Network Review

[toc]

OSI七层模型

已经背得烂熟，从下到上分别是：

  1. 物理层（010，【集线器、中继器、调制调解器、双绞线】）
  2. 链路层（数据帧，【MAC、网桥、交换机】）
  3. 网络层（网络寻址，【IP、ARP、RARP、ICMP】）
  4. 传输层（数据安全传输，【TCP、UDP、网关】）
  5. 会话层（建立和管理会话，RPC）
  6. 表示层（数据格式和加密，SSL）
  7. 应用层（用户可见【HTTP、FTP、SMTP、Telnet】）

后面学习到的所有协议都跟上面这个模型有关系。后面按照从上到下的顺序进行总结。

应用层

“会话层、表示层、应用层”在TCP/IP模型中统一成一个“应用层”，以下应用层概念均为TCP/IP五层模型中的应用层。

1 协议

计算机网络里面所有的内容都离不开协议两个字。那么究竟什么是协议呢？新华字典对协议的定义是：经过双方共同商量或谈判后取得的一致意见。两个关键字：双方、一致。在计算机网络中的协议，也是遵从这两个关键字：双方、一致。在网络传输过程中，各种各样的数据包很多，那么A怎么知道这个包是我的呢？一方面有地址、有端口，那么A肯定能准确接收到来自B的数据包。那么一个数据包到了，A应该怎么对这个数据包进行解析？只要A和B提前商量好解析的方法，那么就可以拿到最终需要的有用的数据了这就是协议“一致”性的体现。

2 HTTP

在应用层里面最重要的一个协议，也是面试中特别喜欢问到的一个协议是HTTP协议。什么是HTTP协议？为什么要有HTTP协议？

HTTP（Hyper-Text Transfer Protocol）超文本传输协议，三个关键字：超文本、传输、协议。超文本是什么呢？“超文本”就是指页面内可以包含图片、链接，甚至音乐、程序等非文字元素。可以直接把超文本理解为传输的内容是HTML代码。至于为什么要有HTTP协议，那是因为一开始上网最重要的功能是冲浪，客户端和服务器协定好HTTP这种协议，客户端的浏览器上就可以渲染出网页了。

2.1 HTTP请求过程

刚刚既然提到了客户端和服务端，那么肯定有一个数据请求和传输的过程。简单来说就是：

域名解析、TCP三次握手、客户端发起Http请求，服务器响应Http请求，客户端浏览器渲染页面。

面试的时候可以提一下tcpdump这个命令。

2.2 HTTP请求体

2.1中提到了客户端发送Http请求、服务器响应Http请求，那么这个请求长什么样子呢？简单来说：

请求行、请求头、空格、请求体。

传输层

到TCP了。TCP，传输层面向连接的安全可靠的传输协议。也是面试被问到最多的。关于TCP的问题离不开这样几个：

  1. TCP三次握手和四次挥手
  2. TCP可靠性

1 TCP

1.1 TCP报文

在讨论这两个问题之前先看看TCP的报文格式

TCP

第一行：16位源端口地址和16位目的端口地址

第二行：32位序号（seq）

第三行：32位确认序号（ack）

第四行：4位首部信息，6位保留位，6个标志为（SYN，ACK，FIN等），16位窗口大小

第五行：16位校验和，16位紧急指针

1.2 TCP三次握手四次挥手

常见问题：

1.3 TCP可靠性

常见问题：

网络层

1 IP寻址

1.1 IP报文格式

IP

注意：上图是IP报文的首部，首部一行是32bit，即8byte。一共有5行，其中的字段比较重要的有：

第一行：

  • 版本：IPv4或者IPv6
  • 首部长度：相当于count(head)
  • 区分服务：标示报文的优先级，和QoS相关
  • 总长度：相当于count(*)

