计算机网络-基础篇
本文主要介绍计算机网络内容中基础知识。
# 一、互联网协议
# OSI模型
应用层：应用层是 OSI 标准模型的最顶层，是直接为应用进程提供服务的。其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务。包括文件传输、电子邮件远程登录和远端接口调用等协议。表示层: 表示层向上对应用进程服务，向下接收会话层提供的服务，表示层位于 OSI 标准模型的第六层，表示层的主要作用就是将设备的固有数据格式转换为网络标准传输格式。会话层：会话层位于 OSI 标准模型的第五层，它是建立在传输层之上，利用传输层提供的服务建立和维持会话。传输层：传输层位于 OSI 标准模型的第四层，它在整个 OSI 标准模型中起到了至关重要的作用。传输层涉及到两个节点之间的数据传输，向上层提供可靠的数据传输服务。传输层的服务一般要经历传输连接建立阶段，数据传输阶段，传输连接释放阶段 3 个阶段才算完成一个完整的服务过程。网络层：网络层位于 OSI 标准模型的第三层，它位于传输层和数据链路层的中间，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到另一端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。数据链路层：数据链路层位于物理层和网络层中间，数据链路层定义了在单个链路上如何传输数据。物理层：物理层是 OSI 标准模型中最低的一层，物理层是整个 OSI 协议的基础，就如同房屋的地基一样，物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。
# TCP/IP 协议簇
和 OSI 七层网络协议的主要区别如下
- 应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大，所以在 TCP/IP 协议中，它们被合并为应用层一个层次。
- 由于数据链路层和物理层的内容很相似，所以在 TCP/IP 协议中它们被归并在网络接口层一个层次里。
而我们的主要研究对象就是 TCP/IP 的四层协议（应用层、传输层、网络层和通信链路层）。
接下来我们聊聊TCP/IP 协议簇中都有哪些具体的协议。
# FTP 协议
FTP 协议是 文件传输协议，英文全称是 File Transfer Protocol，应用层协议之一，是 TCP/IP 协议的重要组成之一，FTP 协议分为服务器和客户端两部分，FTP 服务器用来存储文件，FTP 客户端用来访问 FTP 服务器上的文件，FTP 的传输效率比较高，所以一般使用 FTP 来传输大文件。
# DNS 协议
DNS 协议是 域名系统协议，英文全称是 Domain Name System，它也是应用层的协议之一，DNS 协议是一个将域名和 IP 相互映射的分布式数据库系统。DNS 缓存能够加快网络资源的访问。
# SMTP 协议
SMTP 协议是 简单邮件传输协议，英文全称是 Simple Mail Transfer Protocol，应用层协议之一，SMTP 主要是用作邮件收发协议，SMTP 服务器是遵循 SMTP 协议的发送邮件服务器，用来发送或中转用户发出的电子邮件
# TCP 协议
TCP 就是 传输控制协议，也就是 Transmission Control Protocol，它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输协议，TCP 协议位于传输层，TCP 协议是 TCP/IP 协议簇中的核心协议，它最大的特点就是提供可靠的数据交付。
TCP 的主要特点有 慢启动、拥塞控制、快速重传、可恢复。
# UDP 协议
UDP 协议就是 用户数据报协议，也就是 User Datagram Protocol，UDP 也是一种传输层的协议，与 TCP 相比，UDP 提供一种不可靠的数据交付，也就是说，UDP 协议不保证数据是否到达目标节点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP 是一种无连接的协议，传输数据之前源端和终端无需建立连接，不对数据报进行检查与修改，无须等待对方的应答，会出现分组丢失、重复、乱序等现象。但是 UDP 具有较好的实时性，工作效率较 TCP 协议高。
