计算机网络

计算机网络体系结构

分层

作用

协议

应用层

允许访问OSI环境的手段（应用协议数据单元 APDU）

FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS

表示层

对数据进行翻译、加密和压缩（表示协议数据单元 PPDU）

JPEG、MPEG、ASII

会话层

建立、管理和终止会话（会话协议数据单元 SPDU）

NFS、SQL、NETBIOS、RPC

传输层

提供端到端的可靠报文传递和错误恢复（段Segment）

TCP、UDP、SPX

网络层

负责数据包从源到宿的传递和网际互连（包 Packet）

IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP（路由器）

数据链路层

将比特组装成帧和点到点的传递（帧 Frame）

PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC（网桥，交换机）

物理层

通过媒介传输比特，确定机械及电气规范（比特 Bit）

RJ45、CLOCK、IEEE802.3（中继器，集线器）

应用层

DNS

DNS（Domain Name System，域名系统）是互联网的一项服务。它作为将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。DNS 使用 TCP 和 UDP 端口 53。当前，对于每一级域名长度的限制是 63 个字符，域名总长度则不能超过 253 个字符。

域名

域名 ::= {<三级域名>.<二级域名>.<顶级域名>}，如：blog.huihut.com

FTP

FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用客户/服务器模式，使用 TCP 数据报，提供交互式访问，双向传输。

TFTP（Trivial File Transfer Protocol，简单文件传输协议）一个小且易实现的文件传输协议，也使用客户-服务器方式，使用UDP数据报，只支持文件传输而不支持交互，没有列目录，不能对用户进行身份鉴定。

TELNET

TELNET 协议是 TCP/IP 协议族中的一员，是 Internet 远程登陆服务的标准协议和主要方式。它为用户提供了在本地计算机上完成远程主机工作的能力。

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是用于从 WWW（World Wide Web，万维网）服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，由它来控制信件的中转方式。SMTP 协议属于 TCP/IP 协议簇，它帮助每台计算机在发送或中转信件时找到下一个目的地。

Socket 建立网络通信连接至少要一对端口号（Socket）。Socket 本质是编程接口（API），对 TCP/IP 的封装，TCP/IP 也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是 Socket 编程接口。

WWW

WWW（World Wide Web，环球信息网，万维网）是一个由许多互相链接的超文本组成的系统，通过互联网访问

URL

URL（Uniform Resource Locator，统一资源定位符）是因特网上标准的资源的地址（Address）

标准格式

协议类型:[//服务器地址[:端口号]][/资源层级UNIX文件路径]文件名[?查询][#片段ID]

完整格式

协议类型:[//[访问资源需要的凭证信息@]服务器地址[:端口号]][/资源层级UNIX文件路径]文件名[?查询][#片段ID]

HTTP

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。HTTP 是万维网的数据通信的基础。

请求行分为三个部分：请求方法、请求地址和协议版本。协议版本的格式为：HTTP/主版本号.次版本号，常用的有HTTP/1.0和HTTP/1.1。

请求地址：URL:统一资源定位符，是一种自愿位置的抽象唯一识别方法。组成：<协议>：//<主机>：<端口>/<路径>。端口和路径有时可以省略（HTTP默认端口号是80）

请求方法

方法

意义

OPTIONS

请求一些选项信息，允许客户端查看服务器的性能

GET

请求指定的页面信息，并返回实体主体

HEAD

类似于 get 请求，只不过返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头

POST

向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改

PUT

从客户端向服务器传送的数据取代指定的文档的内容

DELETE

请求服务器删除指定的页面

TRACE

回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断

状态码(status-code)

1xx：表示通知信息，如请求收到了或正在进行处理

100 Continue：继续，客户端应继续其请求
101 Switching Protocols 切换协议。服务器根据客户端的请求切换协议。只能切换到更高级的协议，例如，切换到 HTTP 的新版本协议

2xx：表示成功，如接收或知道了

200 OK: 请求成功

3xx：表示重定向，如要完成请求还必须采取进一步的行动

301 Moved Permanently: 永久移动。请求的资源已被永久的移动到新 URL，返回信息会包括新的 URL，浏览器会自动定向到新 URL。今后任何新的请求都应使用新的 URL 代替

4xx：表示客户的差错，如请求中有错误的语法或不能完成

400 Bad Request: 客户端请求的语法错误，服务器无法理解
401 Unauthorized: 请求要求用户的身份认证
403 Forbidden: 服务器理解请求客户端的请求，但是拒绝执行此请求（权限不够）
404 Not Found: 服务器无法根据客户端的请求找到资源（网页）。通过此代码，网站设计人员可设置 “您所请求的资源无法找到” 的个性页面

