计算机网络（1）

计算机网络（1）

基础篇

一、 TCP/IP 网络模型
背景（why？）：
同一设备不同进程之间的通信方式有：管道、消息队列、共享内存、信号等方式。
不同设备呢？——需要网络进行网络通信
由于设备的多样性，所以我们需要通用的网络协议来规范。而为了网络协议之间分层解耦：每一层专注自己的职责，所以将网络协议分为了四层。由上至下：
应用层
传输层
网络层
网络接口层

• 应用层
  最上层，用户直接感知到的层面。电脑或手机使用的app在应用层实现。当两个不同设备的应用通信时，就把数据传输到下一层：传输层。
  应用层只用专注为用户提供服务，如https、dns、ftp、Telnet等。
  应用层工作在操作系统的用户态，其他层都在内核态。
  
• 传输层
  应用层传输层，传输的数据称为数据包。
  重点关注两个传输协议：TCP（Transmission Control Protocol）,UDP（User Datagram Protocol）。
  

对比项TCPUDP连接方式面向连接（建立连接，如三次握手）无连接（直接发送，不建立连接）可靠性可靠，保证数据顺序、无丢包、无重复（通过确认应答、重传机制）不可靠，不保证到达、顺序或不重复传输方式面向字节流面向报文速度较慢（因需建立连接、确认、重传、拥塞控制）较快（无需连接与确认，开销小）数据边界无边界，应用需定义消息长度有边界，每个UDP包独立传输头部开销20 字节8 字节适用场景需要可靠传输的场景，如：网页（HTTP/HTTPS）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）对实时性要求高，丢包可接受的场景，如：视频会议、实时游戏、VoIP拥塞控制有，避免网络拥塞无，由应用层自行处理流量控制有（滑动窗口机制）无顺序保证保证数据顺序不保证顺序连接管理三次握手建立连接，四次挥手断开连接无连接，发送即结束注意：UDP也可以实现安全传输，将TCP特性在应用层实现。
问题：传输数据非常大=>传输不可控
解决方案：当数据包 > MSS(TCP最大报文长度)时，进行分块传输，当一个分块丢失或损坏，重新发送一个分块。
TCP协议中，每个分块称为一个TCP段（Segment）
问题：一台设备多个应用同时接受或传输数据，怎么定为？
解决：引入端口号。例如：80通常是web服务器用的；22是远程登录服务器用的
浏览器（客户端）中每个标签栏对应一个独立的进程，操作系统会为其分配临时的端口号。
传输层报文携带端口号，因此接收方可以识别出报文发送给哪个应用。

• 网络层
  不同进程之间实际的数据传输功能层。
  网络层协议：IP（Internet Protocol）协议
  IP报文由IP包头与数据（即传输层的报文）组成。
  IP报文大小超过MTU(通常是1500字节)时会进行分片，类似传输层中的分块。
  问题：怎么在网络中找到目标设备呢？——编号
  解决：引入IP地址
  IPv4 ：32位，四段，每段8位，例：192.168.100.1
  怎么寻址？一个一个匹配？显然不科学
  通过ip地址计算：网络号与主机号。网络号表示该ip地址的子网，主机号表示同一子网下的不同主机。怎么计算？结合子网掩码。
  例子： 10.100.122.0/24                这里的/24表示的就是子网掩码：255.255.255.0（24个1）
  网络号 = 10.100.122.2与255.255.255.0 按位与运算
  主机号 = 10.100.122.2与255.255.255.0取反后再按位与计算
  找到目的地就可以了吗？显然还不行，你还要选择到达目的地的路径
  引出了IP协议的另一个功能，路由。
  在实际的场景中，网络设备并不是之连接一条网线，而是通过网关、路由器、交换机等众多网络设备连接，因此会形成很多网络路径。当数据包到达一个网络节点时，就需要通过路径选择算法决定要走哪条路。
  **小结：IP寻址是为了找到下一个目的地；路由则是根据目的地选择路径。
  
• 网络接口层
  $$
  IP报文到达 \Rightarrow 网络接口层添加MAC \Rightarrow MAC+IP报文经过封装 \Rightarrow 数据帧（Data frame）\Rightarrow 发送到网络
  $$
  这里的MAC是什么，有什么用？
  以太网的概念：把局域网内的设备连接起来，使用MAC地址作为标识。定义了物理层和网络接口层的规范。
  怎么连接的？以太网接口、wifi接口、路由器上的千兆、万兆以太网口、网线
  而在以太网中匹配网络包目的地的方式与ip寻址不同，所以引入了MAC头部来匹配IP寻址。MAC包含了接收方和发送方的MAC地址等信息，通过ARP协议获取MAC地址。
  网络接口层为网络层提供“链路级别”传输服务，负责在以太网、wifi底层网络上发送原始包。
  小结：IP：逻辑定位“寄信到哪个地址”；MAC：物理投递“把信投递到谁手里”，而这里以太网有点类似投递公司。
  
• 总结
  分层模型使每一层只用专注自己的职责，不用关心其他的实现（其实就是java对象封装的思想），学习过程中主要关注前三层，最后网络接口层是硬件上的实现，了解即可。同时为了解决不同设备上通信问题，每一层都有自己的协议，按照协议来传输，就可以实现跨设备通信。
  
  
  
  
  
  
  

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