# IP 协议
IP 是 互联网协议(Internet Protocol) ，位于网络层。IP 是整个 TCP/IP 协议族的核心，也是构成互联网的基础。IP 能够为运输层提供数据分发，同时也能够组装数据供运输层使用。它将多个单个网络连接成为一个互联网，这样能够提高网络的可扩展性，实现大规模的网络互联。二是分割顶层网络和底层网络之间的耦合关系。
# ICMP 协议
ICMP 协议是 Internet Control Message Protocol， ICMP 协议主要用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息。ICMP 属于网络层的协议，当遇到 IP 无法访问目标、IP 路由器无法按照当前传输速率转发数据包时，会自动发送 ICMP 消息，从这个角度来说，ICMP 协议可以看作是 错误侦测与回报机制，让我们检查网络状况、也能够确保连线的准确性。
# ARP 协议
ARP 协议是 地址解析协议，即 Address Resolution Protocol，它能够根据 IP 地址获取物理地址。主机发送信息时会将包含目标 IP 的 ARP 请求广播到局域网络上的所有主机，并接受返回消息，以此来确定物理地址。收到消息后的物理地址和 IP 地址会在 ARP 中缓存一段时间，下次查询的时候直接从 ARP 中查询即可。
# SLIP 协议
SLIP 协议是指串行线路网际协议（Serial Line Internet Protocol)，是在串行通信线路上支持 TCP/IP 协议的一种点对点(Point-to-Point) 式的链路层通信协议。
# PPP 协议
PPP 协议是 Point to Point Protocol，即点对点协议，是一种链路层协议，是在为同等单元之间传输数据包而设计的。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。
# 二、网络核心概念
网络根据传输方式可以进行分类，一般分成两种 面向连接型和面向无连接型。
- 面向连接型中，在发送数据之前，需要在主机之间建立一条通信线路。
- 面向无连接型则不要求建立和断开连接，发送方可用于任何时候发送数据。接收端也不知道自己何时从哪里接收到数据。
# 分组交换
在互联网应用中，每个终端系统都可以彼此交换信息，这种信息也被称为 报文(Message)，报文是一个集大成者，它可以包括你想要的任何东西，比如文字、数据、电子邮件、音频、视频等。为了从源目的地向端系统发送报文，需要把长报文切分为一个个小的数据块，这种数据块称为分组(Packets)，也就是说，报文是由一个个小块的分组组成。在端系统和目的地之间，每个分组都要经过通信链路(communication links) 和分组交换机(switch packets) ，分组要在端系统之间交互需要经过一定的时间，如果两个端系统之间需要交互的分组为 L 比特，链路的传输速率为 R 比特 / 秒，那么传输时间就是 L / R 秒。
一个端系统需要经过交换机给其他端系统发送分组，当分组到达交换机时，交换机就能够直接进行转发吗？不是的，交换机可没有这么无私，你想让我帮你转发分组？好，首先你需要先把整个分组数据都给我，我再考虑给你发送的问题，这就是存储转发传输
# 存储转发传输
存储转发传输指的就是交换机在转发分组的第一个比特前，必须要接受到整个分组，然后再转发。
