计算机网络基础（二）

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    本部分自顶向下介绍因特网协议栈分层的具体情况，以及各协议的大概特征。

应用层（Application Layer）

    应用层负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特别应用程序 ，应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理。

DNS

    域名系统（DNS）是万维网上作为域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使用户更方便的访问互联网，而不用去记复杂的IP数串。通过域名，最终得到该域名对应的IP地址的过程叫做域名解析（或主机名解析）。DNS协议运行在UDP协议之上，使用端口号53。

  • 主机名到IP地址的映射：

    1. 静态映射，每台设备上都配置主机到IP地址的映射，各设备独立维护自己的映射表，而且只供本设备使用；
    2. 动态映射，建立一套域名解析系统（DNS），只在专门的DNS服务器上配置主机到IP地址的映射，网络上需要使用主机名通信的设备，首先需要到DNS服务器查询主机所对应的IP地址。

  • 域名结构：

    www | huangyufeng | com
    三级域名 | 二级域名 | 顶级域名

  • DNS服务器分类：

    1. 根DNS服务器： 在因特网中有13个根DNS服务器（A~M），大部分位于北美；
    2. 顶级域（TLD）DNS服务器： 负责顶级域名和国家顶级域名。如com、org、cn、edu等；
    3. 权威服务器： 负责提供公共可访问的DNS记录，这些记录将主机名映射为IP地址。

  • 域名映射查询：

    1. 递归查询： 主机向服务器发送查询请求，若该服务器没有相关记录，则该服务器作为新的主机向其他主机询问，知道查询到结果为止。主机向本地域名服务器的查询一般都是采用递归查询。
    2. 迭代查询： 主机向服务器发送查询请求，若该服务器没有相关记录，则返回信息告诉主机下一步该向哪个服务器查询。本地域名服务器向根域名服务器的查询的迭代查询。
      查询

HTTP

    超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol | HTTP)是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。HTTP是一个客户端和服务器端请求和应答的标准（TCP）。客户端是终端用户，服务器端是网站。通过使用Web浏览器、网络爬虫或者其它的工具，客户端发起一个到服务器上指定端口（默认端口为80）的HTTP请求。尽管TCP/IP协议是互联网上最流行的应用，HTTP协议并没有规定必须使用它和（基于）它支持的层。 事实上，HTTP可以在任何其他互联网协议上，或者在其他网络上实现。

详见：《计算机网络之HTTP》

FTP

    文件传输协议（File Transfer Protocol | FTP），中文简称为“文传协议”。用于Internet上的控制文件的双向传输。

  • FTP工作流程：

    1. 客户端通过TCP三次握手与服务器的21端口建立控制连接；
    2. 服务器对客户端进行身份验证，授予客户端相应的操作权限；
    3. 客户端请求数据传输建立数据连接；
    4. 数据传输完成后断开数据连接；
    5. 退出FTP服务器断开控制连接。

  • FTP连接:

    1. 控制连接： 用于传输控制信息，其在整个会话期间保持连接；
    2. 数据连接： 用于传输数据，在客户端发起数据传输请求后建立数据连接，在结束传输后断开连接，不必一直存在。

SMTP

    简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol | SMTP）是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，由它来控制信件的中转方式。SMTP协议属于TCP/IP协议簇，它帮助每台计算机在发送或中转信件时找到下一个目的地。

  • SMTP工作流程：
    1. 建立TCP连接；
    2. 客户端向服务器发送HELO命令以标识发件人自己的身份，然后客户端发送MAIL命令；
    3. 服务器端以OK作为响应，表示准备接收；
    4. 客户端发送RCPT命令；
    5. 服务器端表示是否愿意为收件人接收邮件；
    6. 协商结束，发送邮件，用命令DATA发送输入内容；
    7. 结束此次发送，用QUIT命令退出。

DHCP

    动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol | DHCP）是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作， 主要有两个用途：给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址，给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段，在RFC 2131中有详细的描述。

运输层（Transport Layer）

TCP

    传输控制协议（Transmission Control Protocol | TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，提供全双工服务由IETF的RFC 793定义。

  • 连接的建立：

    1. 客户端向服务器发起建立连接申请；
    2. 服务器如果同意建立连接，则返回客户端建立的许可信息；

    3. 客户端接收到响应信息后，发送同意请求到服务器，建立连接。

      三次握手，四次挥手

  • 连接断开：

    1. 客户端停止发送数据并发送断开连接请求给服务器；
    2. 服务器接受请求后向客户端发送确认信息，不再接收数据，进入半关闭状态；
    3. 服务器发送完所有数据之后，并向客户端发送关闭连接的确认信息；
    4. 客户端收到关闭连接的确认信息后，发送确定信息给服务器，关闭连接。

  • TCP服务特点：

    1. 拥塞控制： 慢启动，快速重传和快速恢复；
    2. 全双工；
    3. 面向连接。

UDP

    用户数据报协议（User Datagram Protocol | UDP）在网络中与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。只有在不要求数据分组顺序到达，且丢包影响较低的情况下会使用UDP。比如即时通信技术。

网络层（Network Layer）

IP

    网际协议（Internet Protocol | IP）是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。

  • IP地址：
    1. 定义： IP地址就是给每个连接在互联网上的主机分配唯一的一个32位地址；
    2. 基本格式： 网络地址 + 主机地址或（网络地址 + 子网地址 + 主机地址）；
    3. 分类： 私有，公有；
    4. 与MAC地址的区别： IP地址本质上是终点地址，它在跳过路由器（hop）的时候不会改变，而MAC地址则是下一跳的地址，每跳过一次路由器都会改变。

  • IP数据包：

    1. 分片： 由于链路层具有最大传送单元（MTU）这样一个特性，限定了传送数据的大小。因此，在网络层将数据分片成可以传输的大小，在数据到达目的地的网络层后再由IP重组；
    2. 重组： 建议在目的地主机重组，虽然也可以在网络中重组以减小路由器负担；
    3. 生存时间： IP数据包格式中设有一个生存时间字段，用来设置该数据包在联网中允许存在的时间，以秒为单位。如果其值为0，就把它从互联网上删除，并向源站点发回一个出错消息。

  • 其他：
    详见《计算机网络之IP》

路由器工作原理

1. 路由器接收到数据包，提取目标IP地址及子网掩码计算目标网络地址；
2. 根据目标网络地址查找路由表，如果找到目标网络地址就按照相应的出口发送到下一个路由器；
3. 如果没有找到，就看一下有没有默认路由，如果有就按照默认路由的出口发送给下一个路由器；
4. 如果没有找到就给源IP发送一个出错ICMP数据包表明没法传递该数据包；
5. 如果是直连路由就按照第二层MAC地址发送给目标站点。

MAC

    媒体访问控制（Medium Access Control | MAC）协议规定了帧在链路上的传输规则。

可靠传输

    链路层提供确认和重传技术，并在帧中包含差错检测比特，让接收结点进行差错检查并能准确定位差错出现的位置。

物理层（Physical Layer）

    包括各种硬件网络设备技术。