通信网络系统基础

总成绩 = 平时 50% + 期末（开卷） 50%

教学内容：网络系统架构、网络基本技术、网络新技术

一、通信网络系统架构

1. 理解网络体系结构系统性思想与理念

• 网络体系结构

  • What

    • 网络分层结构、服务与协议的集合
    • 内容——分层结构模型、层间接口、各层协议

  • Why

    • 相互通信非常复杂、将复杂问题简单化、网络功能分层

  • 层次结构的三个部分

    • 信息通信——端端信息交换通信
    • 网际通信——网络层协议决定了通信方式和路由形式
      • 网络层是核心层次：承上启下、全局通信与控制
      • 不同的网络层及协议，决定了不同网络的通信模式和路由模式，也决定了网络的通信性能
    • 数据通信——底层通信网络或系统，对高层信息承载与传递
      • 通常称为物理网络（底层通信网络），是一种独立的网络形式
      • 通常是二层以及以下层，隧道也是物理网络

  • OSI 参考模型**（抽象）**

    • 服务：指明本层要为上层做什么，但并不指明要如何做
    • 接口：指明层间交互的参数、内容、以及访问方式
      • 服务访问点——描述上下实体间数据传递关系
        • 上层通过 SAP 向相邻下层请求服务，下层通过 SAP 向上层提供服务
        • 协议实体对上提供了多个并行的服务（一个 SAP 对应一个上层实体）
        • 上层实体只关联一个下层实体提供的服务
      • 层间通信通过原语实现
    • 协议：指明协议是实现服务和本层功能的主体，但并不指明用什么协议
      • 协议——对等实体之间通信（对话）使用的一组规则和约定

  • TCP/IP 参考模型**（具体）**

    • 特点：在传输层和网络层定义具体的主协议，并描述协议的具体细节

    • 思想：网络层用 IP 协议将不同的物理网互连起来，从而实现 IP 分组从源端到目的端的传递

    • 物理网取代 L1 和 L2，涵盖了更广泛的内容：

      1、退化为 OSI 模型的 L1、L2 和传输介质

      2、物理网涵盖: 通信系统、或通信网络，甚至可以是 TCP/IP 网络

      3、物理网具备更灵活多样的组网和通信能力，不同于简单的传输介质

2. 理解网络协议体系与协议栈

对等实体：通信双方的同层且执行相同协议的实体
协议：对等实体间的对话规则

• 协议

  • 定义：计算机网络中通信双方所遵守的规则、标准或约定的集合
  • 基本模型：实体、服务、对话

• 协议的对话——三要素：

  • 语法：信息的格式（由哪几部分组成）
  • 语义：信息的含义及控制信息（各部分的具体含义）
  • 时序：信息交换的步骤与顺序等

• 协议栈

  • 一个节点（主机，路由器等）不同层协议的集合称为协议栈
  • 每层可能多个协议实体，每个实体独立并行运行，实现本层功能

• 协议体系

  • 纵向结构：设备协议栈——各层协议的集合，描述数据传递关系（层间通信）—— 实通信
    • 上下层协议实体之间的通信 —— 称为服务
    • 通过服务访问点实现上下层协议实体之间的通信
      • 上下层协议实体并不知晓对方协议细节
      • 通过清晰定义接口功能（SAP）来实现通信
  • 横向结构：各层协议对等交互关系，对等实体之间通信 —— 虚通信（透明通信）
    • TCP：端到端对话，用TCP报文
    • IP：逐跳对话，用IP报文
    • 链路：分段对话，用数据帧、
  • 层间实体通信与对等实体通信的关系
    • 实质就是实通信与虚通信的关系
    • 实通信：0发送方向下逐层封装，接收方向上层逐层解封
    • 实通信是实现虚通信的基础

• 协议类型

  • 通信型协议（主协议）
    • 提供通信服务的协议，为其它实体提供分组传递服务
    • MAC、IP、TCP、UDP等协议
    • 提供多条分组传递服务路径，即通过复用实现高层协议分组的并行传输
    • 使用别的协议提供的分组传递服务
    • 具有上下的通道 (接口)
      • 使用 SAP Notation 来保证对等关系
  • 功能型协议（辅助协议）
    • 实现某些功能、不提供通信服务
    • ARP、ICMP等协议
    • 产生分组或消化分组
    • 使用别的协议提供的分组传递服务
    • 通常只有向下的通道 (接口)，没有向上的通道 (接口)

• 协议栈构建准则

  • 准则1：对等实体准则
    • 需要知道一个协议实体在与谁进行对话
    • 否则，这个协议实体也没有存在的必要了
  • 准则2：上下实体独立准则
    • 实体不必关心 SAP 上面究竟放置了哪些实体
    • 注：同层实体也可能构成上下实体关系
  • 准则3：透明传输准则
    • 对等实体间可传递任意数据、接收内容=发送内容

• 模块化思想

  • 尽管可以设计地完善，但若能划分成一个主协议 (通信型) 和若干辅助协议 (功能型) 可以提高协议性能
  • 辅助 (功能型) 协议为主协议功能的增加、补充和修改提供了灵活的手段

3. 理解并掌握网络拓扑的概念

• 网络拓扑结构

  • 网络系统组成的抽象表达
  • 物理拓扑
    • 网络节点互连形成的结构
  • 逻辑拓扑
    • 建立在物理拓扑之上的数据流通路形成的结构

• 在实际应用中，可以按需构建不同的网络拓扑

  • 针对大网，逻辑分割化块 —— 逻辑结构

    • 网络，总有它的属主，多个属主的网络互联起来形成更大规模的网络，这就是：网际网 (Internetwork)、因特网 (Internet，基于TCP/IP技术的网际网)
    • 特点
      • 拓扑结构简化，还可人为组织
      • 尺度伸缩性强，大可覆盖全球，小可在几台计算机
      • 更容易把握网络技术 (网内技术、网间技术)
    • 问题
      • 网间链路评估问题
      • 网内穿越评估问题