# 排队时延和分组丢失 （未理解）
多个端系统同时给交换器发送分组，一定存在顺序到达和排队的问题。事实上，对于每条相连的链路，该分组交换机会有一个输出缓存(output buffer) 和 输出队列(output queue) 与之对应，它用于存储路由器准备发往每条链路的分组。如果到达的分组发现路由器正在接收其他分组，那么新到达的分组就会在输出队列中进行排队，这种等待分组转发所耗费的时间也被称为 排队时延，上面提到分组交换器在转发分组时会进行等待，这种等待被称为 存储转发时延，所以我们现在了解到的有两种时延，但是其实是有四种时延。这些时延不是一成不变的，其变化程序取决于网络的拥塞程度。
因为队列是有容量限制的，当多条链路同时发送分组导致输出缓存无法接受超额的分组后，这些分组会丢失，这种情况被称为 丢包(packet loss)，到达的分组或者已排队的分组将会被丢弃。
# 转发表和路由器选择协议
我们刚刚讲到，路由器和多个通信线路进行相连，如果每条通信链路同时发送分组的话，可能会造成排队和丢包的情况，然后分组在队列中等待发送，而路由的作用就是把不同端系统中的数据包进行存储和转发 。在因特网中，每个端系统都会有一个 IP 地址，当原主机发送一个分组时，在分组的首部都会加上原主机的 IP 地址。每一台路由器都会有一个 转发表(forwarding table)，当一个分组到达路由器后，路由器会检查分组的目的地址的一部分，并用目的地址搜索转发表，以找出适当的传送链路，然后映射成为输出链路进行转发。
那么问题来了，路由器内部是怎样设置转发表的呢？详细的我们后面会讲到，这里只是说个大概，路由器内部也是具有路由选择协议的，用于自动设置转发表。
# 电路交换
在计算机网络中，另一种通过网络链路和路由进行数据传输的另外一种方式就是 电路交换(circuit switching)。电路交换在资源预留上与分组交换不同，什么意思呢？就是分组交换不会预留每次端系统之间交互分组的缓存和链路传输速率，所以每次都会进行排队传输；而电路交换会预留这些信息。
# 分组交换和电路交换的对比
电路交换的支持者经常说分组交换不适合实时服务，因为它的端到端时延时不可预测的。而分组交换的支持者却认为分组交换提供了比电路交换更好的带宽共享；它比电路交换更加简单、更有效，实现成本更低。但是现在的趋势更多的是朝着分组交换的方向发展。
# 分组交换网的时延、丢包和吞吐量
因特网可以看成是一种基础设施，该基础设施为运行在端系统上的分布式应用提供服务。我们希望在计算机网络中任意两个端系统之间传递数据都不会造成数据丢失，然而这是一个极高的目标，实践中难以达到。所以，在实践中必须要限制端系统之间的 吞吐量 用来控制数据丢失。如果在端系统之间引入时延，也不能保证不会丢失分组问题。所以我们从时延、丢包和吞吐量三个层面来看一下计算机网络
# 分组交换中的时延
计算机网络中的分组从一台主机（源）出发，经过一系列路由器传输，在另一个端系统中结束它的历程。在这整个传输历程中，分组会涉及到四种最主要的时延：节点处理时延 (nodal processing delay)、排队时延(queuing delay)、传输时延(total nodal delay) 和传播时延(propagation delay)。这四种时延加起来就是 节点总时延(total nodal delay)。
如果用 dproc dqueue dtrans dpop 分别表示处理时延、排队时延、传输时延和传播时延，则节点的总时延由以下公式决定: dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dpop。
# 时延的类型
下面是一副典型的时延分布图，让我们从图中进行分析一下不同的时延类型
分组由端系统经过通信链路传输到路由器 A，路由器 A 检查分组头部以映射出适当的传输链路，并将分组送入该链路。仅当该链路没有其他分组正在传输并且没有其他分组排在该该分组前面时，才能在这条链路上自由的传输该分组。如果该链路当前繁忙或者已经有其他分组排在该分组前面时，新到达的分组将会加入排队。下面我们分开讨论一下这四种时延
1）节点处理时延
节点处理时延分为两部分，第一部分是路由器会检查分组的首部信息；第二部分是决定将分组传输到哪条通信链路所需要的时间。一般高速网络的节点处理时延都在微妙级和更低的数量级。在这种处理时延完成后，分组会发往路由器的转发队列中