5xx：表示服务器的差错，如服务器失效无法完成请求

500 Internal Server Error: 服务器内部错误，无法完成请求
503 Service Unavailable: 由于超载或系统维护，服务器暂时的无法处理客户端的请求。延时的长度可包含在服务器的 Retry-After 头信息中
504 Gateway Timeout: 充当网关或代理的服务器，未及时从远端服务器获取请求

其他协议

SMTP（Simple Main Transfer Protocol，简单邮件传输协议）是在 Internet 传输 Email 的标准，是一个相对简单的基于文本的协议。在其之上指定了一条消息的一个或多个接收者（在大多数情况下被确认是存在的），然后消息文本会被传输。可以很简单地通过 Telnet 程序来测试一个 SMTP 服务器。SMTP 使用 TCP 端口 25。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机设置协议）是一个局域网的网络协议，使用 UDP 协议工作，主要有两个用途： 1、用于内部网络或网络服务供应商自动分配 IP 地址给用户；2、用于内部网络管理员作为对所有电脑作中央管理的手段

SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）构成了互联网工程工作小组（IETF，Internet Engineering Task Force）定义的 Internet 协议族的一部分。该协议能够支持网络管理系统，用以监测连接到网络上的设备是否有任何引起管理上关注的情况。

表示层

表示层没什么可说的，就是对数据进行翻译、加密和压缩，用JPEG、MPEG、ASII等。

会话层

会话层也没什么可说的，进行建立、管理和终止会话。

传输层

协议：TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）

端口：

应用程序	FTP	TELNET	SMTP	DNS	TFTP	HTTP	HTTPS	SNMP
端口号	21	23	25	53	69	80	443	161

TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，其传输的单位是报文段。

特点：面向连接、只能点对点（一对一）通信、可靠交互、全双工通信、面向字节流

TCP 如何保证可靠传输：确认和超时重传、数据合理分片和排序、流量控制、拥塞控制、数据校验

报文结构

状态控制码（Code，Control Flag）占 6 比特，含义如下：

URG：紧急比特（urgent），当 URG＝1 时，表明紧急指针字段有效，代表该封包为紧急封包。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)，且上图中的 Urgent Pointer 字段也会被启用。

ACK：确认比特（Acknowledge）。只有当 ACK＝1 时确认号字段才有效，代表这个封包为确认封包。当 ACK＝0 时，确认号无效。

PSH：（Push function）若为 1 时，代表要求对方立即传送缓冲区内的其他对应封包，而无需等缓冲满了才送。

RST：复位比特(Reset)，当 RST＝1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。

SYN：同步比特(Synchronous)，SYN 置为 1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文，通常带有 SYN 标志的封包表示『主动』要连接到对方的意思。

FIN：终止比特(Final)，用来释放一个连接。当 FIN＝1 时，表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

