计算机网络

1.计算机网络概述

1.1 网络的网络

网络把主机连接起来，而互连网（internet）是把多种不同的网络连接起来，因此互连网是网络的网络。而互联网（Internet）是全球范围的互连网

image-20231113202315139

1.2 主机之间的通信方式

1.2.1 客户-服务器(C/S)

image-20231113202618225

1.2.2 对等(P2P)

image-20231113202641140

1.3 电路交换和分组交换

  • 电路交换
    电路交换用于电话通信系统，两个用户要通信之前需要建立一条专用的物理链路，并且在整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路，因此电路交换对线路的利用率很低，往往不到 10%

  • 分组交换

    每个分组都有首部和尾部，包含了源地址和目的地址等控制信息，在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响，因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组，也就是说分组交换不需要占用传输线路。

    在一个邮局通信系统中，邮局收到一份邮件之后，先存储下来，然后把相同目的地的邮件一起转发到下一个目的地，这个过程就是存储转发过程，分组交换也使用了存储转发过程。

1.4 四种时延

四种时延 定义 进一步解释
排队时延 分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待的时间 取决于网络当前的通信量
处理时延 主机/路由器收到分组时进行处理需要的时间 分析首部、从分组中提取数据、差错检验、查找适合的路由
传输时延 主机/路由器传输数据帧所需要的时间 image-20231113203459904，其中l代表数据帧长度，v代表传输速率
传播时延 电磁波在信道中传播所需要的时间 image-20231113203506221，其中l代表信道长度，v代表电磁波在信道上传播速度

1.5 计算机网络体系结构

image-20231113210802196

1.5.1 五层协议

  • 应用层 ：为特定应用程序提供数据传输服务，例如 HTTP、DNS 等协议。数据单位为报文。

  • 传输层 ：为进程提供通用数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。
    运输层包括两种协议：(TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。)

    1.传输控制协议 TCP，提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据单位为报文段；
    2.用户数据报协议 UDP，提供无连接、尽最大努力的数据传输服务，数据单位为用户数据报。

  • 网络层 ：为主机提供数据传输服务。而传输层协议是为主机中的进程提供数据传输服务。网络层把传输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。

  • 数据链路层 ：网络层针对的还是主机之间的数据传输服务，而主机之间可以有很多链路，链路层协议就是为同一链路的主机提供数据传输服务。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧。

  • 物理层 ：考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。

层名 传输的数据 作用 协议
应用层 报文 为特定应用程序提供数据传输服务 FTP(文件传输协议)
DNS(域名系统)
HTTP(超文本传输协议)
DHCP(动态主机配置协议)
TELNET(远程登录协议)
SMTP()
POP3()
IMAP()
传输层 TCP报文段
UDP用户数据包		 为进程提供通用数据传输服务 TCP(传输控制协议)
UDP(用户数据报协议)
网络层 IP数据包 为主机提供数据传输服务 IP(网络互连协议)
ARP(地址解析协议)
ICMP(网际控制报文协议)
IGMP(网际组管理协议)
数据链路层 数据帧 为同一链路的主机提供数据传输服务 PPP协议
物理层 数据比特流 虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流

1.5.2 OSI

其中表示层和会话层用途如下：

  • 表示层 ：数据压缩、加密以及数据描述，这使得应用程序不必关心在各台主机中数据内部格式不同的问题。
  • 会话层 ：建立及管理会话。

五层协议没有表示层和会话层，而是将这些功能留给应用程序开发者处理。

1.5.3 TCP/IP

其中表示层和会话层用途如下：

  • 表示层 ：数据压缩、加密以及数据描述，这使得应用程序不必关心在各台主机中数据内部格式不同的问题。
  • 会话层 ：建立及管理会话。

五层协议没有表示层和会话层，而是将这些功能留给应用程序开发者处理
image-20231113211635898

1.5.4 数据在各层的传递过程

在向下的过程中，需要添加下层协议所需要的首部或者尾部，而在向上的过程中不断拆开首部和尾部。

路由器只有下面三层协议，因为路由器位于网络核心中，不需要为进程或者应用程序提供服务，因此也就不需要传输层和应用层。

image-20231113211742825

2.物理层

2.1 通信方式

根据信息在传输线上的传送方向，分为以下三种通信方式：

  • 单工通信：单向传输
  • 半双工通信：双向交替传输
  • 全双工通信：双向同时传输

2.2 带通调制

  • 带通调制:数字信号(离散的信号)–> 模拟信号(连续的信号)

