【计网期末复习】

葵花楹2026-01-07 10:12

计算机网络体系结构（1.7）

ios七层协议（了解即可），重复冗余，不在实际中用

tcp/ip协议的各层层次结构和主要协议

🌠五层协议

数据从电脑A到服务器B的完整五层传输过程如下：

  1. 应用层：电脑A上的浏览器生成一个HTTP请求数据，例如"请把主页发给我"。

  2. 传输层：为HTTP数据添加TCP头部，包含源端口号（如54321）和目标端口号（如80），形成TCP段。

  3. 网络层：为TCP段添加IP头部，包含源IP地址（如192.168.1.10）和目标IP地址（如93.184.216.34），形成IP包。

  4. 数据链路层：为IP包添加帧头和帧尾，包含源MAC地址（A的网卡地址）和下一跳MAC地址（如路由器地址），形成数据帧。

  5. 物理层：将数据帧转换为比特流，再转换成电信号（或光信号、电磁波），通过物理介质发送出去。

  6. 网络传输：

    • 信号经过交换机时，交换机会查看帧头中的MAC地址，将帧转发到对应端口。
    • 信号到达路由器时，路由器会：
      a) 剥离帧头，查看IP包中的目标IP地址。
      b) 根据路由表决定下一跳路径。
      c) 为IP包重新封装新的帧头（更新源和目标MAC地址为当前路由器与下一跳设备的地址），然后转发。
    • 此过程在多个路由器间重复，直至数据包到达目标网络。

  7. 物理层：服务器B的网卡接收到物理信号，将其还原为比特流。

  8. 数据链路层：将比特流组装成帧，检查帧尾确保数据完整，查看帧头中的目标MAC地址，如果匹配自身地址，则剥离帧头和帧尾，取出IP包向上传递给网络层。

  9. 网络层：接收IP包，检查IP头部的目标IP地址，如果匹配自身地址，则剥离IP头部，取出TCP段向上传递给传输层。

  10. 传输层：接收TCP段，检查TCP头部的目标端口号（如80），找到对应监听程序，进行数据排序和确认后，剥离TCP头部，取出HTTP数据向上传递给应用层。

  11. 应用层：Web服务器程序（如Nginx）接收HTTP请求，处理并生成HTTP响应（网页内容），然后这个响应数据开始一个新的、从B到A的封装和传输过程，原路返回给电脑A的浏览器。

总结与核心要点

层 核心功能 地址/标识 数据单元 关键动作
应用层 产生或处理最终数据 - 数据 生成HTTP请求/响应
传输层 端到端连接、可靠性 端口号 段 建立连接、流量控制、可靠传输
网络层 逻辑寻址、路由选择 IP地址 包 选择最佳路径、跨网络传送
数据链路层 本地节点间传输、差错检测 MAC地址 帧 在局域网内"一跳一跳"地传输
物理层 比特流传输 - 比特 将数据转换为物理信号

关系的简述：

上层与下层是服务与被服务的关系。 上层是服务的使用者 ，下层是服务的提供者。例如，传输层（上层）需要依靠网络层（下层）提供的"主机到主机"的寻址和路由服务；应用层（上层）需要依靠传输层（下层）提供的"端到端"的可靠或不可靠传输服务。

下层为上层提供透明的数据传输通道。 下层实现的复杂细节（例如，物理层如何调制信号、数据链路层如何纠错）对上层是完全隐藏的。

对等层之间是虚拟的逻辑通信关系。 虽然物理通信只发生在最底层的物理介质上，但在逻辑上，每一层都认为自己是在与对方的同一层直接对话。例如，电脑A的传输层认为自己发送的TCP段是直接交给电脑B的传输层，实际上这个段是经过了下层逐层封装、传输、再解封装才送达的。这种逻辑通信的规则就是协议。

各层的核心作用：

  1. 应用层：为应用程序提供网络服务接口，处理用户产生的实际数据（如网页、邮件）。
  2. 传输层：提供端到端的可靠或不可靠的数据传输，管理数据分段、流量控制和错误恢复。
  3. 网络层：负责在不同网络之间进行逻辑寻址和路由选择，将数据包从源主机送达目标主机。
  4. 数据链路层：在直接相连的节点之间，提供可靠的帧传输和差错检测，管理物理寻址（MAC地址）。
  5. 物理层 ：在物理介质上透明地传输原始比特流，定义电气、机械和时序接口标准。
    理解：先比特，再在局域网（链路）上传播，再在网络传播，再找端，最后显示

