【光電通信】這36張圖，幫你一次性搞定網(wǎng)絡基礎，收藏！

哪怕是理論基礎薄弱的，也會多少知道它。

為啥呢？

因為，OSI和TCP/IP是很基礎但又非常重要的知識，很多知識點都是以它們?yōu)榛A去串聯(lián)的，作為底層，掌握的越透徹，你理解上層時會越順暢。

比如，今天這篇網(wǎng)絡基礎科普，就是根據(jù)OSI層級去逐一展開的。

計算機網(wǎng)絡基礎

01?計算機網(wǎng)絡的分類

按照網(wǎng)絡的作用范圍：廣域網(wǎng)（WAN）、城域網(wǎng)（MAN）、局域網(wǎng)（LAN）；

按照網(wǎng)絡使用者：公用網(wǎng)絡、專用網(wǎng)絡。

02?計算機網(wǎng)絡的層次結構

TCP/IP四層模型與OSI體系結構對比：

03?層次結構設計的基本原則

• 各層之間是相互獨立的；

• 每一層需要有足夠的靈活性；

• 各層之間完全解耦。

04?計算機網(wǎng)絡的性能指標

速率：bps=bit/s

時延：發(fā)送時延、傳播時延、排隊時延、處理時延?

往返時間RTT：數(shù)據(jù)報文在端到端通信中的來回一次的時間。

物理層

連接不同的物理設備，傳輸比特流。該層為上層協(xié)議提供了一個傳輸數(shù)據(jù)的可靠的物理媒體。簡單的說，物理層確保原始的數(shù)據(jù)可在各種物理媒體上傳輸。

• 中繼器【Repeater，也叫放大器】：同一局域網(wǎng)的再生信號；兩端口的網(wǎng)段必須同一協(xié)議；5-4-3規(guī)程：10BASE-5以太網(wǎng)中，最多串聯(lián)4個中繼器，5段中只能有3個連接主機；

• 集線器：同一局域網(wǎng)的再生、放大信號（多端口的中繼器）；半雙工，不能隔離沖突域也不能隔離廣播域。

• 單工通信信道：只能一個方向通信，沒有反方向反饋的信道；

• 半雙工通信信道：雙方都可以發(fā)送和接受信息，但不能同時發(fā)送也不能同時接收；

• 全雙工通信信道：雙方都可以同時發(fā)送和接收。

數(shù)據(jù)鏈路層

01?數(shù)據(jù)鏈路層概述

數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供的服務的基礎上向網(wǎng)絡層提供服務，其最基本的服務是將源自網(wǎng)絡層來的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點的目標機網(wǎng)絡層。數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質上提供可靠的傳輸。

該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯、重發(fā)等。

有關數(shù)據(jù)鏈路層的重要知識點：

• 數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸；

• 基本數(shù)據(jù)單位為幀；

• 主要的協(xié)議：以太網(wǎng)協(xié)議；

• 兩個重要設備名稱：網(wǎng)橋和交換機。

封裝成幀：“幀”是數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)的基本單位：

02?數(shù)據(jù)鏈路層的差錯監(jiān)測

差錯檢測：奇偶校驗碼、循環(huán)冗余校驗碼CRC

• 奇偶校驗碼–局限性：當出錯兩位時，檢測不到錯誤。

• 循環(huán)冗余檢驗碼：根據(jù)傳輸或保存的數(shù)據(jù)而產生固定位數(shù)校驗碼。

03?最大傳輸單元MTU

最大傳輸單元MTU(Maximum Transmission Unit)，數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀不是無限大的，數(shù)據(jù)幀長度受MTU限制.

