计算机网络概述
计算机网络就是一些互联的，自治的计算机系统的集合。将一个分散的，具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和传递的系统。
计算机网络按照分布范围可分为
广域网(WAN),覆盖范围：几十千米到更大范围
城域网(MAN),覆盖范围：50~100km,
局域网(LAN),覆盖范围：一个实验室或者一幢大楼。
个人局域网(PAN) 覆盖范围：10m左右。
按网络拓扑结构分为：星形网络，总线型网络，环形网络，网状型网络。网状型没有中线点。
计算机网络的性能标准有下面几种：
1.时延带宽积 = 传播时延 × 信道时延
2.时延：是指数据从网络或链路一端到另外一端所需要的时间有以下几种，
发送时延(传输时延):主机或者路由器发送数据帧所需要的时间
传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所需要的时间
处理时延：主机或路由器在接收到分组时进行处理所需要的时间
排队时延：分组在进入网络传输时，需经过很多路由器，在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
3.吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量
4.信道效率：一个发送周期内，有效地址发送数据所需要的时间占整个发送时间的比率。
5.信道吞吐率 = 信道利用率 × 发送方的发送速率。
计算机网络结构
协议：对等层通信的规则，控制两个对等实体通信 包括3个部分
语义：对构成协议元素的含义的解释，即讲什么。
语法：数据与控制信息的结构或格式，即怎么讲。
同步：规定了事件的执行顺序。
接口：相邻两层交换信息的连接点。从物理层开始，每一层向上一层提供服务访问点，既没有接口就不能提供服务。
服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用。
协议是水平的，服务室水平的。
第n层的实体不仅要使用n-1层提供的服务，实现自己这层的功能，也需要向n+1层提供服务。
分层结构的优点：各层之间相对独立，灵活性好，易于抽象和标准化，
OSI参考模型和TCP/IP参考模型
OSI模型由下至上包括物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层，表示层，会话层。 各层传输的基本单元：
物理层：比特 数据链路层：帧 网络层：分组 传输层：报文
物理层位第一层 数据链路层位第二层，由此往上推。
TCP/IP模型由下至上包括网络接口层，网际层，传输层，应用层，网络接口层对应OSI的物理层和数据链路层，网际层对应网络层，传输层对应传输层，应用层对应会话层，表示层，应用层。
两种体系的比较。
相同点：都采用分层的体系结构，都是基于独立的协议栈的概念。都可以解决异构网络的互联。
不同点：
- OSI精确定义了服务、协议和接口，而TCP/IP则没有
- OSI不偏向任何协议，通用性好，而TCP/IP只适用于TCP/IP的协议栈
- TCP/IP考虑到了多种易购网互联问题，并将网际IP作为一个单独的重要层次，而OSI只考虑用一种标准的公用数据将不同的系统互联
- OSI在网络层支持无连接和面向连接，在传输层仅支持面向连接，而TCP/IP在网际层仅支持无连接，在传输层支持无连接和面向连接
OSI定义的非常全面，就是实现难，所以大家都采用TCP/IP.
网络层
IP协议：是一种无连接的，不可靠的分组传送服务的协议。提供的是一种尽力而为的服务。
无连接：意味着IP协议并不维护IP分组发送后的任何状态信息，每个分组的传输过程都是相互独立的。
不可靠：意味着IP协议不能保证每个IP分组能够正确的，不丢失的和顺序的达到目的主机。
IPV4协议概述
数据报首部包含了如下字段：版本，首部长度，总长度，标识，标志，片移位，首部校验和，生存时间(TTL),协议，源地址，目的地址。
首部大小是60B，其中21~60B是可选字段和填充。
此部分要注意片偏移的计算。
1.首部长度单位是4B，总长度单位是1B，片偏移长度是8B
2.标识代表该分片属于哪个分组，标志有3位，最低位MF = 1表示后面还有分片，MF = 0表示最后一个分片，中间位DF = 0 时才允许分片。
3.片偏移指该分片相对于原分组的相对位置。
IPV4地址分类
IPV4分配在一个全世界范围内唯一的32位的标识符，一般将IPV4地址分为A,B,C,D,E,5类。