计算机网络的性能

时延

时延 = 数据从网络一端到另一端的总时间，包括：

  1. 发送时延 （传输时延）

    将全部分组数据发出所需时间 = 分组长度 / 发送速率
    是主机或路由器把分组"推出去"的时间

  2. 传播时延

    信号在介质中传播的时间 = 信道长度 / 传播速率
    是比特在链路上"跑过去"的时间

  3. 处理时延

    路由器检查分组、查路由等处理时间

  4. 排队时延

    分组在路由器中排队等待的时间

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

通常考试中忽略处理和排队时延。

关键区分：发送时延 与链路带宽有关，传播时延与距离有关。

RTT（往返时间）

RTT（往返时间） 在计算机网络中是重要的性能指标，代表双向交互一次所需时间。

示例：

A 向 B 发送 100 MB 数据（发送速率 100 Mbit/s）。

  • 发送时间 = 数据长度 / 发送速率 ≈ 8.39 s
  • 若 B 收到后立即回复确认（忽略确认发送时间），A 需等待 RTT 时间才能继续发送。
  • 若 RTT = 2 s，则：
    有效数据率 = 数据长度 /（发送时间 + RTT）≈ 80.7 Mbit/s

可见，由于 RTT 的存在，有效数据率比原始发送速率（100 Mbit/s）降低不少。

计算过程

数据链路和帧（数据链路层）

1）点对点信道

采用一对一的通信方式，PPP协议是目前应用最广泛的点对点协议。

2）广播信道

该信道可连接多个主机，采用一对多的广播通信方式：

  • 有线局域网（共享广播信道）普遍使用CSMA/CD协议；

差错检测

CSMA/CD协议（征用流程）（数据链路层）

前情提要

广播信号

一对一通信

碰撞和冲突

CSMA/CD 的特点

  • CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)：载波监听多点接入 / 碰撞检测。
  • 多点接入：说明这是总线型网络。许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
  • 载波监听：即"边发送边监听"。不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。
  • 碰撞检测：适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞（或冲突）。

简短比喻

可以把 CSMA/CD 想象成一间没有主持人的会议室：

  • 多点接入：大家都连在同一个会议室（总线）里。
  • 载波监听 ：想说话前先听听有没有人在说（先听后说）。
  • 碰撞检测 ：如果说话时听到别人也在说（边说边听，发现碰撞），就立刻停下，等一会儿再尝试。

CSMA/CD 中的"争用期"与"最短帧长"

  1. 争用期（冲突窗口） ：在以太网中，从发送开始到最远端的信号返回，需要 端到端往返传播时延的 2 倍时间（(2\tau)）。在这段时间内，发送站可能检测到冲突。因此，这段时间被称为"争用期"。

  2. 最短帧长的必要性 ：如果帧太短，可能在发送站发完整个帧后，冲突信号才传回来，导致发送站无法检测到冲突，也不会重传，造成数据丢失。为了避免这种情况，以太网规定了 最短帧长。

  3. 最短帧长计算公式 ：

  4. 举例（10Mb/s 以太网）：

    • 争用期长度：51.2 μs

    • 争用期内可发送的比特数

    • 因此，最短帧长为 64 字节。如果发送的数据不足 64 字节，需要在 MAC 帧中添加"填充字段"补足。

二进制指数退避算法

总结

CSMA/CD算法流程：

  1. 准备发送：封装分组为帧。
  2. 检测信道：空闲则发，忙则持续监听。
  3. 发送与监听 ：
    • 若争用期内无冲突，发送成功。
    • 若检测到冲突，立即停止，执行二进制指数退避，等待随机时间后返回步骤2。
    • 若重传16次仍失败，则停止并上报错误。

两种服务（网络层🌠）

了解（助于理解）

1.网络层设计得尽量简单，主要是为了：

1. 保证通用性 ：简单才能适配各种底层网络技术（以太网、Wi-Fi等）。
2. 提高效率 ：路由器只需快速查表转发，不加复杂判断。
3. 端到端原则 ：复杂功能（可靠传输、流量控制）留给终端（TCP）处理。
4. 增强健壮性：核心简单稳定，局部故障不影响全网。

本质是"智能在两端，简单在中间"，这样网络才能大规模、高速扩展。好比邮局只负责按地址转发，不保证内容完整（那是写信人和收信人的事）。

数据报服务和虚电路服务（书上标知道）

数据报服务原理

（就是随便发，发到b为止）

  • 无需提前联系：主机A直接发送分组，不需要先和主机B建立连接。
  • 独立路由：每个分组自带完整目的地址，网络中的路由器（交换结点）根据当前状况为每个分组独立选择最佳路径。
  • 存储转发：路由器收到分组后短暂存储，查路由表后立即转发。
  • 资源共享：分组只在传输时占用当前链路资源，其他主机可同时通信。
  • 简单廉价：网络不保证可靠性、顺序或时延，路由器设计简单，成本低。

工作流程：

  1. 主机A将分组发给直连的路由器A。
  2. 路由器A查表后，可能将不同分组转发给路由器C或D（路径可能不同）。
  3. 沿途路由器重复此过程，直到分组到达主机B。

