HCIP笔记
一、网络类型分类 (OSPF 视角)
OSPF (开放最短路径优先) 协议会根据不同的二层链路类型生成不同的网络类型，这主要体现在其邻居发现、链路状态通告 (LSA) 泛滥方式以及指定路由器 (DR) / 备份指定路由器 (BDR) 的选举机制上。
1.多点接入网络
（1）原因： 在一个共享媒体（如以太网）上，多个设备共享同一网段。OSPF 需要机 制来避免 LSA 的重复泛滥和选举一个代表（DR/BDR）来维护邻接关系，以减少 不必要的网络流量。
（2） 广播型多点接入 ：
a.特点： 支持广播。OSPF 进程会向 224.0.0.5 (AllSPFRouters - 所有 OSPF 路由 器)地址发送 Hello 包以发现邻居。
b.DR/BDR 选举： 在 BMA 网段，OSPF 会选举 DR 和 BDR。只有 DR 和 BDR 之 间会建立完全邻接关系 ，并负责泛滥 LSA；其他路由器 (DROther) 只与 DR/BDR 建立完全邻接关系，而与其他 DROther 仅建立2-WAY状态（非完全邻接），不交 换LSA。
c.优点： 减少了网络中需要维护的邻接关系数量，降低了 CPU 和内存的消耗。
d.例子： 以太网 (Ethernet)。
（3）非广播型多点接入：
a.特点： 不支持广播，OSPF 无法直接通过广播 Hello 包发现邻居。
b.解决方案：
1.手动指定邻居 ： 在 OSPF 接口配置 neighbor<IP> 命令，直接指定对方为邻 居。
2.配置虚拟邻居： 在 NBMA 网络上模拟点对点(P2P) 链路，这样 OSPF 就可 以基于 P2P 的模式进行通信。
c.DR/BDR 选举： NBMA 网络也可以选举 DR/BDR，但配置相对复杂。可以手动 指定 DR/BDR，或者通过优先级 (Priority) 来选举。
d.网络类型模拟： NBMA 网络可以被 OSPF 视为 broadcast、 non-broadcast 或 point-to-multipoint。
1.ospf network-type broadcast：模拟 BMA，需要配置邻居，选举 DR/BDR。
2.ospf network-type non-broadcast：最原始的 NBMA 类型，需要手动配 置所有邻居，并选举 DR/BDR。
3.ospf network-type point-to-multipoint：将 NBMA 网络视为一个点到多点 (P2MP) 结构，不选举 DR/BDR，所有邻居之间都建立完全邻接关系。这种 方式相对简单，尤其适用于 Spoke-to-Spoke (分支到分支) 连接不重要的场景。
e.例子： 帧中继 ，ATM (异步传输模式)。
f.帧中继特殊性： 帧中继的 DLCI ( 数据链路连接标识符) 相当于逻辑连接。在一个 共享的帧中继接口上，可以创建多个子接口，每个子接口可以配置一个 DLCI，并模 拟成不同的 OSPF 网络类型。
2.点到多点网络
（1）背景： 适用于不适合进行 DR/BDR 选举或不需要 DR/BDR 的场景。
（2）特点：
a.不选举 DR/BDR： 所有路由器在 P2MP 网段上都会与所有其他路由器建立完全 邻接关系。
b.LSA 类型： 使用 Type 2 LSA来描述整个网段，然后由邻居（Hub - 中心节点） 再发送 Type 1 LSA 来描述其连接的 Hub-and-Spoke (中心辐射型) 拓扑。
c.配置： 通常在 NBMA 网络中，为了简化配置（避免 DR/BDR 选举和邻居关系 管理），将其手动配置为 point-to-multipoint。
(3)使用场景： 当一个 NBMA 网络中的连接是非永久性或分支较多的情况下，可以 简化管理。
3.点到点网络
(1)特点：
a.无 DR/BDR 选举： 两个设备直接连接，自动建立完全邻接关系。
b.LSA 类型： 只使用 Type 1 LSA (Router LSA)。
c.配置简便： 适用于串行链路、PPP、HDLC 等。