TCP三次握手

1、客户端发送 SYN 给服务器，说明客户端请求建立连接；

2、服务端收到客户端发的 SYN，并回复 SYN+ACK 给客户端（同意建立连接）；

3、客户端收到服务端的 SYN+ACK 后，回复 ACK 给服务端（表示客户端收到了服务端发的同意报文）；

4、服务端收到客户端的 ACK，连接已建立，可以数据传输。

TCP 为什么要进行三次握手？

1、因为信道不可靠，而 TCP 想在不可靠信道上建立可靠地传输，那么三次通信是理论上的最小值。（而 UDP 则不需建立可靠传输，因此 UDP 不需要三次握手。）

2、因为双方都需要确认对方收到了自己发送的序列号，确认过程最少要进行三次通信。

3、为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

TCP四次挥手

1、客户端发送 FIN 给服务器，说明客户端不必发送数据给服务器了（请求释放从客户端到服务器的连接）；

2、服务器接收到客户端发的 FIN，并回复 ACK 给客户端（同意释放从客户端到服务器的连接）；

3、客户端收到服务端回复的 ACK，此时从客户端到服务器的连接已释放（但服务端到客户端的连接还未释放，并且客户端还可以接收数据）；

4、服务端继续发送之前没发完的数据给客户端；

5、服务端发送 FIN+ACK 给客户端，说明服务端发送完了数据（请求释放从服务端到客户端的连接，就算没收到客户端的回复，过段时间也会自动释放）；

6、客户端收到服务端的 FIN+ACK，并回复 ACK 给客户端（同意释放从服务端到客户端的连接）；

7、服务端收到客户端的 ACK 后，释放从服务端到客户端的连接。

TCP 为什么要进行四次挥手？ / 为什么 TCP 建立连接需要三次，而释放连接则需要四次？

因为 TCP 是全双工模式，客户端请求关闭连接后，客户端向服务端的连接关闭（一二次挥手），服务端继续传输之前没传完的数据给客户端（数据传输），服务端向客户端的连接关闭（三四次挥手）。所以 TCP 释放连接时服务器的 ACK 和 FIN 是分开发送的（中间隔着数据传输），而 TCP 建立连接时服务器的 ACK 和 SYN 是一起发送的（第二次握手），所以 TCP 建立连接需要三次，而释放连接则需要四次。

为什么 TCP 连接时可以 ACK 和 SYN 一起发送，而释放时则 ACK 和 FIN 分开发送呢？（ACK 和 FIN 分开是指第二次和第三次挥手）

因为客户端请求释放时，服务器可能还有数据需要传输给客户端，因此服务端要先响应客户端 FIN 请求（服务端发送 ACK），然后数据传输，传输完成后，服务端再提出 FIN 请求（服务端发送 FIN）；而连接时则没有中间的数据传输，因此连接时可以 ACK 和 SYN 一起发送。

为什么客户端释放最后需要 TIME-WAIT 等待 2MSL 呢？

为了保证客户端发送的最后一个 ACK 报文能够到达服务端。若未成功到达，则服务端超时重传 FIN+ACK 报文段，客户端再重传 ACK，并重新计时。

防止已失效的连接请求报文段出现在本连接中。TIME-WAIT 持续 2MSL 可使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，这样可使下次连接中不会出现旧的连接报文段。

TCP相关问题

TCP黏包问题

TCP 是一个基于字节流的传输服务（UDP 基于报文的），“流” 意味着 TCP 所传输的数据是没有边界的。所以可能会出现两个数据包黏在一起的情况。

解决：发送定长包。如果每个消息的大小都是一样的，那么在接收对等方只要累计接收数据，直到数据等于一个定长的数值就将它作为一个消息。包头加上包体长度。包头是定长的 4 个字节，说明了包体的长度。接收对等方先接收包头长度，依据包头长度来接收包体。在数据包之间设置边界，如添加特殊符号 \r\n 标记。FTP 协议正是这么做的。但问题在于如果数据正文中也含有 \r\n，则会误判为消息的边界。使用更加复杂的应用层协议。

TCP流量控制

流量控制（flow control）就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。

TCP拥塞控制

拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。

方法：慢开始( slow-start )、拥塞避免( congestion avoidance )、快重传( fast retransmit )、快恢复( fast recovery )

UDP

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是 OSI（Open System Interconnection 开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，其传输的单位是用户数据报。

特点：无连接；尽最大努力交付；面向报文；没有拥塞控制；支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信；首部开销小

报文结构

TCP与UDP区别

1、TCP 面向连接，UDP 是无连接的；

2、TCP 提供可靠的服务，也就是说，通过 TCP 连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达；UDP 尽最大努力交付，即不保证可靠交付

3、TCP 的逻辑通信信道是全双工的可靠信道；UDP 则是不可靠信道

4、每一条 TCP 连接只能是点到点的；UDP 支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信

5、TCP 面向字节流（可能出现黏包问题），实际上是 TCP 把数据看成一连串无结构的字节流；UDP 是面向报文的（不会出现黏包问题）

6、UDP 没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如 IP 电话，实时视频会议等）

7、TCP 首部开销20字节；UDP 的首部开销小，只有 8 个字节

网络层

IP（Internet Protocol，网际协议）是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）

