計算機網絡

基礎概念

實現多個計算機系統的資源共享和信息傳遞

通信子網:介質,設備,協議,對應物理層,數據鏈路層,網絡層

資源子網:主機,終端,軟件對應應用層,表示層,會話層

帶寬:在通信領域表示通信線路允許通過的信號頻帶范圍,單位Hz,在計算機網絡中,表示通信線路每秒的傳送數據量,單位bit/s

時延:報文(分組)從網絡(鏈路)一端傳送到另外一端需要的時間,有四個部分組成

發送時延:數據塊長度/帶寬

傳播時延:信道長度/傳播速率

處理時延:對數據快的進行存儲轉發處理所需的時間

排隊時延:分組等待路由器確定端口,等到輸出隊列轉發

吞吐量:單位時間通過某個網絡(信道/接口)的數據量

速率:計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據的速率,單位b/s

接口:同一結點內相鄰兩層交換信息的連接點,即服務訪問點

服務:由下層向上層通過層間接口提供的功能調用

協議:協議的實現(同一層兩個對等實體間的通信)保證了能夠向上一層提供服務,協議控制對等實體之間的通信規則,要實現本層協議需要使用下層提供的服務

網絡協議主要包含三個要素:

語法(數據與控制信息的結構或格式)

語義(控制信息對應的動作和應答)

同步(事件的實現順序)

局域網和廣域網：在網內通訊只需要物理地址，局域網使用的協議主要在數據鏈路層和物理層，廣域網使用的協議主要在網絡層，以及數據鏈路層和物理層

以太網：以太網是局域網的一種實現形式，以太網邏輯上采用總線型拓撲結構，所有計算機共享同一條總線，信息以廣播方式發送，采用了無連接的工作方式，不對發送的數據幀編號，也不要求接收發送確認。以太網盡最大努力交付數據，提供的是不可靠服務，對于差錯的糾正由高層協議完成。

萬維網的組成

（1）統一資源定位符URL，每個資源在萬維網范圍內具有唯一的標識符

<協議>://<主機>:<端口>/<路徑>

（2）超文本傳輸協議HTTP，使用TCP連接進行可靠傳輸的應用層協議

（3）超文本標記語言HTML，文檔結構的標記語言，使用一些約定的標記對頁面上的各種信息、格式進行描述

互聯網泛指多個計算機網絡按照一定的通信協議相互連接成一個大型的計算機網絡。

因特網是指在ARPA網基礎上發展而來的世界上最大的全球性互聯網絡，因特網和其他類似的由計算機相互連接而成的大型網絡系統，都可以算互聯網，因特網只是互聯網中最大的一個。

萬維網是無數個網絡站點和網頁的集合，他們在一起構成了因特網最主要的部分，因特網還包括了電子郵件等。

網絡模型的層次結構

物理層

基本數據單元：比特

基本功能：實現比特流的傳輸和接收,物理媒體不屬于物理層協議,位于物理層協議下方

基本協議：IEEE802

數據鏈路層

基本數據單元：幀

基本功能

加強物理層傳輸原始比特流的功能，將物理層提供的可能出錯的物理連接改造為邏輯上無差錯的數據鏈路，使之對網絡層表現為一條無差錯的的鏈路，在概念上分為兩個子層：LLC和MAC，提供三種服務：無確認的無連接服務，又確認的無連接服務，有確認的有連接服務

鏈路管理：鏈路連接的建立，維持，釋放以及對異常情況的處理

幀定界和幀同步：鏈路層傳輸的數據單元是幀，協議不同，幀的長短和定界方法也有差別，但無論如何必須對幀進行定界，即添加必要的首部和尾部

流量控制：控制發送方數據的發送速率，使接收方能夠完全接收，從而防止由于發送方數據發送過快而接收方接受過慢導致數據丟失

差錯控制：對數據傳輸中的差錯進行檢測和糾正，提供“無比特差錯” 的傳輸

實現數據的透明傳輸并使用MAC地址提供對介質的訪問，保證每一幀都能正確到達目的站（為了防止幀在傳輸過程中丟失，在可靠的數據鏈路層協議中，發送方緩存發送的每個幀，并為它設定一個計時器，當計時器到期而該幀的確認幀仍然沒有到時，發送方將重發該幀）

