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编程问答

计算机网络核心知识（中）

發(fā)布時間：2025/3/15 编程问答 20 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了计算机网络核心知识（中）小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

前言

轉(zhuǎn)載請聲明轉(zhuǎn)載并標明本博客鏈接。

(1) 毒性逆轉(zhuǎn)
(2) 乒乓環(huán)路
(3) TOS
(4) 網(wǎng)絡(luò)前綴聚合
(5) 滑動窗口協(xié)議
上面的是還未搞明白的知識點。

文章目錄

前言
5 網(wǎng)絡(luò)層（上)
- 5.1 網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)
- - - 網(wǎng)絡(luò)層核心功能-轉(zhuǎn)發(fā)與路由
    - 網(wǎng)絡(luò)層核心功能-連接建立
    - 網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)模型
- 5.2 虛電路網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)
- - 5.2.1 虛電路網(wǎng)絡(luò)
  - - 連接服務(wù)與無連接服務(wù)
    - 虛電路(Virtual circuits)
    - VC的具體實現(xiàn)
    - VC轉(zhuǎn)發(fā)表
    - 虛電路信令協(xié)議(signaling protocols)
  - 5.2.2 數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)
  - - 數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)表
    - 最長前綴匹配優(yōu)先
  - 5.2.3 數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)與VC網(wǎng)絡(luò)的對比
- 5.3 IPv4協(xié)議
- - 5.3.1 IP協(xié)議（1）-IP數(shù)據(jù)報
  - - IP數(shù)據(jù)報(分組)格式
  - 5.3.2 IP協(xié)議（2）-IP分片
  - - 最大傳輸單元(MTU)
    - IP分片與重組
    - IP分組格式
    - IP分片過程
  - 5.3.3 IP協(xié)議（3）-IP編址
  - - IP編址(addressing)
    - IP子網(wǎng)（Subnets）
  - 5.3.4 IP協(xié)議（4）-有類IP地址
  - - 有類IP地址
  - 5.3.5 IP協(xié)議（4）-IP子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼
  - - 如何進行子網(wǎng)劃分(Subnetting)？
    - 子網(wǎng)劃分
    - 子網(wǎng)掩碼的應(yīng)用
6 網(wǎng)絡(luò)層（中)
- 6.1 CIDR與路由聚合
- - - CIDR與路由聚合的作用
    - 路由聚合
- 6.2 DHCP協(xié)議
- 6.3 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)
- - 6.3.1 NAT的實現(xiàn)
  - 6.3.2 NAT穿透問題
- 6.4 互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議(ICMP)
- - 6.4.1 ICMP報文的格式
  - 6.4.2 ICMP差錯報告報文數(shù)據(jù)封裝
  - 6.4.3 ICMP的應(yīng)用舉例：Traceroute
- 6.5 IPv6簡介
- - 6.5.1 IPv6的研發(fā)動機
  - 6.5.2 IPv6數(shù)據(jù)報格式
  - 6.5.3 其他改變 vs IPv4
  - 6.5.4 IPv6地址表示形式
  - 6.5.5 IPv6基本地址類型
  - 6.5.6 IPv4向IPv6過渡
- 6.6 典例講解
7 網(wǎng)絡(luò)層（下）
- 7.1 路由算法概述
- 7.2 鏈路狀態(tài)路由算法
- - 7.2.1 Dijkstra 算法
- 7.3 距離向量路由算法(1)
- 7.4 距離向量路由算法（2）
- - 7.4.1 距離向量DV: 無窮計數(shù)問題
- 7.5 層次路由
- - 7.5.1 研發(fā)層次路由的動機
  - 7.5.2 層次路由詳述
  - - 互連的AS
    - 自治系統(tǒng)間(Inter-AS)路由任務(wù)
    - 舉例說明層次路由
- 7.6 RIP協(xié)議
- - 7.6.1 AS內(nèi)部路由
  - 7.6.2 RIP
- 7.7 OSPF協(xié)議簡介
- - 7.7.1 OSPF優(yōu)點(RIP不具備)
  - 7.7.2 分層的OSPF
- 7.8 BGP協(xié)議簡介
- - 7.8.1 BGP基礎(chǔ)
  - 7.8.2 BGP基礎(chǔ): 分發(fā)路徑信息
  - 7.8.3 路徑屬性與BGP路由（route）
  - 7.8.4 BGP路由選擇
  - 7.8.5 BGP路由選擇策略舉例
  - 7.8.6 為什么采用不同的AS內(nèi)與AS間路由協(xié)議?
8 數(shù)據(jù)鏈路層
- 8.1 數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)
- - 8.1.1 概述
  - 8.1.2 鏈路層服務(wù)
  - 8.1.3 鏈路層的具體實現(xiàn)？
  - 8.1.4 網(wǎng)卡間通信
- 8.2 差錯編碼
- - 8.2.1 差錯編碼的檢錯能力
  - 8.2.2 奇偶校驗碼
  - 8.2.3 Internet校驗和(Checksum)
  - 8.2.4 循環(huán)冗余校驗碼(CRC)
- 8.3 多路訪問控制(MAC)協(xié)議
- - 8.3.1 理想MAC協(xié)議
  - 8.3.2 MAC協(xié)議分類
  - 8.3.3 信道劃分MAC協(xié)議
  - - TDMA
    - FDMA
  - 8.3.5 隨機訪問MAC協(xié)議
  - - 時隙ALOHA協(xié)議 (S-ALOHA)
    - ALOHA協(xié)議
    - CSMA協(xié)議
    - CSMA/CD協(xié)議
  - 8.3.6 輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議
  - - 輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議簡介
  - 8.3.7 MAC協(xié)議總結(jié)
9 局域網(wǎng)
- 9.1 ARP協(xié)議
- - 9.1.1 ARP協(xié)議簡介
  - 9.1.2 ARP: 地址解析協(xié)議
  - 9.1.3 ARP協(xié)議在同一局域網(wǎng)內(nèi)的工作機制（尋址）
  - 9.1.4 ARP協(xié)議在不同局域網(wǎng)間的工作機制（尋址）
- 9.2 以太網(wǎng)
- - 9.2.1 以太網(wǎng)
  - - 以太網(wǎng)：物理拓撲
    - 以太網(wǎng)：不可靠、無連接服務(wù)
    - 以太網(wǎng)CSMA/CD算法
    - 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)
    - 802.3以太網(wǎng)標準: 鏈路與物理層
  - 9.2.2 交換機
  - - 交換機: 多端口間同時傳輸
    - 交換機轉(zhuǎn)發(fā)表：交換表
    - 交換機: 自學(xué)習(xí)
    - 交換機: 幀過濾/轉(zhuǎn)發(fā)
    - 自學(xué)習(xí)與轉(zhuǎn)發(fā)過程舉例
    - 交換機互聯(lián)
    - 多交換機自學(xué)習(xí)舉例
    - 組織機構(gòu)(Institutional)網(wǎng)絡(luò)
  - 9.2.3 交換機 vs. 路由器
  - 9.2.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對比
  - 9.2.5 虛擬局域網(wǎng)(VLAN)
  - - VLANs的研發(fā)動機
    - VLANs
    - 基于端口的VLAN
    - 跨越多交換機的VLAN
    - 802.1Q VLAN幀格式
- 9.3 PPP協(xié)議
- - 9.3.1 點對點數(shù)據(jù)鏈路控制
  - 9.3.2 PPP設(shè)計需求[RFC 1557]
  - 9.3.3 PPP無需支持的功能
  - 9.3.4 PPP數(shù)據(jù)幀
  - 9.3.5 字節(jié)填充(Byte Stuffing)
  - 9.3.6 PPP數(shù)據(jù)控制協(xié)議
- 9.4 802.11無線局域網(wǎng)
- - 9.4.1 IEEE 802.11無線局域網(wǎng)
  - 9.4.2 IEEE 802.11體系結(jié)構(gòu)
  - 9.4.3 802.11：信道與AP關(guān)聯(lián)
  - 9.4.4 802.11AP關(guān)聯(lián)：被動掃描與主動掃描
  - 9.4.5 802.11：多路訪問控制
  - 9.4.6 IEEE 802.11 MAC協(xié)議: CSMA/CA
  - 9.4.7 IEEE 802.11 MAC協(xié)議: CSMA/CA
  - 9.4.8 沖突避免(CA): RTS-CTS交換
  - 9.4.9 IEEE 802.11 MAC幀

5 網(wǎng)絡(luò)層（上)

5.1 網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)

從發(fā)送主機向接收主機傳送數(shù)據(jù)段（segment）
發(fā)送主機：將數(shù)據(jù)段封裝到數(shù)據(jù)報（datagram）中
接收主機：向傳輸層交付數(shù)據(jù)段（segment）
每個主機和路由器都運行網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
路由器檢驗所有穿越它的IP數(shù)據(jù)報的頭部域
- 決策如何處理IP數(shù)據(jù)報

網(wǎng)絡(luò)層核心功能-轉(zhuǎn)發(fā)與路由

轉(zhuǎn)發(fā)(forwarding): 將分組從路由器的輸入端口轉(zhuǎn)移到合適的輸出端口
路由(routing): 確定分組從源到目的經(jīng)過的路徑
- 路由算法（routing algorithms）

網(wǎng)絡(luò)層核心功能-連接建立

某些網(wǎng)絡(luò)的重要功能:
- ATM, 幀中繼, X.25
數(shù)據(jù)分組傳輸之前兩端主機需要首先建立虛擬/邏輯連接
- 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如路由器）參與連接的建立
網(wǎng)絡(luò)層連接與傳輸層連接的對比:
- 網(wǎng)絡(luò)層連接: 兩個主機之間 (路徑上的路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參與其中)
- 傳輸層連接: 兩個應(yīng)用進程之間（對中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備透明）

網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)模型

Q: 網(wǎng)絡(luò)層為發(fā)送端（主機）到接收端（主機）的數(shù)據(jù)報傳送 “通道(channel)”提供什么樣的服務(wù)模型(service model)?
無連接服務(wù)(connection-less service):
- 不事先為系列分組的傳輸確定傳輸路徑
- 每個分組獨立確定傳輸路徑
- 不同分組可能傳輸路徑不同
- 數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)(datagram network )
連接服務(wù)(connection service):
- 首先為系列分組的傳輸確定從源到目的經(jīng)過的路徑 (建立連接)
- 然后沿該路徑（連接）傳輸系列分組
- 系列分組傳輸路徑相同
- 傳輸結(jié)束后拆除連接
- 虛電路網(wǎng)絡(luò)(virtual-circuit network )

5.2 虛電路網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)

5.2.1 虛電路網(wǎng)絡(luò)

連接服務(wù)。結(jié)合了電路交換和分組交換的優(yōu)點。

連接服務(wù)與無連接服務(wù)

數(shù)據(jù)報(datagram)網(wǎng)絡(luò)與虛電路(virtual-circuit)網(wǎng) 絡(luò)是典型兩類分組交換網(wǎng)絡(luò)
數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)層無連接服務(wù)
虛電路網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)層連接服務(wù)
類似于傳輸層的無連接服務(wù)（UDP）和面向連接服務(wù)（TCP），但是網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)：
- 主機到主機服務(wù)
- 網(wǎng)絡(luò)核心實現(xiàn)