  • 根据不同功能构建网络 —— 功能结构

    • 因特网服务提供商(ISP)：根据向用户提供服务，布局网络功能
      • 接入网、汇聚网、核心网、数据中心网、…

  • 根据特定通信构建网络 —— 通信结构

    • 无线局域网、无线广域网、按需布局网络拓扑等

    • 通信系统之上的网络

      • 数据通信 ——可在任意两点间部署数据传输通道
      • 组网 ——根据需要部署传输通道和路由器
      • 按需构建网络的拓扑结构

• 分层拓扑

  • 为了应对日益扩大的网络
  • 路由问题：
    • 路由也需要分层，反过来会影响拓扑的分层
    • 网内路由、域内路由、域间路由、区间路由、区内路由

• Internet 网络结构

  • Internet 是一个巨型复杂系统，过去认为它的拓扑结构是一个随机网络，后来测试结果发现与随机网络预测不符，而是一个无尺度网络
    • 随机网络：节点的连接数是随机分布的（正态分布）
    • 无尺度网络 (Scale free)： 少数节点具有很高连接数 (集散节点)，连接分布遵循“幂次定律”
      • 任何节点与其它k个节点连接概率，与1/k成正比(无尺度特性)
      • 可承受意外故障，无法抗拒协同式攻击

4. 了解不同通信体制网络的协议结构

• LTE/4G 网络结构

  • 4G/5G与计算机网络相比

    • 网络结构不同

      • 计算机网络：多种网络拓扑
      • 4G/5G：蜂窝网

    • 网络协议栈不同

      • 计算机网络：TCP/IP协议栈
      • 4G/5G：4G/5G协议栈+TCP/IP

    • 网络控制方式不同

      • IP：分布式控制
      • 4G/5G：集中式+分布式控制

  • 网络架构：核心网 + 接入网

    • 核心网：EPC —— IP分布式结构
    • 接入网：E-UTRAN

  • 根据需求设计网络结构

    • 用户数据的需求
      • 方便传输
      • 资源访问快捷
      • 需要分布式架构
    • 控制信息的需求
      • 传输可靠
      • 便于决策和控制
      • 需要集中式架构
    • E-UTRAN：扁平化 + IP 化
      • 降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延
      • 便于 eNB 之间的数据直传
    • E-UTRAN 与 EPC 之间：eNB 与 MME/S-GW 具有灵活的连接
      • 便于漫游/切换
    • EPC：全 IP 化
      • 便于接入互联网

  • 协议栈中的两层 IP

    • 下层的 IP 通过隧道提供物理网络支持，能够更好支持 4G 网络内部的各种信息服务
    • 上层的 IP 建立在隧道之上，为了方便接入互联网

  • 选用 UDP 与 SCTP 的问题

    • 数据服务使用 IP + UDP，一是因为 EPC 中使用有线连接，二是上层能够提供可靠性保障
    • 信令使用 IP + SCTP，主要是因为信令不重传，需要下层的 SCTP 提供可靠性保障

5. 具备初步的网络系统架构分析和设计能力

• 网络功能部署

  • “足够就好”

    • 在网络级别上能够完整实现某些功能且能够减少主机负担，则可在网络上部署该功能，否则不可

  • “除非必要”

    • 尽可能在端系统上实现
    • 尽可能保持网络的简单，快速转发
    • 保持灵活性

  • “如果有用”

    • 能在主机上层实施的功能，交给较低的层次来实施的话，只能作为性能提升的手段

• 网络三平面架构

  • 传送平面

    • 基本的用户业务承载数据传送功能，也称数据平面或用户平面

  • 管理平面

    • 执行系统管理功能

  • 控制平面

    • 强化网络运营的控制特性

二、通信网络协议技术

• 协议的服务

  • 服务通过对上提供的接口来实现
  • 只有主协议（通信型协议）才有服务
  • 实体提供多个服务接口，使用不同的序号标识不同的分组流
  • 一般的实体只使用一个下层实体提供的服务，但网络协议实体和应用实体可以使用多个实体提供的服务

• 语义的表示

  • 定位编码法**（首选）**
    • 用固定字节数存放信息内容
      • 每种信息在固定位置、占固定字节长度
      • 用编码形式表示信息内容
    • 固定字节位置存放固定 Key 的内容
      • 优点：占用空间小，内容为机器所理解
    • 协议PDU形式
      • 情况1：一种协议、一种报文
      • 情况2：一种协议、多种报文格式
    • 特定参数存放在特定位置
    • 处理高效、扩展不易
  • 变长编码法
    • 每个域用三字段表示 TLV(Type, Length, Value)
    • 某个 L 出错，会导致后面的域跟着出错
      • 多次用 TLV 对内容进行分组
    • 当遇见变长的内容且内容长度变化幅度较大时，可考虑采用TLV编码
  • 文字表述法
    • 用可显式字符串表示分组各个域（XML等）
    • 特点
      • 技术支撑好：解释型，有高级语言编译技术的支撑
      • 弹性大：域的多少、域的位置可灵活变化
      • 扩展性强：可随时增加新的域(更新解释程序)，旧的解释程序直接忽略不认识的域

• 协议交互类型

  • 无应答交互
    • 无状态交互
    • 在 $T_p$ 之后即可发送下一报文，交互能力可达发送容量 $R_p$
    • 不受 RTT 的影响、不受发送失败影响
    • 有 PDU 错误 (丢失) 问题，概率为 $P_f$
  • 简单应答交互
    • 有状态交互
    • 发方不能连续发送，交互能力减小
    • 下一次交互必须等前一次交互结束后才能发生
  • 序列可靠交互
    • 有状态交互
      • 约束：等待、重传、顺序
    • 连续若干个分组，彼此存在前后顺序的逻辑关系，要求可靠地传递到对方
      • 停等协议
      • 回退 N 协议
      • 选择性重传协议
    • 特性与简单应答相似，但存在终止通信的概率

• 面向连接与无连接协议

  • 面向连接——电路交换、虚电路交换
    • 建立一条从源到目的的电路/虚电路(可能包含多个子网的电路/虚电路)
      • 一条电路/虚电路的特性将继承各网络中最差的那段
      • 所有网络最好具有大致相同的特性
  • 无连接——数据报
    • 在互联网层面上无法提供可靠性
      • 对网络的多样化适应性强
      • 既适应无连接网络，也适应采用面向连接技术的网络之间的互联
  • 电路交换
    • 在源和目的之间建立一条专用通路，通信期间信道独占
    • 通信过程有三个阶段: 连接建立，数据传输，连接拆除
    • 面向流，数据在经过交换节点时处理时延很短，整个通信过程几乎只有传播延迟
    • 特点： 信道独占，顺序到达，交换时延短，几乎无时延抖动，信道利用率低
  • 分组交换——虚电路、数据报
    • 以分组为单位：将待传数据切分成较小的分组
    • 各分组在每个交换节点上：存储转发
    • 通信采用统计时分复用，不独占信道资源
    • 特点：信道不独占，信道利用率高，可能高时延（存储转发、寻径导致的过站延时），可能丢分组，对于数据报交换可能乱序到达

