计算机网络

一、计算机网络的体系结构

OSI的体系结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表现层、应用层；

TCP/IP的体系结构：应用层（各种应用层协议：telnet，ftp，smtp等）、运输层（TCP/UDP）、网际层IP、网络接口层

五层协议的体系结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层。

下图来自经典教材：计算机网络（谢希仁）

物理层：通过媒介传输比特,确定机械及电气规范（比特Bit）
数据链路层：将比特组装成帧和点到点的传递（帧Frame）
网络层：负责数据包从源到宿的传递和网际互连（包PackeT）
传输层：提供端到端的可靠报文传递和错误恢复（段Segment）
会话层：建立、管理和终止会话（会话协议数据单元SPDU）
表示层：对数据进行翻译、加密和压缩（表示协议数据单元PPDU）
应用层：允许访问OSI环境的手段（应用协议数据单元APDU）

二、物理层

重点不多，再议

三、数据链路层

1.CSMA/CD协议

原理：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发

（1） 监听：通过专门的检测机构，在站点准备发送前先侦听一下总线上是否有数据正在传送（线路是否忙）？

                    若“忙”则进入后述的“退避”处理程序，进而进一步反复进行侦听工作。

                    若“闲”，则一定算法原则（“X坚持”算法）决定如何发送。

（2） 发送：当确定要发送后，通过发送机构，向总线发送数据。

（3） 检测：数据发送后，也可能发生数据碰撞。因而，要对数据边发送，边检测，以判断是否冲突了。

（4）冲突处理：当确认发生冲突后，进入冲突处理程序。有两种冲突情况：

          ① 若在侦听中发现线路忙，则等待一个延时后再次侦听，若仍然忙，则继续延迟等待，一直到可以发送为止。每次延时的时间不一致，由退避算法确定延时值。

         ② 若发送过程中发现数据碰撞，先发送阻塞信息，强化冲突，再进行监听工作，以待下次重新发送（方法同①）

退避算法：

当出现线路冲突时，如果冲突的各站点都采用同样的退避间隔时间，则很容易产生二次、三次的碰撞。因此，要求各个站点的退避间隔时间具有差异性。这要求通过退避算法来实现。

截断的二进制指数退避算法（退避算法之一）：

当一个站点发现线路忙时，要等待一个延时时间M，然后再进行侦听工作。延时时间M以以下算法决定：

M = 0 ~ (2^k - 1) 之间的一个随机数乘以512比特时间（例如对于10Mbps以太网，为51.2微秒），k为冲突（碰撞）的次数，M的最大值为1023，即当k=10及以后M始终是0~1023之间的一个随机值与51.2的乘积，当k增加到16时，就发出错误信息。

X坚持的CSMA：

- 非坚持的CSMA：线路忙，等待一段时间，再监听；不忙时，立即发送；减少冲突，信道利用率降低：

- 1坚持的CSMA：线路忙，继续侦听；不忙时，立即发送；提高信道利用率，增大冲突：

- p坚持的CSMA：线路忙，继续侦听；不忙时，根据p概率进行发送，另外的1-p概率为继续侦听（p是一个指定概率值）；有效平衡，但复杂

四、网络层

五、运输层

两个对等实体在通信时传送的数据单元叫做运输协议数据单元。

1.UDP（用户数据报协议）

特点：面向无连接，时延低；

           尽最大努力交付，不可靠；

           面向报文；

           没有拥塞控制；

           支持一对多，多对多，多对一通信；

           首部开销小（8字节，TCP20字节）

报文格式：

2.TCP（传输控制协议）

特点：面向连接的协议；

           只能有两个端点，点对点连接；

           提供可靠的交付； 

           提供全双工通信；

           面向字节流；

可靠传输的原理：

停止等待协议：每发完一组数据，就等待对方确认；得到对方的确认后，再发送下一个分组。

连续ARQ协议：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。

报文首部格式：

TCP的流量控制

TCP拥塞控制的方法：

慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复；

慢开始算法的思路：当主机开始发送数据时，并不清楚网络的负荷状况，如果立即把大量的数据字节注入网络，那么就可能引起网络拥塞。较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。

