常见计算机网络知识

1、TCP为什么需要3次握手,4次断开?

“三次握手”的目的是“为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端,因而产生错误”。 client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。假设不采用“三次握手”,那么只要server发出确认,新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立,并一直等待client发来数据。这样,server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况,client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认,就知道client并没有要求建立连接。”。主要目的防止server端一直等待,浪费资源。

为什么4次断开?

因为TCP有个半关闭状态,假设A.B要释放连接,那么A发送一个释放连接报文给B,B收到后发送确认,这个时候A不发数据,但是B如果发数据A还是要接受,这叫半关闭。然后B还要发给A连接释放报文,然后A发确认,所以是4次。

在tcp连接握手时为何ACK是和SYN一起发送,这里ACK却没有和FIN一起发送呢。原因是因为tcp是全双工模式接收到FIN时意味将没有数据再发来,但是还是可以继续发送数据。

 

2、TCP和UDP有什么区别?

TCP是传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。通信双方彼此交换数据前,必须先通过三次握手协议建立连接,之后才能传输数据。TCP提供超时重传,丢弃重复数据,检验数据,流量控制等功能,保证数据能从一端传到另一端。UDP是用户数据报协议,是一个简单的面向无连接的协议。UDP不提供可靠的服务。在数据数据前不用建立连接故而传输速度很快。UDP主要用户流媒体传输,IP电话等对数据可靠性要求不是很高的场合。


3、交换机与路由器有什么区别?

①工作所处的OSI层次不一样,交换机工作在OSI第二层数据链路层,路由器工作在OSI第三层网络层

②寻址方式不同:交换机根据MAC地址寻址,路由器根据IP地址寻址

③转发速不同:交换机的转发速度快,路由器转发速度相对较慢。


3、TCP/IP的流量控制?

利用滑动窗口实现流量控制,如果发送方把数据发送得过快,接收方可能会来不及接收,这就会造成数据的丢失。所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快,要让接收方来得及接收。

 TCP为每一个连接设有一个持续计时器(persistence timer)。只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知,就启动持续计时器。若持续计时器设置的时间到期,就发送一个零窗口控测报文段(携1字节的数据),那么收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器。


4、TCP拥塞控制?

防止过多的数据注入到网络中,这样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:网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程,涉及到所有的主机、路由器,以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

 拥塞控制代价:需要获得网络内部流量分布的信息。在实施拥塞控制之前,还需要在结点之间交换信息和各种命令,以便选择控制的策略和实施控制。这样就产生了额外的开销。拥塞控制还需要将一些资源分配给各个用户单独使用,使得网络资源不能更好地实现共享。

几种拥塞控制方法:

慢开始(slow-start )、拥塞避免(congestion avoidance )、快重传( fastretransmit )和快恢复( fastrecovery )。

慢开始和拥塞避免

发送方维持一个拥塞窗口cwnd ( congestion window )的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度,并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。

发送方控制拥塞窗口的原则是:只要网络没有出现拥塞,拥塞窗口就再增大一些,以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞,拥塞窗口就减小一些,以减少注入到网络中的分组数。

慢开始算法: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,那么就有可能引起网络拥塞,因为现在并不清楚网络的负荷情况。因此,较好的方法是先探测一下,即由小到大逐渐增大发送窗口,也就是说,由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。通常在刚刚开始发送报文段时,先把拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新的报文段的确认后,把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口 cwnd ,可以使分组注入到网络的速率更加合理。

每经过一个传输轮次,拥塞窗口 cwnd 就加倍。一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间RTT。不过“传输轮次”更加强调:把拥塞窗口cwnd所允许发送的报文段都连续发送出去,并收到了对已发送的最后一个字节的确认。

另,慢开始的“慢”并不是指cwnd的增长速率慢,而是指在TCP开始发送报文段时先设置cwnd=1,使得发送方在开始时只发送一个报文段(目的是试探一下网络的拥塞情况),然后再逐渐增大cwnd。

为了防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络拥塞,还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量(如何设置ssthresh)。慢开始门限ssthresh的用法如下:

当 cwnd < ssthresh 时,使用上述的慢开始算法。

当 cwnd > ssthresh 时,停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。

当 cwnd = ssthresh 时,既可使用慢开始算法,也可使用拥塞控制避免算法。

拥塞避免算法:让拥塞窗口cwnd缓慢地增大,即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1,而不是加倍。这样拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长,比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。

无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段,只要发送方判断网络出现拥塞(其根据就是没有收到确认),就要把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半(但不能小于2)。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1,执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数,使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。过程图如下:

快速重传:

那就是收到3个相同的ACK。TCP在收到乱序到达包时就会立即发送ACK,TCP利用3个相同的ACK来判定数据包的丢失,此时进行快速重传,快速重传做的事情有:

1.     把ssthresh设置为cwnd的一半

2.     把cwnd再设置为ssthresh的值(具体实现有些为ssthresh+3)

3.重新进入拥塞避免阶段。

快速恢复:

1.  当收到3个重复ACK时,把ssthresh设置为cwnd的一半,把cwnd设置为ssthresh的值加3,然后重传丢失的报文段,加3的原因是因为收到3

2.  再收到重复的ACK时,拥塞窗口增加1。

3.  收到新的数据包的ACK时,把cwnd设置为第一步中的ssthresh的值。原因是因为该ACK确认了新的数据,说明从重复ACK时的数据都已收到,该恢复过程已经结束,可以回到恢复之前的状态了,也即再次进入拥塞避免状态。


5、ARP是地址解析协议,简单语言解释一下工作原理。

(1)首先,每个主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个ARP列表,以表示IP地址和MAC地址之间的对应关系。

(2)当源主机要发送数据时,首先检查ARP列表中是否有对应IP地址的目的主机的MAC地址,如果有,则直接发送数据,如果没有,就向本网段的所有主机发送ARP数据包,该数据包包括的内容有:源主机IP地址,源主机MAC地址,目的主机的IP地址。

(3)当本网络的所有主机收到该ARP数据包时,首先检查数据包中的IP地址是否是自己的IP地址,如果不是,则忽略该数据包,如果是,则首先从数据包中取出源主机的IP和MAC地址写入到ARP列表中,如果已经存在,则覆盖,然后将自己的MAC地址写入ARP响应包中,告诉源主机自己是它想要找的MAC地址。

(4)源主机收到ARP响应包后。将目的主机的IP和MAC地址写入ARP列表,并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包,表示ARP查询失败。

广播发送ARP请求,单播发送ARP响应。


6、ICMP协议?

ICMP是InternetControl Message Protocol,因特网控制报文协议。它是TCP/IP协议族的一个子协议,用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由器是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据,但是对于用户数据的传递起着重要的作用。ICMP报文有两种:差错报告报文和询问报文。

7、DHCP协议?

动态主机配置协议,是一种让系统得以连接到网络上,并获取所需要的配置参数手段。通常被应用在大型的局域网络环境中,主要作用是集中的管理、分配IP地址,使网络环境中的主机动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息,并能够提升地址的使用率。

8、网桥的作用?

网桥是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁


9、数据链路层协议可能提供的服务?

成帧、链路访问、透明传输、可靠交付、流量控制、差错检测、差错纠正、半双工和全双工。最重要的是帧定界(成帧)、透明传输以及差错检测。


10、网络接口卡(网卡)的功能?

(1)进行串行/并行转换。

(2)对数据进行缓存。

(3)在计算机的操作系统安装设备驱动程序。

(4)实现以太网协议。


11、私有(保留)地址?

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


12、TTL是什么?作用是什么?哪些工具会用到它(ping traceroute ipconfig  netstat)?

TTL是指生存时间,简单来说,它表示了数据包在网络中的时间,经过一个路由器后TTL就减一,这样TTL最终会减为0,当TTL为0时,则将数据包丢弃,这样也就是因为两个路由器之间可能形成环,如果没有TTL的限制,则数据包将会在这个环上一直死转,由于有了TTL,最终TTL为0后,则将数据包丢弃。ping发送数据包里面有TTL,但是并非是必须的,即是没有TTL也是能正常工作的,traceroute正是因为有了TTL才能正常工作,ipconfig是用来配置网卡信息的,不需要TTL,netstat是用来显示路由表的,也是不需要TTL的。


13、路由表是做什么用的?在Linux环境中怎么配置一条默认路由?

