网络复习

体系机构

链路层

功能：链路管理；帧同步（定界）；差错控制；透明传输；
组帧：帧头+帧尾（明确帧开始和结束位置；字符填充、比特填充 首尾标记，注意MAC帧无需帧结束符）
差错控制：奇偶校验、循环冗余 （注意这里的差错控制指的是无比特差错，但仍可能发生帧丢失、镇重复、帧失序等传输差错，因特网使用的ip协议是无连接的，传输是不可靠的，但是网络设计本来就是由用户主机来负责数据传输可靠性的，具体解释是依靠传输层的TCP协议实现端到端的可靠传输，例如主机B发现传输数据有差错则通知主机A重新发送相关部分数据）
流量控制与可靠传输：

1. 流量控制：停止-等待；滑动窗口；
2. 可靠传输：滑动窗口（发送方维持发送窗口，代表已发送待确认或待发送的帧；接收方维持接受窗口，表示可接受的帧序列号范围.只有接收窗口向前滑动时发送窗口才可能向前滑动）；
3. 停止-等待：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；发送一帧-等待-确认一帧-发送下一帧
4. 后退N帧：发送窗口>1，接收窗口=1；发送方连续发送n帧-接收方确认前m帧-发送方重发m-n帧；窗口大小W < 2ⁿ -1
5. 选择重传：发送>1，接收>1；传输过程中若中间某帧出错，则接收方暂存其后帧，等待重传该帧，避免全部重传。

局域网与以太网
局域网即小范围内通过传输介质（双绞线、同轴电缆）多台计算机或通信设备组成的互联网络，目前主要是以太网标准。
以太网：采用总线拓扑结构，所有计算机共享一条中线，信息以广播形式传播。采用无连接、不编号、无确认的数据帧传输方式（一般局域网信道质量好）。当数据传输过程中发生碰撞时，提供重传机制。
以太网帧：MAC地址一共48bit（6B，高24厂商代码，低24位网卡序列号）。网卡从网络上收到每一个MAC帧，都先检查帧中MAC地址，匹配则接收该帧。以太网帧可以分为单播帧、组播帧、广播帧。MAC帧最短帧长度为64B，首尾长度为18B，数据部分占46B ~1500B（总线型网络多采用CSMA/CD协议即带冲突检测的载波侦听多路访问协议（先听后发、边听边发、冲突停发，随机重发），协议规定了最短帧长度为64B，小于64B的都是因冲突而异常终止的无效帧）。
设备:

1. 网桥：多个端口，每个端口连接一个网段的局域网。网桥从一个端口收到一帧，先暂存在缓存中（存储转发），如该帧无错误且目的MAC地址属于另一网段（同一网段则丢弃无需转发），则通过查找转发表将该帧从相应端口发出。
2. 透明网桥：利用生成树算法，自动生成没有环路的转发路由。转发路由格式：源MAC地址-进入端口-时间戳。
3. 交换机：多端口网桥，具备自动寻址及交换功能（存储转发或直通），可以隔离冲突域。（e.g. 送信，集线器送给所有人，自行判断是否接收，交换机会学习记录收信人地址）。
4. 网桥一般连接局域网网段，而交换机每个端口一般直接与主机相连。

网络层

功能：①异构网络互连②路由与转发③拥塞控制

1. 互连中继：物理层：中继器或集线器；链路层：网桥或交换机；网络层：路由器；网络层以上：网关。
2. 路由与转发：路由选择：根据路由选择算法确定分组报文盖被传输到哪条路线，生成路由表。
3. 分组转发：根据路由表将数据报从合适路由器端口转发。
4. 拥塞控制：拥塞检测、报告与调整

路由算法

1. 静态路由（手动配置）、动态路由（距离向量路由算法、链路状态算法）
2. 距离路由算法：所有节点定期将整个路由表传送给所有与之直接相邻的节点，路由表中包括每条路径的目的节点及路径跳数，RIP算法。
3. 链路状态算法：每个节点测试定期测试与之直连的节点间的链路，定期将链路信息广播给所有其他节点，其他节点接收所有节点的链路状态信息更新自己的网络拓扑视野图，利用Dijkstra算法计算路由。
4. 路由选择协议分层次：域内路由选择（内部网关协议IGP：RIP、OSPF），域间路由选择（外部网关协议EGP：BGP）