將數據和控制信息區分開：通過一定措施區分開幀的數據和控制信息

邏輯鏈路控制LLC子層：該層集中了與媒體接入無關的功能。建立和釋放數據鏈路層的邏輯連接；提供與上層的接口（即服務訪問點）；給LLC幀加上序號；差錯控制。

介質訪問控制MAC子層:負責解決與媒體接入有關的問題和在物理層的基礎上進行無差錯的通信。發送時將上層交下來的數據封裝成幀進行發送，接收時對幀進行拆卸，將數據交給上層；實現和維護MAC協議；進行比特差錯檢查與尋址。

基本協議：Ethernet協議

工作設備：網卡（物理層，數據鏈路層），網橋，交換機（多端口網橋）

網橋：將兩個相似的網絡連接起來，并對網絡數據的流通進行管理，不但能擴展網絡的距離或范圍，還能提高網絡的性能。（網絡1和網絡2通過網橋連接，網橋接收到網絡1發送的數據包，檢查數據包中的地址，如果地址屬于網絡1 ，他就將其放棄，相反，如果是網絡2 的地址，就繼續發送給網絡2，這樣可以利用網橋隔離網段）

網橋的基本特點

網橋必須具備尋址和路徑的選擇能力，已確定幀的傳輸方向

從源網絡接收幀，以目的網絡的介質訪問控制協議向目的網絡轉發該幀

網橋在不同或者相同類型的LAN之間存儲并轉發幀，必要時還進行鏈路層上的協議轉換

網橋對所接收到的幀不做任何修改，或只對幀的封裝格式做很小的修改

網橋可以通過執行幀翻譯互連不同類型的局域網，即把原協議的信息段的內容作為另一種協議的信息部分封裝在幀中

網橋應該有足夠大的緩存空間，因為短時間內幀的到達速度可能高于轉發速度

網橋的優點：過濾通信量，擴大物理范圍，可使用不同的物理層，可互連不同類型的局域網,提高了網絡的可靠性

網橋的缺點：增加時延，MAC子層沒有流量控制功能，不同MAC子層的網段橋接在一起需要幀格式的轉換，只適合用戶數不多通信量不大的局域網，否則可能因傳播過多廣播信息而產生網絡擁塞（廣播風暴）

鏈路層提供的MAC尋址與ARP，RARP協議尋址的區別：ARP，RARP協議工作在網絡層，負責IP地址與MAC地址的轉換，而轉換后則由鏈路層僅靠MAC地址尋址。

網絡層

基本數據單元：分組

基本功能：異構網路互連，路由選擇和分組轉發，擁塞控制

基本協議：網際協議(IP),互聯網組管理協議(IGMP)和網際控制報文協議(ICMP)

工作設備：網關

地址解析協議ARP（Address Resolution Protocol）

維護IP地址到MAC主機地址動態表的協議，將IP地址解析為鏈路層需要的硬件地址。主機A向本局域網的主機B發送IP數據報時，先查看ARP高速緩存中是否有主機B的地址，如果有就將其硬件地址寫入MAC幀，然后通過局域網將該MAC幀發往此硬件地址，如果沒有，就先廣播ARP請求分組（MAC幀的目的地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF），在獲得目標主機的ARP相應分組后，將目標主機的硬件地址與IP映射關系寫入ARP緩存中，然后按照此硬件地址發送MAC幀。

