36 张图带你理解计算机网络 6 大基础知识点

• 这些层相互独立;
• 每个层需要足够的灵活性;
• 各层之间完全解耦。

1.4计算机网络的性能指标

速度: bps=bit/s 时间延迟: 发送时间延迟, 发送时间延迟, 队列时间延迟, 处理时间延迟 返回时间 RTT: 在端到端通信中,数据消息返回的时间。

二、物理层

物理层的作用:连接不同物理设备,传输位流。 物理层为顶层协议传输数据提供了可靠的物理媒体。

物理层设备：

• 重播器:同一本地网络的重播信号;两个端口的网络段必须具有相同的协议;5-4-3协议:在10BASE-5Ethernet中,最多四个继电器必须串联,在5段中只有三个连接主机;
• 多端继电器:在同一本地网络中播放和放大信号的继电器;半双重操作,不能隔离冲突区或广播区。

信道的基本概念:信道是一种单向传输信息的介质,通信电路包含一个信道和接收信道。

• 单个工作通信通道:只有一个方向的通信通道,没有反向反馈;
• 半双重通信通道:双方可以发送和接收信息,但不能同时发送和接收信息;
• 完全双重通信通道: 双方可以同时发送和接收.

三、数据链路层

3.1数据链层概览

数据链层以物理层提供的服务为基础向网络层提供服务,基本服务是可靠地从网络层传输数据到邻接节点的目标机器网络层。

该层的功能包括: 物理地址 、 数据框架 、 交通控制 、 数据检索 、 复发等.

有关数据链层的重要知识点:

• 数据链层为网络层提供可靠的数据传输;
• 基本数据单位为帧；
• 主要协议:Ethernet协议;
• 两个重要的设备名称: 网络桥和交换机.

框架封装框架是数据链层数据的基本单元:

透明传输透明意味着即使控制字符都存在于帧数据中,但不需要被处理。 换句话说,在控制字符之前添加了翻译字符ESC。

3.2数据链层监测不正确

错误检测:奇偶校正码,循环冗余校正码CRC

• 重复校正代码-限制:当发生两个错误时,错误不能被检测。
• 循环冗余核查代码:基于传输或存储的数据生成的固定位数核查代码。

3.3最大传输单元MTU

最大传输单元 ( MTU ) 是数据链层的数据帧,数据帧的长度由MTU限制。

路径MTU: 由链中的MTU最低值确定。

3.4Ethernet协议的详情

MAC地址:每个设备都有独特的MAC地址,总共48位,由16位系统代表。

以太网协议:一种使用广泛的本地网络技术并应用于数据链层的协议。以太网用于向邻近设备传输数据帧:

局域网分类：

Ethernet Ethernet IEE802.3:

• 以太网是第一个广泛部署的高速宽带网络
• 以太网数据速率快
• 以太网硬件便宜,网络建设便宜

以太网帧结构：

• 类型:识别顶层协议(2字节)
• 目标地址和源地址:MAC地址(每个6字节)
• 数据:包含顶层协议的子集(46至1500字节)
• CRC:循环冗余(4字节)
• 以太网最短帧:以太网帧最短64字节;以太网帧最短18字节;数据最短46字节;

MAC地址(物理地址,本地网络地址)

• MAC地址长度为6字节,48位;
• MAC地址具有独特性,每个网络适配器都与MAC地址相符;
• 通常使用十六阶表示,每个节点代表一个十六阶数,并由-或:连接;
• MAC广播地址:FF-FF-FF-FF-FF.

四、网络层

网络层的目的是实现两端系统间的透明数据传输,具体功能包括定位和路由选择、连接建立、维护和终止等。 数据交换技术是消息交换(主要由分组取代):使用存储传输方法,数据交换单元是消息。

网络层中有许多协议,这些包括最重要的协定,它也是TCP/IP的核心协议,IP协议。IP协议非常简单，仅提供不可靠、不连通的传输服务。IP协议的主要功能是: 非连接数据消息传输, 数据消息路由选择和误差控制.

