开发工具与关键技术：网络技术原理
作者：Itzhipan
撰写时间：2020.5.25
学习笔记：网络技术原理
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用集线器扩展以太网
优点：
（1）使原来属于不同碰撞的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
（2）扩大了以太网覆盖的地理范围。
缺点：
（1）碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
（2）如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。
以太网交换机的特点
（1）以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。通常都有十几个或更多的接口。
（2）每个接口都有直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
（3）以太网交换机具有并行性能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。
（4）相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
（5）以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
（6）以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
（7）以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。
以太网交换机的优点
（1）用户独享带宽，增加了总容量。
（2）从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件，适配器等都不需要做任何改动。
（3）以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。
以太网交换机的交换方式
（1）存储转发方式
把整个数据帧先缓存后在进行处理。
（2）直通方式
接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度。缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其它的站。
在某些情况下，需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配，协议转换或差错检测时。
端到端的以太网传输
以太网的工作范围已经从局域网（校园网，企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。
这种工作方式的好处有
（1）技术成熟；
（2）互操作性很好；
（3）在广域网中使用以太网时价格便宜；
（4）采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。
虚电路服务与数据报服务的对比
- 虚电路服务
思路：可靠通信应当由网络来保证。
连接的建立：必须有。
终点地址：仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号。
分组的转发：属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发
当结点出故障时：所有通过故障的结点的虚电路均不能工作。
分组的顺序：总是按发送顺序到达终点。
端到端的差错处理和流量控制：可以由网络负责，也可以由用户主机负责。
- 数据报服务
思路：可靠通信应当由用户主机来保证。
连接的建立：不需要。
终点地址：每个分组都有终点的完整地址。
分组的转发：每个分组独立选择路由进行转发
当结点出故障时：出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化。
分组顺序：到达终点时不一定按发送顺序。
端到端的差错处理和流量控制：由用户主机负责。
IP地址的一些重要特点
（1）IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：
第一，IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了IP地址的管理。
第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减少了路由表所占的存储空间。
（2）实际上IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。
- 当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号必须是不同的，这种主机称为多归属主机。
- 由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。
（3）用转发器或网桥连接起来的若干个局域网为一个网络，因此这些局域网都是具有同样的网络号net-id。
（4）所有分配到网络号net-id的网络，无论是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。
地址解析协议ARP
通信时使用了两个地址
（1）IP地址（网络层地址）
（2）MAC地址（数据链路层地址）
路由器分组转发算法
（1）从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址为N。
（2）若网络N与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机D；否则是间接交付，执行（3）。
（3）若路由表总有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行（4）。
（4）若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行（5）。
（5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行（6）。
（6）报告转发分组出错。
划分子网的基本思想
（1）划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。
（2）从主机号借用若干个位作为子网号subnet-id，而主机号host-id也就相应减少了若干个位。
（3）凡是从其它网络发送给本单位某个主机的IP数据报，仍然是根据IP数据报的目的网络号net-id,先找到连接在本单位网络上的路由器。
（4）然后此路由器在收到IP数据报后，再按目的网络号net-id和子网号subnet-id找到目的子网。
划分子网后变成了三级结构
优点：
（1）减少了IP地址的浪费。
（2）使网络的组织更加灵活。
（3）更便于维护和管理。
划分子网纯属一个单位内部的事情，对外部网络透明，对外仍然表现为没有划分子网的一个网络。
子网掩码
（1）从一个IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。
（2）使用子网掩码可以找出IP地址中的子网部分。
规则
（1）子网掩码长度 = 32位
（2）某位 = 1 ：IP地址中的对应位为网络号和子网号。
（3）某位 = 0 ：IP地址中的对应位为主机号
子网掩码是一个重要属性
（1）子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。
（2）路由器在和相邻路由器交换路由信息时，不须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。
（3）路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码。
（4）若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个子网络地址和两个子网掩码。
RIP协议的优缺点
优点：
实现简单，开销较小。
缺点：
（1）RIP限制了网络的规模，它能使用的最大距离为15.
（2）路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，
（3）使坏消息传播得慢，是更新过程的收件时间过长。
两大类端口
（1）服务器端使用的端口号
熟知端口，数值一般为0-1023。登记端口号，数值为1024-49151，为没有熟知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的端口号必须在IANA登记，以防止重复。
（2）客户端使用的端口号
又称为短暂端口号，数值为49152-65535，留给客户进程选择暂时使用。当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后，这个端口号可供其他客户进程以后使用。
UDP的主要特点
（1）UDP是无连接的，发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
（2）UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。
（3）UDP是面向报文的。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。UDP一次交付一个完整的报文。
（4）UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的，很适合多媒体通信的要求。
（5）UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。
（6）UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。
TCP最主要的特点
（1）TCP是面向连接的运输层协议。
（2）每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的（一对一）。
（3）TCP提供可靠交付的服务。
（4）TCP提供全双工通信。
（5）面向字节流
TCP中的“流”指的是流入或流出进程的字节序列。“面向字节流”的含义是：虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块，但TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串无结构的字节流。
TCP面向流的概念
（1）TCP不保证接收方应用程序所收到的数据块和发送方应用程序所发出的数据块具有对应大小的关系。
（2）但接收方应用程序收到的字节流必须和发送方应用程序发出的字节流完全一样。
注意
（1）TCP连接是一条虚连接而不是一条真正的物理连接。
（2）TCP对应用进程一次把多长的报文发送到TCP的缓存中是不关心的。
（3）TCP根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP发送的报文长度是应用进程给出的）。
（4）TCP可把太长的数据块划分短一些再传送。
（5）TCP也可等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。
TCP的连接
（1）TCP把连接作为最基本的抽象。
（2）每一条TCP连接有两个端点。
（3）TCP连接的端点不是主机，不是主机的IP地址，不是应用进程，也不是运输层的协议端口。TCP连接的端点叫做套接字或插口。
（4）端口号拼接到IP地址即构成了套接字。
套接字
套接字socket = （IP地址 ： 端口号）
每一条TCP连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）
所确定。即：
TCP连接：：={socket1,socket2}
={（IP1：port1），（IP2：port2）}
理想的传输条件特点
理想的传输条件有以下两个特点：
（1）传输信道不产生差错。
（2）不管发送方以多快的速度发送数据，接收方总是来得及处理收到的数据。
在这样的理想传输条件下，不需要采取任何措施就能够实现可靠传输。
然而实际的网络都不具备以上两个理想条件。
必须使用一些可靠传输协议，在不可靠的传输信道实现可靠传输。
信道利用率
停止等待协议的优点是简单，缺点是信道利用率太低。
信道利用率：
连续ARQ协议
（1）滑动窗口协议比较复杂，是TCP协议的精髓所在。
（2）发送方维持的发送窗口，它的意义是：位于发送窗口内的分组都可连续发送出去，而不需要等待对方的确认。这样，信道利用率就提高了。
（3）连续ARQ协议规定，发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。
累计确认
接收方一般采用累积确认的方式。即不必对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。
优点：容易实现，即使确认丢失也不必重传。
缺点：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。
总结
以上对于以太网等优缺点的总结，为了更好地了解以太网相关知识原理。以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问机制。以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播网络！！！