一、計算機網(wǎng)絡概述

1.1 計算機網(wǎng)絡的分類

按照網(wǎng)絡的作用范圍：廣域網(wǎng)（WAN）、城域網(wǎng)（MAN）、局域網(wǎng)（LAN）；

按照網(wǎng)絡使用者：公用網(wǎng)絡、專用網(wǎng)絡。

1.2 計算機網(wǎng)絡的層次結構

TCP/IP四層模型與OSI體系結構對比：

1.3 層次結構設計的基本原則

• 各層之間是相互獨立的；
• 每一層需要有足夠的靈活性；
• 各層之間完全解耦。

1.4 計算機網(wǎng)絡的性能指標

速率：bps=bit/s時延：發(fā)送時延、傳播時延、排隊時延、處理時延往返時間RTT：數(shù)據(jù)報文在端到端通信中的來回一次的時間。

二、物理層

物理層的作用：連接不同的物理設備，傳輸比特流。該層為上層協(xié)議提供了一個傳輸數(shù)據(jù)的可靠的物理媒體。簡單的說，物理層確保原始的數(shù)據(jù)可在各種物理媒體上傳輸。

物理層設備：

• 中繼器【Repeater，也叫放大器】：同一局域網(wǎng)的再生信號；兩端口的網(wǎng)段必須同一協(xié)議；5-4-3規(guī)程：10BASE-5以太網(wǎng)中，最多串聯(lián)4個中繼器，5段中只能有3個連接主機；
• 集線器：同一局域網(wǎng)的再生、放大信號（多端口的中繼器）；半雙工，不能隔離沖突域也不能隔離廣播域。

信道的基本概念：信道是往一個方向傳輸信息的媒體，一條通信電路包含一個發(fā)送信道和一個接受信道。

1. 單工通信信道：只能一個方向通信，沒有反方向反饋的信道；
2. 半雙工通信信道：雙方都可以發(fā)送和接受信息，但不能同時發(fā)送也不能同時接收；
3. 全雙工通信信道：雙方都可以同時發(fā)送和接收。

三、數(shù)據(jù)鏈路層

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述

數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供的服務的基礎上向網(wǎng)絡層提供服務，其最基本的服務是將源自網(wǎng)絡層來的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點的目標機網(wǎng)絡層。數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質(zhì)上提供可靠的傳輸。

該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯、重發(fā)等。

有關數(shù)據(jù)鏈路層的重要知識點：

1. 數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸；
2. 基本數(shù)據(jù)單位為幀；
3. 主要的協(xié)議：以太網(wǎng)協(xié)議；
4. 兩個重要設備名稱：網(wǎng)橋和交換機。

封裝成幀：“幀”是數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)的基本單位：

透明傳輸：“透明”是指即使控制字符在幀數(shù)據(jù)中，但是要當做不存在去處理。即在控制字符前加上轉義字符ESC。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層的差錯監(jiān)測

差錯檢測：奇偶校驗碼、循環(huán)冗余校驗碼CRC

1. 奇偶校驗碼–局限性：當出錯兩位時，檢測不到錯誤。
2. 循環(huán)冗余檢驗碼：根據(jù)傳輸或保存的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生固定位數(shù)校驗碼。

3.3 最大傳輸單元MTU

最大傳輸單元MTU(Maximum Transmission Unit)，數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀不是無限大的，數(shù)據(jù)幀長度受MTU限制.

路徑MTU：由鏈路中MTU的最小值決定。

3.4 以太網(wǎng)協(xié)議詳解

MAC地址：每一個設備都擁有唯一的MAC地址，共48位，使用十六進制表示。

以太網(wǎng)協(xié)議：是一種使用廣泛的局域網(wǎng)技術，是一種應用于數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，使用以太網(wǎng)可以完成相鄰設備的數(shù)據(jù)幀傳輸：

局域網(wǎng)分類：

Ethernet以太網(wǎng)IEEE802.3：

1. 以太網(wǎng)第一個廣泛部署的高速局域網(wǎng)
2. 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率快
3. 以太網(wǎng)硬件價格便宜，網(wǎng)絡造價成本低

