概述

通信方式分类

  • 全双工：数据可以在两个方向上同时传输。比如视频电话，电话。
  • 半双工：数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行，比如对讲机
  • 单工：数据只能朝一个方向传输，比如广播，电视广播

交换方式

电路交换

电话网络使用的交换方式

  • 优点：通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时间内，两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直送，传输速率高。
  • 缺点：建立/释放连接，需要额外的时间开销；线路被通信双方独占，利用率低；线路分配的灵活性差；交换节点不支持差错控制，无法发现传输过程中的发生的数据错误。

因为打长途电话需要占用更多的资源，所以更贵。

报文交换

电报网络使用的交换方式。

使用了存储转发的思想，把传送的数据单元先存储进中间节点，再根据目的地址转发至下一节点。

  • 优点：通信前无需建立连接；数据以报文为单位被交换节点间存储转发；通信线路可以灵活分配；在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路，相比于电路交换，线路利用率高；交换节点支持差错控制(通过校验技术)
  • 缺点：报文不定长，不方便存储转发管理；长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大；长报文容易出错，重传代价高。

分组交换

基于报文交换技术，出现了分组交换技术，把报文拆分成多个分组，出现数据包丢失只需要重发数据包即可，不需要重发整个数据；存储转发也有时延；适用于当前计算机网络。

将不定长的报文拆分成定长的分组，然后再进行传输：

如下图所示，各分组可以选择合适的路线，但是最终都被转发给H5（小美），殊途同归；所有分组到达后，然后就会按照分组号进行拼接。在现代网络中，路由器就是典型的分组交换机，各个分组能被正确转发到对应主机，得益于IP地址。

  • 优点：通信前无需建立连接；数据以分组为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配；在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路，相比于电路交换，线路利用率高。交换节点支持差错控制(通过校验技术)。

    相比于报文交换，分组交换改进了如下问题:

    • 分组定长，方便存储转发管理
    • 分组的存储转发时间开销小、缓存开销小
    • 分组不易出错，重传代价低

  • 缺点：相比于报文交换，控制信息占比增加；相比于电路交换，依然存在存储转发时延；报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序、丢失问题，增加处理的复杂度。

针对分组交换的缺点，人们提取出了一种解决方案：’虚电路交换’，就是在分组交换的基础上，当通信双方需要交换数据的时候，建立一条连接，我们把这条连接叫做虚电路。

编码和调制

我们知道，数据在计算机中的存储形式是二进制（0和1），但当我们想要进行数据传输，却不能直接传输二进制数据，而是需要先把二进制数据转换成可以在信道上传播的信号。可传播的信号可分为数字信号，模拟信号和光信号。

其中把二进制数据转化成数字信号的过程叫做编码，这个过程的逆过程叫做解码

把二进制数据转化成模拟信号的过程叫做调制，这个过程的逆过程叫做解调

我们电脑的网线插口，对应的其实是有线网络适配器，它可以实现编码和解码的功能。

我们日常生活中常见的光猫，其实就是光信号的调制-解调器。

以太网拓扑结构

  • 点到点：最简单的网络拓扑
  • 星型：最常见，所有设备（结点）都连接在一个中心点上，拓展性好，故障隔离；缺点是中心结点压力大，中心结点出问题所有连接的设备都断网（单点故障）
  • 总线型：现在已经不常见，多台设备通过一条线路连接，缺点是两个结点无法同时传输信号，而且总线左右两端要有终端电阻吸收信号，否则信号会反射
  • 环形：实现简单，但是只要一条线路断了多台设备就断网
  • 网状拓扑：每个结点都与其他结点有线路连接（强连通图），优点是一条线路断开影响很小，缺点是结点多了线路连接复杂

计算机网络的主要组成部分

  • 通信子网：是指网络中的通信设施，包括传输介质（如电缆、光纤）、通信设备（如路由器、交换机）
  • 通信协议
  • 主机

osi参考模型

关于osi模型的详细介绍，可以参考前端面试—网络 | 三叶的博客中的osi七层模型部分。

  • 应用层： 通过应用程序使用网络服务，传输的单位是报文，http协议就是应用层的协议
  • 表示层：处理交互数据的表示方法，例如格式转换，数据的加密和解密，以及数据的交换
  • 会话层： 负责维护两个节点之间会话的建立维护和断开；存在检查点机制，当通信失效时候自动在检查点恢复通信
  • 运输层：提供端到端（也叫进程到进程）的数据传输服务。传输的数据单位为报文段，比如tcp协议，它提供了端到端的错误检测、流量控制、拥塞控制和数据包排序等功能。
  • 网络层： 传输的数据单位为分组 ，提供路由选择功能，以分组为单位实现拥塞控制等功能，实现主机到主机的通信
  • 数据链路层：传输的数据单位为帧；在物理层的基础上，提供节点到节点之间的服务，采取差错控制（比如CRC校验码）和流量控制（控制数据帧的发送速率，防止拥塞）的方法实现网络互联。
  • 物理层：单位bit，传输字节流。