• 协议设计

  • 可靠性
    • What
      • 差错控制、流量控制、顺序控制
    • How
      • 面向连接、重发机制、确认机制、PDU编号、流控机制
  • 健壮性
    • What
      • 对网络中出现意外或设备故障情况下的适应性或应变能力
    • IP 健壮但不可靠
  • 网络拥塞
    • 流量控制
      • 避免一个快速发送者用分组淹没慢速接收者
    • 拥塞控制
      • 避免一组发送者用分组淹没网络
    • 开环控制（拥塞预防）与闭环控制（拥塞处理）
    • TCP 拥塞控制
      • TCP 协议的发送窗口最初是为流量控制设计的，后面的扩展让窗口与拥塞控制联系起来
        • CWnd：拥塞窗口（动态调整，拥控）
        • RWnd：接收窗口（对方接收缓冲区的尺寸，流控）
      • 过大的窗口产生的危害远远高于过小窗口产生的危害
        • 过大窗口：分组被网络丢失造成重传
        • 过小窗口：吞吐量有些低而已
        • 慢增快减
        • 慢启动 + AIMD
          • 慢启动：收到每个 ACK 时，CWnd += 1（成功发送窗口内的数据后 CWnd 翻倍）
          • 门限：CWnd 上升到门限时，转为 AIMD 过程
          • AI：成功发送窗口内的数据，CWnd += 1
          • MD：超时后，门限 = CWnd/2，CWnd = 1
        • TCP Reno
          • 快速重传：当收到 3 个重复的 Ack 后，立即开始重传 (不必等超时)
            • Threshold = CWnd/2
            • CWnd = Threshold

三、中继交换原理

• 中继

  • 从一个端口接收 PDU，从另一个端口转发出去

  • 协议内中继

    • 协议对话、中继协议 PDU
    • 中继方式：PDU中继
      –协议掌握PDU的内容
      –用首部信息转发PDU

  • 协议外中继

    • 借助协议外部的中继，中继 DU

      • 不同协议间的中继

    • 中继方式：DU中继
      –中继不掌握DU内容
      –用ICIx信息转发DU

    • 可以实现协议转换

    • 条件

      1、实现两种地址空间的某种映射关系（IPv4 可以中继到 IPv6，MAC 无法向 PPP 映射）
      2、实现两种协议的 SAP 间的某种映射关系（要求中继实体了解所中继的 DU 是什么）

      3、实现不同最大传输单元 (MTU) 的适配（中继实体没有对等实体，难以实现分片重组）

  • 数据链路层都是协议外中继

    • 同种协议中继
    • 跨协议中继

  • 网络层两种中继都有

    • 协议内中继 — 网络协议的组网、路由、转发 (路由器)
      • IP 中继实体内嵌于 IP 实体
    • 协议外中继 — 从一种网络进入另一种网络 (网关)
    • 在网络层对异构物理网络做协议外中继，相当于协议覆盖

  • 传输层的通信端点无中继功能，传输层中继是使用代理的方式对应用通信进行中继（ssh、Nginx）

    • TCP中继：可理解为两段TCP的“级联”，优点就是 Nginx

  • 中继实体不是协议实体（没有对等实体）

• 中继性能

  • 中继性能指标
    • 吞吐量：处理的分组数/秒
    • 服务质量：实时性、公平性等
  • 影响中继性能的主要因素
    • 入、出排队等待时延
    • 交换的处理能力
    • 容量（含队列存储容量，交换容量）
  • QoS: 典型服务质量指标
    • 传输延时
    • 延时抖动
    • 恒定流量: 保证传输速率
    • 额定流量、最低流量：保证传输

• 中继选路算法

  • 查表匹配算法 FIB
    • 依次为每个分组查表匹配 (集中式串行处理)
    • 算法性能：假设平均每个分组需v次查表实现匹配，则要求中继系统查表速度：Cv
    • 提升性能：逐跳修改 SMAC 和 DMAC（增加跳数，减少表项）
  • 以太网交换机 FIB 算法
    • 问题：地址空间巨大、占用的MAC地址在空间中稀疏分布
    • FIB 中仅存放当前已知站点的 MAC
      • 基于源地址学习方法
      • 加入老化时间，让 FIB 表动态更新，删除过旧的信息
    • 使用 HASH 来快速匹配
      • FIB 中依然需要保存 MAC 地址，避免多个地址出现相同的 HASH 值
    • 以太网交换机处理效率很高
      • 存在不同MAC的hash冲突问题
      • 1G/10G/100G以太网上都容易实现大容量交换
  • IP 路由器 FIB 算法
    • 问题：全局范围内所有的 IP 地址都是潜在的目的地址，表项极多
    • 综合多种手段，提升FIB算法的效率
      • 手段1：子网地址取代目标IP地址，压缩表项数
      • 手段2：缺省路由 (default route)
      • 手段3：并行搜索
      • 手段4：优化FIB搜索算法
    • 路由器处理效率最低，吞吐率最低
      • 超高速互联网上难以担当重任
      • 部署在超高速分组交换网的边缘
  • MPLS 交换机 FIB 算法
    • MPLS是一种标签交换技术
      • 分组首部只有一个2字节的标签域
      • 12bit的标签值 、4bit 控制信息
    • MPLS处理效率最高
      • 可满足超高速互联网中的分组交换

