【计算机网络】计算机网络核心知识点

1.计算机网络分类

• 按照网络的作用范围：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）
• 按照网络使用者：公用网络、专用网络

2.计算机网络的层次结构

（1）OSI 七层模型 Open System Interconnection 七层模型

（2）TCP/IP四层模型与OSI体系结构对比

• TCP/IP 四层模型 Transmission Control Protocol/Internet Protocol）四层模型
  • 应用层：负责应用程序之间的沟通，如 HTTP、FTP、DNS 等
  • 传输层：负责两台主机之间的数据传输，端到端通信，如 TCP、UDP 等
  • 网际层：负责网络包的封装、寻址和路由，如 IP 等
  • 网络接口层：负责网络包在物理网络中的传输，如 MAC 寻址转化、通过网卡传输网络数据帧等

3.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

• 网络分层模型下，数据在各层之间的传输

• 发送数据包
  • 在网络协议栈中从上到下逐层处理，最终送到网卡发送出去
• 接收数据包
  • 需要经过网络协议栈从下到上的逐层处理，最后送到应用程序中使用
• 注意
  • 应用层是直接面向用户的一层，为应用程序提供统一协议的接口，但不是应用程序
  • 目的是保障不同类型的应用采用的低层通信协议是一致的

• 分层的好处：

  • 每层分工明确，利用单一职责模式和责任链模式
  • 开发人员 负责 编写应用层 业务代码
  • 操作系统 负责 建立网络连接、可靠性传输
  • 交换机路由器 负责 物理媒介上传输二进制格式

• 传输层协议和网际层协议有什么区别

  • 网际层协议负责提供主机间的逻辑通信

    • 互联网上N多台设备，通过IP地址识别通信主机，网络层可以具体定位到哪台设备
    • 网络层的只检验IP数据报首部中的校验和字段是否出现差错，而不检查数据部分

  • 传输层协议负责提供进程间的逻辑通信

    • 一个主机上N多进程，通过端口号识别应用层进程，传输层可以具体定位到哪个进程
    • 需要对收到的报文更进一步进行差错检测

4.网络层核心知识

（1）什么是IP协议（Internet Protocol）

• IP协议是一种工作在网际层的网络协议，定义如何将数据包从一台计算机传输到另一台计算机。提供一种通用的方法来在网络中传输数据，提供不可靠、无连接的传送服务。
• App发送请求，达到运营商的交换机，交换机根据IP地址在进行路由转发（多次），最后达到目标服务器。IP协议用途是把数据包投递过去，但不确保数据一定送达，可以用传输层TCP协议的机制做可靠性传输。IP协议是其他协议的基础，比如TCP和UDP。

（2）IP协议的用途

• 寻址和路由

  • IP数据报中有源IP地址和目的IP地址，表示数据包的源主机和目标主机。
  • 数据报在传输过程中，每隔中间的网络节点比如IP网关/路由器等，都是根据网络地址来进行转发的，直至目标主机。

• 分片和重组

  • 数据报传输过程中会经过不同的网络，不同的网络环境中数据报的最大长度限制是不同的。
  • 通过给每个IP数据报分配一个标识符和分段组装信息，可以让数据报在不同的网络中能够被传输。
  • 被分段的IP数据报可以独立在网络中进行转发，在达到目标主机后由目标主机完成重组工作，恢复程原来的I数据报。

（3）网络层相关协议

• 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）

（4）IP地址分类

• ip地址由4个小段，每个小段由8个bit，即四个字节组成共32位。例如 192.168.0.0 （二进制1100 0000， 1010 0000， 0000 0000， 0000 0000）。