路由表是用来决定如何将一个数据包从一个子网传送到另一个子网的,换句话说就是用来决定从一个网卡接收到的包应该送到哪一个网卡上去。路由表的每一行至少有目标网络号、子网掩码、到这个子网应该使用的网卡这三条信息。当路由器从一个网卡接收到一个包时,它扫描路由表的每一行,用里面的子网掩码与数据包中的目标IP地址做逻辑与运算(&)找出目标网络号。如果得出的结果网络号与这一行的网络号相同,就将这条路由表六下来作为备用路由。如果已经有备用路由了,就载这两条路由里将网络号最长的留下来,另一条丢掉(这是用无分类编址CIDR的情况才是匹配网络号最长的,其他的情况是找到第一条匹配的行时就可以进行转发了)。如此接着扫描下一行直到结束。如果扫描结束仍没有找到任何路由,就用默认路由。确定路由后,直接将数据包送到对应的网卡上去。在具体的实现中,路由表可能包含更多的信息为选路由算法的细节所用。

在Linux上可以用“route add default gw<默认路由器 IP>”命令配置一条默认路由。


14、RARP?

逆地址解析协议,作用是完成硬件地址到IP地址的映射,主要用于无盘工作站,因为给无盘工作站配置的IP地址不能保存。


15、运输层协议与网络层协议的区别?

网络层协议负责的是提供主机间的逻辑通信

       运输层协议负责的是提供进程间的逻辑通信


16、说说静态路由和动态路由有什么区别。

静态路由是由管理员手工配置的,适合比较简单的网络或需要做路由特殊控制。而动态路由则是由动态路由协议自动维护的,不需人工干预,适合比较复杂大型的网络。

路由器能够自动地建立自己的路由表,并且能够根据实际实际情况的变化适时地进行调整。动态路由机制的运作依赖路由器的两个基本功能:对路由表的维护;路由器之间适时的路由信息交换。



17、HTTP的长连接和短连接?

HTTP的长连接和短连接本质上是TCP长连接和短连接。HTTP属于应用层协议.

短连接:浏览器和服务器每进行一次HTTP操作,就建立一次连接,但任务结束就中断连接。

长连接:当一个网页打开完成后,客户端和服务器之间用于传输HTTP数据的 TCP连接不会关闭,如果客户端再次访问这个服务器上的网页,会继续使用这一条已经建立的连接。Keep-Alive不会永久保持连接,它有一个保持时间,可以在不同的服务器软件(如Apache)中设定这个时间。实现长连接要客户端和服务端都支持长连接。

TCP短连接: client向server发起连接请求,server接到请求,然后双方建立连接。client向server发送消息,server回应client,然后一次读写就完成了,这时候双方任何一个都可以发起close操作,不过一般都是client先发起 close操作.短连接一般只会在 client/server间传递一次读写操作

 TCP长连接: client向server发起连接,server接受client连接,双方建立连接。Client与server完成一次读写之后,它们之间的连接并不会主动关闭,后续的读写操作会继续使用这个连接。


18、 IO中同步与异步,阻塞与非阻塞区别

同步和异步关注的是消息通信机制 (synchronous communication/asynchronous communication)

所谓同步,就是在发出一个*调用*时,在没有得到结果之前,该*调用*就不返回。但是一旦调用返回,就得到返回值了。换句话说,就是由*调用者*主动等待这个*调用*的结果。而异步则是相反,*调用*在发出之后,这个调用就直接返回了,所以没有返回结果。换句话说,当一个异步过程调用发出后,调用者不会立刻得到结果。而是在*调用*发出后,*被调用者*通过状态、通知来通知调用者,或通过回调函数处理这个调用。

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果(消息,返回值)时的状态.

阻塞调用是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起。函数只有在得到结果之后才会返回。

非阻塞:不能立刻得到结果之前,该函数不会阻塞当前线程,而会立刻返回。

19、ip地址分段

A类网络的IP地址范围为1.0.0.1-127.255.255.254;

B

类网络的IP地址范围为:128.1.0.1-191.255.255.254;

C

类网络的IP地址范围为:192.0.1.1-223.255.255.254、

20、为什么TIME_WAIT状态还需要等2*MSL(Max SegmentLifetime,最大分段生存期)秒之后才能返回到CLOSED状态呢?

因为虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SENT状态到ESTABLISH状态那样),但是我们必须假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文一定会被对方收到,就是说对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

21 表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题,以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。

7)应用层:

应用层是OSI参考模型的最高层,是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求,如文件传输、收发电子邮件等。


 

 

3、TCP/IP有哪几层,知道所有层数的作用,会列举各层主要协议名称。

1)网络接口层:

         网络接口层是TCP/IP协议的最低层,负责接收IP数据包并通过网络发送这个IP数据包,或者从网络上接收物理帧,取出IP数据包,并把它交给IP层。

         主要协议:IEEE802、PPP协议

2)网际层:

         网络层负责数据包的寻径功能,以保证数据包能可靠地到达目标主机;若不能到达,则向源主机发送差错控制报文。网络层提供的服务是不可靠的,可靠性由传输层来实现。

主要协议: IP协议、ICMP控制报文协议、ARP地址转换协议、RARP反向地址转换协议。

3)运输层:

提供应用程序间的通信。其功能包括:一、格式化信息流;二、提供可靠传输。为实现后者,传输层协议规定接收端必须发回确认,并且假如分组丢失,必须重新发送,即耳熟能详的“三次握手”过程,从而提供可靠的数据传输。

主要协议:传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP

4)应用层

向用户提供一组常用的应用程序,比如电子邮件文件传输访问、远程登录等。

主要协议:FTP、TELNET、DNS、SMTP、NFS、HTTP。

FTP(File Transfer Protocol)是文件传输协议,一般上传下载用FTP服务,数据端口是20,控制端口是21。

Telnet服务是用户远程登录服务,使用23端口,使用明码传送,保密性差、简单方便。

DNS(Domain Name Service)是域名解析服务,提供域名到IP地址之间的转换,使用端口53。

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)是简单邮件传输协议,用来控制信件的发送、中转,使用端口25。

NFS(Network File System)是网络文件系统,用于网络中不同主机间的文件共享

HTTP(Hypertext Transfer Protocol)是超文本传输协议,用于实现互联网中的WWW服务,使用端口80。




4、硬件(MAC)地址的概念及作用。

概念:MAC地址就是在媒体接入层上使用的地址,也叫物理地址、硬件地址或链路地址,其被固化在适配器的ROM中。可见MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符。当某台计算机使用某块适配器后,适配器上的标识符就成为该计算机的MAC地址。MAC地址长度为6字节(48比特),由IEEE的注册管理结构RA进行管理分配。

作用:MAC地址是计算机的唯一标识,在数据链路层中,交换机通过识别MAC地址进行数据包的传输。




5. ARP协议的用途及算法、在哪一层上会使用ARP?

ARP (Address Resolution Protocol) 是个地址解析协议。最直白的说法是:在IP以太网中,当一个上层协议要发包时,有了该节点的IP地址,ARP就能提供该节点的MAC地址。


为什么要有ARP?