还有支持IP协议的地址分析协议(ARP)、逆地址分析协议(RARP)、互联网消息协议(ICMP)和互联网群管理协议(IGMP)。

网络层负责分网间的路由选择,并可实现拥塞控制、网络互连等功能;

基本数据单元是IP数据报告;

3. 包括 主要 协定 :

• IP协议(互联网协议、互联网互联协议);
• ICMP协议(互联网控制消息协议);
• 地址解决协议(ARP);
• 」 「Reverse Address Resolution Protocol」。
• 重要设备:路由器。

路由器相关协议

4.1IP协议细节

IP网络协议是互联网网络层的核心协议。虚拟互联网网络的出现:虚拟计算机网络的复杂性,物理设备使用IP协议,保护物理网络之间的差异;当网络中的主机使用IP协议连接时,无需关注网络细节，这构成了一个虚拟网络。

IP协议将复杂的实网转换为虚拟相互连接的网络,并解决了虚拟网络数据传输路径问题。

其中，版本指IP协议的版本,占4位，例如,IPv4和IPv6;第一部分的长度表示IP的第一部部长,占4位，最大位数15;总长度表示IP数据报告的总长度,占16位，最大位数65535;TTL指网络中的IP数据消息的寿命,协议指示IP数据所载的具体数据。如TCP、UDP。

4.2IP协议的传输过程

4.3IP地址的子网划分

A类(8个网络号码+24个主机号码)、B类(16个网络号码+16个主机号码)和C类(24个网络号码+8个主机号码)可以用于识别网络中的主机或路由器。

4.4网络地址转换NAT技术

它在多个主机上通过公共IP访问在私人网络上访问互联网,减少了IP地址的消耗,但增加了网络通信的复杂性。

NAT 工作原理：

内部网络的IP数据报告,将IP地址转换为NAT服务器拥有的合法公共IP地址,并将转换关系记录在NAT转换表中;

从公共互联网返回的IP数据报告检索基于目标IP地址的NAT转换表,并使用检索的内部私人IP地址代替目标IP地址,然后将IP数据报告发送到内部网络。

4.5ARP协议和RARP协议

地址分辨率协议(ARP)提供动态映射网络卡(网络适配器)IP地址到相应的硬件地址。 网络层32位地址可以转换为数据链层MAC48位地址。

ARP是瞬时的,并且一个ARP表是自动创建的,不需要系统管理员配置它。

RARP(Reverse Address Resolution Protocol)协议(英语:RARP (Reverse Address Resolution Protocol))指一种逆地址分辨协议,它将MAC48位地址转换为网络层的32位地址。

4.6详细的ICMP协议

互联网控制消息协议(英语:Internet Control Message Protocol,ICMP)可以报告错误或异常,而ICMP消息包含在IP数据消息中。

ICMP协议的应用:

• Ping应用:网络故障检测;
• Traceroute应用程序: 可以检测网络中的IP数据消息传递的路径.

4.7网络层路由器概览

路由算法的要求: 正确完整, 计算上尽可能简单, 适应网络的变化, 稳定和公平.

自主系统:指管理机构下的网络设备组,AS内部网络自治管理,提供一个或多个外部入口,自主系统的内部路由协议是内部 Gateway协议.RIP、OSPF等;自主系统的外部路由协议是外部 Gateway协议,如BGP。

静态路由: 人工配置, 高度困难和复杂;

动态路由：

• LS:对所有邻近路由器的信息的快速收敛;全球路由器选择算法,每个路由器计算路由时间,必须构造整个网络拓扑;从源到网络目标端的最短路径是通过Dickstra算法获得的;Dickstra算法
• 距离向量路径选择算法DV: 向所有邻近路径发送的信息的收敛速度慢,有一个返回路径;其基础是贝尔曼-福德方程(B-F方程)。

4.8内部网络交换路由协议RIP协议

路由器信息协议RIP(Routing Information Protocol)是一个基于远程向量的路由选择算法,一个较小的AS(自主系统),适用于小网络;RIP声明,它包含UDP数据报告。

RIP协议特性：

• RIP在测量路径时使用跳数(每个路由器保持自己的距离记录);
• RIP的成本由源路由器和目标子网之间定义;
• RIP仅限于网络直径不超过15个跳跃;
• 与邻居交换所有信息,一次30人(广播)。

4.9内部网关协议OSPF协议

首先打开最短路径(OSPF)基于链状态的路径选择算法(即Dykstra算法),较大规模的AS ，适合大型网络，直接封装在IP数据消息传输中.

OSPF协议优点：

• 安全；
• 支持多个相同的成本路径;
• 支持成本测量的差异化;
• 支持单播和多播线路;
• 分层路由。

RIP和OSPF的比较(路由算法决定其特性):

4.10外部门户协议的BGP协议

BGP ( Border Gateway Protocol ) 是一个在AS之间运行的协议,并寻找一个好的路径.

