计算机基础

TCP/IP

TCP/IP是利用IP进行通信是所必须用到的协议群的统称，包括IP、ICMP、DNS、ARP、TCP、UDP、FTP、HTTP等，他们与TCP、IP关系紧密，故有时也称为TCP/IP网际协议族。其具有两大特点：具有开放性、注重实用性。其标准化的协议，被列入RFC文档并公布。互联网协议=TCP/IP。

TCP/IP分层模型与通信示例

在每个分层中，都会对所发送的数据附加一个首部，TCP包首部、IP包首部、以太网包首部，网络中传输的数据包由两部分组成：协议所要用到的首部、上层传过来的数据。另外，每个分层的包首部汇总还含有一个识别位，用来标示上一层协议的种类信息。

甲给乙发送电子邮件“早上好”

  1. 应用程序处理：进行编码处理（如UTF-8编码），并由应用判断何时发送数据建立TCP连接。
  2. TCP模块的处理：在应用层数据的前端附加一个TCP首部，包含源端口号、目标端口号、序号以及校验和，再发给IP，提供将应用层发来的数据发送至对端的可靠传输。
  3. IP模块的处理：IP将TCP传过来的数据包当做数据，并在TCP首都的前端加上自己的IP首部，包含发送端IP地址和接收端IP地址等。参考路由控制表决定接手此IP包的路由或主机，并发给下一节点的驱动程序。此时要知道接收端的MAC地址，以将MAC地址和IP地址交给以太网的驱动程序，可以利用ARP查找。
  4. 网络接口（以太网驱动）的处理： 给从IP传过来的IP包加上以太网包首部（包含接/发端MAC地址、标志以太网类型的以太网数据的协议）并进行发送处理。发送处理中的FCS由硬件计算，添加到包的最后。
  5. 网络接口（以太网驱动）的处理：主机收到以太网包后，从包首部找到MAC地址，判断是否为发给自己的包，不是则丢弃数据。是的话，检查上层的数据类型，传给相应的子程序，如IP程序。
  6. IP模块的处理：如果是发给自己的IP地址，则可接受数据并查找上一层的协议。在有路由器的情况下，如果不是自己的地址，则借助路由控制表，调查应该送达的主机或路由器后转发数据。
  7. TCP模块的处理：首先计算校验和，判断数据是否被破坏。然后检查是在安装序号接收数据，最后是检查端口号，确定具体的应用程序。接收完毕后发生一个“确认回执”给发送端。
  8. 应用程序的处理：接收端应用程序接收数据，解析数据。给句解析结果反馈信息，如已接受、被退回等。

IP协议

TCP/IP的心脏是互联网层，这一层主要由IP、ICMP、ARP、RARP协议组成。

IP基础

IP大致分为三大作用模块：IP寻址、路由控制以及IP分包和组包。

  • 主机可以自己设置，并具有唯一性，且其不会发生改变。在网桥或交换集线器层转发设备中，不要设置IP地址。主机地址全部为0表示对应的网络地址不可获知，全部为1表示广播地址。
  • 一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址，全靠路由控制。一跳（Hop）指利用数据连输层以下分层的功能传输数据帧的一起区间。
  • 分片指将较大的IP包分成多个较小的IP包（由于数据链路的最大传输单元MTU的限制）。IP属于面向无连接的数据传输，其可靠性靠上一层的TCP。

IPv4地址

IPv4地址分为四类：ABCD类，开头分别为0 10 110 1110，网络表示分别为8位、16位、24位和32位。D类地址没有主机标示，常被用于多播。另外，主机地址全部为1通常作为广播地址，全部为0表示对应的网络地址或IP地址不可获知的情况才可以用。

子网掩码

  1. IP地址：172.20.100.52 子网掩码：255.255.255.192 （前26位是网络地址）
  2. IP地址：172.20.100.50 /26 （前26位是网络地址，后面6位是主机地址）

IPv4报头

计算机网络的组成

DNS域名服务器（IPv4、IPv6）

DNS为域名服务器，它可以管理所在分层的域的相关信息。根部所设置的DNS叫做根域名服务器，对DNS的检索数据功能起着至关重要的作用。进行DNS查询的主机和软件叫做DNS解析器，用户所使用的工作站或个人电脑都属于解析器。解析器为了调查IP地址，向域名服务器进行查询处理，接收这个查询请求的域名服务器首先会在自己的数据库进行查找，如果有该域名所对应的IP地址就返回，没有就像上一层服务器进行查询处理，知道找到对应的额IP地址。解析器和域名服务器将最新了解到的信息暂时保存在缓存里。DNS不止检索IP地址，还管理众多其他信息，如PTR、NS、A等。

ARP（IPv4、IPv6）

ARP是一种解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。ARP借助ARP请求与ARP响应两种类型的包确定MAC地址，源主机要通过广播发送一个ARP请求包，下一个网络设备确定是自己后，将MAC地址塞入ARP响应返回，进而实现IP通信。

  • RARP是ARP反过来，从MAC地址定位IP地址的一种协议。例如通过DHCP自动获取IP地址。
  • 代理ARP：通常ARP包会被路由器隔离，使用代理ARP的路由器可以将ARP请求转发给相邻的网段。

ICMP（IPv4、IPv6）

ICMP的主要功能包括，确认IP包是否成功送达目标地址，通知在发送过程中IP包被废弃的具体原因，改善网络设置等。ICMP的消息大致分为两类：通知出错原因的错误消息、用于诊断的查询消息，主要的ICMP消息有：目标不可达消息、重定向消息、超时消息、返回消息等。ICMP使用IP发送。