第二行：都是一些标示+偏移的内容，没必要记。

第三行：

  • TTL：生存时间，见ICMP讲解
  • 协议：TCP 6，UDP 17，ICMP 1
  • 首部校验和：计算IP首部的校验和，检查首部的完整性

第四行：源地址

第五行：目的地址

1.2 IP寻址过程

有了源地址和目的地址，就能直接通信了吗？能，但需要一些手段，也就相当于我寄出去的信有我的地址也有对方的地址，但也需要邮局帮我送信。这个过程就是一个寻址的过程。

如果A和B在一个局域网里面，其实通过广播的形式就能获得B的MAC地址，那么我知道了A的IP地址，又知道了B的IP地址，就可以通信了。

但是如果A和B不在一个局域网里面，也就是说哪怕A喊的声音在打，B也听不到A的呼唤，你说这怎么通信嘛。其实现实生活中已经有这样的例子了，就像家里装宽带究竟是装了个什么东西呢？我们都知道一个重要的gadget是光猫，这个光猫就是提供了一个对外连接的窗口，通过光猫我可以接收到几千米之前的某公司服务器的数据，我也可以通过光猫把我的数据上传到服务器。这个光猫就可以直接理解为NAT。也就是说，A和B之前的通信添加了几个中转的过程：

A - 交换器A - 交换器B - B

1.3 DHCP

那么我的主机的IP地址是多少？我自己随便写的嘛？当然也不是，这个东西是DHCP分配的。至于分配的过程，类似我向邮局要了一个地址，然后邮局说我这里有一个地址你现在可以用，我先租给你，然后我就一直用这个地址知道租约到期。

1.4 子网掩码

我用ifconfig命令查看自己的IP地址得到这样的结果：

inet 192.168.31.213 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255
  • IP是：192.168.31.213
  • 子网掩码是：255.255.255.0 0xffffff00是一个16进制的数字，转为二进制是：11111111 11111111 11111111 00000000，最后上面是十进制
  • 广播地址：192.168.31.255

IP、子网掩码、广播地址这几个概念一一介绍：

首先从IP的分类开始说起，IP地址分为A、B、C、D、E类地址。其中：

  • A类地址：8位网络号，24位主机号
  • B类地址：16位网络号，16位主机号
  • C类地址：24位网络号，8位主机号
  • D类地址：32位网络号

所以我的IP：192.168.31.213是一个典型的C类地址。那么子网掩码是什么呢？为什么要有子网掩码？其实就是一个判断是不是同一网段的便捷方式，如果IP1和IP2要比较网段的话，如果直接比较，怎么比较呢？选择前几位来比较？是不是很麻烦，如果有子网掩码的话，比如我的子网掩码是255.255.255.0，做And运算之后，只有前3*8=24位是网段信息，进行比较即可。所以接下来就是子网掩码的概念

子网掩码：前面都是1表示网段位，后面都是0表示主机位。用来判断IP和IP是不是在同一个网段。

广播地址：把IP的主机号都换成1，于是我的广播地址就变成了192.168.31.255

2 ICMP

参考6对ICMP也讲得很好：

为什么有了IP还要有ICMP，为什么ping用的是ICMP协议而不是IP协议？

这都是因为ICMP是保证送达的一个网络层协议，而IP并不保证送达。也就是说一个是可靠的，而一个是不可靠的。我感觉又给自己开了一个坑，同样是可靠的传输协议，ICMP和TCP的区别和联系又在哪里呢？

Ping：我们都用过ping，那么ping究竟是怎么实现的呢？其实很简单，客户端向服务器发送请求，然后接受服务器响应计算这之间的时间差。

Traceroute：想要知道一次路由的链路是什么样要的，就用这个命令，也是基于ICMP的，客户端发送的数据包中一个首部字段TTL设置为1，经过一次中转如果没有到达目标主机，把TTL设置为0直接丢包。说明一次中转不够，那么再把TTL设置为2，经过一次中转TTL-1=1，再经过一次中转如果还是没有到达目的节点，继续将TTL-1=0，丢包。重复以上过程，最终就能知道从源主机到目标主机的整条链路了。

3 ARP协议

IP地址寻到了，真的就结束了吗？还没有，因为真正传输的地址是MAC地址而不是IP地址。ARP是为了通过IP定位到MAC地址。这里不得不说一下IP和MAC的区别。在计算机网络中，IP是唯一的吗？是的。MAC地址是唯一的吗？是的。如果都是唯一的那么为什么要有IP和MAC的概念？