2）排队时延
在队列排队转发过程中，分组需要在队列中等待发送，分组在等待发送过程中消耗的时间被称为排队时延。排队时延的长短取决于先于该分组到达正在队列中排队的分组数量。如果该队列是空的，并且当前没有正在传输的分组，那么该分组的排队时延就是 0。如果处于网络高发时段，那么链路中传输的分组比较多，那么分组的排队时延将延长。实际的排队时延也可以到达微秒级。
3）传输时延
队列 是路由器所用的主要的数据结构。队列的特征就是先进先出。传输时延是理论情况下单位时间内的传输比特所消耗的时间。比如分组的长度是 L 比特，R 表示从路由器 A 到路由器 B 的传输速率。那么传输时延就是 L / R 。这是将所有分组推向该链路所需要的时间。真实情况下传输时延通常也在毫秒到微妙级。
4）传播时延
从链路的起点到路由器 B 传播所需要的时间就是 传播时延。该比特以该链路的传播速率传播。该传播速率取决于链路的物理介质 (双绞线、同轴电缆、光纤)。如果用公式来计算一下的话，该传播时延等于两台路由器之间的距离 / 传播速率。即传播速率是 d/s ，其中 d 是路由器 A 和 路由器 B 之间的距离，s 是该链路的传播速率。
# 传输时延和传播时延的比较
计算机网络中的传输时延和传播时延有时候难以区分，在这里解释一下，传输时延是路由器推出分组所需要的时间，它是分组长度和链路传输速率的函数，而与两台路由器之间的距离无关。而传播时延是一个比特从一台路由器传播到另一台路由器所需要的时间，它是两台路由器之间距离的倒数，而与分组长度和链路传输速率无关。从公式也可以看出来，传输时延是 L/R，也就是分组的长度 / 路由器之间传输速率。传播时延的公式是 d/s，也就是路由器之间的距离 / 传播速率。
# 排队时延
在这四种时延中，人们最感兴趣的时延或许就是排队时延了 dqueue。与其他三种时延（dproc、dtrans、dpop）不同的是，排队时延对不同的分组可能是不同的。例如，如果 10 个分组同时到达某个队列，第一个到达队列的分组没有排队时延，而最后到达的分组却要经受最大的排队时延（需要等待其他九个时延被传输）。
那么如何描述排队时延呢？或许可以从三个方面来考虑：流量到达队列的速率、链路的传输速率和到达流量的性质。即流量是周期性到达还是突发性到达，如果用 a 表示分组到达队列的平均速率（ a 的单位是分组 / 秒，即 pkt/s）前面说过 R 表示的是传输速率，所以能够从队列中推出比特的速率（以 bps 即 b/s 位单位）。假设所有的分组都是由 L 比特组成的，那么比特到达队列的平均速率是 La bps。那么比率 La/R 被称为流量强度(traffic intensity)，如果 La/R > 1，则比特到达队列的平均速率超过从队列传输出去的速率，这种情况下队列趋向于无限增加。所以，设计系统时流量强度不能大于 1。
现在考虑 La / R <= 1 时的情况。流量到达的性质将影响排队时延。如果流量是周期性到达的，即每 L / R 秒到达一个分组，则每个分组将到达一个空队列中，不会有排队时延。如果流量是 突发性 到达的，则可能会有很大的平均排队时延。
# 丢包
我们在上述的讨论过程中描绘了一个公式那就是 La/R 不能大于 1，如果 La/R 大于 1，那么到达的排队将会无穷大，而且路由器中的排队队列所容纳的分组是有限的，所以等到路由器队列堆满后，新到达的分组就无法被容纳，导致路由器 丢弃(drop) 该分组，即分组会 丢失(lost)。
# 计算机网络中的吞吐量
除了丢包和时延外，衡量计算机另一个至关重要的性能测度是端到端的吞吐量。假如从主机 A 向主机 B 传送一个大文件，那么在任何时刻主机 B 接收到该文件的速率就是 瞬时吞吐量(instantaneous throughput)。如果该文件由 F 比特组成，主机 B 接收到所有 F 比特用去 T 秒，则文件的传送平均吞吐量(average throughput) 是 F / T bps。
# 单播、广播、多播和任播
在网络通信中，可以根据目标地址的数量对通信进行分类，可以分为 单播、广播、多播和任播
