计算机网络层次结构 miniWiki

0. 层次结构模型

0.1 七层 ISO/OSI 参考模型

0.2 四层 TCP/IP 模型

0.3 五层模型

1. 物理层

2. 数据链路层

3. 网络层

3.1 路由算法

分类

  • 静态路由算法：需管理员手工配置，适用于拓扑变化不大的小型网络。
  • 动态路由算法：路由器之间彼此交换信息，自适应地算出路由表项，适用于大型网络。
    • 全局性～：所有路由器掌握完整网络拓扑和链路费用信息，e.g. 链路状态路由算法
    • 分散性～：每个路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用，e.g. 距离向量路由算法

路由选择协议

  • 内部网关协议：RIP 或 OSPF
  • 外部网关协议：BGP-4

3.2 IPv4

数据报

struct IpHeader {
  /* [0, 4) */
  uint4_t version, header_length/* 4-Byte */;
  uint8_t service;
  uint16_t packet_length/* 1-Byte */;
  /* [4, 8) */
  uint16_t identifier;
  uint3_t tag;
  uint13_t offset/* 8-Byte */;
  /* [8, 12) */
  uint8_t life_time/* -- at each router */;
  uint8_t protocal/* TCP = 6, UDP = 17 */;
  uint16_t header_check_sum;
  /* [12, 16) */
  uint32_t source_ip;
  /* [16, 20) */
  uint32_t target_ip;
  /* [20, ..) */
  int[] optional_and_padding;
};

受数据链路层 MTU 限制，较长的 IP 数据报将被分为若干片：

  • 标识：同一数据报的所有分片使用同一标识
  • 标志：最高位不用；中间位记作 DF，表示 Don’t Fragment；最低位记作 MF，表示 More Fragments。
  • 片偏移：某片在原分组中的相对位置，以 8-Byte 为单位。

地址

IP 地址 = 网络号 + 主机号

特殊 IP 地址：

  • 【默认路由】网络号（剩余部分）全为 0，主机号全为 0，只可作源
  • 【特定主机】网络号（剩余部分）全为 0，主机号为特定值，只可作目标
  • 【网络名称】网络号为特定值，主机号全为 0
  • 【在本网内广播】网络号（剩余部分）全为 1，主机号全为 1，只可作目标
  • 【对某网络广播】网络号为特定值，主机号全为 1，只可作目标
  • 【回环地址】网络号为 127，主机号不全为 0 且不全为 1
类型 A B C D E
网络号大小 8-bit 16-bit 24-bit    
前几位 0 10 110 1110 1111
首字节范围 [1, 127) [128, 192) [192, 224) [224, 240) [240, 255)
可用网段数 $2^7-2$ $2^{14}-2$ $2^{21}-2$    
最大主机数 $2^{24}-2$ $2^{16}-2$ $2^{8}-2$    

私有地址

  • 【A 类】10.*.*.*，共 1 个网段
  • 【B 类】172.16.*.*~172.31.*.*，共 16 个网段
  • 【C 类】192.168.0.*~192.168.255.*，共 256 个网段

NAT

【网络地址转换 (Network Address Translation)】

  • 【WAN 口】global_ip:global_port
  • 【LAN 口】local_ip:local_port

子网

  • 两级 IP 地址：网络号 + 主机号（不全为 0 且不全为 1）
    • 子网掩码：A 类 255.0.0.0，B 类 255.255.0.0，C 类 255.255.255.0
  • 三级 IP 地址：网络号 + 子网号 + 主机号（不全为 0 且不全为 1）
    • 例：IP 地址 141.14.72.24，子网掩码 255.255.192.0，网络地址 141.14.64.0

3.3 IPv6

3.4 路由协议

4. 传输层

提供

  • 进程与进程之间的逻辑通信
  • 复用、分用
  • 差错检测

4.1 UDP

特点：无连接、首部开销小、尽最大努力交付（不可靠）

首部格式

struct UdpHeader {
  uint16_t source_port, target_port;
  uint16_t datagram_length, check_sum;
};

