面试知识点总结——网络篇

各个协议所属的网络层：

TCP提供面向连接的、可靠的数据流传输，而UDP提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输。

TCP传输单位称为TCP报文段，UDP传输单位称为用户数据报。TCP注重数据安全性，UDP数据传输快，因为不需要连接等待，少了许多操作，但是其安全性却一般。

TCP对应的协议和UDP对应的协议TCP对应的协议：（1） FTP：定义了文件传输协议，使用21端口。（2） Telnet：一种用于远程登陆的端口，使用23端口，用户可以以自己的身份远程连接到计算机上，可提供基于DOS模式下的通信服务。（3） SMTP：邮件传送协议，用于发送邮件。服务器开放的是25号端口。（4） POP3：它是和SMTP对应，POP3用于接收邮件。POP3协议所用的是110端口。（5）HTTP：是从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。UDP对应的协议：（1） DNS：用于域名解析服务，将域名地址转换为IP地址。DNS用的是53号端口。（2） SNMP：简单网络管理协议，使用161号端口，是用来管理网络设备的。由于网络设备很多，无连接的服务就体现出其优势。（3） TFTP(Trival File Tran敏感词er Protocal)，简单文件传输协议，该协议在熟知端口69上使用UDP服务。

TCP/IP 参考模型

分层

每一层都是独立存在的，因此分配到各层的任务能够独立地执行，变更其中某层提供的方案时不影响其他层。

这也可以理解为一个松耦合的设计。

详解

网络层 主要是 ip 协议，可以通过 ip 找到某个机器，但是机器上有很多应用程序，每个程序都占用相应的端口，传输层 不同协议有不同的端口，通过 ip + 端口 就可以确定某个机器上的具体应用程序了。

Server A 和 Server B 直接传输数据，有封装和解封装的过程。

数据从A 的应用层往下走到物理层，会在每一层都会加上头部信息，进行封装，然后再发送到B。

然后 Server B 从 最下面的物理层往上 每一层进行解封装，最后到达应用层，得到数据。

• 物理层：将电脑连起来，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式

• 链路层：数据包会带上发送地址和接收地址，也就是MAC地址

• 网络层：网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。 
  因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后再处理MAC地址。

• 传输层：同一台主机上有许多程序都需要用到网络，端口可以确定表示这个数据包到底供哪个程序使用。 
  传输层建立”端口到端口”的通信，”网络层”的功能是建立”主机到主机”的通信。 
  （ftp 21，ssh 22，dns 53，http 80）

• 应用层 我们在传输数据时，可以只使用(传输层)TCP/IP协议，但是那样的话，如果没有应用层，便无法识别数据内容。 
  如果想要使传输的数据有意义，则必须使用到应用层协议。

TCP 区别 UDP

TCP连接是由4个值来识别的： <源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号>

• TCP是面向连接的、可靠的 
  其实网络的不安全不稳定特性，无论多少次握手都不能保证连接的可靠性 
  但TCP的三次握手在最低限度上(实际上也很大程度上保证了)保证了连接的可靠性

• UDP 无连接的、不可靠 
  UDP传送数据前并不与对方建立连接，对接收到的数据也不发送确认信号，发送端不知道数据是否会正确接收，当然也不用重发，

　UDP 交给上层进行差错控制，可以代码对UDP的数据收发进行验证，比如发送方对每个数据包进行编号然后由接收方进行验证啊什么的

　即使是这样，UDP因为在底层协议的封装上没有采用类似TCP的“三次握手”而实现了TCP所无法达到的传输效率

IP 协议

A 类 B 类 C 类

IP的地址字段范围是0~127，但是由于全0和全1的地址用作特殊用途，实际可指派的第一个字段范围是1~126。

A类地址范围：0.0.0.1 —— 126.255.255.254， 默认网络掩码为 255.0.0.0

B类地址范围：128.0.0.1 —— 191.255.255.254，默认子网掩码为255.255.0.0

C类地址范围：192.0.0.1 —— 223.255.255.254，默认子网掩码为255.255.255.0

0 到 128 相差128，128 到192相差64，后面192到224相差32。

A 类地址， 0 开头， 128 个 
B 类地址，10 开头，16,384 个 
C 类地址，110 开头，2,097,152 个

特殊的地址

ip 地址= 网络号 + 主机号

网络号	主机号	用途
全为0	全为0	表示本主机，用作源地址，启动时用，获取了 IP 地址后不再使用
全为0	host-id	本地网络上主机号为 host-id 的主机，只作为源地址
全为1	全为1	有限广播（本地网络），只作目的地址，各路由器都不转发
net-id	全为1	定向广播（net-id标识的网络），只作目的地址
net-id	全为0	标识一个网络
127	任意	本地软件回送地址

