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网络是怎样连接的

网络是怎样连接的：第一章浏览器生成消息，第二章用电信号传输TCP/IP数据，第三章从网线到网络设备，第四章通过接入网进入互联网内部等等

编辑于2022-05-30 14:09:12

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网络是怎样连接的

第一章浏览器生成消息

1.1 生成HTTP请求消息

1.1.1 探索之旅从输入网址开始

URL

URL定义

URL功能

URL元素

浏览器

综合性客户端软件

1.1.2 浏览器先要解析URL

URL格式随协议不同而不同

1.1.3 省略文件名的情况

省略文件名并以/结尾

文件名和/符号均省略

将目录末尾的/省略

1.1.4 HTTP基本思路

HTTP基本思路

请求消息

对什么（URI）

进行怎样的操作（方法）

web服务器对消息解析

响应消息

状态码

头字段

网页数据

URI

存放网页数据的文件名

存放CGI程序的文件名

方法

web服务器需要完成的工作

POST

GET

1.1.5 生成HTTP请求消息

HTTP消息格式

请求行

方法

URI

消息头

额外的详细信息

消息体

1.1.6发送请求后会收到响应

响应消息格式

状态码，状态短语

消息头

消息体

1.2向DNS服务器查询web服务器ip地址

1.2.1ip地址基本知识

操作系统

发送消息

TCP/IP

子网

路由器

IP地址

号

网络号

室

主机号

ip地址格式

子网掩码

1.2.2域名和ip地址并用的理由

使用域名更加方便

使用IP地址更加高效

DNS域名服务系统

1.2.3Socket库提供查询IP地址的功能

查询IP地址

询问DNS服务器

Socket库

定义

程序组件

解析器

1.2.4通过解析器向DNS服务器发出查询

解析器调用

向DNS发送查询消息

接收响应消息

取出IP地址

1.2.5解析器内部原理

控制流程转移

解析器工作流程

生成查询消息

委托协议栈发送消息

协议栈传递响应消息

1.3全世界DNS服务器的大接力

1.3.1DNS服务器的基本工作

接收查询消息

域名

CLASS

记录类型

从保存的记录中查找

返回响应数据

1.3.2域名的层次结构

域名层次结构

定义

域与下级域

与DNS服务器的关系

1.3.3寻找相应的DNS服务器并获取IP地址

查找相应的DNS服务器步骤

上级域

根域

根域DNS保存于所有DNS

上级DNS保存下级DNS服务器信息

1.3.4通过缓存加快DNS服务器响应

缓存

记住查询过的域名

减少查询时间

记住查询结果不存在的域名

快速响应

有效期

响应结果来源

DNS服务器

缓存

1.4委托协议栈发送消息

1.4.1数据收发操作概述

收发数字信息

调用Socket库程序组件

连接数字通道

建立管道

套接字

断开管道，删除套接字

1.4.2创建套接字阶段

收发数据操作

创建套接字

调用Socket

协议栈返回描述符

识别套接字

描述符

1.4.3连接阶段：把管道接上去

调用connect程序组件

描述符

服务器IP

端口号

端口号与描述符的作用区别

1.4.4通信阶段：传递消息

应用程序准备发送的数据

调用write程序组件

指定描述符

发送数据

协议栈发送数据

服务器接收数据

返回响应消息

调用read程序组件

接收缓存区

1.4.5断开阶段：收发数据结束

web调用close程序组件

断开阶段

web服务器断开连接

套接字断开阶段

read告知浏览器收发结束，连接断开

浏览器调用close程序组件

第二章用电信号传输TCP/IP数据

2.1创建套接字

2.1.1协议栈的内部结构

TCP/IP软件分层结构

应用程序层

Socket库