• IP 地址 = {<网络号>，<主机号>}

  • 网络号：属于互联网的哪一个网络

  • 主机号：属于该网络中的哪一台主机

• 全球现有的IPv4地址一共有2的32次方个，估算约为42.9亿个，除去一些特用的IP和一些不能用的IP，剩下可用的不到40亿

（5）如果IPv4地址不够用怎么办

• DHCP技术

  • 动态主机配置协议，动态分配IP地址，指给接入网络的设备分配IP地址。
  • 同一个MAC地址的设备，每次接入互联网时，得到的IP地址可能不一样

• NAT技术

  • 网络地址转换协议，不同局域网的主机可以使用相同的IP地址，一定程度上缓解了IP资源枯竭的问题。

  • 局域网中使用的IP地址是不能在公网中使用的，当局域网主机想要与公网主机进行通信时，将主机IP地址转换为全球IP地址

  • 原理

    • 从局域网出去的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映射表；
    • 从公共互联网返回IP数据报，根据目的IP地址查找NAT映射表，把内部局域网IP地址替换目的IP地址，转发到内部网络。

• IPV6

  • 作为接替IPv4的下一代互联网协议，可以实现2的128次方个地址，

  • 即使给地球上每一粒沙子都分配一个IP地址也够用，从根本上解决IPv4地址不够用的问题

（6）什么是MAC地址（Media Access Control Address）

• 用来定义网络设备的位置，也叫硬件地址，每一个电脑设备都有唯一的Mac地址共48位，使用十六进制表示。
• MAC地址在世界是唯一的，通常表示12个16进制数。

• ARP协议

  • Address Resolution Protocol，地址解析协议，实现 IP 地址到 MAC 地址的映射，ARP表是自动建立，不需要配置
  • 为网卡的IP地址到对应的硬件地址提供动态映射, 把网络层32位地址转化为数据链路层MAC的48位地址。

• RARP协议

  • Reverse Address Resolution Protocol 逆地址解析协议，把数据链路层MAC的48位地址 转化为 网络层32位地址

（7）IP和Mac的区别

• MAC地址是数据链路层和物理层使用的地址，写在网卡上的物理地址，不可变更。

• IP地址是网络层使用的地址，是一种逻辑地址，用来区别网络上的计算机

5.传输层核心知识

（1）什么是传输层

• 网络层把数据发到对应的节点，传输层则进一步将数据可靠的传送到对应的端口。
• 使用端口区分不同的进程，信息传送的协议数据单元称为段或报文。
• 主要的协议：TCP和UDP

（2）UDP协议（User Dataram Protocol用户数据报协议）

• 面向无连接的协议，它不需要建立连接，就可以发送数据。
• 协议不需要握手，因此发送数据的速度最快，传输效率更高。
• 不提供可靠性，因为它不会检查发送的数据是否损坏或丢失，所以可能会发生数据丢失或损坏的情况。
• 支持多种应用，如视频会议、在线游戏等，它可以提供实时性和可靠性。

（3）TCP协议 （Transmission Control Protocol 传输控制协议）

• 面向连接：TCP是面向连接的协议，在正式收发数据前，必须建立可靠的连接。
• 可靠性：TCP协议提供了丰富的可靠性机制，如检验、确认和重传等，来确保数据的正确性。
• 流量控制：提供了流量控制机制，可以防止发送方发送数据速度过快，从而使接受方来不及处理，从而确保网络的稳定性。

• 拥塞控制：提供了拥塞控制机制，可以防止网络拥塞，从而提高网络的吞吐量。
• 常用于传输文件、电子邮件、FTP等服务，能够校验数据的完整性，以保证数据不被破坏。