特点：灵活、抗故障、适合突发数据，但可能乱序、丢失或重复。这是互联网IP协议的基础。

虚电路服务

虚电路服务原理

工作流程：

  1. 建立连接：主机A发送"呼叫请求"分组到主机B，沿途结点记录路径信息，分配虚电路号，形成虚电路表。
  2. 传输数据：建立后，双方沿虚电路传送分组，分组头只需包含虚电路号。
  3. 释放连接：通信结束，发送"释放请求"分组拆除虚电路。

特点：需提前建立连接，使用短标识，路径固定，有序可靠，但故障适应性差。用于需要可靠有序传输的场景。

二者处理端到端的差错处理和流量控制

数据报由用户主机负责，虚电路服务可以由网络负责，也可以由用户主机负责（提供可靠服务所以网络可以负责）（ip属于数据报服务）

IP地址（网络层🌠）

分类的ip地址

（注：A：8 24 B：16 16 C：24 8 其他和主机号）

注：

特殊用途的IP地址

以下是不可用作普通主机地址的特殊IP地址及其用途：
总结表

地址格式 示例 用途
网络地址（主机号全0） 192.168.1.0 代表整个网络本身
直接广播地址（主机号全1） 192.168.1.255 向本网络内所有主机广播
环回地址 127.0.0.1 本机内部测试与通信
0.0.0.0 0.0.0.0 表示本机所有IP地址
255.255.255.255 255.255.255.255 向本局域网内所有主机广播

注意：这些地址都不能分配给具体主机使用，它们具有特殊的网络功能或测试用途。

（理解：为什么分类）

无分类编址CIDR

和分类的ip地址相比，就是前缀的长可以任取

斜记法



（注意事项：同分类ip地址）

路由聚合

路由聚合（也称构成超网）是指将多个连续的小网络地址块合并成一个更大的地址块，并在路由表中用这一条聚合路由来代表所有被包含的小网络，从而减少路由表条目、降低网络开销并提高路由效率的技术。

效果：像把"1楼到10楼"和"11楼到20楼"合并成"1楼~20楼"。

技术本质：找到这些地址的最长相同前缀，用更短的掩码（如/23代替两个/24）表示一个大地址块。

聚合成206.1.0.0/16

IP地址与MAC地址

IP地址与MAC地址的区别与协作

1. 角色不同

  • IP地址：网络层的逻辑地址，用于跨网络寻址。
  • MAC地址：数据链路层的物理地址，用于同一局域网内寻址。

2. 协作流程（关键）

  • 跨网络时 ：路由器只根据目标IP地址 选择下一跳，IP地址不变。
  • 到下一跳时 ：将IP数据报封装成MAC帧，MAC地址每跳都变（源是发送接口MAC，目标是下一跳接口MAC）。

3. 核心要点

  • IP层只能看到IP地址，链路层只能看到MAC地址。
  • 路由器隔离广播，MAC地址无法跨网，必须用IP地址跨网络寻址。
  • 到达目标网络后，最后一步通过**MAC地址广播（ARP）**找到具体主机。

注：路由器因为连接多个网络，所以它不仅拥有多个IP地址，而且拥有多个硬件地址（MAC地址）。

地址解析协议ARP

ARP 完整流程（含缓存查询）

当主机A要给主机B发数据时：

**情况一：缓存中有记录 **

  1. A直接查看ARP缓存表
  2. 找到B的IP对应的MAC地址
  3. 直接封装数据帧发送，无需广播查询

**情况二：缓存中无记录 **

  1. 广播ARP请求 ：目标MAC填FF-FF-FF-FF-FF-FF，问："谁是IP_B？"
  2. 主机B单播响应："我是IP_B，我的MAC是MAC_B"
  3. A更新ARP缓存 ：将IP_B → MAC_B存入本地缓存表（存几分钟，因为网络会变化）
  4. 发送数据 ：用获得的MAC_B封装数据帧发送

ARP 四种情况

  1. 同网主机发给同网主机

    → 用ARP查对方MAC

  2. 同网主机发给外网主机

    → 查网关（路由器）MAC，（剩下的路由器来做）

  3. 路由器发给直连的主机

    → 用ARP查该主机MAC

  4. 路由器发给不直连的主机

    → 查下一跳路由器MAC

规律：

  • ARP只在同局域网内用
  • 找的是下一跳的MAC
  • 每过一个路由器，MAC地址就换一次

理解：为什么知道了ip还要知道mac

技术原因

  1. IP是逻辑的，MAC是物理的

    • IP地址是软件分配的，可以变化。
    • MAC地址是网卡出厂时烧录的物理标识，一般不变。

  2. 数据链路层（二层）不识别IP

    • 交换机、网卡等硬件设备工作在数据链路层，它们看不懂IP包，只认MAC帧。
    • 就像邮局分拣机只认邮政编码，不认收件人姓名。

  3. 分层解耦

    • 网络层（IP）负责跨网络寻址。
    • 数据链路层（MAC）负责同一网段内的设备间传递。
    • 这样修改上层协议（如IPv4→IPv6）时，下层硬件（如以太网）可以不变。