A类：网络号为前面8位，并且第一位规定为0.网络地址为全0是一个保留地址。为本网络的意思，例如0.0.0.1表示在网络上主机号为1的主机。A类可以指派的网络号为27 - 2
B类：网络号为前面16位，并且前面2位规定为10。
C类：网络号为前面24位，并且前面3位规定为110。
注意地方：
1.主机号全0表示网络地址。
2.主机号全1表示本网络的广播地址。可当做直接广播地址。将一个分组发送到一个特定网络上的所有主机。
保留地址：
A类为10.X.X.X 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 私有地址在互联网上不使用，只被用在局域网络中的地址。127.X.X.X是保留地址，用作循环测试用的。
B类为172.17.0.0 ~ 172.31.255.255是私有地址。
C类为192.168.0.0 ~ 192.168.255.255是私有地址。
地址范围：
A类：1.0.0.0 ~ 127.0.0.0
B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
子网划分：
划分子网的基本思路：从主机号借用若干个比特位作为子网号，而主机号也就相应减少了几个比特位，网络号不变。
IP地址 = <网络号>,<子网号>,<主机号>
此时便有子网掩码这一概念。A类的子网掩码位255.0.0.0 将子网掩码和IP地址进行与运算便能求出网络号。
CIDR(无类别域间路由)
消除了传统的A类，B类，C类地址以及划分子网的概念
IP地址 = 网络前缀：主机号 例如128.14.32.0/20 表示前面20位为网络前缀。地址主机号是12位。
ARP协议：将IP地址转化为物理地址，即MAC地址的协议。
DHCP协议：动态主机配置协议，提供了即插即用的原则。允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手动配置。
ICMP协议：主机在发送数据报时，经常会由于各种原因而发送错误，如路由拥塞丢弃等，检测出错误的路由器或者主机将一些控制信息告诉发送数据的主机。
发送数据的主机可以根据ICMP报文确定发生错误的类型。分为2种，
ICMP差错报告报文和ICMP查询报文。
差错报告报文有：1.终点不可达 2.源站抑制，3.时间超时，4.参数问题 5.改变路由(重定向)
ICMP询问报文的分类：1.有回送请求和回答报文 2.时间戳请求和回答报文。3.掩码地址请求和回答报文 4.路由器询问和通告报文。
NAT协议：网络地址转换(NAT)是将私有地址转换为公有地址，从而对外部隐藏了内部管理的IP地址。可大大节省IP地址的消耗。
IPV6协议
地址有24个16进制数组成，共128位，常将一个域中连续的0缩写为一个0，当有相继的0值域时，可使用::，来进行进一步的缩写。但这种缩写只能出现一次。例如如下一个典型的IPV6地址：21DA:0000:0000:0000:02AA:000F:FE08:9C5A
路由协议
因特网有两大类路由选择协议：内部网关协议(IGP)和外部网关协议(EGP)
路由信息协议(RIP)是IGP中最先得到应用的，采用距离-向量路由算法，它的主要思想如下：
1.每一个路由器维护他自己到其他每一个网络的距离记录
2.直接相连的网络跳数为1，每经过一个路由器距离加1
3.RIP认为好的路由就是跳数最少的路由，故优先选择跳数少的路由
4.每条路径最多有15个路由器，距离等于16时即代表不可达
5.每三十秒，相邻两个路由器就会把自身所有信息交换一次，以此更新路由信息。显然，当有两个相邻路由器能达到同一目的网络时，本地路由器会选择跳数较小的那一个。这也就导致了RIP中网络故障消息传得慢（快消息传得慢）。
RIP总结如下：
(1)只发给邻居 (2)发自己全部的路由表 (3)定时发送。
好消息传得快，坏消息传的慢
开放最短路径优先协议(OSPF)，采用链路状态路由算法，它的主要思想如下：
1.OSPF向本系统中所有路由器发送信息，这里使用洪范法。
2.发送的信息就是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。“链路状态”是指本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的代价
3.现在每个路由器都知道了其他路由器的相邻路由器，建图
4.采用Dijkstra算法。
5.只有链路状态发生变化时，路由器才使用洪范法向所有路由器发送信息，因此不会出现坏消息传得慢的问题。而在RIP中，不管网络拓扑是否变化，路由器之间都会定期交换信息
OSPF总结如下：
