计算机网络概述：分类、层次结构及物理层作用详解
<p><pre style="margin: 0px;padding: 0px;max-width: 100%;overflow-wrap: break-word !important;box-sizing: border-box !important;color: rgb(51, 51, 51);font-size: 17px;font-style: normal;font-variant-ligatures: normal;font-variant-caps: normal;font-weight: 400;letter-spacing: normal;orphans: 2;text-align: justify;text-indent: 0px;text-transform: none;widows: 2;word-spacing: 0px;-webkit-text-stroke-width: 0px;text-decoration-thickness: initial;text-decoration-style: initial;text-decoration-color: initial;"> <span style="font-size: 15px;">计算机网络是一门基础课程。今天要分享关于计算机网络的知识点总结。所有这些知识点都很重要。它们涵盖了计算机网络的各个方面。包括网络拓扑结构、协议栈、IP 地址等。通过学习这些知识点，我们可以更好地理解计算机网络的工作原理。</span><span style="font-size: 15px;">这张全局图中包含了所有知识点，我将其称之为计算机网络复习神图。</span>
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一、计算机网络概述
1.1 计算机网络的分类
依据网络的作用范围，有广域网（WAN）、城域网（MAN）以及局域网（LAN）。
按照网络使用者：公用网络、专用网络。
1.2 计算机网络的层次结构
TCP/IP四层模型与OSI体系结构对比：
1.3 层次结构设计的基本原则
1.4 计算机网络的性能指标
速率为 bps 也就是 bit/s 。时延包含发送时延、传播时延、排队时延和处理时延。往返时间 RTT 指的是数据报文在端到端通信中来回一次所花费的时间。
二、物理层
物理层的作用在于连接不同的物理设备，并且传输比特流。此层能够为上层协议提供一个可以传输数据的、可靠的物理媒体。简单来讲，就是物理层保证了原始的数据能够在各种不同的物理媒体上进行传输。
物理层设备：
信道的基本概念如下：信道是用于往一个方向传输信息的媒介。一条通信电路包含着一个发送信道以及一个接受信道。
三、数据链路层3.1 数据链路层概述
数据链路层以物理层提供的服务为基础，向网络层提供服务。它最基本的服务是把源自网络层的 data 可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。并且，数据链路层能在不可靠的物理介质上实现可靠的传输。
该层具有以下作用：其一，进行物理地址寻址；其二，完成数据的成帧；其三，实施流量控制；其四，进行数据的检错；其五，实现数据的重发等。
有关数据链路层的重要知识点：
封装成帧：“帧”是数据链路层数据的基本单位：
透明传输：“透明”意味着即便控制字符处于帧数据当中，然而也需将其当作不存在来进行处理。也就是说要在控制字符之前加上转义字符 ESC。
3.2 数据链路层的差错监测
差错检测：奇偶校验码、循环冗余校验码CRC
3.3 最大传输单元MTU
最大传输单元是 MTU（Unit）。数据链路层的数据帧并非无限大，其长度会受到 MTU 的限制。
路径MTU：由链路中MTU的最小值决定。
3.4 以太网协议详解
每一个设备都有其独一无二的 MAC 地址，该地址的位数是 48 位，并且是以十六进制来进行表示的。
以太网协议是一种应用于数据链路层的协议，且使用广泛。通过以太网，能够完成相邻设备之间的数据帧传输。
局域网分类：
以太网.3：
以太网帧结构：MAC地址（物理地址、局域网地址）四、网络层
网络层的目的在于达成两个端系统之间数据的透明传送。其具体功能包含寻址以及路由选择，还有连接的建立、保持与终止等。数据交换技术为报文交换，而这种技术基本上已被分组所取代。它采用储存转发的方式，数据交换的单位是报文。
网络层包含众多协议，其中有一个最重要的协议，它是 TCP/IP 的核心协议，即 IP 协议。IP 协议较为简单，只提供了不可靠且无连接的传送服务。IP 协议的主要功能包含：进行无连接的数据报传输，进行数据报的路由选择，以及进行差错控制。
