计算机网络笔记–1 计算机网络与网络应用(上)

文章目录

计算机网络笔记--1 计算机网络与网络应用(上)
前言
1.1初识计算机网络
1.2计算机网络结构
1.3网络核心
1.4计算机网络性能
1.5 计算机网络体系结构
1.6计算机网络发展历史
2.1网络应用内容概述
2.2 网络应用的基本原理
2.3 WEB应用
2.4 Email 应用：邮件服务器之间是平等的
2.5 DNS应用（Domain name system）

前言

这是学习计算机网络课程时记录的笔记，里面大部分内容来源于哈尔滨工业大学李全龙老师的《计算机网络》mooc，加上我个人的理解整理出的内容。

1.1初识计算机网络

计算机网络（互联自治的计算机集合—通过交换网络）
Internet ：1 服务角度：为网络应用提供基础通信服务的通信基础设施，提供API
2 组成细节角度全球-区域-学校，家庭
网络协议：网络进行数据交换过程中需要的规则和约定
规定了信息的格式、意义、顺序，并采取的动作
协议的三要素：语法：交换信息的结构、格式。信号电平
语义：需要发出何种信息、完成动作和响应、差错控制
时序：时间顺序、速度匹配
代码，软件，硬件都可以实现协议
自上而下：从应用层讲到物理层
Internet协议标准：RFC（Request for Comments）

1.2计算机网络结构

三部分：
1网络边缘：主机（端系统）、网络应用
2接入网络、物理介质：有线或无线通信链路
3网络核心：互联网路由器、网络之网络
C/S应用模型：客户发送请求，接受服务器响应，例如web
P2P应用模型：通信在对等两实体之间直接进行，例如QQ

带宽：数据传输速度(bps)

DSL数字用户线路：电话线实现声音数据传输（非对称）

HFC：混合光纤同轴电缆，很多主机共用电缆(非对称)

家庭网络接入

网络核心：互联的路由器网络
关键功能：路由+转发
路由算法->本地转发表->分发数据
路由：确定分组从源到目的传输路径
转发：将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口
Internet结构：网络之网络
端系统通过接入ISP连接到Internet
将每个接入ISP连在一起：
IXP：互联网交换机
Internet结构图

1.3网络核心

数据交换:电路、报文、分组(交换)
交换：动态转接–>动态分配传输资源
Hardo——交换机——路由器（课上补充的交换设备层次）
一：电路交换（例：电话网络）：三个阶段：建立连接->通信->释放连接
特点：独占资源（双方占用信道不能被第三方共享）
多路复用技术（复用）：复用器->共享信道->分用器
划分“资源片”

四个复用技术
频分多路复用FDM：有线电视网络，每个用户占领不同的频率带宽资源
时分多路复用TDM：时间->时分复用帧->每个用户占用固定序号的由TDM帧分成的时隙
每用户占用的时隙周期性出现
波分多路复用WDM（实质是FDM）：就是光的频分复用（在光纤里不同波长的光分离开来）
码分多路复用CDM：广泛用于无线链路共享，每个用户分配唯一一个m bit码片序列
编码序列=原始数据*码片序列
各用户码片序列相互正交

二：报文交换
源发送信息整体（比如以一个文件整体发送）
例：电报通信方式
三：分组交换（资源共享率最高，最优）
在源主机上报文分拆成的一系列相对较小的数据包
需要报文的拆分和重组–>产生额外开销（比较小）

统计多路复用：AB共用一个链路串行以1.5MB传输

存储-转发过程（分组），报文就是整个文件进行

分组交换的传输延迟（传输时延）：delay=L（bit）/R（bps）
分组交换比报文交换更快，使用更广泛
跳步数：h
路由器数：n=h-1
报文：M(bits)
分组交换的传输时间：M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R
报文交换的传输时间：hM/R
1B=8bit 计算的时候一定记得换算！

分组交换和电路网络的比较
分组交换更适用于：突发数据传输网络–>资源充分共享，简单无需呼叫建立
但是可能会产生拥塞：分组延迟和丢失—>需要协议处理
难以提供电路级性能保障