B类中169.254.0.0到169.254.255.255是保留地址。如果你的IP地址是自动获取IP地址，而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器，这时你将会从169.254.0.0到169.254.255.255中临得获得一个IP地址。

私有地址

私有地址包括3组 
A类：10.0.0.0~10.255.255.255 
B类：172.16.0.0~172.31.255.255 
C类：192.168.0.0~192.168.255.255

学校里的局域网，因为大概有几十万人，所以是10开头的局域网。

而我们买的无线路由器，也要设置局域网，一般为192开头的，比如192.168.0.1或者192.168.199.1（比如极路由就是这个地址）

我们建企业网（单位网络）时，一般是使用私有地址来分配内部主机，小企业使用C类的192.168.0.0网络，中型企业使用172.16.0.0网络，如果还不够用，还有10.0.0.0 网络。

子网划分

以C类网络为例，原有8位主机位，2的8次方即256个主机地址，默认子网掩码255.255.255.0。

借用1位主机位，产生2个子网，每个子网有126个主机地址；借用2位主机位，产生4个子网，每个子网有62个主机地址……

练习题

把子网掩码为255.255.0.0的网络40.15.0.0分为两个子网，假设第一个子网为40.15.0.0/17，则第二个子网为?

40.15.0.0/17 表示网段是40.15.0.0，子网掩码是17位。

子网掩码为：255.255.128.0，用二进制表示为：11111111 11111111 10000000 00000000 ，斜杠后面的17表示子网掩码前17位为1.

答案：

划分为两个子网的话子网掩码应该为255.255.128.0 
第一个子网是40.15.0.0/17，可用地址范围是40.15.0.1~40.15.127.254 
第二个子网是40.15.128.0/17，可用地址范围是40.15.128.1~40.15.255.254

解析：

掩码的前两个八位是255，第三个八位是128，有2的一次方个子网（因为第三个八位只有一个1，后面七位都是0），所以ip 地址第三个8位是0000,0000或者1000,0000，即0或者128。

因为第3个8位是1000,0000，可以区分开头第一个数是0还是1, 区分了两个子网。所以这两个子网是40.15.0.0和40.15.128.0

NAT穿透技术

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是一种网络地址翻译技术，将内部私有IP地址改变成可以在公网上使用的.

NAT三种实现方式

• 静态地址转换：一个公网IP对应一个内部IP,一对一转换

• 动态地址转换：N个公网IP对应M个内部Ip,不固定的一对一IP转换关系．同一时间，有M-N个主机无法联网．

• 端口多路复用：对外只有一个公网IP,通过端口来区别不同内部IP主机的数据．

网关

• 网关（gateway）能在不同协议间移动数据

• 路由器（router）是在不同网络间移动数据 
  相当于传统所说的IP网关（IP gateway）

三次握手

一些名词

• seq （Sequence Number）序列号，这是为了连接以后传送数据用的
• ack（Acknowledgment Number）确认序列号，是对收到的数据包的确认，值是等待接收的数据包的序列号。
• SYN synchronous 同步信号
• ACK Acknowledgement 应答信号， 当 ACK=1时候表示ack字段有意义
• SYN 和 ACK 也表示 TCP 的标志位?

三次握手的步骤

1. 客户端 发起握手，目的端点是 服务端 的端点 post_server 
   
   • 生成一个随机数作为它的初始化发送序号 x
   • 发出一个同步报文段，SYN=1，发送序号 seq=x
   • 并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认
2. 服务端监听到端口 post_server 上有连接请求，响应 
   
   • 生成一个随机数作为它的初始发送序号 seq = y
   • 发出同步报文字段并对主机 A 端口1的连接请求进行确认，发送ack=x+1
   • 即发送 SYN+ACK 包，此时服务器进入SYN_RECV状态
3. 主机 A 
   
   • 发出对 服务端 端口 post_server 的确认，确认序号 ack=y+1，还有seq=x+1
   • 客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

为什么采用3次握手而不是2次握手?

