这两天把计算机网络复习了一遍，总结一下，方便以后查看；
说起计算机网络，离不开IOS七层模型和TCP/IP四层模型，这里我会以IOS七层模型，逐层解释
一、物理层(这一层偏硬件，没有什么讲的）
二、数据链路层
首先介绍这一层主要三个功能：封装成帧、透明传输和差错监测；
封装成帧：是在数据首尾加上帧首部(SOH)和帧尾部(EOT)，然后交给物理层传输，这里会涉及到一个最大传输单元MTU(Maximum Transmission Unit)的概念，数据链路层的数据帧不是无限大的，以太网MTU一般为1500字节；
透明传输：其实就是解决如果在帧数据中也出现了帧首部(SOH)和帧尾部(EOT)标记时，怕引起误差，破坏数据完整性，加上类似转义字符，实际处理是，如果提前出现EOT字符，则在前面加上一个ESC字符，如果数据中本身出现了ESC，则多加上一个ESC，类似在windows系统下编程时，字符中用两个“\”来处理“”的问题；
差错监测：最简单的监测方法就是采用奇偶校验码，就是简单的将一个数据的所有0，1比特位求和，看最后是奇数还是偶数，这种监测比较粗糙，比如如果出现了偶数次差错，最后的检验码仍然是正确的，针对这个问题，就引入了精确度更加高的循环冗余校验码CRC，首先要选定一个用于校验的多项式G(x)，然后用多项式的系数采用模“2”除法，简单点理解。就是一次计算多项式最高项次数个比特位，显然，最高项次数越高，检测结果越准确，但是计算成本也高，具体计算细节在这就不多介绍了；
数据链路层主要是管理相邻节点间的数据通信，利用以太网协议解决数据当前一跳的问题
简单来说，就是在帧数据报首部加上目标MAC地址和源MAC地址，每一个路由器内部都有一个MAC地址表，可以查询到MAC地址对应的硬件接口，这样就可以完成将帧数据从此节点传送到下一节点的动作；
三、网络层
- IP协议
网络层主要解决数据在网络中具体传输路径的问题，首先看IP协议的位置和具体组成：
我们来依次解释各关键部分代表的意思：
4位版本：指的是IP协议的版本，通信双方必须版本一致，当前主流版本是4，即IPv4，也有IPv4;
4位首部长度：可以表示的最大数值是15，表示的是IP协议首部长度，单位是“4字节”，也就可以计算出IP协议首部最长也只能是60字节；
16位总长度：最大数值是65535，表示的是IP数据报的总长度(IP首部+IP数据)；
16位标识:用来唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发一份报文，它的值会加1；
3位标识：标志一份数据报是否要求分段。
13位位偏移：如果一份数据报要求分段的话，此字段指明该段偏移距原始数据报开始的位置。
8位生存时间(TTL：Time to Live)：用来设置数据报最多可以经过的路由器数。由发送数据的源主机设置，通常为32、64、128等。每经过一个路由器，其值减1，直到0时该数据报被丢弃。
8位协议：占8比特。指明IP层所封装的上层协议类型，如ICMP、IGMP 、TCP、UDP等。
源IP地址、目标IP地址：各占32比特。用来标明发送IP数据报文的源主机地址和接收IP报文的目标主机地址。
可选项：占32比特。用来定义一些任选项：如记录路径、时间戳等。这些选项很少被使用，同时并不是所有主机和路由器都支持这些选项。可选项字段的长度必须是32比特的整数倍，如果不足，必须填充0以达到此长度要求。
总的来说，IP协议主要包含了我从哪里来(源IP)，要到哪里去(目标IP)，我能存活多久，我是什么等这些问题，这里的IP地址和以太网的MAC地址不同，在以太网协议中，在每一跳中，MAC地址都是变化的，指向当前节点和下一节点，但是IP协议的地址不发生变化，一直是发送方和接收方的IP地址；
- ARP协议和RARP协议
那么我知道了目标的IP地址，但是我不知道他的MAC地址，如何解决IP地址和MAC地址相互映射的问题呢？接下来就要谈到ARP协议(地址解析协议)和RARP协议(反向地址转换协议)协议了;
这里就要介绍ARP缓存表了，ARP缓存表记录了IP地址和MAC地址的映射关系，当某一节点接收到消息之后，就会从IP协议中得到目标的IP地址，此时查询ARP缓存表，如果其中有对应的MAC地址，就直接得到了MAC地址，如果没有找到，则会广播发出包含ARP协议的信息，直到信息传达到目标的IP地址，此时接收方就会对该节点单一回传一个包含自己MAC地址的信息，然后再在ARP缓存表中记录上此条映射关系，简单点说，就是兄弟(接收方)，我想给你寄快递，但是我不知道你的地址，我只知道你叫什么，可以把你的地址告诉我么，然后把这条信息广播出去，等到你兄弟接受到这条信息之后，他会偷偷告诉你一个人，他的地址；
