计算机网络知识点总结

写在前面

本文仅作学习记录,并不详尽,已经尽可能保证知识的正确性,请各位评论区斧正
后面有机会会继续补充~

我们学习计算机网络是很有结构的,基本上是分层之后各层作用及完成各层功能的硬件及协议.
所以首先了解什么是分层,如何分层,其次了解什么是协议,再了解各层功能及支持功能实现的协议

1.网络为什么要分层及分层的优缺

1)为什么要分层

在计算机网络中
协议是水平的，通常控制两个对等实体的通信规则。
服务是垂直的，层与层之间，是服务与被服务的关系；每一层使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，然后向上一层提供服务。
下层对上层是透明的上下层通过接口交互，下层具体是怎么实现的，上层并不关心

2）分层的优缺

优：计算机网络的功能十分的复杂,各层分工使可以厘清网络功能，便于更新和维护,且有利于标准化.
缺：效率低

2.什么是协议

定义了两个或多个通信实体之间交换的报文格式和顺序,以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作

3.经典分层及各层作用及其协议

应用层
功能:网络程序及协议留存之地
主要协议：FTP、HTTP、DNS、SMTP、POP3
传输层
功能：端与端数据传输
主要协议：TCP、UDP
网络层
功能：端系统间的数据透明传送
主要协议：IP、ICMP、ARP
数据链路层
功能：物理寻址、数据成帧、流量控制
主要协议：P2P、异步传输
物理层
功能：为数据端设备提供传送数据通路、传输数据

3.传输层的多路复用与多路分解

首先,了解概念套接字(socket)
套接字概念:传输层间连接的端点
套接字与端口号之间的关系:
端口号(Port)用于标识网络进程,一个进程可有多个端口号
套接字=IP+端口号(用于表示唯一进程)
下面分别解释多路复用与多路分解的概念
多路复用:从源主机不同socket中收集数据块,封装首部信息,生成报文段传递到网络层的工作
多路分解:将传输层报文段数据放置到正确套接字的工作

4.应用层的HTTP协议（超文本传输协议 HyperText Transfer Protocol）

客户端与服务器端确保信息正确传递的协议，承载于TCP协议之上，默认的端口号为80
关于HTTP的非持续连接与持续连接
非持续连接：请求、响应单独经一个TCP连接发送
持续连接：多个请求、响应经同一个TCP连接发送
HTTP请求头与响应码（常见）
请求头
Get 向服务器取数据
Post 向服务器传数据
响应码
403——禁止访问
500——内部服务器错误