OSI 模式把网络工作分为七层,彼此不直接打交道,只通过接口(layre interface). IP地址在第三层, MAC地址在第二层。协议在发生数据包时,首先要封装第三层(IP地址)和第二层 (MAC地址)的报头, 但协议只知道目的节点的IP地址,不知道其物理地址,又不能跨第二、三层,所以得用ARP的服务。

详细说明:

Ø  在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址,而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用

Ø  当一台主机把以太网数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时,是根据 48位的以太网地址来确定目的接口的,设备驱动程序从不检查 IP数据报中的目的IP地址。ARP(地址解析)模块的功能为这两种不同的地址形式提供映射:32位的 IP地址和 48位的以太网地址

ARP协议的用途:解决同一个局域网内主机或路由器的IP地址和MAC地址的映射问题。

算法:在主机的ARP高速缓存中应存放一个从IP地址到MAC地址的映射表,并且这个映射表还经常动态更新(新增或超时删除)。


在网络层会使用ARP




6. CRC冗余校验算法,反码和检验算法。

CRC校验(循环冗余校验)是数据通讯中最常采用的校验方式。

从奇偶校验说起

所谓通讯过程的校验是指在通讯数据后加上一些附加信息,通过这些附加信息来判断接收到的数据是否和发送出的数据相同。比如说RS232串行通讯可以设置奇偶校验位,所谓奇偶校验就是在发送的每一个字节后都加上一位,使得每个字节中1的个数为奇数个或偶数个。


比如我们要发送的字节是0x1a,二进制表示为0001 1010。

采用奇校验,则在数据后补上个0,数据变为0001 10100,数据中1的个数为奇数个(3个)

采用偶校验,则在数据后补上个1,数据变为0001 10101,数据中1的个数为偶数个(4个)

接收方通过计算数据中1个数是否满足奇偶性来确定数据是否有错。


奇偶校验的缺点也很明显,首先,它对错误的检测概率大约只有50%。也就是只有一半的错误它能够检测出来。另外,每传输一个字节都要附加一位校验位,对传输效率的影响很大。因此,在高速数据通讯中很少采用奇偶校验。奇偶校验优点也很明显,它很简单,因此可以用硬件来实现,这样可以减少软件的负担。因此,奇偶校验也被广泛的应用着。

奇偶校验就先介绍到这来,之所以从奇偶校验说起,是因为这种校验方式最简单,而且后面将会知道奇偶校验其实就是CRC校验的一种(CRC-1)。


累加和校验

另一种常见的校验方式是累加和校验。所谓累加和校验实现方式有很多种,最常用的一种是在一次通讯数据包的最后加入一个字节的校验数据。这个字节内容为前面数据包中全部数据的忽略进位的按字节累加和。比如下面的例子:


我们要传输的信息为: 6、23、4

加上校验和后的数据包:6、23、4、33

这里 33 为前三个字节的校验和。接收方收到全部数据后对前三个数据进行同样的累加计算,如果累加和与最后一个字节相同的话就认为传输的数据没有错误。


累加和校验由于实现起来非常简单,也被广泛的采用。但是这种校验方式的检错能力也比较一般,对于单字节的校验和大概有1/256的概率将原本是错误的通讯数据误判为正确数据。之所以这里介绍这种校验,是因为CRC校验在传输数据的形式上与累加和校验是相同的,都可以表示为:通讯数据 校验字节(也可能是多个字节)


初识 CRC 算法

CRC 算法的基本思想是将传输的数据当做一个位数很长的数。将这个数除以另一个数。得到的余数作为校验数据附加到原数据后面。还以上面例子中的数据为例:

6、23、4 可以看做一个2进制数: 000001100001011100000010

假如被除数选9,二进制表示为:1001

则除法运算可以表示为:

可以看到,最后的余数为1。如果我们将这个余数作为校验和的话,传输的数据则是:6、23、4、1

CRC 算法和这个过程有点类似,不过采用的不是上面例子中的通常的这种除法。在CRC算法中,将二进制数据流作为多项式的系数,然后进行的是多项式的乘除法。还是举个例子吧。


比如说我们有两个二进制数,分别为:1101和1011。

1101 与如下的多项式相联系:1x3+1x2+0x1+1x0=x3+x2+x0

1011与如下的多项式相联系:1x3+0x2+1x1+1x0=x3+x1+x0

两个多项式的乘法:(x3+x2+x0)(x3+x1+x0)=x6+x5+x4+x3+x3+x3+x2+x1+x0

得到结果后,合并同类项时采用模2运算。也就是说乘除法采用正常的多项式乘除法,而加减法都采用模2运算。所谓模2运算就是结果除以2后取余数。比如3 mod 2 =1。因此,上面最终得到的多项式为:x6+x5+x4+x3+x2+x1+x0,对应的二进制数:111111

加减法采用模2运算后其实就成了一种运算了,就是我们通常所说的异或运算:

0+0=0

0+1=1

1+0=1

1+1=0

0-0=0

1-0=1

0-1=1

1-1=0

上面说了半天多项式,其实就算是不引入多项式乘除法的概念也可以说明这些运算的特殊之处。只不过几乎所有讲解CRC 算法的文献中都会提到多项式,因此这里也简单的写了一点基本的概念。不过总用这种多项式表示也很罗嗦,下面的讲解中将尽量采用更简洁的写法。

除法运算与上面给出的乘法概念类似,还是遇到加减的地方都用异或运算来代替。


下面是一个例子:

要传输的数据为:1101011011

除数设为:10011

在计算前先将原始数据后面填上4个0:11010110110000,之所以要补0,后面再做解释。

从这个例子可以看出,采用了模2的加减法后,不需要考虑借位的问题,所以除法变简单了。最后得到的余数就是CRC校验字。为了进行CRC运算,也就是这种特殊的除法运算,必须要指定个被除数,在CRC算法中,这个被除数有一个专有名称叫做“生成多项式”。生成多项式的选取是个很有难度的问题,如果选的不好,那么检出错误的概率就会低很多。好在这个问题已经被专家们研究了很长一段时间了,对于我们这些使用者来说,只要把现成的成果拿来用就行了。

最常用的几种生成多项式如下:

CRC8=X8+X5+X4+X0

CRC-CCITT=X16+X12+X5+X0

CRC16=X16+X15+X2+X0

CRC12=X12+X11+X3+X2+X0

CRC32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+X0

有一点要特别注意,文献中提到的生成多项式经常会说到多项式的位宽(Width,简记为W),这个位宽不是多项式对应的二进制数的位数,而是位数减1。比如CRC8中用到的位宽为8的生成多项式,其实对应得二进制数有九位:100110001。另外一点,多项式表示和二进制表示都很繁琐,交流起来不方便,因此,文献中多用16进制简写法来表示,因为生成多项式的最高位肯定为1,最高位的位置由位宽可知,故在简记式中,将最高的1统一去掉了,如CRC32的生成多项式简记为04C11DB7实际上表示的是104C11DB7。当然,这样简记除了方便外,在编程计算时也有它的用处。

对于上面的例子,位宽为4(W=4),按照CRC算法的要求,计算前要在原始数据后填上W个0,也就是4个0。

位宽W=1的生成多项式(CRC1)有两种,分别是X1和X1+X0,读者可以自己证明10 对应的就是奇偶校验中的奇校验,而11对应则是偶校验。因此,写到这里我们知道了奇偶校验其实就是CRC校验的一种特例,这也是以奇偶校验作为开篇介绍的原因了。



7. 如何实现透明传输。

透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送

透明传输的基本概念:

数据透明传输就是用户不受协议中的任何限制,可随机的传输任意比特编码的信息

用户可以完全不必知道协议中所规定的结束段的比特编码或者其他的控制字符,因而不受限制的进行传输。


数据透明传输技术:

转义字符填充法(首尾定界符法):在这种帧同步方式中,为了不使数据信息位中与特定字符相同的字符被误判为帧的首尾定界符,可以在这种数据帧的帧头填充一个转义控制字符(DLE STX,Data Link Escape – Start of Text),在帧的结尾则以DLE ETX(Data Link Escape-End of Text)结束,以示区别,从而达到数据的透明性。若帧的数据中出现DLE字符,发送方则插入一个转义字符“ESC”字符,接收方会删除这个字符。如果转义字符也出现在数据当中,那么解决办法仍然是在转义字符的前面插入一个转义字符,当接收端收到两个连续的转义字符时,就删除其中前面的一个。


零比特填充法:使一帧中两个控制字段之间不会出现连续6个1;当发送端出现有5个连续1,则立即填入一个0;当接收端出现5个连续1时,删除其后的一个0。



采用特殊的信号与编码法:IEEE802.3(由于使用CSMA/CD协议,没有结束字符段;IEEE802.4(令牌总线,在起始定界符SD/结束定界符ED这两个字段被使用模拟编码,而不是0和1);IEEE802.5(令牌环,违例的曼切斯特码)