虛電路(Virtual circuits)

虛電路：一條從源主機到目的主機，類似于電路的路徑(邏輯連接)

分組交換
每個分組的傳輸利用鏈路的全部帶寬
源到目的路徑經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備共同完成虛電路功能

注意：盡管虛電路中采用了很多電路交換中的術(shù)語，但本質(zhì)上是此非彼的關(guān)系。

通信過程：
- 呼叫建立(call setup)→數(shù)據(jù)傳輸 →拆除呼叫
每個分組攜帶虛電路標識(VC ID)，而不是目的主機地址
虛電路經(jīng)過的每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如路由器），維護每條經(jīng)過它的虛電路連接狀態(tài)
鏈路、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源(如帶寬、緩存等)可以面向VC進行預(yù)分配
- 預(yù)分配資源=可預(yù)期服務(wù)性能
- 如ATM的電路仿真（CBR）

VC的具體實現(xiàn)

每條虛電路包括:

從源主機到目的主機的一條路徑

虛電路號（VCID），沿路每段鏈路一個編號

沿路每個網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備（如路由器），利用轉(zhuǎn)發(fā)表記錄經(jīng)過的每條虛電路

沿某條虛電路傳輸?shù)姆纸M，攜帶對應(yīng)虛電路的 VCID，而不是目的地址
同一條VC ，在每段鏈路上的VCID通常不同
- 路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組時依據(jù)VC轉(zhuǎn)發(fā)表改寫/替換虛電路號

VC轉(zhuǎn)發(fā)表

路由器R1的VC轉(zhuǎn)發(fā)表:

虛電路信令協(xié)議(signaling protocols)

用于VC的建立、維護與拆除
- 路徑選擇
應(yīng)用于虛電路網(wǎng)絡(luò)
- 如ATM、幀中繼(frame-relay)網(wǎng)絡(luò)等
目前的Internet不采用

5.2.2 數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)層無連接
每個分組攜帶目的地址
路由器根據(jù)分組的目的地址轉(zhuǎn)發(fā)分組
- 基于路由協(xié)議/算法構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)表
- 檢索轉(zhuǎn)發(fā)表
- 每個分組獨立選路

數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)表

對應(yīng)的，虛電路網(wǎng)絡(luò)有VC轉(zhuǎn)發(fā)表。

32位可存放40多億地址，但在分組有限的大小中這是很不現(xiàn)實的，所以分組是根據(jù)地址范圍來轉(zhuǎn)發(fā)的。

但這也出現(xiàn)了一個問題：
如果地址范圍劃分的不是這么“完美”會怎么樣？

解決辦法：最長前綴匹配優(yōu)先。

最長前綴匹配優(yōu)先

5.2.3 數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)與VC網(wǎng)絡(luò)的對比

5.3 IPv4協(xié)議

5.3.1 IP協(xié)議（1）-IP數(shù)據(jù)報

IP數(shù)據(jù)報(分組)格式

版本號字段占4位：IP協(xié)議的版本號 ? E.g. 4→IPv4，6 → IPv6
首部長度字段占4位：IP分組首部長度
- 以4字節(jié)為單位
- E.g. 5→IP首部長度為20(5×4)字節(jié)
服務(wù)類型(TOS)字段占8位：指示期望獲得哪種類型的服務(wù)
- 1998 年這個字段改名為區(qū)分服務(wù)
- 只有在網(wǎng)絡(luò)提供區(qū)分服務(wù)(DiffServ)時使用
- 一般情況下不使用，通常IP分組的該字段(第2字節(jié))的值為00H
總長度字段占16位：IP分組的總字節(jié)數(shù)(首部+數(shù)據(jù))
- 最大IP分組的總長度：65535B
- 最小的IP分組首部：20B
- IP分組可以封裝的最大數(shù)據(jù)：65535-20=65515B
生存時間（TTL）字段占8位：IP分組在網(wǎng)絡(luò)中可以通過的路由器數(shù)（或跳步數(shù)）
- 路由器轉(zhuǎn)發(fā)一次分組，TTL減1
- 如果TTL=0，路由器則丟棄該IP分組
協(xié)議字段占8位：指示IP分組封裝的是哪個協(xié)議的數(shù)據(jù)包
- 實現(xiàn)復(fù)用/分解
- E.g. 6為TCP，表示封裝的為TCP段；17為UDP，表示封裝的是UDP數(shù)據(jù)報
首部校驗和字段占16位：實現(xiàn)對IP分組首部的差錯檢測
- 計算校驗和時，該字段置全0
- 采用反碼算數(shù)運算求和，和的反碼作為首部校驗和字段
- 逐跳計算、逐跳校驗
源IP地址、目的IP地址字段各占32位：分別標識發(fā)送分組的源主機/路由器(網(wǎng)絡(luò)接口)和接收分組的目的主機/路由器（網(wǎng)絡(luò)接口）的IP地址
選項字段占長度可變，范圍在1~40B之間：攜帶安全、源選路徑、時間戳和路由記錄等內(nèi)容
- 實際上很少被使用
填充字段占長度可變，范圍在0~3B之間：目的是補齊整個首部，符合32位對齊，即保證首部長度是4字節(jié)的倍數(shù)

5.3.2 IP協(xié)議（2）-IP分片

最大傳輸單元(MTU)

網(wǎng)絡(luò)鏈路存在MTU (最大傳輸單元)——鏈路層數(shù)據(jù)幀可封裝數(shù)據(jù)的上限
- 不同鏈路的MTU不同

IP分片與重組

大IP分組向較小MTU鏈路轉(zhuǎn)發(fā)時，可以被“分片” (fragmented)
- 1個IP分組分為多片IP分組
- IP分片到達目的主機后進行“重組” (reassembled)
IP首部的相關(guān)字段用于標識分片以及確定分片的相對順序
- 總長度、標識、標志位和片偏移

IP分組格式

標識字段占16位：標識一個IP分組
- IP協(xié)議利用一個計數(shù)器，每產(chǎn)生IP分組計數(shù)器加1，作為該IP分組的標識

標志位字段占3位：
- DF (Don't Fragment)
- MF (More Fragment)
- DF =1：禁止分片；
  DF =0：允許分片
- MF =1：非最后一片；
  MF =0：最后一片(或未分片)

片偏移字段占13位：一個IP分組分片封裝原IP分組數(shù)據(jù)的相對偏移量
- 片偏移字段以8字節(jié)為單位

IP分片過程

假設(shè)原IP分組總長度為L，待轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的MTU為M
若L>M，且DF=0，則可以/需要分片
分片時每個分片的標識復(fù)制原IP分組的標識
通常分片時，除最后一個分片，其他分片均分為MTU允許的最大分片
一個最大分片可封裝的數(shù)據(jù)應(yīng)該是8的倍數(shù)，因此，一個最大分片可封裝的數(shù)據(jù)為:
$d=?M?208?×8d=\biggl\lceil\frac{M-20}8\biggr\rceil\times8$
需要的總片數(shù)為：
$n=?L?20d?n=\biggl\lceil\frac{L-20}d\biggr\rceil$
每片的片偏移字段取值為：
$Fi=d8×(i?1),1≤i≤nF_i=\frac d8\times(i-1),\quad 1\leq i\leq n$
每片的總長度字段為：
$Li{d+201≤i≤nL?(n?1)di=nL_i \begin{cases} d+20 & \quad 1\leq i\leq n\\ L-(n-1)d &\quad i=n\\ \end{cases}$
每片的MF標志位為：
$MFi={11≤i<n0i=n{MF}_i=\begin{cases} 1 & \quad 1\leq i < n \\ 0 & \quad i=n \end{cases}$

5.3.3 IP協(xié)議（3）-IP編址

IP編址(addressing)

IP分組：
- 源地址(SA)-從哪兒來
- 目的地址(DA)-到哪兒去
接口(interface): 主機/路由器與物理鏈路的連接
- 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層功能
- 路由器通常有多個接口
- 主機通常只有一個或兩個接口 (e.g.，有線的以太網(wǎng)接口，無線的802.11接口)
IP地址: 32比特(IPv4) 編號標識主機、路由器的接口
IP地址與每個接口關(guān)聯(lián)
怎樣為接口分配IP地址呢？

IP子網(wǎng)（Subnets）

IP地址:
- 網(wǎng)絡(luò)號(NetID)– 高位比特
- 主機號(HostID)– 低位比特
IP子網(wǎng)：
- IP地址具有相同網(wǎng)絡(luò)號的設(shè)備接口
- 不跨越路由器（第三及以上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）可以彼此物理聯(lián)通的接口
圖中網(wǎng)絡(luò)有多少個 IP子網(wǎng)?

六個。

5.3.4 IP協(xié)議（4）-有類IP地址

IP地址:
- 網(wǎng)絡(luò)號(NetID)– 高位比特
- 主機號(HostID)– 低位比特
IP子網(wǎng)：
- IP地址具有相同網(wǎng)絡(luò)號的設(shè)備接口
- 不跨越路由器（第三及以上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）可以彼此物理聯(lián)通的接口

有類IP地址

采用二分法。

特殊IP地址
私有（Private）IP地址
私有IP地址一般用于機構(gòu)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，在公網(wǎng)中是無法與其通信的，私有IP地址增加了IP地址的復(fù)用性（因為公網(wǎng)連接不上，各個機構(gòu)又是分開的）。

5.3.5 IP協(xié)議（4）-IP子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼

IP地址:
- 網(wǎng)絡(luò)號(NetID)– 高位比特
- 主機號(HostID)– 低位比特
IP子網(wǎng)：
- IP地址具有相同網(wǎng)絡(luò)號的設(shè)備接口
- 不跨越路由器（第三及以上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）可以彼此物理聯(lián)通的接口
有類IP地址

如何進行子網(wǎng)劃分(Subnetting)？

IP地址:
- 網(wǎng)絡(luò)號(NetID) – 高位比特
- 子網(wǎng)號(SubID) – 原網(wǎng)絡(luò)主機號部分比特
- 主機號(HostID) – 低位比特

如何確定是否劃分了子網(wǎng)？利用多少位劃分子網(wǎng)？
- 子網(wǎng)掩碼
子網(wǎng)掩碼
- 形如IP地址:
  - 32位
  - 點分十進制形式
- 取值：
  - NetID、SubID位全取1
  - HostID位全取0
- 例如：
  - A網(wǎng)的默認子網(wǎng)掩碼為：255.0.0.0
  - B網(wǎng)的默認子網(wǎng)掩碼為：255.255.0.0
  - C網(wǎng)的默認子網(wǎng)掩碼為：255.255.255.0
  - 借用3比特劃分子網(wǎng)的B網(wǎng)的子網(wǎng)掩碼為：255.255.224.0

子網(wǎng)劃分

例如：
- 子網(wǎng)201.2.3.0，255.255.255.0，劃分為等長的4個子網(wǎng)
路由器如何確定應(yīng)該將IP分組轉(zhuǎn)發(fā)到哪個子網(wǎng)？
通過子網(wǎng)掩碼。