1.4计算机网络性能

一：速率
也叫数据（传输速）率，或比特率，单位时间(s)传输信息量(bit),b/s,bps
K=1000,M=1000000,G=1000000000
速率往往指额定速率
二：带宽
原指声音振动幅度范围Hz
在计算机网路中指数字信道所能达到的“最高数据率”（bps）
单位：bps,kb/s,mb/s
三：延迟/时延
丢包：分组到达速率超出输出链路容量

四：四种分组延迟：
1：节点处理延迟（时间很小，不超过毫秒级）
2：排队延迟（时间不确定）
3：传输延迟
4：传播延迟

对传播延迟和传输延迟的区分：
（传输延迟是数据处理时间，传播延迟是数据通过链路传输时间）

排队延迟如何影响速率：
La/R，因为A是平均分组到达速率，可能会有几次突发拥塞，所以平均排队延迟很大

时延带宽积（又称为以比特为单位的链路长度）：链路上所容纳的比特数
传播时延*带宽
丢包率=丢包数/已发分组总数
吞吐率：发送端与接收端之间传送数据速率(b/s)（一般由最小流量的链路影响）
即时吞吐量：给定时刻的速率
平均吞吐量：一段时间的平均速率
吞吐量取决于瓶颈链路：最小的流量的链路。同样也受协议影响

1.5 计算机网络体系结构

计算机网络的组成：主机，路由器，各种链路，应用，协议，硬件软件

分层结构
优点：结构清晰有利于识别复杂系统的部件及其关系
模块化的分层易于系统更新、维护
有利于标准化
缺点：系统效率很低

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构，是分层结构
每层按照协议完成功能
计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，是抽象的

实体表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程
协议是“水平的”：控制两个对等实体进行通信的规则的集合
服务是“垂直的”：n+1层需要n层提供的服务->上层使用下层的服务
下层协议的实现对上层是不可见的，透明的。
相邻上下层通过接口进行交互，通过服务访问点(SAP)交换原语，指定请求的特定服务

开放系统互连（OSI）参考模型（分层网络体系结构模型）
按照功能进行划分
目的:支持异构网络系统的互联互通
作为理论模型，但是并未广泛应用
主机完成7层功能，路由器完成123层功能
4567层：端-端层 123层：非端-端层

为什么需要数据封装？
增加控制信息构造协议数据单元(PDU)
控制信息–>包括：地址：标识发送端/接收端
差错检测编码：用于差错检测和纠正
协议控制：实现协议功能的附加信息：优先级、服务质量、安全控制等
每一层的功能：
①物理层：1）接口特性
机械特性（插口的形状位置）、电气特性（使用多大电平电压）、功能特性（每个引脚功能）、规程特性（规定接口工作的过程）
2）比特编码
3）数据率
4）比特同步：时钟同步问题
5）传输模式
单工（例：电视信号，单向传输）
半双工（例：对讲机，收发不同时进行）
全双工（双向同时进行）
②数据链路层： 1）负责结点-结点数据传输（以帧为数据单位传输）
2）组帧
3）物理寻址：在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端

4）流量控制：避免淹没接收端（发送端和接收端速度的匹配，发送速率的调整）
5）差错控制：检测并重传损坏或丢失帧并避免重复帧
6）访问（接入）控制：在任意给定时刻决定哪个设备拥有链路的控制权

③网络层：1）负责源主机到目的主机分组交付：可能穿越多个网络
所以要有逻辑寻址：全局唯一逻辑地址，确保数据分组发送到目的主机，如IP地址
2）路由：路由连接，路径选择
3）真正实现分组转发
4）拥塞控制：避免发送文件过多堵塞网络

④传输层：

负责端-端（进程间）完整报文传输
1）分段与重组
2）SAP寻址确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
3）连接控制：端-端连接的建立和拆除
4）流量控制：数据发送接受速度
5）差错控制
⑤会话层

1）对话控制：建立、维护
2）同步：在数据流中插入“同步点”，数据传输中断后可以找最近syn点重新启动
3）功能最少的一层（薄）
⑥表示层：处理两个系统间交换信息的语法和语义问题
1）数据表示转化：转换为主机独立的编码
2）加密/解密
3）压缩/解压缩
4）这一层也不是实际上独立存在的