而RARP协议主要是设置一台新的机器时，只有新机器的MAC地址，而没有IP地址时，向路由器发送一个包含RARP协议的信息，然后路由器返回他的IP地址给你，就是你的IP地址了。比如我们的电脑在家，在办公室，在公共场所连入WIFI时，都会使用到这个协议，简单点说，就是兄弟(路由器)，我买新房子了，但是我不不知道我这小区叫什么名字，你告诉我一下呗，然后兄弟告诉你，这个小区叫什么；
- ICMP协议
从上面我们可以知道IP协议并不提供可靠传输，发送方传送出去的东西，并不知道接收方到底是否接收到了，如果没接收到，那么没接收到的原因是什么，比如关机等等，此时就要用到ICMP协议了，
一个新搭建好的网络，往往需要先进行一个简单的测试，来验证网络是否畅通；但是IP协议并不提供可靠传输。如果丢包了，IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因。 所以我们就需要一种协议来完成这样的功能–ICMP协议。
ICMP协议的功能主要有：
- 确认IP包是否成功到达目标地址
- 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因
简单点说，就是兄弟，我想给你寄快递，你那边可以收到么？要是不能收到，是什么原因呢？是你不在家，还是怎么？
对于ICMP协议最常的应用就是Ping命令和Traceroute命令(Windows 系统下是Tracert);
- 路由表
最后，我们来解决最关键的问题，知道了目标IP地址，目标MAC地址，网络情况良好，万事具备了，那我们的信息在网络层到底按照什么路线来传递呢，接下来我们介绍路由表和相应的路由算法；
路由表主要记录目的IP地址和下一跳的IP地址的映射关系，在网络层中，每一个点代表一个网络、路由器或者计算机，每一条边表示一条网络路径，路由算法实际就是图论算法，但是由于网络环境复杂，所以比图论算法要复杂一些，
首先引入自治系统(AS：autonomous system)的概念，一个自治系统就是处于一个管理机构控制之下的路由器和网络群组，在自治系统内部的网关协议称为内部网关协议(RIP、OSPF)，在自治系统外部的网关协议称为外部网关协议(BGP);
- RIP协议
RIP协议采用的距离矢量(DV)算法，此算法的核心公式就是Dij = min(Dix+Dxj) = Dix + min{Dxj};这个公式的含义就是从节点i到达节点j，路径节点x时，此时的距离等于从节点i到达节点x的距离加上从x到达j的所有路径中的最短距离；
不过RIP协议是将网络的跳数作为DV算法的距离，RIP协议认为跳数大于15时的路由为不可达路由，DV算法实现简单，开销也很小，具体算法细节就不在这里展开了，不过这个算法的缺点也是显而易见的，跳数最多为15，限制网络的规模，“坏消息”(如某处节点损坏)，需要跳数大于15时，才将此节点设置为不可达，更新收敛时间过长；
- OSPF协议
OSPF协议采用的算法是Dijkstra算法，它是一个著名的图算法，其实核心就是广度优先搜索(BFS)算法和贪心算法的结合，简单点说就是划分连个集合S1、S2，初始时以发送方单一节点为集合S1，其他所有节点为集合S2，为发送点为中心的可见点(仅一跳可达的节点)中，距离最近的点，加入到集合S1中，然后再以集合S1中的节点的所有可见点中，重复此操作，直到S2为空集时停止；
OSPF协议使用的是链路状态协议(LS)，链路状态协议就是基于Dijkstra算法，如果说距离矢量路由协议提供的是路标，那么链路状态路由协议提供的就是地图，每一个路由器都包含整个网络拓扑信息，而地图的搭建就是通过OSPF协议完成的，
OSPF的包类型：
- Hello包：用于发现和维护邻居关系。选举DR(指定路由器)和BDR(备用指定路由器)
- 数据库描述包（DBD）：用于向邻居发送摘要信息以同步链路状态数据库
- 链路状态请求包（LSR）：在路由器收到包含新信息的DBD后发送，用于请求更详细的信息
- 链路更新包（LSU）：收到LSR后发送链路状态通告（LSA），一个LSU数据包可能包含几个LSA
- 链路状态确认包（LSAck）：确认已经LSU，每个LSA需要被分别确认
RIP协议和OSFP协议的对比
- BGP协议