一句话回答
IP地址用于决定数据包应该送到哪个网络（路由选择），MAC地址用于在到达该网络后，找到具体的物理设备进行最终交付。

IP数据报的格式

第一行（32位）

  • 版本（4位） ：IP协议版本，IPv4填4，IPv6填6。
  • 首部长度（4位）：IP头部的长度（单位是4字节），最小值为5（即20字节）。
  • 区分服务（8位）：用于服务质量QoS，标记数据包的优先级或服务类型。（根据服务看哪个优先等）
  • 总长度（16位）：整个IP数据报的长度（包括头部和数据），单位是字节。

第二行（32位）

  • 标识（16位）：数据报的唯一标识，用于分片重组。（同一段内容同一个标识）
  • 标志（3位）：控制分片，比如"是否允许分片"、"是否最后一个分片"。
  • 片偏移（13位）：表示该分片在原数据报中的位置（单位是8字节）。

第三行（32位）

  • 生存时间（8位）：TTL，每经过一个路由器减1，减到0就丢弃，防止数据报无限循环。
  • 协议（8位）：指出数据部分用的协议（如6=TCP，17=UDP，1=ICMP）。
  • 首部检验和（16位）：只检验IP头部是否出错，不包括数据部分。

第四、五行（各32位）

  • 源地址（32位）：发送方的IP地址。
  • 目的地址（32位）：接收方的IP地址。

第六行

  • 可选字段（长度可变）：很少用，用于特殊控制（如安全选项、时间戳）。
  • 填充：将可选字段部分补足到32位的整数倍，确保首部对齐。

最后

  • 数据部分：上层传下来的内容（如TCP段、UDP报文等）。

IP分组转发过程（网络层🌠）

在同一个局域网中直接交付，不同则间接交付

好的，我用技术术语但更简洁直白的方式解释：

子网掩码

本质 ：一个32位的二进制数，用于划分IP地址的网络部分和主机部分。

作用：

  1. 确定网络地址：将IP地址与子网掩码进行按位"与"运算，得到网络地址。

    复制代码 
    例如：
IP: 192.168.5.56    → 二进制：11000000.10101000.00000101.00111000
掩码: 255.255.255.0 → 二进制：11111111.11111111.11111111.00000000
按位与运算结果：     → 11000000.10101000.00000101.00000000
网络地址：192.168.5.0

  2. 判断两个IP是否在同一子网：

    • 如果两个IP地址与同一子网掩码进行"与"运算后，得到的网络地址相同，则它们在同一子网内。
    • 在同一子网内的设备可以直接通信，不需要路由器。

默认网关

本质 ：路由器的IP地址，是本地子网连接到其他网络的出口。

作用：

  1. 跨子网通信的中转站：

    • 当主机要发送数据时，先检查目的IP是否在同一子网。
    • 如果在同一子网：直接发送。
    • 如果不在同一子网：将数据包发送给默认网关（路由器），由路由器负责转发到其他网络。

  2. 配置要求：

    • 默认网关的IP地址必须与发送主机的IP地址在同一个子网内。
    • 例如：主机IP为192.168.5.56/24，默认网关通常为192.168.5.1。

两者关系与工作流程

复制代码 
主机A（IP: 192.168.5.56，掩码: 255.255.255.0，网关: 192.168.5.1）
要发送数据给主机B（IP: 202.120.5.10）

步骤：
1. 主机A用子网掩码计算：
   - 自己的网络地址：192.168.5.56 & 255.255.255.0 = 192.168.5.0
   - 主机B的网络地址：202.120.5.10 & 255.255.255.0 = 202.120.5.0
2. 比较：192.168.5.0 ≠ 202.120.5.0
3. 结论：主机B不在同一子网
4. 操作：将数据包发送给默认网关192.168.5.1（路由器）
5. 路由器收到后，根据路由表将数据包转发到目标网络

理解：路由表


RIP协议（网络层🌠）

RIP（路由信息协议）（可类比狄杰斯特拉）

  1. 性质 ：内部网关协议，基于距离向量算法。
  2. 度量标准 ：用跳数衡量距离，直连网络=1跳，每经过一个路由器+1跳。
  3. 跳数限制：最大15跳，16跳视为不可达 → 只适用于小型网络。
  4. 工作机制 ：每个路由器维护一张距离向量表 ，记录到所有目的网络的跳数，并定期与邻居交换路由信息。

