[Network] 计算机网络基础知识总结

部分内容参考自：http://www.cnblogs.com/maybe2030/p/4781555.html#top

部分内容引自牛客网上的知识总结，https://www.nowcoder.com/ta/review-network

部分内容引自《计算机网络》 谢希仁

计算机网络学习的核心内容就是网络协议的学习。网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或者说是约定的集合。因为不同用户的数据终端可能采取的字符集是不同的，两者需要进行通信，必须要在一定的标准上进行。一个很形象地比喻就是我们的语言，我们大天朝地广人多，地方性语言也非常丰富，而且方言之间差距巨大。A地区的方言可能B地区的人根本无法接受，所以我们要为全国人名进行沟通建立一个语言标准，这就是我们的普通话的作用。同样，放眼全球，我们与外国友人沟通的标准语言是英语，所以我们才要苦逼的学习英语。

计算机网络协议同我们的语言一样，多种多样。而ARPA公司与1977年到1979年推出了一种名为ARPANET的网络协议受到了广泛的热捧，其中最主要的原因就是它推出了人尽皆知的TCP/IP标准网络协议。目前TCP/IP协议已经成为Internet中的“通用语言”，下图为不同计算机群之间利用TCP/IP进行通信的示意图。



　　

网络层次划分

不同的划分方式

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织（ISO）在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。其中第四层完成数据传送服务，上面三层面向用户。



　　除了标准的OSI七层模型以外，常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议，它们之间的对应关系如下图所示

　　



下图是应用进程的数据在各层之间的传递过程中所经历的变化，假定两台主机通过一台路由器连接起来：



虽然传输的过程是复杂的，但两台主机对应的层次在逻辑上是对等的

标准的OSI分层模式

　TCP/IP协议毫无疑问是互联网的基础协议，没有它就根本不可能上网，任何和互联网有关的操作都离不开TCP/IP协议。不管是OSI七层模型还是TCP/IP的四层、五层模型，每一层中都要自己的专属协议，完成自己相应的工作以及与上下层级之间进行沟通。由于OSI七层模型为网络的标准层次划分，所以我们以OSI七层模型为例从下向上进行一一介绍。

　

各层的协议

物理层：RJ45、CLOCK、IEEE802.3 （中继器，集线器）

数据链路：PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC （网桥，交换机）

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

传输层：TCP、UDP、SPX

会话层：NFS、SQL、NETBIOS、RPC

表示层：JPEG、MPEG、ASII

应用层：FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS

各层的作用

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）

物理层（Physical Layer）

激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。物理层记住两个重要的设备名称，中继器（Repeater，也叫放大器）和集线器。

物理层的作用：物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

物理层的协议：RJ45、CLOCK、IEEE802.3

物理层的设备：中继器（Repeater，也叫放大器）和集线器。

数据链路层（Date Link Layer）

定义

数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。为达到这一目的，数据链路必须具备一系列相应的功能，主要有：

如何将数据组合成数据块，在数据链路层中称这种数据块为帧（frame），帧是数据链路层的传送单位；

如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使与接收方相匹配；

如何在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放的管理。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。



数据链路层的作用：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。数据链路层为网络层提供可靠的数据传输**

数据链路层的协议：PPP（点对点协议）、FR、HDLC、VLAN、MAC

数据链路层的设备：网桥，交换机

模型

三层的简化模型：

封装成帧

注意一个概念：MTU（最大传送单元），MTU也就是IP数据包的长度上限

透明传输

为了解决透明传输的问题，可以使用字符填充或者字节填充，在数据部分中出现SOH和EOT的部分加一个转义字符ESC



数据中出现定界符



使用字符填充解决透明传输问题，接收时顺利得到数据部分

差错检测

使用CRC循环冗余检测（处理比特差错），帧内的差错检测和传输过程中帧出现的帧丢失，帧重复，帧失序。为了防止出现传输差错，增加了：帧编号，确认和重传机制。

ppp传输协议

协议的组成结构

1，将IP数据报封装到串行链路的方法（数据报长度不可超过MTU）

2，一个用来建立，配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP

3，一套网络控制协议NCP

帧格式

工作流程

网络层（Network Layer）

定义

网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。如果您想用尽量少的词来记住网络层，那就是“路径选择、路由及逻辑寻址”。

网络层中涉及众多的协议，其中包括最重要的协议，也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单，仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。