⑦应用层

1）支持用户通过用户代理或网络接口使用网络（服务）
2）典型应用层服务有不同的协议

TCP/IP参考模型

5层参考模型：综合OSI和TCP/IP的优点

报文<------>段<----->数据报<----->（数据）帧<----->比特
应用层传输层网络层数据链路层物理层

路由器也叫作第三层设备，也叫网络设备

1.6计算机网络发展历史

1983.1.1 部署TCP/IP

2.1网络应用内容概述

网络应用体系结构：

客户机/服务器
P2P
混合结构
网络应用的服务需求：
可靠性
带宽
时延
Internet传输层服务类型：
TCP
UDP
特定网络应用及协议：
HTTP DNS P2P应用 SMTP，POP3，IMAP
SOCKET编程（开发网络应用）
TCP UDP

2.2 网络应用的基本原理

网络应用的特点
应用例子：QQ，搜索引擎，email，迅雷，线上支付，云存储
网络应用的体系结构：
一：客户机/服务器结构（Client-Server，C/S）
服务器：不间断提供服务
永久性访问地址/域名
利用大量服务器实现可扩展性（用户数太多需要并发处理，“服务器农场”）
客户机：与服务器通信，使用服务器提供的服务
间歇性接入网络
可能使用动态IP地址（不需要不间断提供服务）
不会与其他客户机直接通信（通过服务器）
例子：WEB浏览器

二：点对点结构（Peer-to-Peer，P2P，纯P2P结构）
1.没有永远在线的服务器
2.任意端系统/节点之间可以直接通讯
3.节点间歇性接入网络
4.节点可能改变IP地址
“文件共享”
优点：高度可伸缩（资源分散减少服务器压力）
缺点：难以管理

三：混合结构（Hybrid）
Napster
文件传输使用P2P
文件搜索C/S结构，集中式：
每个节点向中央服务器登记自己的内容
每个节点向中央服务器提交查询请求，查找感兴趣内容

网络应用进程通信
网络应用的基础：进程间通信
进程：主机上运行的程序
同一主机上运行的进程如何通信：进程间通信机制，操作系统提供
不同主机上运行的进程如何通信：消息交换

套接字：Socket
进程间通过Socket发送/接受消息通信：
类似于寄信，发送接收方都有邮箱，通过网络寄信，邮箱发送接受
传输基础设施向进程提供API：
1.传输协议的选择
2.参数的设计
不同主机上的进程间通信，每个进程都会有标识符
IP地址——用于寻找主机
端口号（Port number）——主机上每个需要通信的进程分配一个端口号

网络应用应该遵循应用层协议（而且还要遵守别的协议）：
1.公开协议：
由RFC（Request for Comments）定义
允许互操作
HTTP，SMTP…
2.私有协议
多数P2P文件共享应用

应用层协议的内容：
1.消息的类型：请求消息，响应消息
2.消息的语法/格式：消息中的字段，每个字段的描述
3.字段的语义：字段中信息含义
4.规则：进程何时/如何发送/响应消息
网络应用的需求和传输层服务
1.数据丢失/可靠性
2.时间/延迟
3.带宽：网络视频要求高，email要求低（弹性应用）

2.3 WEB应用

一．World Wide Wed
网页包含多个对象（HTML包含引用的链接）
对象的寻址——URL：统一资源定位器（Uniform Resource Locator）

HTTP协议概述
超文本传输协议HTTP
C/S结构中：客户-Browser：请求接受展示web对象
服务器-Web Server: 响应客户请求，发送对象
HTTP版本

无状态：服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的消息
——>优点：简单，服务器占用资源时间短
缺点：无法跟踪用户状态，请求报文需要携带完整信息
解决方案：cookie，将内容存储在本地，session（服务器）
Session：在计算机中，尤其是在网络应用中，称为“会话控制”。Session对象存储特定用户会话所需的属性及配置信息。
二．HTTP连接
RTT（Round Trip Time）：从客户端发送一个很小的数据包到返回所需要的时间。
两种类型：
1：非持久性连接
每个TCP最多允许传输一个对象——>HTTP 1.0版本

响应时间：1 发起、建立TCP连接：一个RTT
2 发送HTTP请求消息到HTTP响应消息的前几个字节到达：一个RTT
3 相应消息中所含的文件/对象传输时间

Total= 2RTT + 文件发送时间

缺点：
每个对象需要两个RTT
操作系统需要为每个TCP连接开销资源
浏览器会打开多个并行的TCP连接以获取网页所需对象

2：持久性连接
每个TCP连接允许传输多个对象——>HTTP1.1版本
发送响应后，服务器保持TCP连接的打开
后续的HTTP消息可以通过这个连接发送
2.1：无流水的持久性连接：客户端只有收到前一个响应后才发送新的请求
每个被引用对象耗时一个RTT

