4.计算机网络基础

1.网络互联模型

• 计算机之前通信涉及的问题很多，如系统是异构的，硬件设备不同，计算机之间使用的网络不同。
• 实际使用最多的是四层的 TCP/IP 协议，被视为简化的七层 OSI 协议。

• 每一层都会完成相应的工作。每一层都会为上一层提供服务。
• 物理层：没有什么协议，都是一些串口，如 USB 接口、带阵脚的接口。
• 数据链路层：把物理层传输的数据打包，称为帧。IEEE 802（局域网协议）、HDLC / PPP（点对点传输协议）、ATM（异步传输协议）。可以对数据做校验，把错误的数据丢掉，无差错传输。
• 网络层：选择一条合适的路由。网络节点的转发。主机到主机。最主要的是 IP 协议。
• 传输层：应用程序和应用程序之间连接。最主要的是 TCP、UDP 协议。
• 会话层：应用程序和应用程序之间通信。RPC、SQL。
• 表示层：信息表示成应用层能看的懂的。
• 应用层：最主要的是 HTTP 协议。

2.常见网络协议

（1）应用层协议：FTP、HFTP、HTTP

（2）传输层协议：TCP、UDP

三次握手、四次挥手（重要）

https://mp.weixin.qq.com/s/nZbSuGygZlT3Mvzt5aQhag

TCP 和 UDP 区别

（1）连接

• TCP 是面向连接的传输层协议，传输数据前先要建立连接。
• UDP 是不需要连接，即刻传输数据。

（2）服务对象

• TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点。
• UDP 支持一对一、一对多、多对多的交互通信

（3）可靠性

• TCP 是可靠交付数据的，数据可以无差错、不丢失、不重复、按需到达。
• UDP 是尽最大努力交付，不保证可靠交付数据。

（4）拥塞控制、流量控制

• TCP 有拥塞控制和流量控制机制，保证数据传输的安全性。
• UDP 则没有，即使网络非常拥堵了，也不会影响 UDP 的发送速率。

（5）首部开销

• TCP 首部长度较长，会有一定的开销，首部在没有使用「选项」字段时是 20 个字节，如果使用了「选项」字段则会变长的。
• UDP 首部只有 8 个字节，并且是固定不变的，开销较小。

（6）TCP 和 UDP 应用场景

• 由于 TCP 是面向连接，能保证数据的可靠性交付，因此经常用于：
  • FTP 文件传输
  • HTTP / HTTPS
• 由于 UDP 面向无连接，它可以随时发送数据，再加上UDP本身的处理既简单又高效，因此经常用于：
  • 包总量较少的通信，如 DNS 、SNMP 等
  • 视频、音频等多媒体通信
  • 广播通信

（3）网络层协议：IP

3.IP地址及其表示方法

• IPV4（点分十进制） 地址已经耗尽，现在使用 IPV6 地址。
• A类：**政府机关。**规定网络号占 8 位，以 0 开头。网络号的范围从 0 ~ 127。其中 0 代表任何地址，127 为回环测试地址，因此，网络号的范围从 1 ~ 126。
• B 类：**大中型企业。**规定网络号占 16 位，以 1 0 开头。网络号的范围从 128 ~ 191。
• C 类：**个人使用。**规定网络号占 24 位，以 1 1 0 开头。网络号的范围从 192 ~ 223。
• D 类：组播。
• E 类：保留实验。
• 补充：
  • 为什么要设定私有地址？
  • IPv4私有地址

4.子网与子网掩码

（1）子网

• 申请了一个 B 类地址，主机数用不完，但是申请一个 C 类地址又不方便之后的扩充，于是就造成了IP地址的浪费。
• 子网划分简单来说就是把一个两级IP地址划变为三级地址，相当于从原来的主机号中借用若干个位作为子网号。

• 如何来划分子网，划分子网后数据报 又是怎么路由的呢？
  • 如下图所示，一个B类网络被划分了三个子网，每个子网此时其实已经处于不同网段了。子网划分是一个单位内部的事情，对外仍是一个二级IP地址。
  • 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网，最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。

