计算机网络

计算机网络笔记

Posted by jiang on June 29, 2018

网络体系

  • 互联的、自治的计算机系统的集合
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组成:硬件 软件 协议
工作方式:核心部分(路由器) 边缘部分(主机)
功能组成:通信子网 资源子网
  • 功能
    数据通信 资源共享 分布式处理 提高可靠性 负载均衡

  • 分类
    分布范围:广域网 城域网 局域网 个人局域网
    传输技术:广播式网络 点对点网络
    拓扑结构:星形网络 总线型网络 环形网络 网状形网络
    使用者:公用网专用网
    交换技术:电路交换 报文交换 分组网络

  • 标准化组织
    IOS ITU IEEE

  • 性能指标
    带宽 时延

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发送时延=传输时延=分组长度x信道宽度
传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传输速率
处理时延 
排队时延 
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 
  • 时延带宽积
    时延带宽积=传播时延x信道带宽

  • 往返时延

  • 吞吐量 单位时间内通过某个网络的数据量

  • 速率 带宽

网络体系结构与模型

  • 服务数据单元 SDU
  • 协议控制信息 PCI
  • 协议数据单元 PDU
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物理层PDU 比特
链路层PDU 帧
网络层PDU 分组
传输层PDU 报文
  • IOS参考模型
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物理层->数据链路层->网络层->传输层->会话层->表示层->应用层
物理层:数据终端设备DTE,数据通信设备DCE的物理和逻辑连接方法
数据链路层:成帧 差错控制 流量控制 传输管理 SDLC HDLC PPP STP 帧中继
网络层:通信子网的运行控制 IP IPX ICMP IGMP ARP RARP OSPF
传输层:两个进程间通信 TCP UDP
会话层:有序传输数据 建立同步 SYN
表示层:交换信息表示方式 编码 数据结构 数据压缩 加密 解密
应用层:用户与网络的界面 FTP SMTP HTTP
  • TCP/IP模型 ARPA
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网络接口层->网际层->传输层->应用层
网络接口层:物理层+数据链路层 从主机接受IP分组并把它们发送到指定的物理网络上
网际层:分组发送至任何网络 不保证交付 上层保证交付 IP协议
传输层:传输控制协议 用户数据报协议 
应用层:Telnet FTP DNS SMTP HTTP

物理层

  • 数据 信号 码元
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数据:传送信息实体 
信号:数据的电气的或电磁 
码元:固定时长的信号波形 
  • 信源 信道 信宿
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信源:生产和发送数据的源头
信宿:接受数据的终点
信道:信号的传输媒介
单工通信 半双通信 全双工通信
  • 速率 波特 带宽
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速率:数据率 码元传输速率 波特 信息传输速率 
带宽:信号具有的频带
  • 奈氏定理 码元传输速率是受限的 不能任意提高 否则在接收端无法正确判断码元携带的比特是1或0

  • 香农定理 信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)

  • 编码与调制

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调制:数据变换为模拟信号过程 
编码:数据变换为数字信号过程 
数字数据编码为数字信号:非归零码NRZ 曼测试特编码 差分曼彻斯特编码 4B/5B编码
数字数据调制为模拟信号:幅移键控ASK 频移键控FSK 相移键控PSK 正交振幅调制QAM  
模拟数据编码为数字信号:PCM 抽样=>模拟信号周期性扫描,连续信号变换成离散信号 量化=>电平幅值转化对应整数 编码=>二进制码
模拟数据调制为模拟信号:分频复用 高频率 模拟信号 载波信号
  • 电路交换
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建立连接->数据传输->连接施放
优点:通信时延小 有序传输 没有冲突 使用范围广 实时性强 控制简单
缺点:建立连接时间长 线路独占 灵活性差 难以规格化 
  • 报文交换
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报文携带目的地址 源地址信息 交换结点采用存储转发的传输方式
优点:无需建立连接 动态分配线路 提高线路可靠性 提高线路可靠性 提高线路利用率 提供多种目标服务
缺点:转发时延 校验 要求网络结点需要较大的缓存空间
早期的电报通信网中,现在较少使用
  • 分组交换
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存储转发的方式,限制了每次传送的数据块大小的上限
优点:无建立时延 线路利用率高 简化了存储管理 加速传输 减少出错率和重发数据量
缺点:存在传输时延 需要传输额外信息 控制复杂 失序 丢失 重复分组
  • 数据报与虚电路 分组交换的两种方式 对应传输层TCP与UDP