(2)OSPF 行为： 在 P2P 链路上，OSPF 发送 Hello 包到 224.0.0.5，并与对端直接建立 FULL 邻接关系。
总结 OSPF 网络类型的影响：
网络类型 | Hello 报文目标地址 | DR/BDR 选举 | 邻接关系建立 | LSA 类型 (主要) | 配置复杂性 |
多点接入 | 224.0.0.5 | 是 | 仅 DR/BDR 与其他完整 | Type 1, Type 2 | 中等 |
点到多点 | 224.0.0.5 | 否 | 所有邻居都完整 | Type 1 | 低 |
点到点 | 224.0.0.5 | 否 | 直接建立完整 | Type 1 | 低 |
二、数据链路层协议
1.MA 网络：以太网协议
(1)CSMA/CD ( 载波侦听多路访问/冲突检测)： 以太网早期的媒体访问控制方法。设备 在发送前监听载波，当多个设备同时发送时会发生冲突，设备检测到冲突后会停止发 送，并随机等待一段时间后再重试。
(2)现代以太网 (交换式以太网 )： 通过交换机 工作在数据链路层，每个端口为一个独立 的冲突域 。设备直接与交换机通信，不再需要 CSMA/CD。交换机使用 MAC 地址表 来转发帧，实现了全双工通信 ，大大提高了效率。
(3)以太网帧格式 ：
a.起始帧定界符： 用于同步和帧开始。
b.目标 MAC 地址： 目标设备的 MAC 地址。
c.源 MAC 地址： 源设备的 MAC 地址。
d.以太网类型： 指示上层协议类型（如 0x0800 for IP, 0x0806 for ARP）。
e.载荷： 上层数据。
f.帧校验序列： CRC (循环冗余校验) 校验，用于错误检测。
g.最大传输单元： 以太网帧的最大载荷大小，通常为 1500 字节。
2.P2P 网络
(1) HDLC 协议 (高级数据链路控制协议)
a.应用场景： 早期的串行链路，常用于路由器之间的点对点连接。
b.帧结构：
Flag (标志) (0x7E): 起始/结束标志。
Address (地址): 地址字段（通常为 0xFF）。
Control (控制): 控制字段（定义帧类型，如信息帧 I, 监控帧 S, 无编号帧 U）。
Protocol (协议): 标识上层协议。
Information (信息): 上层数据。
FCS (帧校验序列): 帧校验序列。
c.特性： 是一种面向比特的同步协议，支持差错检测。但因其私有性和功能限制 （不如 PPP 灵活），在现代网络中已较少使用，尤其是在提供 IP 服务的场景。
d.关键点： Cisco 默认使用 HDLC，导致 Cisco 和非 Cisco 设备之间串行链路无法 直接通信，除非对端也配置为 HDLC 或 Cisco 端改为 PPP。
(2) PPP 协议 (点对点协议)
a.协议栈： PPP 协议栈包括 LCP (链路控制协议), NCP (网络控制协议，如 IPCP IP 控制协议), 以及认证协议 (PAP - 口令认证协议, CHAP - 挑战握手认证协议)。
b.LCP 协商阶段：
1.MTU 协商： 双方协商链路的最大传输单元。
2.认证协议协商： 确定是否进行认证，以及使用哪种认证方式。
3.Magic Number (魔术数字)： 用于检测链路环回 (Loopback)。
4.Echo Request/Reply (回声请求/应答)： 用于链路质量测试。
c.NCP 协商阶段 (例如 IPCP)：
1.IP 地址分配 (IP Address Allocation)： 动态分配 IP 地址（主动方分配， 被动方获取），或静态配置。
2.DNS 服务器地址、WINS 服务器地址等协商。
d.PAP (口令认证协议)：
1.过程： 客户端发送用户名和密码给服务器，服务器验证。
2.安全性： 密码以明文传输，容易被截获。
e.CHAP (握手认证协议)：
1.过程：
(1)Challenge (挑战)： 服务器向客户端发送一个随机的“挑战”字符串。
