计算机网络

[Alexandermclean]

作为前端还是需要知道关于计算机网络的一些协议知识的

1.计算机网络协议架构

OSI（Open System Interconnect）开放式系统互联，一般都叫OSI参考模型，是ISO（国际标准化组织）组织在1985年研究的网络互联模型。
最早的时候网络刚刚出现的时候，很多大型的公司都拥有了网络技术，公司内部计算机可以相互连接。可以却不能与其它公司连接。因为没有一个统一的规范。计算机之间相互传输的信息对方不能理解。所以不能互联。
ISO为了更好的使网络应用更为普及，就推出了OSI参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范，就能互联了。

不同协议在最初OSI模型中的位置：

7	应用层	例如HTTP、SMTP、SNMP、FTP、Telnet、SIP、SSH、NFS、RTSP、XMPP、Whois、ENRP
6	表示层	例如XDR、ASN.1、SMB、AFP、NCP
5	会话层	例如ASAP、TLS、SSH、ISO 8327 / CCITT X.225、RPC、NetBIOS、ASP、Winsock、BSD sockets
4	传输层	例如TCP、UDP、RTP、SCTP、SPX、ATP、IL
3	网络层	例如IP、ICMP、IGMP、IPX、BGP、OSPF、RIP、IGRP、EIGRP、ARP、RARP、 X.25
2	链路层	例如以太网、令牌环、HDLC、帧中继、ISDN、ATM、IEEE 802.11、FDDI、PPP
1	物理层	例如线路、无线电、光纤、信鸽

第7层应用层—直接对应用程序提供服务，应用程序可以变化，但要包括电子消息传输；
第6层表示层—格式化数据，以便为应用程序提供通用接口。这可以包括加密服务；
第5层会话层—在两个节点之间建立端连接。此服务包括建立连接是以全双工还是以半双工的方式进行设置，尽管可以在层4中处理双工方式；
第4层传输层—常规数据递送－面向连接或无连接。包括全双工或半双工、流控制和错误恢复服务；
第3层网络层—本层通过寻址来建立两个节点之间的连接，它包括通过互连网络来路由和中继数据；
第2层数据链路层—在此层将数据分帧，并处理流控制。本层指定拓扑结构并提供硬件寻址；
第1层物理层—原始比特流的传输，电子信号传输和硬件接口数据发送时，从第七层传到第一层，接受方则相反。

上三层总称应用层，用来控制软件方面；下四层总称数据流层，用来管理硬件，数据在发至数据流层的时候将被拆分。根据PDU （协议数据单元）：在传输层的数据叫段（segment），网络层叫包（packet），数据链路层叫帧（frame），物理层叫比特流（bit），其他更高层次的数据则是报文（message）

OSI中每一层都有每一层的作用。比如网络层就要管理本机的IP的目的地的IP。数据链路层就要管理MAC地址（介质访问控制）等等，所以在每层拆分数据后要进行封装，以完成接受方与本机相互联系通信的作用。

2.下层协议

互联网是由一整套协议构成的，规定了在不同通信层的要求。

1.Ethernet（以太网）

互联网中最底层的是以太网协议，它规定了电子信号如何组成数据包（packet），解决了子网内部的点对点通信。

2.IP协议

上面的以太网协议可以解决一个局域网内的点对点通信，但是不能解决不同局域网之间的通信，IP协议就是为了解决这种情况。

如上图所示，IP协议可以连接多个局域网

IP协议定义了一套自己的地址规则，称为IP地址。它实现了路由功能，允许某个局域网的A主机向另一个局域网的B主机发送消息。
我们买的路由器就是基于IP协议，局域网之间需要靠路由器连接；路由器背部有很多网口，其内部有一张路由表，规定了A段IP地址的出口a，B段IP地址的出口b......通过这套“指路牌”实现了数据包的转发。

这张路由表注明了不同IP段目的地的数据包，要发送到哪个端口（interface）

IP协议只是一个地址协议，并不保证数据包的完整，如果路由器丢包（路由器内存满了，新进来的数据包就会丢失），就需要发现哪一个数据包丢失，以及重新补发这个数据包。这就需要依靠TCP协议了。
简单来说，TCP协议的作用就是保证数据通信的完整性和可靠性，防止丢包。