IP协议的主要功能有：无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。

网际层IP的作用：无连接数据报传输，数据报路由选择和差错控制。网络层IP是无连接不可靠的。

网际层IP的协议：IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP、

网际层IP的设备：路由器

网际协议IP

虚拟互联网络

分类的IP地址

网络地址

IP地址由网络号（包括子网号）和主机号组成，网络地址的主机号为全0，网络地址代表着整个网络。

四类地址

其中A类，B类，C类地址都是单播地址，而网络号里的1-3位表示类别位。IP地址指派范围



一般不使用的特殊ip地址



A类地址（50%）以0开头，第一个字节作为网络号

地址范围为：1.0.0.0 到126.0.0.0

每个A类子网最大主机数2^24-2 = 16777214

B类地址（25%）以10开头，前两个字节作为网络号，默认128.0.0.0不指派

地址范围为：128.1.0.0到191.255.255.255

每个B类子网最大主机数2^16 -2 = 65534

C类地址（12.5%）以110开头，前三个字节作为网络号，默认192.0.0.0不指派

地址范围为：192.0.1.0~223.255.255.255。

每个C类子网最大主机数2^8 -2 = 254

D类地址以1110开头

地址范围是224.0.0.0~239.255.255.255，D类地址作为组播地址（一对多的通信）；

E类地址以1111开头，地址范围是240.0.0.0~255.255.255.255，E类地址为保留地址，供以后使用。

注意：注：只有A,B,C有网络号和主机号之分，D类地址和E类地址没有划分网络号和主机号。



上图描述的是C类地址，前三个字节作为网络号

1，同一个局域网上的主机或路由器中的ip地址中的网络号必须是一样的

2，两个路由器直连时可以不分配IP地址

3，用网桥（交换机）互联的网段仍然是一个局域网

ip数据报格式

ip地址与硬件地址

ip地址和硬件地址写的位置不同



从不同层次上看ip地址和硬件地址



而ip地址到硬件地址的映射，由ARP协议来完成，注意，APR协议是解决同一个局域网上的主机或者路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。

ARP和RARP工作流程分析

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。地址解析协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，网络上的主机可以自主发送ARP应答消息，其他主机收到应答报文时不会检测该报文的真实性就会将其记入本机ARP缓存；由此攻击者就可以向某一主机发送伪ARP应答报文，使其发送的信息无法到达预期的主机或到达错误的主机，这就构成了一个ARP欺骗。ARP命令可用于查询本机ARP缓存中IP地址和MAC地址的对应关系、添加或删除静态对应关系等。

ARP协议工作流程

主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；

主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；

当主机A要与主机B通信时，地址解析协议可以将主机B的IP地址（192.168.1.2）解析成主机B的MAC地址，以下为工作流程：

根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。

如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。

主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。

主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。

当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。

注意：ARP是广播发送，ARP响应是单播发送的。

RARP协议工作流程

逆地址解析协议，即RARP，功能和ARP协议相对，其将局域网中某个主机的物理地址转换为IP地址，比如局域网中有一台主机只知道物理地址而不知道IP地址，那么可以通过RARP协议发出征求自身IP地址的广播请求，然后由RARP服务器负责回答。

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。RARP协议工作流程：

给主机发送一个本地的RARP广播，在此广播包中，声明自己的MAC地址并且请求任何收到此请求的RARP服务器分配一个IP地址

本地网段上的RARP服务器收到此请求后，检查其RARP列表，查找该MAC地址对应的IP地址

如果存在，RARP服务器就给源主机发送一个响应数据包并将此IP地址提供给对方主机使用

如果不存在，RARP服务器对此不做任何的响应

源主机收到从RARP服务器的响应信息，就利用得到的IP地址进行通讯；如果一直没有收到RARP服务器的响应信息，表示初始化失败。

ip层转发分组的流程

下面是一个路由表举例



分组转发算法归纳：

路由选择协议

RIP协议

RIP协议 ：底层是贝尔曼福特算法，它选择路由的度量标准（metric)是跳数，最大跳数是15跳，如果大于15跳，它就会丢弃数据包。

OSPF协议

OSPF协议 ：Open Shortest Path First开放式最短路径优先，底层是迪杰斯特拉算法，是链路状态路由选择协议，它选择路由的度量标准是带宽，延迟。

TML

划分子网

随着互连网应用的不断扩大，原先的IPv4的弊端也逐渐暴露出来，即网络号占位太多，而主机号位太少，所以其能提供的主机地址也越来越稀缺，目前除了使用NAT在企业内部利用保留地址自行分配以外，通常都对一个高类别的IP地址进行再划分，以形成多个子网，提供给不同规模的用户群使用。