校验方式

struct PseudoHeader {
  uint32_t source_ip, target_ip;
  uint8_t zero = 0;
  uint8_t protocal = 17;  /* UDP */
  uint16_t datagram_length;
};

将伪首部 + UDP 报文段视为 uint16_t[]，以（二进制）反码之和的反码作为校验和：

  • 发送端：计算校验和时，以 0 作为 udp_header.check_sum 的值。
  • 接收端：所得校验和各位全为 1 则无差错。

4.2 TCP

特点：有连接、一对一、可靠交付、全双工、面向字节流

首部格式

struct TcpHeader {
  uint16_t source_port, target_port;
  uint32_t ack/* acknowledge number */;
  uint32_t seq/* sequence number */;
  uint4_t header_length/* 以 4B 为长度 */; uint6_t reserved;
  uint1_t URG/* URGent */, ACK/* ACKnowledge */, PSH/* PuSH */;
  uint1_t RST/* ReSeT */, SYN/* SYNchronize*/, FIN/* FINish */;
  uint16_t receive_window;
  uint16_t check_sum, urgent_ptr;
  uint32_t optional[];
};

连接管理

  • 连接请求（三次握手）：
    1. Client 向 Server 发送请求报文段（SYN=1, seq=x）
    2. Server 向 Client 发送确认报文段（SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1）
    3. Client 向 Server 发送确认报文段（ACK=1, seq=x+1, ack=y+1），可携带数据
  • 连接释放（四次挥手）：
    1. Client 向 Server 发送释放报文段（FIN=1, seq=u）
    2. Server 向 Client 发送确认报文段（ACK=1, seq=v, ack=u+1），进入半关闭状态（Server 仍可向 Client 传输数据）
    3. Server 向 Client 发送释放报文段（FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1）
    4. Client 向 Server 发送确认报文段 ACK=1, seq=u+1, ack=w+1，再等待 2 MSL（最长报文段寿命的两倍）
      • 若 Server 未收到 Client 的确认报文段 [4]，则向其重传释放报文段 [3]。
      • 若 Client 在 2 MSL 内未收到 Server 重传的报文段 [3]，则彻底释放连接。

可靠传输

  • 校验（同 UDP）
  • 序号
    • 字节序号：该字节在用户数据（字节流）中的序号
    • 报文段序号：该报文段的用户数据的首字节的序号
  • 确认
    • 确认号：期望收到对方的下一个报文段的（用户数据首字节）序号
    • 累积确认：只确认数据流中截至第一个丢失字节的部分（即序号取自 [0, ack) 的字节）
  • 重传
    • 超时重传：超过重传时间（略大于 RTT 的动态均值）仍未收到确认
    • 快速重传：发送端收到同一个报文段的三个冗余确认

流量控制

匹配接收端读取速率与发送端发送速率

  • 接收端：接收端缓存大小、读取速率有限，通过 tcp_header 向发送端许诺接收窗口 (receive window, rwnd)
  • 发送端：以 min(rwnd, cwnd) 为发送窗口 (send window, swnd) 的上限

拥塞控制

发送端按以下四种算法（窗口单位为 MSS，时间单位为 RTT）计算拥塞窗口 (congestion window, cwnd)：

  1. 慢开始：令 cwnd 从 1 开始（试探网络性能）指数增长 (*= 2)；若 cwnd >= ss_thresh，则改用拥塞避免 [2]。
  2. 拥塞避免：令 cwnd 线性增长 (+= 1)；若出现超时，则判定拥塞，取 ss_thresh = cwnd / 2，改用慢开始 [1]。
  3. 快重传：若收到三个冗余确认（触发快速重传），则（相对于超时提前）判定拥塞。
  4. 快恢复：取 ss_thresh = cwnd / 2，再令 cwnd 从 ss_thresh 开始线性增长。

5. 应用层