子網(wǎng)掩碼的應(yīng)用

將IP分組的目的IP地址與子網(wǎng)掩碼按位與運算，提取子網(wǎng)地址
例如：
- 目的IP地址：172.32.1.112，子網(wǎng)掩碼：255.255.254.0
- 子網(wǎng)地址：172.32.0.0(子網(wǎng)掩碼：255.255.254.0)
- 地址范圍：172.32.0.0~172.32.1.255
- 可分配地址范圍：172.32.0.1~172.32.1.254
- 廣播地址：172.32.1.255
一個C類網(wǎng)絡(luò)劃分子網(wǎng)舉例

6 網(wǎng)絡(luò)層（中)

6.1 CIDR與路由聚合

無類域間路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)

消除傳統(tǒng)的 A 類、B 類和 C 類地址界限
- NetID+SubID→Network Prefix (Prefix)可以任意長度
融合子網(wǎng)地址與子網(wǎng)掩碼，方便子網(wǎng)劃分
- 無類地址格式：a.b.c.d/x，其中x為前綴長度
例如
子網(wǎng)201.2.3.64，255.255.255.192→201.2.3.64/26

CIDR與路由聚合的作用

提高IPv4 地址空間分配效率
提高路由效率
- 將多個子網(wǎng)聚合為一個較大的子網(wǎng)
- 構(gòu)造超網(wǎng)（supernetting）
- 路由聚合（route aggregation）

路由聚合

將多個子網(wǎng)聚合，大大縮小了路由中的轉(zhuǎn)發(fā)表的大小

層級編址使得路由信息通告更高效:

但是層級編制會出現(xiàn)一個問題：聚合之后的地址可能會包括其它子網(wǎng)中的地址，如下圖中的200.23.18.2/23，這是就要遵循最長前綴匹配優(yōu)先原則了。

劃分子網(wǎng)的意義是什么？如何進行子網(wǎng)劃分？什么是定長子網(wǎng)劃分？什么是變長子網(wǎng)劃分？如何準確地描述一個子網(wǎng)？為什么要進行路由聚集？如何進行路由聚集？什么情況下可以進行路由聚集？

劃分子網(wǎng)的意義：提升IP地址的利用效率；按規(guī)則分配IP地址，提升IP地址的辨識度，便于尋址，IP地址形成自上而下層次鮮明的結(jié)構(gòu)；對不同地區(qū)不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加以區(qū)分。

如何進行子網(wǎng)劃分：IP地址邏輯上分為NetID+SubID+HostID，NetID+SubID作為網(wǎng)絡(luò)地址，HostID作為主機號；按有類地址的NetID，SubID從HostID的高bit進行借位(借n位可劃分2^n個等長的子網(wǎng))，組合成網(wǎng)絡(luò)地址；通過子網(wǎng)掩碼聲明網(wǎng)絡(luò)地址的bit寬度。

定長子網(wǎng)劃分：每個子網(wǎng)規(guī)模一樣大的劃分，此時各子網(wǎng)子網(wǎng)掩碼相同。

變長子網(wǎng)劃分：每個子網(wǎng)規(guī)模不一樣大，各子網(wǎng)子網(wǎng)掩碼也不同。

如何準確描述一個子網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)IP地址+子網(wǎng)掩碼或是a.b.c.d/x的CIDR策略形式。

為什么要進行路由聚集：為了縮小轉(zhuǎn)發(fā)表大小，提高轉(zhuǎn)發(fā)效率

如何進行路由聚集：取消有類地址劃分，NetID+SubID不定長度；需要聚合的子網(wǎng)地址按位取相同的前綴作為新的子網(wǎng)地址（超網(wǎng)）；轉(zhuǎn)發(fā)表合并這些子網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則為新的子網(wǎng)規(guī)則，同時保證為非合并前子網(wǎng)地址但滿足條件的地址增加更長的前綴匹配規(guī)則。

什么情況下可以進行路由聚集：一個路由器同時連接多個較小規(guī)模的子網(wǎng)時。

6.2 DHCP協(xié)議

如何獲得IP地址?
Q: 一個主機如何獲得IP地址？
- “硬編碼”
  - 靜態(tài)配置
- 動態(tài)主機配置協(xié)議-DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol
  - 從服務(wù)器動態(tài)獲取：
    - IP地址
    - 子網(wǎng)掩碼
    - 默認網(wǎng)關(guān)地址
    - DNS服務(wù)器名稱與IP地址
  - “即插即用”
  - 允許地址重用
  - 支持在用地址續(xù)租
    DHCP協(xié)議給客戶端分配的地址是有時間限制的。
  - 支持移動用戶加入網(wǎng)絡(luò)
- 動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)
  - 主機廣播 “DHCP discover”(發(fā)現(xiàn)報文)
  - DHCP服務(wù)器利用 “DHCP offer” (提供報文) 進行響應(yīng)
  - 主機請求IP地址: “DHCP request” (請求報文)
  - DHCP服務(wù)器分配IP地址: “DHCP ack” (確認報文)
- DHCP工作過程示例
  - DHCP協(xié)議實現(xiàn)于應(yīng)用層
    - 請求報文封裝到UDP數(shù)據(jù)報中
    - IP廣播
    - 鏈路層廣播
      (e.g. 以太網(wǎng)廣播)
    - DHCP服務(wù)器構(gòu)造 ACK報文
      - 包括分配給客戶的 IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)、DNS 服務(wù)器地址

6.3 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)

研究NAT的動機
- 只需/能從ISP申請一個IP地址
  - IPv4地址耗盡
- 本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址的變更，無需通告外界網(wǎng)絡(luò)
- 變更ISP時，無需修改內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址
- 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對外界網(wǎng)絡(luò)不可見，即不可直接尋址(安全)
優(yōu)點及爭議
- 16-bit端口號字段:
  - 可以同時支持60,000多并行連接！
- NAT主要爭議:
  - 路由器應(yīng)該只處理第3層功能
  - 違背端到端通信原則
    - 應(yīng)用開發(fā)者必須考慮到NAT的存在，e.g., P2P應(yīng)用
  - 地址短缺問題應(yīng)該由IPv6來解決

6.3.1 NAT的實現(xiàn)

實現(xiàn):
- 替換
  - 利用(NAT IP地址,新端口號)替換每個外出IP數(shù)據(jù)報的(源IP地址,源端口號)
- 記錄
  - 將每對(NAT IP地址, 新端口號) 與(源IP地址, 源端口號)的替換信息存儲到NAT轉(zhuǎn)換表中
- 替換
  - 根據(jù)NAT轉(zhuǎn)換表，利用(源IP地址, 源端口號)替換每個進入內(nèi)網(wǎng)IP數(shù)據(jù)報的(目的IP地址,目的端口號)，即(NAT IP地址, 新端口號)
NAT的執(zhí)行過程舉例：

6.3.2 NAT穿透問題

客戶期望連接內(nèi)網(wǎng)地址為 10.0.0.1的服務(wù)器
- 客戶不能直接利用地址 10.0.0.1直接訪問服務(wù)器
- 對外唯一可見的地址是NAT 地址: 138.76.29.7
解決方案:
- 1:
  靜態(tài)配置NAT ，將特定端口的連接請求轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器
  - e.g., (138.76.29.7, 2500) 總是轉(zhuǎn)發(fā)給(10.0.0.1, 25000)
- 2:
  利用UPnP (Universal Plug and Play) 互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備協(xié)議 (IGDInternet Gateway Device ) 自動配置:
  - 學(xué)習(xí)到NAT公共IP地址 (138.76.29.7)
  - 在NAT轉(zhuǎn)換表中，增刪端口映射
- 3:
  中繼(如Skype)
  - NAT內(nèi)部的客戶與中繼服務(wù)器建立連接
  - 外部客戶也與中繼服務(wù)器建立連接
  - 中繼服務(wù)器橋接兩個連接的分組

6.4 互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議(ICMP)

互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議 ICMP (Internet Control Message Protocol)支持主機或路由器：
- 差錯(或異常)報告
- 網(wǎng)絡(luò)探詢
兩類 ICMP 報文:
- 差錯報告報文(5種)
  - 目的不可達
  - 源抑制(Source Quench)
  - 超時/超期
  - 參數(shù)問題
  - 重定向 (Redirect)
- 網(wǎng)絡(luò)探詢報文(2組)
  - 回聲(Echo)請求與應(yīng)答報文(Reply)
  - 時間戳請求與應(yīng)答報文
ICMP報文
- 例外情況 :
  - 幾種不發(fā)送 ICMP差錯報告報文的特殊情況：
    - 對ICMP差錯報告報文不再發(fā)送 ICMP差錯報告報文
    - 除第1個IP數(shù)據(jù)報分片外，對所有后續(xù)分片均不發(fā)送ICMP差錯報告報文
    - 對所有多播IP數(shù)據(jù)報均不發(fā)送 ICMP差錯報告報文
    - 對具有特殊地址（如127.0.0.0 或 0.0.0.0）的IP數(shù)據(jù)報不發(fā)送 ICMP 差錯報告報文
  - 幾種 ICMP 報文已不再使用
    - 信息請求與應(yīng)答報文
    - 子網(wǎng)掩碼請求和應(yīng)答報文
    - 路由器詢問和通告報文

6.4.1 ICMP報文的格式

ICMP報文封裝到IP數(shù)據(jù)報中傳輸。

6.4.2 ICMP差錯報告報文數(shù)據(jù)封裝

6.4.3 ICMP的應(yīng)用舉例：Traceroute

源主機向目的主機發(fā)送一系列 UDP 數(shù)據(jù)報
- 第1組IP數(shù)據(jù)報TTL =1
- 第2組IP數(shù)據(jù)報TTL=2, etc.
TTL是 Time To Live的縮寫，該字段指定IP包被路由器丟棄之前允許通過的最大網(wǎng)段數(shù)量。TTL是IPv4包頭的一個8 bit字段。
- 目的端口號為不可能使用的端口號
當(dāng)?shù)趎組數(shù)據(jù)報(TTL=n)到達第 n 個路由器時：
- 路由器丟棄數(shù)據(jù)報
- 向源主機發(fā)送ICMP報文 (type=11, code=0)
- ICMP報文攜帶路由器名稱和 IP地址信息
當(dāng)ICMP報文返回到源主機時，記錄RTT
停止準則:
- UDP數(shù)據(jù)報最終到達目的主機
- 目的主機返回“目的端口不可達”ICMP報文 (type=3, code=3)
- 源主機停止

6.5 IPv6簡介

6.5.1 IPv6的研發(fā)動機

最初動機: 32位IPv4地址空間已分配殆盡
其他動機: 改進首部格式
- 快速處理/轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報
- 支持QoS
IPv6數(shù)據(jù)報格式:
- 固定長度的40字節(jié)基本首部
- 不允許分片

6.5.2 IPv6數(shù)據(jù)報格式

優(yōu)先級(priority): 標識數(shù)據(jù)報的優(yōu)先級
流標簽(flow Label): 標識同一“流”中的數(shù)據(jù)報
下一個首部(next header): 標識下一個選項首部或上層協(xié)議首部(如TCP首部)

6.5.3 其他改變 vs IPv4

校驗和(checksum): 徹底移除，以減少每跳處理時間
選項(options): 允許，但是從基本首部移出，定義多個選項首部，通過“下一個首部”字段指示
ICMPv6: 新版ICMP
- 附加報文類型，e.g. “Packet Too Big”
- 多播組管理功能