image-20231113212021243

3.数据链路层

3.1 三大基本问题

3.1.1 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部(向下封装)，用于标记帧的开始和结束

image-20231113212755618

3.1.2 透明传输

帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在

image-20231114151432788

3.1.3 差错检测

目前数据链路层广泛使用循环冗余检验（CRC）来检查比特差错

image-20231114151524213

3.2 信道分类

形式 具体细节 控制方式
广播信道 一对多 一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到
【所以节点在同一个广播信道上发送数据，需要专门的控制方法进行协调，避免发生冲突】		 1.信道复用技术
2.CSMA/CD协议
点对点信道 一对一 一个节点发送的数据只能被对应节点接收到
【不会发生碰撞，比较简单】		 PPP协议

3.3 广播信道的两种控制方式

3.3.1 信道复用技术

定义 图形
频分复用 所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源
时分复用 所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源
统计时分复用 对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送 image-20231114112248695
波分复用 光的频分复用
【由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波】		 image-20231114151752256
码分复用 当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时 image-20231114151740381

3.3.2 CSMA/CD协议

  • 多点接入 ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
  • 载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
  • 碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

image-20231114151947497

3.4 点对点信道的控制方式

3.4.1 PPP协议

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议

image-20231114152043721

  • F 字段为帧的定界符
  • A 和 C 字段暂时没有意义
  • 信息部分的长度不超过 1500
  • FCS 字段是使用 CRC 的检验序列

image-20231114152610748

3.5 MAC地址

  1. MAC地址=链路层地址(一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址)
  2. MAC地址用于唯一标识网络适配器(网卡)
  3. MAC地址长度为6字节(48位)

3.6 局域网

  1. 局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
  2. 局域网技术分类:①以太网(主要市场) ②令牌环网 ③FDDI ④ATM
  3. 局域网按照网络拓扑结构分类:

image-20231114154248028

3.6.1 以太网

其中星型拓扑结构局域网—-以太网

​ 早期，使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。

​ 目前，使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。

​ 以太网帧格式:

  • 类型 ：标记上层使用的协议；

  • 数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；

  • FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；

    image-20231114154944820

3.7 交换机

交换机学习交换表内容(存储MAC地址到接口的映射)

由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。

下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射

image-20231114155237140

3.8 虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。

例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。

使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网

image-20231114155531585

4.网络层

网络层是整个互联网的核心，因此应当让网络层尽可能简单。网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交互的数据报服务

使用 IP 协议，可以把异构的物理网络连接起来，使得在网络层看起来好像是一个统一的网络

image-20231114161253487

4.1 IP协议

4.1.1 IP数据包格式

image-20231114162301605

  • 版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值；
  • 首部长度 : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为固定部分长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。
  • 区分服务 : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用。
  • 总长度 : 包括首部长度和数据部分长度。
  • 生存时间 ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。
  • 协议 ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。
  • 首部检验和 ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。
  • 标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。
  • 片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节

4.1.2 IP地址编址方式

4.1.2.1 分类

由两部分组成，网络号和主机号，其中不同分类具有不同的网络号长度，并且是固定的。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}

image-20231114162924758

4.1.2.2 子网划分

通过在主机号字段中拿一部分作为子网号，把两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

使用子网，必须配置子网掩码。一个 B 类地址的默认子网掩码为 255.255.0.0，如果 B 类地址的子网占两个比特，那么子网掩码为 11111111 11111111 11000000 00000000，也就是 255.255.192.0。