• 中继排队模型

  • 排队算法的一般模型包括三个算法
    • 分类 —— 进入不同的队列算法
    • 资源 —— 队列缓冲区资源分配算法
    • 调度 —— 输出调度算法
  • IQ
    • 分组先进入各队列，仅允许各队首到不同输出端口的分组进入交换矩阵
    • 有队首阻塞 HOL
  • OQ
    • 分组直接进入交换矩阵，在输出端口排队
    • 交换矩阵需要存储转发
    • 优选
  • VOQ
    • 既想要 IQ 交换矩阵的简洁性，又想要 OQ 的交换性能
    • 在一个物理通道上（一个 Crossbar 端口），面向多个输出方向实现多个虚拟输出队列
      • 在 IQ 的每个入口处把数据分流了，避免了 HOL
    • 性能趋于 OQ
      • 如果分组流是突发的，但缓冲区无限大，或分组流是均匀达到的
  • 经典排队算法
    • FIFO
    • 优先级排队 PQ
      • PDU按优先级排到不同的队列中；只有当高优先级队列为空，才传下一低优先级；当有高优先级分组到达，“马上”转到高优先级。
      • 问题
        • 过于重优轻慢的问题
          • 带宽的有效速率一方面看分组的优先级，另一方面看到达速率
        • 低优先级的分组被拖延现象
    • 分类排队 CQ
      • 将单一优先级分类改变成一般分类概念进行排队，并为各队列分配适当的流量比例额度
      • 问题
        • 如何对语音和数据进行分类？
        • 队列额度高、队列短问题
        • 需要相当量的手工配置和调节
    • 公平队列调度 FQ
      • 公平地服务每个队列 ，分组越长，得到的服务越多
      • 分组分类上进行调节
        • 按业务流区分，轮询取每个队列的分组进行服务
        • 可以调整入队的方式来实现公平
    • 加权公平队列调度 WFQ
      • FQ 通过加权，对各个队列实现一定水平的配额分配

四、IP 组网原理

4.1 IP 编制技术

1. IPv4/v6编址技术：分类、表示方法、特殊IP地址及用途

• IPv4
  • 分类编址（2级）
    • 极大的地址空间浪费
  • 子网编址（3级）
    • 一般针对 A、B 类地址
    • 使用掩码来确定网络地址
    • 分级路由：递交至网络 -> 递交至子网 -> host
  • 超网
    • 一般针对 C 类地址
    • 聚合的 C 类网个数是2的乘方
    • 可用于大型组织的地址申请，或者路由聚合
  • 无分类编址（2级）
    • 子网和超网依旧属于分类编址
    • 使用可变长地址块，每个地址块的地址数量必须是2的乘方
    • 两级编址：前缀 + 后缀
      • 使用 CIDR 指明前缀
    • 具有相同网络前缀的地址可以用1个网络地址来表示——路由聚合
  • 地址划分 P35
  • 多接口主机可以用同一网络的 IP 地址，但路由器各接口必须接入不同的 IP 网络
  • 特殊 IP P43
• IPv6
  • 无分类编址
    • 十六进制冒号记法
      • 忽略一个区（两个冒号间的4个数字）开头的零
      • 零压缩：使用双冒号替代连续的几个零区
        • 一个地址中只能使用一次双冒号
    • 混合表示法：十六进制冒号法 + 点分十进制法
    • CIDR记法：IPv6-address / prefix-length
  • 单播地址
    • 三种单播：
      • 全局单播：全局唯一
      • 本地链路单播：同一个交换机下唯一，不同于私有地址。在邻居交互时、维护链路信息时会用到。对应 MAC 地址，MAC 也是在交换机下唯一。
      • 本地单播：子网唯一的私有地址，对应 v4 的私有地址
    • 全球单播地址 2000::/8
      • 2^(128/8) 个地址用于全局公网单播
    • IPv4 兼容地址 0000::/8
      • 未指明地址 – ::/128
      • 环回地址 – ::1/128
      • 嵌入的IPv4地址
        • 兼容地址 – ::/96
        • 映射地址 – ::FFFF/96
    • 本地链路地址 FE80::/10
      • 定义每个网络接口
      • 用于自动配置与邻居发现
    • 唯一本地单播地址 FC00::/7
  • 多播地址 FF00::/8
    • IPv6认为广播是多播的一个特例
  • 任播地址
    • 定义共享一个地址的一组计算机
    • 发送到任播地址的分组被交付给这个组中最容易到达的那个计算机
    • 任播地址是从单播地址块中指派的
  • 三级结构
    • 全球路由选择前缀
    • 子网标识
    • 接口标识
      • 可以嵌入长度小于64位的物理地址
      • MAC 到 IPv6 的映射（P57）

2. NAT技术原理

• 实现机构内部通信的保密性

  • 专有网

  • 混合网络（内部通信使用专有网，外部通信使用 Internet）

  • VPN（使用 Internet 进行机构内部与外部通信）

    • 隧道：一条建立在 Internet 上的数据通道

    • 安全机制

      • Confidentiality 安全性、隐私性（不被第三方看见）
      • Sender Authentication 授权用户才能使用
      • Message Integrity 完整性（不被第三方伪造）

• NAT

  • 专网地址无法在公网上使用（不会被路由），需要进行地址转换
  • 基本 NAT
    • 一个本地地址对应一个全局地址
  • 端口 NAT（NAPT）
    • 多个本地地址对应一个全局地址上的不同端口
    • NAT 表中除了本地映射信息，还需要记录正在访问的公网主机的 IP 与端口，以及使用的传输层协议
    • Cone NAT（P81）
      • Full Cone NAT
        • 绑定好 NAT 端口后来者不拒
      • Address Restricted Cone NAT
        • 只能接收记录过 IP 的对象的包
      • Port Restricted Cone NAT
        • 只能接收记录过 IP 与端口的对象的包
    • Symmetric NAT
      • 不会完全绑定，针对不同外网主机，哪怕内网是同一个 IP 与端口，也会建立不同的 NAT 端口
    • 可用于 TCP 负载均衡
  • 限制：通信往往只能由内网主机（使用内网地址）主动发起
    • 外网访问内网服务器，需要进行 DDNS
    • 没有公网 IP 则需要进行内网穿透

3. IP地址与物理网地址的解析方法

• ARP
  • 基于广播，动态掌握物理网中站点的 IP 与物理地址之间的映射关系
  • 使用 ARP 缓存表来加速，定期清空有助于动态维护更新
  • 免费 ARP
    • 入网时可以用 ARP 解析自己想用的 IP 地址来避免冲突
  • ARP 欺骗攻击
    • 响应欺骗攻击
      • 中间人，窃取数据
    • 请求欺骗攻击
      • 持续广播，降低网络性能
    • 处理方法
      • 静态 ARP
      • VLAN
      • 数据加密
• 多播地址解析
  • 每个 IP 多播地址定义一个多播组
  • 利用物理网的多播或广播机制，在支持多播的物理网上实现多播
  • 直接把组播 IP 的最后 23 bits 映射到 MAC 的最后（前面 25 bits 为固定的，表示这是来自 ipv4 组播的映射），会让 32 个组播地址（28-23=5，2^5=32）映射成同一个MAC地址