确定长度法,固定数据段长度法:各控制字段的长度固定,数据段长度也是固定的,那么在帧格式中就不必设结束符,也不必设数据长度字段。

8. 知道各个层使用的是哪个数据交换设备。(交换机、路由器、网关)

物理层用到的设备是集线器和中继器

数据链路层用到的设备是交换机和网桥

网络层用到的设备是路由器

应用层用到的设备是网关


Ø 中继器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大以扩大网络的传输距离。


Ø 集线器在此基础上将所有的节点集中在以它为中心的节点中,可组成星型拓扑结构。



Ø 交换机是一种基于MAC识别,能完成封装转发数据包功能的网络设备。它可以“学习”MAC地址,并把其存放在内部地址表中,当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时,它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口。交换机将局域网分为多个冲突域,每个冲突域都是有独立的宽带,因此大大提高了局域网的带宽。


Ø 网桥是数据链路层互联的设备,在网络互联中可起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用,可用来实现多个不同网络系统之间的数据交换。


Ø 路由器用于连接多个逻辑上分开的网络,具有判断网络地址和选择IP路径的功能,它能在多网络互联环境中,建立灵活的连接,可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网。


Ø 网关在网络层以上实现网络互连,用于两个高层协议不同的网络互连。与网桥只是简单地传达信息不同,网关对收到的信息要重新打包,以适应目的系统的需求。



9. 路由表的内容。

Network Destination:目标网段

Netmask:子网掩码,IP地址与子网掩码按位与,可以得出该IP地址的网络号,IP地址与子网掩码取反后按位与,可以得出该IP地址的主机号。

Interface:达到该目标网段的本地路由器的出口IP。

Gateway:网关IP,下一跳路由器的入口IP,通常情况下,interface和gateway是同一网段的。

Metric:跳数,该条路由记录的质量,一般情况下,如果有多条到达相同目的地的路由记录,路由器会采用metric值小的那条路由。



10. 分组转发算法。

1)从数据报的首部提取目的主机的IP地址D,得出目的网络地址N

2)若N就是于此路由器直接相连的某个网络地址,则进行直接交付,不需要在经过其他路由器,直接把数据报交付给目的主机(这里包括把目的地址D转换为具体的MAC地址,把数据报封装成MAC帧,在发送此帧);否则就是间接交付。

3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器。

4)若路由表中有达到网络N的路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器。

5)若路由表中有一个默认路由,则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器。否则执行6)。

6)报告转发分组出错。



11. IP报文的格式,格式的各个字段的含义要理解。

IP数据包由报头和数据两部分组成。报头的前一部分是固定长度,共20字节。在报头的固定部分的后面是可选部分——IP选项和填充域。

首部各字段的含义如下

1)版本

     占4位,指IP协议的版本。

2)报头长度

     占4位,该字段的单位是32位字(1个32位字长是4字节),因此当IP报头长度为1111时,报头长度就达到最大值60字节。当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍是,就需要对填充域加以填充。最常用的报头长度为20位(报头长度值为0101),这时不使用任何选项。

3)区分服务(服务类型)

     占8位,在一般情况下都不使用这个字段。

4)总长度

     指报头和数据之和的长度,单位是字节。总长度字段为16位,故IP数据报的最大长度为65535。

     每一种数据链路层都有其自己的帧格式,其中包括帧格式中的数据字段的最大长度,这称为最大传送单元MTU。当IP数据报封装成链路层的帧时,此数据报的总长度不能超过对应MTU的值。若数据报长度超过对于MTU的值,就将数据报进行分片处理,此时数据报首部中的“总长度“字段是指分片后的每一个分片的报头长度和数据长度之和。

5)标识

     占16位。IP软件在存储器中维持一个计数器,每产生一个数据报,计数器就加1,并赋给标识字段。当数据报进行分片处理后,每个分片的标识值都与原数据报的标识值相同,则在接收端具有相同标识值的分片就能最终正确的重装成为原来的数据报。

6)标志

     占3位,但目前只有两位有意义。

     最低位记为MF。MF=1即表示后面“还有分片”的数据包。MF=0表示这已是若干数据包片中的最后一个。

     中间位记为DF,意思是“不能分片”。只有当DF=0时才允许分片。

7)片偏移

     占13位。表示每个数据报的分片在原数据报中的相对位置。片偏移以8个字节为偏移单位,即每个分片的长度一定是8字节的整数倍。

8)生存时间

     占8位。表示数据报在网络中的寿命。最初以秒为TTL值为单位,现在以跳数为单位,则目前的最大数据为255.

9)协议

     占8位,指出此数据报携带的数据是使用何种协议,以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给那个处理过程。

     TCP对应协议字段值6;UDP对应协议字段值17

10)首部校验和

     占16位,该字段只校验数据报的报头,但不包括数据部分。

11)源地址

     占32位

12)目的地址

     占32位




12.MTU的概念,啥叫路径MTU?MTU发现机制,TraceRoute(了解)。

1)MTU的概念

   MTU即Maximum Transmission Unit最大传输单元。它是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小(以字节为单位)。


2)路径MTU

   路径MTU是指一条因特网传输路径中,从源地址到目的地址所经过的“路径”上的所有IP跳的最大传输单元的最小值。或者从另外一个角度来看,就是无需进行分片处理就能穿过这条“路径”的最大传输单元的最大值。


3)路径MTU的发现方法

   这是确定两个IP主机之间路径最大传输单元的技术,其目的就是为了避免IP分片。首先源地址将数据报的DF位置位为1(表示不允许分片),在逐渐增大发送的数据报的大小——路径上任何需要将分组进行分片的设备都会将这种数据报丢弃并返回“数据报过大“的ICMP响应到源地址——这样源主机就”学习“到了无需分片就能通过这条路径的最大的最大传输单元。


4)TraceRoute

Traceroute是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具。它的原理如下:它收到目的主机的IP后,首先给目的主机发送一个TTL(生存周期,该字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量)=1的UDP数据包(每次送出的为3个40字节的包,包括源地址,目的地址和包发出的时间标签),而经过的第一个路由器收到这个数据包以后,就自动把TTL减1,而TTL变为0以后,路由器就把这个包给抛弃了,并同时产生 一个主机不可达的ICMP数据报给主机。主机收到这个数据报以后再发一个TTL=2的UDP数据报给目的主机,然后刺激第二个路由器给主机发ICMP数据报。如此往复直到到达目的主机。这样,traceroute就拿到了所有的路由器ip。

Traceroute提取发送 ICMP TTL到期消息设备的IP地址并作域名解析。每次 ,Traceroute都打印出一系列数据,包括所经过的路由设备的域名及 IP地址,三个包每次来回所花时间。

13.RIP协议的概念及算法。

1)RIP协议的概念

   路由信息协议RIP(RoutingInformation Protocol)是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议,属于内部网关协议。RIP协议中的“距离”也称为“跳数”,因为每经过一个路由器,跳数就加1。协议规定同一自治系统(A.S.)中的路由器每 30秒会与相邻的路由器交换子讯息,以动态的建立路由表。当传输数据时,RIP将选择一条具有最少路由器的路由。

2)算法

   对每一个相邻路由器发送过来的RIP报文,进行以下步骤:

A.对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文,先修改此报文中的所有项目:把“下一跳”字段中的地址都改为X,并把所有的"距离"字段的值加1.每个项目都有三个关键数据,即:目的网络N,距离是d,下一跳路由器是X。

B.对修改后的RIP报文中的每一个项目,进行如下步骤:

* 若原来的路由表中没有目的网络N,则把该项目添加到路由表中,

* 若下一跳路由器地址是X,则把收到的项目替换原路由表中的项目

* 若收到的项目中距离d小于路由表中的距离,则进行更新

C.若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表,则把此相邻路由器记为不可到达的路由器,即把距离设置为16。

