计算机网络必备知识

计算机网络体系基础概念

分层模型/OSI模型

• 物理层——双绞线，光纤，调制解调器（模拟信号与数字信号的转换）
• 数据链路层——数据校验，定义了网络传输的基本单位——帧，ARP协议
• 网络层——定义网络，实现两台机器点到点的传输（IP数据报），IP协议，ICMP
• 传输层——两台主机中的进程之间传输数据（端到端），TCP，UDP，（报文段，用户数据报）
• 应用层——为客户提供各种应用服务，ftp，ssh

路由器：连接两个不同网段的桥梁

网络应用程序设计模式

• C/S模式：Client/Server模式，需要在通讯两端各自部署客户机和服务器来完成数据通信；
  优点：可以安装在本地，可以缓存数据，协议选择灵活
  缺点：客户端也需要开发，开发周期长
• B/S模式：Browser/Server模式，只需在一端部署服务器，另一台都是客户端即可完成传输
  优点：只需要开发服务端即可，剩下的都是通过浏览器使用http协议访问
  缺点：协议选择受限，不能缓存数据

MTU：Maximum Transmission Unit，最大传输单元。某一层上面所能通过的最大数据包大小，以字节为单位。

以太网帧格式

ARP协议：通过对方的IP地址获取MAC地址
具体实现：每个主机都有ARP缓存，存有本局域网上的各IP和MAC映射，如果缓存里面没有找到，那么
1、主机A的ARP进程在本局域网进行广播，“我的IP地址是：xx.xx.xx.xx，MAC地址是：xx:xx:xx:xx:xx:xx，我想知道IP地址为yy.yy.yy.yy的MAC地址”；
2、本局域网的所有主机都会收到ARP请求；
3、如果主机B的IP地址与ARP请求的IP地址一致，就收下这个请求，并向主机A发送响应，同时将自己的MAC地址写入到响应中，其它主机的IP地址与请求的IP不一致，则不做处理；
4、主机A收到主机B的响应后，就将主机B的IP和MAC映射写到了自己的ARP缓存中；同时主机B将主机A的IP和MAC映射写到了自己的缓存中；

IP数据报格式

• 协议版本：ipv4，ipv6
• 16位总长度：首部和数据部分总长度，65535
• 8位生存时间TTL(Time To Live)（网络连接下一跳的次数）：一跳就是网络中经过一个节点，超过这个节点，包就被丢弃了，防止网络拥塞
• 8位协议：区分上层使用的是什么协议（TCP，UDP）
• 16位首部校验：只校验IP数据首部，数据校验由更高层协议校验
• 32位源IP地址：4字节IP地址，点分十进制最大255
• 32位目的IP地址：4字节IP地址，点分十进制最大255

UDP数据报格式
面向无连接的，不安全的，不可靠的数据报传输（数据报不能分开）
传输效率高，比如收发短信

通过IP地址来确定网络环境中唯一的一台主机
主机上使用端口号来区分不同的应用程序， vim /etc/services查看已经绑定的端口号
IP+端口号唯一确定一台主机上的一个应用程序

TCP数据报文段格式
面向连接的，安全的，可靠的数据流传输协议
丢包重传、序号和确认序号、滑动窗口

• 32位序号：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，整个要传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置
• 32位确认序号：是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。
  若确认号=N，则表明：到序号N-1为止的所有数据都已正确收到
• ACK：确认ACKnowledgment
• SYN：在连接建立时用来同步序号，SYN=1而ACK=0表示这是一个连接请求报文段
• FIN：用来释放一个连接
• 16位窗口大小：主要进行流量控制，发送发和接收方速率不匹配时，需要设置，主要是指接收方告诉发送发我还有多少缓存。
  窗口字段指明了现在允许对方发送的数据量，窗口值动态变化着

三次握手和四次挥手

mss 表示告诉对方我这边一次最多接收可以接收多少数据

注意：

1. SYN和FIN本身也会占一位
2. 三次握手和四次挥手的过程都是在内核实现的

TCP状态图

TIME_WAIT出现在主动断开连接的一方。

socket_pair
客户端和服务端连接其实是一个连接对，创建socket相当于是创建了两个缓冲区：读缓冲区和写缓冲区。客户端的写缓冲区和服务端的读缓冲区是一对，客户端的读缓冲区和服务端的写缓冲区是一对。

半关闭状态
处于办关闭状态的时候，可以接受数据，但是不能发送数据，相当于把文件描述符的写缓冲区关闭了，半关闭一定是出现在主动关闭的一方。

滑动窗口
主要作用：进行流量控制
如果发送端发送的速度较快，接收端接收到数据后处理较慢，而接收端缓冲区的大小是固定的，就会导致缓冲区满而丢失数据。TCP协议通过“滑动窗口”机制解决这一问题。

在客户端给服务器发包的时候，不一定非要等到服务器返回响应包，由于客户端知道服务端的窗口大小，所以可以持续多次发送，当发送数据达到对方窗口大小了就不再发送，需要等对方进行处理，对方处理后就可以继续发送。

粘包
什么是粘包？
对方发送数据连续发了两次，然后读数据的时候第一次没有读完，剩余的数据在第二次读走了，这种情况就属于粘包。

解决方法：

1. 报头加数据，在报头部分加要接收的数据长度，00100123456789，0010四个字节表示数据长度是10，要接收10个长度
2. 添加结尾标志，但需一个一个判断是否是结束标志
3. 数据包定长，发送方每次都发一定的长度

心跳包
心跳包用于检查与对方网络的连接是否正常。
发送心跳过程：
服务A给B发送心跳数据（定义好的数据串），服务B收到心跳数据后，给A回复相应的数据，此时A收到B的回复后认为连接正常。假如A连续发了多次后，仍然没有收到B的回复，则认为连接异常，需要重建连接（先close原来的连接，再重新connect）。
长连接：连接建立好之后，一直保持连接不关闭
短连接：连接使用完之后就立刻关闭