实现 IP 协议功能需配套使用多种协议，其中有地址解析协议 ARP、逆地址解析协议 RARP、因特网报文协议 ICMP、因特网组管理协议 IGMP。这些具体协议将在后续部分予以总结，网络层的重点在于：
网络层的职责之一是对子网间的数据包进行路由选择。同时，网络层还能够实现诸如拥塞控制、网际互连等功能。
2、基本数据单位为IP数据报；
3、包含的主要协议：
路由器相关协议
4.1 IP协议详解
IP 网际协议在网络层处于最为核心的地位。实际的计算机网络呈现出错综复杂的状态。物理设备借助 IP 协议，将物理网络之间的差异进行了屏蔽。当网络中的主机利用 IP 协议进行连接时，就无需再去关注网络的具体细节，这样便形成了虚拟网络。
IP 协议让复杂的实际网络变成了一个虚拟互联的网络；同时也解决了在虚拟网络中数据报传输路径方面的问题。
其中，版本指的是 IP 协议的版本，其占 4 位，像 IPv4 和 IPv6 这样；首部长度表示 IP 首部的长度，占 4 位，最大数值为 15；总长度表示 IP 数据报的总长度，占 16 位，最大数值为 65535；TTL 表示 IP 数据报文在网络中的寿命，占 8 位；协议表明 IP 数据所携带的具体是何种协议，比如 TCP、UDP。
4.2 IP协议的转发流程
4.3 IP地址的子网划分
A 类由 8 网络号和 24 主机号组成，B 类由 16 网络号和 16 主机号组成，C 类由 24 网络号和 8 主机号组成，它们可用于标识网络中的主机或路由器。D 类地址被用作组广播地址，E 类地址则是用于地址保留。
4.4 网络地址转换NAT技术
在多个主机通过一个公有 IP 来访问互联网的私有网络里，它减缓了 IP 地址的消耗，不过也增加了网络通信的复杂度。
NAT 工作原理：
内网出去的 IP 数据报，会把它的 IP 地址换成 NAT 服务器所拥有的合法公共 IP 地址，同时把这种替换关系记录在 NAT 转换表中。
公共互联网返回的 IP 数据报，会根据其目的的 IP 地址去检索 NAT 转换表。接着，利用检索到的内部私有 IP 地址把目的 IP 地址进行替换。之后，将 IP 数据报转发到内部网络。
4.5 ARP协议与RARP协议
地址解析协议 ARP ：它为网卡（网络适配器）的 IP 地址到与之对应的硬件地址提供动态映射。能够将网络层的 32 位地址转化为数据链路层的 MAC48 位地址。
ARP 具有即插即用的特性。会自动建立一个 ARP 表。并且不需要系统管理员进行配置。
RARP 协议即逆地址解析协议，它能够将数据链路层的 48 位 MAC 地址转化为网络层的 32 位地址。
4.6 ICMP协议详解
网际控制报文协议，它能够报告错误信息或者异常情况，并且 ICMP 报文是被封装在 IP 数据报当中的。
ICMP协议的应用：
4.7网络层的路由概述
其四，要具备稳定且公平的特性。
自治系统 AS 指的是处于一个管理机构之下的网络设备群。AS 内部的网络可以进行自治管理，并且对外会提供一个或多个出入口。在自治系统内部，其路由协议是内部网关协议，像 RIP、OSPF 等；而在自治系统外部，其路由协议是外部网关协议，例如 BGP。
静态路由：人工配置，难度和复杂度高；
动态路由：
4.8 内部网关路由协议之RIP协议
路由信息协议 RIP 处于应用层。它采用基于距离 - 向量的路由选择算法。这种协议适用于较小的 AS（自治系统），尤其适合小型网络。RIP 报文会被封装进 UDP 数据报。
RIP协议特性：
4.9 内部网关路由协议之OSPF协议
开放最短路径优先协议 OSPF 属于网络层。它基于链路状态的路由选择算法。这种算法适合较大规模的 AS 以及大型网络。并且 OSPF 直接封装在 IP 数据报中进行传输。
OSPF协议优点：
RIP与OSPF的对比（路由算法决定其性质）：
4.10外部网关路由协议之BGP协议
BGP（）边际网关协议属于应用层：它是在不同自治系统（AS）之间运行的一种协议，其作用是寻找一条较好的路由。在首次交换时，会交换全部信息，而之后则只交换发生变化的部分。并且，BGP 会被封装进 TCP 报文段中。
五、传输层
第一个端到端指的是主机到主机的层次。传输层的职责是把上层数据进行分段，并且能够提供端到端的传输，这种传输可以是可靠的，也可以是不可靠的。同时，传输层还要对端到端的差错进行控制，也要处理端到端的流量控制问题。
传输层的任务在于依据通信子网的特性，以最优化的方式利用网络资源。它要为两个端系统的会话层之间，提供建立传输连接、维护传输连接以及取消传输连接的功能，并且负责端到端的可靠数据传输。在这一层，信息传送所使用的协议数据单元被称作段或者报文。
传输层负责把数据可靠地传送到相应的端口。
有关网络层的重点：