6.5.4 IPv6地址表示形式

一般形式:
1080:0:FF:0:8:800:200C:417A
壓縮形式:
FF01:0:0:0:0:0:0:43 壓縮→ FF01::43
IPv4-嵌入形式:
0:0:0:0:0:FFFF:13.1.68.3
或 ::FFFF:13.1.68.3
地址前綴:
2002:43c:476b::/48 (注: IPv6不再使用掩碼!)
URLs:
http://[3FFE::1:800:200C:417A]:8000

6.5.5 IPv6基本地址類型

6.5.6 IPv4向IPv6過渡

不可能在某個時刻所有路由器同時被更新為IPv6
- 不會有 “標志性的日期”
- IPv4和IPv6路由器共存的網(wǎng)絡(luò)如何運行？
隧道(tunneling): IPv6數(shù)據(jù)報作為IPv4數(shù)據(jù)報的載荷進行封裝，穿越IPv4網(wǎng)絡(luò)
- 隧道技術(shù)：

6.6 典例講解

題目：

題目描述
題目：

解答：

7 網(wǎng)絡(luò)層（下）

7.1~7.5：路由算法部分
7.6~7.9：Internet路由部分

7.1 路由算法概述

網(wǎng)絡(luò)抽象：圖

圖: G = (N, E)

N = 路由器集合= { u, v, w, x, y, z }

E = 鏈路集合 ={ (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) }

附注: 圖的抽象在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛 E.g.:P2P，其中，N是 peers集合，而E是TCP連接集合
網(wǎng)

圖抽象：費用(Costs)

c(x, x’) = 鏈路(x, x’)的費用 e.g., c(w, z) = 5
每段鏈路的費用可以總是1，
或者是，
帶寬的倒數(shù)(帶寬越大，其倒數(shù)越小)、擁塞程度等。
路徑費用：(x1, x2, x3,…, xp) = c(x1,x2) + c(x2,x3) + … + c(xp-1,xp)

路由算法分類
- 靜態(tài)路由 vs 動態(tài)路由？
  - 靜態(tài)路由：
    - 手工配置
    - 路由更新慢
    - 優(yōu)先級高
  - 動態(tài)路由：
    - 路由更新快
      - 定期更新
      - 及時響應(yīng)鏈路費用或網(wǎng)絡(luò)拓撲變化
- 全局信息 vs 分散信息？
  - 全局信息：
    - 所有路由器掌握完整的網(wǎng)絡(luò) 拓撲和鏈路費用信息
    - E.g. 鏈路狀態(tài)(LS)路由算法
  - 分散(decentralized)信息：
    - 路由器只掌握物理相連的鄰居以及鏈路費用
    - 鄰居間信息交換、運算的迭代過程
    - E.g. 距離向量(DV)路由算法

7.2 鏈路狀態(tài)路由算法

網(wǎng)絡(luò)抽象：圖

圖: G = (N, E)

N = 路由器集合= { u, v, w, x, y, z }

E = 鏈路集合 ={ (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) }

7.2.1 Dijkstra 算法

Dijkstra 算法

所有結(jié)點(路由器)掌握網(wǎng) 絡(luò)拓撲和鏈路費用
- 通過“鏈路狀態(tài)廣播”
- 所有結(jié)點擁有相同信息
計算從一個結(jié)點(“源”) 到達所有其他結(jié)點的最短路徑
- 獲得該結(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)表
迭代: k次迭代后，得到到達k個目的結(jié)點的最短路徑

符號:

c(x,y): 結(jié)點x到結(jié)點y鏈路費用；如果x和y不直接相連，則=∞
D(v): 從源到目的v的當(dāng)前路徑費用值
p(v): 沿從源到v的當(dāng)前路徑，v的前序結(jié)點
N’: 已經(jīng)找到最小費用路徑的結(jié)點集合

偽代碼：

Dijkstra算法舉例說明：

1
2
- u的最終最短路徑樹:
- u的最終轉(zhuǎn)發(fā)表:

Dijkstra 算法:討論

算法復(fù)雜性: n個結(jié)點
- 每次迭代: 需要檢測所有不在集合N’中的結(jié)點w
- n(n+1)/2次比較: O(n2)
- 更高效的實現(xiàn): O(nlogn)
存在震蕩(oscillations)可能:
- e.g., 假設(shè)鏈路費用是該鏈路承載的通信量:
  
  震蕩發(fā)生后，可能會出現(xiàn)這樣的情況：
  分組從B->C->D之后，又從D->C，這樣子永遠都無法B->C->D->A。

7.3 距離向量路由算法(1)

距離向量(Distance Vector)路由算法。

Bellman-Ford 舉例
距離向量路由算法

7.4 距離向量路由算法（2）

距離向量路由算法：舉例
距離向量DV: 鏈路費用變化
鏈路費用變化:
- 結(jié)點檢測本地鏈路費用變化
- 更新路由信息，重新計算距離向量
- 如果DV改變，通告所有鄰居

7.4.1 距離向量DV: 無窮計數(shù)問題

在上圖可以看到，如果xy之間的距離變成60，是不會直接改為60的，而是從一個初始值（上圖中的初始值是6）逐漸增大至60.

解決無窮計數(shù)問題的方法：
- 1 毒性逆轉(zhuǎn)(poisoned reverse):
  這個毒性逆轉(zhuǎn)問題感覺PPT中展示的不是很清楚，我先把PPT放上來，后續(xù)補上其他材料
  如果一個結(jié)點(e.g. Z)到達某目的(e.g.X)的最小費用路徑是通過某個鄰居(e.g.Y)，則：
  - 通告給該鄰居結(jié)點到達該目的的距離為無窮大
    
    如果網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，毒性逆轉(zhuǎn)技術(shù)也無法解決無窮計數(shù)問題。
- 2 定義最大度量(maximum metric):
  - 定義一個最大的有效費用值，如15跳步，16跳步表示∞
    
    (上圖的意思是：R1現(xiàn)如今無法直達192.168.1.1/24，但之前是可以的，當(dāng)時R2到192.168.1.0/24的路徑R2->R1->192.168.1.0/24路徑是已被保留下來的（2跳），所以現(xiàn)如今R1到192.168.1.0/24的路徑（實際上是不可能存在的路徑）就會被當(dāng)成R1->R2->R1->192.168.1.0/24（3跳）)
    
    然后一直增加到15或16跳步時就被當(dāng)作∞了，這樣就不會繼續(xù)計數(shù)下去，也就說避免了無窮計數(shù)問題。

7.5 層次路由

將任意規(guī)模網(wǎng)絡(luò)抽象為一個圖計算路由-過于理想化
- 標識所有路由器
- “扁平”網(wǎng)絡(luò) ——在實際網(wǎng)絡(luò)（尤其是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)）中，不可行！

7.5.1 研發(fā)層次路由的動機

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：考慮6億目的結(jié)點的網(wǎng)絡(luò)
- 路由表幾乎無法存儲！
- 路由計算過程的信息（e.g. 鏈路狀態(tài)分組、 DV）交換量巨大，會淹沒鏈路！
管理自治：
- 每個網(wǎng)絡(luò)的管理可能都期望自主控制其網(wǎng)內(nèi)的路由
- 互聯(lián)網(wǎng)(internet) = 網(wǎng)絡(luò)之網(wǎng)絡(luò)(network of networks)

7.5.2 層次路由詳述

聚合路由器為一個區(qū)域：自治系統(tǒng)AS (autonomous systems)
同一AS內(nèi)的路由器運行相同的路由協(xié)議(算法)
- 自治系統(tǒng)內(nèi)部路由協(xié)議 (“intra-AS” routing protocol)
- 不同自治系統(tǒng)內(nèi)的路由器可以運行不同的AS內(nèi)部路由協(xié)議
網(wǎng)關(guān)路由器(gateway router):
位于AS“邊緣”
通過鏈路連接其他AS的網(wǎng)關(guān)路由器

互連的AS

轉(zhuǎn)發(fā)表由AS內(nèi)部路由算法與AS間路由算法共同配置
- AS內(nèi)部路由算法設(shè)置AS內(nèi)部目的網(wǎng)絡(luò)路由入口(entries)
- AS內(nèi)部路由算法與AS間路由算法共同設(shè)置 AS外部目的網(wǎng)絡(luò)路由入口
  互

自治系統(tǒng)間(Inter-AS)路由任務(wù)

假設(shè)AS1內(nèi)某路由器收到一個目的地址在AS1 之外的數(shù)據(jù)報:
- 路由器應(yīng)該將該數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)給哪個網(wǎng)關(guān)路由器呢？

AS1必須:

學(xué)習(xí)到哪些目的網(wǎng)絡(luò)可以通過AS2到達，哪些可以通過AS3到達

將這些網(wǎng)絡(luò)可達性信息傳播給AS1內(nèi)部路由器

舉例說明層次路由

例2: 路由器1d的轉(zhuǎn)發(fā)表設(shè)置
- 假設(shè)AS1學(xué)習(xí)到(通過AS間路由協(xié)議)：子網(wǎng)x可以通過AS3 (網(wǎng)關(guān) 1c)到達，但不能通過AS2到達
  - AS間路由協(xié)議向所有內(nèi)部路由器傳播該可達性信息
- 路由器1d：利用AS內(nèi)部路由信息，確定其到達1c 的最小費用路徑接口/
  - 在1d轉(zhuǎn)發(fā)表中增加入口：(x, /)
例2: 在多AS間選擇
- 假設(shè)AS1通過AS間路由協(xié)議學(xué)習(xí)到：子網(wǎng)x通過 AS3和AS2均可到達
- 為了配置轉(zhuǎn)發(fā)表，路由器1d必須確定應(yīng)該將去往子網(wǎng)x的數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)給哪個網(wǎng)關(guān)？
  - 這個任務(wù)也是由AS間路由協(xié)議完成!
例3: 在多AS間選擇
- 假設(shè)AS1通過AS間路由協(xié)議學(xué)習(xí)到：子網(wǎng)x通過 AS3和AS2均可到達
- 為了配置轉(zhuǎn)發(fā)表，路由器1d必須確定應(yīng)該將去往子網(wǎng)x的數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)給哪個網(wǎng)關(guān)？
  - 這個任務(wù)也是由AS間路由協(xié)議完成!
- 熱土豆路由: 將分組發(fā)送給最近的網(wǎng)關(guān)路由器.

