计算机网络基础知识

作为【面试系列】文章的开端，首先对计算机网络相关知识进行总结，此篇文章主要讲述基础的网络体系结构、TCP协议、单点登录等，后续会进行更多计算机网络知识的分享，欢迎关注！

1. 网络体系结构

1.1、OSI模型

1.2、<font color="green">TCP/IP模型</font>

• OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用，TCP/IP 体系结构则不同，但它现在却得到了非常广泛的应用
• TCP/IP 网络模型，一般是五层模型，但是也可以分为四层，就是把链路层和物理层都表示为网络接口层

1.3、各层功能

• 该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

数据链路层

• 数据链路层为网络层提供可靠的数据传输
• 基本数据单位为帧，主要的协议为以太网协议
• 两个重要设备名称：网桥和交换机

<font color="green">网络层</font>

• 网络层负责选择合适的网间路由和交换结点，确保计算机通信的数据及时传送。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能
• 基本数据单位为IP数据报

• 包含的主要协议为：

  • IP协议（Internet Protocol，因特网互联协议）
  • ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）;
  • ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）;
  • RARP协议（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析协议）。
• 重要的设备：路由器

• 传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输以及端到端的差错控制和流量控制问题

• 包含的主要协议：

  • TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）、
  • UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）；
• 重要设备：网关

• 应用层通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
• 数据传输基本单位为报文

• 包含的主要协议为：

  • FTP（文件传送协议）
  • Telnet（远程登录协议）
  • DNS（域名解析协议）
  • SMTP（邮件传送协议）
  • POP3协议（邮局协议）
  • HTTP协议（Hyper Text Transfer Protocol）

2. 单点登录

单点登录全称Single Sign On（简称SSO），是指在多系统应用群中登录一个系统，便可在其他所有系统中得到授权而无需再次登录，包括单点登录与单点注销两部分

• 相比于单系统登录，sso需要一个独立的认证中心，只有认证中心能接受用户的用户名密码等安全信息，其他系统不提供登录入口，只接受认证中心的间接授权。间接授权通过令牌实现，sso认证中心验证用户的用户名密码没问题，创建授权令牌，
• 在接下来的跳转过程中，授权令牌作为参数发送给各个子系统，子系统拿到令牌，即得到了授权，可以借此创建局部会话，局部会话登录方式与单系统的登录方式相同。这个过程，也就是单点登录的原理

单点登录自然也要单点注销，在一个子系统中注销，所有子系统的会话都将被销毁。用户登录成功之后，会与sso认证中心及各个子系统建立会话，用户与sso认证中心建立的会话称为全局会话，用户与各个子系统建立的会话称为局部会话，局部会话建立之后，用户访问子系统受保护资源将不再通过sso认证中心，全局会话与局部会话有如下约束关系

1. 局部会话存在，全局会话一定存在
2. 全局会话存在，局部会话不一定存在
3. 全局会话销毁，局部会话必须销毁

sso认证中心一直监听全局会话的状态，一旦全局会话销毁，监听器将通知所有注册系统执行注销操作

JWT （json web token）机制是能够让你的浏览器具有记忆能力的一种机制。与 Cookie 不同，JWT 是保存在客户端的信息，它广泛的应用于单点登录的情况。JWT 具有两个特点:

• JWT 的 Cookie 信息存储在客户端，而不是服务端内存中。也就是说，JWT 直接本地进行验证就可以，验证完毕后，这个 Token 就会在 Session 中随请求一起发送到服务器，通过这种方式，可以节省服务器资源，并且 token 可以进行多次验证。
• JWT 支持跨域认证，Cookies 只能用在单个节点的域或者它的子域中有效。如果它们尝试通过第三个节点访问，就会被禁止。使用 JWT 可以解决这个问题，使用 JWT 能够通过多个节点进行用户认证，也就是我们常说的跨域认证。

用户登录鉴权流程

1. 用户使用用户名密码请求服务器
2. 服务器进行验证用户信息
3. 服务器通过验证后发送给用户一个token
4. 客户端存储token，并在每次请求时附送上这个token值
5. 服务端验证token值，并返回数据

3. TCP协议

• TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓的“连接”，其实是客户端和服务端保存的一份关于对方的信息，如ip地址、端口号等。
• TCP可以看成是一种字节流，它会处理IP层或以下的层的丢包、重复以及错误问题。在连接的建立过程中，双方需要交换一些连接的参数。这些参数可以放在TCP头部。
• 一个TCP连接由一个4元组构成，分别是两个IP地址和两个端口号。一个TCP连接通常分为三个阶段：连接、数据传输、退出（关闭）。通过三次握手建立一个链接，通过四次挥手来关闭一个连接。
• 当一个连接被建立或被终止时，交换的报文段只包含TCP头部，而没有数据

3.1、TCP报文头部结构

上图中有几个字段需要重点介绍下：

（1）序号：seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。

（2）确认序号：ack序号，占32位只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，ack=seq+1。