路徑MTU：由鏈路中MTU的最小值決定。

04?以太網(wǎng)協(xié)議詳解

MAC地址：每一個設備都擁有唯一的MAC地址，共48位，使用十六進制表示。

以太網(wǎng)協(xié)議：是一種使用廣泛的局域網(wǎng)技術，是一種應用于數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，使用以太網(wǎng)可以完成相鄰設備的數(shù)據(jù)幀傳輸：

局域網(wǎng)分類：

• 以太網(wǎng)第一個廣泛部署的高速局域網(wǎng)

• 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率快

• 以太網(wǎng)硬件價格便宜，網(wǎng)絡造價成本低

以太網(wǎng)幀結構

• 類型：標識上層協(xié)議（2字節(jié)）

• 目的地址和源地址：MAC地址（每個6字節(jié)）

• 數(shù)據(jù)：封裝的上層協(xié)議的分組（46~1500字節(jié)）

• CRC：循環(huán)冗余碼（4字節(jié)）

• 以太網(wǎng)最短幀：以太網(wǎng)幀最短64字節(jié)；以太網(wǎng)幀除了數(shù)據(jù)部分18字節(jié)；數(shù)據(jù)最短46字節(jié)；

  
  

MAC地址（物理地址、局域網(wǎng)地址）

• MAC地址長度為6字節(jié)，48位；

• MAC地址具有唯一性，每個網(wǎng)絡適配器對應一個MAC地址；

• 通常采用十六進制表示法，每個字節(jié)表示一個十六進制數(shù)，用 - 或 : 連接起來；

• MAC廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層的目的是實現(xiàn)兩個端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。數(shù)據(jù)交換技術是報文交換（基本上被分組所替代）：采用儲存轉發(fā)方式，數(shù)據(jù)交換單位是報文。

網(wǎng)絡層中涉及眾多的協(xié)議，其中包括最重要的協(xié)議，也是TCP/IP的核心協(xié)議——IP協(xié)議。IP協(xié)議非常簡單，僅僅提供不可靠、無連接的傳送服務。IP協(xié)議的主要功能有：無連接數(shù)據(jù)報傳輸、數(shù)據(jù)報路由選擇和差錯控制。

與IP協(xié)議配套使用實現(xiàn)其功能的還有地址解析協(xié)議ARP、逆地址解析協(xié)議RARP、因特網(wǎng)報文協(xié)議ICMP、因特網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP。

具體的協(xié)議我們會在接下來的部分進行總結，有關網(wǎng)絡層的重點為：

• IP協(xié)議（Internet Protocol，因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）;

• ICMP協(xié)議（Internet Control Message Protocol，因特網(wǎng)控制報文協(xié)議）;

• ARP協(xié)議（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）;

• RARP協(xié)議（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析協(xié)議）。

01?IP協(xié)議詳解

IP網(wǎng)際協(xié)議是 Internet 網(wǎng)絡層最核心的協(xié)議。

虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡的產生：實際的計算機網(wǎng)絡錯綜復雜；物理設備通過使用IP協(xié)議，屏蔽了物理網(wǎng)絡之間的差異；當網(wǎng)絡中主機使用IP協(xié)議連接時，無需關注網(wǎng)絡細節(jié)，于是形成了虛擬網(wǎng)絡。

IP協(xié)議使得復雜的實際網(wǎng)絡變?yōu)橐粋€虛擬互聯(lián)的網(wǎng)絡；并且解決了在虛擬網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)報傳輸路徑的問題。

其中，版本指IP協(xié)議的版本，占4位，如IPv4和IPv6；

首部位長度表示IP首部長度，占4位，最大數(shù)值位15；

總長度表示IP數(shù)據(jù)報總長度，占16位，最大數(shù)值位65535；

TTL表示IP數(shù)據(jù)報文在網(wǎng)絡中的壽命，占8位；

協(xié)議表明IP數(shù)據(jù)所攜帶的具體數(shù)據(jù)是什么協(xié)議的，如TCP、UDP。

02? IP協(xié)議的轉發(fā)流程

03?IP地址的子網(wǎng)劃分

A類（8網(wǎng)絡號+24主機號）、B類（16網(wǎng)絡號+16主機號）、C類（24網(wǎng)絡號+8主機號）可以用于標識網(wǎng)絡中的主機或路由器，D類地址作為組廣播地址，E類是地址保留。

