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第一章 概述

網路的網路

網路把主機連線起來，而網際網路是把多種不同的網路連線起來，因此網際網路是網路的網路。

ISP

網際網路服務提供商 ISP 可以從網際網路管理機構獲得許多 IP 地址，同時擁有通訊線路以及路由器等聯網裝置，個人或機構向 ISP 繳納一定的費用就可以接入網際網路。

目前的網際網路是一種多層次 ISP 結構，ISP 根據覆蓋面積的大小分為主幹 ISP、地區 ISP 和本地 ISP。

網際網路交換點 IXP 允許兩個 ISP 直接相連而不用經過第三個 ISP。

網際網路的組成

1. 邊緣部分：所有連線在網際網路上的主機，使用者可以直接使用；
2. 核心部分：由大量的網路和連線這些網路的路由器組成，為邊緣部分的主機提供服務。

主機之間的通訊方式

1. 客戶 - 伺服器（C/S）

客戶即是服務請求方，伺服器是服務提供方。

2. 對等（P2P）

不區分客戶和伺服器。

電路交換與分組交換

1. 電路交換

電路交換用於電話通訊系統，兩個使用者要通訊之前需要建立一條專用的物理鏈路，並且在整個通訊過程中始終佔用該鏈路。由於通訊的過程中不可能一直在使用傳輸線路，因此電路交換對線路的利用率很低，往往不到 10%。

2. 報文交換

報文交換用於郵局通訊系統，郵局接收到一份報文之後，先儲存下來，然後把相同目的地的報文一起轉發到下一個目的地，這個過程就是儲存轉發過程。

3. 分組交換

分組交換也使用了儲存轉發，但是轉發的是分組而不是報文。把整塊資料稱為一個報文，由於一個報文可能很長，需要先進行切分，來滿足分組能處理的大小。在每個切分的資料前面加上首部之後就成為了分組，首部包含了目的地址和源地址等控制資訊。

儲存轉發允許在一條傳輸線路上傳送多個主機的分組，因此不需要佔用端到端的線路資源。

相比於報文交換，由於分組比報文更小，儲存轉發的速度也就更快。

時延

總時延 = 傳送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延

1. 傳送時延

主機或路由器傳送資料幀所需要的時間。

其中 l 表示資料幀的長度，v 表示傳送速率。

2. 傳播時延

電磁波在通道中傳播一定的距離需要花費的時間，電磁波傳播速度接近光速。

其中 l 表示通道長度，v 表示電磁波在通道上的傳播速率。

3. 處理時延

主機或路由器收到分組時進行處理所需要的時間，例如分析首部，從分組中提取資料部分等。

4. 排隊時延

分組在路由器的輸入佇列和輸出佇列中排隊等待的時間，取決於網路當前的通訊量。

計算機網路體系結構*

1. 七層協議

如圖 a 所示，其中表示層和會話層用途如下：

1. 表示層：資訊的語法語義以及它們的關聯，如加密解密、轉換翻譯、壓縮解壓縮；
2. 會話層：不同機器上的使用者之間建立及管理會話。

2. 五層協議

1. 應用層：為特定應用程式提供資料傳輸服務，例如 HTTP、DNS 等。資料單位為報文。

2. 運輸層：提供的是程序間的通用資料傳輸服務。由於應用層協議很多，定義通用的運輸層協議就可以支援不斷增多的應用層協議。運輸層包括兩種協議：傳輸控制協議 TCP，提供面向連線、可靠的資料傳輸服務，資料單位為報文段；使用者資料報協議 UDP，提供無連線、盡最大努力的資料傳輸服務，資料單位為使用者資料報。

3. 網路層：為主機之間提供服務，而不是像運輸層協議那樣是為主機中的程序提供服務。網路層把運輸層產生的報文段或者使用者資料報封裝成分組來進行傳輸。

4. 資料鏈路層：網路層針對的還是主機之間，而主機之間可以有很多鏈路，鏈路層協議就是為相鄰結點之間提供服務。資料鏈路層把網路層傳來的分組封裝成幀。

5. 物理層：考慮的是怎樣在傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體。物理層的作用是儘可能遮蔽傳輸媒體和通訊手段的差異，使物理層上的資料鏈路層感覺不到這些差異。