• 第一次握手 客户端发，服务端 知道 客户端 可以 发消息
• 第二次握手 服务端收和发，客户端 知道 服务端 可以 接收消息 和 发消息
• 第三次握手 客户端收和发，服务端 知道 客户端可以 接收消息 和 发消息

3 次是双向通信的最小值，也就是 SYN, SYN ACK, ACK ，两个发送、两个接收 ，其中第二次把接收和发送合在一起了

如果两次握手的话，客户端有可能因为网络阻塞等原因会发送多个请求报文，这时服务器就会建立连接，浪费掉许多服务器的资源。所以要增加第三次握手。

第3次失败会怎么办?

第三次失败，只有客户端处于成功状态（因为第2次服务器返回了ACK），服务器端没有接收到客户端的 ACK。

这要分几种情况讨论：

• In other words, if the ACK is dropped but the next packet is not dropped, then everything is fine. 
  也就是说客户端发出的 ACK 丢失了，发出的 下一个数据包 没有丢失，则服务端接收到下一个数据包（这个数据包里也会带上 ACK 信息），能够进入正常的 ESTABLISHED 状态

• 如果服务端和客户端都没有数据发送，或者服务端想发送数据（但是发不了，因为没有收到客户端的 ACK），服务器都会有定时器发送第二步SYN+ACK数据包，如果客户端再次发送ACK成功，建立连接。

  如果一直不成功，服务器肯定会有超时设置，超时之后会给客户端发RTS报文，进入CLOSED状态，防止SYN洪泛攻击。

四次握手关闭连接

1. 主机 A 关闭 A主机的 端口1 到 B主机的 端口2 的传输连接：

   • 应用程序通知 TCP 数据已经发送完毕时，关闭连接
   • TCP 向主机 B 发送一个带 FIN 附加标记的报文段（FIN 表示 finish），FIN=1，seq=x

2. 主机 B 响应： 
   

   • 收到这个 FIN 报文段之后，并不立刻用 FIN 报文段回复主机 A，而是先向主机 A 发送一个确认序号 ，ACK=1，ack=x+1
   • 同时通知自己相应的应用程序，主机 A 方传输已经结束，对方要求关闭连接（先发送 ACK 的目的是为了防止这段时间内，主机 A 重传 FIN 报文段） 
     

   此时 A 到 B 方向上的传输连接已经关闭（看第4有TIME_WAIT状态等待2MSL，第2步的 A 到 B 并没有彻底关闭？），但是主机 B 到 A 还可以发送数据，连接处于半关闭的状态。（因为原来 TCP 是全双工的工作方式，只关闭了一端的连接）

3. 主机 B 关闭 端口2到端口1的传输连接：

   • 应用程序告诉 TCP: 我要彻底地关闭连接
   • TCP 收到对最后数据的确认后，向主机 A 发送一个 FIN 报文段。FIN=1，seq=y，y 是 B 发送数据的最后字节的序号加1。ACK=1，seq=x+1。

4. 主机 A 响应：

   • 收到这个 FIN 报文段之后，向主机 B 发送一个 ACK 表示连接彻底释放。ACK=1，ack=y+1
   • 主机B收到主机A的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机A等待2MSL （Maximum Segment Lifetime）后依然没有收到回复，则证明主机 B已正常关闭，那好，主机A也可以关闭连接了。

为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手?

TCP是全双工模式，关闭连接时，当 主机 B收到主机A的FIN报文时，仅仅表示主机 A不再发送数据了但是还能接收数据。

主机 B也未必全部数据都发送给A了，所以B可以立即close；也可以发送一些数据给A后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此， 主机 BACK和FIN一般都会分开发送。

参考文章

• TCP/IP网络与协议

• 子网划分

• 实现Server 2003网络服务基础结构

• UDP穿透NAT的原理

• 简析TCP的三次握手与四次分手

• 计算机网络

• 互联网协议入门（一）