（2）子网掩码

• 划分子网时需要注意：
  • 子网的划分并没有改变原来的网络号，只是将主机号部分再划分。因此，单看一个IP地址是无法判断该地址是否进行了子网划分的。
  • 子网号能否为全 0 和全 1 需要根据题目来判断，因为对分类IP地址进行划分时，子网号不能为全0或全1 ，但CIDR可以。
  • 无论是 IPv4 地址还是 CIDR，主机号都不能全为0（全0表示子网网络号）或全为1（全1位广播地址）。
  • 只通过一个IP地址根本不知道它的网络号是什么，同一个IP地址都有可能表示的是不同的网络。这时，就需要子网掩码了。
• 子网掩码的划分规则如下：
  • 子网掩码长度：32位
  • 某位=1：IP地址中对应的网络号或子网号
  • 某位=0：IP地址中对应位为主机号
• 掩码的作用就是用来告诉电脑把“大网”划分为多少个“小网”。掩码是用来确定子网数目的依据。
  
• 将 IP 地址与子网掩码做“与运算”得到子网的网络号。
• 比较两个 IP 地址是否在同一个网段，就是看网络位是否相同。

（3）典型真题：判断 IP 是否在相同网段

• 179 转为二进制：1 0 1 1 0 0 1 1
• 177 转为二进制：1 0 1 1 0 0 0 1

• 网络号是 20 位。32 个子网需要 5 位。一共需要 25 位。前三个字节都是 1，即 255，最后一个字节的第一位是 1，即 128。
• 主机数占 7 位，一共 128 个，去掉全 0 和 全 1，还剩 126个。

• 原地址网络号为 20 位。C 类子网网络号为 24 位。多出 4 位 可组成 16 个子网。
• 子网地址范围：192 ~ 207。
  

5.IPV4数据报

（1）数据报结构

• 到了网络层，除了数据部分以外，还会加上很多控制信息（IP 数据报的首部部分）。
• 版本：二进制的 4。
• 首部长度：占 4 位，可以表示 15 个单位，一个单位 4 字节。最大 60 字节。
• 区分服务：希望当前的数据报被优先处理。不是必须的。
• 总长度：占 16 位。最大 65535 字节。超过大小需要拆分。
• 生存时间：每通过就减一，到 0 时会被丢掉。
• 协议：上层协议的名称。
• 首部校验和：只校验首部，不校验数据。是不可靠的。

（2）典型真题：数据报结构

（3）网关

• 网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器。默认网关在网络层上以实现网络互连，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。网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。
• 网关实质上是一个网络通向其他网络的 IP 地址。比如有网络 A 和网络 B，网络 A 的 IP 地址范围为“192.168.1.1-192. 168.1.254”，子网掩码为 255.255.255.0；网络 B 的 IP 地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”，子网掩码为 255.255.255.0。
• 在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行 TCP / IP 通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP / IP 协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）判定两个网络中的主机处在不同的网络里。而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。如果网络 A 中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络 B 的网关，网络 B 的网关再转发给网络 B 的某个主机。所以说，只有设置好网关的 IP 地址，TCP / IP 协议才能实现不同网络之间的相互通信。那么这个 IP 地址是哪台机器的 IP 地址呢？网关的 IP 地址是具有路由功能的设备的 IP 地址，具有路由功能的设备有路由器、启用了路由协议的服务器（实质上相当于一台路由器）、代理服务器（也相当于一台路由器）。

（4）广播地址(Broadcast Address)

• 广播地址（Broadcast Address）是专门用于同时向网络中所有工作站进行发送的一个地址。
• 在使用 TCP / IP 协议的网络中，主机标识段 host ID 为全 1 的 IP 地址为广播地址，广播的分组传送给 host ID 段所涉及的所有计算机。例如，对于 10.1.1.0 （255.255.255.0 ）网段，其广播地址为10.1.1.255 （255 即为 2 进制的 11111111 ），当发出一个目的地址为 10.1.1.255 的分组（封包）时，它将被分发给该网段上的所有计算机。