这里主要是为了在网络分段情况下有效地利用IP地址，通过对主机号的高位部分取作为子网号，从通常的网络位界限中扩展或压缩子网掩码，用来创建某类地址的更多子网。但创建更多的子网时，在每个子网上的可用主机地址数目会比原先减少。

什么是子网掩码

子网掩码是标志两个IP地址是否同属于一个子网的，也是32位二进制地址，其每一个为1代表该位是网络位，为0代表主机位。它和IP地址一样也是使用点式十进制来表示的。如果两个IP地址在子网掩码的按位与的计算下所得结果相同，即表明它们共属于同一子网中。

子网掩码的计算

对于无须再划分成子网的IP地址来说，其子网掩码非常简单，即按照其定义即可写出：如某B类IP地址为 10.12.3.0，无须再分割子网，则该IP地址的子网掩码255.255.0.0。如果它是一个C类地址，则其子网掩码为 255.255.255.0。其它类推，不再详述。下面我们关键要介绍的是一个IP地址，还需要将其高位主机位再作为划分出的子网网络号，剩下的是每个子网的主机号，这时该如何进行每个子网的掩码计算。

eb00
下面总结一下有关子网掩码和网络划分常见的面试考题：

利用子网数来计算

如果想把B类地址168.195.0.0划分成27个子网，则子网掩码为：

1，把数目转化为二进制：27个子网，二进制为11011，

2，取的该二进制位数：5

3，将B类地址168.195.0.0的主机位前5位置1，得到255.255.248.0

利用主机数来计算

如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成若干子网，每个子网内有主机700台：

1，700台主机转为二进制

700 = 10 10111100

2，如果主机数小于或等于254（注意去掉保留的两个IP地址），则取得该主机的二进制位数，为N，这里肯定 N<8。如果大于254，则 N>8，这就是说主机地址将占据不止8位；

占据10位二进制位

3，则子网掩码为255.255.11111100,00000000,也就是255.255.252.0

已知掩码求主机数

例题：把网络202.112.78.0划分为多个子网（子网掩码是255.255.255.192），则各子网中可用的主机地址总数是：因为192占用2位且是C类地址，所以子网数为2^2-2 = 2每个子网的主机数是2^6-2 = 62，所以总的主机数是124。

运输层

通信的真正端点并不是主机，而是主机中的进程，端到端的通信是应用进程之间的通信。



运输层两个主要协议就是：用户数据报协议UDP和传输控制协议TCP

运输层是通过首部的端口号来确定该把数据传给哪个端口的





TCP对应的协议和UDP对应的协议

TCP对应的协议：

（1） FTP：定义了文件传输协议，使用21端口。

（2） Telnet：一种用于远程登陆的端口，使用23端口，用户可以以自己的身份远程连接到计算机上，可提供基于DOS模式下的通信服务。

（3） SMTP：邮件传送协议，用于发送邮件。服务器开放的是25号端口。

（4） POP3：它是和SMTP对应，POP3用于接收邮件。POP3协议所用的是110端口。

（5）HTTP：是从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

UDP对应的协议：

（1） DNS：用于域名解析服务，将域名地址转换为IP地址。DNS用的是53号端口。

（2） SNMP：简单网络管理协议，使用161号端口，是用来管理网络设备的。由于网络设备很多，无连接的服务就体现出其优势。

（3） TFTP(Trival File Transfer Protocal)，简单文件传输协议，该协议在熟知端口69上使用UDP服务。

UDP和TCP的区别

TCP提供面向连接的、可靠的字节流传输，而UDP提供的是非面向连接的、不可靠的数据报传输。

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。

运输层的作用：向它上边的应用层提供通信服务

运输层的协议：TCP,UDP

运输层的设备：网关

TCP/IP协议

TCP/IP协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。

　　IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层—TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是否按顺序发送的或者有没有被破坏，IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。

　　TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方的发送速度。

UDP协议

UDP用户数据报协议，是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。UDP通讯时不需要接收方确认，属于不可靠的传输，可能会出现丢包现象，实际应用中要求程序员编程验证。

UDP与TCP位于同一层，但它不管数据包的顺序、错误或重发。因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询—应答的服务，例如NFS。相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。





　　每个UDP报文分UDP报头和UDP数据区两部分。报头由四个16位长（2字节）字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度以及校验值。UDP报头由4个域组成，其中每个域各占用2个字节，具体如下：

　　（1）源端口号；

　　（2）目标端口号；

　　（3）数据报长度；

　　（4）校验值。

　　使用UDP协议包括：TFTP（简单文件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）、DNS（域名解析协议）、NFS、BOOTP。

