计算机网络概括

1 前言

计算机网络是指将位于不同地理位置，但具有独立功能的多台设备，通过通信设备和线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件、网络通信协议的协调管理下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

简单来说，计算机网络就是用于满足不同机器之间通信、共享的一种系统。

1.1 计算机网络的组成

从组成上而言，计算机网络主要由主机、协议、传输介质以及软件四部分组成。

• 主机：可以是手机、电脑、服务器、电子手表等任意计算机硬件。

• 协议：各类定义归法的网络通信协议，如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk等。

• 传输介质：传输数据的通道，可以是实体铜线、电缆、光纤，也可以是无形的电磁波空间介质。

• 软件：涵盖所有联网的应用，如QQ、微信、支付宝、淘宝、京东等各类软件。

1.2计算机网络的功能组成

计算机网络体系的两个核心功能

资源共享：资源子网实现-->OSI中的上三层

数据通信：通信子网实现-->OSI中的下三层

1.3 网络分层与OSI七层模型

而在计算机网络中，当两台机器进行通信时，其过程主要包含数据的封装与解封：

如上图，左侧是发送端，右侧是接收端，当发送端的应用尝试传输一条数据时，数据会根据网络分层结构，从上至下依次封装，每层都对数据做一定的处理，最后在物理层转换为比特流（二进制数据），然后传输至接收端。因为双方之间遵守的都是相同的协议体系（网络模型），因此接收端会首先接收到比特流数据，然后从下至上依次解封数据，最终在应用层还原数据，从而达到通信的目的。

2 通信协议的基本概念

2.1 协议数据单元(PDU)

计算机网络体系中，不同节点通信时交换的信息报文称PDU=协议头信息 + 数据

2.2 TCP/IP体系中数据的通信过程

TCP/IP体系中，一端要想为另一端发送信息数据也会经历封装与解封过程，每一次封装都会形成本层的PDU.

同比生活，也就是类似收发快递的过程：

• 发件：[发件人]→[货物]→[驿站]→[快递公司站点]

• 传输介质：[运输路线]→[中转站]

• 收件：[快递公司站点]→[驿站]→[货物]→[收件人]

3 TCP/IP协议简介

• 源端口/目的端口：指数据发送方的应用进程端口号和接收方的端口号

• 序号：TCP为了保证数据的可靠传输，会对分段数据标注序号用于组装和确定数据的正确性

• 确认序号：当接收方收到接收到本次数据时，下次需要发送的数据段序号。

• 首部：表示TCP报文头的长度，因为TCP头长度可变性，因此需要在头信息中声明每个头的长度

• 保留位：预留一些空间给未来拓展时使用。

• URG：表示本次发送的报文数据中是否是紧急数据。

• ACK：确认信号，当报文中ACK=1的时候表示正确或同意。

• PSH：表示接收方应该尽快将这个报文交给应用层，为后续数据腾出空间，不要停留在缓冲区。

• RST：如果收到RST=1的报文，说明与主机的连接出现严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后重新建立连接。

• SYN：建立一个新连接，SYN=1表示这是一个请求建立连接的报文段。

• FIN：断开一个连接，FIN=1表示通知告知对方本段要关闭连接了。

3.1连接管理机制 - 三次握手与四次挥手

TCP的三次握手

所谓的TCP三次握手，其实是指TCP建立连接的过程，因为TCP属于可靠性的传输协议，因此在发送数据前必须要先确保发送/接收数据的双方状态正常，因此需要经过“三次握手”的过程，具体如下：

• 客户端向服务端发送建立连接的数据包SYN=1,seq=x，然后进入syn-send等待确认连接状态

• SYN=1：代表请求建立连接。

• seq=x：当前数据包的序号。

• 服务端接收到请求建立连接的数据包后，允许建立连接的情况下，会返回响应报文

SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1

• SYN=1：TCP是双全工协议，因此服务端也需向客户端发送SYN=1信号。

• ACK=1：确认客户端建立连接的请求。

• seq=y：表示当前服务端返回给客户端的序号。

• ack=x+1：确认客户端序号x之前的请求都已收到。

• 因为是双全工协议，连接是双向的，因此客户端也需确认一下服务端的连接请求，收到服务端的SYN=1后，也需返回ACK=1,seq=x+1,ack=y+1的数据包。