外部网关协议就是在每个自治系统内部，选出两个BGP发言人，简单点说，就是选两个话事人，信息能不能传输进我的自治系统，按照什么规则传入，都是由这两个话事人说了算；
最后总结一下，在网络层中一共提到三个表：
- MAC地址表：MAC地址和对应硬件接口的映射关系
- ARP缓存表：IP地址和MAC地址的映射关系
- 路由表：目的IP地址和下一跳IP地址的映射关系
某条数据到达某一节点，该节点先从IP协议头部得到目的IP地址，查询路由表得到下一跳的IP地址，然后查询ARP缓存表得到下一跳的MAC地址，然后封装成帧，查询MAC地址表得到对应的硬件接口，这三个表的配合使用，就能完成一条数据从发送方传送的接收方的完整操作。
四、传输层
传输层是管理端到端的通信连接，这里的端是端口的意思，不是指物理端口，而是指每一个进程的端口号，所以传输层解决的是进程与进程之间通信连接的问题，常用的端口号：FTP(21)，HTTP(80)，HTTPS(443)，DNS(53)等等。
传输层的两大协议分别是UDP(User Datagram Protocol)协议和TCP(Transmission Control Protocol)协议；
- UDP协议
UDP协议是一个非常简单的协议，它是一种无连接协议，不能保证可靠的交付数据，“想发就发”，无法保证数据是否在网络中丢失，它是一种面向报文传输的，首部开销很小。
- TCP协议
TCP协议是计算机网络中非常复杂的一个协议，他是一个面向连接的协议，提供可靠的传输服务，TCP协议是面向字节流的协议。
关于TCP头部各部分的解释细节，网上有很多，我就简单的说一下，源端口，目的端口号没啥说的，序号，指的是此条数据是相对于字节流的首字节序号，确认号是相对于发送方的，TCP是双向连接的协议，发送方和接收方是相对的，确认号就是告诉对方，在这个确认号之前的信息我已经收到了，我期望收到确认号之后的信息，数据偏移是指数据偏离首部的位置，其实也就是表明了TCP首部的实际长度，保留字段是预留出来的字段，方便以后开发新功能，TCP标记，URG=1表示紧急数据，优先传送，ACK=1表示确认号生效，RST=1表示重新建立连接，SYN=1表示连接请求报文，FIN=1表示释放连接，窗口大小表示允许对方发送的数据量，检验和是检验TCP头部是否传输错误，紧急指针是配合URG标记使用的，指定紧急数据在报文中的位置；选项最多40字节，支持未来拓展。
这里介绍两个概念：停止等待协议和连续ARQ协议
停止等待协议简单来说就是发送方传送一条数据，然后停下来等待，等接收方接收到消息之后，回传确认信息，发送方接收到确认消息之后，再接着传送下一条信息，如此反复，显然这个对信道的利用率很低，而连续ARQ协议则不同，它会设置一个滑动窗口，在窗口大小内的数据都能传输，采用累积确认的方式，这样极大提高的对信道的利用效率，TCP协议采用的就是连续ARQ协议，滑动窗口以字节为单位；
接下来介绍TCP协议的几个重要功能:
- 流量控制：通过调整滑动窗口大小，来控制发送方的发送速率(这里添加一个坚持定时器介绍，当某个滑动窗口为0时，发送方启动坚持定时器，坚持计时器重要是为了防止接收方发送的调整窗口的大小信息丢失，接收方和发送方同时进入等待状态，形成死锁的局面，发送方每隔一段时间向接收方发送窗口探测报文)；
- 拥塞控制：采用慢启动算法，由小到大逐渐增加发送数据量，采用指数增长，当到达慢启动阈值时，启动拥塞避免算法，维护一个拥塞窗口变量，只要网络不拥塞，就试探性的增大窗口，每次加一；
最后是TCP连接的建立，也就是经常说的“三次握手，四次释放”；
男：我想你谈恋爱；(一次握手)
- 重传计时器：发送方发送数据后，等待接收方的回复，如果在2RTT(Round-Trip Time:往返时延)内未收到回复消息，就会启动超时重传机制，认定该条数据丢失，重新发送该条数据；
- 坚持计时器：是TCP协议在流量控制中，当滑动窗口设置为0时，启动坚持定时器，询问窗口是否开启；
- 时间等待计时器：确保第四次释放能顺利完成，等待2MSL时间；
- 保活计时器：具体介绍一下，每当服务器收到客户的信息，就将保活计时器复位，超时通常设置2小时，若服务器超过2小时还没有收到来自客户的信息，就发送探测报文段，若发送了10个探测报文段（没75秒发送一个）还没收到响应，则终止连接。比如某一方突然死机了，等到保活计时器到时间了，就会发送探测报文，来决定是否释放连接；
参考：
- 慕课网精英讲师咚咚呛课件
- 百度百科
- 以及遇到不懂问题时，查阅的各路大神的博客