以太網(wǎng)幀結構：

1. 類型：標識上層協(xié)議（2字節(jié)）
2. 目的地址和源地址：MAC地址（每個6字節(jié)）
3. 數(shù)據(jù)：封裝的上層協(xié)議的分組（46~1500字節(jié)）
4. CRC：循環(huán)冗余碼（4字節(jié)）
5. 以太網(wǎng)最短幀：以太網(wǎng)幀最短64字節(jié)；以太網(wǎng)幀除了數(shù)據(jù)部分18字節(jié)；數(shù)據(jù)最短46字節(jié)；

MAC地址（物理地址、局域網(wǎng)地址）

1. MAC地址長度為6字節(jié)，48位；
2. MAC地址具有唯一性，每個網(wǎng)絡適配器對應一個MAC地址；
3. 通常采用十六進制表示法，每個字節(jié)表示一個十六進制數(shù)，用 - 或 : 連接起來；
4. MAC廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

四、網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層的目的是實現(xiàn)兩個端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。數(shù)據(jù)交換技術是報文交換（基本上被分組所替代）：采用儲存轉發(fā)方式，數(shù)據(jù)交換單位是報文。

網(wǎng)絡層中涉及眾多的協(xié)議，其中包括最重要的協(xié)議，也是TCP/IP的核心協(xié)議——IP協(xié)議。IP協(xié)議非常簡單，僅僅提供不可靠、無連接的傳送服務。IP協(xié)議的主要功能有：無連接數(shù)據(jù)報傳輸、數(shù)據(jù)報路由選擇和差錯控制。

與IP協(xié)議配套使用實現(xiàn)其功能的還有地址解析協(xié)議ARP、逆地址解析協(xié)議RARP、因特網(wǎng)報文協(xié)議ICMP、因特網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP。具體的協(xié)議我們會在接下來的部分進行總結，有關網(wǎng)絡層的重點為：

1. 網(wǎng)絡層負責對子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進行路由選擇。此外，網(wǎng)絡層還可以實現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)際互連等功能；
2. 基本數(shù)據(jù)單位為IP數(shù)據(jù)報；
3. 包含的主要協(xié)議：

• IP協(xié)議（Internet Protocol，因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）;
• ICMP協(xié)議（Internet Control Message Protocol，因特網(wǎng)控制報文協(xié)議）;
• ARP協(xié)議（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）;
• RARP協(xié)議（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析協(xié)議）。

4. 重要的設備：路由器。

路由器相關協(xié)議

4.1 IP協(xié)議詳解

IP網(wǎng)際協(xié)議是 Internet 網(wǎng)絡層最核心的協(xié)議。虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡的產(chǎn)生：實際的計算機網(wǎng)絡錯綜復雜；物理設備通過使用IP協(xié)議，屏蔽了物理網(wǎng)絡之間的差異；當網(wǎng)絡中主機使用IP協(xié)議連接時，無需關注網(wǎng)絡細節(jié)，于是形成了虛擬網(wǎng)絡。

IP協(xié)議使得復雜的實際網(wǎng)絡變?yōu)橐粋€虛擬互聯(lián)的網(wǎng)絡；并且解決了在虛擬網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)報傳輸路徑的問題。

其中，版本指IP協(xié)議的版本，占4位，如IPv4和IPv6；首部位長度表示IP首部長度，占4位，最大數(shù)值位15；總長度表示IP數(shù)據(jù)報總長度，占16位，最大數(shù)值位65535；TTL表示IP數(shù)據(jù)報文在網(wǎng)絡中的壽命，占8位；協(xié)議表明IP數(shù)據(jù)所攜帶的具體數(shù)據(jù)是什么協(xié)議的，如TCP、UDP。

4.2 IP協(xié)議的轉發(fā)流程

4.3 IP地址的子網(wǎng)劃分

A類（8網(wǎng)絡號+24主機號）、B類（16網(wǎng)絡號+16主機號）、C類（24網(wǎng)絡號+8主機號）可以用于標識網(wǎng)絡中的主機或路由器，D類地址作為組廣播地址，E類是地址保留。

4.4 網(wǎng)絡地址轉換NAT技術

用于多個主機通過一個公有IP訪問訪問互聯(lián)網(wǎng)的私有網(wǎng)絡中，減緩了IP地址的消耗，但是增加了網(wǎng)絡通信的復雜度。

NAT 工作原理：

從內(nèi)網(wǎng)出去的IP數(shù)據(jù)報，將其IP地址替換為NAT服務器擁有的合法的公共IP地址，并將替換關系記錄到NAT轉換表中；

從公共互聯(lián)網(wǎng)返回的IP數(shù)據(jù)報，依據(jù)其目的的IP地址檢索NAT轉換表，并利用檢索到的內(nèi)部私有IP地址替換目的IP地址，然后將IP數(shù)據(jù)報轉發(fā)到內(nèi)部網(wǎng)絡。