特点



过程：好消息传播得快

RIP更新路由表的过程

假设有3个路由器A、B、C，初始状态如下：

复制代码 
A的路由表：
目标网络 | 下一跳 | 跳数
Net1     | 直连   | 1
Net2     | 直连   | 1

B的路由表：
目标网络 | 下一跳 | 跳数
Net2     | 直连   | 1
Net3     | 直连   | 1

C的路由表：
目标网络 | 下一跳 | 跳数
Net3     | 直连   | 1

步骤1：B向A发送RIP更新报文

B告诉A："我能到达Net2（跳数1）、Net3（跳数1）"

A收到后处理：

  1. 检查Net2 ：A自己已直连Net2（跳数1），比B说的"经B到Net2（1+1=2跳）"更优，不更新。

  2. 检查Net3 ：A路由表中没有Net3，新增一条 ：

    复制代码 
    目标网络 | 下一跳 | 跳数
Net3     | B      | 2   (B说的1跳 + 1)

A更新后路由表：

复制代码 
Net1 - 直连 - 1
Net2 - 直连 - 1
Net3 - B     - 2

步骤2：A向B发送更新

A告诉B："我能到达Net1（1跳）、Net2（1跳）、Net3（2跳）"

B收到后处理：

  1. Net1 ：B没有，新增Net1 - A - 2
  2. Net2：B已直连（1跳），比A说的"经A到Net2（2跳）"更优，不更新。
  3. Net3：B已直连（1跳），比A说的"经A到Net3（3跳）"更优，不更新。

B更新后路由表：

复制代码 
Net1 - A - 2
Net2 - 直连 - 1
Net3 - 直连 - 1

步骤3：C加入，B向C更新

B告诉C："我能到达Net1（2跳）、Net2（1跳）、Net3（1跳）"

C收到后处理：

  1. Net1 ：C没有，新增Net1 - B - 3
  2. Net2 ：C没有，新增Net2 - B - 2
  3. Net3：C已直连（1跳），不更新

C更新后路由表：

复制代码 
Net1 - B - 3
Net2 - B - 2
Net3 - 直连 - 1

完整收敛后三者的路由表：

路由器 到Net1 到Net2 到Net3
A 直连-1 直连-1 B-2
B A-2 直连-1 直连-1
C B-3 B-2 直连-1

更新规则总结

  1. 新路由：如果目标网络不存在，直接添加（跳数=邻居说的+1）。
  2. 更优路由：如果存在，但新跳数+1 < 原跳数，则更新。
  3. 相同下一跳：即使跳数更大也要更新（说明原路径可能变差）。
  4. 30秒定时更新，180秒未收到更新则标记为不可达（16跳）。

缺点：坏消息传播得慢

会导致几分钟检测出故障不可达

五、 运输层

1. 网络层和运输层的区别

网络层为主机之间的通信 提供服务 运输层为应用进程之间的通信提供服务

复用：应用层所有应用进程都可以使用通过传输层再传送到IP层（网络层）

分用：运输层从IP层收到发送给各应用进程的数据后，必须分别交付指明的各应用进程

2. 两个主要协议 --- UDP 和 TCP 作用、特点、首部格式等

1. 作用

用户数据报 协议UDP：提供无连接的、不可靠的传输服务。

传输控制 协议TCP：提供面向连接的、可靠的、基于字节流的传输服务。

2.区别：

特性 UDP TCP
连接 无连接 面向连接
可靠性 不可靠，无重传 可靠，保证交付
传输方式 面向报文 面向字节流（流是指字节序列）
首部开销 8 字节，开销小 20 ~ 60 字节
流量控制 无 有（滑动窗口）
拥塞控制 无 有（慢启动、拥塞避免等）
传输速度 快 慢
应用场景 DNS、视频直播、VoIP、实时游戏 HTTP、FTP、邮件、文件传输
运输协议数据单元TPDU UDP 用户数据报 TCP报文
支持一对一、一对多、多对一、多对多的交互通信 全双工通信：允许双方在任何时候都能发送数据

UDP 的首部格式

****

TCP 的首部格式

确认号：期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号

（要会算！总之：若确认号为N 代表到序号N-1为止的所有数据都已正确收到）

ex：B正确收到了A 的报文段，序号字段值为501 ，数据长度 200字节（即序号501 - 700）

则接下来B发送给A的确认号将置为**701 **

2. 常见端口及作用 套接字

  • 运输层通过**端口来标识和区分应用层的不同进程**（即复用和分用）。
  • 端口是运输层服务访问点 (TSAP)。
  • 端口是逻辑概念，不是硬件接口。

端口分类：

服务器端：

  • 熟知端口 (0 ~ 1023) ：IANA分配给常用服务，如
    • FTP（21）：文件传输服务，用于客户端与服务器间文件上传、下载。
    • TELNET（23）：远程终端服务，实现远程登录设备并操作命令行。
    • SMTP（25）：邮件发送服务，负责将邮件从发件服务器传递到收件服务器。
    • DNS（53）：域名解析 服务，把域名转换成对应的 IP 地址。
    • HTTP（80）：超文本传输服务，用于浏览器与 Web 服务器间传输未加密的网页数据。
    • HTTPS（443）：安全超文本传输服务，加密传输网页数据，保障数据安全。
  • 登记端口 (1024 ~ 49151)：给没有熟知端口的程序使用。