IPv4

1. ip数据报首部是60B，其中21~60B四可选字段和填充，前20B是固定长度，首部长度一定为4B的整数倍。首部重要字段：总长度，占2B16位，即ip数据报最长64KB（MAC帧最长1500B，超出要对数据报分片）；标志：MF：标记该分片是否是最后一个分片。DF：是否允许传输。片偏移：以8B为单位的偏移量。
2. e.g.原数据报总长度3820B，分片长度不超过1420B，则分成3片：1420+1420+1020（1400+1400+1000），MF（1,1,0），DF（0,0,0），片偏移（0，1400/8=175,350）
3. ipv4地址，长度为32位
   1. A类网络地址，前八位为网络号，且第一位为0。1~126
   2. B类网络地址，前16位为网络号，且前两位位10。128.1~191.255
   3. C类网络地址，前24位为网络号，且前三位为110。192.0.1~223.255.255
4. NAT，有些机构不需要连接互联网，只需内部主机通信，避免浪费全球IP资源，规定以下地址为内部专用地址（可重用地址）
   1. 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 （相当于一个A类网络）
   2. 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 （相当于一个B类网络）
   3. 192.168.0.0 · 192.168.255.255（相当于一个C类网络）
   4. NAT协议（NAT路由器至少有一个可用的全球IP）将专用网内部IP地址转化为有效全球IP
5. 子网划分与子网掩码
   1. ip地址={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
   2. ip地址与指望艳母按位与，得到网络地址。
   3. 路由器从分组头部得到目的ip地址，然后①计算与路由器直接相连网络的子网掩码^该ip地址，查看是否与该网络的地址相匹配，匹配则交付，②如果有自定目的ip的特定路由则交给指明的下一跳路由，③对路由表每一行计算网络是否匹配。有默认路由则交给默认路由，无则报告转发分组出错。
6. CIDR 超网，ip={<网络前缀>,<主机号>} / 网络前缀长

协议

1. ARP： ip地址转为MAC地址，每个主机都动态维护AR高速缓存表。ARP请求分组是广播，但是ARP响应是单播。
   1. 当源主机（或路由器）向本局域网的目的主机发送ip分组时，先在本机ARP缓存中查找，有则直接将对应硬件地址填入MAC帧目的mac地址；没有则在局域网内广播，获取目的主机ARP响应，更新ARP缓存。
   2. 如果源主机与目的主机不在同一局域网，则需要通过arp找到位于本局域网上的某个路由器硬件地址，将arp请求发给该路由器让该路由器转发给下一个网络（的路由器），注意目的主机发送ARP响应报文时实际是由目的主机所在局域网路由器发送，即目的MAC地址是路由器的地址。
2. DHCP：DHCP服务器为主机动态分配IP，使用UDP报文传输。
3. ICMP：检测到数据报错误的路由器或主机通过ICMP控制消息告诉发送数据的主机错误类型。（ICMP差错报文：不可达、源站抑制、超时、参数错误、改变路由；ICMP询问报文：回送请求和回答报文、时间戳请求和回答报文、掩码地址请求和回答报文、路由器询问和通告报文）。ping是应用层直接使用网络层ICMP的例子。

设备
路由器：路由选择、分组转发

1. 路由选择算法得到网络拓扑结构，得到路由表；由路由表得到转发表
2. 路由器处理过程：线路上接收分组，①处理物理层数据（比特流）；②处理链路层数据（去掉帧头帧尾），得到IP数据报；③进行网络层数据处理，如果接收的分组时路由器间交换路由信息分组（RIP、OSPF等），则进行路由选择处理；如果得到的是数据分组，则按照分组首部中的目的地址查找转发表，通过交换结构将分组传递至合适的输出端口。 ④从交换结构传过来的分组先进行缓存，链路层模块给分组加上链路层头部和尾部，再交给物理层发送到外部路线。

传输层

功能
网络层提供了ip到ip的传输服务，而且是不可靠的，所以提出传输层。为主机提供应用程序间（进程间）的通信，即端到端通信，且可以提供可靠服务。

1. 提供进程间的逻辑通信服务（无实际物理连接）
2. 差错检验（对收到的报文首部和数据部分都进行差错检验，而网络层只检查IP数据报首部）
3. 提供无连接（UDP）或面向连接（TCP，握手，流量控制，拥塞控制）的服务
4. 复用和分用

寻址与端口
链路层按照MAC地址寻址，网络层按IP寻址，传输层按照端口号寻址。端口可以看做应用层进程的标志。本机端口可以用16位端口号（共65536个端口号）来表示。

1. 熟知端口（保留端口）：0 ~ 1023
2. 登记端口：1024~40151
3. 客户端端口（临时端口）：49152 ~ 65535
   套接字 = (主机IP地址，端口号) ，通过ip地址和端口号唯一确定一个连接，即套接字Socket。