物理层

传输介质

  • 有线

    • 双绞线：传输数字信号或者模拟型号
    • 同轴电缆：传输模拟或数字信号
    • 光纤：传输光信号，衰减小、带宽高和抗干扰能力强

  • 无线

    • 无线电波
    • 微波

mac地址

6个字节，48位，标识唯一一台计算机。mac地址也叫做物理地址，网卡的硬件地址，而ip地址被称作逻辑地址。

物理层设备

中继器（repeater）

增强信号，解决信号衰减的问题。

物理层“电气特性”规定0.5~1.5V是低电平，4.5~5.5V是高电平，不符合此标准的信号视为无效；中继器接收到信号后，会将低电平整形为1V(标准的低电平)，将高电平整形为5V(标准的高电平)，然后再输出。

集线器（hub）

解决多台主机互联线路复杂的问题，缺点在于是广播的，不安全。

冲突域

如果两台主机同时发送数据会产生冲突，那么这两台电脑就在同一个冲突域。

如图，把多个集线器通过一个集线器连接到一起，形成了一个更大的冲突域，我们也可以说，集线器不能分割冲突域。

数据链路层

帧在物理链路上传播的时候可能会受外界因素的影响发生比特跳变，即产生了差错。

封装成帧

原始SDU可以理解为分组，透明传输指的是网络层的感受：网络层感受不到分组组装成帧和帧拆分成分组的过程，因为这些工作都是数据链路层完成的。

差错控制

可靠传输

流量控制

控制发送方发送帧的速率别太快，让接收方来得及接收。

滑动窗口机制

下图介绍了流量控制是如何实现的，由此可以看出，滑动窗口和流量控制密不可分。

停止等待协议

数据帧和确认帧必须编号，因为如果接受方接收到帧并发送ack了，但是ack丢失了，发送方就会重复发送一个帧，此时接收方就无法判断这个帧是不是重复的（到底是发送方接收到ack后发送的新的帧，还是未接收到ack重复发送的帧呢？）。

因为在停止等待协议中，发送窗口和接受窗口的大小都是1，所以要满足1+1<=2^n解得n>=1，也就是说，至少使用1bit就能给帧编号。

因为在实际生活中，其实接收方也可能发送数据，所以需要区分帧的类型

  • 发送一帧后，必须收到ack后，才能发送下一个帧

  • 超时重传：发送方每发送一个帧就开启一个计时器，设定一个重传时间，如果发送方超过这个时间没有接收到ack，则重传该帧；重传时间应该比帧的平均传输rtt（平均往返时间）更长。

  • 发送完一个帧必须保存它的副本，确认接收方接收到了再删除。

差错情况

  • 发送方发送的数据帧丢失/数据帧错误：设置的重传时间到后，发送方重新发送帧。
  • 接收方发送的ack丢失：发送方因为在规定时间内没有接收到ack，就会重新发送帧，但是由于接收方已经收到了帧，所以接收方会丢弃收到的重复帧，返回一个ack。
  • ack迟到：发送方因为在规定时间内没有接收到ack，就会重新发送帧，但是由于接收方已经收到了帧，所以接收方会丢弃收到的重复帧，返回一个ack；接收方丢弃重复的ack(因为发送了2个ack)。

后退N帧协议（GBN）

GBN是go back n的意思，意思就是后退n。要注意的是后退N帧指的不是滑动窗口后退，而重新发送n帧。

特点

  • 发送方维持一组允许连续发送的帧的序号；发送完一个数据帧，立马发送发送窗口中的下一个数据帧，就像流水线，效率变高了
  • 发送窗口可以有N个，但是接收窗口只能有一个
  • 不对接收到的每个帧进行确认，而是累积确认。

选择重传协议（SR）

SR(selective repeat)

介质访问控制

CSMA/CD

是什么

是一种介质访问控制（MAC）协议，要求设备先听再说，或者边听边说（检测到别人说就停止说），总之无论就是每时每刻都检查是否有别人在说，如果别人在说（占用了信道），自己就不说或者停止说（停止发送数据）

冲突检测

确保能监听到数据冲突，则要求数据帧的传输时延至少是传播时延的2倍，就是说受到发生碰撞的信号的时候还没说完（类比生活中自己没说完话然后听到了别人的话但是听不清说的是啥）