4. IPv6的主机地址自动配置技术原理

• DHCP
  • 状态自动配置
  • C/S 模型，允许存在多个应答者，Client从中选择
  • 分配的地址是有租期的， Client可能需要续约
  • DHCP Client用UDP广播DHCP请求，DHCP服务器用UDP回答DHCP应答
  • DHCP 中继
    • 实现跨IP网络的动态IP分配
  • DHCP 欺骗攻击
    • 服务器和客户端没有认证机制
    • DHCP Snooping
      • 交换机 只转发信任端口的 DHCP OFFER/ACK/NAK报文，丢弃非信任端口的DHCPOFFER/ACK/NAK 报文，从而达到阻断非法DHCP服务器的目的
  • 其他安全问题（P128）
• IPv6 自动配置
  • Ipv6 将接口地址纳入 IP 地址内，只需要路由器提供前缀，就能使用无状态配置来自动生成 v6 地址
  • 接口地址能形成链路唯一地址，于是就可以发广播去向路由器请求网络前缀

5. 理解移动IP的编址问题及解决方案

• 移动 IP（P50）

  • 问题

    • IP 地址为固定网络设置，网络前缀与物理网络绑定
    • 主机移动导致的地址变更，会使得切换网络时通信中断

  • 归属地址

    • 永久地址：关联归属网络

  • 转交地址

    • 临时地址：关联外地网络

4.2 IP 分组传送技术

掌握IP分组的递交与转发概念

• 路由：找寻并维护到所有可能目的地的路径
  • 选择到所有可能目的地的路径
• 转发：查路由表（routing table）找到到达分组目的地的路径
  • 选择到特定分组目的地的路径
• 交付：在网络层控制下，底层物理网络对分组的发送处理
  • 直接交付（Direct delivery）
    • 分组目的地址与分组的发送接口在同一IP网络中
  • 间接交付（Indirect delivery）
    • 分组目的地址与分组的发送接口在不同IP网络中
• RIB 与 FIB
  • RIB 是由各种路由进程（执行路由协议）提供的信息来构建
  • 从RIB中的所有路由中选出最佳路由后，将它们复制到FIB

掌握单播和多播通信中的IP分组转发技术及其区别

• 广播：某个网络内
  • 本地广播：目的地址=全1地址
  • 转发：不转发
  • 网络广播：目的地址=网络广播地址
• 多播：跨网络
  • 目的地址=多播地址
  • 多播路由器在本地搜集组播成员，并在全局扩散它有哪个组播的成员
  • 加入指定的多播组
    • 每一个多播地址代表一个多播组
    • IP实体可同时加入多个多播组
• IGMP
  • 功能：帮助多播路由器创建和更新每个接口子网中的多播组成员列表 —— 本地多播组成员信息
  • 目标：路由器能够实时监控所在网络中存在哪些组播业务
  • 要实现基本功能
    • 路由器如何知道有哪些组播业务（关心哪个接口有业务）
    • 路由器如何实时监控
  • 基本工作原理
    • 主机将主动发送IGMP 成员关系报告报文到其要加入的组播组，以声明加入
    • IGMP 查询器周期性地以组播方式，向本地网段内的所有主机与路由器发送IGMP 查询报文（周期性轮询）
    • 在收到该查询报文后，关注G1 的Host B 与Host C 其中之一(这取决于谁的延迟定时器先超时)响应（通过报文抑制来提高效率，一个发了其他的就不用发了）
  • 多播转发的特征
    • 动态：成员动态变化
    • 无方向性：转发环路
  • 解决方案
    • 对同一个多播分组只能转发一次：反向路径转发 RFP
    • 沿最优路径转发：多播树

掌握IPv4/IPv6、ICMP/ICMPv6协议原理

• IP 协议
  • 尽最大努力（Best effort）交付
    • 尽力发送、无连接、不可靠、数据报
  • 分组格式（P48）
  • IP 分组分片
    • ID 字段标志是哪个 IP 分组，flag 字段表示是否启用分组、是否是最后一个，分片 offset 字段表示当前的分片偏移值（ID 对应报文的第几个分片）
    • Offset 的单位是 Byte，分组长度不足的补 0（偏移字段13bit，而数据报长度16bit）
    • 分组交换核心：存储转发
      • 需要 IP 分组比较小（一台交换机的入口和出口性能受限）
        增加统计复用的可能
    • 为什么用 offset 来标志某一分片而不是 number：在传送中也可能会被进一步分片，用 number 就会出问题
    • Total length 字段需要加上头部大小 20 B，offset 的计算不包括头部（从 0 开始标号）
  • 分片重组
    • 使用重组表
    • 有时限，超时未到齐直接丢弃
• IPv6 协议
  • IPv6的产生原因：IPv4地址紧缺
  • IPv6的目标：取代IPv4
  • IPv6的改进
    • 地址长度128位（首部 40 B，v4 20B）
    • 基本首部 + 扩展首部，利于协议扩展（基本首部字段少）
    • 支持资源分配：通信量类别字段 、流标签字段（方便 QoS）
    • 支持更多的安全性：认证选项、加密 选项
    • 其它：自动发现技术、自动配置技术、……
  • v4 到 v6 过渡
    • 双协议栈
    • 隧道技术
      • 自动隧道：直接打上 v4 的头传给目标主机
      • 配置隧道：在一头一尾需要做 v6 与 v4 的转换
    • 首部转换
• ICMP 协议
  • IP的辅助协议（不解决问题，只辅助）
  • 实现在 IP 之上
    • 无连接通信
    • 直接送达目的站点，沿途的转发路由器不能获知ICMP报文内容
  • 差错报告报文
    • 报告路由器或目的主机在处理IP分组时可能遇到的问题
    • 不产生ICMP差错报文的差错
      • 携带ICMP差错报文的IP分组
      • 非第一片的IP分片
      • 多播分组
      • 具有127.0.0.0或0.0.0.0这类特殊地址的IP分组
    • 差错报告会把前 28B 拷贝下来（IP 头和 8B 数据）
  • 查询报文
    • 帮助主机或网络管理员从某个路由器或对方主机处获取特定信息
• ICMPv6 协议
  • 在 ICMP 的基础上，实现ARP的功能，并能发现路由器(无状态的DHCP)，以及 IGMP 的功能