(2)Response (响应)： 客户端使用挑战字符串和其密码（本地存储的 哈希值）进行哈希计算，并将结果发送给服务器。
(3)Verification (验证)： 服务器使用相同的挑战字符串和存储的密码哈 希值进行计算，如果结果匹配，则认证成功。
2.安全性： 密码本身不传输，安全性更高。
f.PPP MP (多链路 PPP)
1.工作原理： 将多个物理 PPP 链路（例如，多条 ISDN 线路，或多条串行 链路）捆绑成一个逻辑链路。
2.分片与重组： 当数据包过大无法一次性通过单条链路时，MP 会将数据包 分割成小片段 ，通过多条链路并行传输，然后在对端重新组装。
3.配置： 需要配置 MP-GROUP 接口，并将物理 PPP 接口加入该组。
4.应用： 增加带宽、提高吞吐量、实现负载均衡和链路冗余。
三、TCP 协议详解
1.面向连接
(1)三次握手：
a.SYN (Client -> Server)： 客户端发送 SYN 包，请求建立连接，并包含自己的 初始序列号 。
b.SYN-ACK (Server -> Client)： 服务器收到 SYN 后，回复 SYN-ACK 包，表 示同意建立连接，并包含自己的 ISN 以及对客户端 SYN 的确认号 (Client ISN + 1)。
c.ACK (Client -> Server)： 客户端收到 SYN-ACK 后，发送 ACK 包，确认服务 器的 SYN-ACK，并包含对服务器 SYN 的确认号 (Server ISN + 1)。此时连接建 立。
2.TCP 报文结构 (关键字段)
(1)Source Port (源端口), Destination Port (目标端口): 源端口和目标端口。
(2)Sequence Number (序列号): 当前发送的字节流的起始序列号。
(3)Acknowledgment Number (确认号): 期望接收的下一个字节的序列号。
(4)Data Offset (数据偏移 / 头部长度): TCP 头部长度。
(5)Flags (标志位，如 URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN):
a.SYN (同步)： 建立连接。
b.ACK (确认)： 确认号有效。
c.FIN (终止)： 释放连接。
d.RST (重置)： 中断连接。
e.PSH (推送)： 尽快交给应用层处理。
f.URG (紧急)： 紧急指针有效。
(6)Window Size (窗口大小): 接收方希望发送方发送的缓存大小（用于流量控制）。
(7)Checksum (校验和): 校验和，用于检测数据错误。
(8)Urgent Pointer (紧急指针): 指示紧急数据的位置。
3.TCP 异常连接 (RST - Reset)
(1)RST 报文的产生：
a.收到一个连接请求（SYN），但没有对应的监听端口 (Listening Port)。
b.收到一个报文段，但目标端口或 IP 地址不匹配。
c.收到一个无效的 ACK，用于终止连接。
d.接收方缓冲区已满，无法处理。
4.TCP 可靠传输机制
(1) 连接确认机制
a.累计确认： ACK 字段表示期望收到的下一个字节的序列号。例如，如果收到了 1000 字节数据（序列号 1000），ACK 号就是 1001。这表示之前的所有字节都已 成功接收。
b.窗口字段 ： 接收方通过此字段告知发送方自己还有多少可用缓冲区空间 。发送 方根据此值来限制发送的数据量，实现流量控制 (Flow Control)。
(2) 重传机制
a.超时重传：
1.RTO (重传超时时间)： TCP 使用 RTT (往返时间) 的加权平均值来估 算 RTO。常用的算法是 Karn 算法，它在计算 RTT 时忽略带有 ACK 标志的 重传数据包。
2.超时间隔加倍 ： 当发生重传时，TCP 会将 RTO 乘以一个因子（通常 是 2），以避免在网络拥塞时加剧问题。
b.快速重传：