  • 传输介质 双绞线(屏蔽与非屏蔽) 同轴电缆 光纤 无线传输介质

  • 物理层接口特性 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性

物理层设备

  • 中继器
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转发器 将信号整形并放大再转发出去 
5-4-3规则 
放大器 放大模拟信号 将衰减的信号放大 
中继器 放大数字信号 将衰减的信号整形再生
  • 集线器
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多端口的中继器 物理层 放大信号 转发 
是解决从服务器连接到桌面最经济的方案
Hub使用双绞线组件共享网络 共享式网络 半双工下工作 吞吐率受限制
hub不能分割冲突域,一个时钟只能传输一组信息 信息碰撞使得集线器工作效率很差

数据链路层

  • 功能
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1.为网络层提供服务 无确认的无连接服务 有确认的无连接服务 有确认的有链接服务
2.链路管理 
3.帧界定 帧同步 透明传输
4.流量控制 工作速率和缓存空间差异 
5.差错控制 位错:循环冗余校验 自动重传请求ARQ 帧错:定时器和编号机制 

帧组

  • 依据一定规则把网络层递交的分组封装成帧,组帧
  • 主要解决 帧界定 帧同步 透明传输
  • 帧组既需要加首部也需要加尾部
  • 实现
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1.字符计数法
2.字符填充的首尾定界符法
3.比特填充的首尾标志法
4.违规编码法

差错控制

  • 原因:信道所固有的、持续存在的随机热噪声;由于外界特定短暂原因所造成的冲击噪声。
  • 检错编码
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1.奇偶校验码
2.循环冗余码
  • 纠错编码 海明编码

流量控制与可靠传输机制

  • 流量控制、可靠传输 滑动窗口机制
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1.停止-等待流量控制基本原理
2.滑动窗口流量控制基本原理
接受方滑动窗口向前滑动时发送窗口才有可能向前滑动
从滑动窗口看,停止-等待协议、后退N帧协议 选择重传协议 只是在滑动窗口大小上有所差别
当滑动窗口大小为1时,可保证帧的有序接受
数据链路层的滑动窗口协议中,窗口大小在传输过程中是固定的
3.可靠传输机制 确认和超时重传机制完成 
  • 单帧滑动窗口与停止-等待协议
  • 多帧滑动窗口与后退N帧协议GBN
  • 多帧滑动窗口与选择重传协议SR
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信道效率=信道利用率=(L/C)/T 发送L比特数据 发送发数据传输率C T为一个发送周期
信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率