3. 資料在各層之間的傳遞過程

在向下的過程中，需要新增下層協議所需要的首部或者尾部，而在向上的過程中不斷拆開首部和尾部。

路由器只有下面三層協議，因為路由器位於網路核心中，不需要為程序或者應用程式提供服務，因此也就不需要運輸層和應用層。

4. TCP/IP 體系結構

它只有四層，相當於五層協議中資料鏈路層和物理層合併為網路介面層。

現在的 TCP/IP 體系結構不嚴格遵循 OSI 分層概念，應用層可能會直接使用 IP 層或者網路介面層。

TCP/IP 協議族是一種沙漏形狀，中間小兩邊大，IP 協議在其中佔用舉足輕重的地位。

第二章 物理層

通訊方式

1. 單向通訊，又稱為單工通訊；
2. 雙向交替通訊，又稱為半雙工通訊；
3. 雙向同時通訊，又稱為全雙工通訊。

帶通調製

模擬訊號是連續的訊號，數字訊號是離散的訊號。帶通調製把數字訊號轉換為模擬訊號。

通道複用技術

1. 頻分複用、時分複用

頻分複用的所有使用者在相同的時間佔用不同的頻率頻寬資源；時分複用的所有使用者在不同的時間佔用相同的頻率頻寬資源。

使用這兩種方式進行通訊，在通訊的過程中使用者會一直佔用一部分通道資源。但是由於計算機資料的突發性質，沒必要一直佔用通道資源而不讓出給其它使用者使用，因此這兩種方式對通道的利用率都不高。

2. 統計時分複用

是對時分複用的一種改進，不固定每個使用者在時分複用幀中的位置，只要有資料就集中起來組成時分複用幀然後傳送。

3. 波分複用

光的頻分複用。由於光的頻率很高，因此習慣上用波長而不是頻率來表示所使用的光載波。

4. 碼分複用

為每個使用者分配 m bit 的碼片，並且所有的碼片正交，對於任意兩個碼片 $\vec{S}$ 和 $\vec{T}$ 有

為了方便，取 m=8，設碼片 $\vec{S}$ 為 00011011。在擁有該碼片的使用者傳送位元 1 時就傳送該碼片，傳送位元 0 時就傳送該碼片的反碼 11100100。

在計算時將 00011011 記作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到

其中 $\vec{S'}$ 為 $\vec{S}$ 的反碼。

利用上面的式子我們知道，當接收端使用碼片 $\vec{S}$ 對接收到的資料進行內積運算時，結果為 0 的是其它使用者傳送的資料，結果為 1 的是使用者傳送的位元 1，結果為 -1 的是使用者傳送的位元 0。

碼分複用需要傳送的資料量為原先的 m 倍。

第三章 資料鏈路層

三個基本問題

1. 封裝成幀

將網路層傳下來的分組新增首部和尾部，用於標記幀的開始和結束。

2. 透明傳輸

透明表示一個實際存在的事物看起來好像不存在一樣。

幀中有首部和尾部，如果幀的資料部分含有和首部尾部相同的內容，那麼幀的開始和結束位置就會被錯誤的判定。需要在資料中出現首部尾部相同的內容前面插入轉義字元，如果需要傳輸的內容正好就是轉義字元，那麼就在轉義字元前面再加個轉義字元，在接收端進行處理之後可以還原出原始資料。這個過程透明傳輸的內容是轉義字元，使用者察覺不到轉義字元的存在。

3. 差錯檢測

目前資料鏈路層廣泛使用了迴圈冗餘檢驗（CRC）來檢查位元差錯。

點對點通道 - PPP 協議

網際網路使用者通常需要連線到某個 ISP 之後才能接入到網際網路，PPP 協議就是使用者計算機和 ISP 進行通訊時所使用的資料鏈路層協議。

在 PPP 的幀中，F 欄位為幀的定界符，A 和 C 暫時沒有意義。FCS 是使用 CRC 的檢驗序列。資訊部分的長度不超過 1500。

區域網的拓撲

廣播通道 - CSMA/CD 協議*

在廣播通道上，同一時間只能允許一臺計算機發送資料。

CSMA/CD 表示載波監聽多點接入 / 碰撞檢測。

多點接入：說明這是匯流排型網路，許多計算機以多點的方式連線到總線上。載波監聽：每個站都必須不停地檢聽通道。在傳送前，如果檢聽通道正在使用，就必須等待。碰撞檢測：在傳送中，如果檢聽通道已有其它站正在傳送資料，就表示發生了碰撞。雖然每一個站在傳送資料之前都已經檢聽通道為空閒，但是由於電磁波的傳播時延的存在，還是有可能會發生碰撞。

記端到端的傳播時延為 τ，最先發送的站點最多經過 2τ 就可以知道是否發生了碰撞，稱 2τ 為 爭用期。只有經過爭用期之後還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次傳送不會發生碰撞。