7.6 RIP協(xié)議

7.6.1 AS內(nèi)部路由

Internet采用層次路由
AS內(nèi)部路由協(xié)議也稱為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IGP (interior gateway protocols)
最常見的AS內(nèi)部路由協(xié)議:
- 路由信息協(xié)議：RIP(Routing Information Protocol)
- 開放最短路徑優(yōu)先：OSPF(Open Shortest Path First)
- 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議：IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)
  - Cisco私有協(xié)議

7.6.2 RIP

早于1982年隨BSD-UNIX操作系統(tǒng)發(fā)布
距離向量路由算法
- 距離度量：跳步數(shù) (max = 15 hops), 每條鏈路1個跳步
- 每隔30秒，鄰居之間交換一次DV，成為通告(advertisement)
- 每次通告：最多25個目的子網(wǎng)(IP地址形式)
舉例：

默認D到A的跳步為1，現(xiàn)D到z所需跳步為7，但A到z跳步為4，所以將D->z變成D->A->后所需跳步為5。所以說RIP的實質(zhì)就是距離最短算法。
RIP: 鏈路失效、恢復(fù)
如果180秒沒有收到通告→鄰居/鏈路失效
- 經(jīng)過該鄰居的路由不可用
  - 重新計算路由
- 向鄰居發(fā)送新的通告
- 鄰居再依次向外發(fā)送通告（如果轉(zhuǎn)發(fā)表改變）
- 鏈路失效信息能否快速傳播到全網(wǎng)？
  - 可能發(fā)生無窮計數(shù)問題
  - 毒性逆轉(zhuǎn)技術(shù)用于預(yù)防乒乓(ping-pong)環(huán)路 (另外：無窮大距離 = 16 hops)
RIP路由表的處理
- RIP路由表是利用一個稱作route-d (daemon)的應(yīng)用層進程進行管理
  - 應(yīng)用進程實現(xiàn)
- 通告報文周期性地通過UDP數(shù)據(jù)報發(fā)送

7.7 OSPF協(xié)議簡介

OSPF (Open Shortest Path First)

“開放”: 公眾可用
采用鏈路狀態(tài)路由算法
- LS分組擴散（通告）
- 每個路由器構(gòu)造完整的網(wǎng)絡(luò)(AS)拓撲圖
- 利用Dijkstra算法計算路由
OSPF通告中每個入口對應(yīng)一個鄰居
OSPF通告在整個AS范圍泛洪
- OSPF報文直接封裝到IP數(shù)據(jù)報中
與OSPF極其相似的一個路由協(xié)議:IS-IS 路由協(xié)議

7.7.1 OSPF優(yōu)點(RIP不具備)

安全(security): 所有OSPF報文可以被認證 (預(yù)防惡意入侵)
允許使用多條相同費用的路徑 (RIP只能選一條)
對于每條鏈路，可以針對不同的服務(wù)類型TOS設(shè)置多個不同的費用度量 (e.g., 衛(wèi)星鏈路可以針對“盡力” (best effort) ToS設(shè)置“低”費用；針對實時ToS 設(shè)置“高”費用)
集成單播路由與多播路由:
- 多播OSPF協(xié)議(MOSPF) 與OSPF利用相同的網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)
OSPF支持對大規(guī)模AS分層(hierarchical)
在7.7.2詳細敘述。

7.7.2 分層的OSPF

注意區(qū)分區(qū)邊界路由器和AS邊界路由器的不同。

7.8 BGP協(xié)議簡介

Internet AS間路由協(xié)議: BGP 。

邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP (Border Gateway Protocol): 事實上的標準域間路由協(xié)議
- 將Internet “粘合”為一個整體的關(guān)鍵
BGP為每個AS提供了一種手段:
- eBGP: 從鄰居AS獲取子網(wǎng)可達性信息.
- iBGP: 向所有AS內(nèi)部路由器傳播子網(wǎng)可達性信息.
- 基于可達性信息與策略，確定到達其他網(wǎng)絡(luò)的 “好” 路徑.
容許子網(wǎng)向Internet其余部分通告它的存在： “我在這兒！”

7.8.1 BGP基礎(chǔ)

BGP會話(session): 兩個BGP路由器 (“Peers”) 交換BGP報文:
- 通告去往不同目的前綴（prefix）的路徑 (“路徑向量 (path vector)”協(xié)議)
  這里所謂的"前綴"是指子網(wǎng)。
  而且這里是路徑向量而不是RIP協(xié)議的距離向量，二者是不同的。
- 報文交換基于半永久的TCP連接
BGP報文:
- OPEN: 與peer建立TCP連接，并認證發(fā)送方
- UPDATE: 通告新路徑 (或撤銷原路徑)
- KEEPALIVE: 在無UPDATE時，保活連接；也用于對 OPEN請求的確認
- NOTIFICATION: 報告先前報文的差錯；也被用于關(guān)閉連接
當(dāng)AS3通告一個前綴給AS1時:
- AS3承諾可以將數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)給該子網(wǎng)
- AS3在通告中會聚合網(wǎng)絡(luò)前綴

7.8.2 BGP基礎(chǔ): 分發(fā)路徑信息

在3a與1c之間, AS3利用eBGP會話向AS1發(fā)送前綴可達性信息.
- 1c則可以利用iBGP向AS1內(nèi)的所有路由器分發(fā)新的前綴可達性信息
- 1b可以（也可能不）進一步通過1b-到-2a的eBGP會話，向 AS2通告新的可達性信息
當(dāng)路由器獲得新的前綴可達性時，即在其轉(zhuǎn)發(fā)表中增加關(guān)于該前綴的入口（路由項）

7.8.3 路徑屬性與BGP路由（route）

通告的前綴信息包括BGP屬性
- 前綴+屬性= “路由”
兩個重要屬性:
- AS-PATH(AS路徑): 包含前綴通告所經(jīng)過的AS序列: e.g., AS 67, AS 17
- NEXT-HOP(下一跳): 開始一個AS-PATH的路由器接口，指向下一跳AS.
  - 可能從當(dāng)前AS到下一跳AS存在多條鏈路
    如AS2中，此時熱土豆路由就派上用場了。

7.8.4 BGP路由選擇

網(wǎng)關(guān)路由器收到路由通告后，利用其輸入策略 (import policy)決策接受/拒絕該路由
- e.g., 從不將流量路由到AS x
- 基于策略(policy-based) 路由
路由器可能獲知到達某目的AS的多條路由，基于以下準則選擇：

本地偏好(preference)值屬性: 策略決策(policy decision)

最短AS-PATH

最近NEXT-HOP路由器: 熱土豆路由(hot potato routing)

附加準則

7.8.5 BGP路由選擇策略舉例

上圖的各組成元素的所代表的意思：
- A,B,C是提供商網(wǎng)絡(luò)/AS(provider network/AS)
- X,W,Y是客戶網(wǎng)絡(luò)(customer network/AS)
- W,Y是樁網(wǎng)絡(luò)(stub network/AS): 只與一個其他AS相連
  - X是雙宿網(wǎng)絡(luò)(dual-homed network/AS): 連接兩個其他AS
  - X不期望經(jīng)過他路由B到C的流量
  - … 因此，X不會向B通告任何一條到達C的路由
上圖路由策略：
- A向B通告一條路徑：AW
- B向X通告路徑：BAW
- B是否應(yīng)該向C通告路徑BAW呢?
  - 絕不! B路由CBAW的流量沒有任何“收益”，因為W和C均不是B的客戶。
  - B期望強制C通過A向W路由流量
  - B期望只路由去往/來自其客戶的流量！

7.8.6 為什么采用不同的AS內(nèi)與AS間路由協(xié)議?

說明：
inter-AS: 自治系統(tǒng)間
inter-AS: 自治系統(tǒng)內(nèi)

策略(policy):
- inter-AS: 期望能夠管理控制流量如何被路由，誰路由經(jīng)過其網(wǎng)絡(luò)等.
- intra-AS: 單一管理，無需策略決策
規(guī)模(scale):
- 層次路由節(jié)省路由表大小，減少路由更新流量
- 適應(yīng)大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)
性能(performance):
- intra-AS: 側(cè)重性能
- inter-AS: 策略主導(dǎo)

8 數(shù)據(jù)鏈路層

8.1 數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)

8.1.1 概述

術(shù)語:

主機和路由器：結(jié)點(nodes)
在數(shù)據(jù)鏈路層主機和路由器均被視作結(jié)點。
連接相鄰結(jié)點的通信信道：鏈路 (links)
- 有線鏈路(wired links)
- 無線鏈路(wireless links)
- 局域網(wǎng)(LANs)
鏈路層(第2層)數(shù)據(jù)分組：幀 (frame)，封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報

8.1.2 鏈路層服務(wù)

組幀(framing)
- 封裝數(shù)據(jù)報構(gòu)成數(shù)據(jù)幀，加首部和尾部
- 幀同步
鏈路接入(link access)
- 如果是共享介質(zhì)，需要解決信道接入(channel access)
- 幀首部中的“MAC”地址，用于標識幀的源和目的
  - 不同于IP地址！
相鄰結(jié)點間可靠交付
- 在低誤碼率的有線鏈路上很少采用 (如光纖，某些雙絞線等)
- 無線鏈路：誤碼率高，需要可靠交付
流量控制(flow control)
- 協(xié)調(diào)(pacing)相鄰的發(fā)送結(jié)點和接收結(jié)點
差錯檢測(error detection)
- 信號衰減和噪聲會引起差錯.
- 接收端檢測到差錯:
  - 通知發(fā)送端重傳或者直接丟棄幀
差錯糾正(error correction)
- 接收端直接糾正比特差錯
全雙工和半雙工通信控制
- 全雙工：鏈路兩端結(jié)點同時雙向傳輸
- 半雙工：鏈路兩端結(jié)點交替雙向傳輸

8.1.3 鏈路層的具體實現(xiàn)？

由每個主機或路由器接口實現(xiàn)
鏈路層在“適配器” (即網(wǎng)絡(luò)接口卡-NIC)中實現(xiàn)或者在一個芯片上實現(xiàn)
- 以太網(wǎng)網(wǎng)卡，802.11網(wǎng)卡；以太網(wǎng)芯片組
- 實現(xiàn)鏈路層和物理層
鏈接主機的系統(tǒng)總線
由硬件、軟件與固件組成

8.1.4 網(wǎng)卡間通信

發(fā)送端：
- 將數(shù)據(jù)報封裝成幀
- 增加差錯檢測比特，實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸和流量控制等.
接收端：
- 檢測差錯，實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸和流量控制等
- 提取數(shù)據(jù)報，交付上層協(xié)議實體

8.2 差錯編碼

用于差錯檢測和差錯糾正。
差錯編碼是通過想方設(shè)法增加其漢明距離來達到差錯檢測和差錯糾正的。

注意：此圖只表示了差錯檢測，未表示差錯糾正。

8.2.1 差錯編碼的檢錯能力

差錯編碼可分為檢錯碼與糾錯碼
對于檢錯碼，如果編碼集的漢明距離 $d s = r + 1$ ，則該差錯編碼可以檢測 $r$ 位的差錯
- 例如，編碼集 {0000,0101,1010,1111} 的漢明距離ds=2，可以 100%檢測1比特差錯
對于糾錯碼，如果編碼集的漢明距離 $d s = 2 r + 1$ ，則該差錯編碼可以糾正 $r$ 位的差錯
- 例如，編碼集 {000000,010101,101010,111111} 的漢明距離ds=3 ，可以糾正1比特差錯，如100010糾正為101010。

8.2.2 奇偶校驗碼

無論是奇校驗還是偶校驗，都只能檢測奇位數(shù)錯誤而無法檢測偶位數(shù)錯誤。

補充材料：
奇偶校驗碼淺談 https://www.cnblogs.com/dushikang/p/8334776.html

8.2.3 Internet校驗和(Checksum)

發(fā)送端:
- 將“數(shù)據(jù)”(校驗內(nèi)容) 劃分為16位的二進制 “整數(shù)”序列
- 求和(sum)：補碼求和 (最高位進位的“1”，返回最低位繼續(xù)加）
- 校驗和(Checksum)： sum的反碼
- 放入分組(UDP、TCP 、IP)的校驗和字段
接收端:
- 與發(fā)送端相同算法計算
- 計算得到的"checksum"：
  - 為16位全0（或sum為16位全1）：無錯
  - 否則：有錯