04?網(wǎng)絡地址轉換NAT技術

用于多個主機通過一個公有IP訪問訪問互聯(lián)網(wǎng)的私有網(wǎng)絡中，減緩了IP地址的消耗，但是增加了網(wǎng)絡通信的復雜度。

從內網(wǎng)出去的IP數(shù)據(jù)報，將其IP地址替換為NAT服務器擁有的合法的公共IP地址，并將替換關系記錄到NAT轉換表中；

從公共互聯(lián)網(wǎng)返回的IP數(shù)據(jù)報，依據(jù)其目的的IP地址檢索NAT轉換表，并利用檢索到的內部私有IP地址替換目的IP地址，然后將IP數(shù)據(jù)報轉發(fā)到內部網(wǎng)絡。

05?ARP協(xié)議與RARP協(xié)議

地址解析協(xié)議 ARP（Address Resolution Protocol）：為網(wǎng)卡（網(wǎng)絡適配器）的IP地址到對應的硬件地址提供動態(tài)映射。可以把網(wǎng)絡層32位地址轉化為數(shù)據(jù)鏈路層MAC48位地址。

ARP 是即插即用的，一個ARP表是自動建立的，不需要系統(tǒng)管理員來配置。

RARP(Reverse Address Resolution Protocol)協(xié)議指逆地址解析協(xié)議，可以把數(shù)據(jù)鏈路層MAC48位地址轉化為網(wǎng)絡層32位地址。

06?ICMP協(xié)議詳解

網(wǎng)際控制報文協(xié)議（Internet Control Message Protocol），可以報告錯誤信息或者異常情況，ICMP報文封裝在IP數(shù)據(jù)報當中。

• Ping應用：網(wǎng)絡故障的排查；

• Traceroute應用：可以探測IP數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡中走過的路徑。

07?網(wǎng)絡層的路由概述

• 鏈路狀態(tài)路由選擇算法LS：向所有隔壁路由發(fā)送信息收斂快；全局式路由選擇算法，每個路由器計算路由時，需構建整個網(wǎng)絡拓撲圖；利用Dijkstra算法求源端到目的端網(wǎng)絡的最短路徑；Dijkstra(迪杰斯特拉)算法

• 距離-向量路由選擇算法DV：向所有隔壁路由發(fā)送信息收斂慢、會存在回路；基礎是Bellman-Ford方程（簡稱B-F方程）；

08?內部網(wǎng)關路由協(xié)議之RIP協(xié)議

路由信息協(xié)議 RIP(Routing Information Protocol)【應用層】，基于距離-向量的路由選擇算法，較小的AS（自治系統(tǒng)），適合小型網(wǎng)絡；RIP報文，封裝進UDP數(shù)據(jù)報。

RIP協(xié)議特性：

• RIP在度量路徑時采用的是跳數(shù)（每個路由器維護自身到其他每個路由器的距離記錄）；

• RIP的費用定義在源路由器和目的子網(wǎng)之間；

• RIP被限制的網(wǎng)絡直徑不超過15跳；

• 和隔壁交換所有的信息，30主動一次（廣播）。

09?內部網(wǎng)關路由協(xié)議之OSPF協(xié)議

開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議 OSPF(Open Shortest Path First)【網(wǎng)絡層】，基于鏈路狀態(tài)的路由選擇算法（即Dijkstra算法），較大規(guī)模的AS ，適合大型網(wǎng)絡，直接封裝在IP數(shù)據(jù)報傳輸。

• 安全；

• 支持多條相同費用路徑；

• 支持區(qū)別化費用度量；

• 支持單播路由和多播路由；

• 分層路由。

RIP與OSPF的對比（路由算法決定其性質）：

10?外部網(wǎng)關路由協(xié)議之BGP協(xié)議

BGP（Border Gateway Protocol）邊際網(wǎng)關協(xié)議【應用層】：是運行在AS之間的一種協(xié)議,尋找一條好路由：首次交換全部信息，以后只交換變化的部分,BGP封裝進TCP報文段。

