网络基础知识-TCP/IP协议各层详解

Posted 2021-03-06 tu240302975

TCP/IP简介

　　虽然大家现在对互联网很熟悉，但是计算机网络的出现比互联网要早很多。

　　计算机为了联网，就必须规定通信协议，早期的计算机网络，都是由各厂商自己规定一套协议，IBM、Apple和Microsoft都有各自的网络协议，互不兼容，这就好比一群人有的说英语，有的说中文，有的说德语，说同一种语言的人可以交流，不同的语言之间就不行了。

　　为了把全世界的所有不同类型的计算机都连接起来，就必须规定一套全球通用的协议，为了实现互联网这个目标，互联网协议簇（Internet Protocol Suite）就是通用协议标准。Internet是由inter和net两个单词组合起来的，原意就是连接“网络”的网络，有了Internet，任何私有网络，只要支持这个协议，就可以联入互联网。

　　因为互联网协议包含了上百种协议标准，但是最重要的两个协议是TCP和IP协议，所以，大家把互联网的协议简称TCP/IP协议。

　　通信的时候，双方必须知道对方的标识，好比发邮件必须知道对方的邮件地址。互联网上每个计算机的唯一标识就是IP地址，类似123.123.123.123。如果一台计算机同时接入到两个或更多的网络，比如路由器，它就会有两个或多个IP地址，所以，IP地址对应的实际上是计算机的网络接口，通常是网卡。

　　IP协议负责把数据从一台计算机通过网络发送到另一台计算机。数据被分割成一小块一小块，然后通过IP包发送出去。由于互联网链路复杂，两台计算机之间经常有多条线路，因此，路由器就负责决定如何把一个IP包转发出去。IP包的特点是按块发送，途径多个路由，但不保证能到达，也不保证顺序到达。

　　IP地址实际上是一个32位整数（称为IPv4），以字符串表示的IP地址如192.168.0.1实际上是把32位整数按8位分组后的数字表示，目的是便于阅读。

　　IPv6地址实际上是一个128位整数，它是目前使用的IPv4的升级版，以字符串表示类似于　　　　　　2001:0db8:85a3:0042:1000:8a2e:0370:7334。

　　TCP协议则是建立在IP协议之上的。TCP协议负责在两台计算机之间建立可靠连接，保证数据包按顺序到达。TCP协议会通过握手建立连接，然后，对每个IP包编号，确保对方按顺序收到，如果包丢掉了，就自动重发。

　　许多常用的更高级的协议都是建立在TCP协议基础上的，比如用于浏览器的HTTP协议、发送邮件的SMTP协议等。

　　一个IP包除了包含要传输的数据外，还包含源IP地址和目标IP地址，源端口和目标端口。

　　端口有什么作用？在两台计算机通信时，只发IP地址是不够的，因为同一台计算机上跑着多个网络程序。一个IP包来了之后，到底是交给浏览器还是QQ，就需要端口号来区分。每个网络程序都向操作系统申请唯一的端口号，这样，两个进程在两台计算机之间建立网络连接就需要各自的IP地址和各自的端口号。

一个进程也可能同时与多个计算机建立链接，因此它会申请很多端口。

 

TCP/IP详解

　　TCP/IP协议毫无疑问是互联网的基础协议，没有它就根本不可能上网，任何和互联网有关的操作都离不开TCP/IP协议。不管是OSI七层模型还是TCP/IP的四层、五层模型，每一层中都要自己的专属协议，完成自己相应的工作以及与上下层级之间进行沟通。由于OSI七层模型为网络的标准层次划分，所以我们以OSI七层模型为例从下向上进行一一介绍。

 

tcp/ip是个协议组，它可以分为4个层次，即网路接口层，网络层，传输层，以及应用层，

在网络层有IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议。

在传输层有TCP，UDP协议

而在应用层有HTTP，FTP，DNS等协议

因此HTTP本身就是一个协议，是从WEB服务器端传输超文本，到本地浏览器的一个传输协议

下面我们用一张图来准确形象的表示：

 