（3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：

• ACK：确认序号有效。
• FIN：释放一个连接。
• PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
• RST：重置连接。
• SYN：发起一个新连接。
• URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
  需要注意的是：
• 不要将确认序号ack与标志位中的ACK搞混了。
• 确认方ack=发起方seq+1，两端配对。

3.2、<font color="red">三次握手</font>

• 首先，我让信使运输一份信件给对方，对方收到了，那么他就知道了我的发件能力和他的收件能力是可以的。
• 于是他给我回信，我若收到了，我便知我的发件能力和他的收件能力是可以的，并且他的发件能力和我的收件能力是可以。
• 然而此时他还不知道他的发件能力和我的收件能力到底可不可以，于是我最后回馈一次，他若收到了，他便清楚了他的发件能力和我的收件能力是可以的。

• 三次握手的本质是确认通信双方收发数据的能力

• 刚开始客户端处于 Closed 的状态，服务端处于 Listen 状态。 进行三次握手：

  • 第一次握手：客户端给服务端发一个 SYN 报文，并指明客户端的初始化序列号 ISN(c)。此时客户端处于 SYN_SEND 状态。

    首部的同步位SYN=1，初始序号seq=x，SYN=1的报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号。

  • 第二次握手：服务器收到客户端的 SYN 报文之后，会以自己的 SYN 报文作为应答，并且也是指定了自己的初始化序列号 ISN(s)。同时会把客户端的 ISN + 1 作为ACK 的值，表示自己已经收到了客户端的 SYN，此时服务器处于 SYN_RCVD 的状态。

    在确认报文段中SYN=1，ACK=1，确认号ack=x+1，初始序号seq=y。

  • 第三次握手：客户端收到 SYN 报文之后，会发送一个 ACK 报文，当然，也是一样把服务器的 ISN + 1 作为 ACK 的值，表示已经收到了服务端的 SYN 报文，此时客户端处于 ESTABLISHED 状态。服务器收到 ACK 报文之后，也处于 ESTABLISHED 状态，此时，双方已建立起了连接。

    确认报文段ACK=1，确认号ack=y+1，序号seq=x+1（初始为seq=x，第二个报文段所以要+1），ACK报文段可以携带数据，不携带数据则不消耗序号。

第三次握手的时候，是可以携带数据的。但是，第一次、第二次握手不可以携带数据，为了防止服务端受到恶意攻击，如果每次握手可以携带数据，一些恶意请求在握手时携带大量垃圾数据包，服务端解析能力有限，请求较多时，会发生崩溃

<font color="red">3.3、四次挥手</font>

四次挥手的目的是关闭一个连接

• 刚开始双方都处于 ESTABLISHED 状态，假如是客户端先发起关闭请求。四次挥手的过程如下：

  • 第一次挥手：客户端发送一个 FIN 报文，报文中会指定一个序列号。此时客户端处于 FIN_WAIT1 状态。 即发出连接释放报文段（FIN=1，序号seq=u），并停止再发送数据，主动关闭TCP连接，进入FIN_WAIT1（终止等待1）状态，等待服务端的确认。
  • 第二次挥手：服务端收到 FIN 之后，会发送 ACK 报文，且把客户端的序列号值 +1 作为 ACK 报文的序列号值，表明已经收到客户端的报文了，此时服务端处于 CLOSE_WAIT 状态。 即服务端收到连接释放报文段后即发出确认报文段（ACK=1，确认号ack=u+1，序号seq=v），服务端进入CLOSE_WAIT（关闭等待）状态，此时的TCP处于半关闭状态，客户端到服务端的连接释放。客户端收到服务端的确认后，进入FIN_WAIT2（终止等待2）状态，等待服务端发出的连接释放报文段。
  • 第三次挥手：如果服务端也想断开连接了，和客户端的第一次挥手一样，发给 FIN 报文，且指定一个序列号。此时服务端处于 LAST_ACK 的状态。 即服务端没有要向客户端发出的数据，服务端发出连接释放报文段（FIN=1，ACK=1，序号seq=w，确认号ack=u+1），服务端进入LAST_ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
  • 第四次挥手：客户端收到 FIN 之后，一样发送一个 ACK 报文作为应答，且把服务端的序列号值 +1 作为自己 ACK 报文的序列号值，此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。需要过一阵子以确保服务端收到自己的 ACK 报文之后才会进入 CLOSED 状态，服务端收到 ACK 报文之后，就处于关闭连接了，处于 CLOSED 状态。 即客户端收到服务端的连接释放报文段后，对此发出确认报文段（ACK=1，seq=u+1，ack=w+1），客户端进入TIME_WAIT（时间等待）状态。此时TCP未释放掉，需要经过时间等待计时器设置的时间2MSL后，客户端才进入CLOSED状态。

