计算机网络

最新推荐文章于 2025-02-03 18:36:14 发布

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分类专栏：本科小总结文章标签：计算机网络

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计算机网络体系结构

计算机网络组成

一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议。

硬件：计算机主机，端系统、通信链路、交换设备（路由器、交换机）和通信处理机（如网卡）
软件：实现资源共享的各种软件，操作系统、邮件收发程序、聊天程序等等
协议：规定了网络传输数据时所遵循的规范

计算机网络功能

数据通信
资源共享
分布式处理
提高可靠性
负载均衡

计算机网络分类

按分布范围：
1. 广域网（WAN）
2. 城域网（MAN）
3. 局域网（LAN）
4. 个人区域网（PAN）

按拓扑结构：
1. 星形网络
2. 总线形网络
3. 环形网络
4. 网状形网络

OSI参考模型

国际化标准组织（ISO）提出的网络体系结构模型，称为开放系统互联网参考模型（OSI）。OSI共有七层：
1. 物理层（physical Layer）：物理层的传输单位是比特，任务是透明的传输比特流。物理层主要定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）
2. 数据链路层（Data link Layer）：传输单位是帧，任务是将网络层传输下来的Ip数据报组装成帧。数据链路层的功能可以概括为：成帧，差错校验，流量控制，传输管理。
3. 网络层（Network Layer）：网络层传输的数据是数据报，关键问题是对分组进行路由选择，并实现流量控制，拥塞控制，差错控制和网际互联等功能。
4. 传输层（Transport Layer）：传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP），主要任务是负责主机中两个进程之间的通信。功能是为端到端连接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制，差错控制，服务质量，数据传输管理等。
5. 会话层（Session Layer）：建立同步（SYN），端对端。
6. 表示层（Presentation Layer）：采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。数据压缩、加密、解密也是表示层可以提供的数据表示变换功能。
7. 应用层（Application Layer）：因为用户的实际应用多种多样，这就要求应用层采用不同的应用协议来解决不同类型的应用要求，因此应用层是最复杂的一层，使用的协议也最多。典型的有文件传送的FTP，电子邮件SMTP、万维网HTTP等。

TCP/IP模型

网络接口层（物理层和数据链路层）：
网络层：（IP）
传输层：（TCP、UDP）
应用层：（HTTP、SMTP、DNS）

TCP／IP和OSI的区别：
1. 层次不同
2. OSI在网络层支持无连接的UDP 和面向连接的TCP，传输层仅支持TCP
3. TCP/IP在网络在网络层仅支持无连接的UDP ，在传输层支持TCP和IP

物理层

物理设备

中继器：
又称转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去。注意与放大器的区别：放大器是放大的模拟信号，原理是将衰减的信号放大。中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形在生。

集线器（Hub）：
实质上是一个多端口的中继器。在Hub工作时，当一个端口接收到数据信号后，由于信号从端口到Hub的传输过程已有了衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使之再生到发送时的状态，紧接着转发到其它所有处于工作状态的端口上。（如果同时又两个或多个端口输入，则输出时会发生冲突，致使这些数据都成为无效的），Hub解决的是从服务器连接到桌面。（Hub直接和交换机相连）

数据链路层

广域网

数据链路层设备

网桥

两个或多个以太网通过网桥连接起来，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就可称为一个网段。网桥工作在链路层的MAC子层。

网桥的基本特点：
1. 具备寻址和路径选择能力，以确定帧的传输方向。
2. 从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧。
3. 网桥对接收的帧不做修改，或只修改一点封装格式

局域网交换机

桥连接的主要限制是在任一时刻通常只能执行一个帧的转发操作。从本质上来说，以太网交换机就是一个多端口的网桥，工作在数据链路层。利用以太网交换机可以很方便的实现虚拟局域网（VLAN），VLAN不仅可以隔离冲突域，也可以隔离广播域。

