应用层
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应用层是计算机网络体系结构的最顶层，是设计和建立计算机网络的最终目的，也是计算机网络中发展最快的部分。

首先对应用层要有个大概了解，思维导图是个不错的工具，废话不说，上图！

网络应用模型
网络应用程序运行在处于网络边缘的不同的端系统上，在各种端系统上的组织方式和他们之间的关系。目前流行的有两种：
客户/服务器(C/S)方式
应用 ：万维网www，电子邮件，文件传输FTP等。

服务器：提供计算服务的设备

永久提供服务
固定的IP地址,端口号(http 80)
永久性访问地址域名

客户端：请求服务的主机

与服务器通信，使用服务器提供的服务
间歇性接入网络
可能使用动态IP

对等(peer-to-peer,P2P)方式
在P2P方式中，没有固定的服务请求和服务提供者，分布在两端的应用进程是对等的，称为对等方，对等方相互之间直接通信。
应用：P2P文件共享，即时通信，P2P流媒体
DNS域名系统
由于IP地址难以记住，因此采用域名的方式方便记忆，因特网采用层次树状结构的域名结构，分为顶级域名TLD，二级级域名，三级域名,(四级域名)
如 www.baidu.com 从右到左为顶级域名，二级域名，三级域名，中间以点 . 隔开！

根域的 DNS 服务器信息保存在互联网中所有的 DNS 服务器中。这样⼀来，任何 DNS 服务器就都可以找到并访问根域 DNS 服务器了。

因此，客户端只要能够找到任意⼀台 DNS 服务器，就可以通过它找到根域 DNS 服务器，然后再⼀路顺藤摸瓜找到位于下层的某台⽬标 DNS 服务器。
DNS域名解析

主机向本地域名服务器的查询一般都是采用递归查询。

递归查询简单来说是指路加带路，问一个人路，他不知道会亲自找上一级，上一级不知道会亲自找上上一级，直到返回结果。

本地域名服务器向根域名服务器的查询的迭代查询。

迭代查询简单来讲只指路不带路，问一个人路，问一个人路，他不知道会通知你找他的上一级，上一级不知道会通知你找他的上上一级，直到返回结果。

Email电子邮件
电子邮件是因特网上最早流行的一种应用，系统采用C/S方式，主要由三部分构成：
用户代理：用户与电子邮件的接口，电子邮件客户端的软件！
邮件服务器：因特网上所有的ISP都是邮件服务器，其功能是发送和接收邮件，同时负责维护用户的邮箱。
邮件传输协议：邮件传输所遵循的协议如SMTP.
图解电子邮件的整个过程：


SMTP的局限性：只能传输ASCII码文本数据。图片视频音频这些超文本和中文日文等都不能传输。因此提出了MIME.
图解如下：

邮件读取协议：


POP3(110) :只允许用户下载并保留和下载并删除邮件，并不能在线管理邮件。（如分类邮件，创建文件夹）


IMAP4(143)：用户可以操控邮件服务器的邮箱，实现了在邮件服务器管理邮件。


目前，一般常用的是基于web的电子邮件
图解如下：

WWW万维网
万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所，是运行在因特网上的分布式应用。万维网利用网页之间的超链接将不同网站的网页链接成一张逻辑的信息网。
*URL(统一资源定位符URL)*来指明因特网上任何种类“资源”的位置。
组成：<协议>://<主机>:<端口号></路径>
举例：https://www.baidu.com:443/index.html
文档：HTML,CSS,JAVASCRIPT
HTTP协议：

定义了浏览器(客户端进程)怎么向万维网服务器请求万维网文档，以及万维网服务器如何把万维网文档传给浏览器，是因特网上应用最为广泛的一种网络传输协议。

图解如下：

HTTP/1.0：采用非持续连接的方式，每次浏览器请求一个文件都要与服务器建立TCP连接，当收到响应后关闭连接。这当然会造成请求多个对象(如图片)就会连接多次，每一次都会花费2RTT的时间。
HTTP/1.1：采用持续连接的方式,服务器在发送响应报文后仍保持连接，只要文档在同一浏览器，就只需建立一次连接。除此之外，又采用了流水线方式，即浏览器收到服务器的响应报文后可一次发多个请求报文。
报文格式：HTTP是面向文本的，其中报文中每一个字段都是ASCII码串，并且每个字段的长度都是不确定的。
请求报文实例