網際控制報文協議協議ICMP （Internet Control Message Protocol）

使主機或者路由器可以報告差錯和異常情況嘛，有差錯報文和詢問報文。ICMP差錯報文用于目標主機或到目標主機路徑上的路由器向源主機報告差錯和異常情況，包括

（1）終點不可到達

（2）源點抑制

（3）時間超過

（4）參數問題

（5）改變路由，重定向。

ICMP詢問報文包括

（1）回送請求和回答報文

（2）時間戳請求和回答報文

（3）掩碼地址請求和回答報文

（4）路由器詢問和通告報文

PING工作在應用層，直接使用網絡層的ICMP協議的回送請求和回答報文，而沒有使用傳輸層的TCP或UDP協議

路由信息協議RIP（Routing Information Protocol）

分布式的基于距離-向量的路由選擇協議，最大優點實現簡單、開銷較小，只能適用于小型的互聯網絡

RIP規定

網絡中的每臺路由器都要維護從它自己到網絡中其他每個目標網絡的距離紀錄

距離也稱為跳數，直接連接的網絡的跳數為0，每經過一個路由器，跳數加1

一個好的路由就是通過的路由器的個數最小

一條從源主機到目的主機的路由最多只能包括15個路由器，因此跳數最大為16，表示網絡不可到達

默認在任意兩臺使用RIP協議的路由器之間每隔30s廣播一次RIP的路由更新信息，以便自動建立并維護路由表

RIP的特點

每個路由器僅和相鄰路由器交換信息

交換的信息是當前路由器的路由表

按固定的時間間隔交換路由信息

路由器的組成和功能

路由器是一種具有多個輸入輸出接口的專用計算機，其任務是連接不同的網絡并完成路由轉發，在多個邏輯網絡互聯時必須使用路由器，路由器也作為最基礎的包過濾防火墻使用

當源路由器要像目的主機發送數據報時，路由器先檢查目的主機是否和源主機在同一個網絡中。如果目的主機和源主機在同一個網絡上，則直接交付而不同通過路由器，但如果目的主機和源主機不在同一個網絡上，則路由器按照路由表指出的路由將數據報轉發給下一個路由器，稱為間接交付。

路由器在結構上分為路由選擇和分組轉發兩個部分，從模型的角度看，路由器是網絡層的設備，實現了網絡模型的下三層，即物理層，數據鏈路層，網絡層。

傳輸層

基本數據單元：報文

基本功能：

端到端的通信，為運行在不同主機上的進程之間提供了邏輯通信，網絡層提供了主機之間的邏輯通信

復用和分用，發送方的不同應用進程都可以使用同一個傳輸層協議傳送數據：分用指接收方的傳輸層在剝去報文的首部后能夠把這些數據正確的交付給應用進程，與網絡層的復用分用不同，網絡層的復用是指發送方能夠將不同協議的數據封裝為IP數據包發送出去，分用是指接收方的網絡層在剝去首部后把數據交付給相應的協議

對收到的報文進行差錯檢測（網絡層只檢查IP數據報的首部，不檢驗數據部分是否出錯）

提供兩種不同的傳輸協議，即面向連接的TCP和無連接的UDP（網絡層無法同時實現兩種協議）

傳輸層的尋址和端口：

端口號能夠讓應用層的各種應用進程將其數據通過端口向下交付給傳輸層，以及讓傳輸層知道應當將其報文段中的數據向上通過端口交付給應用層的相應進程，端口號并不是一一對應的，只有通過IP地址和端口號才能唯一確定一個主機的一個應用，稱為套接字（IP地址+端口號）

基本協議：TCP/UDP協議

IP數據報和UDP數據報的區別是IP數據報在網絡層要經過路由器的存儲轉發，而UDP數據報是在傳輸層的端到端的邏輯信道中傳輸，在封裝成IP數據報在網絡層傳輸時，UDP數據報對路由器是不可見的

用戶數據報協議UDP（User Datagram Protocol）

只提供了兩個最基礎的功能，復用分用和差錯檢測

無需建立連接，也不會引入建立連接的時延（DNS追求速度使用UDP，HTTP追求可靠性使用TCP）

無連接狀態，TCP需要在端系統中維護連接狀態，此鏈接狀態包括接收和發送緩存，擁塞控制參數和序號和，確認號的參數，UDP不需要維護連接狀態，也不跟蹤這些參數，因此某些專用應用服務使用UDP時一般都能支持更多的活動客戶機

分組首部開銷小，TCP需要20B，UDP需要8B

應用層能更好的控制要發送的數據和發送時間，UDP沒有擁塞控制，因此網絡中擁塞不會影響主機的發送效率，流媒體、視頻會議等應用要求穩定的發送速度能容扔一定的數據丟失，但不容許有較大的時延，UDP正好滿足要求

UDP盡最大努力交付，不保證可靠交付，不代表應用對數據的要求是不可靠的，維護傳輸可靠性的工作需要用戶在應用層完成

UDP是面向報文的，發送方對應用層交下來的報文，在添加首部后就向下傳遞給IP層，既不合并也不拆分，而是保留這些報文的邊界，接收方對IP層傳遞的報文，在去除首部后就原封不動的上傳給應用進程，一次交付一個完整的報文

傳輸控制協議TCP（Transmission Control Protocol ）

TCP是在不可靠的IP層上實現可靠的數據傳輸協議，主要解決傳輸的可靠、有序、無丟失和不重復的問題

TCP是面向連接的傳輸層協議

每條TCP連接只能有兩個端點，每條TCP連接只能是點對點的

TCP提供可靠的交付服務，保證傳輸的無差錯、不丟失、不重復且有序

TCP提供全雙工通信，允許通信雙方的應用進程在任何時候都能發送數據，因此TCP連接的兩端都設有發送緩存和接收緩存

TCP是面向字節流的，雖然應用程序和TCP的交互是一次一個數據塊，但TCP把應用程序傳遞下來的數據看作一連串的無結構字節流

Source Port和Destination Port代表目的和源端口。

Sequence Number代表報文段的序號來表示順序。Acknowledgment Number代表發送方作為接收方已接收的報文段，并且期望收到下個報文段的開始序列號。TCP實際上將傳送數據看做成數據的字節流，而不是一個個單獨的報文段。這點從Sequence Number就可以看出，Sequence Number以傳送的字節數作為單位，而不以報文段的數量作為單位。