两种交换模式：
1. 直通式：直通式交换机只检查帧的目的地址。这种方式速度很快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率的端口的交换。
2. 存储转发式交换机，先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确。确认无误后通过查找表转换成输出端口将帧发送出去。可靠性高，但是延迟较大。

网络层

网络层的功能

中间设备又称为中间系统或中继系统。根据中继系统所在层次，有以下四种不同的中继系统:
1. 物理层：中继器、集线器（Hub）
2. 数据链路层：网桥或者交换机
3. 网络层：路由器
4. 网络层以上：网关

流量控制和拥塞控制的区别：
1. 流量控制往往是指在发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。
2. 而拥塞控制主要是确保通信子网能够传送待传送的数据，是一个全局性的问题。

IPv4

IPV4，现在普遍使用的IP协议（版本为4）。IP协议定义数据传送的基本单元 ————IP分组及其确切的数据格式。

IP数据报格式：
1. 首部的前一部分是固定长度，共20个字节。

IP数据报分片

一个链路层数据报能承载的最大数据量称为最大传送单元（MTU）。

IPv4地址与NAT

连接在Internet中每一台主机或者路由器都分配一个32比特的全球唯一的标识符，即IP地址。

其中：
1. 主机号全为0的表示本网络本身。
2. 主机号全为1的表示本网络的广播地址
3. 127.0.0.0网络保留作为环路自检。此地址表示任意主机本身，目的地址为环回地址的IP数据报永远不会出现在任何网络上。

NAT（Network Address Translation）：
通过将专用网络地址转换为公用地址，从而对外隐藏了内部管理的IP地址。它使得整个专用网只需要一个全球IP地址就可以与Internet连通。NAT可以大大的节省IP地址的消耗。

子网划分与子网掩码

IP地址和对应的子网掩码逐位相“and”，就能得到相应的子网的网络地址。

无分类CIDR

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

ARP解决的是一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不再同一个局域网上，那么就要通过ARP协议找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址。

动态主机配置协议（DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol）

常用于给主机动态的分配IP地址，它提供了即插即用联网的机制，这种机制允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址不用手工参与。

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

ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。ICMP协议是IP层协议。

网络层设备

路由器

路由器是一种具有多个输入输出端口的专用计算机，其任务是连接不同的网络并完成路由转发。
从模型的角度来看路由器是网络层设备，它实现了网络模型的下三层。即物理层、数据链路层、网络层。
路由选择部分：控制部分，其核心构件是路由选择处理机。其任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表。
分组转发部分：交换结构、一组输入端口和一组输出端口。

路由表和路由转发

传输层

它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最底层。

传输层的功能：
1. 传输层提供应用进程之间的逻辑通信（端到端的通信）。与网络层的区别是，网络层提供的是主机之间的逻辑通信。
2. 复用和分用。复用：指发送方不同的应用进程都可以使用同一个传输层协议传输数据。
3. 传输层还需要对收到的报文进行差错校验。而网络层只检查IP数据报的首部，不检验数据部分。

传输层的寻址和端口

常用的端口号：
1. FTP：21
2. SMTP：25 （Simple Mail Transfer Protocol）
3. HTTP：80
4. DNS：53

套接字：
套接字是一个通信端点（详细的包含主机端口号的通信端点）。
套接字 = （主机IP，端口号）

无连接服务和面向连接服务

TCP：
面向连接服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送后要释放连接。TCP不提供广播或组播服务。是一种可靠的传输服务。如：FTP、HTTP、远程登录（TELNET）

UDP：
无连接服务。比较简单，执行速度比较快，实时性好。应用主要有：DNS、简单网络管理协议（Simple Network Manage Protocol）SNMP、实时协议RTP