参考5的回答很有启发性：

如果用一根网线把主机A和主机B连接起来，那么通过PPP（Point to point protoctl）就可以根据主机A和主机B的MAC地址进行通信了。

但是如果把距离放到不同局域网里面，MAC地址就不够用了。这里为什么不能只用唯一标示直接进行通信呢？可以想象一个数据库里面有几亿条数据，搜索一个地址需要的时间绝了。如果加入IP的话，就有了子网、局域网等概念，通过IP寻址显然更方便更灵活一些。

RARP：那么如果前面加一个Reverse呢？就是通过MAC地址来问IP地址哈。

4 路由协议

什么是路由协议？什么用？

4.1 RIP OSPF BGP

RIP：距离矢量路由协议。跳数决定路由，最大跳数为15，每隔30s向邻居广播自己的整个RIP路由表。

OSPF：开放式最短路径优先。每个路由器维护的信息不再是邻居，而是整个自治区域的所有链路信息。原理很简单，但是实现起来较难，基于最短路径算法。

BGP：RIP和OSPF都属于内部网关协议，也就是自治系统内部的路由协议。而BGP是外部网关协议，是自治系统之间的路由选择协议。

链路层

突然想问自己链路层存在的意义是什么，然后搜了一下一眼望去竟然网上也没有合理的解释。刚好结合这个问题缕清楚TCP/IP五层协议的意义是什么，为什么要这样分层？

先考虑一台武汉的主机A和上海的主机B。现在我接了一条网线，直连A和B，这就是物理层。

现在能通信吗？可以，然后A发了一大堆“00101010110100111001”给B，结果网线不干了，数据太多我处理不了哈。所以网络协议规定，要按照“帧”这样的格式来传数据，帧包含帧头、帧数据、帧尾。这样“00101010110100111001”的杂乱数据就有顺序了，A可以不用一下子把所有的数据一下子给B。这就是链路层。

然后我发现从如果我一个人从武汉到上海牵一条网线的代价太大了，于是我和别人共用从武汉到上海的通信线路。现在我要和别人共用线路，共用线路是降低了成本，但是我还需要知道怎么通到上海，于是我就大声喊，谁哪里可以从“武汉大学”到“武昌区中转站”，继续大声喊谁哪里可以从“武昌中转站”到“虹桥中转站”？一路喊着把数据推给了B。这就是网络层IP寻址。

好家伙，我发出去的数据我不知道B收到了没有。我和B约定，收到对方的消息给一个确认的回应，如果过长时间没有收到确认，这玩意儿肯定让共用线路的那帮傻逼玩意儿给我搞没了。于是我重新发了一遍。这就是传输层。

好的，现在A的数据终于可以百分百确定交给B了。但是现在B拿到一堆数据帧，啥也看不懂，不知道我想表达的是什么意思。于是我在数据帧的某一部分告诉他，我用的是HTTP协议，你就用HTTP协议解析就行了。于是他用浏览器一解析，芜湖，最后我想告诉他的内容就显示出来了：“你真可爱”。这就是应用层。

参考

https://www.w3school.com.cn/tags/tag_term_hypertext.asp （什么是超文本）

https://blog.csdn.net/hanziang1996/article/details/78982009（HTTP请求过程）

https://www.cnblogs.com/deliver/p/5471231.html （TCP如何保证可靠 ）

https://www.cnblogs.com/csguo/p/7527303.html （ARP详解）

https://www.zhihu.com/question/49335649/answer/120746792（IP地址和MAC地址的区别和联系是什么？）

https://blog.csdn.net/yuxiang1014/article/details/108547017 （ICMP讲解）

https://blog.csdn.net/mary19920410/article/details/59035804 （IP报文格式）

https://www.bilibili.com/video/BV1it41117Vq （思科居然有软件模拟网络寻址过程，爱了爱了）

https://www.cnblogs.com/hello-shf/p/13570587.html （IP寻址过程）

https://blog.csdn.net/wangzhen_csdn/article/details/80855261 （DHCP详解）

https://www.bilibili.com/video/BV1a64y1m7qn（ip地址讲解）

https://blog.csdn.net/a19881029/article/details/29557837 （TCP报文）

https://www.jianshu.com/p/42dbcd39c3e7 （TCP如何保证可靠）

https://zhuanlan.zhihu.com/p/89443344 （链路层和网络层的区别）