4.5 ARP協(xié)議與RARP協(xié)議

地址解析協(xié)議 ARP（Address Resolution Protocol）：為網(wǎng)卡（網(wǎng)絡適配器）的IP地址到對應的硬件地址提供動態(tài)映射。可以把網(wǎng)絡層32位地址轉化為數(shù)據(jù)鏈路層MAC48位地址。

ARP 是即插即用的，一個ARP表是自動建立的，不需要系統(tǒng)管理員來配置。

RARP(Reverse Address Resolution Protocol)協(xié)議指逆地址解析協(xié)議，可以把數(shù)據(jù)鏈路層MAC48位地址轉化為網(wǎng)絡層32位地址。

4.6 ICMP協(xié)議詳解

網(wǎng)際控制報文協(xié)議（Internet Control Message Protocol），可以報告錯誤信息或者異常情況，ICMP報文封裝在IP數(shù)據(jù)報當中。

ICMP協(xié)議的應用：

• Ping應用：網(wǎng)絡故障的排查；
• Traceroute應用：可以探測IP數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡中走過的路徑。

4.7網(wǎng)絡層的路由概述

關于路由算法的要求：正確的完整的、在計算上應該盡可能是簡單的、可以適應網(wǎng)絡中的變化、穩(wěn)定的公平的。

自治系統(tǒng)AS ：指處于一個管理機構下的網(wǎng)絡設備群，AS內(nèi)部網(wǎng)絡自治管理，對外提供一個或多個出入口，其中自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由協(xié)議為內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議，如RIP、OSPF等；自治系統(tǒng)外部的路由協(xié)議為外部網(wǎng)關協(xié)議，如BGP。

靜態(tài)路由 ：人工配置，難度和復雜度高；

動態(tài)路由：

1. 鏈路狀態(tài)路由選擇算法LS：向所有隔壁路由發(fā)送信息收斂快；全局式路由選擇算法，每個路由器計算路由時，需構建整個網(wǎng)絡拓撲圖；利用Dijkstra算法求源端到目的端網(wǎng)絡的最短路徑；Dijkstra(迪杰斯特拉)算法
2. 距離-向量路由選擇算法DV：向所有隔壁路由發(fā)送信息收斂慢、會存在回路；基礎是Bellman-Ford方程（簡稱B-F方程）；

4.8 內(nèi)部網(wǎng)關路由協(xié)議之RIP協(xié)議

路由信息協(xié)議 RIP(Routing Information Protocol)【 應用層 】，基于距離-向量的路由選擇算法，較小的 AS（自治系統(tǒng)） ，適合小型網(wǎng)絡；RIP報文，封裝進UDP數(shù)據(jù)報。

RIP協(xié)議特性：

1. RIP在度量路徑時采用的是跳數(shù)（每個路由器維護自身到其他每個路由器的距離記錄）；
2. RIP的費用定義在源路由器和目的子網(wǎng)之間；
3. RIP被限制的網(wǎng)絡直徑不超過15跳；
4. 和隔壁交換所有的信息，30主動一次（廣播）。

4.9 內(nèi)部網(wǎng)關路由協(xié)議之OSPF協(xié)議

開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議 OSPF(Open Shortest Path First)【網(wǎng)絡層】，基于鏈路狀態(tài)的路由選擇算法（即Dijkstra算法），較大規(guī)模的AS ，適合大型網(wǎng)絡，直接封裝在IP數(shù)據(jù)報傳輸。

OSPF協(xié)議優(yōu)點：

1. 安全；
2. 支持多條相同費用路徑；
3. 支持區(qū)別化費用度量；
4. 支持單播路由和多播路由；
5. 分層路由。

RIP與OSPF的對比（路由算法決定其性質(zhì)）：

4.10外部網(wǎng)關路由協(xié)議之BGP協(xié)議

BGP（Border Gateway Protocol）邊際網(wǎng)關協(xié)議【應用層】：是運行在AS之間的一種協(xié)議,尋找一條好路由：首次交換全部信息，以后只交換變化的部分,BGP封裝進TCP報文段.