傳輸層

第一個端到端，即主機到主機的層次。傳輸層負責將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。

此外，傳輸層還要處理端到端的差錯控制和流量控制問題。

傳輸層的任務是根據(jù)通信子網(wǎng)的特性，最佳的利用網(wǎng)絡資源，為兩個端系統(tǒng)的會話層之間，提供建立、維護和取消傳輸連接的功能，負責端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

在這一層，信息傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為段或報文。

網(wǎng)絡層只是根據(jù)網(wǎng)絡地址將源結點發(fā)出的數(shù)據(jù)包傳送到目的結點，而傳輸層則負責將數(shù)據(jù)可靠地傳送到相應的端口。

• 傳輸層負責將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸以及端到端的差錯控制和流量控制問題；

• 包含的主要協(xié)議：TCP協(xié)議（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）、UDP協(xié)議（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）；

• 重要設備：網(wǎng)關。

01?UDP協(xié)議詳解

UDP(User Datagram Protocol: 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，是一個非常簡單的協(xié)議。

• UDP是無連接協(xié)議；

• UDP不能保證可靠的交付數(shù)據(jù)；

• UDP是面向報文傳輸?shù)模?/span>

• UDP沒有擁塞控制；

• UDP首部開銷很小。

UDP數(shù)據(jù)報結構：

首部:8B，四字段/2B【源端口 | 目的端口 | UDP長度 | 校驗和】 數(shù)據(jù)字段：應用數(shù)據(jù)

02?TCP協(xié)議詳解

TCP(Transmission Control Protocol: 傳輸控制協(xié)議)，是計算機網(wǎng)絡中非常復雜的一個協(xié)議。

• 對應用層報文進行分段和重組；

• 面向應用層實現(xiàn)復用與分解；

• 實現(xiàn)端到端的流量控制；

• 擁塞控制；

• 傳輸層尋址；

• 對收到的報文進行差錯檢測（首部和數(shù)據(jù)部分都檢錯）；

• 實現(xiàn)進程間的端到端可靠數(shù)據(jù)傳輸控制。

  
  

• TCP是面向連接的協(xié)議；

• TCP是面向字節(jié)流的協(xié)議；

• TCP的一個連接有兩端，即點對點通信；

• TCP提供可靠的傳輸服務；

• TCP協(xié)議提供全雙工通信（每條TCP連接只能一對一）；

TCP報文段結構：

TCP首部：

• 序號字段：TCP的序號是對每個應用層數(shù)據(jù)的每個字節(jié)進行編號

• 確認序號字段：期望從對方接收數(shù)據(jù)的字節(jié)序號，即該序號對應的字節(jié)尚未收到。用ack_seq標識；

• TCP段的首部長度最短是20B ，最長為60字節(jié)。但是長度必須為4B的整數(shù)倍

03?可靠傳輸?shù)幕驹?/span>

基本原理：

• 不可靠傳輸信道在數(shù)據(jù)傳輸中可能發(fā)生的情況：比特差錯、亂序、重傳、丟失

• 基于不可靠信道實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸采取的措施

差錯檢測：利用編碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸過程中的比特差錯檢測?

確認：接收方向發(fā)送方反饋接收狀態(tài)?

重傳：發(fā)送方重新發(fā)送接收方?jīng)]有正確接收的數(shù)據(jù)?

序號：確保數(shù)據(jù)按序提交?