介质访问控制

  • 信道划分介质访问控制 medium access control MAC
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作用:使用介质的每个结点隔离来自同一信道上的其他结点所传的信号
方法:
1.信道划分介质访问控制 静态划分
  频分多路复用 FDM 将多个基带信号调制到不同频率载波上在进行叠加形成一个复合信号。
  时分多路复用 TDM 将一条物理信道按时间分成若干个时间片,轮流地分配给多个信号使用。
  波分多路复用 WDM 光的频分多路复用,在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号,波长不同所有各路信号互不干扰。
  码分多路复用 CDM 靠不同编码来区分各路原始信号的一种方式。共享信道频率 共享时间。
  码分多址 CDMA 每比特被分成m个更短的时间槽 芯片 A站向C站发出的信号用一向量表示,B站向C站发出的信号用另一个向量表示,两个向量要求相互正交。向量中的分量就是所谓的chip。频谱利用率高,抗干扰能力强,保密性强,语音质量好等优点。
2.随机访问介质访问控制 静态划分
  每个用户同时发送信息,产生帧冲突。为了解决帧冲突,每个用户按照一定规则反复的重传它的帧,直到帧无碰撞通过。
ALOHA,CSMA/CD,CSMA/CA 胜利者通过争用获得信道,从而获得信息的发送权。
  纯ALOHA:当网络中任何一个站点需要发送数据时,可以不进行任何检测就发送数据。
  时隙ALOHA:把所有各站在时间上都同步起来,并将时间划分一段段等长的时隙,减少用户随意性,减少冲突。
  CSMA:载波侦听多路访问,1-坚持CSMA;非坚持CSMA;p-坚持CSMA;
  CSMA/CD:载波侦听多路访问/碰撞检测 先听后发,边听边发,冲突停发,随机重发。
  CSMA/CA:载波侦听多路访问/碰撞避免 预约信道,ACK帧,RTS/CTS帧 
3.轮询访问介质访问控制 动态分配信道
  在轮询访问中,用户不能随机发送信息,而是通过一个集中控制的监控站,以循环的方式轮询每个站点,在决定信道分配。令牌环局域网。

局域网

  • 基本概念与体系结构
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局域网特性:拓扑结构,传输介质,介质访问控制方式
拓扑结构:星型结构 环形结构 总线型结构 星型结构与总线型复合型结构
以太网:总线型
令牌环:环形结构
FDDI(光纤分布数字接口):环形结构
  • 以太网与IEEE 802.3
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IEEE 802.3是描述物理层与数据链路层的mac子层的实现方法。
以太网:是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网。但DIX Ethernet V2标准与IEEE802.3只有很小差别,因此将802.3局域网称为以太网。
以太网的传播介质与网卡:粗缆 细缆 双绞线 光纤 
10BASE5 10BASE2 10BASE-T 10BASE-FL
mac地址唯一 adapter nic(network interface card)
以太网的mac帧:DIX Ethernet V2 IEEE802.3
高速以太网:100BASE-T 吉比特以太网 10吉比特以太网 
  • IEEE 802.11
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有固定基础设施无线局域网:
无固定基础设施无线局域网自组织网络:
  • 令牌环网的基本原理
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TCU
分布式控制模式基本方法
过程:1.空闲时,令牌帧循环传递 2.令牌传递到发送站点出,修改令牌的标志位 3.数据帧环路传递 4.传送完成后重新生成令牌,交出媒体访问权 
物理上星型拓扑结构 逻辑上环形拓扑结构

广域网

  • 基本概念
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局域网协议主要在数据链路层 路由器 广域网协议主要在网络层 交换机
数据链路层协议:PPP协议 HDLC协议
  • PPP协议
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使用串行线路通信的面向字节协议
组成:数据链路层协议LCP 网络控制协议NCP 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
PPP帧格式:首部 IP数据报 尾部 
不可靠传输协议 不提供差错检测 只保证无擦错接收
  • HDLC协议
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高级数据链路控制 
面向比特的数据链路层协议
0比特插入法
非平衡配置 平衡配置
站:主站 从站 复合站
数据操作方式:正常响应方式 异步平衡方式 异步响应方式
HDLC帧:标志F 透明传输区间 标志F

数据链路层设备

  • 网桥
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    网桥工作在链路层的mac子层
    透明网桥 自学习算法处理接收帧 生成树算法 
    源路由网桥 不透明
    发送帧往返时间最短的路由,不是最少经过路由器最少的路由
    
  • 局域网交换机及其工作原理
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桥接器主要限制是在一时刻通常只能执行一个帧的转发操作,于是出现局域网交换机 以太网交换机
局域网交换机 一个多端口的网桥 
VLAN
原理 检测从以太网端口来的数据帧的源目的地和目的地的MAC地址,然后与系统内部的动态查找表进行比较,若数据帧的mac地址不在查找表中,则将该地址加入查找表中,并将数据帧发送给相应的目的端口。
特点 每个端口直连单个主机 即插即用设备 使用了专用的交换结构芯片(交换速率较高) 独占传输媒体的带宽
直通式 存储转发式
直通式只检测帧的目的地 速度快,缺乏安全性
存储转发式 先将接受到的帧缓存到高速缓存器中,并检查数据是否正确,确认无误后通过查找表转换输出端口将该帧发送出去。 速度慢 安全 可靠性高