注意，外部网络看不到子网的存在。

4.1.2.3 不分类

无分类编址 CIDR 消除了传统 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，使用网络前缀和主机号来对 IP 地址进行编码，网络前缀的长度可以根据需要变化。

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

CIDR 的记法：IP 地址+网络前缀长度，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位为网络前缀。

CIDR 的地址掩码：子网掩码，子网掩码首 1 长度为网络前缀的长度。

一个 CIDR 地址块中有很多地址，一个 CIDR 表示的网络就可以表示原来的很多个网络，并且在路由表中只需要一个路由就可以代替原来的多个路由，减少了路由表项的数量。把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合，也称为 构成超网 。

在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成，在查找时可能会得到不止一个匹配结果，应当采用最长前缀匹配来确定应该匹配哪一个。

4.2 ARP 地址解析协议

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

image-20231114164147781

ARP 实现: IP 地址 –> MAC 地址

image-20231114164245388

每个主机都有一个 ARP 高速缓存(局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址)映射表。

如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

image-20231114164438285

4.3 ICMP 网际控制报文协议

ICMP 是为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会
ICMP封装在 IP 数据报中，但是不属于高层协议

image-20231114164804741

ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文

image-20231114164842498

4.3.1 Ping

1.作用:用来测试两台主机之间的连通性

2.Ping 的原理:是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率

​ 具体步骤:

​ 1.Win+R快捷键输入cmd

image-20231114164926127

​ 2.输入ping ip地址

image-20231114165031993

4.3.2 Traceroute

1.作用:用来跟踪一个分组从源点到终点的路径

Traceroute 发送的 IP 数据报封装的是无法交付的 UDP 用户数据报，并由目的主机发送终点不可达差错报告报文。

  • 源主机向目的主机发送一连串的 IP 数据报。第一个数据报 P1 的生存时间 TTL 设置为 1，当 P1 到达路径上的第一个路由器 R1 时，R1 收下它并把 TTL 减 1，此时 TTL 等于 0，R1 就把 P1 丢弃，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报告报文；
  • 源主机接着发送第二个数据报 P2，并把 TTL 设置为 2。P2 先到达 R1，R1 收下后把 TTL 减 1 再转发给 R2，R2 收下后也把 TTL 减 1，由于此时 TTL 等于 0，R2 就丢弃 P2，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报文。
  • 不断执行这样的步骤，直到最后一个数据报刚刚到达目的主机，主机不转发数据报，也不把 TTL 值减 1。但是因为数据报封装的是无法交付的 UDP，因此目的主机要向源主机发送 ICMP 终点不可达差错报告报文。
  • 之后源主机知道了到达目的主机所经过的路由器 IP 地址以及到达每个路由器的往返时间。

4.4 虚拟专用网 VPN

由于 IP 地址的紧缺，一个机构能申请到的 IP 地址数 << 本机构所拥有的主机数。并且一个机构并不需要把所有的主机接入到外部的互联网中，机构内的计算机可以使用仅在本机构有效的 IP 地址（专用地址）

有三个专用地址块：

  • 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
  • 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
  • 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。专用指机构内的主机只与本机构内的其它主机通信；虚拟指好像是，而实际上并不是，它有经过公用的互联网。

image-20231114170015323

4.5 网络地址转换 NAT

专用网内部的主机使用本地 IP 地址又想和互联网上的主机通信时，可以使用 NAT 来将本地 IP –> 全球 IP。

在以前，NAT 将本地 IP 和全球 IP 一一对应，这种方式下拥有 n 个全球 IP 地址的专用网内最多只可以同时有 n 台主机接入互联网。为了更有效地利用全球 IP 地址，现在常用的 NAT 转换表把传输层的端口号也用上了，使得多个专用网内部的主机共用一个全球 IP 地址。使用端口号的 NAT 也叫做网络地址与端口转换 NAPT