五、传输层

第一个end-to-end是 host-to-host层,传输层负责分层上层数据并提供end-to-end、可靠或不可靠的传输。 此外,传输层还处理end-to-end误差控制和流量控制问题。

传输层的任务是根据通信子网的特点,充分利用网络资源,为两个终端系统的通信层之间建立、维护和终止传输连接,负责从端到端可靠的数据传输。

网络层仅通过网络地址发送数据包从源到目的地,而传输层负责可靠地传输数据到相应的端口。

有关网络层的重点：

• 传输层负责分层顶层数据,提供端到端、可靠或不可靠的传输以及端到端误差控制和流量控制问题;
• 主要协议是:TCP(传输控制协议),UDP(用户数据图协议);
• 重要设备：网关。

5.1详细的UDP协议

UDP(User Datagram Protocol)是一个非常简单的协议。

UDP协议的特点：

• UDP是一个非连接协议;
• UDP 不能 保证 可靠 的 数据 提供 ;
• UDP是面向消息传输的;
• UDP没有交通堵塞控制;
• UDP的第一笔开支非常小。

UDP数据报结构：

标题:8B,四个字段/2B [Source Port | Destination Port | UDP Length | Calibration and] 数据字段:应用程序数据

5.2TCP协议细节

TCP(Transmission Control Protocol)是计算机网络中的一种非常复杂的协议。

TCP协议的功能：

• 应用程序层报告被划分并重新组织;
• 实现应用程序层的重用和分解;
• 实现端到端流程控制;
• 拥塞控制；
• 传输层寻址；
• 检测收到的报告中的错误(第一部分和数据部分被检查是否有错误);
• 实现了过程间可靠的数据传输控制.

TCP协议的特点：

• TCP是一个面向连接的协议;
• TCP是一个面向节点的协议;
• TCP连接有两个端,即点到点通信;
• TCP提供可靠的传输服务;
• TCP协议提供完全双重通信(只提供一个到一个TCP连接);

5.2.1TCP报告结构:

最大报告段长度: 报告段内包含的应用程序层数据的最大长度.

TCP首部：

• 序列字段: TCP的序列为每个应用数据层的每个节点编码
• 确认序列字段:从另一方收到的预期数据的序列,即数据的相应序列尚未收到。
• TCP节的第一个部长级是20B,最大长度为60个字符,但长度必须是4B的整数乘数

TCP标记的作用：

5.3可靠传输的基本原则

基本原理：

• 数据传输中可能出现不可靠的传输渠道:错误、故障、重传输、损失
• 基于不可靠渠道实现可靠数据传输的措施:

误差检测:使用编码实现在数据包传输过程中的特殊误差检测确认:接收方向发送者反馈接收状态重发:发送者重发接收者不接收正确的数据序列数:确保数据在序列中提交时间:解决数据丢失问题;

停止等待协议:它是最可靠的传输协议,但是它对频道的实用性很低。

连续ARQ(Automatic Repeat reQuest)协议: sliding window + cumulative confirmation大大增加通道使用量。

5.3.1TCP协议可靠传输

基于连续的ARQ协议,在某些情况下,重新传输并不十分有效,将复制成功收到的文本部分。

5.3.2TCP协议的交通管制

流量控制:为了确保发送器不会发送太快,TCP协议使用滑动窗口实现流量控制。

5.4TCP协议的拥堵控制

交通控制与交通控制的区别是:交通控制是控制点间通信量,交通控制是控制整个网络的,交通控制方法是慢启动算法+阻塞算法。

慢开始和拥塞避免：

• 拥挤窗口从1个索引增长;
• 在达到阈值时,输入“避免拥挤”并变为+1增长;
• 【超时】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2）；
• 然后从[开始缓慢], 拥挤窗口从1指数增长.

快重传和快恢复：

• 发送者在一行中接收三个冗余的ACK并执行“快速重传输”而不等待计时器过时;
• 执行【快恢复】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2），并从此新的ssthresh点进入【拥塞避免】。

5.5 TCP连接的三个手(重要)

TCP使用三个握手指令:

记者: 你为什么要三次握手?

• 第一个握手:客户端发送请求,服务器知道客户端可以发送;
• 第二次握手:服务器发送确认,当客户端知道服务器可以发送和接收时;
• 第三个握手: 客户端发送确认, 服务器知道客户端可以接收.

