计算机网络

GPT摘要

这篇文章主要介绍了计算机网络通信的基础概念和技术原理，涵盖从物理层到应用层的各个层级，以及数据传输的相关机制。 1. 网络分层结构：从物理层（比特传输）、数据链路层（帧组装）、网络层（数据包路由）、传输层（可靠数据传输）到会话层、表示层和应用层（协议数据处理），逐层解释其功能和作用。 2. 数据传输机制： - HUB与交换机：HUB采用广播方式发送数据，半双工工作；交换机通过MAC地址表定向转发数据，支持全双工。 - MAC地址与IP路由：数据包传递过程中，IP地址不变，而MAC地址会根据不同网络节点（交换机、路由器）动态变化。 - ARP协议：负责IP地址到MAC地址的转换，使用缓存优化查询效率。 - 差错检测（CRC）、可靠传输（ARQ协议）及流量控制（滑动窗口、超时重传）。 3. 网络互联与路由： - 路由器负责不同子网间的数据转发，路由表包含目标网络、子网掩码、下一跳和接口信息。 - RIP协议（基于距离向量）和OSPF协议（基于链路状态）分别用于构建和优化路由表。 4. TCP/IP关键机制： - 三次握手（建立连接）和四次挥手（终止连接）确保通信可靠性。 - 拥塞控制（慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复）和流量管理（接收窗口调节发送速度）。 5. 应用层协议：HTTP（TCP/80）、HTTPS（TCP/443，加密+认证）、DNS（UDP/53）、SMTP（TCP/25）等，对比TCP（可靠）与UDP（高效）的适用场景。 6. HTTPS安全机制：结合非对称加密（证书验证服务器身份）和对称加密（数据传输），依赖CA机构确保公钥真实性。 7. Web请求流程：DNS解析、TCP连接、HTTP请求、服务器处理、资源加载和页面渲染，涉及状态码（2xx成功、3xx重定向、4xx客户端错误、5xx服务器错误）的应用。 整体围绕网络架构、通信协议、路由优化及安全传输展开，系统梳理了数据从传输到应用的关键技术点。

层次结构

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MAC首部 + IP首部 + TCP首部 + TCP数据

物理层：通过媒介传输比特,确定机械及电气规范（比特Bit）
数据链路层：将比特组装成帧和点到点的传递（帧Frame）
网络层：负责数据包从源到宿的传递和网际互连（包PackeT）
传输层：提供端到端的可靠报文传递和错误恢复（段Segment）
会话层：建立、管理和终止会话（会话协议数据单元SPDU）
表示层：对数据进行翻译、加密和压缩（表示协议数据单元PPDU）
应用层：允许访问OSI环境的手段（应用协议数据单元APDU）

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数据链路层

多台机器如何传输： 数据要有标识来源MAC地址(from to)

  • HUB集线器：直接转发给全部机器，不能同时发送，需要CSMA/CD，半双工
  • 交换机：有一张MAC地址和端口的表（自学习），定向转发。通过网线可以实现全双工

CSMA/CD

​ 多址接入、载波监听、碰撞检测

​ 往返时间为2t，每个数据包要大于2t发送时间（最短有效帧长）。所有小于等于2t的都丢弃。

​ 1KM往返10us；10Mbit/s ，512bit(64B)最短帧长，总线不能超过5120m。考虑衰减：2500m

​ 648/10^7^ >= 5120 * 2 / 210^8^

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以太网的最小帧长是通过争用期计算出来的。一个站点开始发送数据后，最多经过时间 2τ(两倍的端-端时延)就可知道是否发生了碰撞 即一端发送一个帧，在无限接近另一端的位置发生了碰撞，然后碰撞信息再从碰撞位置传递回来，刚好就是一个往返以太网的端到端往返时延2τ称为争用期，或碰撞窗口 ，如果经过争用期还没有检测到碰撞，就可以肯定这次发送不会发生碰撞为什么最短帧的大小取决于争用期时长？因为如果最短帧的传输时间小于争用期（比如30μs），那么就会导致发送完这个帧之后，在不知道帧有没有传送成功的情况下（至少需要51.2μs来确定）又发送了下一个帧。反之，如果最短帧的传输时间大于争用期，由于碰撞信息一定可以在帧发送完之前传到，就可以保证只有在上一个帧没有发生碰撞，正确传输的情况下才会发送下一个帧。对于最大长度为2500米的10Mbps 网络和四个中继器（来自802.3规范），在最坏的情况下，往返时间（包括通过四个中继器的传播时间）被确定为接近50微秒。因此，允许的最短帧必须至少花费这么长的时间来传输。在10Mbps时，一个比特需要100纳秒，所以500比特是保证工作的最小帧。为了增加一些安全边际，这个数字被四舍五入到512比特即64字节，相应的，以太网的争用期长度也被确定为51.2 μs  据此规定以太网帧长≥ 64 字节，长度小于64字节的帧为无效帧