8.2.4 循環(huán)冗余校驗碼(CRC)

檢錯能力更強大的差錯編碼。

CRC的原理：
- 將數(shù)據(jù)比特，D，視為一個二進制數(shù)
- 選擇一個r+1位的比特模式 (生成比特模式)，G
- 目標：選擇r位的CRC比特，R，滿足
  - <D,R>剛好可以被G整除(模2)
  - 接收端檢錯：利用G除<D,R>，余式全0，無錯；否則，有錯！
  - 可以檢測所有突發(fā)長度小于r+1位差錯。
廣泛應(yīng)用于實際網(wǎng)絡(luò) (以太網(wǎng)，802.11 WiFi，ATM)
CRC舉例：

補充材料：

CRC校驗碼的計算示例
由以上分析可知，既然除數(shù)是隨機，或者按標準選定的，所以CRC校驗的關(guān)鍵是如何求出余數(shù)，也就是CRC校驗碼。
下面以一個例子來具體說明整個過程。現(xiàn)假設(shè)選擇的CRC生成多項式為 $G (X) = X 4 + X 3 + 1$ ，要求出二進制序列10110011的CRC校驗碼。下面是具體的計算過程：

首先把生成多項式轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，由

G (X) = X 4 + X 3 + 1

可以知道（，它一共是5位（總位數(shù)等于最高位的冪次加1，即4+1=5。其實就是

x^0

x^4

的

0

4

一共5位。），然后根據(jù)多項式各項的含義（多項式只列出二進制值為1的位，也就是這個二進制的第4位、第3位、第0位的二進制均為1，其它位均為0）很快就可得到它的二進制比特串為11001。

因為生成多項式的位數(shù)為5，根據(jù)前面的介紹，得知CRC校驗碼的位數(shù)為4（校驗碼的位數(shù)比生成多項式的位數(shù)少1）。因為原數(shù)據(jù)幀10110011，在它后面再加4個0，得到101100110000，然后把這個數(shù)以“模2除法”方式除以生成多項式，得到的余數(shù)，即CRC校驗碼為0100，如下圖所示:

把上步計算得到的CRC校驗碼0100替換原始幀101100110000后面的四個“0”，得到新幀101100110100。再把這個新幀發(fā)送到接收端。

當(dāng)以上新幀到達接收端后，接收端會把這個新幀再用上面選定的除數(shù)11001以“模2除法”方式去除，驗證余數(shù)是否為0，如果為0，則證明該幀數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，否則出現(xiàn)了差錯

8.3 多路訪問控制(MAC)協(xié)議

MAC協(xié)議決定了節(jié)點什么時候允許發(fā)送分組，而且通常控制對物理層的所有訪問。

兩類“鏈路”：
- 點對點鏈路
  - 撥號接入的PPP
  - 以太網(wǎng)交換機與主機間的點對點鏈路
- 廣播鏈路 (共享介質(zhì))
  - 早期的總線以太網(wǎng)
  - HFC的上行鏈路
  - 802.11無線局域網(wǎng)
單一共享廣播信道
兩個或者兩個以上結(jié)點同時傳輸：干擾(interference)
- 沖突(collision)
  - 結(jié)點同時接收到兩個或者多個信號→接收失敗！
多路訪問控制協(xié)議(multiple access control protocol)
- 采用分布式算法決定結(jié)點如何共享信道，即決策結(jié)點何時可以傳輸數(shù)據(jù)
- 必須基于信道本身，通信信道共享協(xié)調(diào)信息！
  - 無帶外信道用于協(xié)調(diào)

8.3.1 理想MAC協(xié)議

給定：速率為R bps的廣播信道
期望：

當(dāng)只有一個結(jié)點希望傳輸數(shù)據(jù)時，它可以以速率 R發(fā)送.

當(dāng)有M個結(jié)點期望發(fā)送數(shù)據(jù)時，每個節(jié)點平均發(fā)送數(shù)據(jù)的平均速率是R/M

完全分散控制:

無需特定結(jié)點協(xié)調(diào)
無需時鐘、時隙同步

簡單

8.3.2 MAC協(xié)議分類

三大類：

信道劃分(channel partitioning)MAC協(xié)議
- 多路復(fù)用技術(shù)
- TDMA、FDMA、CDMA、WDMA等
隨機訪問(random access)MAC協(xié)議
- 信道不劃分，允許沖突
- 采用沖突“恢復(fù)”機制
輪轉(zhuǎn)(“taking turns”)MAC協(xié)議
- 結(jié)點輪流使用信道

8.3.3 信道劃分MAC協(xié)議

TDMA

TDMA: time division multiple access

“周期性”接入信道
每個站點在每個周期，占用固定長度的時隙(e.g.長度= 分組傳輸時間)
未用時隙空閑(idle)
例如：6-站點LAN，1,3,4傳輸分組，2,5,6空閑

如上圖所示，2、5、6是未被使用的，這造成了資源的浪費。

FDMA

FDMA: frequency division multiple access

信道頻譜劃分為若干頻帶(frequency bands)
每個站點分配一個固定的頻帶
無傳輸頻帶空閑
例如: 6站點LAN, 1,3,4頻帶傳輸數(shù)據(jù), 2,5,6頻帶空閑。

有些頻段是沒被使用的，這造成了資源的浪費。

8.3.5 隨機訪問MAC協(xié)議

當(dāng)結(jié)點要發(fā)送分組時：
- 利用信道全部數(shù)據(jù)速率R發(fā)送分組
- 沒有事先的結(jié)點間協(xié)調(diào)
兩個或多個結(jié)點同時傳輸：? “沖突”
隨機訪問MAC協(xié)議需要定義:
- 如何檢測沖突
- 如何從沖突中恢復(fù) (e.g., 通過延遲重傳)
典型的隨機訪問MAC協(xié)議：
- 時隙(sloted)ALOHA
- ALOHA，也稱純ALOHA
- CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA

時隙ALOHA協(xié)議 (S-ALOHA)

假定：
- 所有幀大小相同
- 時間被劃分為等長的時隙 (每個時隙可以傳輸1個幀)
- 結(jié)點只能在時隙開始時刻發(fā)送幀
- 結(jié)點間時鐘同步
- 如果2個或2個以上結(jié)點在同一時隙發(fā)送幀，結(jié)點即檢測到?jīng)_突
運行:
- 當(dāng)結(jié)點有新的幀時，在下一個時隙(slot)發(fā)送
  - 如果無沖突：該結(jié)點可以在下一個時隙繼續(xù)發(fā) 送新的幀
  - 如果沖突：該結(jié)點在下一個時隙以概率p重傳該幀，直至成功

優(yōu)點:
- 單個結(jié)點活動時，可以連續(xù)以信道全部速率傳輸數(shù)據(jù)
- 高度分散化：只需同步時隙
- 簡單
缺點:
- 沖突，浪費時隙
- 空閑時隙
- 結(jié)點也許能以遠小于分組傳輸時間檢測到?jīng)_突
- 時鐘同步
效率分析：
- 假設(shè): $N$ 個結(jié)點有很多幀待傳輸，每個結(jié)點在每個時隙均以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)
- 對于給定的一個結(jié)點，在一個時隙將幀發(fā)送成功的概率= $p(1-p)^{N-1}$
- 對于任意結(jié)點成功發(fā)送幀的概率= $Np(1-p)^{N-1}$
- 最大效率: 求得使 $Np(1-p)^{N-1}$ 最大的p*
- 對于很多結(jié)點，求 $Np*(1-p*)^{N-1}$ 當(dāng)N趨近無窮時的極限，可得:
  最大效率= 1/e = 0.37

ALOHA協(xié)議

非時隙(純)Aloha：更加簡單，無需同步
當(dāng)有新的幀生成時
- 立即發(fā)送
沖突可能性增大:
- 在t0時刻發(fā)送幀，會與在 $t_0-1, t_0+1]$ （易損時間區(qū)）期間其他結(jié)點發(fā)送的幀沖突
效率分析：

CSMA協(xié)議

載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議 CSMA (carrier sense multiple access)
發(fā)送幀之前，監(jiān)聽信道 (載波)：
- 信道空閑：發(fā)送完整幀
- 信道忙：推遲發(fā)送
  - 1-堅持CSMA
  - 非堅持CSMA
  - P-堅持CSMA
沖突可能仍然發(fā)生：信號傳播延遲
繼續(xù)發(fā)送沖突幀：浪費信道資源

上圖是B和D同時監(jiān)聽到信道中無沖突，課這樣B和D又產(chǎn)生了沖突從而造成信道浪費。

CSMA/CD協(xié)議

特點：發(fā)送分組的時候保持監(jiān)聽，不發(fā)送的時候斷開監(jiān)聽。

CSMA/CD: CSMA with Collision Detection
- 短時間內(nèi)可以檢測到?jīng)_突
- 沖突后傳輸中止，減少信道浪費
沖突檢測:
- 有線局域網(wǎng)易于實現(xiàn)：測量信號強度，比較發(fā)射信號與接收信號
- 無線局域網(wǎng)很難實現(xiàn)：接收信號強度淹沒在本地發(fā)射信號強度下
實現(xiàn)CSMA/CD的前提

例題：

CSMA/CD的效率
- $T_{prop}$ = LAN中2個結(jié)點間的最大傳播延遲
- $t_{trans}$ = 最長幀傳輸延遲
  
  $效率=11+5tprop/ttrans\textbf效\textbf率\textbf =\frac 1{1+5t_{prop}/t_{trans}}$
- $t_{prop}$ 趨近于0或者 $t_{trans}$ 趨近于 $\infty$ 時，效率趨近于1
- 遠優(yōu)于ALOHA，并且簡單、分散！

8.3.6 輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議

信道劃分MAC協(xié)議：
- 網(wǎng)絡(luò)負載重時，共享信道效率高，且公平
- 網(wǎng)絡(luò)負載輕時，共享信道效率低！
隨機訪問MAC協(xié)議：
- 網(wǎng)絡(luò)負載輕時，共享信道效率高，單個結(jié)點可以利用信道的全部帶寬
- 網(wǎng)絡(luò)負載重時，產(chǎn)生沖突開銷
輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議：綜合兩者的優(yōu)點！

輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議簡介

輪詢(polling):
- 主結(jié)點輪流“邀請” 從屬結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)
- 典型應(yīng)用： “啞(dumb)” 從屬設(shè)備
  輪
問題：
- 輪詢開銷
- 等待延遲
  如下圖，每個slave需要等到master叫到（輪著叫的）才能發(fā)送數(shù)據(jù)。
- 單點故障
令牌傳遞(token passing):
- 控制令牌依次從一個結(jié) 點傳遞到下一個結(jié)點.
- 令牌：特殊幀
- 控制令牌依次從一個結(jié)點傳遞到下一個結(jié)點.
- 令牌：特殊幀
- 問題:
  - 令牌開銷
  - 等待延遲
    假設(shè)令牌剛從這臺機器發(fā)出，又得輪一圈才能回來。
  - 單點故障