理解基于代理的移动IP技术及其通信问题

• 移动 IP
  • “双地址”，目标对外不改变移动主机的IP地址
    • 归属地址（home address） 始终对外，不变化
    • 转交地址（care-of address） 真实转交地址
  • 不在无关路由器上设特定主机路由
    • 归属代理（Home Agent，HA）
      • 截获所有到移动主机的IP报文，并转送给外地代理
    • 外地代理（Foreign Agent，FA）
      • 归属代理送来的IP报文转送到移动主机
      • 本机也可以充当外部代理，叫做同址转交地址
  • 移动IP通信模型
    • FA 转交
      • 移动主机的FA转交地址 = 外地代理的IP地址
      • 使用隧道承载指向归属地 IP 的包发往 FA
      • 在 FA 处用移动主机的链路地址交付
    • 同址转交
      • 移动主机的FA转交地址 = 外地代理的IP地址 移动主机的同址转交地址 = 外地网络DHCP分配
      • 使用隧道承载指向归属地 IP 的包直接发给移动主机
      • 移动主机自行解封
  • 代理ARP、免费ARP
    • HA截获所有到移动主机的IP报文
    • 需要特殊处理HA中主机与它的通信（会认为是一个IP子网里）——由代理来处理 ARP 请求
    • 当代理路由收到对特定主机的ARP请求时，用自己的物理地址（接收端口）进行ARP应答
    • 通常在同一子网内，隔离主机与其他主机通信时使用代理 ARP
      • 上述隔离网络的情况下由路由器来作代理，在移动网络中，由HA来作代理
      • 很明显 ARP 本身存在安全漏洞
  • 二次穿越问题
    • 严重低效
    • FA的主机与它通信需要穿越到HA
  • 三角路由问题
    • 中度低效
    • 外部通信走的路由不是最优（需要走HA）
  • 解决低效问题
    • 远程主机绑定移动主机的归属地址和转交地址
    • 移动主机再次移动
      • HA向远程主机发送告警分组以通知绑定的改变
      • 拆除会有问题

基于分组目的地址和基于标签的分组转发技术

• 基于目的地址的转发——路由表
  • 目的：网络
  • 路经：下一跳
  • IP MASK 下一跳 接口
  • 路由表的大小只与网络的个数有关，与每个网络的大小（包含的主机数多少）无关
  • 所有可达的特定网络：直连网络、已知的非直连网络
    • 只有最后一跳才知道目的主机是否存在
  • 默认路由
    • 不匹配特定网络路由的所有目的网络的转发路径
    • 功能
      • 使路由表变得更小
      • 隐藏大量的路由信息
    • 一般默认网关只有主机配置，路由器配置默认网关会有问题——默认路由环路问题
  • 无分类编址的转发采用最长掩码匹配（字典树）
  • 路由聚合要求被聚合的网络都通过同样的下一站路经
    • 合理的IP地址规划
    • 隐藏网络结构
• 基于标签的转发——MPLS
  • 标签：无连接 -> 面向连接
  • 标签堆栈：多个流共享一个路经
  • MPLS 使用交换而非路由
    • 交换表中记录接口与下一个标签，通过当前标签进行索引

多播分组的反向路径转发技术

• RPF
  • 使用源IP地址查找单播路由表
    • 分组到达正确接口：按输出接口表转发
    • 分组到达错误接口：丢弃
  • IP多播转发是倒立的：关注信息流来自何方，而非流向何方！

IPv4协议原理及其软件架构

• P77

4.3 端到端传送与网络拥塞控制技术

理解和掌握UDP、TCP、SCTP协议的端到端传送服务特性、协议功能与控制技术，以及它们为应用层提供的服务特性、通信特点、功能和应用场合

• 传输层

  • 应用层与网络层之间的桥梁
    • IP：简单通信，提高转发效率
    • TCP/UDP：利用终端处理能力，提升通信质量
    • 应用：网络应用系统
  • 进程间通信
    • IP、端口 四个地址唯一标识一对进程间的通信
    • 有任何一个地址不一样，则连接就不一样
  • 端口
    • Well-known ports，熟知端口
    • Registered ports，注册端口
    • Dynamic ports，动态端口
  • 并行服务
    • Iterative server 串行处理
      • 用 buffer 来逐个排队处理
    • concurrent server 并发处理
      • 生成一堆子进程来单独处理
        • 端口是用来标识进程的，子进程为什么能依旧使用那一个端口号？？
          • 因为唯一标识一对连接的是四个地址，虽然 server 的端口不变，但是源一定变了（不同主机的 IP 不一样，同一台主机上建立的两条连接一定源端口不一样）
          • 操作系统中，在传输层和应用层之间实际上夹了一层 socket，tcp 和 udp 拿到的数据实际上是交付给了 socket，scoket 使用源目 IP 和端口来标识并维护不同的连接

• UDP（P47）

  • Message Delivery service
  • 对IP协议的增强
    • 无连接、不可靠、数据报通信
    • 提供传输层服务，特别是：进程到进程的通信