操作系统层

协议栈

TCP UDP

IP协议

ICMP协议

ARP协议

驱动程序层

硬件层

2.1.2套接字的实体就是通信控制信息

协议栈控制信息

IP地址

端口号

通信操作进行状态

2.1.3调用socket时的操作

消息收发操作

创建套接字

分配内存空间

存入控制信息

描述符

2.2连接服务器

2.2.1连接是什么意思

连接

通信双方交换控制信息

IP地址

端口号

2.2.2负责保存控制信息的头部

两类控制信息

头部记录信息

TCP头部

以太网头部

IP头部

套接字记录信息

控制协议栈操作信息

2.2.3连接操作的实际过程

调用Socket中的connect

提供控制信息

将信息传递给TCP模块

TCP模块间交换控制信息

客户端创建头部

头部控制位SYN比特设置为1

TCP信息传递给IP模块并委托发送

IP模块执行网络包发送

服务器TCP接收头部信息

服务器TCP返回响应

网络包返回客户端

2.3收发数据

2.3.1将HTTP请求消息交给协议栈

应用程序调用write

数据交给协议栈

协议栈执行发送操作

网络包容纳数据长度

MTU

MSS

等待时间计时器

2.3.2对较大的数据进行拆分

数据长度超出MSS时

对数据进行拆分

数据块添加TCP头部

IP模块执行数据发送

2.3.3使用ACK号确认网络包已收到

网络包送达确认操作

计算数据包字节数

序号

序号初始值

未收到ACK号

重新发送数据包

数据双向传输

双向操作方式相同

2.3.4根据网络包平均往返时间调整ACK号等待时间

超时时间

返回ACK号等待时间

动态调整等待时间

2.3.5使用窗口有效管理ACK号

等待ACK号的时间

接收缓存区

滑动窗口

接收方通过TCP告知接收量大小

窗口字段

2.3.6ACK与窗口的合并

提高数据收发效率

更新窗口时机

缓存区剩余容量增大时

返回ACK号时机

收到数据后立刻

合并发送通知包

2.3.7接收HTTP响应消息

调用read程序

获取响应消息

协议栈执行后续操作

2.4从服务器断开并删除套接字

2.4.1数据发送完毕后断开连接

应用程序选择断开时机

调用close程序

FIN比特设为1

IP模块发送数据

另一方套接字标记进入断开操作

返回ACK号

调用close程序

2.4.2删除套接字

删除套接字时机

误删套接字的危害

2.4.3数据收发操作小结

创建套接字

发起连接操作

数据收发阶段

执行断开操作

删除套接字

2.5IP与以太网的包收发操作

2.5.1包的基础知识

网络包

头部

MAC头部

IP头部

TCP头部

数据

IP模块将包发送

网络转发设备

网络包转发过程

集线器

路由器

2.5.2包收发操作概览

TCP委托IP模块发送包

IP模块添加头部

IP头部

MAC头部

包交给网络硬件

网卡

接收包返回包

2.5.3生成包含接收方IP地址的IP头部

IP头部

IP地址

网卡IP地址

路由表

协议号

2.5.4生成以太网用的MAC头部

MAC头部

MAC地址

以太类型

查询MAC地址

2.5.5通过ARP查询目标路由器的MAC地址

ARP地址解析协议

广播

ARP缓存

ARP缓存更新

2.5.6以太网的基本知识

以太网通信技术

以太网原型

中继式集线器变体

交换式集线器结构

收发器

以太网3个性质

包发送到MAC头部的接收方MAC地址代表目的地

用发送方MAC地址识别发送方

用以太类型识别包的内容

2.5.7将IP包转换成电或光信号发送出去

以太网包收发操作

IP网络包的数字信息转换成光电信号

网卡执行转换操作

网卡

网卡初始化

网卡驱动程序

读取MAC地址

2.5.8给网络包再加3个控制数据

包转换为电信号

网卡驱动从IP模块取包

向MAC模块发送发送包命令

MAC模块工作

报头

确定包的读取时机

起始帧分界符SFD

