计算机网络之基础篇
一、计算机网络概述
1.什么是计算机网络
计算机网络主要由一些通用的、可编程的硬件互连而成，通过这些硬件，可以传送不同类型的数据，并且可以支持广泛和日益增长的应用。
2.计算机网络的分类
按照网络的作用范围：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）
按照网络使用者：公用网络、专用网络
3.计算机网络的发展历史
互联网的发展历史：
第一阶段：单个网络ARPANET，交换机+电脑
第二阶段：三层结构互联网，主干网+地区网+校园网
第三阶段：多层次ISP(Internet Service Provider，网络服务提供商)互联网，主干ISP+地区ISP+校园/公司/家庭…
中国互联网的发展历史：
1980年开始互联网实验，1989年第一个公立网络建立运行，1994年接入国际互联网。
4.计算机网络的层次结构
层次结构设计的基本原则：
各层之间是相互独立的；
每一层需要有足够的灵活性；
各层之间完全解耦。
OSI七层模型：并没有成为广泛使用的标准模型，标准制定周期过长，设计不合理。
TCP/IP四层模型：
5.计算机网络的性能指标
速率：bps=bit/s
时延：发送时延、传播时延、排队时延、处理时延
往返时间RTT：数据报文在端到端通信中的来回一次的时间。
二、物理层概述
1.物理层的作用：连接不同的物理设备，传输比特流。
2.信道的基本概念：信道是往一个方向传输信息的媒体，一条通信电路包含一个发送信道和一个接受信道。
单工通信信道：只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道；
半双工通信信道：双方都可以发送和接受信息，但不能同时发送也不能同时接收；
全双工通信信道：双方都可以同时发送和接收。
3.信道的分用-复用技术：大大提升信道的利用率，如下图，分为频分复用、时分复用、波分复用、码分复用。
三、数据链路层
1.数据链路层概述
封装成帧：“帧”是数据链路层数据的基本单位，帧的结构如下图：
透明传输：“透明”是指即使控制字符在帧数据中，但是要当做不存在去处理。原理如下图，即在控制字符前加上转义字符ESC。
差错检测：奇偶校验码、循环冗余校验码CRC
奇偶校验码：局限性：当出错两位时，检测不到错误。
循环冗余检验码：根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码。
2.最大传输单元
最大传输单元MTU(Maximum Transmission Unit)，数据链路层的数据帧不是无限大的，数据帧长度受MTU限制。
路径MTU：由链路中MTU的最小值决定。
3.以太网协议详解
MAC地址：每一个设备都拥有唯一的MAC地址，共48位，使用十六进制表示。
以太网协议：是一种使用广泛的局域网技术，是一种应用于数据链路层的协议，使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输,数据格式如下：
计算机网络之网络层篇
一、网络层IP协议相关
协议详解
虚拟互联网络的产生：实际的计算机网络错综复杂；物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异；当网络中主机使用IP协议连接时，无需关注网络细节，于是形成了虚拟网络。如下图所示：
IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互联的网络；并且解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题。
IP数据报的格式：
其中，版本指IP协议的版本，占4位，如IPv4和IPv6；首部位长度表示IP首部长度，占4位，最大数值位15；总长度表示IP数据报总长度，占16位，最大数值位65535；TTL表示IP数据报文在网络中的寿命，占8位；协议表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的，如TCP、UDP。
协议的转发过程
仅从网络层来看，转发过程如下图所示：
地址的子网划分
分类的IP地址：A类（8网络号+24主机号）、B类（16网络号+16主机号）、C类（24网络号+8主机号），对比如下：
无分类编址CIDR:网络前缀+主机号，更加有效的分配IPv4的地址空间。
4.网络地址转换NAT技术
用于多个主机通过一个公有IP访问访问互联网的私有网络中，减缓了IP地址的消耗，但是增加了网络通信的复杂度。
二、网络层其他协议
协议与RARP协议
ARP（Address Resolution Protocol）协议指地址解析协议，可以把网络层32位地址转化为数据链路层MAC48位地址。
ARP缓存表：是IP地址与MAC地址的映射对应表（IP地址是变化的）：
RARP(Reverse Address Resolution Protocol)协议指逆地址解析协议，可以把数据链路层MAC48位地址转化为网络层32位地址。
协议
网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol），可以报告错误信息或者异常情况，ICMP报文封装在IP数据报当中。结构如下：
ICMP协议的应用：
Ping应用：网络故障的排查；
Traceroute应用：可以探测IP数据报在网络中走过的路径。
三、IP的路由算法