當發生碰撞時，站點要停止傳送，等待一段時間再發送。這個時間採用 截斷二進位制指數退避演算法 來確定，從離散的整數集合 {0, 1, .., (2^k-1)} 中隨機取出一個數，記作 r，然後取 r 倍的爭用期作為重傳等待時間。

集線器

從表面上看，使用集線器的區域網在物理上是一個星型網。但是集線器使用電子器件來模擬實際纜線的工作，邏輯上仍是一個匯流排網，整個系統仍像一個傳統乙太網那樣執行。

MAC 層

MAC 地址是 6 位元組（48 位）的地址，用於唯一表示網路介面卡（網絡卡），一臺主機擁有多少個介面卡就有多少個 MAC 地址，例如膝上型電腦普遍存在無線網路介面卡和有線網路介面卡。

MAC 幀用型別欄位來標記上層使用什麼協議；資料欄位長度在 46-1500 之間，如果太小則需要填充；FCS 為幀檢驗序列，使用的是 CRC 檢驗方法；前面插入的前同步碼只是為了計算 FCS 臨時加入的，計算結束之後會丟棄。

虛擬區域網

虛擬區域網可以建立與物理位置無關的邏輯組，只有在同一個虛擬區域網中的成員才會收到廣播資訊，例如下圖中 (A1, A2, A3, A4) 屬於一個虛擬區域網，A1 傳送的廣播會被 A2、A3、A4 收到，而其它站點收不到。

第四章 網路層*

網際協議 IP 概述

因為網路層是整個網際網路的核心，因此應當讓網路層儘可能簡單。網路層向上只提供簡單靈活的、無連線的、盡最大努力互動的資料報服務。

使用 IP 協議，可以把異構的物理網路連線起來，使得在網路層看起來好像是一個統一的網路。

與 IP 協議配套使用的還有三個協議：

1. 地址解析協議 ARP（Address Resolution Protocol）
2. 網際控制報文協議 ICMP（Internet Control Message Protocol）
3. 網際組管理協議 IGMP（Internet Group Management Protocol）

IP 資料報格式

版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）兩個值；

首部長度 : 佔 4 位，因此最大值為 15。值為 1 表示的是 1 個 32 位字的長度，也就是 4 位元組。因為首部固定長度為 20 位元組，因此該值最小為 5。如果可選部分的長度不是 4 位元組的整數倍，就用尾部的填充部分來填充。

區分服務 : 用來獲得更好的服務，一般情況下不使用用。

總長度 : 包括首部長度和資料部分長度。

標識 : 在資料報長度過長從而發生分片的情況下，相同資料報的不同分片具有相同的識別符號。

片偏移 : 和識別符號一起，用於發生分片的情況。片偏移的單位為 8 位元組。

生存時間 ：TTL，它的存在為了防止無法交付的資料報在網際網路中不斷兜圈子。以路由器跳數為單位，當 TTL 為 0 時就丟棄資料報。

協議：指出攜帶的資料應該上交給哪個協議進行處理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。

首部檢驗和：因為資料報每經過一個路由器，都要重新計算檢驗和，因此檢驗和不包含資料部分可以減少計算的工作量。

IP 地址編址

IP 地址的編址方式經歷了三個歷史階段：

1. 分類的 IP 地址；
2. 子網的劃分；
3. 構成超網。

1. 分類的 IP 地址

由兩部分組成，網路號和主機號，其中不同類別具有不同的網路號長度，並且是固定的。

IP 地址 ::= {< 網路號 >, < 主機號 >}

2. 劃分子網

通過在網路號欄位中拿一部分作為子網號，把兩級 IP 地址劃分為三級 IP 地址。注意，外部網路看不到子網的存在。

IP 地址 ::= {< 網路號 >, < 子網號 >, < 主機號 >}

要使用子網，必須配置子網掩碼。一個 B 類地址的預設子網掩碼為 255.255.0.0，如果 B 類地址的子網佔兩個位元，那麼子網掩碼為 11111111 11111111 11000000 000000，也就是 255.255.192.0。

3. 無分類編址 CIDR（構成超網）

CIDR 消除了傳統 A 類、B 類和 C 類地址以及劃分子網的概念，使用網路字首和主機號來對 IP 地址進行編碼，網路字首的長度可以根據需要變化。

IP 地址 ::= {< 網路字首號 >, < 主機號 >}

CIDR 的記法上採用在 IP 地址後面加上網路字首長度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位為網路字首。