OSI模型

　　OSI/RM协议是由ISO（国际标准化组织）制定的，它需要三个基本的功能：提供给开发者一个休息的，通用的概念以便开发完善，可以用来解释连接不同系统的框架。

　　OSI模型定义了不同计算机互联的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。OSI模型把网络通信的基本框架工作分为7层，分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。下面详细介绍。

(1)物理层(Physical Layer)

物理层由来：上面提到，孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网
 
物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

　　物理层是OSI参考模型的最低层，它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。它主要关心的是通过物理链路从一个节点向另一个节点传送比特流，物理链路可能是铜线、卫星、微波或其他的通讯媒介。它关心的问题有：多少伏电压代表1？多少伏电压代表0？时钟速率是多少？采用全双工还是半双工传输？总的来说物理层关心的是链路的机械、电气、功能和规程特性。

 

(2)数据链路层(Data Link Layer)

数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思
 
数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

数据链路层是为网络层提供服务的，解决两个相邻结点之间的通信问题，传送的协议数据单元称为数据帧。

数据帧中包含物理地址（又称MAC地址）、控制码、数据及校验码等信息。该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。

此外，数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。

两个重要设备名称：网桥和交换机。

　　以太网协议：

早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了同意的标准，即以太网协议ethernet

ethernet规定
　　一组电信号构成一个数据包，叫做帧
　　每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

head包括（固定18个字节）

• 发送者/源地址，6个字节
• 接收者/目标地址，6个字节
• 数据类型，6个字节

data包括（最短46字节，最长1500字节）

• 数据包的具体内容

head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

mac地址：

　　head中包括的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址

　　mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

广播：

　　有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）

　　ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼

(3)网络层(Network Layer)

　　网络层是为传输层提供服务的，传送的协议数据单元称为数据包或分组。该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地。另外，为避免通信子网中出现过多的数据包而造成网络阻塞，需要对流入的数据包数量进行控制（拥塞控制）。当数据包要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。

网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，

问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，
那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难

　　上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，

　　就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关

　　网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址

IP协议：

• 规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示
• 范围0.0.0.0-255.255.255.255
• 一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1

子网划分的具体内容请看博客：http://www.cnblogs.com/wj-1314/p/8302473.html

子网掩码：　　

　　所谓“子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数，它在形式上等同于IP地址，也就是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。

　　比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

　　子网掩码是用来标识一个IP地址的那些位是代表网络位，以及那些位代表主机位。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分为网络地址和主机地址两部分。

蒙蔽的你肯定想问，我要区分网络位和主机位干鬼用？
 
这就像寄信，你给你的南方姑娘寄信，她肉身在厦门，详细地址是厦门鼓浪屿三街27号，那网络位就相当于城市，详细地址就是主机位，网络位帮你定位到城市，主机位帮你找到你的南方姑娘。 
路由器通过子网掩码来确定哪些是网络位，哪些是主机位

 

区分网络位和主机位是为了划分子网，就是把一个大网络分成多个小网络，为什么要分子网呢？

• 广播风暴：6万台主机在一个网段里，通信基本靠吼，任何一个人要吼一嗓子，6万多个人必须被动听着，一会你的网络就瘫痪啦。
• 地址浪费：运营商在公网上有很多级联的路由器，有时候2个路由器之间只会用掉几个IP,如果不进行子网划分，那同网段的其它主机也就都不能用了。举例两个级联路由器的接口ip分别为222.34.24.12/24,222.34.24.13/24, 此可承载255个主机的网段只用了2个IP,那其它的就全浪费了，因为不能再分配给别人。

 划分子网本质上就是借主机位到给网络位，每借一位主机位，这个网段的可分配主机就会越少，比如192.168.1.0/24可用主机255个，借一位变成192.168.1.0/25，那可用主机就从255-128=127个了（从最大的值开始借），再借一位192.168.1.0/26,那可用主机数就变成了255-(128+64)=63个啦

IP地址分类：

　　IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。

1. A类IP地址：一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”， 地址范围从1.0.0.0 到126.0.0.0。可用的A类网络有126个，每个网络能容纳1亿多个主机。
2. B类IP地址 ：一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B类网络有16382个，每个网络能容纳6万多个主机 。
3. C类IP地址：一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围从192.0.0.0到223.255.255.255。C类网络可达209万余个，每个网络能容纳254个主机。
4. D类地址用于多点广播（Multicast）： D类IP地址第一个字节以“lll0”开始，它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（Multicast）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。
5. E类IP地址 以“llll0”开始，为将来使用保留。