• TCP（P58）

  • Stream Delivery service
  • 高层应用的需求：reliability
    • 进程到进程的通信
    • 面向连接、可靠的字节流通信
  • 解决的问题
    • 超时重传机制：不可靠，报文有丢失现象，影响TCP报文可靠性
    • 自适应加速机制：不同传输路径，报文到达延迟，时间变化大，影响TCP效率
    • 接收窗口机制：不同传输路径，报文到达顺序错乱
    • 拥塞控制机制：网络拥塞，突发性报文丢失
  • 初始序号（ISN）
    • 在建立连接时，通信双方的TCP各自随机产生初始序号
    • 建立连接阶段的控制报文段有序号，但数据部分为0
  • 确认号
    • 期望接收的下一个数据字节的编号，是累积值
  • 三次握手
    • 第一个建链报文一定会把 ack 置位（无效），后面的 ack = 收到的 seq + 1（已经收到 seq + 1 以前的所有报文）
    • ACK 报文是不需要确认的，之后的一个报文使用和 ACK 报文一样的 seq 值
    • 建链 syn 是特殊报文，需要确认（syn报文长为1）
    • DOS 安全问题：server接收请求有代价，可以伪装client持续向一个server持续发tcp建链请求（SCTP 可避免该问题）
  • 推送数据
    • 由发送方进程执行，设置PSH标志位，要求发方TCP不需要等待窗口填满，立即发送报文段
    • 收方不必等待更多数据到来，立即交付给应用程序
    • PSH 的数据还是会进收方入缓存中，只是会提醒接收方尽快处理
  • 紧急数据
    • 发方设置URG控制位置，将紧急数据插入报文段数据起始处，紧急指针值为紧急数据的最后一个字节编号
    • 收方立即通知接收应用程序
    • URG 的数据不会进入收方缓存（发方也是立即发），收方需要立即处理
  • 四次挥手
    • 通信是双向的，但连接终止是单向进行的
    • 连接拆除的发起方只能关闭自己的发送方向，而TCP的另一端可以继续发送数据——半关闭
  • 流量控制：滑动窗口（P85）
    • rwnd 窗口用于流控
  • 差错控制：校验和、确认、动态超时重传（P92）
  • 拥塞控制：发现丢包，控制发送速率（P95）
    • cwnd 窗口用于拥控

• SCTP（P111）

  • 为多媒体、流业务应用提供面向报文的可靠传输层服务

  • SCTP 的关联和 TCP 的连接不太一样——多重流、多重归属

    • 多重流：一个关联可以同时传多个数据管道的数据
    • 多重归属：SCTP 允许在一个关联上配置多个 IP，对服务器来说可以用多个网络接口来同时提供高性能服务

  • SCTP分组：控制块 + 数据块

    • 一个SCTP分组可有多个数据块，可属不同流

  • 报文流

    • VT 标识一条关联，TCP 则是用四个地址标识一个连接：SCTP 允许多重分组 -> 一条关联上允许多个 IP 地址
    • SI 与 SSN 实现了多条流传输
    • TSN 是统一的编号

  • 解决 ACK DoS（P125）

    • 1. VT
      • 由 client 的 Init tag 来指定 server 使用的 VT 号。反之亦然 -> 安全，无法进行 TCP 那种无脑的 DDOS，因为至少需要对方解析自己的报文要求，按照自己的 Init tag 来发才会被分配服务（不断重复发连接请求不再会占用对方缓存）
      • 这是一种常用的安全思路：发一个东西过去，要求对方返回一个拷贝
    • 2. 使用 Cookie 进行四次握手

    • 本质是在推迟资源分配，避免恶意主机占用内存

  • 三次挥手：没有“半关闭”状态，一方关闭关联则另一方必须立即终止传输

  • SCTP 没有使用普通 ACK 来对控制信息进行确认，因此只有 DATA 块才消耗 TSN

  • 流量控制

    • 接收方 cumTSN winSize lastACK
    • 发送方 curTSN rwnd inTransit

  • 差错控制

    • 使用 SACK 能够汇报乱序和重复的数据块

  • 拥塞控制（P135）

TCP和SCTP协议的端到端传送原理与网络拥塞控制技术

• 拥塞控制
  • 拥塞会导致分组丢弃，从而引起重传，使情况更糟
  • 主要原因
    • 到达速率 > 处理速率
    • 离开速率 < 处理速率
  • 控制策略
    • 开环——避免
    • 闭环——处理
  • 连接机制
    • 无连接服务：不能有效实施控制
    • 面向连接服务：能够实施流量控制、差错控制、拥塞控制
• TCP 的拥塞控制（P95）
  • TCP 的拥塞检测手段就是丢包情况
  • 为减少丢包，TCP 会控制发送速率
  • 但传输超时不一定意味着发生了网络拥塞
• SCTP 的拥塞控制（P135）
  • 与 TCP 不同的是有多归属的处理

在无可靠性保障的条件下实现可靠传输的技术原理

• 底层网络和IP网络是不可靠、无连接投递 -> 使用协议自身的可靠性机制：TCP
• 窗口控制
  • 序号（Sequence number）
  • 确认（Acknowledgment）
  • 超时重传机制
  • 窗口
    • 滑动（sliding）
    • 扩展（expanding）
    • 缩回（shrinking）
    • 关闭（closing）
• 停等协议
  • 接收方向发送方反馈每一帧的接收信息
  • 由于只允许发送方每次发送一个未确认的数据帧，这样对“长信道”来说，停等协议对信道的利用率低
• 滑动窗口协议
  • 通过设置窗口大小控制发送数据量
    • 发送窗口扩展：程序处理数据的速度比接收的块
    • 发送窗口收缩：程序处理数据的速度比接收的慢
    • 发送窗口关闭：接收窗口满了
  • 字节号不在发送窗口的数据不能发送，不在接收窗口的数据不能接收
  • 差错控制
    • 收方：反馈确认号
    • 发方：发送窗口滑动
  • 流量控制
    • 收方：反馈接收窗口值
      • 接收方掌握流量控制的话语权
    • 发方：发送窗口大小变化
  • 流控机制不会立即见效（P90）
  • 糊涂窗口综合症
    • 症状：报文段携带很少数据，降低效率
    • 原因：发方数据产生慢/收方数据消耗慢
    • 解决：发方延迟发送，收方推迟确认
• ARQ
  • 接收方对成功接收的数据返回 ACK
  • 发送方发送每一个数据都要缓存，直到收到 ACK，定时器超时后需要重传