2.2：带有流水机制的持久性连接
HTTP默认选项
客户端只要遇到一个引用对象就会发送请求
理想情况下，收到所有的引用对象只消耗约一个RTT

三．HTTP消息格式
两类消息：
1.请求消息：ASCII码：人直接可读

上传输入的方法
POST方法
网页经常要填写表格（放到Entity Body中）
在请求消息的消息体中上传客户端的输入
URL方法——>获取内容，寻址
使用GET方法
输入信息需要通过request行的URL字段上传
方法的类型：
HTTP/1.0 HTTP/1.1
GET GET,POST
POST PUT
HEAD DELETE

HTTP丰富了首行信息
2.响应消息
HTTP响应状态代码——>响应消息的第一行
例如：404 NOT FOUND，304 NOT MODIFIED

Telnet软件的使用：
四．Cookie技术
HTTP协议是无状态的，但是很多服务器需要掌握客户端的状态，比如网上购物车
Cookie（RFC6265）：某些网站为了辨别用户的身份，进行session追踪而储存在用户本地终端上的数据（通常被加密）
Cookie的组件：
1.HTTP响应消息的cookie头部行
2.HTTP请求消息的cookie头部行
3.保存在客户端主机上的cookie文件，由浏览器管理
4.web服务器端的后台数据库

Cookie的原理:
Cookie作用：
1.身份认证
2.购物车
3.来自网络的推荐
4.Web email
5…

Cookie有隐私问题，有意无意被泄露，产生垃圾广告

五．WEB缓存/代理服务器技术
功能：在不访问服务器情况下，满足客户端对HTTP的请求
这是一个性能优化技术：1.缩短客户请求的响应时间
2.减少机构/组织流量开销
3.在大范围内实现有效的内容开发
WEB缓存/代理服务器
1.用户设定浏览器通过缓存进行web访问
2.浏览器向缓存发出所有的HTTP请求：如果请求的对象在缓存中，缓存返回对象。否则缓存服务器向原始服务器发送请求，获取对象，然后返回给客户端并且缓存中保存该对象
缓存既是客户端也是服务器，一般由ISP假设

条件性GET方法
目标：
如果缓存有最新版本，则不需要发送请求对象
缓存：
在HTTP请求消息中声明所持有版本的日期
If-modified-since：
服务器：
如果缓存的版本是最新的，则响应消息中不包含对象并且状态为HTTP/1.0 304 Not Modified

2.4 Email 应用：邮件服务器之间是平等的

Email应用的构成软件
1.邮件客户端：读写email消息
与服务器交互，收、发email信息
Outlook，Foxmail
Web客户端
2.邮件服务器：邮箱：存储email
消息队列：储存等待发送的Email
假如没有邮件服务器，如果我们不在线，将无法收到邮件
3.SMTP协议：邮件服务器之间传递消息所使用的协议
客户端：发送消息的服务器
服务器：接受消息的服务器

SMTP协议具体内容（简单邮件传输协议）：
●使用TCP进行消息的可靠传输
●端口25
●传输过程的三个阶段：
握手——>消息的传输——>关闭
●命令/响应交互模式：（
命令：ASCII码文本
响应：状态代码和语句
●Email消息只能包含7位ASCII码
●使用持久性连接
●要求消息必须由七位ASCII码构成
●SMPT服务器利用换行确定消息的结束
与HTTP的对比:
HTTP:拉式 SMTP：推式
都是用命令响应交互模式
命令和状态代码是ASCII码
HTTP：每个对象封装在独立的相应消息中
SMTP：多个对象在由多个部分构成的消息中发送