CIDR 的地址掩碼可以繼續稱為子網掩碼，子網掩碼首 1 長度為網路字首的長度。

一個 CIDR 地址塊中有很多地址，一個 CIDR 表示的網路就可以表示原來的很多個網路，並且在路由表中只需要一個路由就可以代替原來的多個路由，減少了路由表項的數量。把這種通過使用網路字首來減少路由表項的方式稱為路由聚合，也稱為構成超網。

在路由表中每個專案由“網路字首”和“下一跳地址”組成，在查詢時可能會得到不止一個匹配結果，應當採用最長字首匹配。

IP 地址和 MAC 地址

網路層實現主機之間的通訊，而鏈路層實現具體每段鏈路之間的通訊。因此在通訊過程中，IP 資料報的源地址和目的地址始終不變，而 MAC 地址隨著鏈路的改變而改變。

地址解析協議 ARP

實現由 IP 地址得到 MAC 地址。

每個主機都有一個 ARP 快取記憶體，存放對映表。如果一個 IP 地址 到 MAC 地址的對映不在該表中，主機通過廣播的方式傳送 ARP 請求分組，匹配 IP 地址的主機會發送 ARP 響應分組告知 MAC 地址。

路由器的結構

路由器從功能上可以劃分為兩大部分：路由選擇和分組轉發。

分組轉發部分由三部分組成：交換結構、一組輸入埠和一組輸出埠。

交換結構的交換網路有以下三種實現方式：

交換機與路由器的區別

• 交換機工作於資料鏈路層，能識別 MAC 地址，根據 MAC 地址轉發鏈路層資料幀。具有自學機制來維護 IP 地址與 MAC 地址的對映。

• 路由器位於網路層，能識別 IP 地址並根據 IP 地址轉發分組。維護著路由表，根據路由表選擇最佳路線。

路由器分組轉發流程

1. 從資料報的首部提取目的主機的 IP 地址 D，得到目的網路地址 N。（路由表項是網路號而不是 IP 地址，這樣做大大減少了路由表條目數量）
2. 若 N 就是與此路由器直接相連的某個網路地址，則進行直接交付；
3. 若路由表中有目的地址為 D 的特定主機路由，則把資料報傳送給表中所指明的下一跳路由器；
4. 若路由表中有到達網路 N 的路由，則把資料報傳送給路由表中所指明的下一跳路由器；
5. 若路由表中有一個預設路由，則把資料報傳送給路由表中所指明的預設路由器；
6. 報告轉發分組出錯。

路由選擇協議

網際網路使用的路由選擇協議都是自適應的，能隨著網路通訊量和拓撲變化而自適應地進行調整。

網際網路可以劃分為許多較小的自治系統 AS，一個 AS 可以使用一種和別的 AS 不同的路由選擇協議。

可以把路由選擇協議劃分為兩大類：

1. 內部閘道器協議 IGP（Interior Gateway Protocol） 在自治系統內部使用，如 RIP 和 OSPF。
2. 外部閘道器協議 EGP（External Gateway Protocol） 在自治系統之間使用，如 BGP。

1. 內部閘道器協議 RIP

RIP 是一種分散式的基於距離向量的路由選擇協議。距離是指跳數，直接相連的路由器跳數為 1，跳數最多為 15，超過 15 表示不可達。

RIP 按固定的時間間隔僅和相鄰路由器交換自己的路由表，經過若干次交換之後，所有路由器最終會知道到達本自治系統中任何一個網路的最短距離和下一跳路由器地址。

距離向量演算法：

1. 對地址為 X 的相鄰路由器發來的 RIP 報文，先修改報文中的所有專案，把下一跳欄位中的地址改為 X，並把所有的距離欄位加 1；
2. 對修改後的 RIP 報文中的每一個專案，進行以下步驟：

• 若原來的路由表中沒有目的網路 N，則把該專案新增到路由表中；
• 否則：若下一跳路由器地址是 X，則把收到的專案替換原來路由表中的專案；否則：若收到的專案中的距離 d 小於路由表中的距離，則進行更新（例如原始路由表項為 Net2, 5, P，新表項為 Net2, 4, X，則更新）；否則什麼也不做。