Data Offset作為對齊的空位，Reserved作為保留位。下面是重點Flag位。

Flag包括Urgent、Ack、Push、Reset、Syn、Fin這6位。Urgent作為報文段的緊急數據標識，但具體如何處理交給接收方決定。Reset作為報文段的連接異常結束或端口號錯誤的標識。而Ack確認、Syn同步、Fin結束在三次握手和四次揮手中作為關鍵標識位。Push代表TCP不再等待是否還有其他報文段到達，馬上交給上層應用層。

Window位作為流量控制的基礎，后面會更具體的聊。

Check Sum作為校驗位，校驗報文段是否在傳輸過程中受損。Urgent Pointer在Urgent位為1時，才會出現，指向緊急數據的最后一個字節。

Options常見的標識有nop、TS val(time stamp)、ecr(echo reply)、mss。nop標識就和氣泡指令一個意思，就是占位的。而TS val和ecr分別代表發送方的時間戳和接收方的時間戳，基于這兩個時間戳來計算出RTT往返時間 (round-trip time) ，當然還要加權平均，具體計算就不多說了，RTT會被用來衡量重傳計時器的超時時長。mss(Maximum Segment Size)指的是，連接層每次傳輸的數據有個最大限制MTU(Maximum Transmission Unit)，一般是1500比特，超過這個量要分成多個報文段，mss則是這個最大限制減去TCP的header，光是要傳輸的數據的大小，一般為1460比特。

TCP連接的建立采用客戶／服務器的方式，有三個階段：連接建立、數據傳送和連接釋放，TCP傳輸連接的建立采用“三次握手”的方法

TCP協議三次握手的描述如下：

第一次握手：客戶端發送帶有SYN標志的連接請求報文段，然后進入SYN_SEND狀態，等待服務端的確認。

第二次握手：服務端接收到客戶端的SYN報文段后，需要發送ACK信息對這個SYN報文段進行確認。同時，還要發送自己的SYN請求信息。服務端會將上述的信息放到一個報文段（SYN+ACK報文段）中，一并發送給客戶端，此時服務端將會進入SYN_RECV狀態。

第三次握手：客戶端接收到服務端的SYN+ACK報文段后，會向服務端發送ACK確認報文段，這個報文段發送完畢后，客戶端和服務端都進入ESTABLISHED狀態，完成TCP三次握手。

當三次握手完成后，TCP協議會為連接雙方維持連接狀態。為了保證數據傳輸成功，接收端在接收到數據包后必須發送ACK報文作為確認。如果在指定的時間內（這個時間稱為重新發送超時時間），發送端沒有接收到接收端的ACK報文，那么就會重發超時的數據。

服務器端的資源是在完成第二次握手時分配的，而客戶端的資源是在完成第三次握手時分配的，三次握手主要是為了防止2次握手的情況下，已失效的連接請求報文突然又傳送到服務端，使服務端認為傳輸鏈接已經建立，并一直等待客戶端傳送數據，造成服務器端的資源浪費

TCP連接的釋放采用“4次握手”方法

四次揮手，客戶端和服務端都可以發起。第一次發送方發送FIN為1、ACK為1，序列號為某序列號，表示發送方想結束連接。第二次接收方發送ACK為1，確認號為接收序列號加1，表示我還沒有準備好結束連接。第三次接收方發送FIN為1、ACK為1，序列號為某序列號，表示我已經準備好結束連接了。第四次發送方，發送ACK為1，確認號為所接收序列號加1，表示確認，結束連接。

半關閉

在四次揮手的基礎上，發送方可以在接收第二次接收方發送ACK后，可以形成發送方不再發送報文段，但仍然接收接收方發送的報文段的這種現象。這就形成了半關閉。

使用4次握手的方法

（1）保證了客戶端發送的最后一個確認報文能夠到達服務器，如果客戶端不等待，而確認報文丟失，則服務器不能進入正常的關閉狀態，而客戶端此時已經關閉，不可能重傳確認報文

