网络技术与应用 总结

零、概述

• OSI参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层
• TCP/IP模型：物理层、网络接口层，互联网络层，传输层，应用层

一、物理层

• 以电压的高低和灯光的闪灭代表0和1，规定连接器和网线的规格
• 集线器：工作于物理层和数据链路层的介质访问控制（MAC）子层；共享介质；采用广播方式发送；冲突检测，载波监听，多路访问。

二、数据链路层

• 作用：互连设备之间传送和识别数据帧
• 相关技术：MAC地址，共享介质型网络，非共享介质型网络，根据MAC地址转发，环路检测技术，VLAN
• 以太网是众多数据链路中最著名、最广泛的一种
  • 以太网交换机：（相当于持有多个端口的网桥）根据数据链路层中每个 帧的目的MAC地址，决定从哪个网络接口发送数据；所参考的、用以 记录发送接口的表叫作转发表（自动生成）。
  • 帧格式：（8字节前导码）+6字节 目的MAC+源MAC+2字节 上层协议类型+46~1500字节 数据+4字节 FCS 帧检验序列
• 其余数据链路：无线通信、PPP。。。

三、网络层

• 作用：在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务→ 地址管理和路由选择

• IP协议（internet protocol 网际协议）

  • 是一种无连接、不可靠的IP分组的交付服务，
  • IP地址

    • 分类：A类 0开头；B类 10开头；C类110 开头； D类 1110开头，多播地址；E类 11110 开头，保留为今后使用

      
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    • 网络号字段 + 主机号字段
    • 子网编址→使得多个物理网络可以共用一个网络前缀→IP = 【网络号， 子网号，主机号】→子网掩码，网络号和子网号部分全1→广播地址，主机号部分全1
    • 无分类编址CIDR，其网络前缀等同于子网划分中的网络号和子网号
  • IP数据报格式
    • 首部（20字节）+数据部分
    • 版本0.5+首部长度0.5+服务类型1+总长度2+标识2+标志，片偏移2+生存时间1+协议1+首部校验和2+源地址4+目的地址4
    • 生存时间TTL，单位是跳，标识IP数据报在网络中剩余的寿命；协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程，ICMP IGMP TCP UDP OSPF；
    • 只校验首部，而不校验数据部分
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  • IP数据报分片和重组
    • 原因：不同网络MTU不同
    • 路由器负责分片，目的主机负责重组
    • 标识：源主机赋予数据报的唯一标识符；标志：标志是否允许分片以及是否是最后一个分片；片偏移，以8字节位单位
    • 分片原则：分片个数越少越好，且是8字节的整数倍（最后一个分片不足8字节的部分补0）。
  • 地址解析协议ARP
    • 作用：为网络层IP地址和数据链路层MAC地址提供动态映射
    • 使用广播方式获得物理地址
    • 使用ARP高速缓存，具有20分钟生存周期
    • ARP获得的是IP数据报传送到目的主机过程中下一跳上路由器的MAC地址
  • 因特网控制报文协议ICMP
  • 虚拟专用网

• 路由器

  • 一个路由器至少应当有两个不同的IP地址
  • 包括路由选择部分和分组转发部分
  • 若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则未处理的分组存入缓存→输入或者输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因
  • 转发原则
    • 同一网络：直接交付，不使用路由器；间接交付，使用路由器，根据路由表转发。
    • 路由表：（目的网络地址，子网掩码，下一跳路由器IP地址（如果是直接交付，则可以用横杠表示），接口）
    • 特定主机路由：掩码255.255.255.255；默认路由：掩膜0.0.0.0
    • 最长前最匹配
  • 私有地址：只能用于专用互联网内部通信的IP地址空间：10/8、 172.16/12、 192.168/16

四、传输层

• 作用：管理两个网络节点之间的数据传输

• 端口：

  • 作用
  • 五元组：源IP，目的IP，协议号，源端口号，目的端口号，
  • 端口号由其使用的传输层协议决定→不同的传输协议可以使用相同的端口号；如，TCP与UDP使用同一个端口号，但使用目的各不相同→数据到达IP层后，会先检查IP首部中的协议号，再传给相应协议的模块做端口号的处理。→知名端口号与协议无关