(1)发送给全网络的路由器 (2)发自己和邻居的信息 (3)只有链路状态更新了才发送
边界网关协议(BGP)是不同自制系统之间交换路由信息的协议，属于外部网关协议，主要思想如下：
1.每一个自治系统都要选择至少一个路由器作为该自制系统的BGP发言人。
2.两个BGP发言人之间要交换路由信息就必须建立TCP连接，在此基础之上，建立BGP会话。
3.所有BGP发言人都互相交换网络可达性的信息后，各BGP发言人就找到到达各个自制系统较好的路由。
3种路由协议的比较
| 协议 | RIP | OSPF | BGP |
|---|---|---|---|
| 类型 | 内部 | 内部 | 外部 |
| 路由算法 | 距离-向量 | 链路状态 | 路径-向量 |
| 传递协议 | UDP | IP | TCP |
| 路径选择 | 条数最少 | 代价最低 | 较好，非最佳 |
| 交换节点 | 与本节点相邻的路由器 | 网络中所有的路由器 | 与本节点相邻的路由器 |
| 交换内容 | 本路由器知道的所有信息 | 与本路由器相邻的所有路由器链路状态 | 首次是整个路由表，之后是变化的部分 |
传输层
传输层功能
为两台主机提供了应用进程之间的通信，又称为端到端通信，由于网络层协议是不可靠的，会使分组丢失，失序和重复等，所以派出传输层为数据传输提供可靠的服务。
主要功能如下：
1.提供应用进程间的逻辑通信，(网络层提供主机之间的逻辑通信)
2.差错检测。
3.提供无连接或面向连接的服务。
4.复用和分用。
主要有两种协议 TCP协议和UDP协议。
端口是传输层服务访问点，端口是用来表示应用层的进程。
端口号中0~1023称为熟知端口号，1024~49151称为登记端口号，49152~65535称为临时端口号，通信结束后，这些端口号将不复存在。
常用的端口号有：
| 应用程序 | FTP数据连接 | FTP控制连接 | TELNET | SMTP | DNS | HTTP | TFTP | SNMP | POP3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 熟知端口号 | 20 | 21 | 23 | 25 | 53 | 80 | 69 | 161 | 110 |
套接字 = (主机IP地址，端口号),用于表示和区分一台主机中的不同应用进程。
UDP协议
只在IP的数据报服务上增加端口的功能(为了找到进程)和差错检测的功能。UDP是面向报文的。
UDP首部只有8个字节，包括四个字段：源端口、目的端口、长度、校验和。源端口用于对方回复用，不需要时可以为0。当源主机不需要计算校验和时，令校验和字段为0。
接收方UDP发现收到的目的端口号不正确时，丢弃该报文并由ICMP发送“端口不可达”差错报文给发送方。
UDP校验时要在数据报之前加上12B的伪首部，这个伪首部不向下传送也不向上提交，仅用于计算校验和。UDP校验时把首部和数据部分一起校验
主要特点：
1.传送数据前无需建立连接，数据到达后也无需确认。
2.不可靠交付。
3.报文头部短，传输开销小，时延较短。
TCP协议
TCP是面向字节流的。尽管TCP的交互式一次一个的数据块，但TCP将其仅仅看做一连串无结构的字节流。
TCP报文段首部由20B的固定长度，包括如下字段：源端口号和目的端口号、序号字段、确认号字段、数据偏移、保留字段、确认位ACK、同步位SYN、终止位FIN、窗口字段、校验和。其他还有一些选项、填充字段（目的是使长度为4B的整数倍）。值得注意的地方如下：
1.序号字段表示本报文段发送的数据的第一个字节的序号
2.确认号代表希望下次收到的报文段数据的第一个字节的序号
3.数据偏移指TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远（就是头部的长度）
建立连接需要进行三次握手 如下：
释放连接需要进行四次握手 如下：
需掌握TCP状态机的各种转换
TCP的流量控制
通过滑动窗口机制来实现发送方和接收方的收发平衡，避免发送方发的太快，接收方来不及接收。
TCP拥塞控制：
在某段时间内，若对网络中某种资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能将会变坏-产生拥塞。出现资源拥塞的条件是对资源需求的总和 > 可用资源。
有以下几种算法。
慢开始算法：初始拥塞窗口(cwad)=1，每次收到一个新的报文段确认后，将cwad加1。注意每次收到一个确认后，cwad只会增加1，但是宏观来说，经过一个RTT后，cwad就会变为2倍，也就是2，4，8的增长。
