36张图,一次性补全网络基础知识
杰哥的IT之旅
共 13684字，需浏览 28分钟
· 2022-12-27
在公众号后台回复：JGNB，可获取杰哥原创的 PDF 手册。
转自：网络工程师笔记
OSI和TCP/IP是很基础但又非常重要的知识，很多知识点都是以它们为基础去串联的，作为底层，掌握得越透彻，理解上层时会越顺畅。今天这篇网络基础科普，就是根据OSI层级去逐一展开的。
0 1 计算机网络基础
01 计算机网络的分类
按照网络使用者：公用网络、专用网络。
02 计算机网络的层次结构
TCP/IP四层模型与OSI体系结构对比：
03 层次结构设计的基本原则
- 各层之间是相互独立的；
- 每一层需要有足够的灵活性；
- 各层之间完全解耦。
04 计算机网络的性能指标
0 2 物理层
物理层的作用： 连接不同的物理设备，传输比特流。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。
物理层设备：
- 中继器【Repeater，也叫放大器】：同一局域网的再生信号；两端口的网段必须同一协议；5-4-3规程：10BASE-5以太网中，最多串联4个中继器，5段中只能有3个连接主机；
- 集线器：同一局域网的再生、放大信号（多端口的中继器）；半双工，不能隔离冲突域也不能隔离广播域。
- 单工通信信道：只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道；
- 半双工通信信道：双方都可以发送和接受信息，但不能同时发送也不能同时接收；
- 全双工通信信道：双方都可以同时发送和接收。
0 3
数据链路层
01 数据链路层概述
该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。
有关数据链路层的重要知识点：
- 数据链路层为网络层提供可靠的数据传输；
- 基本数据单位为帧；
- 主要的协议：以太网协议；
- 两个重要设备名称：网桥和交换机。
透明传输：“透明”是指即使控制字符在帧数据中，但是要当做不存在去处理。即在控制字符前加上转义字符ESC。
02 数据链路层的差错监测
- 奇偶校验码–局限性：当出错两位时，检测不到错误。
- 循环冗余检验码：根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码。
03 最大传输单元MTU
路径MTU：由链路中MTU的最小值决定。
04 以太网协议详解
以太网协议：是一种使用广泛的局域网技术，是一种应用于数据链路层的协议，使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输：
局域网分类：
- 以太网第一个广泛部署的高速局域网；
- 以太网数据速率快；
- 以太网硬件价格便宜，网络造价成本低。
以太网帧结构
- 类型：标识上层协议（2字节）；
- 目的地址和源地址：MAC地址（每个6字节）；
- 数据：封装的上层协议的分组（46~1500字节）；
- CRC：循环冗余码（4字节）；
-
以太网最短帧：以太网帧最短64字节；以太网帧除了数据部分18字节；数据最短46字节。
MAC地址（物理地址、局域网地址）
- MAC地址长度为6字节，48位；
- MAC地址具有唯一性，每个网络适配器对应一个MAC地址；
- 通常采用十六进制表示法，每个字节表示一个十六进制数，用 - 或 : 连接起来；
- MAC广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
04
网络层
网络层中涉及众多的协议，其中包括最重要的协议，也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单，仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有：无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。
与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议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。
具体的协议我们会在接下来的部分进行总结，有关网络层的重点为：
1、网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、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：
- IP协议（Internet Protocol，因特网互联协议）;
- ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）;
- ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）;
- RARP协议（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析协议）。
路由器相关协议：
01 IP协议详解
虚拟互联网络的产生：实际的计算机网络错综复杂；物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异；当网络中主机使用IP协议连接时，无需关注网络细节，于是形成了虚拟网络。
IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互联的网络；并且解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题。