• TCP：

  • 面向连接的、可靠的流协议→用于有必要实现可靠传输的情况

  • 是什么：TCP是传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

  • 应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分组成适当长度的报文段（通常收改计算机连接的网络的数据链路层的MTU的限制），之后TCP把结果包传给IP层，有它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP层为了保证不丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。

  • 报文格式：2源端口+2目的端口+4序号+4确认号+2 数据偏移、保留、偏置+2窗口+2校验和+2紧急指针

    
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    • 序列号：表示发端到收端发送的数据字节流，表示在这个报文段中的第一个数据字节在数据流中的序号
    • 确认号：发送确认的一段所期望收到的下一个序号，因此确认序号应当是上次已成功收到的数据字节序号加1，不过只有当标志位ACK置1时，确认号字段才有效
    • 偏移：首部中32bit字的数目→占4bit→首部最长4*15=60字节
    • 标志位：URG，表明报文中包含紧急数据；ACK，确认号有效；PSH，数据报到达收端立即交给应用程序，而不是在缓冲区排队；SYN，同步号，建立连接用；FIN，发端已经达到数据末尾，数据传输完成。
    • 窗口：滑动窗口，用于流量控制？？

  • 连接管理

    • 三次握手：
      • 发端发送连接请求报文段，SYN=1，ACK=0，seq=x；
      • 收端收到SYN报文段，发送SYN+ACK报文段，SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1；
      • 发端发送ACK报文段，SYN=0，ACK=1，ack=y+1
    • 数据传输阶段：
      • 发端：SYN=0，ACK=1，seq=x+1，ack=y+1
      • 收端：SYN=0，ACK=1，ack=x+1
    • 四次挥手：
      • 主机1请求关闭，主机1向主机2发送FIN报文段，设置seq_1和ack_1，
      • 主机2确认请求，主机2收到FIN报文段，发回一个ack报文段
        ack_2=seq_1+1，
      • 主机2请求关闭，主机2想主机1发送FIN报文段，seq_2 = y，

      • 主机1向主机2发送确认报文段，主机2收到主机1确认报文段后关闭连接；主机1等待2MSL（最大报文段生成时间）后没收到回复，则证明主机2已经正常关闭，主机1关闭连接。

        
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  • 为何进行三次握手，不是两次握手？

    • 为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端→架设client发送的第一个请求连接报文段并没有丢失，而是在某个网络节点长时间滞留，连接释放后某个时间才到达server；server在收到此请求后，误认为是新请求，发回确认报文段，如果不是三次握手，此时连接已经建立，server会一直等待client发来数据，造成server资源的浪费。

  • 为何进行四次挥手？

    • TCP是全双工模式，当主机1发出FIN报文段时，只是表示主机1已经没有数据要发送，但是主机1还可以接受来自主机2的数据→主机2发回ACK报文表示已经知道主机1没数据发送；当主机2也发送FIN报文段，表示主机2也没数据发送，主机1才能关闭连接。
      • 状态变化：FIN_WAIT_1→主动关闭连接，等待对方回应；FIN_WAIT_2，半连接状态；TIME_WAIT，收到对方的FIN报文，并发送出ACK报文，等待2MSL后即可进入关闭状态；CLOSE_WAIT,收到并确认对方关闭请求后，等待自己数据传送完毕；LAST_ACK，等待对方确认报文，一旦收到确认报文即可关闭

• UDP：

  • 不具有可靠性的数据包协议，细微的处理会交给上层的应用去完成→用于对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信
  • UDP是什么，UDP是用户数据报协议，它不提供复杂的控制机制，提供面向无连接的通信服务。

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五、路由控制协议

• 外部网关协议EGP
  • 边界网关协议 BGP
• 内部网关协议IGP
  • 路由信息协议 RIP
  • 开放式最短路径优先 OSPF
• 路由算法
  • 距离向量算法：根据距离和方向决定目标网络或目的主机位置
    • 优点：处理简单
    • 缺点：只有距离和方向信息，当网络构造复杂时，获得稳定路由信息前需要消耗一定时间；容易发生路由循环；每个路由器持有信息不同，无法判断信息正确与否
  • 链路状态算法：路由器在了解网络整体连接状态的基础上生成路由控制表
    • 优点：所有路由器持有相同信息，便于检验；即使网络结构复杂，每个路由器也能保持正确信息
    • 缺点：获取路由信息表需要高速CPU处理能力和大量内存。
• RIP
  • 基于距离向量算法决定路径，距离的单位为 跳数