• 协议部分解析

• 源端口号：报文的发送端口
• 目的端口号：报文的接收端口
• 序号（seq）：在TCP传送的数据流都有一个序号
  • 在SYN标志是1时，表示初始发送的序列号
• 确认号(ack)：期望收到对方下次发送的数据的第一个字节的序号，是上次已成功收到数据字节序号+1
  • 例如发送确认号为1001，则表示前1000个字节已经被确认接收
• 标志位（控制位，方便后续了解TCP三次握手）
  • URG (urgent紧急，很少用)
    • 当URG=1时，此报文应尽快传送
  • RST (reset重置)
    • 重置复位标志，用于复位对应的TCP连接
    • RST一般是在FIN之后才会出现为1的情况，表示的是连接重置
  • FIN (finish结束)
    • 结束标志，用于结束一个TCP会话，释放连接
  • PSH (push传送)
    • 指数据包到达接收端以后，不对其进行队列处理，尽快把数据交给应用程序处理
    • 常规数据发送流程
      • 主机发送数据时，会放在TCP缓冲区中，直到该段达到一定大小，然后发送到接收器
      • 当段到达接收端时，被放置在TCP传入缓冲器中，会等待直到其他段到达，完成后数据就被传递到应用层
      • 这种设计保证数据传输尽可能高效，将它们组合成一个或多个较大的片段，节省时间和带宽
      • 上述流程大多数情况下是没问题的，但是有些则需要尽快处理，所以有这个标识位
  • ACK (acknowledgement 确认)
    • 确认标志，1表示确认收到请求，0表示未确认
  • SYN( 同步序列编号Synchronize Sequence Numbers)
    • SYN标志位和ACK标志位搭配使用，用来建立连接
    • 当连接请求的时候，SYN=1，ACK=0，代表连接开始但是未获得响应
    • 当连接被响应的时候，标志位中ACK会置为1 代表确认收到连接请求，变成了SYN=1，ACK=1
    • SYN与FIN不会同时为1的，因为前者 表示的是建立连接，而后者表示的是断开连接

6.MTU-MSS介绍

（1）什么是MTU（Maximum Transmission Unit）

• MTU是指在网络中，单个数据包能够传输的最大字节数，数据链路层提供给上层网络最大一次传输大小。
• 是网络设备在处理数据包时所能支持的最大封装单元大小（不同网卡的MTU也是不一样的）。
• 以太网数据链路层中约定的数据载荷部分最大长度，数据不超过它时就无需分片。
• MTU值越大传输的速率就越快，但也会增加网络的延迟。
• 数据包从发送端传输到接收端，要经过多个网络，每条网络的MTU都可能不一样，通信过程中最小的MTU称为路径MTU

（2）什么是MSS（Max Segment Size，是TCP最大报文段大小）

• 是一个TCP报文段中包含的最大字节，传输层TCP提交给网络层最大分段大小。
• TCP在传输大量数据时以MSS的大小将数据进行分割发送，重发时也是以MSS位单位。
• MSS的值由发送端和接收端在建立连接的请求时，会在TCP首部中写入MSS选项，告诉对方自己的接口能够适应的MSS的大小。
• MSS = MTU -IP header头大小 - TCP头大小
• TCP的MSS最大值是：以太网MSS = 1500（MTU）-20（IP首部长度）-20（TCP首部大小） = 1469字节

（3）TCP和UDP每次能够传输的最大长度是多少？

• 以太网数据包（packet）的大小是固定1522字节
  • 其中22字节是头信息（head）， 1500 字节是负载（payload）
  • IP 数据包在以太网数据包的负载里面，它也有自己的头信息20字节，所以 IP 数据包的负载最多为1480字节
  • TCP 数据包在 IP 数据包的负载里面，它的头信息最少也需要20字节，所以 TCP 数据包的最大负载是 1480 - 20 = 1460 字节
  • 但 IP 和 TCP 协议往往有额外的头信息，所以 TCP 负载实际为1400字节左右
• UDP 数据包每次能够传输的最大长度 MSS = MTU(1500B)- IP头(20B) - UDP头(8B) = 1472(Bytes)
• TCP 数据包每次能够传输的最大长度 MSS = MTU(1500B) - IP头(20B) - TCP头(20B) = 1460 (Bytes)

发送10MB数据包，最终应用程序是怎样获取数据的？

• 假如发送一个 10MB 的文件，因为一个包最多1400字节，就必须分成多个包，起码需要发送7100多个包。

  • 注意：数据包大小在不同协议不一样，HTTP/2对比HTTP/1有优化压缩 HTTP协议的头信息。

• 服务器的操作系统会把收集的数据包组装完成，根据TCP包的端口转给应用程序，应用程序不用关心数据通信的细节。

7.计算机网络的核心指标

• 比特是计算机中的数据量单位，一个比特是一个1或一个0
• 1Byte（字节）=8bit（比特） 字节的简写为B，比特简写为b
• 小写b和大写B分别对应大小单位bit（比特）和byte（字节）