　　TCP 与 UDP 的区别：TCP是面向连接的，可靠的字节流服务；UDP是面向无连接的，不可靠的数据报服务。

TCP报文协议

三次握手和四次挥手

注：seq:”sequance”序列号；ack:”acknowledge”确认号；SYN:”synchronize”请求同步标志；；ACK:”acknowledge”确认标志“；FIN：”Finally”结束标志。

三次握手

TCP连接建立过程：

开始A和B都处于CLOSED状态然后B先进入LISTEN状态，等待请求

首先Client端发送连接请求报文，A发送后A进入SYN-SENT状态

Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源，B发送后B进入SYN-RCVD状态

Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文，并分配资源。A发送后A进入ESTAB-LISHED状态，B收到后也进入该状态，这样TCP连接就建立了。

为什么要三次握手：防止失效的连接请求报文段突然又传送到主机B。在只有两次“握手”的情形下，假设Client想跟Server建立连接，但是却因为中途连接请求的数据报丢失了，故Client端不得不重新发送一遍；这个时候Server端仅收到一个连接请求，因此可以正常的建立连接。但是，有时候Client端重新发送请求不是因为数据报丢失了，而是有可能数据传输过程因为网络并发量很大在某结点被阻塞了，这种情形下Server端将先后收到2次请求，并持续等待两个Client请求向他发送数据…问题就在这里，Cient端实际上只有一次请求，而Server端却有2个响应，极端的情况可能由于Client端多次重新发送请求数据而导致Server端最后建立了N多个响应在等待，因而造成极大的资源浪费！所以，“三次握手”很有必要！

四次挥手

TCP连接断开过程：

开始的时候A和B都处于ESTAB-LISHED状态

假设Client端发起中断连接请求，也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后，意思是说”我Client端没有数据要发给你了”，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。A发完后A进入FIN-WAIT-1状态

所以你先发送ACK，”告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息”。B收到后向A发送ack，B发完后B进入COLSE-WAIT状态

A收到B的确认后进入FIN-WAIT-2状态

当B确定数据已发送完成，则向A发送FIN报文，”告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了”。A收到B的ack就进入Client端收到FIN报文后， “就知道可以关闭连接了。B发完后B进入 LAST-ACK状态

但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。“，Server端收到ACK后，”就知道可以断开连接了”。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。Ok，TCP连接就这样关闭了！

应用层

应用层最重要的协议就是DNS协议

DNS协议

DNS是域名系统(DomainNameSystem)的缩写，该系统用于命名组织到域层次结构中的计算机和网络服务，可以简单地理解为将URL转换为IP地址。域名是由圆点分开一串单词或缩写组成的，每一个域名都对应一个惟一的IP地址，在Internet上域名与IP地址之间是一一对应的，DNS就是进行域名解析的服务器。DNS命名用于Internet等TCP/IP网络中，通过用户友好的名称查找计算机和服务。



再往下一级就是本地域名服务器。

域名解析过程

主机向本地域名服务器的查询采用递归



本地域名服务器向根域名服务器的查询通常采用迭代



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。



总的流程总结如下：

HTTP协议

超文本传输协议（HTTP，HyperText Transfer Protocol)是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。所有的WWW文件都必须遵守这个标准。

统一资源定位符URL

对应例如：http://localhost:8080/AIR/index.jsp

端口和路径有时可以省略。

HTTP 协议包括哪些请求

GET：请求读取由URL所标志的信息。

POST：给服务器添加信息（如注释）。

PUT：在给定的URL下存储一个文档。

DELETE：删除给定的URL所标志的资源。

HTTP 中， POST 与 GET 的区别

Get是从服务器上获取数据，Post是向服务器传送数据。

Get是把参数数据队列加到提交表单的Action属性所指向的URL中，值和表单内各个字段一一对应，在URL中可以看到。

Get传送的数据量小，不能大于2KB；Post传送的数据量较大，一般被默认为不受限制。

根据HTTP规范，GET用于信息获取，而且应该是安全的和幂等的。

所谓 安全的 意味着该操作用于获取信息而非修改信息。换句话说，GET请求一般不应产生副作用。就是说，它仅仅是获取资源信息，就像数据库查询一样，不会修改，增加数据，不会影响资源的状态。

幂等 的意味着对同一URL的多个请求应该返回同样的结果。

其它常用协议

FTP和TFTP协议

FTP使用（TCP）提供可靠的文件传输。

TFTP使用（UDP）是TCP/IP协议族中的一个用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不复杂、开销不大的文件传输服务。