5.1 UDP协议详解
UDP 即用户数据报协议，它是一个极为简单的协议。
UDP协议的特点：
UDP数据报结构：
首部为 8B，包含四字段，分别是 2B 的【源端口 | 目的端口 | UDP 长度 | 校验和】，数据字段是应用数据。
5.2 TCP协议详解
TCP 是计算机网络中的一个协议。它较为复杂。
TCP协议的功能：
TCP协议的特点：
5.2.1 TCP报文段结构：
最大报文段长度：报文段中封装的应用层数据的最大长度。
TCP首部：
TCP标记的作用：
5.3 可靠传输的基本原理
基本原理：
计时器：用以解决数据丢失的问题。
停止等待协议是一种简单的可靠传输协议。该协议对信道的利用率不高。
连续 ARQ 协议采用滑动窗口与累计确认的方式，这种方式大幅提高了信道的利用率。
5.3.1TCP协议的可靠传输
基于连续 ARQ 协议，在某些情形下，重传的效率不是很高，会对部分已经成功接收的字节进行重复传输。
5.3.2 TCP协议的流量控制
流量控制意味着让发送方的发送速率不要过快。TCP 协议通过使用滑动窗口来达成流量控制这一目的。
5.4 TCP协议的拥塞控制
拥塞控制的方法包括慢启动算法以及拥塞避免算法。
慢开始和拥塞避免：
快重传和快恢复：
5.5 TCP连接的三次握手（重要）
TCP三次握手使用指令：
面试常客：为什么需要三次握手？
建立连接（三次握手）：
客户向服务器发送连接请求段，接着建立连接请求控制段，此控制段中 SYN=1，意味着传输的报文段的第一个数据字节的序列号是 x，该序列号代表整个报文段的序号为 seq=x；随后客户端进入（同步发送状态）。
第二次，服务器发回确认报文段。此报文段同意建立新连接，其中确认段的 SYN=1。同时，确认序号字段有效，ACK=1。服务器告知客户端，其报文段的序号是 y，即 seq=y，这表示服务器已经收到客户端序号为 x 的报文段，并且准备接受客户端序列号为 x+1 的报文段，也就是 =x+1。之后，服务器进入同步收到状态。
第三次：客户对服务器的同一连接进行确认。确认序号字段是有效的，其值为 ACK = 1。客户此次的报文段的序列号是 x + 1，即 seq = x + 1。客户期望接受服务器序列号为 y + 1 的报文段，也就是期望的序列号为 y + 1。当客户发送 ack 时，客户端会进入相应状态。当服务收到客户发送的 ack 后，也会进入相应状态。并且第三次握手是可以携带数据的。
5.6 TCP连接的四次挥手（重要）
释放连接（四次挥手）
客户向服务器发送释放连接的报文段，此时发送端的数据已发送完毕，接着请求释放连接，其中 FIN 的值为 1。同时，传输的第一个数据字节的序号是 x，即 seq = x。之后，客户端的状态进入到终止等待 1 状态。
第二次，服务器会向客户发送确认段，此确认段表明字号段是有效的，即 ACK = 1 。同时，服务器传输的数据序号为 y ，也就是 seq = y 。并且，服务器期望接收客户的数据序号是 x + 1 ，即 = x + 1 。此时，服务器的状态从进入（关闭等待）。当客户端收到这个 ACK 段后，其状态会进入相应的状态。
第三次，服务器向客户发送释放连接报文段，此报文段请求释放连接，其中 FIN 的值为 1，同时确认字号段有效，ACK 的值为 1。这表示服务器期望接收客户数据的序号为 x + 1，即等于 x + 1；并且表示自己传输的第一个字节序号是 y + 1，seq 的值为 y + 1。服务器的状态由某一状态进入最后确认状态。
第四次，客户向服务器发送确认段，此确认段确认字号段是有效的，即 ACK=1。这意味着客户传输的数据序号为 x+1，也就是 seq=x+1。同时，这也表示客户期望接收服务器数据的序号为 y+1+1，即等于 y+1+1。客户端的状态从进入转变为等待 2MSL 时间，进而进入特定状态。服务器在收到最后一次 ACK 之后，也进入相应状态。
为什么需要等待2MSL?
六、应用层
应用层的重点在于：
6.1 DNS详解
它的作用是解决 IP 地址复杂难以记忆的问题，能够存储并完成其所管辖范围内主机的域名到 IP 地址的映射。
域名解析的顺序：
IP—>DNS服务—>便于记忆的域名
域名是由点、字母以及数字所构成的。它分为顶级域，像 com、cn、net、gov、org 等；还有二级域，例如 baidu、等；以及三级域，像 www 等，同时还有括号内的 12 - 2 - 0852 。
6.2 DHCP协议详解
DHCP 是一个局域网协议，它属于应用 UDP 协议的应用层协议。其作用在于为临时接入局域网的用户自动分配 IP 地址。
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