拥塞避免算法：让拥塞窗口缓慢增大，即没经过一个RTT就把发送方的拥塞窗口加1，“加法增大”。

TCP建立连接（三次握手）：

第一次握手：客户端发送syn包(syn=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。

TCP连接释放（四次挥手）：

第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不 会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但是，此时主动关闭方还可 以接受数据。
第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号）。
第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。
第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

TCP和UDP之间的区别：

• TCP提供面向连接的、可靠的数据流传输，而UDP提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输。
• TCP传输单位称为TCP报文段，UDP传输单位称为用户数据报。
• TCP注重数据安全性，UDP数据传输快，因为不需要连接等待，少了许多操作，但是其安全性却一般。

如果对实时性要求高和高速传输的场合下需要使用udp；如果需要传输大量数据且对可靠性要求高的情况下应该使用tcp；在可靠性要求较低，追求效率的情况下应该使用udp

六、应用层

地址解析协议（ARP）的工作原理：

       首先，每个主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个ARP列表，以表示IP地址和MAC地址之间的对应关系。
       当源主机要发送数据时，首先检查ARP列表中是否有对应IP地址的目的主机的MAC地址，如果有，则直接发送数据，如果没有， 就向本网段的所有主机发送ARP数据包，该数据包包括的内容有：源主机 IP地址，源主机MAC地址，目的主机的IP 地址。
       当本网络的所有主机收到该ARP数据包时，首先检查数据包中的IP地址是否是自己的IP地址，如果不是，则忽略该数据包，如果是，则首先从数据包中取出源主机的IP和MAC地址写入到ARP列表中，如果已经存在，则覆盖，然后将自己的MAC地址写入ARP响应包中，告诉源主机自己是它想要找的MAC地址。
        源主机收到ARP响应包后。将目的主机的IP和MAC地址写入ARP列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。
        广播发送ARP请求，单播发送ARP响应。

RARP协议的工作原理:

RARP是逆地址解析协议，作用是完成硬件地址到IP地址的映射，主要用于无盘工作站，因为给无盘工作站配置的IP地址不能保存。工作流程：在网络中配置一台RARP服务器，里面保存着IP地址和MAC地址的映射关系，当无盘工作站启动后，就封装一个RARP数据包，里面有其MAC地址，然后广播到网络上去，当服务器收到请求包后，就查找对应的MAC地址的IP地址装入响应报文中发回给请求者。因为需要广播请求报文，因此RARP只能用于具有广播能力的网络。

浏览器解析域名的全过程：

      1、客户端浏览器通过DNS解析到域名的IP地址xxx.xxx.xxx.xxx，通过这个IP地址找到客户端到服务器的路径。客户端浏览器发起一个HTTP会话到xxx.xxx.xxx.xxx，然后通过TCP进行封装数据包，输入到网络层。
      2、在客户端的传输层，把HTTP会话请求分成报文段，添加源和目的端口，如服务器使用80端口监听客户端的请求，客户端由系统随机选择一个端口如5000，与服务器进行交换，服务器把相应的请求返回给客户端的5000端口。然后使用IP层的IP地址查找目的端。
      3、客户端的网络层不用关心应用层或者传输层的东西，主要做的是通过查找路由表确定如何到达服务器，期间可能经过多个路由器，这些都是由路由器来完成的工作，我不作过多的描述，无非就是通过查找路由表决定通过那个路径到达服务器。
      4、客户端的链路层，包通过链路层发送到路由器，通过邻居协议查找给定IP地址的MAC地址，然后发送ARP请求查找目的地址，如果得到回应后就可以使用ARP的请求应答交换的IP数据包现在就可以传输了，然后发送IP数据包到达服务器的地址。

DNS域名系统：

当DNS客户机需要在程序中使用名称时，它会查询DNS服务器来解析该名称。客户机发送的每条查询信息包括三条信息：包括：指定的DNS域名，指定的查询类型，DNS域名的指定类别。基于UDP服务，端口53. 该应用一般不直接为用户使用，而是为其他应用服务，如HTTP，SMTP等在其中需要完成主机名到IP地址的转换。