计算机网络知识汇总

 

https://github.com/duoduo18/note-of-interview

 

OSI（开放系统互联参考模型）标准模型

物理层 负责为数据端设备透明地传输原始比特流，并且定义了数据终端设备和数据通信设备的物理和逻辑链接方法。传输单位是比特。 协议：RJ45、CLOCK、IEEE802.3 设备：（中继器，集线器）

数据链路层 将网络层传下来的IP数据报组装成帧，并检测和矫正物理层产生的传输差错，使得链路对网络层显示一条无差错、可靠的数据传输线路。功能可以概括为成帧，差错控制、流量控制和传输管理 协议有：HDLC(高级数据链路控制协议),PPP,STP,SDLC,CSMA(载波监听多路访问) 设备:（网桥，交换机）

网络层 负载在网络层上将数据封装成数据报，将数据报从源端传到目的端，同时进行路由选择，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。关键问题是对分组进行选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联等功能。传输单位数据报。 协议: IP,ICMP(因特网控制报文协议),IGMP(因特网组管理协议),ARP,RARP,OSPF(开放最短路径优先),IPX 设备:路由器

传输层 负责主机中两个进程之间的通信，为端到端连接提供可靠的传输服务。为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。 协议：TCP,UDP

会话层 会话层允许不同主机上各个进程之间的会话，会话层利用传输层提供的端到端的服务，向表示层提供它的增值服务。这种服务主要是为表示层实体或用户进程建立连接并在连接上提供有序地传输数据。 协议：SQL、RPC(远程调用协议)

表示层 用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式。如数据压缩，加密和解密等。 协议：JPEG、MPEG、ASII

应用层 是TCP/IP的最高层，它是直接为应用进程服务的一层。当不同的应用进程数据通信或数据交换时，就去调用应用层的不同协议实体，让这些实体去调用TCP或者UDP层服务来进行网络传输。 协议：FTP(21) TELNET(23) SMTP(25) DNS(53) TFTP(69) HTTP(80) SNMP(161),DHCP(动态主机配置协议)

TCP/IP 分层

1）网络接口层（接收和发送数据报） 负责将数据报发送到网络介质上，以及从网络上接收TCP/IP数据报，相当于OSI的物理层和数据层。

2）网际层（数据报封装和路由寻址功能） 主要负责寻址和对数据报的封装以及重要的路由选择功能。

3)传输层 负责在应用进程之间的“端到端”的通信，即从某个应用进程传输到另一个应用进程。

4)应用层 是TCP/IP的最高层，它是直接为应用进程服务的一层。当不同的应用进程数据通信或数据交换时，就去调用应用层的不同协议实体，让这些实体去调用TCP或者UDP层服务来进行网络传输。

五层体系结构模型

物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层

IP地址分类

A类地址：以0开头， 第一个字节范围：1~126（1.0.0.0 - 126.255.255.255）；

B类地址：以10开头， 第一个字节范围：128~191（128.0.0.0 - 191.255.255.255）；

C类地址：以110开头， 第一个字节范围：192~223（192.0.0.0 - 223.255.255.255）；

D类地址：1110开头， 224~239

E类地址：11110开头， 240~255

主机号全为0表示本网络本身 主机号全为1表示本网络广播地址

127.0.0.0 环路自检地址，表示任意主机本身

32个0 表示本网络的本主机 32个1表示整个TCP/IP网络的广播地址,等效本网络的广播地址。

专用地址： 10.0.0.0—10.255.255.255， 172.16.0.0—172.31.255.255， 192.168.0.0—192.168.255.255。（Internet上保留地址用于内部） IP地址与子网掩码相与得到网络号

ARP是地址解析协议，简单语言解释一下工作原理

每个主机都存有一个ARP高速缓存，存放本局域网上各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表，称为ARP表。使用ARP协议动态维护此表。 ARP工作在网络层中，其工作原理是：当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。如果有可以查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。如果没有，就通过使用目的MAC地址为本网络的广播地址即32个1的帧来封装并广播ARP请求分组，可以使同一个局域网里的所有主机收到ARP请求。当主机B收到该ARP请求后，就会向主机A发出响应ARP分组，分组中包含主机B的IP与MAC地址的映射关系，主机A在收到后将此映射写入ARP缓存中，然后按查询到的硬件地址发送MAC帧。

ARP是解决同一个局域网上主机与路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么通过ARP协议找到一个位于本局域网上的某个路由器硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。

描述RARP协议

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.(请求是广播，应答是单播)

1)网络上的每台设备都会有一个独一无二的硬件地址，通常是由设备厂商分配的MAC地址。主机从网卡上读取MAC地址，然后在网络上发送一个RARP请求的广播数据包，请求的RARP服务器分配一个IP地址。

2)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。

3)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。

4)如果不存在，RARP服务器对此不做任何的响应。

5)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

了解交换机、路由器、网关的概念，并知道各自的用途

两者简介： 路由器是具有多个输入输出端口的专用计算机，其任务是连接不同的网络并完成路由转发。当源主机向目标主机发送数据报时，路由器先检查源主机与目标主机是否连接在一个网络上。如果源主机和目标主机在一个网络上则直接交付而无需通过路由器。但如果源主机和目标主机不在同一个网络上，则路由器转发表指出路由将数据报转发给下一个路由器，即间接交付。路由器隔离了广播域。

交换机：是多个端口的网桥，工作在数据链路上，将两个或多个以太网连接起来成为更大的以太网。它能将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。其原理是，检测从以太端口来的数据帧的源和目的地的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较。若数据帧的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据帧发送给相应的端口。

区别： 路由器：工作在网络层，是能够连接不同的广域网形成更大的广域网。连接的是异构网络。根据IP地址转发。 交换机：工作在数据链路层，是将以太网连接形成更大的以太网，同一个网络。根据MAC地址进行转发。

**网关(Gateway)**又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。

OSI 和TCP/IP的区别

1. OSI精确定义了服务、协议和接口，符合面向对象程序设计思想。而TCP/IP在这些概念上没有明确区分。

2. OSI在产生协议之前没有偏向任何特定的协议，通用性良好，但如果设计没有太多经验就不知道将哪些功能放到哪一层。TCP/IP,首先出现协议，模型实际上是对已有协议的描述。因此不会出现协议不能匹配的模式。

3. TCP/IP考虑了异构网的互联问题，而OSI只考虑用一种标准的公用数据网将各种不同系统互连。

4. OSI在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接通信。而TCP/IP则相反，在网际层仅有无连接服务，在传输层支持无连接和面向连接两种模式。

TCP与UDP的区别

1、TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接

2、TCP提供可靠全双功的通信服务。UDP是半双功，只能单向传播。 3、通过TCP连接可靠传送的数据，可靠的、无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP则是不可靠信道，尽最大努力交付，即不保证可靠交付.

4、TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的．

5、TCP具有拥塞控制，UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）

6、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP比较灵活，支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信

7、TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小，只有8个字节.