image-20231114170139455

4.6 路由器

4.6.1 路由器的结构

功能划分 组成
路由选择 内部网关协议 RIP
内部网关协议 OSPF
外部网关协议 BGP
分组转发 交换结构
一组输入端口
一组输出端口

image-20231114170620304

4.6.2 路由选择-三大协议

路由选择协议都是自适应的，能随着网络通信量和拓扑结构的变化而自适应地进行调整。

互联网可以划分为许多较小的自治系统 AS，一个 AS 可以使用一种和别的 AS 不同的路由选择协议。

可以把路由选择协议划分为两大类：

  • 自治系统内部的路由选择：RIP 和 OSPF
  • 自治系统间的路由选择：BGP

4.6.2.1 内部网关协议 RIP

RIP 是一种基于距离向量的路由选择协议。距离是指跳数，直接相连的路由器跳数为 1。跳数最多为 15，超过 15 表示不可达。

RIP 按固定的时间间隔仅和相邻路由器交换自己的路由表，经过若干次交换之后，所有路由器最终会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器地址。

距离向量算法：

  • 对地址为 X 的相邻路由器发来的 RIP 报文，先修改报文中的所有项目，把下一跳字段中的地址改为 X，并把所有的距离字段加 1；
  • 对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，进行以下步骤：
  • 若原来的路由表中没有目的网络 N，则把该项目添加到路由表中；
  • 否则：若下一跳路由器地址是 X，则把收到的项目替换原来路由表中的项目；否则：若收到的项目中的距离 d 小于路由表中的距离，则进行更新（例如原始路由表项为 Net2, 5, P，新表项为 Net2, 4, X，则更新）；否则什么也不做。
  • 若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把该相邻路由器标为不可达，即把距离置为 16。

RIP 协议实现简单，开销小。但是 RIP 能使用的最大距离为 15，限制了网络的规模。并且当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器。

4.6.2.2 内部网关协议 OSPF

开放最短路径优先 OSPF，是为了克服 RIP 的缺点而开发出来的。

开放表示 OSPF 不受某一家厂商控制，而是公开发表的；最短路径优先表示使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF。

OSPF 具有以下特点：

  • 向本自治系统中的所有路由器发送信息，这种方法是洪泛法。
  • 发送的信息就是与相邻路由器的链路状态，链路状态包括与哪些路由器相连以及链路的度量，度量用费用、距离、时延、带宽等来表示。
  • 只有当链路状态发生变化时，路由器才会发送信息。

所有路由器都具有全网的拓扑结构图，并且是一致的。相比于 RIP，OSPF 的更新过程收敛的很快。

4.6.2.3 外部网关协议 BGP

BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）

AS 之间的路由选择很困难，主要是由于：

  • 互联网规模很大；
  • 各个 AS 内部使用不同的路由选择协议，无法准确定义路径的度量；
  • AS 之间的路由选择必须考虑有关的策略，比如有些 AS 不愿意让其它 AS 经过。

BGP 只能寻找一条比较好的路由，而不是最佳路由。

每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息。

image-20231114171053334

4.6.3 分组转发-具体流程

  • 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D，得到目的网络地址 N。
  • 若 N 就是与此路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付；
  • 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给表中所指明的下一跳路由器；
  • 若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；
  • 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；
  • 报告转发分组出错

image-20231114170850874

5.传输层

网络层只把分组发送到目的主机，但是真正通信的并不是主机而是主机中的进程。传输层提供了进程间的逻辑通信，传输层向高层用户屏蔽了下面网络层的核心细节，使应用程序看起来像是在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

5.1 TCP 传输控制协议

  • 传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块），每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。

  • TCP首部格式:

image-20231114172409619

5.2 UDP 用户数据报协议

  • 用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部），支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

  • UDP首部格式:

image-20231114172115587

5.3 TCP三次握手

image-20231114173125064

1
2
3
4
5
6
假设 A 为客户端，B 为服务器端
1.首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。
2.第一次握手: A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
3.第二次握手: B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
4.第三次握手: A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1。
5.最终结果: B 收到 A 的确认后，连接建立。