# 单播 (Unicast)
单播最大的特点就是 1 对 1，早期的固定电话就是单播的一个例子。
# 广播 (Broadcast)
我们一般小时候经常会跳广播体操，这就是广播的一个事例，主机和与他连接的所有端系统相连，主机将信号发送给所有的端系统。
# 多播 (Multicast)
多播与广播很类似，也是将消息发送给多个接收主机，不同之处在于多播需要限定在某一组主机作为接收端。
# 任播 (Anycast)
任播是在特定的多台主机中选出一个接收端的通信方式。虽然和多播很相似，但是行为与多播不同，任播是从许多目标机群中选出一台最符合网络条件的主机作为目标主机发送消息。然后被选中的特定主机将返回一个单播信号，然后再与目标主机进行通信。
# 三、物理媒介
网络的传输是需要介质的。一个比特数据包从一个端系统开始传输，经过一系列的链路和路由器，从而到达另外一个端系统。这个比特会被转发了很多次，那么这个比特经过传输的过程所跨越的媒介就被称为物理媒介(phhysical medium)，物理媒介有很多种，比如双绞铜线、同轴电缆、多模光纤榄、陆地无线电频谱和卫星无线电频谱。其实大致分为两种：引导性媒介和非引导性媒介。
# 双绞铜线
最便宜且最常用的引导性传输媒介就是双绞铜线，多年以来，它一直应用于电话网。从电话机到本地电话交换机的连线超过 99% 都是使用的双绞铜线。
双绞铜线由两根绝缘的铜线组成，每根大约 1cm 粗，以规则的螺旋形状排列，通常许多双绞线捆扎在一起形成电缆，并在双绞线的外面套上保护层。一对电缆构成了一个通信链路。无屏蔽双绞线一般常用在局域网（LAN）中。
# 同轴电缆
与双绞线类似，同轴电缆也是由两个铜导体组成。借助于这种结构以及特殊的绝缘体和保护层，同轴电缆能够达到较高的传输速率，同轴电缆普遍应用在在电缆电视系统中。同轴电缆常被用户引导型共享媒介。
# 光纤
光纤是一种细而柔软的、能够引导光脉冲的媒介，每个脉冲表示一个比特。一根光纤能够支持极高的比特率，高达数十甚至数百 Gbps。它们不受电磁干扰。光纤是一种引导型物理媒介。
一般长途电话网络全面使用光纤，光纤也广泛应用于因特网的主干。
# 陆地无线电信道
无线电信道承载电磁频谱中的信号。它不需要安装物理线路，并具有穿透墙壁、提供与移动用户的连接以及长距离承载信号的能力。
# 卫星无线电信道
一颗卫星电信道连接地球上的两个或多个微波发射器 / 接收器，它们称为地面站。通信中经常使用两类卫星：同步卫星和近地卫星。
# 附录：常见面试问题
# 请简述TCP/UDP的区别
TCP和UDP是OSI模型中的运输层中的协议。TCP提供可靠的通信传输，而UDP则常被用于让广播和细节控制交给应用的通信传输。
两者的区别大致如下：
- TCP面向连接，UDP面向非连接（即发送数据前不需要建立链接）
- TCP提供可靠的服务（数据传输），UDP无法保证
- TCP面向字节流，UDP面向报文
- TCP数据传输慢，UDP数据传输快
# 请简单说一下你了解的端口及对应的服务
| 端口 | 服务 |
|---|---|
| 21 | FTP (文件传输协议) |
| 22 | SSH |
| 23 | Telnet (远程登录服务) |
| 25 | SMTP (简单邮件传输协议） |
| 53 | DNS 域名服务器 |
| 80 | HTTP 超文本传输协议 |
| 110 | POP3 邮件协议3 |
| 443 | HTTPS |
| 1080 | Sockets |
| 1521 | Oracle 数据库默认端口 |
| 3306 | MySQL 服务 |
# ARP协议（Address Resolution Protocol）
地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。地址解析协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，局域网络上的主机可以自主发送ARP应答消息，其他主机收到应答报文时不会检测该报文的真实性就会将其记入本机ARP缓存；