计算机网络基础知识

　　互联网的本质就是一些列的网络协议。

　　一台电脑，虽然硬件齐全，但是想要和其他电脑进行信息交换，还得通过联网来进行。

　　那么问题就来了？何为"网"？其实，计算机通信和人与人之间交流类似，比如你想和一个英国人进行交流，那么前提是你得懂英文。如果你不懂英文，他说的你不懂，你说的他不懂。这样交流又有何意义呢？因此，人与人之间交流的障碍，我们可以通过协商，确认一种大家都认可的标准，按照这个标准，就可以进行交流。计算机与此类似，也需要制定一系列的标准，才能让其他计算机听懂你所传递的信息，这种标准就是我们所说的协议。

　　互联网协议的功能：定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机通信的标准。

　网络层次的划分

　　 为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织（ISO）在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。其中第四层完成数据传送服务，上面三层面向用户。

　　除了标准的OSI七层模型以外，常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议，它们之间的对应关系如下图所示：

　　

 

　　每层常见的物理设备

　　　　

　OSI五层模型

1. 物理层（Physical Layer）

　　　　主要功能：通过物理介质来传输比特流。

　　　　主要解决问题：(1)物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。

　　　　　　　　　　　（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。

　　　　　　　　　　　（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。

　　　　主要设备：（1）中继器（RP）:主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。

　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　（2）集线器(Hub):以太网集线器在传输信号时没有针对性，是采用了广播（Broadcast）的方式发送。集线器的任何一个端口接收到数据包时，集线器都会将该数据包广播到集线器的其他工作端口上，当这些端口所连接的网卡受到数据包后，会判断该数据包是否是发给自己的，如果是，则接收，反之将其丢弃。显而易见，这种向所有端口广播数据包的传输形式存在着两方面的不足：1，集线器向所有结点发送数据包，会造成数据通信的不安全，因为会有一些别有用心的人很容易就能截获他人的数据包；2，由于数据包是向所有结点同时发送的，再加上集线器共享带宽的工作方式，很容易形成广播风暴，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪。

　　　　主要协议：IEEE802.1A、IEEE802.2

　　2.数据链路层（Data Link Layer）

　　　　主要功能：将比特组合成字节,再将字节组合成帧,使用链路层地址 (以太网使用MAC地址)来访问介质,并进行差错检测。

　　　　主要问题:封装成帧、透明传输、差错检测

　　　　主要设备：网桥和二层交换机、网卡

　　　　主要协议：以太网协议，ARP，RARP

     3.网络层（Network Layer）

　　　　主要功能：实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。

　　　　主要问题：异构网络互联、路由与转发、拥塞控制

　　　　主要设备：路由器，三层交换机

　　　　主要协议：IP、ICMP、OSPF、IGMP

　　4.传输层（Transport Layer）

　　　　主要功能: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。

　　　　主要问题：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

　　　　主要设备：四层交换机、四层路由器

　　　　主要协议:TCP/UDP

　　5.应用层（application Layer）　

　　　　主要功能:为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。

　　　　主要协议:　HTTP、SNMP、FTP、SMTP、DNS、Telnet

　主要协议解析

• TCP协议

　　　TCP每发送一个报文段，就启动一个定时器，如果在定时器超时之后还没有收到ACK确认，就重传该报文。如图所示，数据包由A的缓冲区发往B，B在收到数据包以后，回发一个ACK确认包给A，之后A将该数据包从缓冲区释放。因此，该数据包会一直缓存在A的缓冲区，直到一个ACK确认为止。 

　　在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的面向连接的服务；三次握手（建立连接）和四次挥手（关闭连接）；使用滑动窗口机制进行流量控制；

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 三次握手建立TCP连接的各状态 
　　　　（1）第一次握手：建立连接时，客户端A发送SYN包[SYN=1,seq=x]到服务器B，并进入SYN_SEND状态，等待服务器B确认。 
　　　　（2）第二次握手：服务器B收到SYN包，必须确认客户A的SYN，同时自己也发送一个SYN包，即SYN+ACK包[SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1]，此时服务器B进入SYN_RECV状态。 
　　　　（3）第三次握手：客户端A收到服务器B的SYN＋ACK包，向服务器B发送确认包ACK[ACK=1,seq=x+1,ack=y+1]，此包发送完毕，客户端A和服务器B进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。 完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。 
　　　　三次握手完成后，客户端和服务器就建立了TCP连接。这时可以调用accept函数获得此连接。三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接，并同步连接双方的序列号和确认号并交换TCP 窗口大小信息。在socket编程中，客户端执行connect()时，将会触发三次握手。

 　　　　四次挥手的详细图解 
　　　　TCP的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在socket编程中，任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。TCP要保证在所有可能的情况下使得所有的数据都能够被投递，当你关闭一个socket时，主动关闭一端的socket将进入TIME_WAIT状态，而被动关闭一方则转入CLOSED状态 ，这能够保证所有的数据都被传输。

　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 四次挥手关闭TCP连接的各状态 
　　　　（1）首先A B端的TCP进程都处于established状态， 当A的应用程序传送完报文段，就会去主动关闭连接。A会停止发送报文段（但是还会接收），并向B发送[FIN = 1,seq=u]数据，之后进入FIN-WAIT-1状态； 
　　　　（2）B接收到A发送的请求之后，会通知应用进程，A已经不再发送数据，同时B会向A发送ACK确认数据[ACK=1,seq=v,ack=u+1 ]，B进入CLOSE-WAIT状态，A接收到B发送的数据之后，A进入FIN-WAIT-2状态；此时A到B方的连接已经关闭了（即半连接状态）。 
　　　　（3）当B的应用进程发现自己也没有数据需要传送，B应用进程就会发出被动关闭的请求，B此时向A发送[FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1]数据，并且进入LAST-ACK状态； 
　　　　（4）A接收到B发送的数据之后，向B发送ACK确认数据[ACK =1,seq=u+1,ack=w+1]，进入TIME-WAIT状态，等待2MSL之后正常关闭连接进入CLOSED状态；B接收到A发送的确认之后进入CLOSED状态。B到A方的连接关闭！至此，TCP连接才真正全部关闭！