四大要点

  • 先听再发（检查是否空闲）
  • 边听边发（检查是否有冲突）
  • 冲突停止
  • 延迟后发

物理设备

网桥

  • 两个端口的交换机；
  • 左右2个端口连接集线器，每个集线器连接多台主机；
  • 根据帧的目的地址对帧进行转发和过滤；
  • 网桥表的建立是根据转发的帧的源mac地址

交换机

一般来说，一个交换机确定一个子网；基于全双工的特点，每个接口构成一个冲突域，整个交换机构成一个广播域；交换机学习后可以知道每台主机在哪个端口，可以对数据帧进行精确转发，所以交换机一般不广播，但是不是不能广播。如果没有MAC地址，交换机将无法有效地进行帧的转发，可以理解为交换机只知道端口和MAC地址的对应关系。
接口类型：

  • access
  • trunk

局域网LAN

  • LAN(local area network)，指某一区域内多台计算机组成的计算机组，使用广播信道，一个局域网一般就是，就是一个网段，就是一个广播域。局域网内的通信不一定总是广播，集线器连接多台主机形成的局域网确实是只能广播，但现代局域网通常使用交换机来实现更为高效的点对点通信。
  • 局域网可以分为有线局域网和无线局域网(WLAN)

VLAN 虚拟局域网

被用来划分广播域；VLAN 可以将一个物理网络（一个实际的局域网/广播域）划分为多个逻辑上的广播域(每个VLAN就是一个独立的广播域)，每个 VLAN 内部的设备可以互相通信，但不同 VLAN 之间的设备默认情况下不能直接通信。

实现

  • 基于交换机来说；先创建几个虚拟局域网，然后可以选择把那些接口放在哪个虚拟局域网上；二层交换机只能划分vlan，但是不能实现不同vlan之间的通信，而三层交换机具有二层交换机的功能，并且增加了路由功能，可以在不同的VLAN之间进行路由，实现不同VLAN之间的通信。

    创建vlan

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    //首先，在交换机上定义所需的VLAN。每个VLAN都有一个唯一的标识符（VLAN ID），并且可以有一个描述性的名称。
    Switch(config)# vlan 10
    Switch(config-vlan)# name Sales
    Switch(config-vlan)# exit

    Switch(config)# vlan 20
    Switch(config-vlan)# name Engineering
    Switch(config-vlan)# exit

    分配接口到VLAN

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    //对于Access端口，直接将端口分配给特定的VLAN。
    witch(config)# interface GigabitEthernet0/1
    Switch(config-if)# switchport mode access
    Switch(config-if)# switchport access vlan 10
    //对于Trunk端口，允许它通过多个VLAN的数据
    Switch(config)# interface GigabitEthernet0/24
    Switch(config-if)# switchport mode trunk
    Switch(config-if)# switchport trunk allowed vlan add 10,20

  • 路由器：除了使用VLAN划分广播域，路由器也可以划分广播域，路由器天然地分隔了不同的IP子网，因此也分隔了广播域。每一个接口通常代表了一个独立的子网，路由器不会转发广播包从一个接口到另一个接口。

我们总结一下，有哪些设备可以划分广播域

arp地址解析协议

是一种用于将网络层的IP地址解析为数据链路层的MAC地址的协议（ip->mac），ARP一般用于局域网（LAN）中，记录私有ip地址和mac地址的映射关系。因为ip地址无法在数据链路层工作。

工作流程

当一台主机要与某个ip地址对应的主机通信的时候，首先检查自己的arp缓存表，查看是否有该ip地址对应的mac地址。

如果没有则广播arp请求到本地网络上的所有主机，这个请求包括了源mac，源ip和目标ip；如果收到该请求的主机发现自己的ip和请求的目标ip匹配，就把自己的mac地址发送给目标主机（单播）

目标主机得知该ip地址的mac地址后，就把这个地址封装到帧中并传输。

网络层

路由器

内部网关协议

  • RIP（路由信息协议）
    • 跳数（hop）
      • 该协议使用跳数来衡量与目标网络的距离，路由器到直连网络的距离为1；到非直连网络的距离为经过的路由器数加+1
      • rip只允许一条路径上的最大跳数为15，16就等于不可达，也就是最多包含15个路由器，因此rip只适用小型互联网
    • 工作原理
      • 认为跳数少的路由路径就是好的路由路径
      • 如果跳数相同，则可以进行等价负载均衡
      • 只和相邻路由器周期性交换信息（路由表）
    • 工作过程
      • 起初只知道和直连网络的的距离为1
      • 和相邻路由器周期性交换信息（路由表）
      • 若干次交换后就知道到达本格网络的最短跳数和地址（收敛）
    • 路由环路问题：因为更新路由表的时候只关心相邻路由器能否达到某个网络，距离是不是更短，不关心相邻网络是如何到达该网络的。
  • OSPF(开放最短路径优先)
    • 使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息，即路出器通过输出端口向所有相邻路由器发送信息，每一个相邻路由器又再次将此信息发往其所有的相邻路由器（广播）最终整个区域内所有路由器都得到了这个信息的一个副本。
    • 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态（与哪些路由器相连、以及该链路的代价，距离、时延、带宽等)。
    • 只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。最后，所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图。

