< Back

Computer-Networking

体系机构

法律上的国际标准有7层(OSI/RM)，事实上的国际标准有4层（TCP/IP体系结构），教学上综合上述两种结构采用一种五层结构。

一台主机要访问一台服务器，也就是浏览器进程和服务器进程间的基于网络的通信，双方都要经过五层协议的处理。数据经过应用层到物理层，层层封包然后发送出去。接收方通过相反的过程（物理层到应用层）层层解封数据。

img

要注意的是，中间的路由器只有三层协议。

img

TCP报文段：含有源端口和目的端口，这些端口号是用来表示应用进程的。还含有序号和确认号，用于重传机制的，以确保可靠传输。

IP数据报：含有源IP地址和目的IP地址，这决定了数据包将被路由到哪个网络上的哪个主机。

以太网帧：帧首部含有源mac地址和目的mac地址，这决定了帧将被传输给哪个网络接口。帧尾部，FCS称为帧检验序列，检查帧在传输过程中是否出现了误码。

比特流：物理层需要在前面添加7字节的前同步码（1010101......)和1字节的帧开始定界符(10101011)，前同步码的作用是使接收端的适配器，也就是网卡在接受以太网帧前能够迅速调整自己的时针速率，使其和发送端同步。帧开始定界符前六位和前同步码一样，后面的两个11是告诉接收方适配器，后面来的就是以太网帧了。

术语

  • 实体：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。比如网卡，http应用进程等。

  • 对等实体：收发双方相同层次中的实体。比如发送方应用层的实体和接收方应用层的实体。

  • 协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。比如应用层在http，smtp协议下进行通信，运输层在tcp，udp下进行通信，等等。之所以称之为逻辑通信，是因为这个通信本身并不存在，他只是假设出来的一种通信，目的在于单独研究体系结构某一层时不用考虑其他层。

    协议三要素

    • 语法：定义所交换信息的格式。

      拿数据链路层帧来说：语法定义了一个帧有那些字段以及用什么顺序构成

    • 语义：定义收发双方要完成的操作。比如http中的get请求。

    • 同步：定义收发双方的时序关系。比如tcp连接的建立，采用三次握手。

  • 服务：在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。比如应用层享受运输层提供的服务，使用应用层协议进行通信。

    要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。下层的协议对上层的实体是透明的。

  • 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。

    比如，数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段。网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。运输层的服务访问点为“端口号”

  • 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。

  • 协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元PDU。比如：

    物理层：比特流（bit stream）

    链路层：帧（frame）

    网络层：IP数据报或分组（packet）

    运输层：TCP报文段（segment）或UDP用户数据报（datagram）

    应用层：报文（message）

  • 服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包

    多个SDU可以合成为一个PDU，一个SDU也可以划分为几个PDU。

MAC地址IP地址ARP协议

ip地址是互联网上各主机使用的地址，标识两部分信息：

  • 网络编号：标识互联网上数以百万的网络
  • 主机编号：标识同一网络上不同的主机

如果一个单独的网络不接入互联网是否可以只使用mac地址呢？是可以的，只是很少有人这么做，即使不接入互联网，但是只要使用tcp/ip体系结构，就一定会涉及ip地址。

数据包转发过程

img

  • H1---->R1

    • 主机H1判断目的ip地址IP2与源ip地址IP1不在同一个网络，H1决定将数据包发送给H1所在网络的默认路由R1，并找到其IP地址为IP3。默认路由器，也常称为默认网关。
    • H1找出IP3对应的mac地址MAC3
    • H1网络层封包，填写源ip地址和目的ip地址
    • 数据链路层封包，填写源mac地址和目的mac地址

  • R1---->R2

    • R1在自己的转发表中查找数据包目的地址IP2的网络号部分，决定下一跳ip地址为IP5，通过自己的mac4接口进行转发
    • R1找出IP5对应的mac地址mac5
    • R1网络层封包，填写双方ip地址
    • R1数据链路层封包，填写双方mac地址

  • R2---->H2

    • R2发现目的ip地址与自己在同一网络，可以直接交付
    • 以下同上

IP地址与MAC地址的关系

上述H1到H2的通信过程中的第二步都要通过ip地址找到对应的mac地址，这是怎么做到的呢？

要通过地址解析协议，也就是ARP协议。

img

当c要给a发数据时，他知道a的ip地址，如果不知道对方的mac地址，那么在数据链路层封包的时候就无法填写。c的ARP进程将在自身的ARP高速缓存中查找是否存在a的ip地址对应mac地址的数据条目。如果找不到，ARP进程将构建并发送广播一个ARP请求，请求内容为自身的ip地址和mac地址，以及要查找的ip地址。

abd都会收到该请求，各自的ARP进程解析请求，如果不是发送给自己的就不会理会。

a确认是发给自己的，然后将c的ip地址和mac地址添加到自己的ARP高速缓存中，然后构建一个单播响应给c，告知自己的mac地址。

bcd都会收到该单播响应，但是db发现目的mac地址不是自己就直接丢弃。c收到后添加到ARP高速缓存中。

ARP高速缓存中的数据条目分为动态和静态两种类型。动态类型为自动获取，生命周期默认为两分钟，该时间内如果该条目被使用，则重新计时。超过时间则直接删除。这有点像浏览器cookie的过期时间。静态类型为手动设置。