計時器：解決數(shù)據(jù)丟失問題

停止等待協(xié)議：是最簡單的可靠傳輸協(xié)議，但是該協(xié)議對信道的利用率不高。

連續(xù)ARQ(Automatic Repeat reQuest：自動重傳請求)協(xié)議：滑動窗口+累計確認，大幅提高了信道的利用率。

5.3.1TCP協(xié)議的可靠傳輸

TCP協(xié)議的流量控制

04?TCP協(xié)議的擁塞控制

擁塞控制與流量控制的區(qū)別：

流量控制考慮點對點的通信量的控制，而擁塞控制考慮整個網(wǎng)絡，是全局性的考慮。擁塞控制的方法：慢啟動算法+擁塞避免算法。

慢開始和擁塞避免：

• 【慢開始】擁塞窗口從1指數(shù)增長；

• 到達閾值時進入【擁塞避免】，變成+1增長；

• 【超時】，閾值變?yōu)楫斍癱wnd的一半（不能<2）；

• 再從【慢開始】，擁塞窗口從1指數(shù)增長。

• 發(fā)送方連續(xù)收到3個冗余ACK，執(zhí)行【快重傳】，不必等計時器超時；

• 執(zhí)行【快恢復】，閾值變?yōu)楫斍癱wnd的一半（不能<2），并從此新的ssthresh點進入【擁塞避免】。

05?TCP連接的三次握手（重要）

TCP三次握手使用指令：

面試常客：為什么需要三次握手？

• 第一次握手：客戶發(fā)送請求，此時服務器知道客戶能發(fā)；

• 第二次握手：服務器發(fā)送確認，此時客戶知道服務器能發(fā)能收；

• 第三次握手：客戶發(fā)送確認，此時服務器知道客戶能收。

建立連接（三次握手）：

06?TCP連接的四次揮手（重要）

第四次：客戶向服務器發(fā)送確認段，確認字號段有效（ACK=1），表示客戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序號是x+1（seq=x+1），表示客戶期望接收服務器數(shù)據(jù)序號為y+1+1（ack_seq=y+1+1）；客戶端狀態(tài)由FIN_WAIT_2進入TIME_WAIT，等待2MSL時間，進入CLOSED狀態(tài)；服務器在收到最后一次ACK后，由LAST_ACK進入CLOSED

• 最后一個報文沒有確認；

• 確保發(fā)送方的ACK可以到達接收方；

• 2MSL時間內沒有收到，則接收方會重發(fā)；

• 確保當前連接的所有報文都已經(jīng)過期。

應用層

為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡應用程序提供訪問網(wǎng)絡服務的接口。應用層重點：

• 數(shù)據(jù)傳輸基本單位為報文；

• 包含的主要協(xié)議：FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠程登錄協(xié)議）、DNS（域名解析協(xié)議）、SMTP（郵件傳送協(xié)議），POP3協(xié)議（郵局協(xié)議），HTTP協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol）。

01?DNS詳解

DNS（Domain Name System:域名系統(tǒng)）【C/S，UDP，端口53】：解決IP地址復雜難以記憶的問題,存儲并完成自己所管轄范圍內主機的 域名 到 IP 地址的映射。

• 瀏覽器緩存，

• 找本機的hosts文件，

• 路由緩存，

• 找DNS服務器（本地域名、頂級域名、根域名）->迭代解析、遞歸查詢。

IP—>DNS服務—>便于記憶的域名

域名由點、字母和數(shù)字組成，分為頂級域（com，cn，net，gov，org）、二級域（baidu,taobao,qq,alibaba）、三級域（www）(12-2-0852)

02?DHCP協(xié)議詳解

03?HTTP協(xié)議詳解

文件傳輸協(xié)議（FTP）：控制連接（端口21）：傳輸控制信息（連接、傳輸請求），以7位ASCII碼的格式。整個會話期間一直打開。

HTTP（HyperText Transfer Protocol:超文本傳輸協(xié)議）【TCP，端口80】：是可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，瀏覽器向服務器發(fā)收報文前，先建立TCP連接，HTTP使用TCP連接方式（HTTP自身無連接）。

• GET：請求指定的頁面信息，并返回實體主體；

• POST：向指定資源提交數(shù)據(jù)進行處理請求；

• DELETE：請求服務器刪除指定的頁面；

• HEAD：請求讀取URL標識的信息的首部，只返回報文頭；

• OPETION：請求一些選項的信息；

• PUT：在指明的URL下存儲一個文檔。

（1）HTTP工作的結構

（2） HTTPS協(xié)議詳解

HTTPS(Secure)是安全的HTTP協(xié)議，端口號443。基于HTTP協(xié)議，通過SSL或TLS提供加密處理數(shù)據(jù)、驗證對方身份以及數(shù)據(jù)完整性保護。

來源：通信百科

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