5.应用层Cookie

产生理由：HTTP是无状态的
作用：用于浏览器端存储一段时间内的用户访问信息，便于下次连接时的身份识别

CS与P2P架构

CS:Client/Server,客户—服务器(分客户与服务程序)
P2P:Peer to Peer，对等方式（任两结点之间可以相互通信）

传输层的UDP与TCP

TCP：提供可靠的服务（无差错，不丢失，不重复）
UDP：是尽力而为的（不保证可靠交付）
UDP这么不靠谱要它干啥？
UDP具有实时性，对资源要求少，很多可以容忍丢失但要求实时性的应用很需要UDP。
TCP确保可靠性，提高性能的具体做法
仅作个人记录，具体内容请参考其他博客
1）保证可靠性的机制
1.ACK
2.超时重传
3.流量控制
4.拥塞控制
2）提高性能
1.滑动窗口
2.快速重传
TCP的三次握手与四次挥手
三次握手（客户端、服务器连接的建立）
1）首先客户端向服务器端发送一段TCP报文（第一次）
2）服务器端接收到来自客户端的TCP报文之后，结束LISTEN阶段。并返回一段TCP报文（第二次）
3）客户端接收到来自服务器端的确认收到数据的TCP报文之后，明确了从客户端到服务器的数据传输是正常的，结束SYN-SENT阶段。并返回最后一段TCP报文（第三次）
这就是“三次握手”的过程。
一个栗子（计科人的礼貌~）：
把客户端比作学生，服务器比作老师。
（1）当学生要与老师取得联系时，要先询问老师当下是否方便~
（2）老师收到询问后，回复：方便，你说~然后等学生的阐述
（3）学生收到回复之后，阐述具体请求
为什么要三次握手
防止服务器端开启一些无用的连接增加服务器开销
防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。
四次挥手（客户端、服务器连接的解除）
1）首先客户端想要释放连接，向服务器端发送一段TCP报文，表示“请求释放连接“
2）服务器端接收到从客户端发出的TCP报文之后，确认了客户端想要释放连接，随后服务器端结束ESTABLISHED阶段，进入CLOSE-WAIT阶段（半关闭状态）并返回一段TCP报文
3）服务器端自从发出ACK确认报文之后，经过CLOSED-WAIT阶段，做好了释放服务器端到客户端方向上的连接准备，再次向客户端发出一段TCP报文
4）客户端收到从服务器端发出的TCP报文，确认了服务器端已做好释放连接的准备，结束FIN-WAIT-2阶段，进入TIME-WAIT阶段，并向服务器端发送一段报文，客户端等待一段时间之后，结束TIME-WAIT阶段，进入CLOSED阶段，由此完成“四次挥手”。
一个栗子（计科人的礼貌~）：
把客户端比作学生，服务器比作老师。
1）学生把事情说完了，决定和老师告别，于是：老师，我讲完了~（第一次）
2）老师收到消息后，知道了学生讲完了，于是：嗯，我捋捋。学生看到之后，等老师一段时间看看有没有忘掉的事情~（第二次）
3）过了一会儿，老师说：没啥事儿了，你走吧！（第三次）
4）学生收到老师回复之后，再次回复老师：好的，老师再见~（第四次）（PS：如果和他人聊天，结束聊天的一方应该是自己，尤其是长辈或者受尊敬的人）

应用层的电子邮件系统

要素组成：系统由用户代理、邮件服务器、邮件传输协议三部分组成
工作模式：C/S
常见的邮件传输协议：
SMTP：简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol），用于从源地址到目的地址传输邮件的规范，通过它来控制邮件的中转方式。SMTP 协议属于 TCP/IP 协议簇，它帮助每台计算机在发送或中转信件时找到下一个目的地
**POP3：**邮局协议的第3个版本（Post Office Protocol 3），它规定怎样将个人计算机连接到Internet的邮件服务器和下载电子邮件的电子协议。它是因特网电子邮件的第一个离线协议标准,POP3允许用户从服务器上把邮件存储到本地主机（即自己的计算机）上,同时删除保存在邮件服务器上的邮件。

应用层的DNS协议

作用：将便于人们使用的机器名字转换为IP地址，运行于UDP之上，采用的端口号是53
分布方式：中心分布与分层分布的特点
中心分布：访问一个DNS，容易单点故障，对通信容量要求高，维护成本很高
分层分布：权威DNS服务器——>顶级域DNS服务器——>根DNS服务器
这样做可以：
避免所有用户访问同一个DNS，降低负荷
便于分区域进行管理，同时分区域也减少了路径，有利于提升用户访问的速度
减少攻击针对性，减轻故障发生时的影响
DNS查询方式
递归查询：向本地服务器发起查询
迭代查询：一直顺层次查到底为迭代查询（亲力亲为）