TCP应用场景

效率要求相对低，但对准确性要求相对高的场景。因为传输中需要对数据确认、重发、排序等操作，相比之下效率没有UDP高。举几个例子：文件传输（准确高要求高、但是速度可以相对慢）、接受邮件、远程登录。 NSQ底层通讯就采用TCP。

UDP应用场景

效率要求相对高，对准确性要求相对低的场景。举几个例子：QQ聊天、在线视频、网络语音电话（即时通讯，速度要求高，但是出现偶尔断续不是太大问题，并且此处完全不可以使用重发机制）、广播通信（广播、多播）。

TCP对应的协议和UDP对应的协议

TCP对应的协议： （1） FTP(21)：定义了文件传输协议，使用21端口。常说某某计算机开了FTP服务便是启动了文件传输服务。下载文件，上传主页，都要用到FTP服务。

(2) ssh(22): 专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议

（3） Telnet(23)：(远程登陆协议)它是一种用于远程登陆的端口，用户可以以自己的身份远程连接到计算机上，通过这种端口可以提供一种基于DOS模式下的通信服务。如以前的BBS是-纯字符界面的，支持BBS的服务器将23端口打开，对外提供服务。

（4） SMTP(25)：定义了简单邮件传送协议，现在很多邮件服务器都用的是这个协议，用于发送邮件。如常见的免费邮件服务中用的就是这个邮件服务端口，所以在电子邮件设置-中常看到有这么SMTP端口设置这个栏，服务器开放的是25号端口。

（5） POP3(110)：它是和SMTP对应，POP3用于接收邮件。通常情况下，POP3协议所用的是110端口。也是说，只要你有相应的使用POP3协议的程序（例如Fo-xmail或Outlook），就可以不以Web方式登陆进邮箱界面，直接用邮件程序就可以收到邮件（如是163邮箱就没有必要先进入网易网站，再进入自己的邮-箱来收信）。

（6）HTTP(80)协议：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(53)：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) RIP(520):路由信息协议，端口520 (3) SNMP(161)：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。 (4) TFTP(69)(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。

http://www.jianshu.com/p/8be9b3204864 http://www.jianshu.com/p/eab86c0d1612

常见的路由选择协议，以及它们的区别

常见的路由选择协议有：RIP协议、OSPF协议。 RIP协议（路由信息协议）：底层是贝尔曼福特算法(Bellman-Ford)，基于距离向量的路由选择协议，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。仅和相邻路由器交换当前路由器所知道的全部信息。是应用层协议,使用UDP传输数据,端口520

OSPF协议（开放最短路由优先）：底层是迪杰斯特拉(Dijkstra)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。向本自治系统中所有路由器发送与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器知道的部分信息。网络层协议,直接IP数据报传输． 端口89

TCP的三次握手与四次挥手过程，各个状态名称与含义，TIMEWAIT的作用

https://blog.csdn.net/qzcsu/article/details/72861891

三次握手

第一次握手：客户机首先向服务器的TCP发送一个连接请求报文段，这个特殊的报文段不含应用层数据，其首部中同步位SYN被设置为1。另外，客户机会随机选择一个起始序号seq=x(连接请求报文不携带数据，但要消耗一个序号)；

第二次握手：服务器的TCP收到连接请求报文段后，如果同意建立连接，就向客户机发回确认，并为该TCP连接分配TCP缓存和变量。在确认报文段中，SYN和ACK位都被设置为1，确认号字段值为ack=x+1,并且服务器随机产生起始序号seq=y. 确认包同样不包含应用层数据。

第三次握手：当客户机收到确认报文段后，还要向服务器给出确认，并且也要给该连接分配缓存和变量。这个报文段的确认位ACK被设置为1，序号段被设置为seq=x+1,确认号字段ack=y+1. 该报文段可以携带数据，如果不携带数据则不消耗序号。

理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。因为TCP提供全双工通信，因此双方任何时候都可以发送数据。

四次挥手

第一次挥手：客户机打算关闭连接，就向其TCP发送一个连接释放报文，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接。该报文段的结束标志位FIN被设置为1，seq=u,它等于前面已经发送过的数据的最后一个字节的序号加1。

第二次挥手：服务器收到连接释放报文段后即发出确认，确认号是ack=u+1,序号为v,等于它前面已经发送过的数据的最后一个字节序号加1.此时客户机到服务器这个方向的连接就释放了，TCP处于半关闭状态。ACK=1，seq=v,ack=u+1

第三次挥手：若服务器已经没有要向客户机发送的数据，就通知TCP释放连接，此时发出FIN=1，确认号ack=u+1,序号seq=w,已经发送过的数据最后一个字节加1。确认为ACK=1. (FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1)

第四次挥手：客户机收到连接释放报文段后，必须发出确认。在确认报文段中，确认位ACK=1，序号seq=u+1,确认号ack=w+1. 此时连接还没有释放掉，必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL(Max Segment Lifetime),后，客户机才进入连接关闭状态。 (ACK=1,seq=u+1,ack=w+1)

http://www.cnblogs.com/Jessy/p/3535612.html

为什么会采用三次握手，若采用二次握手可以吗？

采用三次握手是为了防止失效的连接请求报文段再次传到服务器，因而产生错误。如果由于网络不稳定，虽然客户端以前发送的连接请求以到达服务方，但服务方的同意连接的应答未能到达客户端。则客户方要重新发送连接请求，若采用二次握手，服务方收到客服端重传的请求连接后，会以为是新的请求，就会发送同意连接报文，并新开进程提供服务，这样会造成服务方资源的无谓浪费。 如果只采用一次的话，客户端不知道服务端是否已经收到自己发送的数据，则会不断地发送数据。为了保证服务端能收接受到客户端的信息并能做出正确的应答而进行前两次(第一次和第二次)握手，为了保证客户端能够接收到服务端的信息并能做出正确的应答而进行后两次(第二次和第三次)握手

为什么四次挥手，主动方要等待２MSL后才关闭连接．

一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭． 主要为了确保对方能受到ACK信息. 如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持2MSL,如果在这个时间内又收到了server的关闭请求时可以进行重传，否则说明server已经受到确认包则可以关闭.

https://www.zhihu.com/question/36930631

TCP拥塞控制

为了更好对TCP进行拥塞控制，因特网建议标准定义了以下四种算法：慢开始，拥塞避免，快重传，快恢复。 首先在TCP要求发送端维护两个窗口： 1） 接收窗口rwnd，接收方根据当前缓存大小锁许诺的最新窗口值。
2) 拥塞窗口 cwnd ,发送方根据自己估算的网络拥塞程度而设置的窗口值。 发送窗口的上限是取这两者的最小值。
慢开始： TCP刚连接好时，先令拥塞窗口cwnd =1 ,在每次收到一个对新报文段的确认时将cwnd加1（因此是成倍增长2的n次方). Cwnd的大小呈指数增长。
拥塞避免算法： 当cwnd大于等于慢开始门限ssthresh时，cwnd窗口每次加1而不是加倍。当发送方检测到超时事件的发生时，就将慢开始门限设置为当前cwnd的一半，同时将cwnd设置为1. 这样的目的是迅速减少主机发送到网络的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够的时间吧队列中积压的分组处理完毕。
快重传：当发送方连续收到三个重复的ACK报文时，直接重传对方尚未收到的报文段，而不必等待那个报文段设置的重传计时器超时。
快恢复：当发送端收到连续三个冗余的ACK时，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半，cwnd设置为慢开始门限减半后的数值（与慢开始不同）。

https://blog.csdn.net/qzcsu/article/details/78046080

TCP滑动窗口与回退N针协议

滑动窗口： 发送方都维持一组连续的允许发送的帧的序号称为发送窗口。同时接收方也维持一组连续的允许接收的帧序号，称为接收窗口。发送窗口是用来对发送方进行流量控制，接收窗口是用来控制接收那些数据帧不可以接收那些帧。 在发送端，收到一个确认帧，发送窗口就向前滑动一个帧位置，当发送窗口没有可以发送的帧时，发送方就停止发送。直到接收方发送的确认帧使发送窗口向前移动。 在接收端，只有收到数据帧的序号落在接收窗口内才将该帧收下，否则一律丢弃。每收到一个帧后就发送回确认帧。

