计算机网络

# 概念

• DNS
• IPV6 / IPV4
• IOS网络模型
• TCP协议（三次握手四次挥手）
• 以太网
• WLAN、WAN、LAN
• 网关
• 子网掩码
• 适配器
• DHCP
• Nat
• CDN
• Comet（服务器推）
• RESTful

# OSI 网络模型

开放系统互连（Open System Interconnect）

# 物理层

光、电、电磁波传输比特数据（0 / 1）

# 数据链路层

MAC 地址

物理地址，全球唯一，绑定网卡。MAC 地址由 6 个字节构成，通常使用 12 个十六进制表示，如 00:1A:2B:3C:4D:5E。

交换机

连接多台网络设备，记录设备 Mac 地址与交换机端口的映射表，实现为两台设备传输数据。

假设源设备 A 发送到帧数据到交换机，交换机解析帧数据后得到目标设备B 的 Mac 地址，根据映射表找到设备 B 对应的端口，将数据从该端口发到设备 B。

因为处于数据链路层在网络模型中是第二层，又称二层交换机。

# 网络层

子网

将 IP 与子网掩码相与，得到子网的网段。比如 IP 192.168.1.10 与子网掩码 255.255.255.0 相与得到 192.168.1.0。当不同的 IP 属于同一个网段时，即为同一个子网中。

由于子网掩码都是使用连续的 1 开头，后面是连续的 0，我们使用 1 的数量表示子网掩码，比如 255.255.255.0 表示为 24。通过 IP/子网掩码 表示一个网络，如 192.168.1.10/24。

通过子网掩码可以了解当前子网中有多少个 IP。比如 255.255.255.0 表示子网中有 255 个 IP。子网掩码越大 IP 数量越少。

网关

子网中设备连接其他子网的出口。

网关与其他网络设备一样连接到交换机。网关中维护当前子网中所有设备的 IP 与 其 MAC 地址映射表，并且每个网络设备也记录当前网关的 MAC 地址。

在一个子网中，A 设备发送数据到 B 设备的过程：TODO

1. 设备 A 数据【目标MAC = 网关 MAC，目标 IP = B 设备 IP】发给到交换机
2. 交换机将数据转发到网关上
3. 网关根据 B 设备 IP 找到其 MAC，将数据改成 【目标MAC = B 设备 MAC，目标 IP = B 设备 IP】发给交换机
4. 交换机将数据转发到 B 设备上

DHCP 协议

设备连接到子网中后，会向网关发送 DHCP 请求，网关会为其分配一个不会重复的 IP 地址，并通过 DHCP 回复报文发送回去。设备接收到后，将分配的 IP 配置到网卡上。

也选择可以关闭 DHCP，手动配置 IP 地址。

ARP 协议

在一个子网中，设备 A 在发送数据到设备 B 之前，需要先知道设备 B 的 MAC 地址，才能通过交换机发送数据。

设备 A 获取设备 B（192.168.1.10）的 MAC 地址的过程：

1. 设备 A 通过交换机向子网内的所有设备发送 ARP 广播，询问 192.168.1.10 的 MAC 地址是多少；
2. 子网内所有设备都能接收到，只有 192.168.1.10 的设备会答复自己的 MAC 地址；
3. 设备 A 接收并缓存设备 B 的 IP 与 MAC 映射；

家庭路由器 = 网关 + 交换机

家庭中的路由器包含 1 个 WAN 口和多个 LAN 口。WAN 用于连接广域网，LAN 口用于连接局域网中的设备。通过 wifi 连接也相当于连接到 LAN 口。

# DNS

域名系统（Domain Name System）

# 域名

域名用来代替 IP 地址方便人们熟记。以 www.example.com 为例，example.com 表示主域名，com 表示顶级域名，www 表示主机名或子域名。不同主机名表示提供不同服务，比如：

• www.example.com ：主站点
• main.example.com ：邮箱业务
• m.example.com ：移动端业务
• ab.cd.example.com ：多级域名