Email消息格式与POP3协议
RFC 822：文本消息格式标准
●头部行
To
From
Subject
●消息体
消息本身
只能是ASCII码字符
MIME：多媒体邮件扩展RFC 2045，2056
通过在邮件头部增加额外的行以声明MIME的内容类型
邮件访问协议：从服务器获取邮件（可能有以下三种协议）
●POP3：Post Office Protocol：认证/授权（客户和服务器之间身份识别）和下载
●IMAP：Internet Mail Access Protocol:更多功能，更复杂，能操纵服务器上存储的消息
●HTTP:163,QQ mail
1.POP3协议（POP3是无状态的）
认证过程：客户端命令 User：声明用户名
Pass：声明密码
服务器响应 +OK
-Error

事务阶段： List ：列出消息数量
Retr：用编号获取消息
Dele：删除消息
Quit

POP3协议的模式
●“下载并删除”模式（也可以用户设置不删除）
用户如果换了客户端软件，无法重读邮件
●“下载并保持”模式
不同客户端都可以保存信息的拷贝

2.IMAP协议（有状态）
所有消息保存在同一个地方：服务器
允许用户利用文件夹组织信息
IMAP支持跨会话的用户状态：文件夹的名字，文件夹与消息ID的映射

2.5 DNS应用（Domain name system）

一：DNS概述（非常庞大复杂的应用）
多数情况下：DNS在UDP中传递信息的，但是因为DNS是双协议的——>也可以在TCP
解决Internet上主机/路由器的识别问题:IP地址（网络需要），域名（（人）用户需要）
为了将域名翻译成IP地址——>DNS产生
域名解析系统DNS：多层命名服务器构成的分布式数据库
应用层协议：完成名字的解析——>Internet核心功能，由应用层协议实现，网络边界复杂（主机太多）

DNS服务：
域名向IP地址的翻译
主机别名（将名字变得好记）
邮件服务器别名
负载均衡：Web服务器（进行域名翻译的时候，提供多个WEB服务器地址）

为什么不用集中式的DNS：
单点失败问题（DNS服务坏了——>互联网崩溃）
流量问题（所有的请求导致流量巨大）
距离问题（传播时延巨大）
维护性问题
DNS采取分布式、层次式数据库（分布在全世界，分为几层）
本地域名解析服务器无法解析域名时，访问根域名服务器
第一层：
根域名服务器：
如果不知道映射，访问权威域名服务器
获得映射
向本地域名服务器返回映射
全球有13个根域名服务器，中国目前没有

第二层：
顶级域名服务器：
负责com,org,net,edu等顶级域名和cn,uk,fr等国家域名
Network Solution维护com顶级域名服务器
Educause 维护edu顶级域名服务器

第三层：
权威域名服务器：
组织的域名解析服务器，提供组织内部服务器的解析服务
●组织负责维护
●服务提供商负责维护

第四层：
本地域名解析服务器（默认条件下是递归查询）
●不严格属于层次体系
●每个ISP有一个本地域名服务器
默认域名解析服务器
●当主机进行DNS查询，查询被发送到本地域名服务器
作为代理，将查询转发给（层次级）域名解析服务器系统

迭代查询：
递归查询：将域名解析的任务交给所联系的服务器

DNS记录缓存与更新
只要域名解析服务器获得域名——IP映射，即缓存这个映射
一段时间过后，缓存条目失效
本地域名服务器一般会缓存顶级域名服务器的映射，因此根域名很少被防问
记录的更新/通知机制——>RFC 2136

DNS记录与消息格式
DNS记录/资源记录（RR，recourse records）
类型：
1.Type=A
Name: 主机域名
Value：IP地址

2.Type=NS
Name：域（edu.cn）
Value: 该域权威域名解析服务器的主机域名

3.Type=CNAME
Name：某一真实域名的别名
Value: 真实域名

4.Type=MX（实现邮件服务器别名向正规服务区映射）
NAME：邮件服务器的别名
Value是与邮件相对应的邮件服务器

DNS协议：
（主要遵循UDP协议）
查询和回复
消息格式相同

消息的头部：
Identification：16位查询编号，回复使用相同编号
Flags：查询或回复，期望递归，递归可用，权威回答

注册域名
在域名管理机构(如Network Solutins)注册域名G12.com
●向域名管理机构提供你的权威域名解析服务器的名字和IP地址
●域名管理机构向com顶级域名解析服务器中插入两条记录
(G12.com,dns1.G12.com,NS)
(dns1.G12.com,212.212.212.1,A)
在权威域名解析服务器中为www.G12.com加入TypeA记录，为G12.com加入Type MX记录