后退N帧协议 发送窗口大于1，接收窗口等于1.在后退N帧中，发送方不需要收到上一帧的ACK后才能发送下一帧，而是可以连续发送帧。当接收方检测出失序信息帧后，要求发送方重发最后一个正确接收的帧之后的所有未被确认的帧。源站每发完一帧就要为该帧设置超时计时器，如果在超时时间内没有收到确认帧则进行重发。服务端会采用累积确认的方式，不是每个帧都发确认，可以连续收到好几个正确帧后发回一个确认信息。接收方因为窗口为1，所以必须按序接收数据帧，如果某个序大于当前所期望的序号时就会连续发送3个ACK确认帧，要求客户端重传失序帧。

TCP的可靠性如何保证

在TCP的连接中，数据流必须以正确的顺序送达对方。TCP的可靠性是通过顺序编号和确认（ACK）来实现的。TCP在开始传送一个段时，为准备重传而首先将该段插入到发送队列之中，同时启动时钟。其后，如果收到了接受端对该段的ACK信息，就将该段从队列中删去。如果在时钟规定的时间内，ACK未返回，那么就从发送队列中再次送出这个段。TCP在协议中就对数据可靠传输做了保障，握手与断开都需要通讯双方确认，数据传输也需要双方确认成功，在协议中还规定了：分包、重组、重传等规则；而UDP主要是面向不可靠连接的，不能保证数据正确到达目的地。

Http的报文结构

http请求由三部分组成，分别是：请求行、消息报头、请求正文
方法 [空格] URL [空格] 版本
首部字段名: [空格] 值
…
首部字段名: [空格] 值
[空一行]
实体主体

HTTP响应也是由三个部分组成，分别是：状态行、消息报头、响应正文
版本[空格] 状态码 [空格] 短语
首部字段名: [空格] 值
…
首部字段名: [空格] 值
[空一行]
实体主体
更多http内容参考：http://www.cnblogs.com/maanshancss/p/4503385.html

Http request的几种类型

HTTP协议中共定义了八种方法或者叫“动作”来表明对Request-URI指定的资源的不同操作方式，具体介绍如下：

GET：向特定的资源发出请求。
POST：向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST请求可能会导致新的资源的创建和/或已有资源的修改。
PUT：向指定资源位置上传其最新内容。
DELETE：请求服务器删除Request-URI所标识的资源。
HEAD：请求读取由URL所标志的信息的首部。
OPTIONS：返回服务器针对特定资源所支持的HTTP请求方法。也可以利用向Web服务器发送'*'的请求来测试服务器的功能性。
TRACE：回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断。
CONNECT：HTTP/1.1协议中预留给能够将连接改为管道方式的代理服务器。

Http1.1和Http1.0的区别

1)HTTP1.0 是短连接，HTTP1.1是长连接。 HTTP 1.0规定浏览器与服务器只保持短暂的连接，浏览器的每次请求都需要与服务器建立一个TCP连接，服务器完成请求处理后立即断开TCP连接，服务器不跟踪每个客户也不记录过去的请求。如果一个html包含多个图片或资源时需要多次与服务器建立连接。 HTTP 1.1支持持久连接，在一个TCP连接上可以传送多个HTTP请求和响应，减少了建立和关闭连接的消耗和延迟。一个包含有许多图像的网页文件的多个请求和应答可以在一个连接中传输，但每个单独的网页文件的请求和应答仍然需要使用各自的连接.HTTP 1.1采用了流水线的持久连接，即客户端不用等待上一次请求结果返回，就可以发出下一次请求，但服务器端必须按照接收到客户端请求的先后顺序依次回送响应结果，以保证客户端能够区分出每次请求的响应内容，这样也显著地减少了整个下载过程所需要的时间。

2)HTTP 1.0不支持Host请求头字段，WEB浏览器无法使用主机头名来明确表示要访问服务器上的哪个WEB站点，这样就无法使用WEB服务器在同一个IP地址和端口号上配置多个虚拟WEB站点。在HTTP 1.1中增加Host请求头字段后，WEB浏览器可以使用主机头名来明确表示要访问服务器上的哪个WEB站点，这才实现了在一台WEB服务器上可以在同一个IP地址和端口号上使用不同的主机名来创建多个虚拟WEB站点。

3)HTTP 1.1还提供了与身份认证、状态管理和Cache缓存等机制相关的请求头和响应头

4)带宽优化。HTTP/1.0中，存在一些浪费带宽的现象，例如客户端只是需要某个对象的一部分，而服务器却将整个对象送过来了。例如，客户端只需要显示一个文档的部分内容，又比如下载大文件时需要支持断点续传功能，而不是在发生断连后不得不重新下载完整的包。 HTTP/1.1中在请求消息中引入了range头域，它允许只请求资源的某个部分。

1. HTTP/1.1增加了OPTIONS方法，它允许客户端获取一个服务器支持的方法列表

http://blog.csdn.net/forgotaboutgirl/article/details/6936982

Http怎么处理长连接

HTTP1.1和HTTP1.0相比较而言，最大的区别就是增加了持久连接支持。TCP连接在发送后将仍然保持打开状态，于是，浏览器可以继续通过相同的连接发送请求。保持连接节省了为每个请求建立新连接所需的时间，还节约了带宽。

使用长连接的HTTP协议，会在响应头有加入这行代码：Connection:keep-alive 。在使用长连接的情况下，当一个网页打开完成后，客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的 TCP连接不会关闭，如果客户端再次访问这个服务器上的网页，会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接，它有一个保持时间，可以在不同的服务器软件（如Apache）中设定这个时间。实现长连接要客户端和服务端都支持长连接。

http://www.codeceo.com/article/http-long-connect.html

Cookie与Session的作用与原理

https://blog.csdn.net/qazzwx/article/details/79608698

会话跟踪是Web程序中常用的技术，用来跟踪用户的整个会话。常用的会话跟踪技术是Cookie与Session。Cookie通过在客户端记录信息确定用户身份，Session通过在服务器端记录信息确定用户身份。 Cookie Cookie实际上是一小段的文本信息。客户端请求服务器，如果服务器需要记录该用户状态，就产生一个用户身份标识，然后在响应消息中将该标识号以Cookie的形式传递给浏览器.客户端浏览器会把Cookie保存起来。浏览器在以后每次访问该web服务器时，浏览器把请求的网址连同该Cookie一同提交给服务器。服务器检查该Cookie，以此来辨认用户状态。服务器还可以根据需要修改Cookie的内容. Cookie不能被浏览器共享 Cookie具有不可跨域名性，例如浏览器访问Google只会携带Google的Cookie，而不会携带Baidu的Cookie。Cookie的maxAge决定着Cookie的有效期，单位为秒（Second）.