全零（“0．0．0．0”）地址对应于当前主机。全“1”的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址。
 
回环地址(127.0.0.1) 又称为本机地址，那它跟0.0.0.0是什么区别呢？那得先了解回环接口

环回接口（loopback）

平时我们用127.0.0.1来尝试自己的机器服务器好使不好使。走的就是这个loopback接口。对于环回接口，有如下三点值得注意:

• 传给环回地址（一般是127.0.0.1）的任何数据均作为IP输入。
• 传给广播地址或多播地址的数据报复制一份传给环回接口，然后送到以太网上。这是 因为广播传送和多播传送的定义包含主机本身。
• 任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

IP报文：

　　IP协议是TCP/IP协议的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGCP的数据都以IP数据格式传输，要注意的是，IP不是可靠的协议，这是说，IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制－－这被认为是上层协议－－TCP或UDP要做的事情。所以这也就出现了TCP是一个可靠的协议，而UDP就没有那么可靠的区别。这是后话，暂且不提。

IP协议头：

　　挨个解释它是教科书的活计，我感兴趣的只是那八位的TTL字段，还记得这个字段是做什么的么？这个字段规定该数据包在穿过多少个路由之后才会被抛弃(这里就体现出来IP协议包的不可靠性，它不保证数据被送达)，某个ip数据包每穿过一个路由器，该数据包的TTL数值就会减少1，当该数据包的TTL成为零，它就会被自动抛弃。这个字段的最大值也就是255，也就是说一个协议包也就在路由器里面穿行255次就会被抛弃了，根据系统的不同，这个数字也不一样，一般是32或者是64。

ARP协议：

　　arp协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到

　　通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议

　　arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

　　协议工作方式：每台主机ip都是已知的

　　例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

一，首先通过IP地址和子网掩码区分出自己所处的子网

场景	数据包地址
同一子网	目标主机mac，目标主机IP
不同子网	网管mac，目标主机IP

二，分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

	源mac	目标mac	源ip	目标ip	数据部分
发送端主机	发送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10/24	172.16.10.11/24	数据

三：这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac

查看本机arp表的命令

命令窗孔（请输入）： arp -a
? (192.168.0.3) at 0:21:cc:65:52:f0 on en4 ifscope [ethernet]
? (192.168.0.64) at 68:f7:28:d0:4b:21 on en4 ifscope [ethernet]
? (192.168.0.233) at 84:d9:31:3:ae:8b on en4 ifscope [ethernet]
? (192.168.0.254) at 60:da:83:be:c2:5a on en4 ifscope [ethernet]
? (192.168.0.255) at (incomplete) on en4 ifscope [ethernet]
? (224.0.0.251) at 1:0:5e:0:0:fb on en4 ifscope permanent [ethernet]

ICMP(网络控制报文)协议

　　前面讲到了，IP协议并不是一个可靠的协议，它不保证数据被送达，那么，自然的，保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成。其中一个重要的模块就是ICMP(网络控制报文)协议。

　　当传送IP数据包发生错误－－比如主机不可达，路由不可达等等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会.

　　我们一般主要用ICMP协议检测网络是否通畅，基于ICMP协议的工具主要有ping 和traceroute

ping

（输入命令）$ ping www.baidu.com
PING www.a.shifen.com (111.13.100.91): 56 data bytes
64 bytes from 111.13.100.91: icmp_seq=0 ttl=54 time=6.563 ms
64 bytes from 111.13.100.91: icmp_seq=1 ttl=54 time=6.320 ms
64 bytes from 111.13.100.91: icmp_seq=2 ttl=54 time=6.698 ms
64 bytes from 111.13.100.91: icmp_seq=3 ttl=54 time=6.445 ms
^C
--- www.a.shifen.com ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 6.320/6.506/6.698/0.140 ms