网络层

  • 网络层功能
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异构网络互联 中继系统 中间系统
    物理层中继系统:中继器 集线器 
    数据链路层中继系统:网桥 交换机
    网络层中继系统:路由器
    网络层以上中继系统:网关
路由与转发
    路由选择:分布式算法 根据各个相邻的路由器得到关于整个网络拓扑的变化情况,动态的改变所选择的路由。
    分组转发:路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去
阻塞控制:
    判断网络是否进入拥塞状态的方法是观察网络的吞吐量与网络负载的关系。轻度拥塞,拥塞状态,死锁状态
    拥塞控制方法:开环控制(设计网络时先将有关方法拥塞的意思考虑周全,静态的预防方法) 闭环控制(闭环控制是基于反馈环路,动态方法)

路由算法

  • 静态路由算法与动态路由

  • 距离-向量路由算法

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所有的结点都定期地将他们的整个路由选择表传送给所有与之直接相邻的结点。
每条路径的目的地
路径代价 距离
  • 链路状态路由算法
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要求参与该算法的结点都有完全的网络拓扑信息。
本自治系统
广播的方式与所有其他结点交谈。
OSPF:费用 距离 时延 带宽
Dijsktra最短路径算法
泛洪法
  • 层次路由
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内部网关协议 IGP 域内路由选择
RIP OSPF
外部网关协议 EGP 域间路由选择
BGP

IPv4

  • IPv4格式
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1.首部 数据部分
2.版本 首部长度 总长度 标识 标志 片偏移 首部校验和 生存时间TTL 协议 源地址字段 目的地字段 
3.IP数据报分片(最大传输单元 MTU)
4.网络层转发分组的流程
  • IPv4地址
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A B C D E
网络号:主机号
1.主机号全为0表示本网络本身
2.主机号全为1表示本网络的广播地址
3.127.0.0.0环路自检
4.32位全0,0.0.0.0表示本网络上的本主机
5.32位全1,表示TCP/IP网络的广播地址,受限广播地址
使用范围:最大可用网络数 第一个可用网络号 最后一个可用网络号 每个网络中的最大主机数
  • 网络地址转换 NAT
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通过将专用网络地址转换为公用地址,从而对外隐藏内部管理的IP地址。
私有IP地址网段:
A:10.0.0.0~10.255.255.255
B:172.16.0.0~172.31.255.255
C:192.168.0.0~192.168.255.255
  • 子网
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1.子网划分 
2.子网掩码
3.CIDR无分类编址
路由聚合
最长前缀匹配
  • 协议
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1.IP地址与硬件地址 MAC IP
2.地址解析协议 ARP 网络层
3.动态主机配置DHCP 应用层 UDP
4.网际控制报文协议 ICMP IP层协议

IPv6

  • 特点
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    首部 
    层次 
    安全 
    地址空间
    
  • IPv6地址
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单播
多播
任播

路由协议

  • 自治系统

  • 域内路由与域间路由

  • RIP路由协议

  • OSPF路由协议

  • BGP路由协议

IP组播

  • 组播概念
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UDP
  • IP组播地址
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D类地址格式
  • IGMP协议与组播路由算法
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以源主机为根节点的组播转发树

移动IP

  • 概念
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移动结点 永久IP结点
归属代理
外部代理
  • 通信过程
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本地网 TCP/IP方式通信
漫游  本地代理
主地址 辅地址

网络层设备

  • 路由器的组成和功能
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路由选择
分组转发
  • 路由表与路由转发
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标准路由表:目的网络IP地址 子网掩码 下一跳IP地址 接口