ARP ： IP-》MAC

差错检验： CRC

可靠传输：ARQ停止等待、回退N帧（可以发多个）、选择重传（可以不按序接收）

网络层

设备太多了交换机的表记录不下来。通过路由器构建多个网络间的连接，一个路由器有多个接口(ip)对应多个子网

通信方式

  • 子网间通信：发给默认网关。由某路由器根据路由表转发
  • 同一子网通信：直接通过交换机

路由表：目的网络地址、子网掩码、下一跳(下一个路由表ip地址)、接口

​ 我想访问IP通过子网掩码后，如果于路由表的目的网络地址对应上了，则转发到下一跳

路由表如何构建： 单个目标网络可能有多个路径，如何选取最优

  • RIP(小型网络)。额外维护一个距离信息。每30s邻居向自己发送（可达地址+距离），如果距离更短则更新下一条和距离。坏消息传得慢
  • OSPF。每个路由搜集全部路由联络信息LSA，构建LSDB(Link State DataBase)掌握全网的拓扑结构，然后构建权重有向图，再计算最短路径

传输过程中，IP地址(4*8 )不变，但MAC地址一直在变

NAT：内网访问外网，分配临时IP

传输层

​ 应用间通信

​ 端口区分应用：FTP 21、TELNET 23、 SMTP 25、 DNS 53、 HTTP 80、 HTTPS 443

TCP可靠传输：发送需要确认 （滑动窗口）、超时重传

  1. TCP有拥塞控制机制，UDP没有。网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低，这对某些实时应用是很重要的，比如媒体通信，游戏；
  2. 对某些实时性要求比较高的情况，选择UDP，比如游戏，媒体通信，实时视频流（直播），即使出现传输错误也可以容忍；其它大部分情况下，HTTP都是用TCP，因为要求传输的内容可靠，不出现丢失

建立连接

三次握手：防止假如a发了两次请求，第一次以为失败了，而b接受了两次请求，第二次一直在等a浪费时间。

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四次挥手：1 a发出关闭请求，2 b发出响应确认，并半关闭状态不断发送信息， 3 最后发送关闭请求。a确认关闭请求

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可靠传输

可靠传输通过发送需要确认(确认序号)和超时重传来实现，为提高效率使用滑动窗口

  • 滑动窗口：以发送但未确认的最大字节数。接收方接受窗口如果接受到无序的数据先缓存
  • 超时重传： 指数加权移动RTT，不考虑超时重传的报文

流量拥塞控制

流量控制: 不断回发接收方的窗口大小

拥塞控制（拥塞窗口大小）：慢启动（指数）、拥塞避免（线性）、快重传 （3个ack后立即重发）、快恢复（对于快重传情况，拥塞后直接从新门限开始）

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发送窗口 = min(接收窗口，拥塞窗口)

应用层

应用 应用层 运输层

电子邮箱 SMTP TCP

远程访问 TELNET TCP

万维网 HTTP TCP

文件传输 FTP TCP

域名解析 DNS UDP

IP电话 专用协议 UDP

问题

ARP协议 (Address Resolution Protocol)

封装成帧时，通过ARP将IP->MAC地址。ARP 高速缓存中有就拿，没有就广播询问

RIP (Routing Information Protocol, 距离矢量路由协议)

维护路由器一张表：目的网络 、距离、下一跳 坏消息传得慢

NAT (Network Address Translation, 网络地址转换)

将内网IP地址转化为临时外网IP地址，保持到NAT转换表中。

HTTP和HTTPS有什么区别？

  1. 端口不同：HTTP使用的是80端口，HTTPS使用443端口；
  2. HTTP（超文本传输协议）信息是明文传输，HTTPS运行在SSL(Secure Socket Layer)之上，添加了加密和认证机制，更加安全；
  3. HTTPS由于加密解密会带来更大的CPU和内存开销；
  • 服务器发公钥给浏览器，浏览器随机数（传输密钥）加密后传给浏览器，浏览器再私钥解密得到 传输密钥（非对称+对称加密 、如果只非对称加密，浏览器的数据会被窃取）
  • 问题：如果中间人用窃取公钥并拦截，并生成自己的公钥发给浏览器，作为中间商，就会出问题
  • 如何确定浏览器收到的公钥是服务器给的：（域名、第三方机构、服务器公钥）给CA，CA添加数字签名（内容->hash->私钥加密）后给浏览器。浏览器解密（CA的公钥，浏览器信任的CA机构）看是否和明文hash一致

Session与Cookie的区别？

Session是服务器端保持状态的方案，Cookie是客户端保持状态的方案

保存Sessionid的方式可以采用Cookie，请求时携带。如果禁用了Cookie，可以使用URL重写机制（把会话ID保存在URL中）。

从输入网址到获得页面的过程 (越详细越好)？

  1. 浏览器查询 DNS，获取IP
  2. 浏览器获得域名对应的IP地址以后，浏览器向服务器请求建立链接，发起三次握手；
  3. TCP/IP链接建立起来后，浏览器向服务器发送HTTP请求；
  4. 服务器接收到这个请求，并根据路径参数映射到特定的请求处理器进行处理，并将处理结果及相应的视图返回给浏览器；
  5. 浏览器解析并渲染视图，若遇到对js文件、css文件及图片等静态资源的引用，则重复上述步骤并向服务器请求这些资源；
  6. 浏览器根据其请求到的资源、数据渲染页面，最终向用户呈现一个完整的页面。

HTTP请求有哪些常见状态码？

  1. 2xx状态码：操作成功。200 OK
  2. 3xx状态码：重定向。301 永久重定向；302暂时重定向
  3. 4xx状态码：客户端错误。400 Bad Request；401 Unauthorized；403 Forbidden；404 Not Found；
  4. 5xx状态码：服务端错误。500服务器内部错误；501服务不可用