FCS

通过电信号读取数据

2.5.9向集线器发送网络包

发送信号操作

集线器半双工模式

信号碰撞

阻塞信号

数字信息转换成电信号

由PHY MAU信号收发模块发送出去

网络传输速率

交换机全双共模式

2.5.10接收返回包

接收网络包

接收全部信号

判断是否丢弃包

网卡通知计算机

中断

网卡驱动取出包

网卡将包交给协议栈

协议栈将包发给应用程序

2.5.11将服务器的响应包从IP传递给TCP

Web服务器返回网络包

TCP/IP协议栈处理

IP模块

检查IP头部

检查格式

查看接收方IP地址

ICMP

分片

还原重组

包交给TCP模块

2.6UDP协议的收发操作

2.6.1不需要重发的数据用UDP发送更高效

TCP与UDP

UDP适用于短数据

2.6.2控制用的短数据

UDP收发数据

添加UDP头部

交给IP进行发送

UDP相对于TCP删除的机制

2.6.3音频和视频数据

UDP适用

第三章从网线到网络设备

3.1信号在网线和集线器中传输

3.1.1每个包都是独立传输的

网络包转发

集线器

路由器

交换机

转发设备

独立的概念

3.1.2防止网线中的信号衰减很重要

PHY

将包转换成电信号

信号衰减

损失率

噪声

失真

3.1.3“双铰“是为了抑制噪声

双绞线

拧麻花

抑制噪声

原因

扭铰间隔

正负信号线

噪声

产生原因

电磁波

网线之外设备泄露

信号线泄露

串扰

影响

波形失真

3.1.4集线器将信号发往所有线路

集线器

内部结构

交叉接线

MDI/MDI-X

中继电路

广播

信号整形

错误抑制

3.2交换机的包转发操作

3.2.1交换机根据地址表进行转发

交换机

内部结构

MAC地址表

交换电路

信号转发

网线接口

信号转换

检验错误

检擦地址

发送到相应端口

交换电路

信号线排列

网格状

交叉点

交换开关

3.2.2MAC地址表的维护

维护操作

记录发送方MAC地址

删除记录表中某条记录的操作

过时记录

3.2.3特殊操作

目标端口与源端口相同

直接丢弃

地址表找不到指定MAC地址

具有该地址的设备未向交换机发送过包

地址被删除

包发送到除源端口外所有端口

不会产生问题

接收方MAC地址是一个广播地址

包发送到除源端口外所有端口

3.2.4全双工模式可以进行发送和接收

全双工模式

交换机特有

同时进行收发操作

停用碰撞检查

碰撞

信号在集线器内部混杂

以太网重要特征

不用集线器就不会发生

3.2.5自动协商：确定最优的传输速率

切换全/半双工模式

手动切换

自动切换

自动协商

连接脉冲

监测是否正常工作

特定排列连接脉冲

自动协商原理

3.2.6交换机可同时执行多个转发操作

交换机只转发到特定端口

空闲端口

集线器广播到所有端口

3.3路由器的包转发操作

3.3.1路由器的基本知识

路由器转发包

路由器内部结构

转发模块

判断包的转发目的地

端口模块

负责包的收发操作

端口模块安装硬件

局域网

ADSL

FTTH

转发流程

委托端口硬件接收包

转发模块查询路由表判断转发目标端口

转移到相应端口

委托端口模块发送包

3.3.2路由表中的信息

判断转发目标

交换机

根据MAC地址

路由器

根据IP地址

路由表

目标地址

匹配IP网络号

子网掩码

判断网络号的比特数

路由聚合

网关

接口

跃点计数

表示距离目标地址距离远近

路由表维护

人工维护路由记录

路由协议机制

RIP

OSPF

BGP

3.3.3路由器的包接收操作

路由器工作过程

路由器接收网络包

错误检验

丢弃包开头的MAC头部

查询IP进行转发

包的发送操作

3.3.5找不到匹配路由时选择默认路由

找不到转发目标时丢弃包

子网掩码设置为0.0.0.0

默认路由

3.3.6包的有效期

更新IP头部的TTL(生存时间)