其中，版本指IP协议的版本，占4位，如IPv4和IPv6；
首部位长度表示IP首部长度，占4位，最大数值位15；
总长度表示IP数据报总长度，占16位，最大数值位65535；
TTL表示IP数据报文在网络中的寿命，占8位；
协议表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的，如TCP、UDP。
02 IP协议的转发流程
03 IP地址的子网划分
A类（8网络号+24主机号）、B类（16网络号+16主机号）、C类（24网络号+8主机号）可以用于标识网络中的主机或路由器，D类地址作为组广播地址，E类是地址保留。
04 网络地址转换NAT技术
NAT 工作原理： 从内网出去的IP数据报，将其IP地址替换为NAT服务器拥有的合法的公共IP地址，并将替换关系记录到NAT转换表中；
从公共互联网返回的IP数据报，依据其目的的IP地址检索NAT转换表，并利用检索到的内部私有IP地址替换目的IP地址，然后将IP数据报转发到内部网络。
05 ARP协议与RARP协议
ARP 是即插即用的，一个ARP表是自动建立的，不需要系统管理员来配置。
RARP(Reverse Address Resolution Protocol)协议指逆地址解析协议，可以把数据链路层MAC48位地址转化为网络层32位地址。
06 ICMP协议详解
ICMP协议的应用：
- Ping应用：网络故障的排查；
- Traceroute应用：可以探测IP数据报在网络中走过的路径。
07 网络层的路由概述
自治系统AS： 指处于一个管理机构下的网络设备群，AS内部网络自治管理，对外提供一个或多个出入口，其中自治系统内部的路由协议为内部网关协议，如RIP、OSPF等；自治系统外部的路由协议为外部网关协议，如BGP。
静态路由： 人工配置，难度和复杂度高。
动态路由：
- 链路状态路由选择算法LS：向所有隔壁路由发送信息收敛快；全局式路由选择算法，每个路由器计算路由时，需构建整个网络拓扑图；利用Dijkstra算法求源端到目的端网络的最短路径；Dijkstra(迪杰斯特拉)算法；
- 距离-向量路由选择算法DV：向所有隔壁路由发送信息收敛慢、会存在回路；基础是Bellman-Ford方程（简称B-F方程）。
08 内部网关路由协议之RIP协议
RIP协议特性：
- RIP在度量路径时采用的是跳数（每个路由器维护自身到其他每个路由器的距离记录）；
- RIP的费用定义在源路由器和目的子网之间；
- RIP被限制的网络直径不超过15跳；
- 和隔壁交换所有的信息，30主动一次（广播）。
09 内部网关路由协议之OSPF协议
OSPF协议优点：
- 安全；
- 支持多条相同费用路径；
- 支持区别化费用度量；
- 支持单播路由和多播路由；
- 分层路由。
10 外部网关路由协议之BGP协议
0 5 传输层 第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。
此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。
传输层的任务是根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。
在这一层，信息传送的协议数据单元称为段或报文。
网络层只是根据网络地址将源结点发出的数据包传送到目的结点，而传输层则负责将数据可靠地传送到相应的端口。
有关网络层的重点：
- 传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输以及端到端的差错控制和流量控制问题；
- 包含的主要协议：TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）、UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）；
- 重要设备：网关。
01 UDP协议详解
UDP协议的特点：
- UDP是无连接协议；
- UDP不能保证可靠的交付数据；
- UDP是面向报文传输的；
- UDP没有拥塞控制；
- UDP首部开销很小。
02 TCP协议详解
TCP协议的功能：
- 对应用层报文进行分段和重组；
- 面向应用层实现复用与分解；
- 实现端到端的流量控制；
- 拥塞控制；
- 传输层寻址；
- 对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分都检错）；
-
实现进程间的端到端可靠数据传输控制。
- TCP是面向连接的协议；
- TCP是面向字节流的协议；
- TCP的一个连接有两端，即点对点通信；
- TCP提供可靠的传输服务；
- TCP协议提供全双工通信（每条TCP连接只能一对一）。
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：
- 序号字段：TCP的序号是对每个应用层数据的每个字节进行编号；
- 确认序号字段：期望从对方接收数据的字节序号，即该序号对应的字节尚未收到。用ack_seq标识；
- TCP段的首部长度最短是20B ，最长为60字节。但是长度必须为4B的整数倍。
03 可靠传输的基本原理
基本原理：
- 不可靠传输信道在数据传输中可能发生的情况：比特差错、乱序、重传、丢失；
-
基于不可靠信道实现可靠数据传输采取的措施。
确认：接收方向发送方反馈接收状态。
重传：发送方重新发送接收方没有正确接收的数据。
序号：确保数据按序提交。