1.路由的概述
关于路由算法的要求：正确的完整的、在计算上应该尽可能是简单的、可以适应网络中的变化、稳定的公平的。
自治系统AS:指处于一个管理机构下的网络设备群，AS内部网络自治管理，对外提供一个或多个出入口，其中自治系统内部的路由协议为内部网关协议，如RIP、OSPF等；自治系统外部的路由协议为外部网关协议，如BGP。
2.内部网关路由协议
ａ.RIP协议：
距离矢量（DV）算法：每一个节点使用两个向量Dᵢ和Sᵢ，Dᵢ描述的是当前节点到别的节点的距离，Sᵢ描述的是当前节点到别的节点的下一节点，每一个节点与相邻的节点交换向量Dᵢ和Sᵢ的信息，每一个节点根据交换的信息更新自己的节点信息，如下图：
RIP协议的过程：
（１）路由器初始化路由信息(两个向量Dᵢ和Sᵢ)；
（２）对相邻路由器X发过来的信息，对信息的内容进行修改（下一跳地址设置为X，所有距离加1）
i. 检索本地路由，将信息中新的路由插入到路由表里面
ii. 检索本地路由，对于下一跳为X的，更新为修改后的信息
iii. 检索本地路由，对比相同目的的距离，如果新信息的距离更小，则更新本地路由表
（３）如果3分钟没有收到相邻的路由信息，则把相邻路由设置为不可达(16跳)。
ｂ．OSPF协议相关：
Dijikstra算法：解决有权图从一个节点到其他节点的最短路径问题，该算法“以起点为中心，向外层层扩展”。
算法描述：
（１）初始化两个集合(S, U)（S为只有初始顶点点A的集合，U为其他顶点集合）；
（２）如果U不为空，对U集合顶点进行距离的排序，并取出距离A最近的一个顶点D；
i. 将顶点D的纳入S集合
ii.更新通过顶点D到达U集合所有点的距离（如果距离更小则更新，否则不更新）
iii. 重复2步骤
（３） 直到U集合为空，算法完成。
链路状态（LS）协议：向所有的路由器发送信息，消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态（距离、时延、带宽等），只有链路状态发生变化时，才发送更新信息。
OSPF(Open Shortest Path First：开放最短路径优先)协议：核心是Dijkstra算法。
OSPF协议的过程：
RIP与OSPF的对比：
3.外部网关路由协议
BGP（Border Gateway Protocol）边际网关协议：是运行在AS之间的一种协议。
计算机网络之传输层篇
一、UDP协议详解
(User Datagram Protocol: 用户数据报协议)，是一个非常简单的协议，结构如下：
协议的特点：
- UDP是无连接协议；
- UDP不能保证可靠的交付数据；
- UDP是面向报文传输的；
- UDP没有拥塞控制；
- UDP首部开销很小。
二、TCP协议
(Transmission Control Protocol: 传输控制协议)，是计算机网络中非常复杂的一个协议，其结构如下：
协议的特点：
- TCP是面向连接的协议；
- TCP的一个连接有两端，即点对点通信；
- TCP提供可靠的传输服务；
- TCP协议提供全双工通信；
- TCP是面向字节流的协议；
首部之TCP标记的作用：
4.可靠传输的基本原理
停止等待协议：是最简单的可靠传输协议，但是该协议对信道的利用率不高。
连续ARQ(Automatic Repeat reQuest：自动重传请求)协议：滑动窗口+累计确认，大幅提高了信道的利用率。
协议的可靠传输
基于连续ARQ协议，在某些情况下，重传的效率并不高，会重复传输部分已经成功接收的字节。
协议的流量控制
流量控制指让发送方发送速率不要太快，TCP协议使用滑动窗口实现流量控制。
协议的拥塞控制
拥塞控制与流量控制的区别：流量控制考虑点对点的通信量的控制，而拥塞控制考虑整个网络，是全局性的考虑。
拥塞控制的方法：慢启动算法+拥塞避免算法，如下图，纵坐标表示每一次发送数据报文的数量，横坐标表示发送的次数：
连接的三次握手
如图所示，具体标记详见上面标记的含义与作用：
问：为什么发送方要发出第三个确认报文呢？
答：避免已经失效的的连接请求报文传送到对方，引起错误。
协议的四次挥手
如图所示
问：等待计时器为什么需要等待2MSL（最长报文断寿命，一般为2min）？
答：最后一个报文没有确认，确保发送方的ACK可以到达接收方，如果2MSL时间内没有收到，则接收方会重发；确保当前连接的所有报文都已经过期。
计算机网络之应用层篇
一、DNS详解
DNS（Domain Name System:域名系统）：解决IP地址复杂难以记忆的问题。
—>DNS服务—>便于记忆的域名
2.域名由点、字母和数字组成，分为*域（com，cn，net，gov，org）、二级域（baidu,taobao,qq,alibaba）、三级域（www）
(12-2-0852)
二、DHCP协议
DHCP（Dynamic Configuration Protocol:动态主机设置协议）：是一个局域网协议，是应用UDP协议的应用层协议。
作用：为临时接入局域网的用户自动分配IP地址。
三、HTTP协议
HTTP（HyperText Transfer Protocol:超文本传输协议）：是可靠的数据传输协议。
HTTP请求的方式对比：
GET：请求指定的页面信息，并返回实体主体。
POST：向指定资源提交数据进行处理请求。
DELETE:请求服务器删除指定的页面。
四、HTTPS协议
HTTPS（secure）安全的HTTP协议。
持续更新。。。