外部网关协议

  • BGP(border gateway protocol)：边界网关协议
    • BGP只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻找一条最佳路由，因为不同自治系统内部度量代价的方式可能不同，而且自治系统之间的路由选择还要考虑政治经济等因素
    • 在配置BGP时，每个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“BGP发言人”，不同自治系统的BGP发言人要交换路由信息，首先必须建立TCP连接

作用

  • 划分广播域；
  • 划分不同的网段，在不同网段之间传输数据。

ip+端口

ip地址

标识唯一一台计算机的网络地址
组成

  • 网络号+主机号；具体那部分是主机号那部分是网络号，由子网掩码指明；
  • 主机号部分不能全为0，也不能全为1；网段号的主机号部分全为0，广播号的主机部分全为1
  • 0.0.0.0 是一个特殊的 IP 地址，就相当于一个通配符（*），匹配所有的ip地址，不能直接对这个ip地址发请求，向任意ip地址发请求都相当于对这个ip地址发请求
  • 127.0.0.1等于localhost，是一个回环地址，访问这个地址就是访问本机，专门用来测试，ping这个地址不进行任何网络传输

私有ip/公有ip

  • 对于ipv4，能表示的ip地址只有42亿多个，不满足全世界人的对互联网的使用，所以出现了私有ip地址，私有ip地址不在公共网络上注册，仅用于内部。
  • 路由器内部的DHCP会自动为设备分配私有ip地址，而公有ip地址由运营商分配。

公有ip地址分类

常用的可以分为A类，B类，C类，网络号别为前8，16，24位。

如果给出子网掩码，我们当然能迅速的判断出ip的类型，但是如果只给出ip地址，其实我们也能判断出来。

A类ip地址第一位必须是0，B类ip地址前2位必须是10，C类ip地址前3位必须是110

私有ip地址分类

私有ip地址也可分为A,B,C三类

  • A类：10.0.0.0—10.255.255.255/8
  • B类：172.16.0.0—172.31.255.255/16
  • C类：192.168.0.0—192.168.255.255/24（最常使用）

这些ip地址只能用于局域网内的结点，不能分配给互联网上的结点。

NAT（network address translation）地址转换

  • 设备访问互联网时，路由器会把私有ip地址转换成共有ip地址，还会把公有ip地址转化成私有ip地址，这地址转换的功能内置在路由器中
  • 多台电脑公用一个ip那如何区分各台电脑？使用端口映射，路由器会使用一个公网IP地址加上不同的端口号来标识不同的内部主机
    ，比如192.168.1.2:1234 -> 203.0.113.5:10001记录在NAT表中。

端口号

操作系统借助端口号来区分数据应该发送到哪个应用或者哪个进程。

为各种公共服务保留的端口范围1 -1023，比如http默认占用80端口，https默认占用443端口，dns默认占用53端口。

所谓的默认端口，就是这些请求（http/https请求，dns请求)的目标端口号，服务器端的Web服务进程监听此端口，准备接收来自任意客户端的请求；客户端则通过操作系统分配的一个临时端口(源端口)与服务器通信。

为什么ip地址和mac地址缺一不可

  • mac地址标识唯一一台计算机，不适合大规模通信。起初人们只用mac地址通信，但后来接入网络的设备多了地址表会很长，而且mac地址不包含位置信息，所以改用ip地址通信；路由器只需要记住哪个端口对应哪个网段，而每个网段会有多台设备，具体哪个ip地址对应那台主机由交换机记录。
  • 为什么还需要mac地址？当多台主机通过交换机相连，交换机和路由器相连，外网发送给某台主机的信息首先会被路由器转发到交换机上，交换机根据数据帧的目标MAC地址将数据帧发送到目标主机（交换机的转发需要mac地址，交换机地址表）。
  • ip地址可以理解为家庭住址，而mac地址就可以理解为住户的姓名，邮递员根据ip地址把包裹交给门卫（具体哪台交换机），门卫再根据mac地址把包裹交给住户，1个公有ip地址（一个小区）可以对应多个私有ip地址（多名住户），也就对应多个mac地址，所以说，mac地址实现了信息通信的”最后1公里”。

传输层

tcp

传输控制协议，面向连接（虚连接，这个连接是全双工的），面向字节流，提供可靠服务；

可靠传输

收到确认报文后，就能在缓存中删除报文段321。

冗余ACK(冗余确认)

要是等到超时的时候再重传，未免效率较低，有没有一种方法，能在超时事件发生之前，就提醒发送端重传报文段呢?