3.TCP协议

1.数据包大小

以太网数据包（packet）大小是固定的，最初是1518个字节，后来增加到1522个字节。其中1500个字节是负载（payload），22个字节是头信息（head）。
IP数据包在以太网数据包的负载里，也有自己的头信息，最少需要20字节，所以IP数据包的负载最多是1480个字节。

IP数据包在以太网数据包负载里，TCP数据包在IP数据包负载里

TCP数据包在IP数据包的负载里，它的头信息最少也需要20个字节，因此TCP数据包的最大负荷是1460个字节。由于IP协议和TCP协议往往有额外的头信息，所以实际的TCP数据包大概是1400个字节。

2.TCP数据包编号（SEQ）

一个包1400字节，那么一次性发送大量数据，就必须分成多个包。比如，一个10MB的文件，需要发送7100多个包。
发送的时候，TCP协议为每个包编号（sequence number，简称SEQ），以便接收的一方按照顺序还原。万一发生丢包，也可以知道丢失的是哪一个包。
例如第一个包的编号是一个随机数。为了便于理解，这里就把它称为1号包。假定这个包的负载长度是100字节，那么可以推算出下一个包的编号应该是101。这就是说，每个数据包都可以得到两个编号：自身的编号，以及下一个包的编号。接收方由此知道，应该按照什么顺序将它们还原成原始文件。

当前包的编号是45943，下一个数据包的编号是46183，由此可知，这个包的负载是240字节。

3.TCP数据包的组装

收到TCP数据包以后，组装还原是操作系统完成的。应用程序不会直接处理TCP数据包。对于应用程序来说，不用关心数据通信的细节。除非线路异常，除此之外收到的总是完整的数据。应用程序需要的数据放在TCP数据包里面，但要把TCP数据变成应用层可识别的数据，就要有自己的格式（比如HTTP协议）。

TCP并没有提供任何机制，表示原始文件的大小，这由应用层的协议来规定。比如，HTTP协议就有一个头信息Content-Length，表示信息体的大小。对于操作系统来说，就是持续地接收TCP数据包，将它们按照顺序组装好，一个包都不少。操作系统不会去处理TCP数据包里面的数据。一旦组装好TCP数据包，就把它们转交给应用程序。TCP数据包里面有一个端口（port）参数，就是用来指定转交给监听该端口的应用程序。应用程序收到组装好的原始数据，以浏览器为例，就会根据HTTP协议的Content-Length字段正确读出一段段的数据。这也意味着，一次TCP通信可以包括多个HTTP通信。

4.发送窗口

接收方每收到两个TCP数据包，就要发送一个确认消息。“确认”的英语是 acknowledgement，所以这个确认消息就简称ACK。

ACK 携带两个信息：

1.期待要收到下一个数据包的编号
2.接收方的接收窗口的剩余容量

发送方有了这两个信息，再加上自己已经发出的数据包的最新编号，就会推测出接收方大概的接收速度，从而降低或增加发送速率。这被称为“发送窗口”，这个窗口的大小是可变的。

上图的传输步骤：
client：我想要下一个数据包的编号是1，长度是360个字节

server：数据给你，下个数据包的编号是361，我的发送窗口最大是120bytes

client：我想要下一个数据包编号是361，长度是120个字节（按照你的要最大限度）

server：数据给你，下个数据包的编号是481，我的发送窗口最大是120bytes

...

我自己总结了一下SEQ和ACK的含义：
SEQ是我这次要从哪个编号开始要数据；ACK是我下次要从哪个编号开始给数据

5.数据包丢失处理

TCP协议可以保证数据通信的完整性，这是怎么做到的？
前面说过，每一个数据包都带有下一个数据包的编号。如果下一个数据包没有收到，那么ACK的编号就不会发生变化。

举例来说，现在收到了4号包，但是没有收到5号包。ACK就会记录，期待收到5号包。过了一段时间，5号包收到了，那么下一轮ACK会更新编号。如果5号包还是没收到，但是收到了6号包或7号包，那么ACK里面的编号不会变化，总是显示5号包。这会导致大量重复内容的ACK。
如果发送方发现收到三个连续的重复ACK，或者超时了还没有收到任何ACK，就会确认丢包，即5号包遗失了，从而再次发送这个包。通过这种机制，TCP保证了不会有数据包丢失。

hostB没有收到100-120这段编号的数据包，会重复发ACK=100，触发hostA重发数据包