D.返回


14.ICMP协议的主要功能。

ICMP的全称是 Internet Control Message Protocol。从技术角度来说,ICMP就是一个“错误侦测与回报机制”,其目的就是让我们能够检测网路的连线状况﹐也能确保连线的准确性﹐其功能主要有:

侦测远端主机是否存在

建立及维护路由资料

重导数据传送路径

数据流量控制

ICMP在沟通之中,主要是通过不同类型的报文让主机或路由器识别不同的链路传输情况。常用的ICMP报文类型如下


Ø  日常生活中,邮寄包裹会经过多个传递环节,任意一环如果无法传下去,都会返回寄件人,并附上无法邮寄的原因。同理,当路由器收到一个无法传递下去的IP报文时,会发送ICMP目的不可达报文(Type为3)给IP报文的源发送方。报文中的Code就表示发送失败的原因。

Ø  网络传输IP数据报的过程中,如果IP数据包的TTL值逐渐递减为0时,需要丢弃数据报。这时,路由器需要向源发送方发送ICMP超时报文(Type为11),Code为0,表示传输过程中超时了。

一个IP数据报可能会因为过大而被分片,然后在目的主机侧把所有的分片重组。如果主机迟迟没有等到所有的分片报文,就会向源发送方发送一个ICMP超时报文,Code为1,表示分片重组超时了。

Ø  当路由器或主机处理数据报时,发现因为报文头的参数错误而不得不丢弃报文时,需要向源发送方发送参数错误报文(Type为12)。当Code为0时,报文中的Pointer表示错误的字节位置。

Ø  路由器在处理报文时会有一个缓存队列。如果超过最大缓存队列,将无法处理,从而丢弃报文。并向源发送方发一个ICMP源冷却报文(Type为4),告诉对方:“嘿,我这里客满了,你迟点再来。”

Ø  想像一下,在公司中,有人来你的项目组问你某某某在哪儿。你一想,我们组没有这人啊。你肯定就会说,我们组没有这号人,你去其他组看看。当路由收到IP数据报,发现数据报的目的地址在路由表上没有,它就会发ICMP重定向报文(Type为5)给源发送方,提醒它想要发送的地址不在,去其他地方找找吧。(格式如上图)

ØType(8)请求回显报文(Echo)Type(0)回显应答报文(Echo Reply)。请求回显或回显应答报文属于查询报文。Ping就是用这种报文进行查询和回应。(格式见上图)

Ø时间戳报文是用来记录收发以及传输时间的报文。OriginateTimestamp记录的是发送方发送报文的时刻;Receive Timestamp记录的是接收方收到报文的时刻;Transmit Timestamp表示回显这最后发送报文的时刻。

Ø信息请求或信息响应这种报文是用来找出一个主机所在的网络个数(一个主机可能会在多个网络中)。报文的IP消息头的目的地址会填为全0,表示this,源地址会填为源IP所在的网络IP。


ICMP报文就像是IP报文的小弟,总顶着IP报文的名头出来混。因为ICMP报文是在IP报文内部的,如图:








15.组播和广播的概念,IGMP的用途。(环回地址、广播地址)

Ø组播和广播的概念

组播

主机之间的通讯模式,也就是加入了同一个组的主机可以接收到此组内的所有数据,网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组,网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据,即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要(加入组)的主机,又能保证不影响其他不需要(未加入组)的主机的其他通讯

广播

是指在IP子网内广播数据包,所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网每一个主机都投递一份数据包,不论这些主机是否乐于接收该数据包。所以广播的使用范围非常小,只在本地子网内有效,通过路由器和网络设备控制广播传输。


组播协议与现在广泛使用的单播协议的不同之处在于,一个主机用单播协议向n个主机发送相同的数据时,发送主机需要分别向n个主机发送,共发送n次。一个主机用组播协议向n个主机发送相同的数据时,只要发送1次,其数据由网络中的路由器和交换机逐级进行复制并发送给各个接收方,这样既节省服务器资源也节省网络主干的带宽资源。

Ø IGMP(Internet Group Management Protocol)的用途

它用来在ip主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系。组播路由器不需要保存所有主机的成员关系,它只是通过igmp协议了解每个接口连接的网段上是否存在某个组播组的组成员。而主机只需要保存自己加入了哪些组播组。

简而言之,IGMP协议是让连接在本地局域网上的组播路由器知道本局域网上是否有主机上的某个进程参加或退出了某个组播组

Ø环回地址/广播地址

环回地址:127.0.0.1,通常被称为本地回环地址(Loop back address),不属于任何一个有类别地址类。它代表设备的本地虚拟接口,所以默认被看作是永远不会宕掉的接口。

主要作用有两个:一是测试本机的网络配置,能PING通127.0.0.1说明本机的网卡和IP协议安装都没有问题;另一个作用是某些SERVER/CLIENT的应用程序在运行时需调用服务器上的资源,一般要指定SERVER的IP地址,但当该程序要在同一台机器上运行而没有别的SERVER时就可以把SERVER的资源装在本机,SERVER的IP地址设为127.0.0.1同样也可以运行(我们经常使用它且赋给它一个名字:localhost)。

广播地址:是专门用于同时向网络中所有工作站进行发送的一个地址。在使用TCP/IP协议的网络中,主机标识段host ID 为全1 的IP 地址为广播地址,广播的分组传送给host ID段所涉及的所有计算机。

例如,对于10.1.1.0 (255.255.255.0)网段,其广播地址为10.1.1.255 (255 即为2 进制的11111111 ),当发出一个目的地址为10.1.1.255的分组(封包)时,它将被分发给该网段上的所有计算机。





16.Ping协议的实现原理,ping命令格式。

Ping(Packet InterNet Groper)分组网间探测是ICMP的一个重要应用,用来测试两个主机之间的连通性。Ping使用了ICMP回送请求与回送回答报文。Ping是应用层直接使用网络层ICMP的一个例子。它没有通过运输层的TCP或UDP。

实现原理为向目的主机发送4个32字节长的ICMP回送请求报文,若目的主机正常工作并且响应了该ICMP回送请求报文,就将发回ICMP回送回答报文。最后可得出的统计结果为目的IP地址,发送的,收到的和丢失的分组数,及往返时间的最小值、最大值和平均值。

Ping命令格式为ping hostname 此hostname即为要测试连通性的主机名或它的IP地址。


Ping工作过程——

假定主机A的IP地址是192.168.1.1,主机B的IP地址是192.168.1.2,都在同一子网内,则当你在主机A上运行“Ping192.168.1.2”后,都发生了些什么呢?

首先,Ping命令会构建一个固定格式的ICMP请求数据包,然后由ICMP协议将这个数据包连同地址“192.168.1.2”一起交给IP层协议(和ICMP一样,实际上是一组后台运行的进程),IP层协议将以地址“192.168.1.2”作为目的地址,本机IP地址作为源地址,加上一些其他的控制信息,构建一个IP数据包,并在一个映射表中查找出IP地址192.168.1.2所对应的物理地址(也叫MAC地址,熟悉网卡配置的朋友不会陌生,这是数据链路层协议构建数据链路层的传输单元——帧所必需的),一并交给数据链路层。后者构建一个数据帧,目的地址是IP层传过来的物理地址,源地址则是本机的物理地址,还要附加上一些控制信息,依据以太网的介质访问规则,将它们传送出去。

其中映射表由ARP实现。ARP(Address Resolution Protocol)是地址解析协议,是一种将IP地址转化成物理地址的协议。ARP具体说来就是将网络层(IP层,也就是相当于OSI的第三层)地址解析为数据连接层(MAC层,也就是相当于OSI的第二层)的MAC地址。

主机B收到这个数据帧后,先检查它的目的地址,并和本机的物理地址对比,如符合,则接收;否则丢弃。接收后检查该数据帧,将IP数据包从帧中提取出来,交给本机的IP层协议。同样,IP层检查后,将有用的信息提取后交给ICMP协议,后者处理后,马上构建一个ICMP应答包,发送给主机A,其过程和主机A发送ICMP请求包到主机B一模一样。