默认情况下,cookie是一个会话级别的,用户退出浏览器后被删除

Session Session是另一种记录客户状态的机制，不同的是Cookie保存在客户端浏览器中，而Session保存在服务器上。客户端浏览器访问服务器的时候，服务器把客户端信息以某种形式记录在服务器上。这就是Session。 如果说Cookie机制是通过检查客户身上的“通行证”来确定客户身份的话，那么Session机制就是通过检查服务器上的“客户明细表”来确认客户身份。Session相当于程序在服务器上建立的一份客户档案，客户来访的时候只需要查询客户档案表就可以了。

Session保存在服务器端。为了获得更高的存取速度，服务器一般把Session放在内存里。每个用户都会有一个独立的Session。如果Session内容过于复杂，当大量客户访问服务器时可能会导致内存溢出。因此，Session里的信息应该尽量精简。

session工作原理 (1)web不会在客户端开始访问它时创建session,在访问特殊的程序并且该程序(servlet)决定与客户端开启会话时,服务器生成一个唯一值,称为Session ID（好像是通过取进程ID的方式取得的）。服务器开辟一块内存，对应于该Session ID。
(2)服务器再将该Session ID写入浏览器的cookie。
(3)服务器内有一进程，监视所有Session的活动状况，如果有Session超时或是主动关闭，服务器就释放改内存块。
(4)当浏览器连入服务器时并请求Session时，服务器就读浏览器Cookie中的Session ID。
(5)然后，服务检查该Session ID所对应的内存是否有效。
(6)如果有效，就读出内存中的值。
(7)如果无效，就建立新的Session。

tomcat默认设置是30分钟 具体设置很简单，方法有三种： （1）在主页面或者公共页面中加入：session.setMaxInactiveInterval(900); 参数900单位是秒，即在没有活动15分钟后，session将失效。设置为-1将永不关闭。 这里要注意这个session设置的时间是根据服务器来计算的，而不是客户端。所以如果是在调试程序，应该是修改服务器端时间来测试，而不是客户端。

（2）也是比较通用的设置session失效时间的方法，就是在项目的web.xml中设置

15

这里的15也就是15分钟失效.

（3）直接在应用服务器中设置，如果是tomcat，可以在tomcat目录下conf/web.xml中 找到元素，tomcat默认设置是30分钟，只要修改这个值就可以了。 需要注意的是如果上述三个地方如果都设置了，有个优先级的问题，从高到低：

（1）-->(2)--->(3)

生命周期: 1)tomcat默认是30分钟 2)因为session和cookie有关系，客户端浏览器通过cookie维持该会话，cookie不支持跨浏览器共享，意味着如果把浏览器关该会闭的话该会话就会失效(但服务端还保存着)。因此同一机器的两个浏览器窗口访问服务器时，会生成两个不同的Session。

http://qiusuoge.com/10576.html http://blog.csdn.net/colzer/article/details/8686966 http://www.cnblogs.com/binger/archive/2013/03/19/2970171.html

电脑上访问一个网页，整个过程是怎么样的：DNS、HTTP、TCP、OSPF、IP、ARP

1. 浏览器分析连接指向的页面URL(http://www.baidu.com)
2. 浏览器向DNS请求www.baidu.com.的IP地址
3. 域名系统DNS解析出百度官网的服务器IP地址
4. 浏览器与该服务器建立TCP连接（默认端口80）
5. 浏览器发出HTTP请求获取指定页面。
6. 服务器通过HTTP响应把文件对应页面发送给浏览器。
7. TCP连接释放。
8. 浏览器将文件进行解析，并将web网页显示给用户。

get提交和post提交的区别

1.根据HTTP规范，GET用于信息获取，而且应该是安全的和幂等的。 　　(1).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。 　　(2).幂等的意味着对同一URL的多个请求应该返回同样的结果。

2.根据HTTP规范，POST表示可能修改变服务器上的资源的请求。还是新闻以网站为例，读者对新闻发表自己的评论应该通过POST实现，因为在评论提交后站点的资源已经不同了，或者说资源被修改了。

3.GET请求的数据会附在URL之后（就是把数据放置在HTTP协议头中），以?分割URL和传输数据，参数之间以&相连.POST把提交的数据则放置在是HTTP包的包体中。

4.GET安全性较低，POST安全性较高。因为GET在传输过程，数据被放在请求的URL中，而如今现有的很多服务器、代理服务器或者用户代理都会将请求URL记录到日志文件中，然后放在某个地方，这样就可能会有一些隐私的信息被第三方看到。另外，用户也可以在浏览器上直接看到提交的数据，一些系统内部消息将会一同显示在用户面前。

5.get传送的数据量较小，不能大于2KB。post传送的数据量较大，一般被默认为不受限制。

6.在FORM（表单）中，Method默认为"GET"

幂等（idempotent、idempotence）是一个数学或计算机学概念，常见于抽象代数中。 　　幂等有一下几种定义： 　　对于单目运算，如果一个运算对于在范围内的所有的一个数多次进行该运算所得的结果和进行一次该运算所得的结果是一样的，那么我们就称该运算是幂等的。比如绝对值运算就是一个例子，在实数集中，有abs(a)=abs(abs(a))。 　　对于双目运算，则要求当参与运算的两个值是等值的情况下，如果满足运算结果与参与运算的两个值相等，则称该运算幂等，如求两个数的最大值的函数，有在在实数集中幂等，即max(x,x) = x。 详见: http://www.cnblogs.com/hyddd/archive/2009/03/31/1426026.html http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/05/18/1738301.html

https如何加密的

HTTPS介绍： HTTPS(Secure Hypertext Transfer Protocol)安全超文本传输协议 它是一个安全通信通道，它基于HTTP开发，用于在客户计算机和服务器之间交换信息。它使用安全套接字层(SSL)进行信息交换，简单来说它是HTTP的安全版。 它是由Netscape开发并内置于其浏览器中，使用SSL在发送方把原始数据进行加密，然后在接受方进行解密保证数据的安全性．然而，加密和解密过程需要耗费系统大量的开销，严重降低机器的性能. HTTPS实际上就是SSL over HTTP，它使用默认端口443，而不是像HTTP那样使用端口80来和TCP/IP进行通信。HTTPS协议使用SSL在发送方把原始数据进行加密，然 后在接受方进行解密，加密和解密需要发送方和接受方通过交换共知的密钥来实现，因此，所传送的数据不容易被网络黑客截获和解密.然而，加密和解密过程需要耗费系统大量的开销，严重降低机器的性能，相关测试数据表明使用HTTPS协议传输数据的工作效率只有使用HTTP协议传输的十分之一。

如何实现加密：（其实就是sssl的交互过程） HTTPS其实是有两部分组成：HTTP + SSL / TLS，也就是在HTTP上又加了一层处理加密信息的模块。服务端和客户端的信息传输都会通过TLS进行加密，所以传输的数据都是加密后的数据。具体是如何进行加密，解密，验证的

http://blog.csdn.net/binyao02123202/article/details/8049446 http://www.codeceo.com/article/why-http-better-than-https.html

http和https的区别

1. https协议需要到ca申请证书，一般免费证书很少，需要交费.
2. http是超文本传输协议，信息是明文传输，https 则是具有安全性的ssl加密传输协议 http和https使用的是完全不同的连接方式用的端口也不一样：前者是80，后者是443。
3. http的连接很简单，是无状态的 HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议 要比http协议安全 HTTPS解决的问题.
   http://www.admin5.com/article/20150708/608526.shtml