响应报文实例
HTTP/1.1  200  OK
Keep-Alive:timeout=10,max=500
Connection:keep-alive
Content-Type: text/html; charset=utf-8

两种报文基本格式


响应报文状态码

请求方法
最常用的是GET与POST方法
Get ⽅法：请求从服务器获取资源，这个资源可以是静态的⽂本、⻚⾯、图⽚视频等。这种请求方式是安全幂等的，即不会改变服务器的文档内存。
幂等的含义：多次执⾏相同的操作，结果都是相同的。
POST⽅法则是相反操作，它向 URI 指定的资源提交数据，数据就放在报⽂的 body ⾥。例如留言功能，需要添加数据，所以是不安全且不幂等。
根据 HTTP 标准，HTTP 请求可以使用多种请求方法。


HTTP1.0定义了三种请求方法：GET, POST和 HEAD方法。


HTTP1.1新增了六种请求方法：OPTIONS、PUT、PATCH、DELETE、TRACE和CONNECT方法。



HTTP缺点：


无状态（即不会保存数据在服务器，无法记录用户数据）


不安全（因为是面向报文，明文传输，很容易别识别，因此推出了https，进行了加密）


万维网利用服务器Cookie封装用户信息附加在响应报文中，弥补HTTP的缺点，但因为是保存在客户端，因此会产生安全问题，这里不在延申。Cookie只是最简单的解决无状态的一种方法。

FTP文件传送协议
FTP是因特网上使用的最广泛的文件传送协议。(尤其用于批量传输文件)
其优势是屏蔽了各计算机系统的细节适用于异构网络中任意计算机之间传送文件。
Windows系统可下载第三方FTP服务器将主机作为FTP服务器，客户端可使用第三方的FIP客户工具软件，无需记住FTP客户端工具命令，操作简便！
图解FTP过程：

网络通信的实质是两台主机上的进程进行通信，但是IP地址只能标识一台主机并不能标识主机上的进程这时就需要端口来标识主机上的进程也称做协议端口号，这种在协议栈层间抽象的协议端口是软件端口，和路由器或交换机上的硬件端口是完全不同的概念，硬件端口是不同设备之间进行交互的接口，而软件端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址



端口的分类



服务器使用的端口这里分为两类



最重要的一类叫做数只端口号或者系统端口号数值为0~1023IANA把这些端口号指派给TCP/IP最重要的应用程序让所有用户都知道

下图为常用的熟知端口号 


另一类叫做登记端口号数值为1024~49151。这类端口号是为没有熟知端口号的应用程序使用。使用这类端口号必须在IANA按照规定的手续登记以防止重复

客户端使用的端口号数值为 49152~65535由于这类端口仅在客户进程运行时才动态选择因此又叫做短暂端口号

一.什么是TCP（传输控制协议）
传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP指在适应支持多网络应用的分层协议层次结构。 连接到不同但互连的计算机通信网络的主计算机中的成对进程之间依靠TCP提供可靠的通信服务。TCP假设它可以从较低级别的协议获得简单的，可能不可靠的数据报服务。 原则上，TCP应该能够在从硬线连接到分组交换或电路交换网络的各种通信系统之上操作。
二.TCP的报文格式


1、端口号：

用来标识同一台计算机的不同的应用进程。
1）源端口：

源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。
2）目的端口：

端口指明接收方计算机上的应用程序接口。
TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。
2、序号和确认号：

是TCP可靠传输的关键部分。序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在TCP传送的流中，每一个字节一个序号。e.g.一个报文段的序号为300，此报文段数据部分共有100字节，则下一个报文段的序号为400。所以序号确保了TCP传输的有序性。确认号，即ACK，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时，SYN报文的ACK标志位为0。
3、数据偏移／首部长度：4bits。