建立连接(三个手):

首先:客户端向服务器发送连接请求,建立连接请求控制器(SYN=1),代表传输的消息段的第一个数据节点的序列数为x,此序列数表示整个消息段的序列(seq=x);客户端输入SYN_SEND(同步发送状态);

其次:服务器发送了确认消息,确认同意建立新的连接(SYN=1),确认序列字段有效(ACK=1),服务器告诉客户端消息段序列是y(seq=y),指示服务器已收到一个与客户端序列编号x的消息段,准备以客户端序列数x+1(ack_seq=x+1)接收消息段;服务器从LISTEN输入SYN_RCVD(同步接收状态);

第三:客户端确认与服务器相同的连接。 确认序列字段有效(ACK=1),此消息的客户端序列为x+1(seq=x+1),客户端期望接受服务器的序列为y+1(ack_seq=y+1);当客户端发送一个 ack时,客户进入服务状态;当服务收到客户发出的索赔时,也输入了STABLISHED状态;第三方可以携带数据;

5.6四波TCP连接(重要)

释放连接(四手)

首先:客户端向服务器发送释放连接消息,发送最终数据已经完成,要求释放连接(FIN=1),第一个数据节点的序列是x(seq=x);客户端状态由STABLISHED输入到 FIN_WAIT_1(终止等待1状态);

第二:服务器向客户端发送确认,确认该字段的有效性(ACK=1),服务器传输的数据序列是y(seq=y),服务器期望接收客户端数据序列为x+1(ack_seq=x+1);服务器状态由STABLISHED输入到CLOSE_WAIT(关闭等待);客户端接收ACK节,从Fin_WAIT_1输入Fin_WAIT_2;

第三:服务器向客户端发送释放连接消息,要求释放连接(FIN=1),确认该字段的有效性(ACK=1),指示服务器预期接收客户端数据序列为x+1(ack_seq=x+1);指示服务器发送的第一个字符序列为y+1(seq=y+1);服务器状态由CLOSE_WAIT输入到LAST_ACK(最后确认状态);

第四:客户向服务器发送确认,确认该字段的有效性(ACK=1),客户端发送的数据序列为x+1(seq=x+1),指示客户端预期接收服务器数据序列是y+1+1(ack_seq=y+1+1);客户端状态由 FIN_WAIT_2输入 TIME_WAIT,等待2MSL时间，输入CLOSED状态;服务器接收了最后的ACK,由LAST_ACK关闭;

为什么等2MSL?

• 最后 的 声明 没有 得到 证实 ;
• 确保发送方的ACK到达接收方;
• 2如未在MSL期间收到,接收器将重新出现;
• 确保当前连接的所有消息已经过期。

六、应用层

为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。 应用层集中:

• 数据传输的基本单元是信息;
• 主要协议包括FTP(文件传输协议),Telnet(远程登录协议),DNS(域名分析协议),SMTP(邮件传输协议),POP3(邮政协定),超文本传输协议(HTTP)。

6.1 DNS详解

DNS (Domain Name System: Domain Name System) [C/S, UDP, port 53]: 解决了记住IP地址和存储的复杂问题,并完成将域名映射到其管辖范围内的主机IP地址。

域名解析的顺序：

• 【1】浏览器缓存，
• 2.在主机上找到主机文件,
• 【3】路由缓存，
• 【4】找DNS服务器（本地域名、顶级域名、根域名）->迭代解析、递归查询。

IP—>DNS服务—>便于记忆的域名

域名由点、字母和数字组成,分为高级域名(com,cn,net,gov,org),第二级域名(baidu,taobao,qq,alibaba)和第三级域名(ww)(12-2-0852)。

6.2 DHCP协议细节

DHCP(Dynamic Configuration Protocol: Dynamic Host Setup Protocol)是一个使用UDP协议的本地网络协议。

6.3HTTP协议的详情

文件传输协议(FTP):控制连接(端口21):以7位ASCII格式发送控制信息(连接、传输请求)。

HTTP(高文本传输协议)端口80:是一个可靠的数据传输协议,在浏览器向服务器发送消息之前,先建立TCP连接，HTTP使用TCP连接方法(HTTP本身没有连接)。

HTTP请求报告方法:

• GET:要求指定页面信息,并返回实体主体;
• POST:向指定资源提交数据处理请求;
• 删除:要求服务器删除指定的页面;
• 头部:请求读取URL标识符信息的第一部分,只返回消息的头部;
• 开关:要求有关某些选项的资料;
• PUT:在指定的URL下存储文件。

6.3.1HTTP工作结构

6.3.2HTTPS协议的详情

HTTPS(Secure)是一个带有443号端口的安全HTTP协议。基于HTTP协议,它通过SSL或TLS提供数据加密、认证和数据完整性保护。