识存储监控对象
  • 管理信息结构 SMI：
    • 功能：被管对象命名，数据类型，传输编码
    • 所有被管对象必须在命名树上；MIB 变量命名需符合 ASN.1 要求
    • 数据类型：简单类型 (int, string, null)，结构化类型 (sequence, choice, any)
    • 基本编码规则 BER：TLV
  • 操作：GET，GET-NEXT，GET-BULK，SET，TRAP / INFORM
  • SNMP vs Prometheus (via AI)：SNMP 并未消失，而是在其擅长的领域（传统网络基础设施监控）继续发挥作用；而 RESTful + Prometheus 主导了新兴应用和云环境。现代运维工程师往往需要同时掌握两者，并用工具（如 snmp_exporter）打通它们。
• P2P
  • 集中目录服务器 (Napster)
  • 全分布式结构 (Gnutella, eMule, BT)
  • BT
    • neighboring peers：建立了 tcp 连接的 peer
    • Torrent: 所有 peer
    • Chunk：request rarest,
    • Tracker
    • 上行流量分配：send to data rate 最高的 peer
  • 速率分析
    • C/S: T = max(NF/us, F/di_min)
    • P2P: T = max(F/us, F/di_min, NF/uT)，uT 为上传速率之和
  • 分布式散列表 DHT
    • DHT 利用散列函数，把资源名 K 及其存放的结点 IP 地址 N 都分别映射为资源名标识符 KID 和结点标识符 NID
    • Chord 环：结点按标识符数值从小到大沿顺时针排列成一个环形覆盖网络；资源由 Chord 环上与其标识符值最接近的下一个结点提供服务
    • 指针 base2 表加速 Chord 环跳转