1.触发： 收到 3 个或更多重复的 ACK (Duplicate Acknowledgement)，这通 常意味着中间有数据包丢失。
2.操作： 发送方立即重传丢失的数据包，而无需等待超时。
3.快速恢复： 在快速重传后，TCP 进入快速恢复阶段。它会将 cwnd（拥塞 窗口）设为 ssthresh（慢启动阈值）加上 3 个 MSS（因为收到了 3 个 Duplicate ACK），然后每收到一个 Duplicate ACK，cwnd 再加 1 MSS，直 到收到未丢失数据段的 ACK 后才恢复正常。
(3) 流控机制
a.滑动窗口概念： 发送方维护一个发送窗口 (Send Window)，接收方维护一个接 收窗口 (Receive Window)。发送方可以发送的字节数不能超过发送窗口大小。接 收方告知发送方的可用缓存大小（接收窗口）决定了发送方的发送窗口上限。
b.发送窗口大小 = min(接收方通告的 Window Size, 拥塞窗口 cwnd)
c.零窗口探测 ： 当接收方通告零窗口时，发送方会暂停发送。为了避免死 锁 (Deadlock)，发送方会每隔一段时间（RTO/3）发送一个非常小的探测包 （1 字节），以检查接收方窗口状态。
d.SWS 阻止： TCP 头部中的 Window Scale 选项用于增大窗口值（支持更大的 窗口，特别是在高延迟、高带宽的网络中，避免带宽时延乘积。
(4) 校验和
a.计算： 包含 TCP 头部、TCP 数据以及伪头部 (Pseudo Header，包含源 IP, 目 标 IP, 协议号, TCP 长度)。
b.作用： 确保数据的完整性 (Integrity)。
5.TCP 拥塞控制
(1)拥塞： 指网络中路由器队列 (Router Queues) 过长，导致丢包和延迟急剧增加。
(2)目的： 避免 TCP 连接加剧网络拥塞。
(3)拥塞判断 (Congestion Detection)：
a.丢包 (Packet Loss)： 接收方未收到 ACK（超时重传），或收到重复 ACK（快 速重传）。
(4)TCP 拥塞控制方法 (加法增加，乘法减小)：
a.慢启动 ：
1.阶段： 连接建立初期，cwnd (拥塞窗口) 较小。
2.增长： cwnd 指数级增长（每 RTT 增加一倍）。
3.目标： 快速探测网络的可用带宽。
b.拥塞避免：
1.阶段： cwnd 达到 ssthresh (慢启动阈值) 后进入。
2.增长： cwnd 线性增长（每 RTT 增加一个 MSS)。
3.目标： 缓慢增加发送速率，避免再次引发拥塞。
c.拥塞发生与恢复：
1.检测到丢包 (通过 3 个 Duplicate ACK)：
(1)ssthresh 减半： ssthresh = max(cwnd / 2, 2 * MSS)
(2)cwnd 设为 ssthresh： cwnd = ssthresh
(3)进入快速恢复： 允许发送方在收到 Duplicate ACK 时发送新的数据， 直到收到未丢失数据段的 ACK。
2.检测到超时重传：
(1)ssthresh 减半： ssthresh = max(cwnd / 2, 2 * MSS)
(2)cwnd 重置为 1 MSS： cwnd = 1 MSS
(3)重新进入慢启动： 再次进行指数级增长。
TCP Tahoe： 发生丢包（超时或重复 ACK）时，ssthresh 减半，cwnd 设为 1 MSS，并重回慢启动。
TCP Reno： 发生丢包（超时）时，ssthresh 减半，cwnd 设为 1 MSS，重回慢启动；发生丢包（重复 ACK）时，ssthresh 减半，cwnd 设为 ssthresh，并进入快速恢复。
TCP NewReno： 对 Reno 的改进，在快速恢复期间，如果有多于一个的数据包丢失，NewReno 能够更有效地处理。
TCP CUBIC： 现代 TCP 版本（如 Linux 默认）使用的算法，在慢启动和拥塞避免之间引入了“立方体”增长函数 (Cubic Growth Function)，在高带宽、高延迟网络中性能更好。