计算机网络模型

OSI 七层模型

  1. 物理层

    • 传输单位：比特 Bit
    • 功能作用：确定与传输媒介的接口的一些特性，电气，机械，功能，规程特性
    • 设备：中继器，集线器
    • 协议：RJ45等

  2. 数据链路层

    • 数据链路层可以划分为：逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层
    • 传输单位：帧 Frame
    • 功能作用：
      • 链路管理：链路的建立、维持和释放
      • 帧同步：确定帧的开始与结束
      • 流量控制：点对点的，即链路层的相邻设备，采用滑动窗口机制
      • 差错控制：将有差错的物理线路改进为对网络层来说无差错的数据链路，采用奇偶校检码和循环冗余编码（CRC）
      • 透明传输：使得不论什么样的比特组合都可以在数据链路层传输
      • 物理寻址：向每个帧的头部加入了源MAC地址和目的MAC地址
      • 访问控制：当单个线路被多个设备共享时，数据链路层的MAC子层用于帮助确定哪个设备在给定时间控制信道
    • 设备：网桥，交换机
    • 协议：HDLC协议，PPP协议，ARP

  3. 网络层

    • 传输单位：数据包（分组） Packet
    • 功能作用：
      • 路由转发：确定哪条路由适合从源到目的地
      • 逻辑寻址：向数据包头部加入了目的IP地址和源IP地址
    • 设备：路由器
    • 协议：IP，ICMP，IGMP，RIP，OSPF，BGP，RARP

  4. 传输层

    • 传输单位：数据报（报文）Segments
    • 功能作用：
      • 提供面向连接的TCP和无连接的UDP

  5. 会话层

    • 主要为两个会话层实体进行会话，而进行的对话连接的管理服务。提供的服务可使应用建立和维持会话，并能使会话获得同步。会话层使用校验点，可使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信。这种能力对于传送大的文件极为重要。
    • 功能作用：对话管理，数据流同步和重新同步

  6. 表示层

    • 处理两个应用实体之间进行数据交换的语法问题，解决数据交换中存在的语法不一致以及数据表示方法不同等问题
    • 功能作用：数据编码的转换，数据加密与解密，数据压缩与恢复

  7. 应用层

    • 直接提供文件传输，电子邮件，网页浏览等服务给用户。
    • 协议：FTP，SMTP，POP3，HTTP，SSH，DNS

TCP/IP模型

  1. 网络接口层
  2. 网际层
  3. 传输层
  4. 应用层

路由算法

内部网关协议 IGP

用于自治系统内部的路由协议

RIP协议

特点

  • 基于Bellman-Ford（距离矢量）算法
  • RIP使用跳数来衡量距离，每一条链路的成本为1，不考虑带宽，时延等因素
  • 跳数为16，表示该网络不可达
  • 使用UDP报文进行路由信息的交换
  • RIP路由协议用“更新（UNPDATES）”和“请求（REQUESTS）”这两种分组来传输信息
  • 每隔30秒向相邻路由器发送一次更新信息，若180秒内未收到某邻居发送的报文，则将该路由置为不可达，若300秒内未接收到，则将其从路由表中删除
  • 更新信息反映了该路由器所有的路由选择信息数据库，路由选择信息数据库的每个条目由“局域网上能达到的IP地址”和“与该网络的距离”两部分组成
  • 请求信息用于寻找网络上能发出RIP报文的其他设备

慢收敛问题

任何距离向量路由选择协议（如RIP）都有一个问题，路由器不知道网络的全局情况，路由器必须依靠相邻路由器来获取网络的可达信息。由于路由选择更新信息在网络上传播慢，距离向量路由选择算法有一个慢收敛问题，这个问题将导致不一致性产生。

更新算法

假设路由器A，收到了其邻居路由器B发来的更新信息

  • 首先对更新信息中的所有距离加1
  • 若A中的路由表没有该网络的路由信息，则加入该网络，下一跳设置为B
  • 若A中路由表存在该网络，且下一跳为B，则更新该网络的距离
  • 若A中路由表存在该网络，下一跳不为B，且其距离小于当前距离，则更新下一跳为B，更新距离
  • 若A中路由表存在该网络，下一跳不为B，且其距离不小于当前距离，则不更新
  • 对于A中路由表存在的网络，但是更新信息中没有的网络，则不更新

