网络原理

本文简介

先列个大纲，以后慢慢写，主要写重要的协议。

TCP/IP五层模型

五层模型如下，下层为上层服务，数据也从应用层一层层包装最终丢给物理层传输，接收端再一层层解包装
https://img-blog.csdnimg.cn/20190813161945268.png" alt="在这里插入图片描述" />

物理层

波形失真

波形失真有两种，一种是失真小接收端可识别高低位，另一种失真大接受端不可识别高低位
影响失真的因素：码元传输速率，信号传输距离，噪声，传输介质质量

信号带宽

信道带宽是指信道可以通过的最高频率与最低频率之差
例如某个信道可以通过的最高频率为4000HZ,最低为1000HZ
那么信道带宽就是3000HZ
低频信号不能通过信道是因为频率低信号极易衰减，到接收端无法识别高低位
高频信号不能通过是因为频率太高，导致接收端接收不过来，就像我们10倍速看电影一样，什么也看不到

码间串扰

接收端收到的信号失去了码元之间清晰界限的现象

奈奎斯特准则

在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud(波特)，W是信道带宽，单位是HZ

波特是码元传输速率的单位，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率

理想低通信道的极限数据传输率=2W$lo{g}_{2}V$(b/s),V是指有几种码元

香农定理

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位，有信噪比(dB) = 10$lg(S/N)$(底数为10)
例：S/N=1000,信噪比(dB)=10*3=30dB
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信号的极限数据传输速率=W$lo{g}_2(1+S/N)$(b/s)

数据链路层

组帧

字符计数法

帧首部使用一个计数字段来标明帧内的字符数，如下图
https://img-blog.csdnimg.cn/20190813170915964.png" alt="在这里插入图片描述" />

缺点：错一个地方就全错

字符填充法

https://img-blog.csdnimg.cn/20190813171519788.png" alt="在这里插入图片描述" />
添加首部填充和尾部填充，如果数据部分有SOH和EOT，那么采取给数据添加转译字符的办法实现透明传输

零比特填充法

这种办法很巧妙，首部和尾部采取特殊的8位比特位01111110，然后数据部分采取逢5个1添加一个0的操作，如下图
https://img-blog.csdnimg.cn/20190813172041261.png" alt="在这里插入图片描述" />
如果数据部分出现了01111110这样的数据，采取逢5个1添加一个0的操作后数据变成011111010，这样就不会误以为已经到了尾部了

违规编码法

曼彻斯特编码：曼彻斯特编码采取高-低表示高电位1，采取低-高表示低电位0，我们可以采取曼彻斯特编码不会出现的编码高-高或低-低作为帧的起始和终止

差错控制

差错有位错和帧错，位错是指0变成1，1变成0，帧错有丢失，重复，失序三种

位错检错编码：奇偶校验码，CRC码

位错纠错编码：海明码

奇偶校验码

n-1位信息元，一位校验元，奇校验码1的个数为奇数，偶校验码1的个数为偶数
例：如果一个字符的编码从低到高依次为1100101，采用奇校验，在下列收到的数据中，那种错误不能检测？
A:11000011
B:11001010
C:11001100
D:11010011
解析：n-1位信息元是1100101，采用奇校验，就得添加一个校验元1后得到11100101（奇数个1），如果收到的数据1的个数不是奇数说明就发生了错误（所以ABC都在传输过程发生了错误，只有D不能确定错了还是没错，选D）
结论：奇偶校验码只能检查出奇数位的bit错，检错能力为50%
结论理解：
1100101采用奇校验后11100101
1：假设传输过程只错了一位，最低位1变成了0即11100100，他发现1的个数由奇数变成了偶数，由此断定出错了
2：假设传输过程只错了两位，最低两位变了，即11100110，他发现1的个数一直都是奇数，他不能确定到底出错了没有
3：假设传输过程只错了三位，最低三位变了，即11100010，他发现1的个数由奇数变成了偶数，由此断定出错了
所以说只有出错的bit一共有奇数个才可以检测出来，检错能力为50%

CRC

CRC循环冗余码十进制的演示过程如下
发送端要发送的数据为5，生成多项式为2，
5/2 = 2…1(1是余数，也叫冗余码)
最终发送的数据是5+1=6
接收端接受到6
6/2=3…0
接收端余数为0就判定没有出错
例：发送端要发送的数据是1101011011，采取CRC校验，生成多项式是10011，那么发送端最终要发送的数据是？
1101011011/10011=1100001…1110
最终要发送的数据 = 1101011011+冗余码=11010110111110