  收到一个FIN只意味着在这一方向上没有数据流动。客户端执行主动关闭并进入TIME_WAIT是正常的，服务端通常执行被动关闭，不会进入TIME_WAIT状态。

3.4、TCP/IP 协议族

TCP（传输控制协议）和IP（网际协议）是最先定义的两个核心协议，所以才统称为TCP/IP协议族

TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方的发送速度。

• TCP是传输控制协议，提供面向连接的，基于字节流的，可靠的数据传输服务，只能进行一对一通信，首部最小20字节，最大60字节，适用于要求可靠传输的应用，比如文件传输、发送和接收邮件等场景。
• UDP是用户数据协议，提供无连接的，基于报文的数据传输服务，不保证数据传输的可靠性。支持一对一，一对多，多对多等交互通信方式，首部开销小，仅8字节，适用于实时应用，比如视频会议、直播等。

<img src="https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNgy1gstjzasql7j30lc0eogma.jpg" alt="TCP/IP协议群" />

<font color="red">4. TCP可靠性传输</font>

TCP如何保证可靠性传输，是面试中常被问到的问题，回答的时候一定要保证自己的条理性，先说清主要方式，然后再由点及面，一步一步扩宽广度！

1. 应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。
2. TCP 给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。
3. 校验和： TCP 将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
4. TCP 的接收端会丢弃重复的数据。
5. 流量控制： TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。 （TCP 利用滑动窗口实现流量控制）
6. 拥塞控制： 当网络拥塞时，减少数据的发送。
7. ARQ协议： 也是为了实现可靠传输的，它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
8. 超时重传： 当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

4.1、重传机制

TCP 针对数据包丢失的情况，会用重传机制解决。下面为几种常见的重传机制：

• D-SACK

重传机制的其中一个方式，就是在发送数据时，设定一个定时器，当超过指定的时间后，没有收到对方的 ACK 确认应答报文，就会重发该数据，也就是我们常说的超时重传。

超时触发重传存在的问题是，超时周期可能相对较长。于是就可以用「快速重传」机制来解决超时重发的时间等待。

快速重传（Fast Retransmit）机制，它不以时间为驱动，而是以数据驱动重传。

<img src="https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNgy1gstjz1cr7rj30hz0gqgmq.jpg" alt="img" />

快速重传的工作方式是当收到三个相同的 ACK 报文时，会在定时器过期之前，重传丢失的报文段。

快速重传机制只解决了一个问题，就是超时时间的问题，但是它依然面临着另外一个问题。就是重传的时候，是重传之前的一个，还是重传所有的问题。为了解决不知道该重传哪些 TCP 报文，于是就有 SACK 方法

还有一种实现重传机制的方式叫：SACK（ Selective Acknowledgment 选择性确认）。

这种方式需要在 TCP 头部「选项」字段里加一个 SACK 的东西，它可以将缓存的地图发送给发送方，这样发送方就可以知道哪些数据收到了，哪些数据没收到，知道了这些信息，就可以只重传丢失的数据。

D-sack

Duplicate SACK 又称 D-SACK，其主要使用了 SACK 来告诉「发送方」有哪些数据被重复接收了。

4.2、滑动窗口和流量控制

TCP 利用滑动窗口实现流量控制。流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。 接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

4.3、拥塞控制

在某段时间，若对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==，网络的性能就要变坏。这种情况就叫拥塞。拥塞控制就是为了防止过多的数据注入到网络中，这样就可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。

为了进行拥塞控制，TCP 发送方要维持一个 拥塞窗口(cwnd) 的状态变量。拥塞控制窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态变化。发送方让自己的发送窗口取为拥塞窗口和接收方的接受窗口中较小的一个。

TCP的拥塞控制采用了四种算法，即 慢启动 、 拥塞避免 、快重传 和 快恢复。在网络层也可以使路由器采用适当的分组丢弃策略（如主动队列管理 AQM），以减少网络拥塞的发生。

• 慢启动： 慢启动算法的思路是当主机开始发送数据时，如果立即把大量数据字节注入到网络，那么可能会引起网络阻塞，因为现在还不知道网络的符合情况。经验表明，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。cwnd初始值为1，每经过一个传播轮次，cwnd加倍。
• 拥塞避免： 从慢启动可以看到，cwnd可以比较快的增长，但是不能一直无限增长，需要某个限制，TCP使用了ssthresh的变量，当cwnd超过这个值后，慢启动过程结束，进入拥塞避免阶段。拥塞避免的主要思想是加法增大，也就是让cwnd的值线性增加，cwnd的值随着RTT线性增加，这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加到网络的最佳值。
• 快重传与快恢复： 在 TCP/IP 中，快速重传和恢复（fast retransmit and recovery，FRR）是一种拥塞控制算法，它能快速恢复丢失的数据包。没有 FRR，如果数据包丢失了，TCP 将会使用定时器来要求传输暂停。在暂停的这段时间内，没有新的或复制的数据包被发送。有了 FRR，如果接收机接收到一个不按顺序的数据段，它会立即给发送机发送一个重复确认。如果发送机接收到三个重复确认，它会假定确认件指出的数据段丢失了，并立即重传这些丢失的数据段。有了 FRR，就不会因为重传时要求的暂停被耽误。 　当有单独的数据包丢失时，快速重传和恢复（FRR）能最有效地工作。当有多个数据信息包在某一段很短的时间内丢失时，它则不能很有效地工作。

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