客户端：

  • 短暂端口 (49152 ~ 65535)：客户端进程运行时动态选择。

套接字：

  • 端口号 + IP地址 = 套接字。
  • 套接字唯一标识了网络中的一台主机上的一个进程。

3. TCP可靠传输的工作原理（怎么实现）

1）停止等待协议：

  • 原理 ：发送方每发送完一个分组，就停止发送，等待对方的确认。收到确认后再发送下一个。

  • 三种情况 ：（A-发送方 B-接收方）

    i. 无差错 ：A发送分组（传送的数据单元）M1，B发送ACK1，A收到后接着发送M2，后续同理 。

    ii.** 差错出现**：B检测到M1出错，丢弃M1，不发送ACK。A超时重传M1。

    iii. 确认丢失 ：A发收到（或B发的A，丢失）。A超时后重传M1（B可能会收到重复的M1，然后向A发送确认需要去重）。

  • 效率低：每发送一个都要等待，信道利用率低。

2）连续ARQ协议（滑动窗口协议，重要‼️，依旧A发送方 B接收方）：

  • 原理 ：发送方维持一个发送窗口（滑动窗口以字节 为单位，A的发送窗口不能超过B的接收窗口数值 ），位于窗口内的分组可以连续发送（按照分组序号从小到大），而不需要逐个等待确认。

    • 后沿部分是指窗口左边，表示已发送且已收到了确认的字节序号

    • 后沿不可能向后移动，前沿一般不允许收缩

  • 积累确认（TCP要求接收方必须有这个功能） ：接收方不一定 对收到的每一个分组都发送确认，而是对按序到达 的最后一个 分组发送确认。

    • 例如：收到M1, M2, M3，收到M3时发送ACK3，表示M3及M3之前的所有分组都已收到。

    • 书p231图5-16 需注意 若B有未按序收到的数据，发送的确认报文段中的确认号将不会改变，会导致A的可用窗口降至0，导致停止发送

  • 重传机制 ：
    • Go-back-N (回退N步) ：如果发送方收到重复确认（如ACK2）或超时，需要重传从出错分组开始的所有已发送分组。
    • 选择重传：只重传出错或丢失的那个特定分组（需更大的缓存和序号范围）。TCP主要使用的是基于选择重传思想的累计确认机制。

4. TCP的流量控制

  • 目的：防止发送方发得太快，接收方来不及处理（接收缓冲区溢出）。
  • 手段 ：滑动窗口。
  • 过程 ：
    • 接收方B每次在TCP报文首部的"窗口"字段中，填入自己接收缓冲区的剩余空间大小 （rwnd - 接收窗口 receiver window，再次强调单位字节，不是报文段）。
    • 发送方A根据接收方通告的窗口大小调整自己的发送速率。
    • 如果B返回的**接收窗口值为0**，发送方**停止发送**，并启动持续定时器，探询接收方窗口何时恢复（定时发送零窗口探测报文段）。

5. TCP的拥塞控制 原理及四种方法（方法需掌握！）

  • 拥塞：是指网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分

  • 目的：防止过多的数据注入到网络中，导致网络路由器或链路过载（全局问题，涉及整个网络环境）。

  • 四个 **核心变量**：
    cwnd (拥塞窗口) ：发送方 根据网络状况自己设定的窗口。
    rwnd (接收窗口) ：接收方 根据自己的接收能力设定的窗口。
    ssthresh (慢开始门限) ：用于限制 慢开始cwnd的增长。
    发送窗口 = min(cwnd, rwnd)。

  • 四种方法 (必须掌握)：

    1. 慢开始（由小到大逐渐增大注入到网络中的数据字节即cwnd数值） ：
      • 适用场景：连接刚建立或cwnd < ssthresh 时。
      • 策略 ：cwnd 从 1 开始，每经过一个往返时间 (RTT)，cwnd 加倍 (2的指数级增长，因为每收到一个对新报文的确认就加1)。
    • 注意：是"慢"开始，但增长速度其实非常快。
    1. 拥塞避免（也可以说是慢开始的下一个阶段） ：
      • 适用场景：当 cwnd > ssthresh 时。（注：=时可以用慢开始也可以用拥塞避免）
      • 策略 ：每经过一个 RTT，cwnd 加1 (线性增长，加法增大)。
      • 目的是避免拥塞尽快发生。
    2. 快重传 ：
      • 触发条件 ：发送方连续收到 3个重复的 ACK (Duplicate ACK)。
      • 策略 ：立即重传丢失的那个报文段，而不是等待超时定时器到期。
    3. 快恢复 ：
      • 配合快重传使用。
      • 策略 ：
        a. 收到3个重复ACK时，将 ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半。
        b. 将 cwnd 设置为新的 ssthresh 值（即减半）。
        c. 直接开始执行拥塞避免算法（线性增长），跳过慢开始过程（网络出现超时 时，不跳过慢开始）。