海明码

海明不等式： 为了确定校验码的位数r，先介绍海明不等式
$2^r$$\ge$k+r+1
r为校验码的位数或者叫做冗余信息位，k为信息位

举个栗子： 例如要发送的数据是101101，即k=6，根据海明不等式推出r最小为4，所以海明码一共有k+r位，即10位

下面我们将从一个例子中学习如何确定数据的位置和校验码的位置
D=101101,k=6,r=4
假设6位信息元依次是D1,D2,D3,D4,D5,D6，四位校验元依次是P1,P2,P3,P4
P1,P2,P3,P4分别放在2的0，1，2，3次方的位置处，D1~D6依次填充并把D1到D6的信息元依次填入，我们现在要做的就是求出P1到P4

二进制表示	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010
数据位	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
代码	P1	P2	D1	P3	D2	D3	D4	P4	D5	D6
实际值	?	?	1	?	0	1	1	?	0	1

求P1？
注意P1的二进制表示为0001，那么我们找出P1到P4,D1到D6中所有最低位为1的代码有P1,D1,D2,D4,D5,令这5个代码异或结果=0，求出P1
P1⊕D1⊕D2⊕D4⊕D5=0,即P1⊕1⊕0⊕1⊕0=0推出P1=0
求P2?
注意P2的二进制表示为0010，那么我们找出第二位为1的代码有P2,D1,D3,D4,D6
P2⊕D1⊕D3⊕D4⊕D6=0推出P2=0
求P3？
注意P3的二进制表示为0100，那么我们找出第三位为1的代码有P3,D2,D3,D4
P3⊕D2⊕D3⊕D4=0推出P3=0
求P4？
注意P4的二进制表示为1000，那么我们找出第四位为1的代码有P4,D5,D6
P4⊕D5⊕D6=0推出P4=1

更新表格为

二进制表示	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010
数据位	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
代码	P1	P2	D1	P3	D2	D3	D4	P4	D5	D6
实际值	0	0	1	0	0	1	1	1	0	1

最后得到的海明码是 0010011101
纠正单比特错
假设传输过程中第5位出错了,由0变成1，接收到的数据是0010111101，那么接收端的表格如下

二进制表示	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010
数据位	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
代码	P1	P2	D1	P3	D2	D3	D4	P4	D5	D6
实际值	0	0	1	0	1	1	1	1	0	1

下面演示如何利用海明进行纠错
再次执行求海明码过程中求P1到P4的操作
第一步：P1 ⊕ D1 ⊕ D2 ⊕ D4 ⊕ D5 = 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 0 = 1
第二步：P2 ⊕ D1 ⊕ D3 ⊕ D4 ⊕ D6 = 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 = 0
第三步：P3 ⊕ D2 ⊕ D3 ⊕ D4 = 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 = 1
第四步：P4 ⊕ D5 ⊕ D6 = 1 ⊕ 0 ⊕ 1 = 0

从第四步异或的结果往第一步写得到的二进制数是0101，对应十进制数5，即第5位发生了差错

流量控制与可靠传输

流量控制：发送方和接收方速度不匹配，需要控制发送方的速度
可靠传输：发送方发送了什么，接收方必须一字不落的接收到
流量控制的方法：滑动窗口（后退N帧协议，选择重传协议，停止-等待协议）
停止-等待协议：每发送完一个帧就停止发送，等待对方确认，收到确认后再发送下一帧
滑动窗口：指发送方和接收方都维持一个滑动窗口，他只能接收小于等于该窗口值的数据，该协议允许发送方在停止并等待确认前发送多个数据分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认，因此该协议可以加速数据的传输，提高网络吞吐量。

停止-等待协议 发送窗口大小=1 接收窗口大小=1
后退N帧协议 发送窗口大小>1 接收窗口大小=1
选择重传协议 发送窗口大小>1 接收窗口大小>1
滑动窗口百度词条