第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器，让服务器错误打开连接。

客户端发送的连接请求如果在网络中滞留，那么就会隔很长一段时间才能收到服务器端发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后，就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器，如果不进行三次握手，那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手，客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认，不进行第三次握手，因此就不会再次打开连接。

5.4 TCP四次挥手

image-20231114194236979

1
2
3
4
5
6
以下描述不讨论序号和确认号，因为序号和确认号的规则比较简单。并且不讨论 ACK，因为 ACK 在连接建立之后都为 1。
A 发送连接释放报文，FIN=1。
B 收到之后发出确认，此时 TCP 属于半关闭状态，B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据。
当 B 不再需要连接时，发送连接释放报文，FIN=1。
A 收到后发出确认，进入 TIME-WAIT 状态，等待 2 MSL（最大报文存活时间）后释放连接。
B 收到 A 的确认后释放连接。

第四次挥手是因为客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态(这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器会发送 FIN 连接释放报文)

其中TIME_WAIT状态:

客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态，此时并不是直接进入 CLOSED 状态，还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。这么做有两个理由：

  • 确保A给B发送的最后一个确认报文B收到了。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文，那么就会重新发送连接释放请求报文，A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
  • 为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失，使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

5.5 TCP三大特性

5.5.1 可靠传输

TCP使用超时重传来实现可靠传输：如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认，那么就重传这个报文段。

一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间称为往返时间 RTT，加权平均往返时间 RTTs 计算如下：

image-20231114195423466

其中，0 ≤ a < 1，RTTs 随着 a 的增加更容易受到 RTT 的影响。

超时时间 RTO 应该略大于 RTTs，TCP 使用的超时时间计算如下：

image-20231114195705243
其中 RTTd 为偏差的加权平均值。

5.5.1.1 TCP滑动窗口

窗口是缓存的一部分，用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

发送窗口内的字节都允许被发送，接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认，那么就将发送窗口向右滑动一定距离，直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态；接收窗口的滑动类似，接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机，就向右滑动接收窗口。

接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认，例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35}，其中 {31} 按序到达，而 {34, 35} 就不是，因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后，就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

image-20231114195654719

5.5.2 流量控制

流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。

接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

5.5.3 拥塞控制

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

image-20231114200011897

TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复

  • 慢开始和拥塞避免:

image-20231114201842276

  • 快恢复：

其中，快恢复和慢开始的区别就是慢开始的时候cwnd变为1重新开始，而快恢复是直接到cwnd=ssthresh，直接进入拥塞避免阶段

image-20231114202529909

  • 快重传:

image-20231114202931293

6.应用层

6.1 DNS 域名系统

DNS 是一个分布式数据库，提供了主机名和 IP 地址之间相互转换的服务。这里的分布式数据库是指，每个站点只保留它自己的那部分数据。

其中，域名具有层次结构，从上到下依次为：根域名、顶级域名、二级域名。

image-20231114203419598

DNS 可以使用 UDP(大多数情况) / TCP 进行传输，使用的端口号都为 53。这就要求域名解析器和域名服务器都必须自己处理超时和重传从而保证可靠性。在两种情况下会使用 TCP 进行传输：

  • 如果返回的响应超过的 512 字节（UDP 最大只支持 512 字节的数据）。
  • 区域传送（区域传送是主域名服务器向辅助域名服务器传送变化的那部分数据）。

6.2 FTP 文件传输协议

FTP 使用 TCP 进行连接，它需要两个连接来传送一个文件：

  • 控制连接：服务器打开端口号 21 等待客户端的连接，客户端主动建立连接后，使用这个连接将客户端的命令传送给服务器，并传回服务器的应答。
  • 数据连接：用来传送一个文件数据。

根据数据连接是否是服务器端主动建立 –> FTP有主动模式和被动模式:

  • 主动模式：服务器端主动建立数据连接，– 服务器端的端口号为 20，客户端的端口号随机，但是必须大于 1024(因为 0~1023 是熟知端口号)

image-20231114204132043

  • 被动模式：客户端主动建立数据连接，其中客户端的端口号由客户端自己指定，服务器端的端口号随机。

image-20231114204258334

6.3 DHCP 动态主机配置协议

DHCP提供了即插即用的连网方式，用户不再需要手动配置 IP 地址(子网掩码，网关IP地址)

DHCP 工作过程如下：

  1. 客户端发送 Discover 报文，该报文的目的地址为 255.255.255.255:67，源地址为 0.0.0.0:68，被放入 UDP 中，该报文被广播到同一个子网的所有主机上。如果客户端和 DHCP 服务器不在同一个子网，就需要使用中继代理。
  2. DHCP 服务器收到 Discover 报文之后，发送 Offer 报文给客户端，该报文包含了客户端所需要的信息。因为客户端可能收到多个 DHCP 服务器提供的信息，因此客户端需要进行选择。
  3. 如果客户端选择了某个 DHCP 服务器提供的信息，那么就发送 Request 报文给该 DHCP 服务器。
  4. DHCP 服务器发送 Ack 报文，表示客户端此时可以使用提供给它的信息。

image-20231114204556894

6.4 TELNET 远程登录协议

TELNET 用于登录到远程主机上，并且远程主机上的输出也会返回。

TELNET 可以适应许多计算机和操作系统的差异，例如不同操作系统系统的换行符定义。

6.5 电子邮件协议

一个电子邮件系统由三部分组成：用户代理、邮件服务器以及邮件协议。

三个部分 分类 举例
用户代理
邮件服务器
邮件协议 发送协议和读取协议 1.发送协议:SMTP
2.读取协议:POP3和IMAP

image-20231114205849947

6.5.1 SMTP

SMTP 只能发送 ASCII 码，而互联网邮件扩充 MIME 可以发送二进制文件。MIME 并没有改动或者取代 SMTP，而是增加邮件主体的结构，定义了非 ASCII 码的编码规则。

image-20231114210026119

6.5.2 POP3

只要用户从服务器上读取了邮件，就把该邮件删除。

6.5.3 IMAP

IMAP 协议中客户端和服务器上的邮件保持同步，如果不手动删除邮件，那么服务器上的邮件也不会被删除。IMAP 这种做法可以让用户随时随地去访问服务器上的邮件。

7.常用端口

image-20231114210346161

8.Web页面请求过程

image-20231114210841984

  • 1.浏览器会对url进行解析:从而生成发送给web服务器的请求信息
  • 2.DNS域名解析出IP地址:本地DNS将该域名和对应的IP地址写入自身缓存，然后将解析的IP地址返回给客户端
  • 3.浏览器和服务器进行三次握手:建立连接
  • 4.浏览器向服务器端发生HTTP请求报文:第一步对 URL 进行解析之后，浏览器确定了 Web 服务器和文件名，接下来就是根据这些信息来生成 HTTP 请求消息了，此时则可以发送HTTP请求报文
  • 5.服务器端向浏览器发送HTTP响应报文和首页HTML文件:
  • 6.浏览器渲染HTML页面:
  • 7.浏览器和服务器进行四次挥手:断开连接

赏

×

纯属好玩

扫码支持
扫码打赏，你说多少就多少

打开支付宝扫一扫，即可进行扫码打赏哦

本文标题:计算机网络

文章作者:Larkkkkkkk

发布时间:2023年11月02日 - 20时40分

最后更新:2023年11月14日 - 21时35分

原始链接:https://larkkkkkkk.github.io/2023/11/02/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/