网络层—网际协议IP

Internet Protocol（网际互连协议）的缩写，用于解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通，另外分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系。
IP协议的配套协议：
1）地址解析协议ARP
ARP协议用于在已知主机IP地址的情况下，寻找主机的MAC地址
MAC地址（）
2）网际控制报文协议ICMP
用于差错控制，包括差错报告报文，询问报文
3）网际组管理协议IGMP（Internet Group Management Protocol）
主机与本地路由器之间使用IGMP来进行组播组成员信息的交互
IP地址与IP地址的划分
IP地址与MAC地址的区别？
MAC地址是物理地址，地理上唯一表示这台主机的，被数据链路层和物理层所使用。IP地址是网络上唯一识别这台主机的，被网络层及以上识别使用，是一种逻辑地址
地址分类：
IP地址根据网络号和主机号来分，分为A、B、C三类及特殊地址D、E。 全0和全1的都保留不用。
A类：(1.0.0.0-126.0.0.0)（默认子网掩码：255.0.0.0或 0xFF000000）第一个字节为网络号，后三个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“0”，所以地址的网络号取值于1~126之间。一般用于大型网络。
B类：(128.0.0.0-191.255.0.0)（默认子网掩码：255.255.0.0或0xFFFF0000）前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“10”，所以地址的网络号取值于128~191之间。一般用于中等规模网络。
C类：(192.0.0.0-223.255.255.0)（子网掩码：255.255.255.0或 0xFFFFFF00）前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“110”，所以地址的网络号取值于192~223之间。一般用于小型网络。
D类：是多播地址。该类IP地址的最前面为“1110”，所以地址的网络号取值于224~239之间。一般用于多路广播用户[1] 。
E类：是保留地址。该类IP地址的最前面为“1111”，所以地址的网络号取值于240~255之间。
构造超网：
为什么有超网？
在地址分类的方法里面，不管哪一类地址，网络号和主机号所占的长度都是固定不变的，只要你确定了这个网络号，那就是固定长度的，这样用起来就很不灵活，而且也直接导致了IP地址资源的浪费
什么是超网
消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，因而能更加有效地分配IPv4的地址空间，并且在新的IPv6使用之前容许互联网的规模继续增长。CIDR把32位的IP地址划分为前后两个部分。前面部分是“网络前缀”，用来指明网络，后面部分则用来指明主机。因此CIDR使IP地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址，但这已是无分类的两级编址
IP 地址由网络号和主机号组成。

交换机与路由器的比较

处于的层数：
路由器 工作在第三层（网络层）
交换机工作在第二层（链路层）
主要工作：
路由器：寻址，转发（依靠 IP 地址）
交换机：过滤，转发（依靠 MAC 地址）

路由器内有一份路由表，里面有它的寻址信息（就像是一张地图），它收到网络层的数据报后，会根据路由表和选路算法将数据报转发到下一站（可能是路由器、交换机、目的主机）

交换机内有一张MAC表，里面存放着和它相连的所有设备的MAC地址，它会根据收到的数据帧的首部信息内的目的MAC地址在自己的表中查找
交换机与路由器的联系：
每一个路由器与其之下连接的设备，其实构成一个局域网
交换机工作在路由器之下，就是也就是交换机工作在局域网内
交换机用于局域网内网的数据转发
路由器用于连接局域网和外网

多路访问问题

ALOHA
传输之前不侦听，一旦两帧同时试图占用信道，则全会发生冲突，两帧均被破坏
载波侦听多路协议（Carrier Sense Multiple Access Protocols（CSMA））
1）持续：发现空闲闭发送（持续监听信道）
2）非持续:先侦听信息，若信道忙，则等待随机时间后，再次侦听信道
3）分时隙：先侦听，若信道空闲，以概率P发送，或以1-P概率推迟至下个时隙
带冲突检测的CSMA：需要对信道进行竞争

路由

路由信息分全局信息和分散信息
全局信息：所有路由器都要掌握完整的拓扑结构与链路费用
分散信息：路由器仅掌握物理上相连邻居及链路的费用，邻居间通过信息交换，迭代运算来获得路径
路由算法
1.链路状态（LS）路由算法：
核心思想： 掌握全局信息，核心为迪杰斯特拉算法
2.距离向量（DV）路由算法
核心思想：掌握分散信息，每个节点不定时将自身的距离向量估算值发送给邻居，邻居收到后，根据动态规划方程进行向量估计
路由选择协议：
RIP协议：基于距离向量算法，实际中较少使用。使用简单的度量：通往目的站点所需经过的链路数。取值为1~15,数值16表示无穷大。
OSPF协议：基于迪杰斯特拉算法，全称为Open Shortest Path First，即开放的最短路径优先协议，而最短路径优先（SPF）只是OSPF的核心思想