TCP连接管理

TCP连接有三个阶段：连接建立、数据传送和连接释放。

三次握手：
1. 第一步：客户机的TCP首先向服务器的TCP发送一个连接请求报文段。这个特殊的报文段中不含有应用层数据，其首部中SYN标志位被置为1。另外客户机会随机选择一个起始序号seq = x。
2. 服务器TCP收到连接请求报文段后，如同意建立连接，就像客户机发回确认，并为该TCP连接分配TCP缓存和变量。在确认报文段中，SYN和ACK位都被置为1，确认号字段的值为X+1。并且服务器随机产生起始序号seq = y。
3. 第三步：当客户机收到确认报文段后，还要向服务器给出确认，并且也要给该连接分配缓存和变量。这个报文段的ACK位置被置为1，序号字段为X+1，确认号字段ack = y+1。

TCP提供的是全双工通信。

四次握手：
1. 第一步：客户端打算关闭连接，就向其TCP发送一个连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接，终止位FIN被置为1，seq=u（前面序号+1）。
2. 第二步：服务器收到连接释放报文段后即发出确认，确认号是ack=u+1。此时，从客户机到服务器这个方向的连接就释放了，TCP连接处于半关闭状态。
3. 第三步：若服务器已经没有要向客户机发送的数据，就释放连接，此时发出FIN=1的连接释放报文段。seq = w，ack = u+1。
4. 第四步：客户机收到连接释放报文段后，必须发出确认。在确认报文段中，ACK字段被置为1，确认号ack = w+1，序号 seq = u+1。

FIN = 1， seq = u
ACK = 1, seq = v, ack = u+1
FIN = 1, ACK = 1, seq = w, ack = u+1
ACK = 1, seq = u+1， ack = w+1

应用层

网络应用模型

Client/Server：
常见的使用的应用包括：FTP、Web、电子邮件、远程登录。
特点：
1. 网络中各计算机的地位不平等。
2. 客户机相互之间不直接通信。
3. 可扩展性。

P2P模型：
p2p的思想是整个网络中的传输内容不再被保存在中心服务器上，每个结点都同时具有下载、上传的功能。

DNS系统（Domain Name System）

DNS采用C/S工作方式，其协议运行在UDP上，使用端口号53号。

域名服务器

根域名服务器
顶级域名服务器
授权域名服务器
本地域名服务器

域名解析过程

把域名映射成为IP地址或把IP地址映射成为域名的过程。

主机向本地域名服务器的查询采用的是递归查询：即如果本地主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名的IP地址，那么本地域名服务器就以DNS客户的身份，向根域名服务器继续发出查询请求报文
本地域名服务器向根域名服务器的查询采用迭代查询：当根域名服务器收到本地域名服务器发出的迭代查询请求报文时，要么给出所要查询的IP地址，要么告诉本地域名服务器下一步该向哪个顶级域名服务器进行查询。

文件传输协议FTP（File Transfer Protocol）

FTP采用C/S的工作方式，它使用TCP可靠的传输服务。端口号21。

SMTP协议和POP3协议

SMTP协议（Simple Mail Transfer Protocol）

提供可靠且有效的电子邮件传输的协议。使用25号端口，建立TCP连接。三个主要的过程：
1. 连接建立
2. 邮件传送
3. 连接释放

POP3协议（Post Office Protocol）

POP也使用C/S的工作方式，在传输层使用TCP协议，端口号110.

万维网WWW

WWW的概念与组成结构

万维网的内核：
1. 统一的资源定位符（URL Uniform Resource Locator）
2. 超文本传输协议HTTP
3. 超文本标记语言HTML

超文本传输协议HTTP

用户点击鼠标后发生事件顺序:
1. 浏览器分析链接所指向的页面的URL（htttp://www.tsinghua.edu.cn/chn/index.html）
2. 浏览器向DNS请求解析www.tsinghua.edu.cn的IP地址
3. 域名系统DNS解析出清华大学服务器的IP地址
4. 浏览器和该服务器建立TCP连接
5. 浏览器发出HTTP请求：GET/chn/index.html
6. 服务器通过HTTP响应把文件index.html发送给浏览器
7. TCP连接释放
8. 浏览器将文件Index.html进行解释，并将web页面展示给用户。