网络层

ip数据报

MTU
首先介绍MTU，MTU是指链路层数据帧可封装数据的上限，以太网的MTU=1500字节
如果ip分组大于MTU，就要对这个ip分组进行分片
ip数据报格式
https://img-blog.csdnimg.cn/20190814103521825.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />
下面来分析这些字段的含义
版本： ipv4
首部长度： 首部长度占4bit，最小为5，单位为4B，我们知道4位二进制最大可表示15，也就是首部长度最大为154B=60B,最小是54B=20B，即固定首部长度
区分服务： 期望获得那种类型服务？？？？？ 不懂这个
总长度： 首部长度+数据部分长度，单位为1B
标识： 标识同一数据报的分片，也就是说同一数据报的不同分片需要使用同一标识
标志：标志占三位二进制,最高位无意义，暂时不用
中间位DF（do not fragment）
DF=1表示禁止分片
DF=0允许分片
最低位MF(more fragment)
MF=1 表示后面还有分片
MF=0 表示后面无分片，本片是最后一片
片偏移： 片偏移占13位
指ip分组分片后，该片再原分组的相对位置，以8B为单位
假如片偏移=0000000000011，即十进制的3，该片再原分组的相对位置是3*8B=24B
生存时间(TTL)： ip分组的保质期，经过一个路由器减1，变成0则丢弃该ip分组
协议： 数据部分使用的协议，tcp=6，udp=17
首部检验和： 检验首部？？？？？ 不懂这个
源地址： ipv4 32bit
目的地址： ipv4 32bit
可选字段： 0-40B,支持排错 测量 安全控制等
填充： 把首部补成4B的整数倍，这个和java对象头一样
数据部分： 传输层使用的协议封装成的数据

ipv4

ip地址：全世界唯一的32位标识符，根据该标识符可以找到该主机，路由器。。。
ip地址=网络号+主机号
11011111 00000001 00000001 00000001 = 223.1.1.1

分类的ip地址

https://img-blog.csdnimg.cn/20190814113046358.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />
如果你不知道自己的IP是多少，可以使用0.0.0.0
上图中没有127，因为127是本地环回测试使用

网络类别	最大可用网络数	第一个可用网络号	最后一个可用网络号	每个网络中最大主机数
A	27-2	1	126	224-2
B	214-1	128.1	191.255	216-2
C	221-1	192.0.1	223.255.255	28-2

子网划分

两级的IP地址有时候不够灵活，需要子网划分

https://img-blog.csdnimg.cn/20190814115258237.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />
划分子网后，其他网络看不见该网络子网的划分

二级ip的子网掩码：
若 网络号16位+主机号16位，那么子网掩码=255.255.0.0
若 网络号24位+主机号8位，那么子网掩码=255.255.255.0

三级ip的子网掩码：
若 网络号16位+子网号8位+主机号8位，那么子网掩码=255.255.255.0

ipv6

https://img-blog.csdnimg.cn/20190814120934340.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />
https://img-blog.csdnimg.cn/20190814122314932.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />
版本： 协议版本，总是0110，即6
优先级： 区分数据报的类别和优先级
流标签： 所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标签
有效载荷长度： 扩展首部+数据部分长度
下一个首部： 标识下一个扩展首部或上层协议首部
举个栗子：某ipv6数据报有扩展首部1，扩展首部2，那么本数据报的下一个首部就是扩展首部1，扩展首部的下一个首部就是扩展首部2，扩展首部2的下一个首部就是传输层封装的数据报的首部条
跳数限制： 相当于ipv4的TTL
地址： fe80:306f:306f:9efb:f73d:38d5:38d5:38d5 有一些简略写法，略