ARP不能跨网络使用，只能在一个网络内部使用。

集线器和交换机的区别

使用集线器的以太网在逻辑上是共享总线的，主机1要给主机2发送单播帧，会通过共享总线传播到总线上的各个主机，收到帧的主机会根据目的mac地址来判断是否接受该帧。

交换机连接的以太网，从屋里拓扑上看，他与使用集线器的网络并没有什么不同，但是在逻辑上不是共享总线。主机1给主机2发送单播帧时，帧进入交换机后，会将该帧转发给目的主机，而不是所有主机，显然交换机具有明显的优势。

img

交换机通常有多个接口，每个接口都与一台主机或者另一个以太网的交换机相连。一般都工作在全双工方式，也就是收发帧可以同时进行。但是集线器的，逻辑上共享总线，使用CSMA/CD协议，只能工作在半双工方式。

以太网交换机工作在数据链路层（也包括物理层），收到帧后在帧交换表中查找帧的目的mac地址所对应的端口号，然后进行转发。帧交换表是通过自学习算法逐渐建立起来的。

但如果是发送广播帧，从效果上看，两者是一样的。

如果来拓展网络的话，采用集线器的网络每拓展一次网络其实就相当于扩大一次碰撞域，而交换机则没有这个缺点。

帧交换表的自学习算法

最开始的时候表为空，有帧发来时，找不到对应的mac地址，就给其余所有接口都发，同时会记录发送来的帧的mac地址和接口号进交换表里，这样以后找到对应mac地址就只要往对应的接口转发就可以了。

IPv4

先后经历了分类地址，划分子网，构造超网这三个过程。

分类地址

img

分类地址abc都有网络号和主机号组成。分类地址有如下缺点：

  • ip地址的空间利用率有时很低

    某单位本来申请一个c类网络就可以了，但是他考虑到以后公司的发展就申请了一个b类网络，b类可以分配的地址就多多了，别的公司又不能用，这就造成大量地址的浪费。

  • 给每个物理网络分配一个网络号会使路由表变得很大

  • 网络号和主机号组成的地址不够灵活

    某单位有一个b类网络，该网络上还有大量剩余的地址，该单位后来又新建了另一个网络，为了将新建的网络连接到互联网，必须重新申请另一个网络号，不能使用已有的那个b类网络号。这既耽误时间又浪费地址。

然后就有了划分子网

划分子网

基本思路

某单位有一个大型局域网，并且有一个b类网络号（145.13.0.0）。该网络内所有主机的网络号都为145.13。那么所有145.13开头的ip数据包都会被送到该网络默认路由器。

这个时候如果需求改变，要划分成三个较小的局域网，也就是划分为三个子网，这时候，就需要将原来的两段（网络号+主机号）变成三段（网络号+子网号+主机号）ip地址，由于不能改变ip的位数，所以利用一定的比特数来作为子网号，比如用第三个数作为子网号，最后第四个数作为主机号。整个网络对外仍为一个网络即145.13.0.0。

那么如何计算机如何判断该网络有划分子网以及如何找出网络号（子网号）和主机号？子网掩码

将子网掩码与ip地址相与就得到了子网地址。

img

那c类网来说，当最后为0时，相当于没有划分子网。如果最后为128，也就是10000000，那么就有2个子网（0，1），对于每个子网，总共有7位可分配，所以总共有2的7次方个号码，然后去掉全0和全1，剩下就是2的7次方-2个可分配的主机数。因为全0为子网地址，全1为广播地址。

为什么255.255.255.254（254= 11111110 ）不能作为子网地址呢？因为这样的话可分配的就剩最后一位，要不是0要不是1，0为子网地址，1为广播地址，那就没有可分配的地址了。

img

由于B类地址很快分配了一半，以及主干路由表急剧增长，所以有了构造超网。

构造超网

正式的名字是无分类域间路由选择（ Classless Inter-Domain Routing ）简称CIDR。CIDR消除了传统的abc类地址，以及子网划分的概念。还能将连续的ip地址组合成CIDR地址块，因此又称之为路由聚合，或者叫构造超网。

CIDR使用斜线记法，在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量。比如128.21.22.3/20表示网络前缀占20比特，主机编号占用32-20=12位。

img