SSL协议及完整交互过程

SSL是Netscape公司所提出的安全保密协议，在浏览器(如Internet Explorer、Netscape Navigator)和Web服务器(如Netscape的Netscape Enterprise Server、ColdFusion Server等等)之间构造安全通道来进行数据传输，SSL运行在TCP/IP层之上、应用层之下，为应用程序提供加密数据通道，它采用了RC4、MD5 以及RSA等加密算法，使用40 位的密钥，适用于商业信息的加密。

开始加密通信之前，客户端和服务器首先必须建立连接和交换参数，这个过程叫做握手（handshake）。 1 客户端发出请求（ClientHello） 首先，客户端（通常是浏览器）先向服务器发出加密通信的请求，这被叫做ClientHello请求。在这一步，客户端主要向服务器提供以下信息。
（1） 支持的协议版本，比如TLS 1.0版。
（2） 一个客户端生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
（3） 支持的加密方法，比如RSA公钥加密。
（4） 支持的压缩方法。

4.2 服务器回应（SeverHello）
服务器收到客户端请求后，向客户端发出回应，这叫做SeverHello。服务器的回应包含以下内容：
（1） 确认使用的加密通信协议版本，比如TLS 1.0版本。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。
（2） 一个服务器生成的随机数，稍后用于生成"对话密钥"。
（3） 确认使用的加密方法，比如RSA公钥加密。

4.3 客户端回应
客户端收到服务器回应以后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。 如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥。然后，向服务器发送下面三项信息。
（1） 一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听。
（2） 编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
（3） 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。
上面第一项的随机数，是整个握手阶段出现的第三个随机数，又称"pre-master key"。有了它以后，客户端和服务器就同时有了三个随机数，接着双方就用事先商定的加密方法，各自生成本次会话所用的同一把"会话密钥"。（会话秘钥是采用对称加密方式，而这里的公钥是采用非对称加密）

4 服务器的最后回应 服务器通过私钥解密收到客户端的第三个随机数pre-master key之后，计算生成本次会话所用的"会话密钥"。然后，向客户端最后发送下面信息。
（1）编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。
（2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供客户端校验。

至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用"会话密钥"加密内容。

至于为什么一定要用三个随机数，来生成"会话密钥"，dog250解释得很好： "不管是客户端还是服务器，都需要随机数，这样生成的密钥才不会每次都一样。由于SSL协议中证书是静态的，因此十分有必要引入一种随机因素来保证协商出来的密钥的随机性。 对于RSA密钥交换算法来说，pre-master-key本身就是一个随机数，再加上hello消息中的随机，三个随机数通过一个密钥导出器最终导出一个对称密钥。 pre master的存在在于SSL协议不信任每个主机都能产生完全随机的随机数，如果随机数不随机，那么pre master secret就有可能被猜出来，那么仅适用pre master secret作为密钥就不合适了，因此必须引入新的随机因素，那么客户端和服务器加上pre master secret三个随机数一同生成的密钥就不容易被猜出了，一个伪随机可能完全不随机，可是是三个伪随机就十分接近随机了，每增加一个自由度，随机性增加的可不是一。"

http://limboy.me/tech/2011/02/19/https-workflow.html http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/02/ssl_tls.html http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/09/illustration-ssl.html http://kb.cnblogs.com/page/162080/

https处理的一个过程，对称加密和非对称加密（参考上一条，这一条就是通俗的表示）

1. SSL原理很简单。当你的浏览器向服务器请求一个安全的网页(通常是 https://)
2. 服务器就把它的证书和公匙发回来
3. 浏览器检查证书是不是由可以信赖的机构颁发的，确认证书有效和此证书是此网站的。
4. 浏览器使用公钥加密了一个随机对称密钥，包括加密的URL一起发送到服务器。
5. 服务器用自己的私匙解密了你发送的钥匙。然后用这把对称加密的钥匙给你请求的URL链接解密。
6. 服务器用你发的对称钥匙给你请求的网页加密。你也有相同的钥匙就可以解密发回来的网页了

加密算法绝大部分都属于以下两种加密类型之一： 对称加密：加密解密用的是同样的“钥匙” 非对称加密：加密解密用的是不同的“钥匙”

对称加密 Alice 在盒子里放有信息，盒子上有挂锁，她有钥匙。通过邮局她把这个盒子寄给Bob。Bob收到盒子后，用相同的钥匙打开盒子（钥匙之前就得到了，可能是Alice面对面给他的）。然后Bob可以用同样的方法回复。

非对称加密 Bob和Alice各有自己的盒子。Alice要跟Bob秘密通信，她先让Bob把开着的盒子通过邮局发给她。Alice拿到盒子后放入信息锁上，然后发给Bob。Bob就可以用他自己的钥匙打开了。回复的话就用同样的方法。 非对称算法在加密和解密时用的是不同的钥匙。信息接受者有两把钥匙：一把“公匙”，一把“私匙”。公匙是给信息发送者用来加密的，私匙是自己用来解密的。这样最大的好处是：不必通过不安全的渠道发送私密的东西。公匙本来就是给别人用的，不用藏好。你的私匙在你产生私匙的电脑里保存着。

http://article.yeeyan.org/view/90729/174903/

Http和https的区别

• http是HTTP协议运行在TCP之上。所有传输的内容都是明文，客户端和服务器端都无法验证对方的身份
• https是HTTP运行在SSL/TLS之上，SSL/TLS运行在TCP之上。所有传输的内容都经过加密，加密采用对
• 加密，但对称加密的密钥用服务器方的证书进行了非对称加密。此外客户端可以验证服务器端的身份
• 如果配置了客户端验证，服务器方也可以验证客户端的身份。
• https协议需要到ca申请证书，一般免费证书很少，需要交费。
• http是超文本传输协议，信息是明文传输，https 则是具有安全性的ssl加密传输协议
• http和https使用的是完全不同的连接方式用的端口也不一样,前者是80,后者是443。
• http的连接很简单,是无状态的
• HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议 要比http协议安全

https://github.com/Wl201314/MartinBlog/tree/master/Blog/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E5%9F%BA%E7%A1%80

DNS域名系统，简单描述其工作原理。

域名系统DNS是因特网使用的命名系统，用于把便于人们记忆的含有特定含义的主机名转换为便于机器处理的IP地址。DNS系统采用C/S模式，其协议运行在UDP上，使用53号端口。从概念上讲DNS可以分为3个部分：层次域名空间，域名服务器和解析器。

域名解析是把域名映射成IP地址或者把IP地址映射成域名的过程。域名解析有两种方式：递归查询和迭代查询。 递归查询：如果本地主机询问的本地域名服务器不知道被查询的域名IP地址，那么本地域名服务器就以DNS客户的身份，向根域名服务器继续发出查询请求报文，而不是自己进行下一步非查询。根域名服务器会继续向顶级域名服务器查询请求，如果存在则直接返回给根服务器，否则顶级域名服务器向对应的权限域名服务器查询。是一种递归的查询方式。

迭代查询：本地域名服务器负责转发和调用功能。如果本地主机询问的本地域名服务器不知道被查询的域名IP地址，那么本地域名服务器就以DNS客户的身份，向根域名服务器继续发出查询请求报文。跟服务器收到请求报文时，要么给出所有查询的IP地址，要么告诉本地域名服务器下一步需要查询的顶级域名服务器。然后本地服务器向这个顶级域名服务器进行后续的查询。同样的顶级域名服务器收到查询报文后，要么给出所要查询的IP地址，要么告诉本地域名服务器下一步应该查找那个权限域名服务器。