许可协议: "署名-非商用-相同方式共享 3.0" 转载请保留原文链接及作者。

文章目录
  1. 1. 1.计算机网络概述
    1. 1.1. 1.1 网络的网络
    2. 1.2. 1.2 主机之间的通信方式
      1. 1.2.1. 1.2.1 客户-服务器(C/S)
      2. 1.2.2. 1.2.2 对等(P2P)
    3. 1.3. 1.3 电路交换和分组交换
    4. 1.4. 1.4 四种时延
    5. 1.5. 1.5 计算机网络体系结构
      1. 1.5.1. 1.5.1 五层协议
      2. 1.5.2. 1.5.2 OSI
      3. 1.5.3. 1.5.3 TCP/IP
      4. 1.5.4. 1.5.4 数据在各层的传递过程
  2. 2. 2.物理层
    1. 2.1. 2.1 通信方式
    2. 2.2. 2.2 带通调制
  3. 3. 3.数据链路层
    1. 3.1. 3.1 三大基本问题
      1. 3.1.1. 3.1.1 封装成帧
      2. 3.1.2. 3.1.2 透明传输
      3. 3.1.3. 3.1.3 差错检测
    2. 3.2. 3.2 信道分类
    3. 3.3. 3.3 广播信道的两种控制方式
      1. 3.3.1. 3.3.1 信道复用技术
      2. 3.3.2. 3.3.2 CSMA/CD协议
    4. 3.4. 3.4 点对点信道的控制方式
      1. 3.4.1. 3.4.1 PPP协议
    5. 3.5. 3.5 MAC地址
    6. 3.6. 3.6 局域网
      1. 3.6.1. 3.6.1 以太网
    7. 3.7. 3.7 交换机
    8. 3.8. 3.8 虚拟局域网
  4. 4. 4.网络层
    1. 4.1. 4.1 IP协议
      1. 4.1.1. 4.1.1 IP数据包格式
      2. 4.1.2. 4.1.2 IP地址编址方式
        1. 4.1.2.1. 4.1.2.1 分类
        2. 4.1.2.2. 4.1.2.2 子网划分
        3. 4.1.2.3. 4.1.2.3 不分类
    2. 4.2. 4.2 ARP 地址解析协议
    3. 4.3. 4.3 ICMP 网际控制报文协议
      1. 4.3.1. 4.3.1 Ping
      2. 4.3.2. 4.3.2 Traceroute
    4. 4.4. 4.4 虚拟专用网 VPN
    5. 4.5. 4.5 网络地址转换 NAT
    6. 4.6. 4.6 路由器
      1. 4.6.1. 4.6.1 路由器的结构
      2. 4.6.2. 4.6.2 路由选择-三大协议
        1. 4.6.2.1. 4.6.2.1 内部网关协议 RIP
        2. 4.6.2.2. 4.6.2.2 内部网关协议 OSPF
        3. 4.6.2.3. 4.6.2.3 外部网关协议 BGP
      3. 4.6.3. 4.6.3 分组转发-具体流程
  5. 5. 5.传输层
    1. 5.1. 5.1 TCP 传输控制协议
    2. 5.2. 5.2 UDP 用户数据报协议
    3. 5.3. 5.3 TCP三次握手
    4. 5.4. 5.4 TCP四次挥手
    5. 5.5. 5.5 TCP三大特性
      1. 5.5.1. 5.5.1 可靠传输
        1. 5.5.1.1. 5.5.1.1 TCP滑动窗口
      2. 5.5.2. 5.5.2 流量控制
      3. 5.5.3. 5.5.3 拥塞控制
  6. 6. 6.应用层
    1. 6.1. 6.1 DNS 域名系统
    2. 6.2. 6.2 FTP 文件传输协议
    3. 6.3. 6.3 DHCP 动态主机配置协议
    4. 6.4. 6.4 TELNET 远程登录协议
    5. 6.5. 6.5 电子邮件协议
      1. 6.5.1. 6.5.1 SMTP
      2. 6.5.2. 6.5.2 POP3
      3. 6.5.3. 6.5.3 IMAP
  7. 7. 7.常用端口
  8. 8. 8.Web页面请求过程
,