# DNS 服务器

域名服务器，负责将域名解析为 IP 地址，包含：

• 根域名服务器（Root）
• 顶级域名服务器（Top-Level Domain、TLD）
• 权威域名服务器（Authoritative）
• 本地域名服务器（Local）

# 根域名服务器

根域名服务器负责查询目标的顶级域名（如 .com）对应的顶级域名服务器的 IP 地址。

IPv4 的根域名服务器一共有 13 个域名（a~m），分为 1 台主根域名服务器和 12 台辅根域名服务器。其中 1 台主根和 9 辅根在美国，剩下 3 台辅根分别在英国、瑞典、日本。

虽说是 13 台，但是其实是上千个节点分布在各地，相当于 1 个 IP 对应多个节点，或者说多个节点使用同一 IP。采用任播的技术，自动选择最近的节点响应。

Root Servers (iana.org)open in new window

IPv6 根域名服务器目前全球共架设了 25 台，其中中国部署了 4 台，分别是 1 台主根位于北京，3 台辅根分别位于广州、上海，成都。

# 顶级域名服务器

根域名服务器负责查询目标域名（如 example.com）对应的权威域名服务器的 IP 地址。

常见的顶级域名有：

• .com：商业相关
• .cn：中国相关
• .net：网络和技术相关
• .org：非营利组织相关
• .edu：教育相关
• .gov：政府相关
• .mil：军事相关
• .info：信息和资源相关
• .club：俱乐部相关
• .aero：航空运输相关
• .online：在线相关

# 权威域名服务器

权威域名服务器负责查询目标域名（如 example.com）对应的 IP 地址。

# 本地域名服务器

本地域名服务器负责向根域名、顶级域名、权威域名咨询，最终获得目标域名的 IP 地址，返回给用户主机的 DNS 客户端。

打开【控制面板】-【网络和 Internet】-【网络和共享中心】-【WLAN】，点击【属性】打开【WLAN 属性弹窗】 ，选择 IPv4 或 IPv6，点击【属性】，设置对应的 DNS 服务器地址。

选择自动获得，DNS 服务器地址将由路由器返回。此时取决于路由器的网络设置，自动或手动。如果也是选择自动获得，那路由器将直接返回自身地址作为 DNS 服务器地址。此时路由器实际上充当了 DNS 转发器（DNS 代理、DNS 中继）的功能，转发到运营商分配的 DNS 服务器。

也可以选择手动设置，常见的公共 DNS 服务器如下：

# DNS 解析流程

以 目标域名 www.bilibili.com 为例：

1. 浏览器查询自身 DNS 缓存，命中则返回，无则向 DNS 客户端查询；

2. DNS 客户端查询本地 DNS 配置 C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts，命中则返回，无则向本地域名服务器查询，并将结果返回给浏览器；

3. 本地域名服务器查询自身缓存，命中则返回给 DNS 客户端，无则向根域名服务器查询；

   # ** 模拟本地域名服务器的操作 **
   nslookup
   # -- output --（默认自动连接上设置的本地 DNS 服务器，并且优先使用 IPv6）
   # 默认服务器:  public1.alidns.com
   # Address:  2400:3200::1
   
   # 查询目标域名的 IP
   www.bilibili.com
   # -- output --（非权威应答表示来自缓存）
   # 非权威应答:
   # 名称:    a.w.bilicdn1.com
   # Addresses:  240e:97d:2000:c0e::32
   #           240e:97d:2000:c0e::33
   #           14.17.92.71
   #           59.36.228.21
   # ...
   # Aliases:  www.bilibili.com
   
   # 假设没有缓存
   # 将查询类型改为 nameserver，即查看域名所在的域名服务器
   set type=ns
   # 查询根域名
   .
   # -- output --（省略了c~m）
   # 非权威应答:
   # (root)  nameserver = a.root-servers.net
   # (root)  nameserver = b.root-servers.net
   # ...
   