面向连接和非面向连接的服务的特点是什么？

面向连接的服务：通信双方进行通信之前，必须先建立连接，在通信过程中，整个连接情况一直都是被实时地监控和管理。当通信结束后，则应释放这个连接。 无连接服务：两个实体之间的通信不需要先建立好连接，需要通信的时候，直接将信息发送到”网络”中，让该信息的传递在网上尽力而为地往目的地传送。

端口及对应的服务？

FTP 21 SSH 22 telnet 23 SMTP 25 Domain(域名服务器) 53 HTTP 80 POP3 110 NTP（网络时间协议）123 MySQL数据库服务3306 https 443 SNMP(161) TFTP(69) Shell或 cmd 514 POP-2 109 SQL Server 1433

各种协议

ICMP协议： 因特网控制报文协议。它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。 TFTP协议： 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。 HTTP协议： 超文本传输协议，是一个属于应用层的面向对象的协议，由于其简捷、快速的方式，适用于分布式超媒体信息系统。 DHCP协议： 动态主机配置协议，是一种让系统得以连接到网络上，并获取所需要的配置参数手段。 NAT协议：网络地址转换属接入广域网(WAN)技术，是一种将私有（保留）地址转化为合法IP地址的转换技术， DHCP协议：一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，用途：给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址，给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。

Ping的整个过程

同一个局域网中： 1、Pc1在应用层发起个目标IP位IP2的Ping请求。
2、传输层接到上层请求的数据，将数据分段并加上UDP报头。下传到Internet层。
3、 网际层接收来处上层的数据后，根据ICMP协议进行封装，添加PC1的IP为源IP为和PC2IP为目标IP后封装成数据包。下传到网络接口层。
4、网络接口层接收数据包后，进行封装，源MAC地址为PC1的MAC地址，目标MAC地址则查询自己的ARP缓存表获取。如果PC1 arp缓存表中没有目标IP对应的MAC地址，则PC1发出一个ARP广播报文。ARP报文中源MAC地址为Pc1mac地址，源IP地址为pc1 IP，所要请求的是PC2的IP对应的mac地址。
5、PC2收到ARP广播后，进行解封装，发现所请求的MAC地址是自己的。则PC2将PC1的mac地址写入arp缓存表中。然后向PC1发送一个 ARP应答单播。该单播消息包括目标IP为PC1ip，目标Mac为pc1mac地址，源IP为PC2的IP，源Mac为pc2的Mac。
6、Pc1接收到PC2的arp应答报文后，将Pc2的MAC地址存入arp缓存中，并将Pc2的Mac地址作为目标地址封装到数据帧中。发给下层进行网络传输。
7、PC2接收这个帧后，在网络接口层查看目标mac地址是否指向自己。是，PC2则将帧头去掉，向上层传输。
8、Pc2网际层接收到这个信息包，查看包头，发现目标IP和自己匹配，则解封装，将数据向上层传输。
9、传输层接收来自下层的Ping请求的UDP报文，则去掉UDP报头，向应用层传送。
10、应用层收到ping请求后，发送一个PIng回应报文给PC1 http://blog.chinaunix.net/uid-26758209-id-3146224.html

ICMP协议：

1. ICMP允许主机或路由报告差错情况和提供有关异常情况。ICMP是因特网的标准协议，但ICMP不是高层协议，而是IP层的协议。通常ICMP报文被IP层或更高层协议（TCP或UDP）使用。一些ICMP报文把差错报文返回给用户进程。
2. ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成数据报发送出去。
3. ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。

差错报告 ICMP差错报告报文共有5种： 终点不可达：终点不可达分为:网络不可达，主机不可达，协议不可达，端口不可达，需要分片但DF比特已置为1，以及源路由失败等六种情况，其代码字段分别置为0至5。当出现以上六种情况时就向源站发送终点不可达报文。 说明： 端口不可达：UDP的规则之一是：如果收到UDP数据报而且目的端口与某个正在使用的进程不相符，那么UDP返回一个ICMP不可达报文。 源站抑制：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源站发送源站抑制报文，使源站知道应当将数据报的发送速率放慢。 时间超过：当路由器收到生存时间为零的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源站发送时间超过报文。当目的站在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就将已收到的数据报片都丢弃，并向源站发送时间超过报文。 参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源站发送参数问题报文。 改变路由（重定向）路由器将改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器。

询问报文 ICMP询问报文有四种 回送请求和回答，ICMP回送请求报文是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问。收到此报文的机器必须给源主机发送ICMP回送应答报文。这种询问报文用来测试目的站是否可达以及了解其有关状态 时间戳请求和回答：ICMP时间戳请求允许系统向另一个系统查询当前的时间。该ICMP报文的好处是它提供了毫秒级的分辨率，而利用其他方法从别的主机获取的时间只能提供秒级的分辨率。请求端填写发起时间，然后发送报文。应答系统收到请求报文时填写接收时间戳，在发送应答时填写发送时间戳。大多数的实现是把后面两个字段都设成相同的值。 掩码地址请求和回答：主机使用ICMP地址掩码请求报文可向子网掩码服务器得到某个接口的地址掩码。 路由器询问和通过：主机使用ICMP路由器询问和通过报文可了解连接在本网络上的路由器是否正常工作。主机将路由器询问报文进行广播（或多播）。收到询问报文的一个或几个路由器就使用路由器通过报文广播其路由选择信息

C/S模式下使用socket通信，几个关键函数

知识点：

1. SSP通过七号信令网实现与SAU的连接，而SCP与SAU之间通过TCP/IP协议连接。
2. 重组发生在目的主机，分片发生在路由器上

 

 

更为基础的汇总：

 

• 一、概述
  • 网络的网络
  • ISP
  • 主机之间的通信方式
  • 电路交换与分组交换
  • 时延
  • 计算机网络体系结构*
• 二、物理层
  • 通信方式
  • 带通调制
• 三、数据链路层
  • 基本问题
  • 信道分类
  • 信道复用技术
  • CSMA/CD 协议*
  • PPP 协议
  • MAC 地址
  • 局域网
  • 以太网*
  • 交换机*
  • 虚拟局域网
• 四、网络层*
  • 概述
  • IP 数据报格式
  • IP 地址编址方式
  • 地址解析协议 ARP
  • 网际控制报文协议 ICMP
  • 虚拟专用网 VPN
  • 网络地址转换 NAT
  • 路由器的结构
  • 路由器分组转发流程
  • 路由选择协议
• 五、运输层*
  • UDP 和 TCP 的特点
  • UDP 首部格式
  • TCP 首部格式
  • TCP 的三次握手
  • TCP 的四次挥手
  • TCP 可靠传输
  • TCP 滑动窗口
  • TCP 流量控制
  • TCP 拥塞控制
• 六、应用层
  • 域名系统
  • 文件传送协议
  • 动态主机配置协议
  • 远程登录协议
  • 电子邮件协议
  • 常用端口
  • Web 页面请求过程
• 参考资料

一、概述

网络的网络

网络把主机连接起来，而互联网是把多种不同的网络连接起来，因此互联网是网络的网络。

 

ISP

互联网服务提供商 ISP 可以从互联网管理机构获得许多 IP 地址，同时拥有通信线路以及路由器等联网设备，个人或机构向 ISP 缴纳一定的费用就可以接入互联网。

 