注：圈4的时候出现包丢失

流量控制和拥塞控制类比：流量控制是因为接收设备很小，拥塞控制是因为接收设备太大，导致传输管道内部拥塞了

6. TCP的运输连接管理

三个阶段 连接建立及释放---握手 四次挥手 序列号变化（重点）

(1) 连接建立 (三次握手)

目的：确认双方的接收与发送能力是否正常，协商初始序号。

步骤 (假设A为客户，B为服务器)：

i. SYN=1 （报文段不能携带数据，会消耗一个序号）, 初始序号seq=x ：A发送连接请求报文段，A进入 SYN_SENT 状态。

ii. SYN=1, ACK=1, 也选择一个初始序号seq=y, 确认号ack=x+1 ：B收到请求，同意建立连接，发送确认。B进入 SYN_RCVD 状态。

iii. ACK=1, seq=x+1, ack=y+1：A收到B的确认，向B发送确认。A进入 ESTABLISHED 状态。B收到该报文后也进入 ESTABLISHED 状态。


为什么是三次？

(防止失效的连接请求报文段突然又传到了服务器，造成错误)。

(2) 连接释放 (四次挥手 Four-Way Handshake)

步骤 ：

i. 终止控制位FIN=1, seq=u（前面已传送过的数据的最后一个字节的序号+1） ：A(数据发送完毕)申请断开，进入 FIN_WAIT_1 状态。

ii. ACK=1, seq=v, ack=u+1 ：B确认A的断开请求。B进入 CLOSE_WAIT 状态。A收到后进入 FIN_WAIT_2 状态 (此时TCP处于半关闭状态，A->B方向关闭，B->A方向仍可传输)。

iii. FIN=1, ACK=1, seq=w（可能之间还有发送数据，故换一个符号）, ack=u+1（重复上次） ：B数据发完后，发送断开请求给A。B进入 LAST_ACK 状态。

iv. ACK=1, seq=u+1, ack=w+1 ：A确认B的断开请求。A进入 TIME_WAIT 状态。此时TCP连接尚未释放，必须经过时间等待计时器 (2MSL) 后，A才进入 CLOSED 状态。B收到A的确认后立即进入 CLOSED 状态。

为什么A要等待 2MSL？

i. 保证最后一个ACK能到达B（如果丢了，B会重传FIN）。

ii. 等待网络中所有旧报文段消失，防止新连接中混入旧报文。

(3) 序列号变化总结

  • 每次发送数据或握手报文，seq 都会根据数据长度变化（握手通常数据长度为0，但消耗序号）。//虽然 SYN（同步）和 FIN（终止）报文段并没有携带真正的应用层数据（即数据载荷为 0 字节），但是它们在传输过程中，依然会占用一个序列号。
  • 确认号 ack 总是等于期望收到的下一个序号，即 上次收到的seq + 数据长度 + 1 (SYN或FIN虽然不携带数据，但也消耗1个序号)。

六、应用层

1. 域名系统 DNS 以及 常见域名

1）作用 ：将人类容易记忆的主机域名 （如 www.google.com）IP 地址 （如 142.250.1.1），是一种分布式数据库。
2）域名结构：采用**层次树状结构**。（根无域名 ，第二层为顶级域名 第三层为二级域名...下同理）

  • 语法：标号序列（由点隔开）。例如：三级域名.二级域名.顶级域名。
  • 特点：不区分大小写 。
    3）常见域名类别 (顶级域名 TLD)：
  1. 国家顶级域名 ：如 .cn (中国), .us (美国), .uk (英国), .jp (日本)。
  2. 通用顶级域名 ：
    • .com (公司/企业)
    • .net (网络服务机构)
    • .org (非营利组织)
    • .edu (教育机构，常用于美国大学)
    • .gov (政府部门，常用于美国政府)
    • .mil (军事部门)
    • .int (国际组织)
  3. 基础结构域名：.arpa (用于反向域名解析，即 IP 查域名)。