3. 若 3 分鐘還沒有收到相鄰路由器的更新路由表，則把該相鄰路由器標為不可達，即把距離置為 16。

RIP 協議實現簡單，開銷小，但是 RIP 能使用的最大距離為 15，限制了網路的規模。並且當網路出現故障時，要經過比較長的時間才能將此訊息傳送到所有路由器。

2. 內部閘道器協議 OSPF

開放最短路徑優先 OSPF，是為了克服 RIP 的缺點而開發出來的。

開放表示 OSPF 不受某一家廠商控制，而是公開發表的；最短路徑優先是因為使用了 Dijkstra 提出的最短路徑演算法 SPF。

OSPF 具有以下特點：

1. 向本自治系統中的所有路由器傳送資訊，這種方法是洪泛法。
2. 傳送的資訊就是與相鄰路由器的鏈路狀態，鏈路狀態包括與哪些路由器相連以及鏈路的度量，度量用費用、距離、時延、頻寬等來表示。
3. 只有當鏈路狀態發生變化時，路由器才會傳送資訊。

所有路由器都具有全網的拓撲結構圖，並且是一致的。相比於 RIP，OSPF 的更新過程收斂的很快。

3. 外部閘道器協議 BGP

AS 之間的路由選擇很困難，主要是網際網路規模很大。並且各個 AS 內部使用不同的路由選擇協議，就無法準確定義路徑的度量。並且 AS 之間的路由選擇必須考慮有關的策略，比如有些 AS 不願意讓其它 AS 經過。

BGP 只能尋找一條比較好的路由，而不是最佳路由。它採用路徑向量路由選擇協議。

每個 AS 都必須配置 BGP 發言人，通過在兩個相鄰 BGP 發言人之間建立 TCP 連線來交換路由資訊。

網際控制報文協議 ICMP

ICMP 是為了更有效地轉發 IP 資料報和提高交付成功的機會。它封裝在 IP 資料報中，但是不屬於高層協議。

ICMP 報文分為差錯報告報文和詢問報文。

分組網間探測 PING

PING 是 ICMP 的一個重要應用，主要用來測試兩臺主機之間的連通性。

PING 的過程：

1. PING 同一個網段的主機，查詢目的主機的 MAC 地址，然後直接交付。如果無法查詢到 MAC 地址，就要進行一次 ARP 請求。
2. PING 不同網段的主機，就傳送給閘道器讓其進行轉發。同樣要傳送給閘道器也需要通過查詢閘道器的 MAC 地址，根據 MAC 地址進行轉發。

IP 多播

在一對多的通訊中，多播不需要將分組複製多份，從而大大節約網路資源。

虛擬專用網 VPN

由於 IP 地址的緊缺，一個機構能申請到的 IP 地址數往往遠小於本機構所擁有的主機數。並且一個機構並不需要把所有的主機接入到外部的網際網路中，機構內的計算機可以使用僅在本機構有效的 IP 地址（專用地址）。

有三個專用地址塊：

1. 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
2. 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
3. 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

VPN 使用公用的網際網路作為本機構各專用網之間的通訊載體。專用指機構內的主機只與本機構內的其它主機通訊；虛擬指“好像是”，而實際上並不是，它有經過公用的網際網路。

下圖中，場所 A 和 B 的通訊部經過網際網路，如果場所 A 的主機 X 要和另一個場所 B 的主機 Y 通訊，IP 資料報的源地址是 10.1.0.1，目的地址是 10.2.0.3。資料報先發送到與網際網路相連的路由器 R1，R1 對內部資料進行加密，然後重新加上資料報的首部，源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3，目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到資料報後將資料部分進行解密，恢復原來的資料報，此時目的地址為 10.2.0.3，就交付給 Y。

網路地址轉換 NAT

專用網內部的主機使用本地 IP 地址又想和網際網路上的主機通訊時，可以使用 NAT 來將本地 IP 轉換為全球 IP。

在以前，NAT 將本地 IP 和全球 IP 一一對應，這種方式下擁有 n 個全球 IP 地址的專用網內最多隻可以同時有 n 臺主機接入網際網路。為了更有效地利用全球 IP 地址，現在常用的 NAT 轉換表把運輸層的埠號也用上了，這樣可以使得多個專用網內部的主機共用一個全球 IP 地址。使用埠號的 NAT 也叫做網路地址與埠轉換 NAPT。