8.3.7 MAC協(xié)議總結(jié)

信道劃分MAC協(xié)議：時間、頻帶、碼片劃分
- TDMA、FDMA、CDMA
隨機訪問MAC協(xié)議：
- ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
- CSMA/CD應(yīng)用于以太網(wǎng)
- CSMA/CA應(yīng)用802.11無線局域網(wǎng)
輪轉(zhuǎn)訪問MAC協(xié)議：
- 綜合了上面兩個MAC協(xié)議的優(yōu)點，算是折中的一種存在。
- 主結(jié)點輪詢；令牌傳遞
- 藍牙、FDDI、令牌環(huán)網(wǎng)

9 局域網(wǎng)

9.1 ARP協(xié)議

9.1.1 ARP協(xié)議簡介

32位IP地址:
- 接口的網(wǎng)絡(luò)層地址
- 用于標識網(wǎng)絡(luò)層(第3層)分組，支持分組轉(zhuǎn)發(fā)
MAC地址(或稱LAN地址,物理地址,以太網(wǎng)地址) :
- 作用：用于局域網(wǎng)內(nèi)標識一個幀從哪個接口發(fā)出，到達哪個物理相連的其他接口
- 48位MAC地址(用于大部分LANs)，固化在網(wǎng)卡的 ROM中，有時也可以軟件設(shè)置
- e.g.: 1A-2F-BB-76-09-AD
  以十六進制表示。
局域網(wǎng)中的每塊網(wǎng)卡都有一個唯一的MAC 地址
MAC地址由IEEE統(tǒng)一管理與分配
網(wǎng)卡生產(chǎn)商購買MAC地址空間(前24比特)
類比：
- MAC地址：身份證號
- IP地址：郵政地址
MAC地址是“平面”地址： ? 可“攜帶”
- 可以從一個LAN移到另一個LAN
IP地址是層次地址： ? 不可“攜帶”
- IP地址依賴于結(jié)點連接到哪個子網(wǎng)

9.1.2 ARP: 地址解析協(xié)議

9.1.3 ARP協(xié)議在同一局域網(wǎng)內(nèi)的工作機制（尋址）

A想要給同一局域網(wǎng)內(nèi)的B發(fā)送數(shù)據(jù)報
- B的MAC地址不在A的ARP表中.
A廣播ARP查詢分組，其中包含B的IP地址
- 目的MAC地址 = FF-FFFF-FF-FF-FF
- LAN中所有結(jié)點都會接收ARP查詢
B接收ARP查詢分組，IP地址匹配成功，向A應(yīng)答B(yǎng)的MAC地址
- 利用單播幀向A發(fā)送應(yīng)答
A在其ARP表中，緩存B的IP-MAC地址對，直至超時
- 超時后，再次刷新
ARP是“即插即用”協(xié)議:
- 結(jié)點自主創(chuàng)建ARP表，無需干預(yù)

本小節(jié)是在同一個LAN中ARP工作機制，下一小節(jié)講跨LAN時ARP工作機制。

9.1.4 ARP協(xié)議在不同局域網(wǎng)間的工作機制（尋址）

通信過程: A通過路由器R向B發(fā)送數(shù)據(jù)報
- 關(guān)注尋址：IP地址(數(shù)據(jù)報中)和MAC地址(幀中)
- 假設(shè)A知道B的IP地址(怎么知道的?)
- 假設(shè)A知道第一跳路由器R (左)接口IP地址 (怎么知道的?)
- 假設(shè)A知道第一跳路由器R (左)接口MAC地址 (怎么知道的?)

A是如何確定要把數(shù)據(jù)發(fā)送到R的左邊接口的？
默認網(wǎng)關(guān),也稱“第一跳路由器”。

在上圖中，A將分組發(fā)往B的過程詳解：
- A構(gòu)造IP數(shù)據(jù)報，其中源IP地址是A的IP地址，目的IP地址是B的IP地址
- A構(gòu)造鏈路層幀，其中源MAC地址是A的MAC地址，目的MAC地址是R(左)接口的MAC地址，封裝A到B的IP數(shù)據(jù)報。
- 幀從A發(fā)送至R
- R接收幀，提取IP數(shù)據(jù)報，傳遞給上層IP協(xié)議
- R轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報（源和目的IP地址不變！）
- R創(chuàng)建鏈路層幀，其中源MAC地址是R(右)接口的MAC地址，目的MAC地址是B的MAC地址，封裝A到B的IP數(shù)據(jù)報。
- R轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報（源和目的IP地址不變！）
- R創(chuàng)建鏈路層幀，其中源MAC地址是R (右)接口的MAC地址，目的MAC地址是B的MAC地址，封裝A到B的IP數(shù)據(jù)報。

通過上面過程，可以發(fā)現(xiàn)IP src和IP dest是不會改變的，因為在網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)報遞交給鏈路層時數(shù)據(jù)報會被封裝起來。

9.2 以太網(wǎng)

何為以太？
以太是古希臘哲學(xué)家亞里士多德所設(shè)想的一種物質(zhì)。是物理學(xué)史上一種假想的物質(zhì)觀念，其內(nèi)涵隨物理學(xué)發(fā)展而演變。“以太”一詞是英文Ether或Aether的音譯。古希臘人以其泛指青天或上層大氣。在亞里士多德看來，物質(zhì)元素除了水、火、氣、土之外，還有一種居于天空上層的以太。在科學(xué)史上，它起初帶有一種神秘色彩。后來人們逐漸增加其內(nèi)涵，使它成為某些歷史時期物理學(xué)家賴以思考的假想物質(zhì)。
以太是古希臘哲學(xué)家亞里士多德所設(shè)想的一種物質(zhì)。19世紀的物理學(xué)家，認為它是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質(zhì)。但后來的實驗和理論表明，如果假定“以太”的不存在，很多物理現(xiàn)象可以有更為簡單的解釋。

9.2.1 以太網(wǎng)

“統(tǒng)治地位”的有線LAN技術(shù):
- 造價低廉(NIC不足￥100.00)
- 應(yīng)用最廣泛的LAN技術(shù)
- 比令牌局域網(wǎng)和ATM等，簡單、便宜
- 滿足網(wǎng)絡(luò)速率需求：10 Mbps – 10 Gbps

以太網(wǎng)：物理拓撲

總線(bus): 上世紀90年代中期前流行
- 所有結(jié)點在同一沖突域(collision domain) (可能彼此沖突)
星型(star): 目前主流網(wǎng)絡(luò)拓撲
- 中心交換機(switch)
- 每個結(jié)點一個單獨沖突域(結(jié)點間彼此不沖突)

以太網(wǎng)：不可靠、無連接服務(wù)

無連接(connectionless): 發(fā)送幀的網(wǎng)卡與接收幀的網(wǎng)卡間沒有“握手”過程
不可靠(unreliable): 接收網(wǎng)卡不向發(fā)送網(wǎng)卡進行確認
- 差錯幀直接丟棄，丟棄幀中的數(shù)據(jù)恢復(fù)依靠高層協(xié)議 (e.g., TCP)，否則，發(fā)生數(shù)據(jù)丟失
以太網(wǎng)的MAC協(xié)議: 采用二進制指數(shù)退避算法的CSMA/CD

以太網(wǎng)CSMA/CD算法

NIC從網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)報，創(chuàng)建數(shù)據(jù)幀。

監(jiān)聽信道：如果NIC監(jiān)聽到信道空閑，則開始發(fā)送幀；如果NIC監(jiān)聽到信道忙，則一直等待到信道空閑，然后發(fā)送幀。

NIC發(fā)送完整個幀，而沒有檢測到其他結(jié)點的數(shù) 據(jù)發(fā)送，則NIC確認幀發(fā) 送成功！

如果NIC檢測到其他結(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，則中止發(fā)送，并發(fā)送堵塞信號 (jam signal)

中止發(fā)送后，NIC進入二進制指數(shù)退避：

第m次連續(xù)沖突后：
? 取n = Min(m, 10)
? NIC 從{0,1,2, …, 2n-1}中隨機選擇一個數(shù)K
? NIC等待K?512比特的傳輸延遲時間，再返回第2步
連續(xù)沖突次數(shù)越多，平均等待時間越長。

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

發(fā)送端網(wǎng)卡將IP數(shù)據(jù)報(或其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分組)封裝到以太網(wǎng)幀中：

前導(dǎo)碼(Preamble)(8B):
- 7個字節(jié)的10101010，第8字節(jié)為10101011
- 用于發(fā)送端與接收端的時鐘同步
目的MAC地址、源MAC地址(各6B):
- 如果網(wǎng)卡的MAC地址與收到的幀的目的MAC地址匹配，或者幀的目的MAC地址為廣播地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF)，則網(wǎng)卡接收該幀，并將其封裝的網(wǎng)絡(luò)層分組交給相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。
- 否則，網(wǎng)卡丟棄(不接收)該幀。
類型(Type)(2B):
指示幀中封裝的是哪種高層協(xié)議的分組 (如，IP數(shù)據(jù)報、Novell IPX數(shù)據(jù)報、AppleTalk數(shù)據(jù)報等)
數(shù)據(jù)(Data)(46-1500B):
指上層協(xié)議載荷。
- R=10Mbps，RTTmax=512μs，Lmin / R = RTTmax
- Lmin=512bits=64B，Datamin=Lmin-18=46B
CRC(4B): 循環(huán)冗余校驗碼
- 丟棄差錯幀

802.3以太網(wǎng)標準: 鏈路與物理層

許多不同的以太網(wǎng)標準
- 相同的MAC協(xié)議和幀格式
- 不同速率: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps
- 不同物理介質(zhì): 光纖, 線纜

科普：何為雙絞線？
雙絞線（twisted pair，TP）是一種綜合布線工程中最常用的傳輸介質(zhì)，是由兩根具有絕緣保護層的銅導(dǎo)線組成的。把兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起，每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射出來的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消，有效降低信號干擾的程度。
雙絞線一般由兩根22～26號絕緣銅導(dǎo)線相互纏繞而成，“雙絞線”的名字也是由此而來。實際使用時，雙絞線是由多對雙絞線一起包在一個絕緣電纜套管里的。如果把一對或多對雙絞線放在一個絕緣套管中便成了雙絞線電纜，但日常生活中一般把“雙絞線電纜”直接稱為“雙絞線”。
與其他傳輸介質(zhì)相比，雙絞線在傳輸距離，信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方面均受到一定限制，但價格較為低廉。

原理
雙絞線是由一對相互絕緣的金屬導(dǎo)線絞合而成。采用這種方式，不僅可以抵御一部分來自外界的電磁波干擾，也可以降低多對絞線之間的相互干擾。把兩根絕緣的導(dǎo)線互相絞在一起，干擾信號作用在這兩根相互絞纏在一起的導(dǎo)線上是一致的（這個干擾信號叫做共模信號），在接收信號的差分電路中可以將共模信號消除，從而提取出有用信號（差模信號）。

9.2.2 交換機

鏈路層設(shè)備
- 存儲-轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀
- 檢驗到達幀的目的MAC地址，選擇性 (selectively) 向一個或多個輸出鏈路轉(zhuǎn)發(fā)幀
- 利用CSMA/CD訪問鏈路，發(fā)送幀
透明(transparent)
- 主機感知不到交換機的存在
即插即用(plug-and-play)
自學(xué)習(xí)(self-learning)
- 交換機無需配置

交換機: 多端口間同時傳輸

注意：下面的圖中用英文字母簡單代替MAC地址以便描述。

主機利用獨享(dedicated) 鏈路直接連接交換機
交換機緩存幀
交換機在每段鏈路上利用 CSMA/CD收發(fā)幀，但無沖突，且可以全雙工
- 每段鏈路一個獨立的沖突域
交換(switching):A-A’與 B-B’的傳輸可以同時進行，沒有沖突

交換機轉(zhuǎn)發(fā)表：交換表

Q: 交換機怎么知道A’可以通過接口4到達，而B’可以通過接口5 到達?