目前的互联网是一种多层次 ISP 结构，ISP 根据覆盖面积的大小分为第一层 ISP、区域 ISP 和接入 ISP。

互联网交换点 IXP 允许两个 ISP 直接相连而不用经过第三个 ISP。

 

主机之间的通信方式

• 客户-服务器（C/S）：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

• 对等（P2P）：不区分客户和服务器。

 

电路交换与分组交换

1. 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%。

2. 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。

时延

总时延 = 传输时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

 

1. 传输时延

主机或路由器传输数据帧所需要的时间。

 

其中 l 表示数据帧的长度，v 表示传输速率。

2. 传播时延

电磁波在信道中传播所需要花费的时间，电磁波传播的速度接近光速。

 

其中 l 表示信道长度，v 表示电磁波在信道上的传播速度。

3. 处理时延

主机或路由器收到分组时进行处理所需要的时间，例如分析首部、从分组中提取数据、进行差错检验或查找适当的路由等。

4. 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。

计算机网络体系结构*

 

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。数据单位为报文。

• 运输层 ：提供的是进程间的通用数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的运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：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；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。TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。

• 网络层 ：为主机间提供数据传输服务，而运输层协议是为主机中的进程提供服务。网络层把运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。

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担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。

3. TCP/IP

它只有四层，相当于五层协议中数据链路层和物理层合并为网络接口层。

TCP/IP 体系结构不严格遵循 OSI 分层概念，应用层可能会直接使用 IP 层或者网络接口层。

 

TCP/IP 协议族是一种沙漏形状，中间小两边大，IP 协议在其中占用举足轻重的地位。

 

4. 数据在各层之间的传递过程

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，因此也就不需要运输层和应用层。

 

二、物理层

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

带通调制

模拟信号是连续的信号，数字信号是离散的信号。带通调制把数字信号转换为模拟信号。

 

三、数据链路层

基本问题

1. 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

 

2. 透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

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。

 

3. 差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。

信道分类

1. 广播信道

一对多通信，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。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。

主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。

2. 点对点信道

一对一通信。

因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。

信道复用技术

1. 频分复用

频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。

 

2. 时分复用

时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。

 

使用频分复用和时分复用进行通信，在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。

3. 统计时分复用

是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。

 

4. 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。

 

5. 码分复用

为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 和 有

 

为了讨论方便，取 m=8，设码片 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。

在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到

 

 

其中 为 的反码。

利用上面的式子我们知道，当接收端使用码片 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是用户发送的比特 1，结果为 -1 的是用户发送的比特 0。

码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。

 

CSMA/CD 协议*

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

• 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。

 

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。

 

PPP 的帧格式：

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

 

MAC 地址

MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。

一台主机拥有多少个适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。

局域网

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。

主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。

可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：

 

以太网*

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

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同时从两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。

目前以太网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；
• 前同步码 ：只是为了计算 FCS 临时加入的，计算结束之后会丢弃。

 

交换机*

交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。

正是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 收下之后，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 3 的映射。

 

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。

 

四、网络层*

概述

因为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。

 

与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

• 地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）
• 网际控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol）
• 网际组管理协议 IGMP（Internet Group Management Protocol）

 

IP 数据报格式

 

• 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。因为首部固定长度为 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。

 

IP 地址编址方式

IP 地址的编址方式经历了三个历史阶段：

• 分类
• 子网划分
• 无分类

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 >}

 

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 >}

要使用子网，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。

3. 无分类

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 的记法上采用在 IP 地址后面加上网络前缀长度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位为网络前缀。

CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码，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。

地址解析协议 ARP

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。

 

ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。

 

每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

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。

 

网际控制报文协议 ICMP

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

 

ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文。

 

1. Ping

Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。

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。

2. Traceroute

Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，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。

虚拟专用网 VPN

由于 IP 地址的紧缺，一个机构能申请到的 IP 地址数往往远小于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。

下图中，场所 A 和 B 的通信经过互联网，如果场所 A 的主机 X 要和另一个场所 B 的主机 Y 通信，IP 数据报的源地址是 10.1.0.1，目的地址是 10.2.0.3。数据报先发送到与互联网相连的路由器 R1，R1 对内部数据进行加密，然后重新加上数据报的首部，源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3，目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到数据报后将数据部分进行解密，恢复原来的数据报，此时目的地址为 10.2.0.3，就交付给 Y。

 

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 转换为全球 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 转换表把运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。

 

路由器的结构

路由器从功能上可以划分为：路由选择和分组转发。

分组转发结构由三个部分组成：交换结构、一组输入端口和一组输出端口。

 

路由器分组转发流程

• 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。

 

路由选择协议

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

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。

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。

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。

 

五、运输层*

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。运输层提供了进程间的逻辑通信，运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运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。

UDP 和 TCP 的特点

• 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。

• 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）。

UDP 首部格式

 

首部字段只有 8 个字节，包括源端口、目的端口、长度、检验和。12 字节的伪首部是为了计算检验和临时添加的。

TCP 首部格式

 

• 序号 ：用于对字节流进行编号，例如序号为 301，表示第一个字节的编号为 301，如果携带的数据长度为 100 字节，那么下一个报文段的序号应为 401。

• 确认号 ：期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段，序号为 501，携带的数据长度为 200 字节，因此 B 期望下一个报文段的序号为 701，B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。

• 数据偏移 ：指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量，实际上指的是首部的长度。

• 确认 ACK ：当 ACK=1 时确认号字段有效，否则无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。

• 同步 SYN ：在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1，ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接，则响应报文中 SYN=1，ACK=1。

• 终止 FIN ：用来释放一个连接，当 FIN=1 时，表示此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放连接。

• 窗口 ：窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

TCP 的三次握手

 

假设 A 为客户端，B 为服务器端。

• 首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。

• 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。

• 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。

• 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。

• B 收到 A 的确认后，连接建立。

三次握手的原因

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。

TCP 的四次挥手

 

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。

四次挥手的原因

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。

TIME_WAIT

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：

• 确保最后一个确认报文能够到达。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。

• 等待一段时间是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。

TCP 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：

 

超时时间 RTO 应该略大于 RTTs，TCP 使用的超时时间计算如下：

 

其中 RTTd 为偏差。

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。

 

TCP 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。

TCP 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。

 

TCP 主要通过四种算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

为了便于讨论，做如下假设：

• 接收方有足够大的接收缓存，因此不会发生流量控制；
• 虽然 TCP 的窗口基于字节，但是这里设窗口的大小单位为报文段。

 

1. 慢开始与拥塞避免

发送的最初执行慢开始，令 cwnd=1，发送方只能发送 1 个报文段；当收到确认后，将 cwnd 加倍，因此之后发送方能够发送的报文段数量为：2、4、8 ...