DHCP（IPv4、IPv6）

DHCP协议可以实现自动设置IP地址、统一管理IP地址分配，实现即插即用。使用DHCP前，要假设DHCP服务器，并将所要分配的IP地址设置到服务器上，还需要相应的子网掩码、路由控制信息以及DNS服务器的地址等。一般的家庭网络都由宽带路由器冲到DHCP的角色。

IP隧道

IP隧道可以将IPv6网络发过来的包统和为一个数据，再为之追加一个IPv4首部在IPv4网络中传送（要在下个IPv6网络中，去除追加的IPv4首部），也可以将ipv4网络发过来的包统和为一个数据，再为之追加一个IPv6首部在IPv6网络中传送。

TCP与UDP

TCP和UDP是传输层具有代表性的协议。TCP提供可靠的通信传输，而UDP常被用于让广播和细节控制交给应用的不可靠通信传输。传输层要指出具体的程序，使用端口号（有逻辑端口和物理端口，此处指逻辑端口0~65535）这样的一种识别码，通过端口识别，将数据传递给HTTP、FTP等应用层协议。

UDP

UDP是不具有可靠性的数据报协议。它不提供复杂的控制机制，细微的处理它会交给上层的应用去完成，它在收到应用程序发来的数据后，立即鸳鸯发送到网络。UDP主要用于那些对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信，比如DNS、即时通信等。

TCP

TCP是面向连接的、可靠的流协议，实行顺序控制或重发控制机制，此外还有流控制、拥塞控制、提高网络利用率等众多功能。它只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费。

TCP报头

计算机网络的组成

TCP功能

滑动窗口控制

TCP利用滑动窗口控制提高速度。窗口大小指无须等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。利用滑动窗口可以顺序地将多个端同时发送，而不需要等待上一个段的应答，从而提高通信性能。

可靠性（seq ack）

TCP通过肯定的确认应答（ACK）实现可靠的数据传输。在TCP三次握手连接时，主机收到SYN请求，则ACK+1，并返回ACK。在传递数据期间，如果收到的数据的seq等于上次ACK的值，则ACK=seq+len，不等于则返回上次发送的ACK，并返回ACK请求。每次主机收到一个数据或者SYN请求等，都会返回一个ACK数据。ACK的值表示下一个数据的序列号。另外，主机在发送ACK应答时，seq不会加1，但发送SYN请求时，seq会加1。

分段

在建立TCP连接的同时，可以确定发送数据包的单位，称为最大消息长度（MSS:Maximum Segment Size）。最理想的情况时，最大消息长度正好是IP中不会被分片处理的最大数据长度。在三次握手时，两端的主机会在TCP首部的可选项中写入MSS选项，最终的MSS是两个MSS的较小值。

连接管理

  1. 三次握手：主机A向主机B发送SYN请求（TCP数据报，seq=0，ack=0），主机B收到后返回SYN请求&ACK应答（同一个TCP数据报，seq=0，ack=1），主机A收到后返回ACK应答（seq=1，ack=1），则建立连接。在此过程中，同样会携带窗口大小等数据，从而进行流控制。
  2. 发送数据，主机a发送数据包（seq=1，ack=1，上次发送的ack应答并不计数），可以发送多个。主机B每收到一个非ACK数据包就会返回一个ack请求。
  3. A向B发送完数据后，可以发送FIN请求，B向A发送完数据后，也可以发送FIN请求，当双发发送FIN请求并收到ACK应答后，则会切断连接。

窗口控制与重发控制

接收端在收到非自己期望序号的数据时，会将数据保存，并对之前收到的数据进行确认应答。发送端收到三次重复的确认应答后，会进行该数据重新发送。由于可能存在ACK应答丢失情况，发送端收到一个确认应答后，则会判断该应答之前的所有数据都发送成功。

####　流控制与拥塞控制
接收端主机向发送端主机通知自己可以接收数据的大小（会变换），于是发送端会发送不超过这个限度的数据。TCP首都中有个字段来通知窗口大小。接收端的缓冲区一旦面临数据溢出时，窗口大小的值随之减小并通知发送端，从而进行流量控制。
计算机网络都处在一个共享的环境，在网络出现拥堵时，如果突然发送一个较大量的数据，极有可能导致整个网络的瘫痪。为避免这个问题，通信一开始，就会通过一个慢启动的算法，对发送数据量进行控制。

应用协议

利用网络的应用程序很多，包括web浏览器、电子邮件、远程登录、文件传输、网络管理扥个，能够让这些应用程序进行特定通信处理的正是应用协议。

远程登录

远程登录主要使用TELNET和SSH两种协议，TELNET经常用于登录路由器或高性能交换机等网络设备进行相应的设置。SSH是加密的远程登录系统，可以具有更强的认证机制，可以转发文件，可以使用端口转发功能。OpenSSH是SSH协议的免费开源实现。

WWW万维网

万维网（又称web）是将互联网中的信息以超文本形式展现的系统。WWW定义了3个重要的概念：访问信息的手段和位置（URI）、信息的表现形式（HTML）以及信息转发（HTTP）等。

  • URI（Uniform Resource Identifier）用来标识资源，是一种可以用于WWW之外的高效的识别码，可用于主页地址、电子邮件、电话号码等各种组合中。URL常被用来标示互联网中所有资源的具体位置。
  • HTML：具有纯文本的功能，在页面中可以为文字或图像附加链接。它是WWW通用的数据表现协议，可以认为HTML属于WWW的表示层。另，JavaScript是一种嵌入在HTML中的编程语言。
  • HTTP。当用户在浏览器的地址栏里输入所要访问的Web也的URI后，HTTP的处理机会开始，首先客户端向服务器的80端口建立一个TCP链接，然后在这个TCP连接上进行请求和应答以及数据报文的发送。
  • HTTPS ：Web中可以通过TLS/SSL对http通信进行加密，这种http通信叫做HTTPS通信。