   # 将查询类型改为 a+aaaa，即查询域名的 IP 地址
   # a 表示 IPv4，aaaa 表示 IPv6，a+aaaa 是 type 的默认值，也可以单独设成 a 或 aaaa
   set type=a+aaaa
   
   # 选择一个根域名查看其 IP
   b.root-servers.net
   # -- output --
   # 非权威应答:
   # 名称:    b.root-servers.net
   # Addresses:  2801:1b8:10::b
   #           170.247.170.2
   

4. 向根域名服务器查询 com 顶级域名服务器 IP；

   # ** 模拟根域名服务器的操作 **
   nslookup
   
   # 连接根域名器
   server 170.247.170.2
   # -- output --
   # 默认服务器:  b.root-servers.net
   # Address:  170.247.170.2
   
   set type=ns
   # 查询 com 的顶级域名服务器
   com.
   # -- output --（省略了c~m）
   # com     nameserver = a.gtld-servers.net
   # com     nameserver = b.gtld-servers.net
   # a.gtld-servers.net      internet address = 192.5.6.30
   # b.gtld-servers.net      internet address = 192.33.14.30
   # ...
   

5. 向 com 顶级域名服务器查询 bilibili.com 所在的权威域名服务器 IP；

   # ** 模拟顶级域名服务器的操作 **
   nslookup
   
   # 连接顶级域名服务器
   server 192.5.6.30
   # -- output --
   # 默认服务器:  a.gtld-servers.net
   # Address:  192.5.6.30
   
   set type=ns
   # 查询 bilibili.com 所在的权威域名服务器
   bilibili.com.
   # -- output --
   # bilibili.com    nameserver = ns3.dnsv5.com
   # bilibili.com    nameserver = ns4.dnsv5.com
   # ns3.dnsv5.com   internet address = 1.12.0.17
   # ns3.dnsv5.com   internet address = 1.12.0.18
   # ns4.dnsv5.com   internet address = 1.12.0.16
   # ns4.dnsv5.com   internet address = 1.12.0.19
   # ...
   
   

6. 向 ns3.dnsv5.com 权威域名服务器查询 www.bilibili.com 的 IP；

   # ** 模拟权威域名服务器的操作 **
   nslookup
   
   # 连接顶级域名服务器
   server 1.12.0.17
   # -- output --
   # 默认服务器:  [1.12.0.17]
   # Address:  1.12.0.17
   
   # 查询 www.bilibili.com 的 IP，没查到
   www.bilibili.com
   
   # 查询类型改为 name server 再查
   set type=ns
   www.bilibili.com
   # -- output --（可以看到指向了另外一个域名）
   # www.bilibili.com        canonical name = a.w.bilicdn1.com
   # bilibili.com    nameserver = ns3.dnsv5.com
   # bilibili.com    nameserver = ns4.dnsv5.com
   
   # 查询 a.w.bilicdn1.com 的 IP
   set type=a+aaaa
   a.w.bilicdn1.com
   # -- output --
   # 名称:    a.w.bilicdn1.com
   # Addresses:  240e:97d:2000:c0e::32
   #           240e:97d:2000:c0e::33
   #           14.17.92.71
   #           59.36.228.21
   

7. 本地域名服务器接收权威域名服务器的结果，并返回给 DNS 客户端，最终返回给浏览器；

# DNS 记录类型

# IPv4 / IPv6

IP地址是什么东西？IPV6和IPV4有什么区别？公网IP和私有IP又是什么？open in new window

# IPv4

互联网协议第4 版，采用 32 位记录 IP 地址，即提供 2³² 个 IP 地址。拆成 4 组，每组 8 位，以 . 分隔，表示成：2⁸ . 2⁸. 2⁸ . 2⁸。