传输层

  • 传输层服务
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功能
1.进程通信 端到端通信 网络层提供的是主机之间的逻辑通信
2.分用和复用 
3.差错检测
4.TCP UDP
  • 传输层寻址和端口
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1.端口的作用
2.端口号
3.套接字
  • TCP与UDP
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tcp
消耗:确认 流量控制 计时器 连接管理 
场合:文件传输协议FTP 超文本传输协议HTTP 远程登录TELNET
udp
消耗:多路复用 数据检查
场合:小文件传送协议TFTP DNS SNMP RTP

UDP协议

  • UDP数据报
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概念特性:
    无需链接
    无状态
    分组首部开销小
    应用层更好的控制要发送的数据和时间
首部格式:
    源端口
    目的端口
    长度
    数据(可选)
  • UDP校验
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伪首部 
UDP是把首部和数据部分一起校验
流程

TCP协议

  • 特点
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面向链接
两个端点
可靠交付
全双工
面向字节流
  • 报文段
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首部和数据
源端口和目的端口
序号字段
确认号字段
数据偏移
保留字段
紧急位URG
确认位ACK
推送位PSH
复位位RST
同步位SYN
终止位FIN
窗口字段
检验和
紧急指针字段
选项字段
填充字段
  • TCP链接管理
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1.链接建立 三次握手
2.链接施放 四次挥手
  • TCP可靠传输
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1.序号
2.确认 期望收到对方的下一个报文段的数据的序号
3.重传 超时和冗余ACK
  • TCP流量控制
1
2
窗口字段
rwnd cwnd
  • 拥塞控制
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防止过多的数据注入网络
慢开始和拥塞避免
拥塞处理
快重传和快恢复

小结

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1.MSS设置太大或者太小有什么影响?
2.为什么不采用三次握手施放链接,且发送最后一次握手报文要等待2msl的时间?
3.如何判定确认报文是对原来报文确认还是对重传报文的确认?
4.TCP使用的是GBN还是选择重传呢?
5.为什么超时时间发生时cwnd被置为1,而收到3个冗余ACK时cwnd减半?
6.是否TCP和UDP都需要计算往返时间RTT?
7.为什么TCP建立连接时不能每次都选择相同、固定的初始序号?
8.TCP可靠传输是否多余?

应用层

网络应用模型

  • C/S模型
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低位不平等
客户机之间不直接通信
可扩展性不强

web ftp 远程登录 电子邮件
  • P2P模型
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减轻服务器压力
客户机可以直接共享文档
可扩展性好
网络健壮

DNS系统

  • 层次域名空间
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英文不区分大小写 63个字符 -字符可用
顶级域名
通用域名
基础结构域名
  • 域名服务器
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根域名服务器
顶级域名服务器
授权域名服务器
本地域名服务器

-域名解析过程

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正向解析:把域名映射称为IP地址
反向解析:把IP地址映射域名
主机地址向本地域名服务器查询 递归
本地域名服务器向根域名服务器查询 迭代查询

文件传输协议 FTP

  • 工作原理
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21端口
TCP协议
  • 控制链接与数据链接
1
2
分离的控制链接
带外传送

电子邮件

  • 组成结构
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POP3 IMAP SMTP
用户代理UA
  • 格式与MIME
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格式
多用途网际邮件扩充 
1.首部字段:MIME版本 内容描述 内容标识 内容传送编码 内容类型
2.更多的邮件格式
3.传送编码
  • SMTP协议与POP3协议
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简单传输协议
    建立连接 邮件传送 连接释放
    25端口
    tcp
POP3:
    110
    tcp
    读取协议
    pull   

万维网

  • www的概念与结构
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URL
HTTP
HTML
  • http
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操作过程:
    1.url
    2.浏览器向DNS请求url的ip地址
    3.dns解析ip地址
    4.浏览器与服务器建立连接
    5.浏览器get请求
    6.服务器响应请求
    7.tcp连接释放
    8.浏览器解析html
特点:
    无连接
报文结构:
    面向文本
请求报文 请求行 首部行 实用主体
响应报文 状态行 首部行 实用主体
方法:get head post connect