6.IPv6

（1）IPv6 地址结构

• IPv6地址：128 位。16 位为一段，共 8 段。

（2）IPv4 / IPv6 过渡技术

（3）IPv6 数据报

• 流量分类：相当于 IPv4 中服务类型字段。
• 跳数限制：相当于 IPv4 中的生存时间。

7.TCP与UDP

（1）TCP 协议

• 数据已发送并受到确认后，窗口会向右移。

（2）TCP 协议报头

• 端口号：标识同一台计算机不同的应用进程。TCP 报头中的源端口号和目的端口号同 IP 数据报中的源 IP 与目的 IP 唯一确定一条 TCP 连接。
  • 源端口：源端口和 IP 地址的作用是标识报文的返回地址。
  • 目的端口：端口指明接收方计算机上的应用程序接口。
• 序号和确认号：是 TCP 可靠传输的关键部分。序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在 TCP 传送的流中，每一个字节一个序号。
• 数据偏移／首部长度：4bits。由于首部可能含有可选项内容，因此 TCP 报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为 20 字节，4 位首部长度字段所能表示的最大值为 1111，转化为 10 进制为 15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为 60 字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。
• 保留：为将来定义新的用途保留，现在一般置 0。
• 控制位：URG ACK PSH RST SYN FIN，共 6 个，每一个标志位表示一个控制功能。
  • URG：紧急指针标志，为 1 时表示紧急指针有效，为 0 则忽略紧急指针。
  • ACK：确认序号标志，为 1 时表示确认号有效，为 0 表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段。
  • PSH：push 标志，为 1 表示是带有 push 标志的数据，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队。
  • RST：重置连接标志，用于重置由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。或者用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
  • SYN：同步序号，用于建立连接过程，在连接请求中，SYN=1 和 ACK=0 表示该数据段没有使用捎带的确认域，而连接应答捎带一个确认，即 SYN=1 和 ACK=1。
  • FIN：finish 标志，用于释放连接，为 1 时表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。
• 窗口：滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小时一个 16bit 字段，因而窗口大小最大为 65535。
• 校验和：奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
• 紧急指针：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
• 选项和填充：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为 MSS(Maximum Segment Size)，每个连接方通常都在通信的第一个报文段(为建立连接而设置 SYN 标志为 1 的那个段)中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是 32 位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证 TCP 头是 32 的整数倍。
• 数据部分： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

（3）UDP 协议

（4）UDP 协议报头

• 校验和可以为 0。如果校验，只校验头部。
  

8.网络设计

• 接入层：每个部门接入交换机、路由器。
• 汇聚层：可有可无。看网络有多大。
• 核心层：连着网关。
• 出口层：连着 ISP。

（1）接入层

（2）汇聚层

（3）核心层

（4）典型真题：网络分层设计模型

9.综合布线系统

（1）六个子系统

（2）典型真题：综合布线系统

10.域名和地址

（1）访问 IPv4 与 IPv6 的区别

• 在 IPv4 网络上，可以使用以下格式访问网络资源：http://192.168.1.21/webpage
• IPv6 地址包含一个冒号作为分隔符，因此必须用方括号括起来：http://[2031:0:130F::9C0:6A:130B]:8080/index/html

（2）域名系统

（3）域名服务器

• 主域名服务器：本区域域名解析。
• 辅助域名服务器：备份。
• 缓存域名服务器：减少反复查询。
• 转发域名服务器：本地查不到时负责转发。

（4）域名查询

• 域名解析过程主要有两种方式：递归查询和迭代查询。

递归查询

1. 当浏览器需要知道域名所对应的 IP 地址时，那么它会向本地域名服务器进行查询。
2. 如果本地主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名的 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（即替主机继续查询），而不是让主机自己进行下一步的查询。
3. 在这种情况下，本地域名服务器只需向根域名服务器查询一次，后面的几次查询都是递归在其他几个域名服务器之间进行的（也就是根域名以 DNS 客户的身份，向顶级域名服务器继续发出查询请求报文；顶级域名服务以此类推）。
4. 然后，本地域名服务器从根域名服务器得到了所需的IP地址，最后本地域名服务器将查询结果告诉主机 m.xyz.com。

迭代查询

1. 当根域名服务器收到本地域名服务器发出的迭代查询请求报文时，要么给出所要查询的IP地址，要么告诉本地域名服务器“你下一步应该向哪一个顶级域名服务器进行查询”。
2. 然后让本地域名服务器向这个顶级域名服务器进行后续的查询。同样，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向哪一个权限域名服务器查询。
3. 然后让本地域名服务器向这个权限域名服务器进行后续的查询。最后，知道所要解析的域名的 IP 地址后，把这个结果返回给发起查询的主机。
4. 本地域名服务器将查询结果保存到本地缓存，同时返回给客户机。

（5）网络互连与常用设备

网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门
https://zhuanlan.zhihu.com/p/37606319

（6）网络存储技术

（7）网络系统建设

（8）典型真题：域名查询