即先由IP地址,在网络层传输,然后再根据mac地址由数据链路层传送到目的主机



17. 子网划分的概念,子网掩码。

子网划分的概念

一个拥有许多物理网络的单位,可将所属的物理网络划分为若干个子网。划分子网纯属一个单位内部的事情。本单位以外的网络看不见这个网络是由多少子网组成,因为这个单位对外仍然表现一个网络。

划分子网的方法是从网络的主机号借用若干位作为子网号subnet-id。于是两级IP地址在本单位内部就变为三级IP地址:网络号,子网号和主机号。

凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报,仍然是根据IP数据报的目的网络号找到连接在本单位网络上的路由器。但此路由器在收到IP数据报后,在按目的网络号和子网号找到目的子网,把IP数据报交付给目的主机



子网掩码

子网掩码也是32位,由一串1和跟随的一串0组成。子网掩码中的1对应于IP地址中原来的网络号和子网号,而子网掩码中的0对应于现在的主机号。

故将子网掩码和IP地址进行按位”与“运算(AND),就可得出网络地址。

划分子网增加了 灵活性,但也减少了能够连接在网络上主机总数。




18. IP地址的分类,如何划分的,及会计算各类地址支持的主机数。

(1)IP地址的分类,划分

以下为A类地址,B类地址,C类地址,D类地址,E类地址



(2)IP地址的指派范围

A类地址网络数这里减2的原因是:网络号字段全0的IP地址是保留地址,意思是“本网络”;网络号127(01111111)保留为本地软件环回测试本主机的进程之间的通信之用。若主机发送一个目的地址是换回地址的数据报,则主机中的协议软件就处理数据报中的数据,而不会吧数据发送到任何网络。

A类主机号减2的原因是:全0的主机号表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址;全1表示“在该网络上所有的主机”。


B类网络前面两位10已经固定,不会出现全0或全1,这里不存在网络总数减2的问题。但是B类网络的128.0.0.0是不指派的,最小的网络地址是128.1.0.0,所以网络数减1。主机数减2扣除全0全1的情况。


C类网络数减1是因为192.0.0.0是不指派的,最小的网络地址是192.0.1.0。主机数减去全0全1的情况。

19.DNS的概念,用途,DNS查询的实现算法。

DNS的概念,用途

DNS是由解析器以及域名服务器组成的。域名服务器是指保存有该网络中所有主机的域名和对应IP地址,并具有将域名转换为IP地址功能的服务器。DNS使用TCP与UDP端口号都是53,主要使用UDP,服务器之间备份使用TCP。


域名到IP地址的解析过程的要点如下:当某一个应用进程需要主机名解析为IP地址时,该应用进程就调用解析程序,并成为DNS的一个客户,把待解析的域名放在DNS请求报文中,以UDP用户数据报方式发给本地域名服务器。本地域名服务器在查找域名后,把对应的IP地址放在回答报文中返回。应用进程获得目的主机的IP地址后即可进行通信。

若本地域名服务器不能回答该请求,则此域名服务器就暂时成为DNS中的另一个客户,并向其他域名服务器发出查询请求。这种过程直至找到能够回答该请求的域名服务器为止。


DNS查询算法

主机向本地域名服务器的查询一般都是采用递归查询,即如果主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名的IP地址,那么本地域名服务器就以DNS客户的身份,向其他根域名服务器继续发出查询请求报文,而不是让该主机自己进行下一步的查询。因此,递归查询返回的查询结果或是所要查询的IP地址,或是报错。

本地域名服务器向根服务器的查询通常采用迭代查询,即当根域名服务器收到本地域名服务器发出的迭代查询请求报文时,要么给出所要查询的IP地址,要么告诉本地域名服务器“下一次应向那个域名服务器进行查询”。然后让本地域名服务器进行后续的查询。根域名服务器通常把自己知道的顶级域名服务器的IP地址告诉本地域名服务器,让本地域名服务器再向顶级域名服务器查询。顶级域名服务器在收到本地域名服务器的查询请求后,要么给出所要查询的IP地址,要么告诉本地域名服务器下一步应当向哪一个权限域名服务器进行查询。本地域名服务器就这样进行迭代查询。






20. TCP与UDP的概念,相互的区别及优劣。

TCP(Transmission Control Protocol)的概念

TCP是一种面向连接的,提供可靠交付服务和全双工通信的,基于字节流的端到端的传输层通信协议。

TCP在传输数据之前必须先建立连接,数据传输结束后要释放连接。

每一条TCP连接只能有2个端点,故TCP不提供广播或多播服务。

TCP提供可靠交付,通过TCP连接传输的数据,无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。

TCP是面向字节流的。虽然应用进程和TCP的交互是一次一个数据块(大小不等),但TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。TCP并不知道所传输的字节流的含义。

UDP(UserDatagram Protocol)的概念

UDP是一种无连接的,尽最大努力交付的,基于报文的端到端的传输层通信协议。

UDP,在发送数据之前不需要建立连接

UDP不保证可靠交付,主机不需要位置复杂的连接状态

UDP是面向报文的。UDP对应用层交下来的报文,既不合并,也不拆分,而是保留这些报文的的边界,即应用层交给UDP多长的报文,UDP就照样发送,即一次发送一个报文。在接收端,UDP一次交付一个完整的报文。

UDP没有拥塞控制,网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。

UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP的首部开销小,只有8个字节,比TCP的20个字节的首部要短。

区别

TCP协议面向连接,UDP协议面向非连接

TCP协议传输速度慢,UDP协议传输速度快

TCP协议保证数据顺序,UDP协议不保证

TCP协议保证数据正确性,UDP协议可能丢包

TCP协议对系统资源要求多,UDP协议要求少

使用情况

TCP协议适用于对效率要求相对低,但对准确性要求相对高的场景下,或者是有一种连接概念的场景下;而UDP协议适用于对效率要求相对高,对准确性要求相对低的场景。



很多文章都说TCP协议可靠,UDP协议不可靠!为什么前者可靠,后者不可靠呢?既然UDP协议不可靠,为什么还要使用它呢?所谓的TCP协议是面向连接的协议,面向连接是什么呢?TCP和UDP都是传输层的协议!从编程的角度看,就是两个模块(模块就是代码的集合,一系列代码的组合提供相应的功能!模块化最终目的就是:分工协作!模块化好处:便于扩展开发以及维护!)。

TCP协议和UDP协议为什么会共存?

1)大家要知道,一种物理线路,单位时间内,能够创建的“虚拟信道”是有限的!

2)使用TCP协议传输数据,当数据从A端传到B端后,B端会发送一个确认包(ACK包)给A端,告知A端数据我已收到!UDP协议就没有这种确认机制!这就是为什么说TCP协议可靠,UDP协议不可靠. 

QQ普通会员就是使用的UDP协议进行传输数据!既然UDP协议自身没有确认机制,这个工作可以交给应用层的进程来完成(QQ)!大家使用QQ的时候,感觉出错的几率还是非常小吧!当然,把这个确认工作完全交给QQ自身来做,就直接导致了,QQ软件体积增大!

有些应用,对数据传输可靠性要求非常高,例如大家浏览网页,通过网页注册帐号、转帐等服务,这是不容许出错的,使用TCP协议能把出错的可能性降到最低(当然,网络自身很糟糕,TCP协议也没办法)。但是,提供这种可靠服务,会加大网络带宽的开销,因为“虚拟信道”是持续存在的,同时网络中还会出现大量的ACK和FIN包!