再将 2⁸ 以十进制记录，其范围包含：0.0.0.0 ~ 255.255.255.255。

# IPv6

互联网协议第6 版，采用 128 位记录 IP 地址，即提供 2¹²⁸ 个 IP 地址。拆分为 8 组，每组由 4 个 4 位组成，以 : 分隔，即：

2⁴2⁴2⁴2⁴ : 2⁴2⁴2⁴2⁴ : 2⁴2⁴2⁴2⁴ : 2⁴2⁴2⁴2⁴ : 2⁴2⁴2⁴2⁴ : 2⁴2⁴2⁴2⁴ : 2⁴2⁴2⁴2⁴ : 2⁴2⁴2⁴2⁴

将 2⁴ 以十六进制记录，其范围包含：0:0:0:0:0:0:0:0 ~ ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff。

IPv6 是下一代的互联网协议，用于彻底解决 IPv4 中 IP 地址不足的问题，并且拥有更好的性能和安全性。虽然目前 IPv6 普及率依然不高，但是是未来的大趋势。

目前大部分设备都支持 IPv6，能否使用 IPv6 取决于网络运营商。如果是家用宽度，可以在光猫和路由器的设置页面上看是否有开启 IPv6 的配置。可以通过 IPv6 测试 (test-ipv6.com)open in new window 测试当前网络是否支持 IPv6。

阿里云服务器开启 IPv6：

1. 配置ECS实例的IPv6地址实现通信open in new window；
2. 打开 域名列表open in new window，点击域名解析，添加一条 AAAA 类型的记录，指向 IPv6 地址；

# 双协议栈

IPv4 与 IPv6 不互通，即使用 IPv4 的设备与使用 IPv6 的设备无法相互通信。我们目前正处于 IPv4 向 IPv6 的过渡阶段，解决的方案有以下三种：

• 双协议栈：一台设备同时启用 IPv4 与 IPv6 两种协议，源节点根据目的节点选择不同的协议；
• 隧道技术：使用 IPv4 传输 IPv6 报文，实现通过 IPv4 网络连接 2 台 IPv6 设备；
• NAT64：IPv4 和 IPv6 相互转换的技术，实现 IPv4 与 IPv6 的设备互相通信；

我们主要试验双协议栈，另外两种不去深入。

打开【控制面板】-【网络和 Internet】-【网络和共享中心】，点击【WLAN】打开【WLAN 状态弹窗】 查看当前 IPv4 与 IPv6 的连接状态。

点击【属性】打开【WLAN 属性弹窗】 ，可以选择是否开启（勾选） IPv4 / IPv6 ，并设置其属性。

在当前网络支持 IPv6 的情况下试验：

1. 当只勾选 IPv4：所有网站的 IP 地址都是 IPv4 的格式；
2. 当只勾选 IPv6：支持 IPv6 的网站和应用能正常访问（如 百度open in new window、阿里云open in new window、微信），只支持 IPv4 的则无法访问（如 懂车帝open in new window、CSDNopen in new window、钉钉）；
3. 当 IPv4 和 IPv6 都勾选：支持 IPv6 的网站依然是以 IPv6 访问；

# 网络协议

# TCP

传输控制协议（Transmission Control Protocol）

特点：

• 重量级
• 面向连接的
• 提供可靠的服务
• 支持重传机制
• 数据包按序到达接收器
• 不支持广播
• 以字节流传输数据

建立连接：三次握手

断开连接：四次挥手

# UDP

用户数据报协议（User Datagram Protocol）

特点：

• 轻量级
• 无连接的
• 不提供可靠的服务
• 不支持重传机制
• 数据包无序到达接收器
• 支持广播
• 以为用户数据报传输数据

# HTTP

超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol）

# SSL

# SSH

# FTP

文件传输协议（File Transfer Protocol）

# WebSocket

单个TCP连接上进行全双工通信的协议

# WebRTC

网页实时通信（Web Real-Time Communication）

# RTMP

直播协议 RTMP

# RTSP

实时流协议（Real Time Streaming Protocol）