OSPF协议

开放最短路径优先（OSPF）是链路状态路由协议，使用Dijkstra算法找到源路由器和目的地路由器之间的最佳路径。链路状态路由协议是使用触发更新的概念的协议。即，如果在学习的路由表中观察到变化，则触发更新，而不像距离矢量路由协议在一段时间内交换。

特点

  • 与大多数路由协议不同（参考BGP和RIP的工作过程），本协议不依赖于传输层协议（如TCP、UDP）提供数据传输、错误检测与恢复服务，数据包直接封装在IP协议（协议号89）内传输
  • 使用Dijkstra算法计算出到达每一网络的最短路径

外部网关协议 EGP

用于自治系统间接口上的路由协议

BGP协议

BGP用于在不同的自治系统（AS）之间交换路由信息，运行在TCP协议之上。当两个AS需要交换路由信息时，每个AS都必须指定一个运行BGP的节点，来代表AS与其他的AS交换路由信息。这个节点可以是一个主机。但通常是路由器来执行BGP。两个AS中利用BGP交换信息的路由器也被称为边界网关（Border Gateway）或边界路由器（Border Router）。

TCP协议

特点

  • TCP是面向连接的，在传输数据之前必须先建立连接，传输完毕后释放连接
  • TCP只支持点对点通信
  • TCP提供可靠交付，保证数据无差错，不丢失，无重复，有序到达
  • TCP提供全双工通信，双方都可以发送和接收数据
  • 面向字节流

TCP可靠传输

差错控制：

  • 校验和：每个TCP报文段都包括检验和字段，校验和用来检查报文段是否出现传输错误，如果报文段出现传输错误，TCP检查出错就丢弃该报文段

编号与确认

  • TCP为报文编号，以实现报文的有序接收
  • 接收端检查报文是否出错，发现出错时就丢弃，不发确认；而发送端通过检查接收端的确认，判断发送的报文段是否已经正确到达目的地

超时重传

  • 发送端根据发出的报文段在规定的时间内是否收到确认，从而来判断该报文段是否丢失或传输出错。超过一定时间未收到确认，则重新发送该报文段

TCP流量控制与拥塞控制

滑动窗口：

  • 停止等待协议：发送窗口swnd=1，接收窗口rwnd=1
    • 发送方每发送一个报文，则直到接收到接收方的确认报文才发送下一个报文
  • 后退N协议：发送窗口swnd>1，接受窗口rwnd=1
    • 发送方可以连续发送发送窗口内的报文，每当接收到一个错误帧，则需要重传该帧及之后的所有帧
  • 选择重传协议：发送窗口swnd>1，接收窗口rwnd>1
    • 只重传错误帧即可

慢启动与拥塞避免

慢启动算法

  • 初始时，设置拥塞窗口cwnd=1，表示可以传输一个最大的报文段MSS的数据，设置慢启动门限初值ssthresh
  • 当cwnd < ssthresh 时，每收到新报文的ACK，则拥塞窗口cwnd++，因此每过一个RTT，则cwnd*2，呈指数增长
  • 当cwnd >= ssthresh 时，改用拥塞避免算法

拥塞避免算法

  • 当 cwdn >= ssthresh 时，每过一个RTT，拥塞窗口cwnd++

超时重传（拥塞发生）

  • 将ssthresh置为拥塞发生时拥塞窗口cwnd大小的一半
  • 拥塞窗口cwnd大小置为1，改用慢启动算法

快重传与快恢复

快重传

  • 每当发送端接收到三个重复确认帧时，则直接开启重传，而不等待RTO超时

快恢复

  • 重新将慢开始门限ssthresh设置为拥塞窗口cwnd的一半
  • 将拥塞窗口cwnd设置为ssthresh，然后采用拥塞避免算法

流量控制和拥塞控制的区别：

  • 流量控制是针对点对点的通信量的控制，是端到端的问题。流量控制所作的就是控制发送端的发送速率，以使得接收端能够接收。
  • 而拥塞控制是止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。

TCP连接管理

TCP的建立过程

  • 首先client发送连接请求，发送TCP报文，其中SYN=1， seq=x，然后clien进入SYN_SEND状态
  • server接收到连接请求，发送TCP报文，进行确认，其中SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1，然后server进入SYN_RCVD状态
  • clieten收到server发送过来的报文后，进行确认，其中ACK=1，seq=x+1，ack=y+1，然后client进入ESTABLISHED状态
  • server接收到该报文后也进入ESTABLISHED状态