第五章 運輸層*

網路層只把分組傳送到目的主機，但是真正通訊的並不是主機而是主機中的程序。

運輸層提供了應用程序間的邏輯通訊。運輸層向高層使用者遮蔽了下面網路層的核心細節，使應用程式看見的好像在兩個運輸層實體之間有一條端到端的邏輯通訊通道。

UDP 和 TCP 的特點

使用者資料包協議 UDP（User Datagram Protocol）傳輸控制協議 TCP（Transmission Control Protocol）

UDP 是無連線的，盡最大可能交付，沒有擁塞控制，面向報文（對於應用程式傳下來的報文不合並也不拆分，只是新增 UDP 首部）。

TCP 是面向連線的，提供可靠交付，有流量控制，擁塞控制，提供全雙工通訊，面向位元組流（把應用層傳下來的報文看成位元組流，把位元組流組織成大小不等的資料塊）

UDP 首部格式

首部欄位只有 8 個位元組，包括源埠、目的埠、長度、檢驗和。12 位元組的偽首部是為了計算檢驗和而臨時新增的。

TCP 首部格式

序號 ：用於對位元組流進行編號，例如序號為 301，表示第一個位元組的編號為 301，如果攜帶的資料長度為 100 位元組，那麼下一個報文段的序號應為 401。

確認號 ：期望收到的下一個報文段的序號。例如 B 正確收到 A 傳送來的一個報文段，序號為 501，攜帶的資料長度為 200 位元組，因此 B 期望下一個報文段的序號為 701，B 傳送給 A 的確認報文段中確認號就為 701。

資料偏移 ：指的是資料部分距離報文段起始處的偏移量，實際上指的是首部的長度。

確認 ACK ：當 ACK=1 時確認號欄位有效，否則無效。TCP 規定，在連線建立後所有傳送的報文段都必須把 ACK 置 1。

同步 SYN ：在連線建立時用來同步序號。當 SYN=1，ACK=0 時表示這是一個連線請求報文段。若對方同意建立連線，則響應報文中 SYN=1，ACK=1。

終止 FIN ：用來釋放一個連線，當 FIN=1 時，表示此報文段的傳送方的資料已傳送完畢，並要求釋放運輸連線。

視窗 ：視窗值作為接收方讓傳送方設定其傳送視窗的依據。之所以要有這個限制，是因為接收方的資料快取空間是有限的。

TCP 的三次握手

假設 A 為客戶端，B 為伺服器端。

1. 首先 B 處於 LISTEN（監聽）狀態，等待客戶的連線請求。
2. A 向 B 傳送連線請求報文段，SYN=1，ACK=0，選擇一個初始的序號 x。
3. B 收到連線請求報文段，如果同意建立連線，則向 A 傳送連線確認報文段，SYN=1，ACK=1，確認號為 x+1，同時也選擇一個初始的序號 y。
4. A 收到 B 的連線確認報文段後，還要向 B 發出確認，確認號為 y+1，序號為 x+1。
5. B 收到 A 的確認後，連線建立。

TCP 的四次揮手

以下描述不討論序號和確認號，因為序號和確認號的規則比較簡單。並且不討論 ACK，因為 ACK 在連線建立之後都為 1。

1. A 傳送連線釋放報文段，FIN=1；
2. B 收到之後發出確認，此時 TCP 屬於半關閉狀態，B 能向 A 傳送資料但是 A 不能向 B 傳送資料；
3. 當 B 要不再需要連線時，傳送連線釋放請求報文段，FIN=1；
4. A 收到後發出確認，此時連線釋放。

TIME_WAIT

客戶端接收到伺服器端的 FIN 報文後進入此狀態，此時並不是直接進入 CLOSED 狀態，還需要等待一個時間計時器設定的時間。這麼做有兩個理由：

1. 確保最後一個確認報文段能夠到達。如果 B 沒收到 A 傳送來的確認報文段，那麼就會重新發送連線釋放請求報文段，A 等待一段時間就是為了處理這種情況的發生。
2. 可能存在“已失效的連線請求報文段”，為了防止這種報文段出現在本次連線之外，需要等待一段時間。

TCP 滑動視窗

視窗是快取的一部分，用來暫時存放位元組流。傳送方和接收方各有一個視窗，接收方通過 TCP 報文段中的視窗欄位告訴傳送方自己的視窗大小，傳送方根據這個值和其它資訊設定自己的視窗大小。

傳送視窗內的位元組都允許被髮送，接收視窗內的位元組都允許被接收。如果傳送視窗左部的位元組已經發送並且收到了確認，那麼就將傳送視窗向右滑動一定距離，直到左部第一個位元組不是已傳送並且已確認的狀態；接收視窗的滑動類似，接收視窗左部位元組已經發送確認並交付主機，就向右滑動接收視窗。

接收視窗只會對視窗內最後一個按序到達的位元組進行確認，例如接收視窗已經收到的位元組為 {31, 32, 34, 35}，其中 {31, 32} 按序到達，而 {34, 35} 就不是，因此只對位元組 32 進行確認。傳送方得到一個位元組的確認之後，就知道這個位元組之前的所有位元組都已經被接收。

