计算机网络

计算机网络 一、OSI七层模型

        OSI 指的是 Open System Interconnection Reference Model，开放式系统互联模型。

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应用层：

• 处理业务问题，处于最上方，只关心业务逻辑，不关心数据传输。

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表现层：

• 负责协商用于传输的数据格式，并转换数据格式，转换成对方能够用的数据。

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会话层：负责管理两个网络实体间的连接，目标是提供稳定事实且连续的连接。

• 主要是管理连接的建立和释放，维持通信。

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传输层：负责将数据从一个实体传输到另一个实体，但不负责解决数据如何传输。主要负责

• 数据拆分重组；
• 数据传输纠错；
• 处理数据频繁交换；
• 控制传输数据速率；
• 标明参与传输的应用服务器的端口号，用于端口寻址。

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网络层：

• 负责把一个封包从一个 IP 地址传输到另一个 IP 地址。

在传输层数据会变成一个封包。

核心是路由，路由算法帮助封包选择下一个目的地，路径最短？延迟最低？还是默认写死？

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数据链路层：

• 确保两个临近设备间数据的传输，隐藏底层实现；
• 帧同步：两个设备之间传输时的协商速率问题；
• 数据纠错。

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物理层

封装和隐藏具体的传输手段，并且提供稳定的传输接口。

        OSI 的意义是统一了所有人对互联网的认知，但是分层设计相对臃肿，并非每一层都是必要的。

        例如：ping 的服务不需要会话层，也不用表现层。

        一般应用层会被设计成应用层、表示层和会话层三层结合，然后就总共五层了。

二、TCP/IP 互联网协议群

         TCP/IP 主要解决5个问题：报文拆分、增加协议头、数据在相邻设备间数据传递、路由和寻址、数据重组。

        报文拆分：用户数据量大，不支持一次性传输，需要拆分成多个数据块，另一方面还可以报文拆分可以复用传输路径。

        增加协议头：数据分块后在接收端需要重组，所以需要使用头部来添加字段描述。   

        数据在相邻设备间传递，数据从设备1发送到网关1，再由网关1发送到网关2，网关2发送到网关3，在从网关3发送到设备2。     

        路由算法： 数据从一个节点到另一个节点之后，接下来该去往哪里，就涉及到路由算法的问题，通过算法寻找到下一个要到达的节点。

        数据重组：和报文拆分相反，拆分后的报文通过传递后，根据消息头进行重组，再给接收方处理。

        TCP/IP协议群的5层模型

应用层：

数据从一个应用发往另一个应用的过程。

传输层：增加协议头

主机到主机之间的传输。

TCP 协议、UDP 协议、TLS/SSL、SCTP 等。

网络层：增加 IP 头。

提供路由和寻址，网络层需要增加自己的封包头，增加的封包头也会影响传输次数，可能添加一次报文拆。

IP 协议（ipv4 和 ipv6）、ICMP 协议、IPSec 协议。

数据链路层：

两个节点之间的物理连接。

物理层：

负责0-1信号的传输。

        5层模型和 OSI 的区别

        删除了会话层，是因为会话是虚拟概念，不是必需的。

        删除了表示层，数据压缩、数据格式转换不是应用必需的。

        如果应用需要这俩层，可以在应用层实现或者在传输层实现。

三、TCP 协议

        TCP 就是 Transport Control Protocol，传输层控制协议是一个可以提供可靠的、支持全双工、连接导向的协议，因此在客户端和服务端之间传输数据的时候，是必须先建立一个连接的。

        1.什么是连接?

        连接也被成为会话（Session）,能让两个通信的程序确保彼此都在线，可以加快响应请求速度，使得通信更稳定、更安全，但是会消耗更多资源。

        2.什么是全双工？

        单工：任何时刻数据只能单向发送。

        半双工：允许数据在两个方向上传输，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输。

        全双工：任何时刻都能双向发送数据。

        3.什么是可靠性？

        可靠性是指数据保证无损传输，使无序的数据恢复有序，多播时每个接收方都能获得无损副本。多播可能要求具有强可靠性，也就是他一个接收方收到数据了，也同时要求所有的接收方都能获取到数据，反之，要求所有的接收方都获取不到数据。

        TCP 协议的工作过程

        因为要保持连接和数据可靠性，这里建立连接过程是有一个约束的，TCP 得保证每条发出去的数据必须得返回来，如果数据发出去了没有返回，就不叫连接，连接就是发出数据能尽快给返回，如果发出了数据，返回的时候慢了，那就认为超时了，那就重新连接或者断开连接。

        建立连接的过程（三次握手）：

        发出数据通常叫做 “数据同步” ，所以叫做 syn;

        返回通常叫做 “响应” ，叫做 ack 。        

 

       TCP 协议总共要做的事情就是：报文拆分、增加协议头（TCP 头）、数据重组。

       TCP 报文拆分

       应用层数据通过报文拆分，会变成一个个数据块 chunk ，也叫做 TCP 段 Segment，为什么要进行报文拆分呢，一方面因为应用层很多时候无法一次性传输完，另一方面拆分后的数据可以实现并行传输。

        拆分是比较消耗数据资源的，需要 CPU 频繁的进行内存 *** 作，另一方面 TCP 也只是对数据做一个初步的拆分，网卡会进行更细粒度的拆分。

        传输数据如何保证数据？

         TCP 分的段其实是非常多的，可能不能一次性把所有的段进行排序，只能部分排序，有一个时间窗口的方案，每次只排序固定一个时间段内的数据，接收方等于每次给发送方一个时间窗口，在这个时间窗口内，把所有数据拿到，然后进行排序，接收方接收到这个时间窗口的数据以后，会对这些数据进行排序，如果发现不连续，他就会抛弃掉完整的时间窗口数据，让发送方重发。

        因为 TCP 协议是一个双工协议，意味着 A 可以不断的给 B 传送，B 可以不断的给 A 传送，所以 TCP 给发送方和接收方设计了两个序号:

        发送序号（seq）和 接收序号（ack）。

        各端的发送序号其实就是对方的接收序号。

        TCP 协议头

        源端口：描述发送方机器上的应用。

        目标端口：描述接收方服务器上的应用。

        发送序号（Seq）和接收序号（Acq）,每个序号是32个字节，32位最大到 40e，可以支持很长时间传输。

       TCP 头-标志位

        在 TCP 协议里面有9个标志位：

        NS、CWR、ECN: TCP 扩展协议。

        ECN：显示拥塞控制协议，有助于帮助解决延迟和丢包问题。

        URG：紧急标志位，如果有一个数据的标志位被置为1了，代表这是一个紧急数据，这种紧急数据是需要优先处理的。

        SYN：Synchronize Sequence Numbers 同步序号，也就是建立连接

        FIN：终止连接

        ACK：Achnowledgment 响应

        PSH：push 传送数据

        RST：Reset Connection 重置连接

       TCP 协议周边配置

        TCP 可以通过流控协调两边速率保证数据可靠性；通过拥塞控制能力帮助确定网络中用户情况来决定传输速度。

        TCP 纠错能力：TCP 拥有一个 16 bit 的 Checksum 字段，Checksum 是一个函数，把原文映射到一个不可逆的 16 bit 的编码中这样就可以知道原文在传输过程中有没有发生变化。

        TCP 流控能力：让发送方和接收方协商一个合理的收发速率，让两边都可以稳定的工作，流控能力利用的是滑动窗口，就是 TCP 报文拆分里面的时间窗口。