• ACK=1：表示确认服务端的连接建立请求。

• seq=x+1：当前数据包的请求序号。

• ack=y+1：确认服务端序号y之前的数据都已成功接收。

经过如上三个步骤，客户端和服务端双方之间确认请求后，连接会成功建立，紧接着双方都会处于estab-lishen状态，数据可以正常传输。

TCP的四次挥手

当一方数据传输完成后，会尝试中断连接，因此又会经历“四次挥手”的过程，如下：

①客户端完成数据传输后，会发出FIN=1,seq=u关闭连接的报文，然后等待服务端响应。

• FIN=1：代表请求关闭连接。

• seq=u：请求序号。

②服务端收到客户端的“关闭”请求后，会给客户端返回确认关闭的报文：ACK=1,seq=v,ack=u+1。

• ACK=1：确认客户端“关闭连接”的请求。

• seq=v：请求序号。

• ack=u+1：确认客户端序号u及其以前的数据都已成功接收。

• 客户端传输完成数据后，会告诉服务端自己要关闭连接了；

• 但服务端可能数据还未传输完成，因此会继续传输自己的数据，直至自身的数据也传输完成后，也会告诉客户端：自己也要关闭连接了。

③服务端传输完成自己的数据后，向客户端发送关闭连接的报文：FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1。

• FIN=1：表示自己也要“关闭连接”了。

• ACK=1：确认收到了之前的数据。

• seq=w：请求序号。

• ack=u+1：确认客户端序号u之前的数据都已成功接收。

④客户端接收到服务端“关闭连接”的请求后，给服务端响应确认报文：ACK=1,seq=u+1,ack=w+1。

• ACK=1：确认服务端“关闭连接”的请求。

• seq=u+1：请求序号。

• ack=w+1：确认服务端序号w之前的数据都已成功接收。

前面提及过，因为TCP是双全工的协议，因此双方都可以主动释放连接，在TCP中，当一方数据传输完成后，就会主动关闭连接，也就会经历“挥手”的过程，同样我们也可以举个通俗一些的例子来认识这个过程：

• ①特种兵-竹子：竹子汇报完毕，请指示！

• ②指挥部-熊猫：指挥部收到！..&*/?..!^...继续说完自己要交代的任务。

• ③指挥部-熊猫：这里是熊猫，任务已指示完毕！

• ④特种兵-竹子：竹子收到！

• 中断通话.........

总结：

三次握手是指TCP建立连接需要发送三个数据包，主要目的是在于：为了确认双方的接收能力和发送能力是否正常、指定自己的初始化序列号为后面的可靠性传送做准备。

四次挥手是指TCP关闭连接时需要发送四个数据包，主要目的在于：当客户端发送完数据后，给服务端发送“我要关闭连接了”的请求，然后服务端告知客户端收到了“关闭请求”，但此时服务端会继续向客户端传输未发送的数据，客户端也照旧可以接收服务端的数据，直到服务端的数据传输完成后，服务端也会发出“关闭连接”的请求，客户端同意后，最终才会断开连接，从而保证数据正常可靠的交互。

TCP中的沾包问题

首先要理解TCP传输数据的方式，TCP传输数据时会给每个文段分配一个序号，接收方接收数据之后会根据序号进行排序，然后将其放置在TCP缓存区中

黏包问题：多个数据包杂糅在一块，无法确定每一个数据包之间的分界。好像多个包粘在了一起。

发送方黏包问题：

• TCP为了优化传输速度，将多个包进行打包传输。

• 当需要发送的数据大于MSS规定的数据，需要对数据进行拆分也会产生黏包问题。

接收方黏包问题：

TCP中，如果数据被接收后，应用程序没有及时处理也会出现黏包问题。

解决方案：

• 当使用TCP短连接时，不必考虑沾包问题。

• 当发送无结构数据，如文件传输时，也不需要考虑沾包问题，因为这类数据只管发送和接收保存即可。

• 如果使用长连接，那么则需要考虑沾包问题：

• 如果发送的报文都是相同的结构，那么可以在首部中添加数据长度，接收方根据首部中记录的数据大小读取数据。

• 将每个数据包封装成固定长度，不够的用0补齐，接收方每次按照固定大小读取数据即可。(效率低)

• 在数据之间设置边界，比如添加特殊符号，这样接收方收到数据时，根据特殊符号分割数据即可。

学习链接： https://juejin.cn/post/7101917676162777119