　　ping这个单词源自声纳定位，而这个程序的作用也确实如此，它利用ICMP协议包来侦测另一个主机是否可达。原理是用类型码为0的ICMP发请 求，受到请求的主机则用类型码为8的ICMP回应。ping程序来计算间隔时间，并计算有多少个包被送达。用户就可以判断网络大致的情况。我们可以看到， ping给出来了传送的时间和TTL的数据。

traceroute

用来查看从当前主机到某地址一共经过多少跳路由

$ traceroute www.baidu.com
 
traceroute: Warning: www.baidu.com has multiple addresses; using 111.13.100.91
traceroute to www.a.shifen.com (111.13.100.91), 64 hops max, 52 byte packets
 1  192.168.0.254 (192.168.0.254)  0.458 ms  0.274 ms  0.246 ms
 2  122.71.64.1 (122.71.64.1)  2.006 ms  1.788 ms  1.626 ms
 3  * 222.35.254.253 (222.35.254.253)  2.024 ms  2.243 ms
 4  222.35.254.241 (222.35.254.241)  9.333 ms
    61.233.9.50 (61.233.9.50)  4.960 ms
    61.233.9.93 (61.233.9.93)  3.010 ms
 5  61.237.2.202 (61.237.2.202)  3.442 ms  3.497 ms
 
 ......

(4)传输层(Transport Layer)

　　传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。

传输层传送的协议数据单元称为段或报文。

 

传输层的由来：网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，迅雷等多个应用程序，

那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序呢？答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

传输层功能：建立端口到端口的通信

补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

传输层有两种协议，TCP和UDP,见下图

TCP协议

　　可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

以太网头

ip头

tcp头

数据

为什么tcp是可靠的数据传输呢？
 
最可靠的方式就是只要不得到确认，就重新发送数据报，直到得到对方的确认为止。

tcp报文

UDP协议

不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

以太网头

ip头

UDP头

数据

总结

　　TCP协议虽然安全性很高，但是网络开销大，而UDP协议虽然没有提供安全机制，但是网络开销小，在现在这个网络安全已经相对较高的情况下，为了保证传输的速率，我们一般还是会优先考虑UDP协议！

(5)会话层(Session Layer)

　　会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。例如，一个交互的用户会话以登录到计算机开始，以注销结束。

(6)表示层(Presentation Layer)

　　表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。

(7)应用层(Application Layer)

　　应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等。

打个比方

7应用层：老板
6表示层：相当于公司中演示文稿，替老板写信的助理
5会话层：相当于公司中收寄信，写信封与拆信封的秘书
4传输层：相当于公司跑邮局的送信职员
3网络层：相当于邮局的排序工人
2数据链路层：相当于有局中的装拆箱工人
1 物理层：相当于邮局中的搬运工人

　　为了方便起见，我们常常把上面的7个层次分为低层与高层。低层为1~4层，是面向通信的，高层为5~7层，是面向信息处理的。

 

网络通信三要素

1：IP地址

　　（1）：用来标识网络上一台独立的主机

　　（2）：IP地址=网络地址+主机地址（网络号：用于识别主机所在的网络或者网段；主机号：用于识别该网络中的主机）

　　（3）：特殊的IP地址：127.0.0.1（本地回环地址，保留地址，点分十进制），可用于简单的测试网卡是否故障，表示本机

2：端口

　　要将数据发送到对方指定的应用程序上，为了标识这些应用程序，所以给这些网络应用程序都用数字进行标识，为了方便称呼这些数字，则将这些数字称为端口。（此端口称为一个逻辑端口）

3：传输协议

（1）UDP：user datagram protocol（用户数据报协议）

　　特点：

　　　　1：面向无连接：传输数据之前源端和目的端不需要建立连接

　　　　2：每个数据报的大小都限制在64k（8个字节）以内

　　　　3：面向报文的不可靠协议（即发出去的数据不一定会接收到）

　　　　4：传输速率快，效率高

　　　　5：现实生活实例：邮局寄件，实时在线聊天，视频协议等等

（2）TCP：transmission control protocol（传输控制协议）

 　　特点：

　　　　1：面向连接：传输数据之前需要建立连接

　　　　2：在连接过程中进行大量的数据传输

　　　　3：通过“三次握手”的方式完成连接，是安全可靠的协议

　　　　4：传输效率低，速度慢