TCP释放连接过程

  • A发送断开连接请求，发送TCP报文，其中FIN=1，seq=x，然后A进入FIN_WAIT_1状态
  • B接收到A发送过来的断开请求后，发送TCP报文，其中ACK=1，seq=y,ack=x+1，然后B进入CLOSE_WAIT状态，此时B仍然可以向A发送数据。
  • A接收到B的确认后，进入FIN_WAIT_2状态，A仍可接收数据
  • B数据发送完毕后，发送断开连接请求，发送TCP报文，其中FIN=1，seq=y'，然后B进入LAST_ACK状态
  • A接收到B的断连请求后，发送确认包，其中ACK=1，ack=y'+1，然后A进入TIME_WAIT状态，然后B接收到该确认包后关闭连接，进入CLOSED状态
  • A在等待一定时间（两个最大段生命周期 2MSL）后，进入CLOSED状态

为何是三次握手？

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，因而产生错误。这个问题的本质是, 信道不可靠, 但是通信双发需要就某个问题达成一致。而要解决这个问题, 无论你在消息中包含什么信息，三次通信是理论上的最小值。所以三次握手不是TCP本身的要求, 而是为了满足“在不可靠信道上可靠地传输信息”这一需求所导致的。

为何四次挥手？

因此TCP是全双工通信的，需要双方分别断开连接。第一次挥手表示A数据发送完毕，请求断开连接；第二次挥手表示B同意A断开连接，B仍可向A发送数据，A仍可接收B发送的数据；第三次挥手表示B数据发送完毕，请求断开连接；第四次挥手表示A同意B断开连接。然后A在等待两个最大生命周期后，连接中断，以防B未接收到A发送的确认。

为何TIME_WAIR等待2MSL？

  • 为了保证客户端发送的最后一个 ACK 报文能够到达服务端。若未成功到达，则服务端超时重传 FIN+ACK 报文段，客户端再重传 ACK，并重新计时。
  • 防止已失效的连接请求报文段出现在本连接中。TIME_WAIT 持续 2MSL 可使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，这样可使下次连接中不会出现旧的连接报文段。

UDP协议

特点

  • UDP是无连接的，因此减少了开销和发送数据的时延
  • UDP尽最大努力交付，不保证可靠交付
  • UDP是面向报文的，发送方的UDP对应用程序交下来的报文在添加首部后就向下交付给IP层，对交下来的报文既不合并也不拆分
  • UDP没有拥塞控制，保证了实时性
  • 支持一对一，一对多，多对多的通信
  • UDP首部只有8个字节，开销小
  • UDP将安全和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度得到了保证。
  • 应用：RIP协议，DNS协议，DHCP协议以及广泛应用在多媒体应用中

UDP分组结构

  • 每个UDP报文分UDP报头和UDP数据区两部分
  • UDP报头包括4个字段：来源端口号，目的端口号，报文长度，校验和
  • 每个字段占用2个字节（即16个二进制位）
  • 数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。

DNS

DNS协议就是用来将域名解析到IP地址的一种协议，也可以将IP地址转换为域名。DNS是在名字服务器层次结构中实现的分布式数据库。它是用于客户端和服务器之间的消息交换的应用层协议。DNS协议基于UDP和TCP协议的，端口号53，用户到服务器采用UDP，DNS服务器通信采用TCP。

DNS域名结构

  • 通用域名：.com，.org，.net
  • 国家域名：.cn，.us
  • 反向域名：IP到域名的映射

DNS域名服务器

  • 根域名服务器

  • 顶级域名服务器 负责管理所有的二级域名

  • 权限域名服务器

  • 本地域名服务器

地址解析

递归查询

  • 当客户机提出查询请求时，首先在本地计算机的缓存中查找，如果在本地无法查询信息，则将查询请求发给本地DNS服务器
  • 当本地DNS服务器接到查询后，首先在该服务器管理的区域的记录中查找，如果找到该记录，则进行此记录进行解析，如果没有区域信息可以满足查询要求，服务器在本地缓存中查找
  • 如果本地服务器不能在本地找到客户机查询的信息，将客户机请求发送到根域名DNS服务器
  • 根名称服务器包含关于顶级域的至少一个服务器的信息。然后将查询发送到相应的顶级域服务器
  • 如果顶级域名服务器包含映射，则将响应将发送回根服务器，然后发送回主机的本地服务器
  • 若顶级域域名服务器不包含映射，则应包含目的主机的本地DNS服务器的IP地址
  • 目的主机的本地DNS服务器知道目的主机的IP地址，然后将发送回顶级域名服务器，然后发送给根域名服务器，然后发送到主机的本地域名服务器，最后到主机