TCP和UDP
udp：传输前无需连接，达到后也无需确认；不可靠；报文头部短（8B），开销小，时延小（网络拥塞不会导致源主机发送速率降低）。
tcp：面向连接，不能广播或多播；可靠交付；报文头部长，开销大。

UDP：

1. 首部：源端口、目的端口、长度、校验和（伪首部、首部和数据，伪首部不发送，只是计算校验和时候用到）。

TCP：

1. 首部：源端口、目的端口、序号seq（报文段序号，以字节为单位，TCP面向字节流）、确认号ack（确认号为N+1，表示前N字节已收到）、数据偏移（首部长度）…、确认比特ACK（当ACK=1时字段有效，一旦TCP连接建立，所有报文该字段都为1）、复位比特RST（置1表示需要重新连接）、同步比特SYN（置1表示是一个请求连接或者接受连接报文，此时报文不能携带数据）、终止比特FIN（置1表示该报文发送端数据发送完毕）、窗口字段（表示接收方还有多少缓存空间，控制对方发送数据量）、校验和（首部和数据）

2. 三次握手：TCP连接的主机端口叫套接字，每一个TCP连接={socket1,socket2}={(ip1:port1),(ip2,port2)}

   1. 客户机A -> 服务器B，发送SYN报文，SYN=1，选择seq=x，表示传输数据时第一个字节序号为x；
   2. B收到A的数据报，同意发送确认报文，同样SYN=1,ACK=1,ack=x+1，自己选择序号seq=y；
   3. A收到确认，也发送确认。ACK=1,seq=x+1,ack=y+1；A通知上层应用进程连接建立，B收到A的确认也通知上层进程连接建立。此后SYN比特置0，报文可以携带数据。

3. 四次握手：传输结束后，任一方可以请求释放连接

   1. 主机A应用进程先发出连接释放报文等待B确认，FIN比特置1，FIN=1,seq=u，注意此时A不能发送数据，但服务器B仍能向A发送数据。
   2. B确认A的释放请求。ACK=1,ack=u+1,seq=v，通知上层应用要断开连接。此时，B不再接收A的数据，但是B仍能发送，A也能接收。
   3. 如果B没有要向A发送的数据，通知上层应用释放连接。FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1；注意这里的w>v表示B仍然发送了w-v字节数据。
   4. A收到B的连接释放请求，也进行确认。ACK=1,ack=w+1,seq=u+1；
   5. 经过time_wait时间，（2MSL（最长报文寿命））后TCP连接真正释放（防止A的确认报文丢失，B没有正常关闭）。

TCP可靠传输

1. 数据编号及确认 + 重传机制（在平均往返时延RTT时间内没有收到确认报文，则对报文进行重传）
2. 流量控制：滑动窗口协议；维持计时器，计时器周期探测接收窗口大小。
3. 拥塞控制：慢开始算法（加倍），拥塞避免算法（超过阈值，每次加1，拥塞阈值变为拥塞窗口大小一半），快重传算法（三次重复确认立即重传），快恢复算法（拥塞时发送窗口大小从新阈值开始）
4. 作用：每个IP数据报独立选择路由，在到达目的主机时可能失序；数据报中的TTL可能中途置0，报文丢弃，需要重传；路由器来不及处理大量数据报，导致部分数据被丢弃，需要重传。

应用层

1. DNS系统：根域名服务器，顶级域名服务器，权限域名服务器，本地域名服务器。DNS协议是应用层协议，主机向本地域名服务器采用递归查询方式查找域名的IP地址（主机询问本地域名服务器，找不到则本地域名服务器向根服务器查询，根服务器告诉本地域名服务器在哪一个顶级域名服务器上查询，顶级上找不到就告诉本地域名服务器到哪个权限域名服务器上查询；也有本地域名服务器递归查询方式）。
2. FTP协议，使用TCP协议进行可靠传输，端口通常为20/21（会有临时端口）。
3. SMTP、POP3 邮件协议。
4. HTTP
   1. 在客户端（如浏览器）和WWW服务器之间进行交互的协议。是面向事务的应用层协议，基于TCP提供可靠传输，服务器默认监听80端口（即在80端口上监听连接请求）。
   2. 分为请求报文、响应报文
   3. 状态码：1xx:临时响应；2xx:响应请求成功；4xx:请求出错；5xx:服务器内部错误；

参考链接：

1. OSI分层协议总结
2. 网络编程详解：分层、协议与实现
3. tcp/ip 协议族
4. 网络协议总结
5. http响应状态码
6. http缓存及CND
7. http代理原理及实现
8. 访问网站域名过程
9. https原理及过程