因此,鱼和熊掌不可兼得,需根据实际情况选择传输协议.TCP协议提供了可靠的数据传输,但是其拥塞控制、数据校验、重传机制的网络开销很大,不适合实时通信,所以选择开销很小的UDP协议来传输数据。


21.UDP报文的格式,字段的意义。

(1)UDP有两个字段:数据字段和首部字段。

首部字段

首部字段很简单,只有8个字节,由4个字段组成,每个字段的长度都是两个字节。

1)源端口:源端口号。在需要对方回信时选用。不需要时可用全0。

2)目的端口:目的端口号。这在终点交付报文时必须要使用到。

3)长度: UDP用户数据报的长度,其最小值是8(仅有首部)。

4)校验和:检测UDP用户数据报在传输中是否有错。有错就丢弃。


(2)要注意的地方

UDP首部中校验和的计算方法有些特殊。在计算校验和时,要在UDP用户数据报之前增加12个字节的伪首部。伪首部既不向下传送也不向上递交,而仅仅是为了计算校验和。与IP数据报的校验和只校验IP数据报的首部不同,UDP的校验和是把首部和数据部分一起都校验。

伪首部:





22. TCP 报文的格式,字段的意义。

TCP报文段分为首部和数据两部分。

TCP报文段首部的前20个字节是固定的,后面有4N字节是根据需要而增加的选项(N是整数)。因此TCP首部的最小长度是20字节。

首部固定部分各字段的意义如下:

源端口和目的端口:各占2个字节,分别写入源端口号和目的端口号。

序号:占4个字节。序号使用mod运算。TCP是面向字节流的,在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。故该字段也叫做“报文段序号”。

确认序号:占4个字节,是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认序号=N,则表明:到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。

数据偏移:占4位,表示TCP报文段的首部长度。注意,“数据偏移”的单位是32位字(即以4字节长的字为计算单位)。故TCP首部的最大长度为60字节。

保留:占6位,保留为今后使用,目前置为0;

紧急URG:当URG=1,表明紧急指针字段有效。这时发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面,而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。

确认ACK:当ACK=1时,确认字段才有效。当ACK=0时,确认号无效。TCP规定,在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1。

推送PSH:接收方TCP收到PSH=1的报文段,就尽快地交付给接收应用进程,而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。

复位RST:当RST=1时,表明TCP连接中出现严重差错,必须释放连接,然后再重新建立运输连接。

同步SYN:在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时,表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接,则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1。故SYN置为1,就表示这是一个连接请求和连接接收报文。

终止FIN:用来释放连接。当FIN=1时,表明此报文段的发送方的数据已发送完毕,并要求释放运输连接。

窗口:占2个字节。窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。

检验和:占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP数据报一样,在计算检验和时,也要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。伪首部的格式与UDP用户数据报的伪首部一样,但要将伪首部第四个字段中的17 改为6(协议号),把第5字段中的UDP长度改为TCP长度。

紧急指针:占2字节。紧急指针仅在URG=1时才有意义,它指出本报文段中的紧急数据的字节数。

23.TCP通过哪些措施,保证传输可靠?

TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

     面向连接:意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。在一个TCP连接中,仅有两方进行彼此通信。广播和多播不能用于TCP。

 TCP通过下列方式来提供可靠性:

1、应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同,应用程序产生的数据报长度将保持不变。(将数据截断为合理的长度)

2、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。

(超时重发)

3、当TCP收到发自TCP连接另一端的数据,它将发送一个确认。这个确认不是立即发送,通常将推迟几分之一秒。(对于收到的请求,给出确认响应) (之所以推迟,可能是要对包做完整校验)

4、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。 (校验出包有错,丢弃报文段,不给出响应,TCP发送数据端,超时时会重发数据)

5、既然TCP报文段作为IP数据报来传输,而IP数据报的到达可能会失序,因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要,TCP将对收到的数据进行重新排序,将收到的数据以正确的顺序交给应用层。 (对失序数据进行重新排序,然后才交给应用层)

6、既然IP数据报会发生重复,TCP的接收端必须丢弃重复的数据。(对于重复数据,能够丢弃重复数据)

7、TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。(TCP可以进行流量控制,防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出)TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

字节流服务::

两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。TCP不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务(bytestreamservice)。

TCP对字节流的内容不作任何解释:: TCP对字节流的内容不作任何解释。TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据,还是ASCII字符、EBCDIC字符或者其他类型数据。对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。

24. 三次握手,四次断开过程。

在TCP连接建立过程中要解决以下3个问题:

(1)要使每一方能够确知对方的存在

(2)要允许双方协商一些参数(如最大窗口值,是否使用窗口扩大选项和时间戳选项以及服务质量)

(3)能够对运输实体资源(如缓存大小、连接表中的项目等)进行分配

TCP连接的建立采用客户服务器方式。主动发起连接建立的应用进程是客户,而被动等待连接建立的应用进程是服务器。


三次握手

1)  第一次握手:客户端创建传输控制块TCB,向服务器端发送连接请求报文段。该报文段的同步位SYN=1,同时选择一个初始序号Seq=x。TCP规定,SYN报文段(即SYN=1的报文段)不能携带数据,但是要消耗掉一个序列号。此时TCP客户端进入SYN-SENT(同步已发送)状态。


2)  第二次握手:服务器端收到连接请求报文段后,如同意连接,则向客户端发送确认报文段。该报文段的SYN和ACK都置1,确认号为ack=x+1,同时选择一个初始序号Seq=y。注意,这个报文段也不能携带数据,但同样要消耗掉一个序号。此时TCP服务器端进入SYN-RCVD(同步收到)状态。



3)第三次握手:TCP客户端收到服务器端的的确认后,还要向服务器端给出确认报文段。该报文段的ACK置1,确认号ack=y+1,而序号为Seq=x+1。TCP规定,ACK报文段可以携带数据,但如果不携带数据则不消耗序号。此时TCP连接已经建立,A进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。当服务器端收到客户端的确认后,也进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。

第三次握手的作用:防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务器。


四次断开

1)  一次断开:客户端向服务器端发送连接释放报文段,并停止再发送数据,主动关闭TCP连接。该报文段的首部的FIN置1,序号为seq=u(前面已传输过的数据的最后一个字节的序号加1)。FIN报文段即使不携带数据,也要消耗一个序号。此时客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态,等待服务器端的确认。


2)  二次断开:服务器端收到连接释放报文段后,就发出确认报文段,确认号是ack=u+1,序号是v(前面已传输过的数据的最后一个字节的序号加1)。然后服务器就进入CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。此时从客户端到服务器这个方向的连接就释放了,此时TCP连接处于半关闭状态,因为服务器若发送数据,客户端仍要接收。



3)  三次断开:客户端收到来自服务器端的确认后,就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待服务器发出的连接释放报文段。若服务器已经没有要发送的数据,其应用进程就通知TCP释放连接,并且发送连接释放报文段,该报文段的首部的FIN置1。假设B的序号为w(在半关闭状态B可能又发送了一些数据),B还必须重复上次已经发送过的确认号ack=u+1。此时服务器就进入了LAST-ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认,收到客户端的确认后,服务器就进入CLOSED状态。


4)四次断开:客户端收到服务器的连接释放报文段后,就发出确认报文段。然后进入TIME-WAIT(时间等待)状态。此时TCP连接还未完全释放,必须经过时间等到计时器设置的时间2MSL后,客户端才进入CLOSED状态。如果A发送的最后一个ACK报文段丢失,处于LAST_ACK状态下的B收不到对方发送的FIN+ACK报文段的确认,会超时重传这个FIN+ACK报文段,而A就可以在2MSL时间内收到这个重传的报文段,接着A再重传一次确认,重新启动2MSL计时器。此外,A在发送完最后一个ACK报文段后,再经过2MSL,就可以使本地连接持续时间内所产生的所有报文段都从网络中消失,这样在下一个新的连接中就不会出现这种旧的连接请求的报文段。

25. TIME_WAIT状态的概念及意义。

1)为了保证客户端发送的最后一个ACK报文段能够达到服务器。这个ACK报文段可能丢失,因而使处在LAST_ACK状态的服务器收不到确认。服务器会超时重传FIN+ACK报文段,客户端就能在2MSL时间内收到这个重传的FIN+ACK报文段,接着客户端重传一次确认,重启计时器。最好,客户端和服务器都正常进入到CLOSED状态。如果客户端在TIME-WAIT状态不等待一段时间,而是再发送完ACK报文后立即释放连接,那么就无法收到服务器重传的FIN+ACK报文段,因而也不会再发送一次确认报文。这样,服务器就无法按照正常步骤进入CLOSED状态。

2)防止已失效的连接请求报文段出现在本连接中。客户端在发送完最后一个ACK确认报文段后,再经过时间2MSL,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。