A: 每個交換機有一個交換表 (switch table), 每個入口(entry):
- (主機的MAC地址, 到達主機的接口, 時間戳)
- 看起來很像路由表！
Q: 交換表入口信息如何創(chuàng)建和維護的那？
- 類似于路由協(xié)議？

交換機: 自學(xué)習(xí)

交換機通過自學(xué)習(xí)，獲知到達主機的接口信息
- 當(dāng)收到幀時，交換機“學(xué)習(xí)”到發(fā)送幀的主機（通過幀的源MAC地址），位于收到該幀的接口所連接的LAN網(wǎng)段
- 將發(fā)送主機MAC地址/接口信息記錄到交換表中

交換機: 幀過濾/轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)交換機收到幀:

記錄幀的源MAC地址與輸入鏈路接口

利用目的MAC地址檢索交換表

自學(xué)習(xí)與轉(zhuǎn)發(fā)過程舉例

目的MAC地址A’，位置未知：泛洪
目的MAC地址A，位置已知：選擇性轉(zhuǎn)發(fā)

交換機互聯(lián)

交換機可以互聯(lián)

Q:當(dāng)A向G發(fā)送幀時，S1怎么知道通過S4轉(zhuǎn)發(fā)？S4又怎么知道通過S3轉(zhuǎn)發(fā)?
A: 自學(xué)習(xí)！(工作過程與單一交換機情形相同！) (通過泛洪自學(xué)習(xí)。)

多交換機自學(xué)習(xí)舉例

假設(shè)C向H發(fā)送幀，H向C發(fā)送應(yīng)答幀

Q:請給出S1, S2, S3, S4的交換表，并說明幀的轉(zhuǎn)發(fā)過程?

組織機構(gòu)(Institutional)網(wǎng)絡(luò)

9.2.3 交換機 vs. 路由器

兩者均為存儲-轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備:

路由器: 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備 (檢測網(wǎng)絡(luò)層分組首部)
交換機: 鏈路層設(shè)備 (檢測鏈路層幀的首部)

二者均使用轉(zhuǎn)發(fā)表:

路由器: 利用路由算法(路由協(xié)議)計算(設(shè)置), 依據(jù)IP地址
交換機: 利用自學(xué)習(xí)、泛洪構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)表, 依據(jù)MAC地址

9.2.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對比

所謂 直通傳輸 指的是邊收邊發(fā)。

9.2.5 虛擬局域網(wǎng)(VLAN)

VLANs的研發(fā)動機

考慮一下情形:

CS用戶遷移到EE，但是希望連接至CS交換機，怎么辦？
單一廣播域:
- 所有第2層廣播流量(ARP, DHCP, 未知目的MAC地址位置)必須穿越整個LAN
- 安全/隱私、效率問題

VLANs

基于端口的VLAN

流量隔離(traffic isolation): 去往/來自端口1-8的幀只到達端口1-8
- 也可以基于MAC地址定義 VLAN, 而不是交換端口
動態(tài)成員: 端口可以動態(tài)分配給不同VLAN
路由器
在VLAN間轉(zhuǎn)發(fā): 通過路由(就像在獨立的交換機之間) 實踐中，廠家會將交換機與路由器集成在一起

跨越多交換機的VLAN

多線纜連接
- 每個線纜連接一個VLAN
中繼端口(trunk port): 在跨越多個物理交換機定義的VLAN 承載幀
- 為多VLAN轉(zhuǎn)發(fā)802.1幀容易產(chǎn)生歧義 (必須攜帶VLAN ID信息)
- 802.1q協(xié)議為經(jīng)過中繼端口轉(zhuǎn)發(fā)的幀增加/去除額外的首部域

802.1Q VLAN幀格式

9.3 PPP協(xié)議

9.3.1 點對點數(shù)據(jù)鏈路控制

一個發(fā)送端，一個接收端，一條鏈路：比廣播鏈路容易
- 無需介質(zhì)訪問控制(Media Access Control)
- 無需明確的MAC尋址
- e.g., 撥號鏈路, ISDN鏈路
常見的點對點數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議：
- HDLC: High Level Data Link Control
- PPP (Point-to-Point Protocol)

9.3.2 PPP設(shè)計需求[RFC 1557]

組幀：將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報封裝到數(shù)據(jù)鏈路層幀中
- 可以同時承載任何網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分組(不僅IP數(shù)據(jù)報)
- 可以向上層實現(xiàn)分用（多路分解）
比特透明傳輸：數(shù)據(jù)域必須支持承載任何比特模式
差錯檢測：(無糾正)
連接活性(connection liveness)檢測：檢測、并向網(wǎng)絡(luò)層通知鏈路失效
網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商：端結(jié)點可以學(xué)習(xí)/配置彼此網(wǎng) 絡(luò)地址

9.3.3 PPP無需支持的功能

無需差錯糾正/恢復(fù)
無需流量控制
不存在亂序交付
無需支持多點鏈路

9.3.4 PPP數(shù)據(jù)幀

標志(Flag): 定界符(delimiter)
地址(Address): 無效(僅僅是一個選項)
控制(Control): 無效；未來可能的多種控制域
協(xié)議(Protocol): 上層協(xié)議 (eg, PPP-LCP, IP, IPCP, etc)
信息(info): 上層協(xié)議分組數(shù)據(jù)
校驗(check): CRC校驗，用于差錯檢測

9.3.5 字節(jié)填充(Byte Stuffing)

“數(shù)據(jù)透明傳輸”需求: 數(shù)據(jù)域必須允許包含標志模式<01111110>
- Q: 如何判斷該作為數(shù)據(jù)接收，還是作為標志處理？
發(fā)送端: 在數(shù)據(jù)中的<01111110>和 <01111101>字節(jié)前添加額外的字節(jié) <01111101> (“填充(stuffs)”)
接收端:
- 單個字節(jié)<01111101>表示一個填充字節(jié)
- 連續(xù)兩個字節(jié)<01111101>：丟棄第1個，第2個作為數(shù)據(jù)接收
- 單個字節(jié)<01111110>: 標志字節(jié)
- <01111110><01111101>字節(jié)表示此時的<01111110>是數(shù)據(jù)而不是標志

9.3.6 PPP數(shù)據(jù)控制協(xié)議

在交換網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)之前，PPP數(shù)據(jù)鏈路兩端必須：

配置PPP鏈路
- 最大幀長
- 身份認證(authentication)
- etc.
學(xué)習(xí)/配置網(wǎng)絡(luò)層信息
對于IP協(xié)議: 通過交換IPCP 協(xié)議 (IP Control Protocol ) 報文 (IP分組首部的“上層協(xié)議”字段取值: 8021)，完成IP地址等相關(guān)信息配置
PPP協(xié)議狀態(tài)：

9.4 802.11無線局域網(wǎng)

9.4.1 IEEE 802.11無線局域網(wǎng)

802.11b
- 2.4-2.5GHz免費頻段 (unlicensed spectrum)
- 最高速率：11 Mbps
- 物理層采用直接序列擴頻 (DSSS)技術(shù)
  - 所有主機使用相同的碼片序列
802.11a
- 5-6 GHz頻段
- 最高速率：54 Mbps
802.11g
- 2.4-2.5 GHz頻段
- 最高速率：54 Mbps
802.11n: 多天線(MIMO)
- 2.4-2.5 GHz頻段
- 最高速率：600 Mbps

9.4.2 IEEE 802.11體系結(jié)構(gòu)

無線主機與基站通信
- 基站(base station) = 訪問點(access point-AP)
基本服務(wù)集BSS(Basic Service Set)，也稱為單元(cell)
- 基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)模式: ?
  - 無線主機
  - AP: 基站
自組網(wǎng)(ad hoc)模式:
- 只有主機

9.4.3 802.11：信道與AP關(guān)聯(lián)

802.11b: 2.4GHz-2.485GHz頻譜劃分為11個不同頻率的信道
- 每個AP選擇一個頻率(信道)
- 存在干擾可能: 相鄰的AP可能選擇相同的信道！
主機: 必須與某個AP關(guān)聯(lián)(associate)
- 掃描信道，監(jiān)聽包含AP名稱(服務(wù)集標識符-SSID )和MAC地址的信標(beacon)幀
- 選擇一個AP進行關(guān)聯(lián)
- 可能需要進行身份認證
- 典型情形：運行DHCP獲取IP地址等信息

9.4.4 802.11AP關(guān)聯(lián)：被動掃描與主動掃描

被動掃描(scanning):
- 各AP發(fā)送信標幀
- 主機(H1)向選擇的AP發(fā)送關(guān)聯(lián)請求幀
- AP向主機(H1)發(fā)送關(guān)聯(lián)響應(yīng)幀
主動掃描:
- 主機(H1)主動廣播探測請求幀 (Probe Request Frame)
- AP發(fā)送探測響應(yīng)幀(Probe Response Frame)
- 主機(H1)向選擇的AP發(fā)送關(guān)聯(lián)請求幀
- AP向主機(H1)發(fā)送關(guān)聯(lián)響應(yīng)幀

9.4.5 802.11：多路訪問控制

避免沖突: 2+結(jié)點同時傳輸
802.11: CSMA – 發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道
- 避免與正在進行傳輸?shù)钠渌Y(jié)點沖突
802.11: 不能像CSMA/CD那樣，邊發(fā)送、邊檢測沖突！
- 無線信道很難實現(xiàn)
- 無法偵聽到所有可能的沖突：隱藏站、信號衰落
- 目標: 避免沖突(avoid collisions)-CSMA/C(ollision)A(voidance)

9.4.6 IEEE 802.11 MAC協(xié)議: CSMA/CA

802.11 sender
1

2
802.11 receiver

9.4.7 IEEE 802.11 MAC協(xié)議: CSMA/CA

基本思想：允許發(fā)送端“預(yù)約”(reserve)信道，而不是隨機發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從而避免長數(shù)據(jù)幀的沖突。

發(fā)送端首先利用CSMA向BS發(fā)送一個很短的RTS (request-to-send)幀
- RTS幀仍然可能彼此沖突 (但RTS幀很短)
BS廣播一個CTS(clear-to-send)幀作為對RTS的響應(yīng)
CTS幀可以被所有結(jié)點接收
- 消除隱藏站影響
- 發(fā)送端可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀
- 其他結(jié)點推遲發(fā)送

9.4.8 沖突避免(CA): RTS-CTS交換

9.4.9 IEEE 802.11 MAC幀

IEEE 802.11數(shù)據(jù)幀地址
上圖中的4個address。
- 802.11數(shù)據(jù)幀有4個地址字段
- 地址4：用于自組網(wǎng)絡(luò)
- 地址1~地址3：
給一個例子說明地址1~地址3是如何起作用的：

總結(jié)

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上一篇：作者：沈志宏（1977-），男，博士，中
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