每当比期望序号大的失序报文段到达时，发送一个冗余ACK，指明下一个期待字节的序号
比如，发送方已发送1，2，3，4，5报文段
接收方收到1，返回给1的确认(确认号为报文段2的第一个字节，表示期望收到第二个报文段)，2号报文段丢失。
接收方收到3，仍返回给1的确认(确认号为报文段2的第一个字节)
接收方收到4，仍返回给1的确认(确认号为报文段2的第一个字节)
接收方收到5，仍返回给1的确认(确认号为报文段2的第一个字节)
发送方收到3个对于报文段1的冗余ACK，认为2报文段丢失，重传2号报文段（快速重传）

流量控制

让发送方发慢一点，否则接收方来不及接收。

在tcp协议中，发送端不会等待上个报文段的ack，就发送其他报文段，并且使用累计确认的方式；

接收方把收到的报文段存储在tcp缓存中，交付给应用层则移除，所以发送方发送的速率不能过快，因为应用层处理报文段的速度有限而且缓存大小有限，发送方发送的速率过快就会丢包。

三次握手 四次挥手

三次握手

  • A:我要和你建立连接了，发送 SYN包
  • B:我准备好了，你来和我建立连接吧，返回SYN包+ACK包
  • A:我现在就来和你建立连接，发送ACK包

四次挥手

  • A:我要和你断开连接了,发送FIN包

  • B:我把数据传输完了和你断开连接，发送ACK包

  • B:我数据传输完了，返送FIN+ACK包，可以断开连接了，发送的seq=w而不是v+1，因为再发送ACK包之后还可能发送其他数据。

    而ack还是等于u+1，因为客户端在发送FIN请求后没有发送其他数据。

  • A:好我们断开连接吧，发送ACK包，然后进入等待，确保服务端接收到ACK连接，否则服务端的连接始终不会关闭

tcp字段

控制字段

  • SYN,ACK
    在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1。因此，SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。 TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1
  • FIN
    用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接

udp

UDP(User Datagram Protocol)，用户数据报协议。

  • 无连接，没有拥塞控，尽最大努力交付（丢包就丢了吧）;
  • 面向数据报，即对应用层交下来的 报文，不合并，不拆分，只是在其上面加上首部后就交给了下面的网络层。
  • 开销较小，传输效率较高，可用于广播多播。

区别与联系

  • 添加端口号

    都是工作在传输层的协议，都能给报文添加端口号（源端口，目标端口），把报文封装成段。

  • 首部开销

    TCP报文段首部内容更多，首部更大，UDP报文段首部开销小。

  • 报文分段

    如果报文很大，TCP会将报文分段，并给这些报文段编号。而UDP则始终把应用层的报文当做一个整体，不进行分片，直接封装。

  • 连接建立

    TCP是面向连接的，即发送数据之前需要建立连接，保证数据可靠性，而UDP是无连接的，直接发送数据，不保证数据可靠性。

  • 流量与拥塞控制

    TCP具有流量控制和拥塞控制，而UDP没有。

应用层

文件传输协议（FTP）

FTP（File Transfer Protoco）

需要建立两个TCP连接：

  • 文件服务器21端口与客户端的任意一个端口建立一个连接，叫做控制连接，用来传输控制数据；
  • 文件服务器20端口与客户端的任意一个端口建立一个连接，叫做数据连接，用来传输文件；
  • 传输的方式：ASCII，二进制

DNS

基于UDP，占用53端口，关于DNS的详细介绍参考前端面试—网络 | 三叶的博客

SMTP/POP3

邮件协议，第一个是用于发送的协议，第二个是用于接收的协议

http协议

HTTP（非加密）：默认端口号为 80；HTTPS（加密）：默认端口号为 443。是无状态的协议，基于tcp连接

关于http的详细介绍参考前端面试—网络 | 三叶的博客

C/S模型和P2P模型

  • C/S模型：客户端/服务器模型，客户端指的是请求服务的主机，服务器指的是提供服务的主机
  • P2P模型：每台主机同时是客户端也是服务器，充分利用了主机的上行，下行带宽，比如迅雷。