26.滑动窗口协议与停止等待协议的区别。

滑动窗口协议中,允许发送方发送多个分组(当有多个分组可用时)而不需等待确认,但它受限于在流水线中为未确认的分组数不能超过某个最大允许数N。滑动窗口协议是TCP使用的一种流量控制方法,此协议能够加速数据的传输。只有在接收窗口向前滑动时(与此同时也发送了确认),发送窗口才有可能向前滑动。

收发两端的窗口按照以上规律不断地向前滑动,因此这种协议称为滑动窗口协议。

当发送窗口和接收窗口的大小都等于1时,就是停止等待协议。


所谓滑动窗口协议,自己理解有两点:1.“窗口”对应的是一段可以被发送者发送的字节序列,其连续的范围称之为“窗口”;2. “滑动”则是指这段“允许发送的范围”是可以随着发送的过程而变化的,方式就是按顺序“滑动”。在引入一个例子来说这个协议之前,我觉得很有必要先了解以下前提:

-1. TCP协议的两端分别为发送者A和接收者B,由于是全双工协议,因此A和B应该分别维护着一个独立的发送缓冲区和接收缓冲区,由于对等性(A发B收和B发A收),我们以A发送B接收的情况作为例子;

-2. 发送窗口是发送缓存中的一部分,是可以被TCP协议发送的那部分,其实应用层需要发送的所有数据都被放进了发送者的发送缓冲区;

-3. 发送窗口中相关的有四个概念:已发送并收到确认的数据(不再发送窗口和发送缓冲区之内)、已发送但未收到确认的数据(位于发送窗口之中)、允许发送但尚未发送的数据以及发送窗口外发送缓冲区内暂时不允许发送的数据;

-4. 每次成功发送数据之后,发送窗口就会在发送缓冲区中按顺序移动,将新的数据包含到窗口中准备发送;

 TCP建立连接的初始,B会告诉A自己的接收窗口大小,比如为‘20’:

 字节31-50为发送窗口

 A

发送11个字节后,发送窗口位置不变,B接收到了乱序的数据分组:

只有当A成功发送了数据,即发送的数据得到了B的确认之后,才会移动滑动窗口离开已发送的数据;同时B则确认连续的数据分组,对于乱序的分组则先接收下来,避免网络重复传递:

27. TCP的流量控制和拥塞控制实现原理(会画拥塞控制的典型图)。

流量控制方面主要有两个要点需要掌握。一是TCP利用滑动窗口实现流量控制的机制;二是如何考虑流量控制中的传输效率。

(1).流量控制

所谓流量控制,主要是接收方传递信息给发送方,使其不要发送数据太快,是一种端到端的控制。主要的方式就是返回的ACK中会包含自己的接收窗口的大小,并且利用大小来控制发送方的数据发送:

这里面涉及到一种情况,如果B已经告诉A自己的缓冲区已满,于是A停止发送数据;等待一段时间后,B的缓冲区出现了富余,于是给A发送报文告诉A我的rwnd大小为400,但是这个报文不幸丢失了,于是就出现A等待B的通知||B等待A发送数据的死锁状态。为了处理这种问题,TCP引入了持续计时器(Persistencetimer),当A收到对方的零窗口通知时,就启用该计时器,时间到则发送一个1字节的探测报文,对方会在此时回应自身的接收窗口大小,如果结果仍未0,则重设持续计时器,继续等待。

(2)传递效率

一个显而易见的问题是:单个发送字节单个确认,和窗口有一个空余即通知发送方发送一个字节,无疑增加了网络中的许多不必要的报文(请想想为了一个字节数据而添加的40字节头部吧!),所以我们的原则是尽可能一次多发送几个字节,或者窗口空余较多的时候通知发送方一次发送多个字节。对于前者我们广泛使用Nagle算法,即:

*1. 若发送应用进程要把发送的数据逐个字节地送到TCP的发送缓存,则发送方就把第一个数据字节先发送出去,把后面的字节先缓存起来;

*2. 当发送方收到第一个字节的确认后(也得到了网络情况和对方的接收窗口大小),再把缓冲区的剩余字节组成合适大小的报文发送出去;

*3. 当到达的数据已达到发送窗口大小的一半或以达到报文段的最大长度时,就立即发送一个报文段;

对于后者我们往往的做法是让接收方等待一段时间,或者接收方获得足够的空间容纳一个报文段或者等到接受缓存有一半空闲的时候,再通知发送方发送数据。

(3)拥塞控制

网络中的链路容量和交换结点中的缓存和处理机都有着工作的极限,当网络的需求超过它们的工作极限时,就出现了拥塞。拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中,这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。常用的方法就是:

1. 慢开始、拥塞控制

2. 快重传、快恢复

一切的基础还是慢开始,这种方法的思路是这样的:

-1. 发送方维持一个叫做“拥塞窗口”的变量,该变量和接收端口共同决定了发送者的发送窗口,发送方的发送窗口的上限值应当为接收方窗口rwnd和拥塞窗口cwnd这两个变量中的较小的一个;

-2. 当主机开始发送数据时,避免一下子将大量字节注入到网络,造成或者增加拥塞,选择发送一个1字节的试探报文;

-3. 当收到第一个字节的数据的确认后,就发送2个字节的报文;

-4. 若再次收到2个字节的确认,则发送4个字节,依次递增2的指数级;

-5. 最后会达到一个提前预设的“慢开始门限”,比如24,即一次发送了24个分组,此时遵循下面的条件判定:

*1. cwnd < ssthresh, 继续使用慢开始算法;

*2. cwnd > ssthresh,停止使用慢开始算法,改用拥塞避免算法;

*3. cwnd = ssthresh,既可以使用慢开始算法,也可以使用拥塞避免算法;

-6. 所谓拥塞避免算法就是:每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口+1,即让拥塞窗口缓慢地增大,按照线性规律增长;

-7. 当出现网络拥塞,比如丢包时,将慢开始门限设为原先的一半,然后将cwnd设为1,执行慢开始算法(较低的起点,指数级增长);

上述方法的目的是在拥塞发生时循序减少主机发送到网络中的分组数,使得发生拥塞的路由器有足够的时间把队列中积压的分组处理完毕。慢开始和拥塞控制算法常常作为一个整体使用,而快重传和快恢复则是为了减少因为拥塞导致的数据包丢失带来的重传时间,从而避免传递无用的数据到网络


28.TCP的快速重传与快速恢复算法。

快重传的机制是:

-1. 接收方建立这样的机制,如果一个包丢失,则对后续的包继续发送针对该包的重传请求;

-2. 一旦发送方接收到三个一样的确认,就知道该包之后出现了错误,立刻重传该包;

-3. 此时发送方开始执行“快恢复”算法:

*1. 慢开始门限减半(为了预防网络发生拥塞);

*2. cwnd设为慢开始门限减半后的数值;

*3. 执行拥塞避免算法(高起点,线性增长);

新的TCP Reno版本是在快重传后采用快恢复算法而不是采用慢开始算法。

在采用快恢复算法时,慢开始算法只是在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用。






29.TFTP与FTP的区别。

FTP(File Transfer Protocol,文件传输协议)协议在TCP/IP协议族中属于应用层协议,用于在远端服务器和本地客户端之间传输文件,使用TCP端口20和21进行传输。端口20用于传输数据,端口21用于传输控制消息。

TFTP

(Trivial File TransferProtocol,简单文件传输协议)也是用于在远端服务器和本地主机之间传输文件的,相对于FTP,TFTP没有复杂的交互存取接口和认证控制,适用于客户端和服务器之间不需要复杂交互的环境。TFTP协议的运行基于UDP协议,使用UDP端口69进行数据传输。

基于的传输协议不一样:FTP是基于TCP TFTP是基于UDP端口号不一样:FTP是用21.20 TFTP是69速度和安全方面:FTP在速度方面没有TFTP快但是FTP安全好

30.阻塞方式和非阻塞方式,阻塞connect与非阻塞connect。(比较难,有兴趣可以了解)

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