SCTP与TCP协议的差异

• 简要对比：UDP、TCP、SCTP（P112）
• SCTP关联操作 vs. TCP连接操作（P128）

五、IP 路由技术

理解路由选择方式与网络结构间的关系

• 转发与路由（P5）
  • 转发：数据面，本地，
  • 路由：控制面，全局
• 路由
  • 动态路由
    • 先应：不断维护路由表，任务到了直接查表转发（SDN）
    • 反应：有需求再去产生路由表，任务到了如果没有对应表项则现场找路——无线网络用的多（维护开销小，对拓扑变化频繁的网络比较友好）（移动 ad-hoc）
    • 分布 VS 集中
  • 路由分类
    • 基于目标
      • 最短路径优先会导致大量的交叠
    • 基于流
    • 基于策略
• 收敛：所有路由器对于网络拓扑在认知上达成了一致
• 度量：用来衡量通过某一网络所需的代价（跳数 or 带宽）
• 自治系统
  • Internet 划分了很多级，分成多个自治系统，每个自治系统内部又进一步划分
  • 主要原因：Internet 网络太大，一种路由协议无法更新所有路由器的路由表
  • IGP：内部网关协议/域内路由（路由选择主要考虑Metric）
    • AS 内路由器交换拓扑信息
    • 形成 AS 内的最短路径
    • 要求无死节点、无环路
  • EGP：外部网关协议/域间路由（路由选择主要考虑策略）
    • AS 边界路由器交换内部网络可达性信息
    • 形成合理的 AS 路径
    • AS 间的商业关系决定了拓扑关系
  • 三级路由体系：单个网络内部、AS 内部、AS 之间
  • 类型
    • 残桩 AS：只有一条连接到达另一个 AS
    • 多归属 AS：有多条连接到达其他多个 AS，只能是数据流量的信源或信宿
    • 转接 AS：允许数据流量穿越的多归属 AS

掌握典型域内和域间路由选择协议的基本原理与特性

• RIP

  • DV 路由算法：不需要掌握网络的加权拓扑，逐跳累加确定各条最短路径

  • 采用广播方式与邻居网关交互路由信息

  • 发送 RIP 回应的情况

    • 接收到 RIP 请求
    • 周期广播路由表
    • 路由表项发生变化

  • 计时器

    • 周期计时器（25-35s）：用于周期广播
    • 过期计时器（180s）：管理路由的有效性，超时则把对应跳数设为 16
    • 垃圾收集（120s）：此间继续周期广播，告知该条跳数为 16 的无效路由

  • 问题（P51）

    • 收敛慢：周期广播
    • 不稳定：路由环路

  • 解决（P54）

    • 触发更新、分割范围、毒性逆转、抑制定时器
    • 不能完全解决

  • 应用（P61）

    • 小规模网络

• OSPF

  • LS 路由算法：需要掌握网络的加权拓扑，自己计算各条最短路径
    • 使用 Dijkstra 算法，计算最短路径优先（SPF）树，更新路由表
  • 采用扩散方式与所有网关交互路由信息（事件驱动）
    • 每个路由器都应该有互联网的全貌
  • 链路状态：通过链路连接了哪些邻居，以及它们的类型、权重、on/off 状态
  • 网络类型
    • 点到点网络
    • 转接网络（广播多路访问网络 + 非广播型多路访问网络）
      • 选择一个指定路由器 DR 来充当转接网络抽象成为的路由器
    • 残桩网络
    • 虚链路
  • OSPF 报文（P80）
  • OSPF 操作（P81）
    • 确定自己的邻居关系
      • Hello 机制：周期性的发送 HELLO 报文以告知自己的存在，超时则说明该邻居断开
    • 向全体路由器通告自己与邻居的链路状态
      • 链路状态数据库（LSDB）初始化
      • 链路状态请求
      • 链路状态全网通告
        • 可靠洪泛：必须对收到的新LSA进行确认（显示确认：LSA Ack；隐式确认：LSU）
        • 广播型穿越网络：先发给 DR，DR 告知该转接网络的所有设备，收到后它们在其它接口上洪泛该 LSA
    • 用收到的链路状态独立计算路由
  • 多区域 OSPF（P87）
  • 四种路由器（P90）
  • 五种 LSA（P91）
  • 应用（P103）
    • 大中规模的网络

• BGP

  • BGP 报文（P112）
  • BGP 会话
    • EBGP 会话：在两个 AS 的边界路由器之间建立邻站（peer）关系
      • EBGP 在通告时，下一跳都是自己
    • IBGP 会话：在 AS 内部交换路由信息
      • IBGP 在通告时，下一跳保持不变，都是来自最近的一条 EBGP 的下一跳
  • 路经属性（P117，P122）
  • 为什么 BGP 还需要使用内部路由？（P126）
    • 1 跨内部路由器的会话需要用 IGP 来建立连接
    • 2 解决路由黑洞需要 IGP 来找到外部路由怎么走
  • 应用（P133）
    • 只有转接 AS 需要使用 BGP

• DVMRP（P168）

  • 有源树，密集模式协议
  • 多播路由表

• PIM

  • PIM-DM：有源树（P165）
    • 密集模式 DM：假设一开始所有路由器都有组播成员
  • PIM-SM：单向共享树 ＋ 有源树（P166）
    • 稀疏模式 SM：假设一开始没有组播成员
  • 单播路由表

理解策略路由技术

• 策略路由（P134）
  • 不按最短路径，而是按照规则来分配
  • BGP 广泛采用策略路由
  • Path vector routing（P104）
    • 交互内容：各个AS内的网络可达性
    • 交互对象：对等的AS边界路由器
    • 交互时机：事件（可达性变化）触发
    • 选择性的路由宣告——基于策略的考虑
      • 宣告：将路径信息告诉谁——“我”是否愿意为其提供服务
      • 选择：流量从哪条路径走
      • 典型策略：挣钱/省钱、性能最大化、最小化自己的带宽使用（烫手山芋）（P101）

掌握IP多播路由选择协议的基本原理与特性

• 多播路由选择协议
  • 组播路由器（P139）
    • 使用 IGMP 来收集本地的组播成员信息
    • 使用多播路由协议来宣告组播信息
  • 多播树
    • 有源树：以源节点为根，有几个源就有几棵树
      • 用（源节点ip，组播组ip）描述
      • 单向树
    • 共享树：以指定的汇聚节点 RP 为根
      • 用（*，组播组ip）描述
      • 单向共享树 + 双向共享树
      • 资源消耗少、传输延迟大、需要结合其他方法来建立汇集点到根的通路
    • 剪枝
      • 剪掉树中没有多播接收成员分支的过程，有时效性
    • 嫁接
      • 剪掉的分支上如果又出现了多播接收成员，则将其快速接回树上的过程

多播通信中的单播路由与多播路由的关联

• 单向共享树中，多播源可以用单播隧道或有源树来将多播信息流送至根
• PIM、CBT 使用单播路由表来用 RPF 提高洪泛效率