由于首部可能含有可选项内容，因此TCP报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为20字节，4位首部长度字段所能表示的最大值为1111，转化为10进制为15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。
4、保留：

为将来定义新的用途保留，现在一般置0。
5、控制位：

URG 、ACK、  PSH、  RST、  SYN、  FIN，共6个，每一个标志位表示一个控制功能。
1）URG：紧急位

为1时表示紧急指针有效，为0则忽略紧急指针。
2）ACK：确认位

为1时表示确认号有效，为0表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段。
3）PSH：急迫位

标志位为1时，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队。
4）RST：重置位

RST为1时，通知重新建立TCP连接
5）SYN：同步位

TCP需要建立连接时将这个值设为1。
6）FIN：断开位

TCP完成数据传输需要断开连接时，提出断开的一方将这个值设为1。
6、窗口：

滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小时一个16bit字段，因而窗口大小最大为65535。
7、校验和：

奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
8、紧急指针：

只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
9、选项和填充：

最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。
10、数据部分：

TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。
三.TCP的三次握手


TCP三次握手的过程如下：
1.客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。

2.服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK（ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。

3.客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ACK=y+1）报文，进入Established状态。

三次握手完成，TCP客户端和服务器端成功地建立连接，可以开始传输数据了
四.TCP的四次挥手


由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

传输层
传输层功能、协议、特点，网络层功能上差别，端口号
端到端的通信，向它上面的应用层提供通信服务，面向通信部分的最高层，用户功能中的最低层。

功能：

提供应用程序间的逻辑通信。
差错检测：对收到的报文的首部和3数据部分均进行差错检测。
提供无连接（UDP）或面向对象的服务（TCP）。
复用和分用：复用，发送方不同的应用程序都可以使用同一个传输层协议传输数据。分用，接收方的传输层在剥去报文的首部后能够把这些数据正确交付到目的的应用程序。

端口：传输层服务访问点。

软件端口：应用层的各种协议进程与传输实体进行层间交互的一种地址。
传输协议：

面向连接的 TCP（传输控制协议）

无连接的 UDP（用户数据报协议 ）
★★★ 用户数据报协议 UDP 特点、数据报格式、校验
不可靠的逻辑信道

只在 IP 的数据报服务上增加了端口的功能（为了找到进程）和差错检测功能。
特点：

无连接
尽最大努力交付
面向报文
没有拥塞控制，适合多媒体通信的要求
支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信
首部开销小，只有 8 个字节

结构：


UDP 校验

伪首部仅用于验证校验和，既不向下传送，也不向上递交。

两个数二进制反码求和运算后，当无差错时其结果应该为全 1，否则表示有差错出现，丢弃这个 UDP 报文。
二进制反码求和运算

先求反码再相加，如果最高位产生进位则要对结果加 1。
★★★ 传输控制协议 TCP 报文格式
全双工的可靠的逻辑信道。

TCP 连接的端点叫做套接字或插口。

首部的最小长度是 20 字节。
结构：


特点：

面向连接的传输层协议，不提供广播和多播服务。
每一条 TCP 连接只能有两个端点，每一条 TCP 连接只能是点对点的。
可靠交付。
TCP 提供全双工通信。
报文段头部长，传输开销大。

停止等待协议，连续 ARQ 协议，信道利用率的计算，可靠通信的实现，选择确认协议
停止等待协议：每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。

优点：简单。

缺点：信道利用率太低。
自动重传请求 ARQ：自动重传请求，重传的请求是自动进行的，接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组。
连续 ARQ 协议：发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。
信道利用率 $U =\frac {T_D} {T_D + RTT + T_A}$