迭代查询

  • 当客户机提出查询请求时，首先在本地计算机的缓存中查找，如果在本地无法查询信息，则将查询请求发给本地DNS服务器
  • 当本地DNS服务器接到查询后，首先在该服务器管理的区域的记录中查找，如果找到该记录，则进行此记录进行解析，如果没有区域信息可以满足查询要求，服务器在本地缓存中查找
  • 如果本地服务器不能在本地找到客户机查询的信息，将客户机请求发送到根域名DNS服务器
  • 根域DNS服务器将顶级域名服务器发送给本地DNS服务器
  • 然后本地DNS服务器向顶级域名服务器查询，顶级域名服务器将目的主机的IP地址或者目的主机的本地DNS服务器发送给本地DNS服务器
  • 本地DNS服务器向目的主机的本地DNS服务器查询，得到目的主机的IP地址

HTTP/HTTPS

两者的不同

HTTP HTTPS
地址 http:// https://
端口 80 443
安全性 不安全 安全
加密 未加密，明文传输 加密
证书 不需要 需要

短连接/长连接

HTTP的长连接和短连接本质上是TCP长连接和短连接。

短连接

在HTTP/1.0中，默认使用的是短连接。也就是说，浏览器和服务器每进行一次HTTP操作，就建立一次连接，但任务结束就中断连接。如果客户端浏览器访问的某个HTML或其他类型的 Web页中包含有其他的Web资源，如JavaScript文件、图像文件、CSS文件等；当浏览器每遇到这样一个Web资源，就会建立一个HTTP会话。

长连接

从 HTTP/1.1起，默认使用长连接，用以保持连接特性。使用长连接的HTTP协议，会在响应头有加入以下代码：

Connection: keep-alive

在使用长连接的情况下，当一个网页打开完成后，客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的TCP连接不会关闭，如果客户端再次访问这个服务器上的网页，会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接，它有一个保持时间。

HTTP 请求

请求类型 描述
GET 请求指定的页面信息，并返回实体主体
HEAD 类似于get请求，只不过返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头
PUT 向指定资源位置上传其最新内容
POST 向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改
DELETE 请求服务器删除指定的资源
CONNECT HTTP/1.1协议中预留给能够将连接改为管道方式的代理服务器
OPTIONS 允许客户端查看服务器的性能
TRACE 回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断

HTTP状态码

状态码 描述
200 请求成功
301 资源被永久转移到其他url
404 请求的资源不存在
500 内部服务器错误

HTTPS 通信过程

HTTPS为了兼顾安全与效率，同时使用了对称加密和非对称加密。数据是被对称加密传输的，对称加密过程需要客户端的一个密钥，为了确保能把该密钥安全传输到服务器端，采用非对称加密对该密钥进行加密传输，总的来说，对数据进行对称加密，对称加密所要使用的密钥通过非对称加密传输。

HTTPS在传输的过程中会涉及到三个密钥：

  • 服务器端的公钥和私钥，用来进行非对称加密
  • 客户端生成的随机密钥，用来进行对称加密

一个HTTPS请求实际上包含了两次HTTP传输，可以细分为以下几步：

  • 客户端向服务器发起HTTPS请求，连接到服务器的443端口
  • 服务器端有一个密钥对，即公钥和私钥，是用来进行非对称加密使用的，服务器端保存着私钥，服务器将自己的公钥发送给客户端
  • 客户端收到服务器端的公钥之后，验证服务器发送的数字证书的合法性。若合格，那么客户端会生成一个随机值，这个随机值就是用于进行对称加密的密钥，我们将该密钥称之为client key，即客户端密钥。然后用服务器的公钥对客户端密钥进行非对称加密，这样客户端密钥就变成密文了，至此，HTTPS中的第一次HTTP请求结束
  • 客户端会发起HTTPS中的第二个HTTP请求，将加密之后的客户端密钥发送给服务器
  • 服务器接收到客户端发来的密文之后，会用自己的私钥对其进行非对称解密，解密之后的明文就是客户端密钥，然后用客户端密钥对数据进行对称加密
  • 服务器将加密后的密文发送给客户端
  • 客户端收到服务器发送来的密文，用客户端密钥对其进行对称解密，得到服务器发送的数据