注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍，这样会让 cwnd 增长速度非常快，从而使得发送方发送的速度增长速度过快，网络拥塞的可能也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh，当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd 加 1。

如果出现了超时，则令 ssthresh = cwnd/2，然后重新执行慢开始。

2. 快重传与快恢复

在接收方，要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M1 和 M2，此时收到 M4，应当发送对 M2 的确认。

在发送方，如果收到三个重复确认，那么可以知道下一个报文段丢失，此时执行快重传，立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2，则 M3 丢失，立即重传 M3。

在这种情况下，只是丢失个别报文段，而不是网络拥塞。因此执行快恢复，令 ssthresh = cwnd/2 ，cwnd = ssthresh，注意到此时直接进入拥塞避免。

慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。

 

六、应用层

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。

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。

 

DNS 可以使用 UDP 或者 TCP 进行传输，使用的端口号都为 53。大多数情况下 DNS 使用 UDP 进行传输，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来保证可靠性。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 字节就改用 TCP 进行传输（UDP 最大只支持 512 字节的数据）。
• 区域传送需要使用 TCP 进行传输（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）。

文件传送协议

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 有主动和被动两种模式：

• 主动模式：服务器端主动建立数据连接，其中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。

 

• 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。

 

主动模式要求客户端开放端口号给服务器端，需要去配置客户端的防火墙。被动模式只需要服务器端开放端口号即可，无需客户端配置防火墙。但是被动模式会导致服务器端的安全性减弱，因为开放了过多的端口号。

动态主机配置协议

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 提供了即插即用的连网方式，用户不再需要去手动配置 IP 地址等信息。

DHCP 配置的内容不仅是 IP 地址，还包括子网掩码、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。

 

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。

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。

邮件协议包含发送协议和读取协议，发送协议常用 SMTP，读取协议常用 POP3 和 IMAP。

 

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。

 

2. POP3

POP3 的特点是只要用户从服务器上读取了邮件，就把该邮件删除。

3. IMAP

IMAP 协议中客户端和服务器上的邮件保持同步，如果不去手动删除邮件，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。

常用端口

应用	应用层协议	端口号	运输层协议	备注
域名解析	DNS	53	UDP/TCP	长度超过 512 字节时使用 TCP
动态主机配置协议	DHCP	67/68	UDP
简单网络管理协议	SNMP	161/162	UDP
文件传送协议	FTP	20/21	TCP	控制连接 21，数据连接 20
远程终端协议	TELNET	23	TCP
超文本传送协议	HTTP	80	TCP
简单邮件传送协议	SMTP	25	TCP
邮件读取协议	POP3	110	TCP
网际报文存取协议	IMAP	143	TCP

Web 页面请求过程

1. DHCP 配置主机信息

• 假设主机最开始没有 IP 地址以及其它信息，那么就需要先使用 DHCP 来获取。

• 主机生成一个 DHCP 请求报文，并将这个报文放入具有目的端口 67 和源端口 68 的 UDP 报文段中。

• 该报文段则被放入在一个具有广播 IP 目的地址(255.255.255.255) 和源 IP 地址（0.0.0.0）的 IP 数据报中。

• 该数据报则被放置在 MAC 帧中，该帧具有目的地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF，将广播到与交换机连接的所有设备。

• 连接在交换机的 DHCP 服务器收到广播帧之后，不断地向上分解得到 IP 数据报、UDP 报文段、DHCP 请求报文，之后生成 DHCP ACK 报文，该报文包含以下信息：IP 地址、DNS 服务器的 IP 地址、默认网关路由器的 IP 地址和子网掩码。该报文被放入 UDP 报文段中，UDP 报文段有被放入 IP 数据报中，最后放入 MAC 帧中。

• 该帧的目的地址是请求主机的 MAC 地址，因为交换机具有自学习能力，之前主机发送了广播帧之后就记录了 MAC 地址到其转发接口的交换表项，因此现在交换机就可以直接知道应该向哪个接口发送该帧。

• 主机收到该帧后，不断分解得到 DHCP 报文。之后就配置它的 IP 地址、子网掩码和 DNS 服务器的 IP 地址，并在其 IP 转发表中安装默认网关。

2. ARP 解析 MAC 地址

• 主机通过浏览器生成一个 TCP 套接字，套接字向 HTTP 服务器发送 HTTP 请求。为了生成该套接字，主机需要知道网站的域名对应的 IP 地址。

• 主机生成一个 DNS 查询报文，该报文具有 53 号端口，因为 DNS 服务器的端口号是 53。

• 该 DNS 查询报文被放入目的地址为 DNS 服务器 IP 地址的 IP 数据报中。

• 该 IP 数据报被放入一个以太网帧中，该帧将发送到网关路由器。

• DHCP 过程只知道网关路由器的 IP 地址，为了获取网关路由器的 MAC 地址，需要使用 ARP 协议。

• 主机生成一个包含目的地址为网关路由器 IP 地址的 ARP 查询报文，将该 ARP 查询报文放入一个具有广播目的地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）的以太网帧中，并向交换机发送该以太网帧，交换机将该帧转发给所有的连接设备，包括网关路由器。

• 网关路由器接收到该帧后，不断向上分解得到 ARP 报文，发现其中的 IP 地址与其接口的 IP 地址匹配，因此就发送一个 ARP 回答报文，包含了它的 MAC 地址，发回给主机。

3. DNS 解析域名

• 知道了网关路由器的 MAC 地址之后，就可以继续 DNS 的解析过程了。

• 网关路由器接收到包含 DNS 查询报文的以太网帧后，抽取出 IP 数据报，并根据转发表决定该 IP 数据报应该转发的路由器。

• 因为路由器具有内部网关协议（RIP、OSPF）和外部网关协议（BGP）这两种路由选择协议，因此路由表中已经配置了网关路由器到达 DNS 服务器的路由表项。

• 到达 DNS 服务器之后，DNS 服务器抽取出 DNS 查询报文，并在 DNS 数据库中查找待解析的域名。

• 找到 DNS 记录之后，发送 DNS 回答报文，将该回答报文放入 UDP 报文段中，然后放入 IP 数据报中，通过路由器反向转发回网关路由器，并经过以太网交换机到达主机。

4. HTTP 请求页面

• 有了 HTTP 服务器的 IP 地址之后，主机就能够生成 TCP 套接字，该套接字将用于向 Web 服务器发送 HTTP GET 报文。

• 在生成 TCP 套接字之前，必须先与 HTTP 服务器进行三次握手来建立连接。生成一个具有目的端口 80 的 TCP SYN 报文段，并向 HTTP 服务器发送该报文段。

• HTTP 服务器收到该报文段之后，生成 TCP SYN ACK 报文段，发回给主机。

• 连接建立之后，浏览器生成 HTTP GET 报文，并交付给 HTTP 服务器。

• HTTP 服务器从 TCP 套接字读取 HTTP GET 报文，生成一个 HTTP 响应报文，将 Web 页面内容放入报文主体中，发回给主机。

• 浏览器收到 HTTP 响应报文后，抽取出 Web 页面内容，之后进行渲染，显示 Web 页面。

参考资料

• 计算机网络, 谢希仁
• JamesF.Kurose, KeithW.Ross, 库罗斯, 等. 计算机网络: 自顶向下方法 [M]. 机械工业出版社, 2014.
• W.RichardStevens. TCP/IP 详解. 卷 1, 协议 [M]. 机械工业出版社, 2006.
• Active vs Passive FTP Mode: Which One is More Secure?
• Active and Passive FTP Transfers Defined - KB Article #1138
• Traceroute
• ping
• How DHCP works and DHCP Interview Questions and Answers
• What is process of DORA in DHCP?
• What is DHCP Server ?
• Tackling emissions targets in Tokyo
• What does my ISP know when I use Tor?
• Technology-Computer Networking[1]-Computer Networks and the Internet
• P2P 网络概述.
• Circuit Switching (a) Circuit switching. (b) Packet switching.