TCP 可靠傳輸

TCP 使用超時重傳來實現可靠傳輸：如果一個已經發送的報文段在超時時間內沒有收到確認，那麼就重傳這個報文段。

一個報文段從傳送再到接收到確認所經過的時間稱為往返時間 RTT，加權平均往返時間 RTTs 計算如下：

超時時間 RTO 應該略大於 RRTs，TCP 使用的超時時間計算如下：

其中 RTT_d 為偏差，它與新的 RRT 和 RRTs 有關。

TCP 流量控制

流量控制是為了控制傳送方傳送速率，保證接收方來得及接收。

接收方傳送的確認報文中的視窗欄位可以用來控制傳送方視窗大小，從而影響傳送方的傳送速率。例如將視窗欄位設定為 0，則傳送方不能傳送資料。

TCP 擁塞控制

如果網路出現擁塞，分組將會丟失，此時傳送方會繼續重傳，從而導致網路擁塞程度更高。因此當出現擁塞時，應當控制傳送方的速率。這一點和流量控制很像，但是出發點不同。流量控制是為了讓接收方能來得及接受，而擁塞控制是為了降低整個網路的擁塞程度。

TCP 主要通過四種演算法來進行擁塞控制：慢開始、擁塞避免、快重傳、快恢復。傳送方需要維護有一個叫做擁塞視窗（cwnd）的狀態變數。注意擁塞視窗與傳送方視窗的區別，擁塞視窗只是一個狀態變數，實際決定傳送方能傳送多少資料的是傳送方視窗。

為了便於討論，做如下假設：

1. 接收方有足夠大的接收快取，因此不會發生流量控制；
2. 雖然 TCP 的視窗基於位元組，但是這裡設視窗的大小單位為報文段。

慢開始與擁塞避免

傳送的最初執行慢開始，令 cwnd=1，傳送方只能傳送 1 個報文段；當收到確認後，將 cwnd 加倍，因此之後傳送方能夠傳送的報文段為：2、4、8 ...

注意到慢開始每個輪次都將 cwnd 加倍，這樣會讓 cwnd 增長速度非常快，從而使得傳送方傳送的速度增長速度過快，網路擁塞的可能也就更高。設定一個慢開始門限 ssthresh，當 cwnd >= ssthresh 時，進入擁塞避免，每個輪次只將 cwnd 加 1。

如果出現了超時，則令 ssthresh = cwnd / 2，然後重新執行慢開始。

快重傳與快恢復

在接收方，要求每次接收到報文段都應該傳送對已收到有序報文段的確認，例如已經接收到 M₁ 和 M₂，此時收到 M₄，應當傳送對 M₂ 的確認。

在傳送方，如果收到三個重複確認，那麼可以確認下一個報文段丟失，例如收到三個 M₂ ，則 M₃ 丟失。此時執行快重傳，立即重傳下一個報文段。

在這種情況下，只是丟失個別報文段，而不是網路擁塞，因此執行快恢復，令 ssthresh = cwnd / 2 ，cwnd = ssthresh，注意到此時直接進入擁塞避免。

第六章 應用層*

域名系統 DNS

把主機名解析為 IP 地址。

被設計成分散式系統。

1. 層次結構

一個域名由多個層次構成，從上層到下層分別為頂級域名、二級域名、三級域名以及四級域名。所有域名可以畫成一顆域名樹。

域名伺服器可以分為以下四類：

(1) 根域名伺服器：解析頂級域名；

(2) 頂級域名伺服器：解析二級域名；

(3) 許可權域名伺服器：解析區內的域名；

區和域的概念不同，可以在一個域中劃分多個區。圖 b 在域 abc.com 中劃分了兩個區：abc.com 和 y.abc.com

因此就需要兩個許可權域名伺服器：

(4) 本地域名伺服器：也稱為預設域名伺服器。可以在其中配置快取記憶體。

2. 解析過程

主機向本地域名伺服器解析的過程採用遞迴，而本地域名伺服器向其它域名伺服器解析可以使用遞迴和迭代兩種方式。

迭代的方式下，本地域名伺服器向一個域名伺服器解析請求解析之後，結果返回到本地域名伺服器，然後本地域名伺服器繼續向其它域名伺服器請求解析；而遞迴地方式下，結果不是直接返回的，而是繼續向前請求解析，最後的結果才會返回。