ICMP（Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议）

IGMP（Internet Group Management Protocol，网际组管理协议）

IP网际协议

IP 地址 ::= {<网络号>,<主机号>}

IP地址类别

网络号

网络范围

主机号

IP地址范围

8bit，第一位固定为 0

0 — 127

24bit

1.0.0.0 — 127.255.255.255

16bit，前两位固定为 10

128.0 — 191.255

16bit

128.0.0.0 — 191.255.255.255

24bit，前三位固定为 110

192.0.0 — 223.255.255

8bit

192.0.0.0 — 223.255.255.255

前四位固定为 1110，后面为多播地址

前五位固定为 11110，后面保留为今后所用

IP 数据报格式

ICMP 网际控制报文协议

应用：PING（Packet InterNet Groper，分组网间探测）测试两个主机之间的连通性 TTL（Time To Live，生存时间）该字段指定 IP 包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量

内部网关协议

RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）、 OSPF（Open Sortest Path First，开放最短路径优先）

外部网关协议

BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）

IP多播

IGMP（Internet Group Management Protocol，网际组管理协议）

多播路由选择协议

VPN 和 NAT VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）、 NAT（Network Address Translation，网络地址转换）

路由表包含什么

网络 ID（Network ID, Network number）：就是目标地址的网络 ID。

子网掩码（subnet mask）：用来判断 IP 所属网络

下一跳地址/接口（Next hop / interface）：就是数据在发送到目标地址的旅途中下一站的地址。其中 interface 指向 next hop（即为下一个 route）。一个自治系统（AS, Autonomous system）中的 route 应该包含区域内所有的子网络，而默认网关（Network id: 0.0.0.0, Netmask: 0.0.0.0）指向自治系统的出口。

根据应用和执行的不同，路由表可能含有如下附加信息：

花费（Cost）：就是数据发送过程中通过路径所需要的花费；路由的服务质量；路由中需要过滤的出/入连接列表

子网掩码例子

例子1：将一个C类网络划分为3个子网，每个子网最少要容纳55台主机，使用的子网掩码是？

子网主机数=2的Y次方-2，这里的Y是非掩码位的位数，即子网掩码中0的个数。即 $55\leq 2^y-2$ ，得到 $y = 6$ 。所以子网掩码中6个0，所以子网掩码是：11111111 11111111 11111111 11000000，转化为十进制为255.255.255.192。

例子2：从前有一个地主，有256间房子，地主家的门牌号码是“192.168.1”，那么他家第一间房子的门牌号码是192.168.1.0，第二间是192.168.1.1，…第256间的编号是192.168.1.255。地主老了，需要把256间房子分给4个儿子，平均分配，每个儿子可以分64间。请来一位先生主持公道，先生这么来操作：192.168.1.0-192.168.1.63 分给大儿子192.168.1.64-192.168.1.127 分给二儿子192.168.1.128 -192.168.1.191 分给三儿子192.168.1.192-192.168.1.255 分给四儿子那如何来描述四个儿子的子网网段呢？

192.168.1.0/26；192.168.1.64/26；192.168.1.128/26；192.168.1.192/26 这个/26是什么鬼？255.255.255.192的二进制是多少？ “11111111-11111111-11111111-11”大家数数一共多少个1？不用数了，是26个1，为了简化子网掩码的表示，用/26代替255.255.255.192。

按位与运算我们来看大儿子的网段192.168.1.0/26是如何得到的？以大儿子的房间为例：192.168.1.0-192.168.1.63二进制表示：192.168.1.011000000.10101000.00000001.00000000192.168.1.6311000000.10101000.00000001.00111111首尾地址完全相同的是多少？11000000.10101000.00000001.00数数一共多少位？26位！那么用这个“192.168.1.0/26”就可以表示大儿子所有房间。对照房间的门牌号码“192.168.1.199”，很显然属于四儿子的。

一个主机192.168.1.199/26 能否和直连主机192.168.1.200/24 通信？可以的，因为都是四儿子的房间。一个主机192.168.1.199/26 能否和直连主机192.168.1.1/24 通信？不可以，因为一个是大儿子的房间，一个是四儿子的房间，无法直连通信！