域名服务器分类：

  • 根域名服务器：最高层，知道所有顶级域名服务器的 IP 地址。
  • 顶级域名服务器：管理在该顶级域名下的所有二级域名。
  • 权限域名服务器：负责一个区的域名解析。
  • 本地域名服务器：通常由 ISP 提供，是主机查询 DNS 的入口。
  • 域名树的树叶就是单台计算机的名字，不能够再往下划分子域

域名解析过程：

  • 递归查询：主机问本地 DNS，本地 DNS 如果不知道，就去问别的，直到拿到结果给主机（工作量在服务器端）。
  • 迭代查询 ：本地 DNS 问根，根说"你去问顶级"，本地 DNS 再去问顶级，顶级说"你去问权限"（工作量在本地 DNS 端，通常 DNS 解析采用这种模式）。

区是域的子集

2. 统一资源定位符 URL

定义 ：用来表示互联网上资源的地址和访问方式。
格式 ：
<协议>://<主机名>:<端口>/<路径>

  • 协议：必须部分。如** http, https, ftp**。
  • 主机名：存放资源的主机域名或 IP 地址。
  • 端口 ：可选。省略时使用协议对应的默认端口（HTTP 默认 80，HTTPS 默认 443）。
  • 路径 ：资源在主机上的具体路径。
    例子 ：
    http://www.example.com:80/index.html
  • 协议：http
  • 主机名：www.example.com
  • 端口：80 (可省略)
  • 路径：index.html

3. 超文本传送协议http （重点）

定义：应用层协议，使用 TCP 作为运输层协议，用于在 Web 浏览器和 Web 服务器之间交换数据。

(1) HTTP 的主要特点

  1. 无状态 ：
    • 服务器不记得之前访问过它的客户端是谁。
    • 优点：简单，服务器不用为每个客户保存连接信息，响应快。
    • 缺点：不支持连续事务（如购物车）。
    • 解决方案 ：使用 Cookie 和 Session。
  2. 无连接 ：(注：HTTP/1.1 之后支持持久连接)
    • 早期版本：每个请求/响应都要建立一个新的 TCP 连接，完后断开。
  3. 请求/响应模式：客户端发起请求，服务器被动响应。
  4. 灵活：可以传输任意类型的数据（由 Content-Type 标记）。

HTTP 报文格式

A. 请求报文 (客户端 -> 服务器)

<方法> <版本>

<首部字段>

<空行>

<实体主体> (可选)

  • 常见方法 ：
    • GET：请求获取 URL 指定的资源（参数在 URL 中）。
    • POST：向服务器提交数据（如表单），数据放在实体主体中（比 GET 安全，长度无限制）。
    • HEAD：类似于 GET，但服务器只返回首部，不返回实体主体（用于测试 URL 有效性）。
    • PUT：上传文件。
    • DELETE：删除文件。
B. 响应报文 (服务器 -> 客户端)

<版本> <状态码> <短语>

<首部字段>

<空行>

<实体主体>


常见状态码：

  • 1xx：信息性（如 100 Continue）。
  • 2xx ：成功。
    • 200** OK**：请求成功。
  • 3xx ：重定向。
    • 301 Moved Permanently：永久移位（资源已被分配新 URL）。
    • 302 Found：临时移位。
  • 4xx ：客户端错误。
    • 400 Bad Request：请求报文有语法错误。
    • 403 Forbidden：服务器拒绝提供服务（无权限）。
    • 404** Not Found**：资源不存在。
  • 5xx ：服务器错误。
    • 500 Internal Server Error：服务器内部故障。
    • 503 Service Unavailable：服务器目前无法处理请求（过载或维护）。

(3) 持久连接 与 非持久连接

  • 非持久连接 (HTTP/1.0 默认)：每个资源请求都需要建立一次 TCP 连接（RTT 开销大）。
  • 持久连接 (HTTP/1.1 默认) ：
    • TCP 连接建立后，可以在此连接上传输多个对象（网页、图片等）。
    • 分为非流水线 （发完一个收一个）和流水线（连续发送，无需等待前一个响应）。
  1. 用户第一次访问网站，服务器生成一个唯一 ID，发给浏览器。
  2. 浏览器将该 ID 以文本文件形式保存在本地（这就是 Cookie）。
  3. 之后用户再访问该网站，浏览器会自动在请求报文中带上这个 Cookie。
  4. 服务器读取 Cookie，识别出是"老用户"，从而恢复状态（如"你好，张三"）。

(5) HTTP 与 HTTPS 的区别

  • 协议：HTTP 是明文传输；HTTPS (HTTP Secure) 是 HTTP + SSL/TLS，加密传输。
  • 端口：HTTP 默认 80；HTTPS 默认 443。
  • 安全性：HTTP 不安全，容易被窃听或篡改；HTTPS 安全，防窃听、防篡改、防冒充。

5. 代理服务器（万维网高速缓存）

把最近的一些请求和响应暂存在本地磁盘中，减少时延

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