檔案傳輸協議 FTP

FTP 在運輸層使用 TCP，並且需要建立兩個並行的 TCP 連線：控制連線和資料連線。控制連線在整個會話期間一直保持開啟，而資料連線在資料傳送完畢之後就關閉。控制連線使用埠號 21，資料連線使用埠號 20。

遠端終端協議 TELNET

TELNET 用於登入到遠端主機上，並且遠端主機上的輸出也會返回。

TELNET 可以適應許多計算機和作業系統的差異，例如不同作業系統系統的換行符定義。

全球資訊網 WWW

見 HTTP 筆記。

電子郵件協議

一個電子郵件系統由三部分組成：使用者代理、郵件伺服器以及郵件傳送協議和讀取協議。其中傳送協議常用 SMTP，讀取協議常用 POP3 和 IMAP。

POP3

POP3 的特點是隻要使用者從伺服器上讀取了郵件，就把該郵件刪除。

IMAP

IMAP 協議中客戶端和伺服器上的郵件保持同步，如果不去手動刪除郵件，那麼伺服器上的郵件也不會被刪除。IMAP 這種做法可以讓使用者隨時隨地去訪問伺服器上的郵件。IMAP 協議也支援建立自定義的資料夾。

SMTP

SMTP 只能傳送 ASCII 碼，而網際網路郵件擴充 MIME 可以傳送二進位制檔案。MIME 並沒有改動或者取代 SMTP，而是增加郵件主題的結構，定義了非 ASCII 碼的編碼規則。

動態主機配置協議 DHCP

DHCP 提供了即插即用的連網方式，使用者不再需要去手動配置 IP 地址等資訊。

DHCP 配置的內容不僅是 IP 地址，還包括子網掩碼、預設路由器 IP 地址、域名伺服器的 IP 地址。

工作方式如下：需要 IP 地址的主機廣播發送 DHCP 發現報文（將目的地址置為全 1，即 255.255.255.255:67，源地址設定為全 0，即 0.0.0.0:68），DHCP 伺服器收到發現報文之後，則在 IP 地址池中取一個地址，傳送 DHCP 提供報文給該主機。

點對點傳輸 P2P

把某個檔案分發的所有對等集合稱為一個洪流。檔案的資料單元稱為檔案塊，它的大小是固定的。一個新的對等方加入某個洪流，一開始並沒有檔案塊，但是能夠從其它對等方中逐漸地下載到一些檔案塊，與此同時，它也為別的對等方上傳一些檔案塊。

每個洪流都有一個基礎設施，稱為追蹤器。當一個對等方加入洪流時，必須向追蹤器登記，並週期性地通知追蹤器它仍在洪流中。可以在任何時間加入和退出某個洪流。

一個新的對等方加入洪流時，追蹤器會隨機從洪流中選擇若干個對等方，並讓新對等方與這些對等方建立連線，把這些對等方稱為相鄰對等方。接收和傳送檔案塊都是在相鄰對等方中進行。

當一個對等方需要很多檔案塊時，通過使用最稀有優先的策略來取得檔案塊，也就是一個檔案塊在相鄰對等方中副本最少，那麼就優先請求這個檔案塊。

當很多對等方向同一個對等方請求檔案塊時，該對等方優先選擇以最高速率向其傳送檔案塊的對等方。

P2P 是一個分散式系統，任何時候都有對等方加入或者退出。使用分散式散列表 DHT，可以查詢洪流中的資源和 IP 地址對映。

Web 頁面請求過程

1. 向 DNS 伺服器傳送 DNS 查詢報文來解析域名。

2. 開始進行 HTTP 會話，需要先建立 TCP 連線。

3. 在運輸層的傳輸過程中，HTTP 報文被封裝進 TCP 中。HTTP 請求報文使用埠號 80，因為伺服器監聽的是 80 埠。連線建立之後，伺服器會隨機分配一個埠號給特定的客戶端，之後的 TCP 傳輸都是用這個分配的埠號。

4. 在網路層的傳輸過程中，TCP 報文段會被封裝進 IP 分組中，IP 分組經過路由選擇，最後到達目的地。

5. 在鏈路層，IP 分組會被封裝進 MAC 幀中，IP 地址解析成 MAC 地址需要使用 ARP。

6. 客戶端傳送 HTTP 請求報文，請求獲取頁面。

7. 伺服器傳送 HTTP 相應報文，客戶端從而獲取該頁面。

8. 瀏覽器得到頁面內容之後，解析並渲染，向用戶展示頁面。

常用埠

參考資料

• 計算機網路 第七版
• 自頂向下計算機網路