TTL表示包的有效期

防止包陷入死循环

3.3.7通过分片功能拆分大网络包

PPPoE协议

分片

判断MTU

根据IP标准字段判断能否分片

拆分后的数据添加IP头部

更新IP头部部分字段

3.3.8路由器的发送操作和计算机相同

包的发送

根据输出端口类型

以太网发送操作

包的前面添加MAC头部

设置一些字段

将包转换成电信号

3.3.9路由器与交换机的关系

路由器基于IP设计

交换机基于以太网设计

路由器将包的传输工作委托给交换机进行

3.4路由器的附加功能

3.4.1通过地址转换有效利用IP地址

地址转换

互联网地址发展

私有地址

用于内网

公有地址

固定地址

包过滤

3.4.2地址转换的基本原理

改写

IP地址

端口号

地址转换设备

记录改写前后的信息

将包发送给内网

查找公有地址和私有地址对应信息

3.4.3改写端口号的原因

只改写地址时

此时公有地址和私有地址必须一一对应

改写端口号

提高公有地址利用率

3.4.4从互联网访问公司内网

必须公司允许

防止非法入侵

分配公有地址

手动添加服务器的私有地址

3.4.5路由器的包过滤功能

包过滤

判断转发包或丢弃包

防火墙

防止非法入侵

第四章通过接入网进入互联网内部

4.1ADSL接入网的结构和工作方式

4.1.1互联网的基本结构和家庭、公司网络是相同的

转发设备

路由器

路由维护方式

距离

4.1.2连接用户与互联网的接入网

互联网包转发与以太网几乎相同

互联网接入路由器

接入网规则

接入网方式

ADSL

FTTH

CATV

电话线

4.1.3ADSL Modem将包拆分成信元

ADSL接入网结构

BAS

互联网接入路由器

MAC头部

PPPoE头部

PPP头部

Modem（调制解调器）

信元

数据块

头部与数据

ATM通信技术

网路运营商（ISP）

4.1.4ADSL将信元“调制”成信号

正弦波调制技术

正交振幅调制（QAM）

振幅调制（ASK）

振幅大小对应数字

相位调制（PSK）

相位偏差对应数字

4.1.5ADSL通过使用多个波来提高速率

波的合成

滤波器分离

增加可表示的比特数

比特分配

频段

距离

噪声

握手

4.1.6分离器的作用

分离器

工作时机

信号从电话线传入

分离电话和ADSL信号

过滤高频信号

防止电话对ADSL产生干扰

重新训练

4.1.7从用户到电话局

配盘线

IDF

MDF

保安器

电话线

电话电缆

电缆隧道

4.1.8噪声的干扰

噪声频率相同信号无法读取

可用信号数量减少

速率下降

防ISDN干扰技术

4.1.9通过DSLAM到达BAS

DSLAM

电信号还原成信元

集成ADSL Modem功能

ATM接口

BAS包转发设备

可接收ATM信元

可将ATM信元还原成原始包

隧道专用头部

隧道专用路由器

取出隧道头部

取出IP包

转发到互联网内部

4.2光纤接入网（FTTH）

4.2.1光纤的基本知识

FTTH

基于光纤的接入网技术

一般使用单模光纤

光纤

光纤结构

双层结构

纤维状透明材质

玻璃

塑料

纤芯传导光信号

光信号

亮为1

暗为0

4.2.2单模与多模

光纤

透光率

折射率

纤芯直径

单模光纤

多模光纤

可传导多条光线

光信号传导

入射角度

特定角度

相位

干涉

边界反射

相位变化

信号失真与反射次数相关

4.2.3通过光纤分路来降低成本

FTTH

用一根光纤直接从用户端连接到电话局

以太网电信号转换成光信号

光信号到达多路光纤收发器

光信号转成电信号

BAS端口接收后发往互联网

在用户附近电线杆安装分光器

光纤分路

ONU光网络单元

OLT光线路终端

波分复用

4.3接入网中使用的PPP和隧道

4.3.1用户认证和配置下发

互联网登录

BAS登录操作端口

PPPoE

PPP拨号上网

用户向运营商接入点拨打电话

输入用户名和密码

用户名和密码发送到认证服务器

RADIUS

RAS

认证服务器返回配置信息并下发给用户

计算机分配公有地址

用户计算机根据信息配置IP地址等参数