常见问题

比较IPv4和IPv6

IPv4 IPv6
地址长度 32位 128位
地址配置 手动，DHCP 自动，重新编号
地址空间 小 大
安全性 依赖于应用层 内置安全功能IPSEC
地址表示 十进制 16进制
数据包流标识 不可用 可用的，并在标头中使用流标签字段
校验和 可用 不可用
加密和身份验证 不提供 提供

请解释主机A是如何向主机B发送一条消息的

当主机A与主机B在同一个子网中

  • 构造目的地址为B的IP数据包
  • 根据主机A上的路由表内容，发现目的主机B位于相同子网
  • 查询本地ARP缓存，解析目的MAC地址
  • 若不存在，则发送ARP请求帧广播，网络中每一台主机收到后比对本机MAC地址，若不匹配则丢弃该ARP请求
  • 目的主机B将主机A的IP与MAC映射关系写入ARP缓存，发送向A主机ARP回复消息
  • 当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存

  • 将主机B的MAC地址写入数据帧头部，发送该数据帧

    主机A与主机B不在同一个子网中

  • 构造目的地址为B的IP数据包

  • 根据主机A上的路由表内容对该IP数据包进行路由选择：路由选择算法，路由表

  • 将路由的MAC地址封装到数据帧中发送出去

  • 路由器接收到该数据帧，发现帧中的目的MAC地址与路由器接收端MAC地址相同，则解封装，上传到网络层

  • 路由器找到数据包的目的IP地址，并查询路由表，然后将发送到下一个路由

  • 类似地，直至到达目的主机所在子网，目的主机发现数据帧中的目的MAC与本机网卡MAC地址相同，拆除数据帧封装，上传到网络层

  • 网络层比较数据包中的目的IP，然后拆除网络成封装，上传到传输层，确认，排序， 重组，然后上交到应用层

当在浏览器中输入一个url时发生了什么？请逐步地，尽可能详细的描述。

客户端构建并发送请求

  1. 应用层域名解析：通过负责域名解析的DNS服务获取网址的IP地址
  2. 应用层生成HTTP请求报文
  3. 传输层建立TCP连接，DNS使用UDP协议，HTTP使用TCP协议
  4. 网络层通过IP协议，OSPF协议进行路由选择
  5. 数据链路层实现网络相邻结点间可靠的数据通信
  6. 物理层将数据链路层的帧转换成二进制比特流，在物理媒介上进行传输

网络传输

传输要经过各种网络设备，交换机，路由器等。

交换机

交换机是数据链路层设备，比特流到达交换机，交换机除了对比特流进行放大外，还根据源MAC地址进行学习，根据目的MAC地址进行转发。交换机根据数据帧中的目的MAC地址査询MAC地址表，把比特流从对应的端口发送出去

路由器

  • 路由器收到比特流，转换成帧上传到数据链路层，
  • 路由器比较数据帧的目的MAC地址，如果有与路由器接收端口相同的MAC地址，则路由器的数据链路层把数据帧进行解封装，然后上传到路由器的网络层
  • 路由器找到数据包的目的IP地址，并查询路由表，将数据从入端口转发到出端口。
  • 接着在网络层重新封装成数据包packet，下沉到数据链路层重新封装成帧frame，下沉到物理层，转换成二进制比特流，发送出去

服务端处理请求返回

  • 服务器接收到这个比特流，把比特流转换成帧格式，上传到数据链路层
  • 服务器发现数据帧中的目的MAC地址与本网卡的MAC地址相同，服务器拆除数据链路层的封装后，把数据包上传到网络层
  • 服务器的网络层比较数据包中的目的IP地址，发现与本机的IP地址相同，服务器拆除网络层的封装后，把数据分段上传到传输层
  • 传输层对数据分段进行确认、排序、重组，确保数据传输的可靠性
  • 数据最后被传到服务器的应用层

浏览器渲染

  • 客户机接受到二进制比特流之后，把比特流转换成帧格式，上传到数据链路层
  • 客户机发现数据帧中的目的MAC地址与本网卡的MAC地址相同，拆除数据链路层的封装后，把数据包上传到网络层
  • 网络层比较数据包中的目的IP地址，发现与本机的IP地址相同，拆除网络层的封装后，把数据分段上传到传输层
  • 传输层对数据分段进行确认、排序、重组，确保数据传输的可靠性
  • 数据最后被传到应用层