计时器：解决数据丢失问题。
停止等待协议：是最简单的可靠传输协议，但是该协议对信道的利用率不高。
连续ARQ(Automatic Repeat reQuest：自动重传请求)协议：滑动窗口+累计确认，大幅提高了信道的利用率。
TCP协议的可靠传输：
TCP协议的流量控制：
04 TCP协议的拥塞控制
慢开始和拥塞避免：
- 【慢开始】拥塞窗口从1指数增长；
- 到达阈值时进入【拥塞避免】，变成+1增长；
- 【超时】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2）；
- 再从【慢开始】，拥塞窗口从1指数增长。
快重传和快恢复：
- 发送方连续收到3个冗余ACK，执行【快重传】，不必等计时器超时；
- 执行【快恢复】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2），并从此新的ssthresh点进入【拥塞避免】。
05 TCP连接的三次握手（重要）
面试常客：为什么需要三次握手？
- 第一次握手：客户发送请求，此时服务器知道客户能发；
- 第二次握手：服务器发送确认，此时客户知道服务器能发能收；
- 第三次握手：客户发送确认，此时服务器知道客户能收。
第二次：服务器发回确认报文段，同意建立新连接的确认段（SYN=1），确认序号字段有效（ACK=1），服务器告诉客户端报文段序号是y（seq=y），表示服务器已经收到客户端序号为x的报文段，准备接受客户端序列号为x+1的报文段（ack_seq=x+1）；服务器由LISTEN进入SYN_RCVD （同步收到状态）;
第三次：客户对服务器的同一连接进行确认.确认序号字段有效(ACK=1),客户此次的报文段的序列号是x+1(seq=x+1),客户期望接受服务器序列号为y+1的报文段(ack_seq=y+1);当客户发送ack时，客户端进入ESTABLISHED 状态;当服务收到客户发送的ack后，也进入ESTABLISHED状态;第三次握手可携带数据。
06 TCP连接的四次挥手（重要）
释放连接（四次挥手） 第一次：客户向服务器发送释放连接报文段，发送端数据发送完毕，请求释放连接（FIN=1），传输的第一个数据字节的序号是x（seq=x）；客户端状态由ESTABLISHED进入FIN_WAIT_1（终止等待1状态）；
第二次：服务器向客户发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），服务器传输的数据序号是y（seq=y），服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack_seq=x+1）;服务器状态由ESTABLISHED进入CLOSE_WAIT（关闭等待）；客户端收到ACK段后，由FIN_WAIT_1进入FIN_WAIT_2；
第三次：服务器向客户发送释放连接报文段，请求释放连接（FIN=1），确认字号段有效（ACK=1），表示服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack_seq=x+1）;表示自己传输的第一个字节序号是y+1（seq=y+1）；服务器状态由CLOSE_WAIT 进入 LAST_ACK （最后确认状态）；
第四次：客户向服务器发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），表示客户传输的数据序号是x+1（seq=x+1），表示客户期望接收服务器数据序号为y+1+1（ack_seq=y+1+1）；客户端状态由FIN_WAIT_2进入TIME_WAIT，等待2MSL时间，进入CLOSED状态；服务器在收到最后一次ACK后，由LAST_ACK进入CLOSED。
为什么需要等待2MSL?
- 最后一个报文没有确认；
- 确保发送方的ACK可以到达接收方；
- 2MSL时间内没有收到，则接收方会重发；
- 确保当前连接的所有报文都已经过期。
0 6
应用层
为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层重点：
- 数据传输基本单位为报文；
- 包含的主要协议：FTP（文件传送协议）、Telnet（远程登录协议）、DNS（域名解析协议）、SMTP（邮件传送协议），POP3协议（邮局协议），HTTP协议（Hyper Text Transfer Protocol）。
01 DNS详解
域名解析的顺序：
- 浏览器缓存；
- 找本机的hosts文件；
- 路由缓存；
- 找DNS服务器（本地域名、顶级域名、根域名）->迭代解析、递归查询。
域名由点、字母和数字组成，分为顶级域（com，cn，net，gov，org）、二级域（baidu,taobao,qq,alibaba）、三级域（www）(12-2-0852)。
02 DHCP协议详解
03 HTTP协议详解
HTTP（HyperText Transfer Protocol:超文本传输协议）【TCP，端口80】：是可靠的数据传输协议，浏览器向服务器发收报文前，先建立TCP连接，HTTP使用TCP连接方式（HTTP自身无连接）。
HTTP请求报文方式：
- GET：请求指定的页面信息，并返回实体主体；
- POST：向指定资源提交数据进行处理请求；
- DELETE：请求服务器删除指定的页面；
- HEAD：请求读取URL标识的信息的首部，只返回报文头；
- OPETION：请求一些选项的信息；
- PUT：在指明的URL下存储一个文档。
（1）HTTP工作的结构
（2） HTTPS协议详解
推荐阅读：
评论