（2）防止出現“已經失效的連接請求報文段”，客戶端在發送完最后一個確認報文后，經過時間等待，可保證本連接持續的時間內所產生的所有報文段從網絡消失

會話層

主機間會話的建立,管理以及終止,使用校驗點可使通信會話在通信失效時從校驗點恢復繼續通信,實現數據同步

表示層

管理數據的壓縮,加密與解密,格式轉換

應用層

規定應用進程在通信時遵守的協議，有客戶／服務器模型和P2P模型

基本功能：為操作系統或者網絡應用程序提供網絡服務的接口

基本協議：虛擬終端協議Telnet,文件傳輸協議FTP,域名解析服務DNS,簡單郵件傳送協議SMTP（發送），郵局協議POP（接收）,HTTP

常見的使用UDP的應用層協議有：DNS，TFTP，RIP，BOOTP，DHCP，SNMP，NFS等，使用TCP的應用層協議有：SMTP，TELNET，HTTP，FTP等

動態主機配置協議DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）

基于UDP，使用客戶端／服務器方式，需要IP地址的主機在啟動時向DHCP服務器廣播發送發現報文，該主機成為DHCP的客戶，本地網絡上的所有主機都能收到此廣播報文，但只有DHCP服務器才能回答此廣播報文。DHCP服務器首先在數據庫中查找該計算機的配置信息，若找到直接返回該信息，若找不到則從服務器的IP地址池中取出一個IP地址分配該計算機，DHCP服務器的回答報文稱為提供報文。

文件傳輸協議FTP（File Transfer Protocol）

使用兩個并行的TCP連接，一個是控制連接（端口21），一個是數據連接（端口20），控制連接用來傳輸控制信息，在傳輸文件的同時可以控制連接，在整個會話期間一直保持打開，服務器端的控制進程在接收到FTP客戶端發送來的文件傳輸請求后就創建數據傳送進程和數據連接，數據連接用來連接客戶端和服務器的數據傳輸進程，數據傳送進程實際完成文件的傳送，傳輸完畢后關閉數據傳送連接

HTTP協議

HTTP的訪問過程

瀏覽器分析超鏈接指向頁面的URL http://www.baidu.com

瀏覽器向DNS服務器請求解析www.baidu.com的IP地址

域名系統DNS解析出IP地址發送給瀏覽器

瀏覽器使用IP地址與服務器建立TCP連接

瀏覽器發出HTTP請求：GET/chinese/index.htm

服務器通過HTTP響應把文件index.htm返回給瀏覽器

TCP連接釋放

瀏覽器將文件index.htm進行解釋，并將web頁面顯示給用戶

HTTP協議有兩類報文，請求報文和響應報文，HTTP協議是無狀態的，服務器不會存儲任何客戶機的狀態信息，實際應用中經常使用Cookies來跟蹤用戶的活動，Cookies是一個存儲在用戶主機上的文本文件，，里面含有一串識別碼用于識別用戶，Web服務器根據Cookies就可以從數據庫中查詢到該用戶的活動記錄。

HTTP既可以使用非持久連接，也可以使用持久連接。

對于非持久連接，每個網頁元素（JFPG圖片，FLASH等）的傳輸都需要單獨建立一個TCP連接，而持久連接之需要建立一個TCP連接就可以傳送整個網頁。

持久連接分為不帶流水線和帶流水線的版本，不帶流水線的版本，瀏覽器只能在接收到前一個請求的響應后才會發送新的請求，HTTP/1.1的默認模式使用帶流水線的持久連接，這種情況下，HTTP客戶端每遇到一個引用對象就立即發出一個請求，因而HTTP客戶端可以一個接一個連續發出各個引用對象的請求。如果所有的請求和響應都是連續發送的，那么所有引用到的對象共計經歷一個RTT延遲，而不帶流水線的持久連接的每個引用都必須有一個RTT延遲。

HTTP的報文

請求行／狀態行

請求報文的開始行稱為請求行（方法，URL，HTTP的版本）

GET 請求讀取由URL所標志的信息

POST 給服務器添加信息

HEAD 請求讀取由URL所標志的信息的首部

CONNECT 用于代理服務器

響應報文的開始行稱為狀態行

首部行

用來說明瀏覽器、服務器或者報文主體的一些信息，可以有幾行，也可以沒有，每個首部行都有首部字段名和它的值，每一行結束的地方都有回車和換行，整個首部結束時，還有一空行將首部和后面的實體主體分開

實體主體

請求報文一般為空，響應報文也可以為空