（1）速率

• 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或速率。
• 单位：bit/s（b/s，bps） 或 kb/s = 10³ b/s（小写k指10³）

• 案例
  • 假如 数据块大小 100MB，网卡发送速率是100Mbps，发送时间大体是 8秒多
  • 100MB*8 / 100Mbps 约等于 8秒， 特别注意：1/8(B/s)=b/s，即1B=8bit，平时计算需要单位换算

（2）带宽

• 网络通信线路所能传送数据的能力，在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，单位同速率也是bps
• 案例
  • 家里带宽为800M，是指800Mbps或800Mb/s，真实速度其实要在带宽的基础上除以8即，800Mbps/8=100M/s
  • 用户在网上下载时显示的速率单位往往是Byte(字节)/s(秒)，注意是大写字母B，字节和比特之间的关系为1Byte=8Bits；

（3）吞吐量

• 单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际的数据量，单位通常为 b/s（比特 / 秒）或者 B/s（字节 / 秒）
• 吞吐量受带宽限制，吞吐量 / 带宽，就是该网络的使用率
• 常用的网络吞吐率的单位有
  • PPS（即每秒发送多少个分组数据包）Packet Per Second（包 / 秒）表示以网络包为单位的传输速率
    • 云服务器实例每秒最多可以处理的网络数据包数量（包括收发包两个方向）
    • 网络收发包用于衡量云服务器的网络质量，PPS数值越大网络性能越好
  • BPS（Bytes Per Second）即每秒发送多少字节
  • bPS （bits Per Second ）即每秒发送多少比特

（4）时延

• 指数据(一个报文或分组，甚至比特)从网络的一端传送到另一端所需的时间
• 源主机和目的主机之间路径会由多个链路和多个路由器组成，网络时延主要由 发送+传播+处理时延组成

（5）往返时间RTT

• 从源主机发送信号到目标主机，目标主机接收信号再返回到源主机所需要时间（一个来回）

（6）丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
• 场景 ：老王打王者荣耀游戏时丢包造成游戏卡顿

8.ifconfig命令简介

• 展示网络信息和网卡接口手法数据包的统计信息

9.网络统计分析命令netstat

（1）netstat命令简介

• 内核中访问网络及相关信息的命令，显示与IP、TCP、UDP和ICMP协议相关的统计数据，检验本机各端口的网络连接情况

（2）应用场景

• netstat -anp ：显示系统端口使用和进程情况
  • netstat -anp |grep 端口 ：显示指定系统端口使用和进程情况

• netstat -nupl：UDP类型的端口

• netstat -ntpl：TCP类型的端口
  • netstat -na|grep ESTABLISHED|wc -l：统计已连接上的，状态为"established"

• netstat -l：只显示所有监听端口

• netstat -lt：只显示所有监听tcp端口

• netstat -atnlp 常用固定参数命令

（3）state状态简介

• LISTEN（socket进行监听）
• SYN_SENT（客户端tcp发送一个SYN以请求建立一个连接.之后状态）
• SYN_RECV（服务端发出ACK确认客户端的 SYN 后状态置为SYN_RECV）
• ESTABLISHED（打开的连接，双方可以进行或已经在数据交互）
• FIN_WAIT1（主动关闭端应用程序调用close，TCP发出FIN请求主动关闭连接，之后进入FIN_WAIT1状态）
• CLOSE_WAIT（被动关闭端TCP接到FIN后，发出ACK以回应FIN请求，并进入CLOSE_WAIT）
• FIN_WAIT2（主动关闭端接到ACK后，就进入了FIN-WAIT-2）
• LAST_ACK（被动关闭端一段时间后程序将调用CLOSE关闭连接，TCP发送一个 FIN,等待对方的ACK.进入LAST-ACK）
• TIME_WAIT（在主动关闭端接收到FIN后，TCP 就发送ACK包，并进入TIME-WAIT状态）
• CLOSING（少见，等待远程TCP对连接中断的确认）
• CLOSED（被动关闭端在接受到ACK包后，就进入了closed的状态。连接结束）
• UNKNOWN（未知的Socket状态）