完成TCP/IP网络包收发准备

4.3.2在以太网上传输PPP消息

传输思路与将IP包装入以太网包传输相同

PPP协议无报头和FCS等元素

无定义信号的格式

HDLC协议帮助传输

HDLC本用于在专线中传输网络包

PPPoE

将PPP消息装入以太网包进行传输

4.3.3通过隧道将网络包发送给运营商

BAS可以使用隧道方式传输网络包

隧道类似于套接字间建立的CP连接

隧道实现方式

TCP连接

在两台隧道路由器间建立TCP连接

连接两端套接字当作路由器端口

通过端口收发数据

基于封装的实现方式

4.3.4接入网的整体工作过程

接入路由器开始连接

配置运行商分配信息

根据PPPoE发现机制寻找BAS

基于广播

用户认证和下发配置

CHAP

PAP

客户但发送网络包

网络包到达BAS并通过隧道机制发送

PPP包到达网络运营商的路由器

4.3.5不分配IP地址的无编号端口

一对一连接端口

不分配IP地址

无编号

4.3.6互联网接入路由器将私有地址转换成公有地址

地址转换

应用程序是否需要地址转换

4.3.7除PPPoE之外的其他方式

PPPoA

直接将PPP消息装入信元

一体化

将计算机和ADSL Modem用USB接口连接

将ADSL Modem和路由器整合成一台设备

优点

MTU更大，传输效率高

DHCP

原理

4.4网络运营商的内部

4.4.1POP和NOC

POP接入点

互联网入口处

包括了各种类型的路由器

专线

一般路由器

电话，ISDN

RAS路由器

PPPoE

一般路由器与BAS相连

接入网处路由器端口多且便宜

NOC网络运行中心

配备高性能路由器

可以认为NOC就是规模扩大后的POP

4.4.2室外通信线路的连接

NOC与POP连接

光纤连接

光纤复用

光纤租借

租借通信线

4.5跨越运营商的网络包

4.5.1运营商之间的连接

路由信息自动化管理

转发目标

POP

NOC

查找对方运营商路由信息

4.5.2运营商之间的路由信息交换

BGP边界网关协议

获取相连路由器的路由信息

写入路由表

将自身路由信息告知对方

转接与非转接（对等）

4.5.3与公司网络中自动更新路由表机制的区别

公司网络

寻找最短路由并转发包

所有路由器平等对待

运营商网络

指定路由交换对象

增加判断因素，设置优先级

4.5.4IX的必要性

IX互联网交换中心

减少线路数量

4.5.5运营商如何通过IX互相连接

IX所在地需要高安全性

IX核心

二层交换机

具有大量高速以太网端口

运营商路由器连接到IX核心交换机

光纤延长连接

通信线路连接

第五章服务器端的局域网有什么玄机

5.1We服务器的部署地点

5.1.1在公司里部署Web服务器

防火墙

指定网络包

5.1.2将Web服务器部署在数据中心

部署在公司

部署在运营商数据中心

访问速度快

安全性高

附加服务

数据中心

与NOC直接相连

5.2防火墙的结构和原理

5.2.1主流的包过滤方式

包过滤式防火墙最为普及

5.2.2如何设置包过滤的规则

根据包的起点和终点

5.2.3通过端口限定应用程序

增加判断条件

TCP头部端口号

UDP头部端口号

5.2.4通过控制位判断连接方向

过滤TCP连接操作的第一个包

对DNS服务器的访问是特殊的

因为UDP协议没有连接操作

5.2.5从公司内网访问公开区域的规则

设置相应的包过滤规则

5.2.6从外部无法访问公司内网

包过滤防火墙

组织部分网络包

地址转换

5.2.7通过防火墙

被组织的包

丢弃

记录

分析入侵者手段

被允许的包

无特殊操作

包过滤只是路由器包转发的附加操作

5.2.8防火墙无法抵御的攻击

需要检测包内容的攻击

修复漏洞

增加包检查的软件和设备

5.3通过将请求平均分配给对台服务器来平衡负载

5.3.1性能不足时需要负载均衡

解决网络包过多问题

分布式架构

采用多台服务器

DNS服务器进行分配

轮询

缺点

5.3.2使用负载均衡器分配访问

负载均衡器

IP替代服务器实际地址注册在DNS

分配访问判断条件

负载状态

性能比例

跨页面