发送分组需要的时间为TD，分组确认时间为TA，往返时间为RTT。
TCP 可靠通信的具体实现：

两个窗口，一个发送窗口、一个接收窗口。

可靠传输机制用字节的序号进行控制。

四个窗口经常处于动态变化之中。

连接的往返时间 RTT 不是固定不变的。需要使用特定的算法估算较为合理的重传时间。
★ 滑动窗口机制；
以字节为单位的，假定 A 收到了 B 发来的确认报文段，其中窗口是 20 字节，而确认号是 31（这表明 B 期望收到的下一个序号是 31，而序号 30 为止的数据已经收到了）。根据这两个数据，A 就构造出自己的发送窗口。
★★★★★ TCP的流量控制算法、机制
流量控制：让发送方的发送速率不要太快，既要让接收方来得及接收，也不要使网络发生拥塞。
利用滑动窗口机制可以很方便地在 TCP 连接上实现流量控制。
机制控制 TCP 报文段的发送时机：

第一种机制是 TCP 维持一个变量，它等于最大报文段长度 MSS。只要缓存中存放的数据达到 MSS 字节时，就组装成一个 TCP 报文段发送出去。
第二种机制是由发送方的应用进程指明要求发送报文段，即 TCP 支持的推送 (push)操作。
第三种机制是发送方的一个计时器期限到了，这时就把当前已有的缓存数据装入报文段（但长度不能超过 MSS）发送出去。

Nagle 算法
★★★★★ TCP 的拥塞控制算法、分类、机制
对资源的总需求 > 可用资源
拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，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，就是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、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。
流量控制往往指点对点通信量的控制，是个端到端的问题（接收端控制发送端）。

流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。

加法增大；乘法减小
拥塞控制本身可能成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因。
TCP 采用基于窗口的方法进行拥塞控制。该方法属于闭环控制方法。

TCP 发送方维持一个拥塞窗口 CWND。

真正的发送窗口值 = Min(公告窗口值，拥塞窗口值)
TCP 会为每个连接维持两个变量：

拥塞窗口：cwnd

慢开始门限：ssthresh
TCP 拥塞控制算法：

慢开始 (slow-start)：每收到一个对新的报文段的确认后，可以把拥塞窗口增加最多一个 SMSS 的数值。

拥塞窗口 cwnd 每次的增加量 = min (N, SMSS)。
拥塞避免 (congestion avoidance)：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，使拥塞窗口 cwnd 按线性规律缓慢增长。“加法增大”特点。
快重传 (fast retransmit)：让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失，要求接收方立即发送确认，收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认。发送方只要一连收到三个重复确认，就知道接收方确实没有收到报文段，因而应当立即进行重传。
快恢复 (fast recovery)：当发送端收到连续三个重复的确认 ACK 时，由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞，因此现在不执行慢开始算法，而是执行快恢复算法：

(1) 慢开始门限 ssthresh = 当前拥塞窗口 cwnd / 2。

(2) 新拥塞窗口 cwnd = 慢开始门限 ssthresh。

(3) 开始执行拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢地线性增大。
只要发送方判断网络出现拥塞（重传定时器超时）：

ssthresh = max(cwnd / 2，2)

cwnd = 1

执行慢开始算法。

加法增大：拥塞避免

乘法减小：当出现超时或3个重复的确认时，就要把门限值设置为当前拥塞窗口值的一半，并大大减小拥塞窗口的数值。

加法增大 + 乘法减小 = AIMD
发送窗口的上限值
发送窗口的上限值 Min [rwnd, cwnd]

当 rwnd < cwnd 时，是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值。

当 cwnd < rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值。
★ TCP 传输连接的三个阶段、连接管理机制、三次握手原理。
TCP 是面向连接的协议。

传输连接有三个阶段：

连接建立

数据传送

连接释放
传输连接的管理就是使传输连接的建立和释放都能正常地进行。

TCP 建立连接的过程叫做握手。

握手需要在客户和服务器之间交换三个 TCP 报文段。称之为三报文握手。

采用三报文握手主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了，因而产生错误。
数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。

TCP 连接释放过程是四报文握手。
★★★★ TCP 连接释放
三次握手：



四次握手：