路由算法

RIP协议，距离向量算法
OSPF协议，链路状态路由算法

传输层

TCP

tcp协议特点：
tcp是面向连接的传输层协议
tcp连接是点对点的
tcp提供可靠的传输服务，无差错，不丢失，不重复，按序到达
tcp提供全双工通信
tcp面向字节流通信
发送缓存： 存放 准备发送的数据&&已发送但尚未收到确认的数据
接收缓存： 存放 按序到达但尚未被应用程序读取的数据&&不按序到达的数据
tcp报文段首部格式：
https://img-blog.csdnimg.cn/20190814152756392.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />
序号： 在一个tcp连接中传送的字节流的每一个字节都按顺序编号，序号表示本报文段发送数据的第一个字节的序号
确认号： 期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，若确认号=N，则说明到序号N-1为止的数据都已正确收到
数据偏移/首部长度： 首部长度占4bit，最小为5，单位为4B，我们知道4位二进制最大可表示15，也就是首部长度最大为154B=60B,最小是54B=20B，即固定首部长度（看的眼熟？其实和ipv4的一样）
URG： 紧急位，URG=1时表明该数据报是紧急数据，不应在发送缓存中排队，直接插队发送数据，配合紧急指针使用
ACK： ACK = 1时确认号ack才有效，在连接建立后所有传送的报文段都应该把ACK置1
PSH： 推送位=1时，接收方应尽快交付应用程序，不应该等待接收缓存满再交付
RST： 复位RST=1时表明tcp连接出现严重差错，应该释放连接重新建立连接
SYN： 同步位=1时表明这是一个连接请求或者连接接受报文
FIN： 结束位=1表明这是发送方请求释放连接
窗口： 指发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量
举个栗子：A给B发数据，A的窗口值=5，B收到了A发过来的数据，并且解析出来A的接收窗口=5，B就知道了我不可以发送>5的数据给A
检验和： 检验首部+数据部分，检验时要加上12B的伪ip首部
紧急指针： URG=1时紧急指针才有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数

三次握手

https://img-blog.csdnimg.cn/20190814160629135.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="tcp三次握手" />
其实仔细理解了上面我对tcp每个字段的解释，再看这幅图，每一次握手为什么需要传这些数据就清楚了，这里不展开解释了

四次挥手

https://img-blog.csdnimg.cn/20190814163148523.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />

拥塞控制

慢开始 拥塞避免
这个图实在难画，借用王道一张图
https://img-blog.csdnimg.cn/20190814164108669.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />慢开始是指拥塞窗口刚开始几个回合以指数形式增长（1->2->4->8->16->直到ssthresh），由于刚开始斜率很小，所以是慢开始
到达门限值后线性增长直到出现网络拥塞，这个阶段就是拥塞避免
出现拥塞后ssthresh = 拥塞窗口/2，再进行慢开始-拥塞避免
快重传 快恢复
快恢复是指上图出现网络拥塞后，拥塞窗口不降为1，而是降为新门限制12，然后直接走拥塞避免线性增长
快重传是收到三个重复的确认执行快重传算法

UDP

udp协议特点：
无连接
不保证可靠性
面向报文
适合一次性传输少量数据
udp无拥塞控制，适合实时应用，如视频会议
首部开销小,8B
如何理解udp适合一次性传输少量数据
应用层给udp多长的报文，udp添加首部后就照样发送，即不做切分，一次发一个完整的报文，设想如果报文过长，那么数据到网络层，肯定会被分片处理，就会加重网络层的负担，而且还可能导致数据丢失
udp报文段首部格式：
https://img-blog.csdnimg.cn/20190814154921964.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpdVJlbnlvdQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述" />
UDP长度：首部+数据的长度
UDP检验和：检验首部+数据是否错误

应用层

HTTP

HTTP是超文本传输协议，架构在tcp之上，tcp为其提供可靠传输
HTTP是无状态协议，即两次同一个客户请求，服务器不会发现是同一个客户连接的，可用cookie和session解决
HTTP虽然不是可靠的协议，但是他有TCP为其保驾护航
HTTP/1.1之前短连接，之后（包括1.1）长连接
短连接是指每次请求都要进行三次握手四次挥手
长连接是指一次三次握手四次挥手可以进行多次请求，利用keepalive 实现
请求体：

请求行：请求方法 请求路径 请求协议
请求头：
空行：
请求体：

示例如下
POST /private/index.html HTTP/1.0
Host: localhost
Authorization: Basic QWxhZGRpbjpvcGVuIHNlc2FtZQ==

name=lry&pwd=123

响应体：

响应行：协议 状态 描述
响应头：
空行：
响应体：

示例如下
HTTP/1.0 200 OK
Server: HTTPd/1.0
Date: Sat, 27 Nov 2019 10:19:07 GMT
Content-Type: text/html
Content-Length: 10476

响应体

参考资料

王道考研书籍
王道考研视频
深入理解计算机网络

总结

辛辛苦苦写了几天，请不要盗图盗文，就算要用请注明出处，谢谢