拥塞避免算法：当cwnd达到慢开始门限ssthresh后就开始使用拥塞避免算法。此时每经过一个RTT就让cwad加1。注意当cwad * 2>ssthresh时，下一个cwad应等于ssthresh
网络拥塞处理：每出现一次超时，就让ssthresh等于当前的cwad的一半，然后把cwad置为1，然后执行慢开始算法
快重传：首先要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认，这样做可以让发送方及早知道有报文段没有到达接收方，发送方只要连续收到3个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段。
快恢复：发送发连续收到三个重复的冗余ACK报文时，就让ssthresh等于当前的cwad的一半，然后把cwad设置为ssthresh改变后的值，然后执行拥塞避免算法 。
**发送窗口实际大小 = min(接收窗口(rwad),拥塞窗口(cwad))
运行过程如下所示：
疑问
为何建立连接需要3次握手：为了防止失效的连接请求报文段突然又传送到主机B ，因而产生错误。
失效的连接请求报文指的是：主机A发送的连接请求没有收到主机B的确认，于是经过一段时间后，主机A又重新想主机B发送连接请求，且建立成功，顺序完成数据传输。考虑一种特殊的情况，主机A第一次发送的连接请求没有丢失，而是因为网络节点导致延迟到达主机B，主机B以为是主机A又发起的新连接，于是主机B同意连接，并向主机A发回确认，但是此时主机A根本不会理会，主机B就一直在等待主机A发送数据，导致主机B的资源浪费。
应用层
域名系统(DNS)
DNS系统将域名转化为IP地址或把IP地址转换为域名，采用客户/服务器模型，运行于UDP之上，使用53号端口
域名服务器包括根域名服务器、顶级域名服务器、授权域名服务器和本地域名服务器
域名解析过程包括递归式和非递归式。但不管怎么样，查询顺序总是：本地域名服务器->根域名服务器->顶级域名服务器->权限域名服务器，且总由本地域名服务器将结果返还给主机
迭代查询：根域名服务器收到请求后，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当向哪一个域名服务器进行查询，然后让本地域名服务器进行后续的查询。 如下：
递归查询：指本地域名服务器只向根域名服务器查询一次，后面的几次查询都是在其他几个域名服务器之间进行的。
域名分为顶级域名 国家顶级域名.uk 通用顶级域名.com .net 基础域名服务器
四级域名.三级域名.二级域名.顶级域名
文件传输协议(FTP)
FTP用于文件传送，采用客户/服务器模型，通过两个并行的TCP连接
控制连接：端口21，用于传送FTP控制命令，如连接请求、传送请求、终止请求。他在整个会话期间保持打开状态，在传输文件时也可以使用控制连接。FTP的控制信息也可以称是“带外传送”
数据连接：端口20，用于数据传输
电子邮件(E-mail)
SMTP采用C/S模型，建立在TCP连接上，负责把邮件从用户代理推到服务器，或把邮件从一个服务器推到另一个服务器
POP3采用C/S模型，建立在TCP连接上，负责把邮件从邮件服务器拉到用户代理 接收方使用POP3将邮件从邮件服务器中取出。
由于SMTP只能传送一定长度的ASCII码，故需要使用MIME将非ASCII码和ASCII码之间进行翻译
万维网(www)
WWW是一个资料空间，在这个空间中所有资源都通过唯一的“统一资源定位符(URL)”进行标识
超文本传输协议(HTTP)定义了浏览器怎样向万维网请求万维网文档，以及服务器怎样把文档传送给浏览器。
HTTP是无状态的，同一个客户第二次访问同一个服务器上的页面时，服务器并不会记得这个客户。因此可以使用Cookie加数据库的方式来跟踪用户活动
HTTP本身是无连接的，虽然他使用TCP连接保证可靠性，但通信双方在交换HTTP报文之前不用建立HTTP连接
HTTP可使用非持久连接和持久连接。使用非持久连接时，每个网页元素的传输都要单独建立一个TCP连接。使用持久连接时，万维网服务器在发送响应后仍然保持这条连接，使同一个客户和服务器可以继续在这条连接上传送后续的HTTP请求和响应报文
持久连接又分为非流水线和流水线两种方式。对于非流水线，客户在收到前一个响应后才能发出下一个请求。而在流水线方式下，客户每遇到一个对象引用就立即发出一个请求，那么假如请求和相应都是连续发出的，那么所有引用到的对象共计1个RTT延时
HTTP报文是面向文本的，分为请求报文和响应报文
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