计算机网络学习笔记
通信协议概述
网络分层的意义：分层是解决复杂问题的有效办法。利用分层的思想，可以对复杂问题进行合理的抽象，然后更好的解决问题。
IP地址和MAC地址
- 查看ip地址的命令：ifconfig 或者 ip addr。
- ip地址具有定位功能，mac地址无定位功能，像身份证一样，唯一标识一张网卡。
- ip地址分共有ip和私有ip。
- 使用ARP协议请求查询MAC地址.
DHCP协议：一个机器加入网络之后，可以通过DHCP协议请求DHCP Server分配一个IP地址。DHCP 服务器出了可以给机器分配IP地址之外还可以配置PXE服务器的地址，如果请求分配IP的机器上没有安装操作系统，可以通过PXE服务器地址去下载操作系统，然后自行安装。
网络协议五层模型：
综合OSI标准七层模型和TCP/IP四层网络模型的五层网络模型
数据链路层和网络层
数据链路层有很多具体的协议，比如ARP、IEEE802.3等等。数据链路层，也可称为介质访问控制层（Media Access Control Layer，简称MAC层）。
MAC层要解决三个问题：
- 数据发往哪台机器：使用MAC地址。
- 物理通信链路资源有限，如何合理发送数据：信道划分、轮流发送、随机接入。
- 数据错误怎么解决：CRC循环冗余校验算法。
多个局域网主机共用一个公网的问题
一个局域网中可以有很多台主机，当这些主机要访问一台公网服务器的时候，请求数据包中的源IP地址会被NAT网关转化为公网IP，因为局域网的IP地址是无法与公网服务器直接通信的。这种情况有一个问题：多台局域网的主机使用同一个公网IP，那响应数据包回到NAT网关的时候，应该转发给哪个局域网主机呢？
为了解决这个问题，NAPT技术被提出。不同于NAT技术，NAPT在进行地址转换（地址映射）的时候，带了端口信息。比如，局域网主机访问一台公网主机时ip+port=192.168.0.3:6021，当这个数据包到达NAPT网关的时候，把地址+端口的组合改变成43.100.87.1:8989,这样192.168.0.3:6021 -> 43.100.87.1:8989的映射关系就建立起来了，当响应数据包到达NAPT网关的时候，再把43.100.87.1:8989映射为192.168.0.3:6021，就知道这个数据包是发给局域网中哪台主机的。局域网中别的主机访问公网服务器的时候，NAPT网关再将其ip+port映射为另一个ip+port，比如43.100.87.1:8990，这样就达到了复用公网IP的目的。
传输层协议
UDP：无连接的协议。发送之前不建立连接。适合对数据传输实时性要求高的场景，比如流媒体、实时游戏、物联网传输协议。协议格式如下图
TCP：面向连接的协议。所谓面向连接，是指通信双方在内核中使用复杂的数据结构和算法来维护一组状态，通过网络包的交互来改变状态。
TCP的特性：
- 能解决数据包的顺序问题：对收到的包进行排序。
- 能解决丢包问题：包丢了就要求重传
- 能做到流量控制：控制发送的速率以防止接收端处理不过来
- 能做到拥塞控制：控制发送的速度以减小网络传输的压力
TCP三次握手：
为什么是三次而不是两次或者四次？
如果只是两次，无法证明A-B之间是互通的。四次、五次也可以，但是没有必要，因为网络环境是不确定的，n次握手也无法百分之百确定对方的状态。因此，三次握手是相对合理的，对于客户端来说，它发出的消息一去一回，对于服务器来说，它发出去的消息也是一去一回，这就可以说明两台机器之间网络是互通的，可以进行数据传输了。
TCP四次挥手：
流量控制机制：接收方在ACK包中发送自己的接收窗口（rwnd）大小，发送端根据这个窗口大小降低发送速率。
拥塞控制机制：使用拥塞窗口（cwnd）控制自己发送的速率，防止造成网络拥挤。cwnd有一个增长曲线。总结为：慢启动阶段（cwnd指数级增长）、线性增长阶段、快重传（接收端收到了后发的包，先发的包没收到，此时就会发三个上一个已经确认过的包的ACK消息，发送端收到这三个包之后快速进行重传，不会把cwnd直接降为1）。
发送端实际的发送窗口=min{rwnd,cwnd}
IO多路复用机制：使用一个进程或者一个线程，处理多个IO描述符。这个机制本身不会直接解决并发问题，但是能够更有效的利用CPU。
应用层协议
HTTP
HTTP request协议的组成分为三个部分：请求行、首部、请求体
HTTP response协议的组成也分为三个部分：状态行、首部、响应体
协议中，首部字段均是Key-Value的键值对，sp代表空格。
HTTP 2.0 通过头压缩、分帧、二进制编码、多路复用等技术提升性能，除了HTTP之外，谷歌的QUIC协议也可以用来执行web请求，其底层是基于UDP的。
HTTPS
HTTPS 使用了非对称加密和堆成加密结合的方式保证了通信的私密性。非对称加密用于双方沟通随机数，并用随机数产生对称秘钥。在随后的数据传输中均使用堆成加密的方式保证消息的私密性。实际上，HTTPS的主要思想就是使用非对称加密算法传输公钥。
DNS
域名系统，是一个将域名和IP地址做映射的分布式数据库。DNS除了可以将域名解析为IP地址之外，还可以做全局负载均衡，原理是可以通过一个域名得到多个IP地址，这些IP地址的主机提供同样的服务。
DNS解析域名的流程：（假设要访问的域名没有在本地DNS缓存中）本地DNS服务器会向根DNS服务器发起查询请求，根DNS服务器会返回顶级域DNS服务器的地址，然后本地DNS服务器向顶级域DNS服务器发起查询请求，顶级域DNS服务器返回权威DNS服务器的地址，最后本地DNS服务器再向权威DNS服务器发起请求，得到域名对应的IP地址。发起查询的主机会把查询结果缓存下来，下次访问这个域名的时候先查询本地缓存，若有则直接返回对应的IP地址。
HTTPDNS
HTTPDNS也是一种DNS服务，提供域名和IP地址的转换服务，主要应用于移动端。HTTPDSN相比于传统的DNS，具有解析速度快、可控的缓存更新等优点。
CDN
CDN（内容分发网络）：由全局负载均衡器和多级边缘节点组成的网络。机制是，全局负载均衡器对发起请求的机器IP进行分析计算，返回距离请求机器距离更近的服务器。CDN主要用于静态资源的缓存，同时也支持流媒体协议。对于动态数据，也可以使用边缘计算或者优化的CDN链路访问源主机。
云中的网络
虚拟机的网络
虚拟机的网络要与宿主机所在的网络互通，有两种方式。
- 桥接网络：这种模式下，虚拟机和宿主机直接就是在一个子网。
- NAT模式：这种模式下，虚拟机和宿主机各自在各自的局域网中，它们之间通过虚拟交换机连通。
不管哪种方式，都是共用宿主机的物理网卡传输消息。
