网络模型的基本理论

Posted 2020-06-08

基本概念

局域网：覆盖范围小，网线长度一般在100米以内。带宽固定。链路自己买设备维护。

广域网：距离比较远。花钱租带宽。链路由其他人管理。

ISP：电信运营商。

路由器：类似于一个网卡，需要一个IP，用于连接其他网段的设备。

网关：局域网内的机器连接为了连接其他网段所指定的设备的IP。

mac地址：物理地址。

 

OSI参考模型

分层是软件领域中常见的思想。著名的OSI分层模型，上层依赖下层，下层为上层服务。应用层为用户服务。

名称	说明
应用层	所能产生网络流量的程序。
表示层	传输前加密处理，或压缩处理。
会话层	可以理解成是一种TCP连接。
传输层	提供可靠传输或不可靠的传输，提供流量控制。
网络层	负责选择最佳路径，规划IP地址。
数据链路层	定义帧的开始和结束，透明传输，差错校验，但不纠正。
物理层	物理层为数据端设备提供传送数据的通路。定义了网络设备的接口标准，电器标准，线路速率。

 

 

TCP/IP协议和OSI参考模型

TCP/IP协议指的其实是指一组协议。

 

 

数据封装（Data Encapsulation）

数据发送时，更具ISO七层模型或者TCP/IP四层模型，数据由上层向下层，逐层对数据就行封装。

• 四层，协议层传输的是数据报文，主要是协议格式。
• 三层，网络层传输的是数据包，包含数据报文，并且增加传输使用的IP地址等三层信息。
• 二层，数据链路层传输的是数据帧，包含数据包，并且增加相应MAC地址与二层信息。

数据接收的时候，下层向上层解封装。封包与解包的过程非常类似与现实生活中的邮寄。邮寄物品需要将物品包装，并写上发信人和收件人。

 

 

PDU（Protocol Data Unit）

协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）是指对等层次之间传递的数据单位。

• 应用程序层次的PDU是报文（Message）
• 传输层的 PDU是数据段（Segment）
• 网络层的PDU是数据包（Packet）
• 数据链路层的 PDU是数据帧（Frame）
• 物理层的 PDU是数据位（Bit）

 

报文（Message）

站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。

 

数据段（Segment）

传输层中，报文数据将被分段，每段数据被添加TCP报头（包含源端口，目的端口，顺序号等），形成数据段。

分段的原因：

（A）可同时多个应用程序发送数据。

（B）数据包过大产生错误时，还需重新传送，即占带快又占时间，小数据包对数据流影响就小很多。

（C）各种网络传输介质有其最大的传输单元限制，不允许在网络上出现巨大的数据包。

 

数据报（Datagram）

面向无连接的数据传输，工作过程类似于报文交换。采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。

通过网络传输的数据的基本单元，包含一个报头（header）和数据本身，其中报头描述了数据的目的地以及和其它数据之间的关系。可以理解为传输数据的分组。我们将通过网络传输的数据的基本单元称为数据报。

 

数据包（Packet）

网络层中，数据段被添加IP报头（包含源IP地址，目的IP地址），形成数据包。

 

数据帧（frame）

数据链路层中，在数据包的包首添加了数据MAC报头（包含源MAC地址和目的MAC地址），在数据包的包尾添加帧校验位（侦校验:Frame Check Sequence，简称FCS），形成数据帧。

 

 

交换机对数据帧的处理

交换机接收到数据流后根据发送过来的数据帧的MAC地址查找目的主机。如发现将数据发送给目的主机。转发过程不改变数据帧结构。

 

目的主机接收到数据帧的操作

当目的主机接收到数据帧后对比目的MAC，如是发送给自己的，则拆去数据帧头，发往网络层，网络层对比目的IP，如相同则拆包发往传输层，传输层再对比目的端口，确认相同则拆去数据段交给应用程进行数据组装。

 

 

 

TCP分段与IP分片

TCP分段和IP分片，工作在不同的层中。

区别：

• IP分片产生的原因是网络层的MTU；TCP分段产生原因是MSS。
• IP分片由网络层完成，也在网络层进行重组；TCP分段是在传输层完成，并在传输层进行重组。
• 对于以太网，MSS为1460字节，而MUT往往会大于MSS。

故采用TCP协议进行数据传输，是不会造成IP分片的。若数据过大，只会在传输层进行数据分段，到了IP层就不用分片。IP分片通常是由于UDP传输协议造成的，因为UDP传输协议并未限定传输数据报的大小。

 

 

PDU报文头格式

UDP头

/*
    UDP头定义，共8个字节
*/
typedef struct _UDP_HEADER
{
    unsigned short m_usSourPort;        // 源端口号16bit
    unsigned short m_usDestPort;        // 目的端口号16bit
    unsigned short m_usLength;           // 数据包长度16bit
    unsigned short m_usCheckSum;      // 校验和16bit
}__attribute__((packed))UDP_HEADER, *PUDP_HEADER;

 

 

TCP头

/*
    TCP头定义，共20个字节
*/
typedef struct _TCP_HEADER
{
    short m_sSourPort;                            // 源端口号16bit
    short m_sDestPort;                            // 目的端口号16bit
    unsigned int m_uiSequNum;              // 序列号32bit
    unsigned int m_uiAcknowledgeNum;  // 确认号32bit
    short m_sHeaderLenAndFlag;             // 前4位：TCP头长度；中6位：保留；后6位：标志位
    short m_sWindowSize;                       // 窗口大小16bit
    short m_sCheckSum;                         // 检验和16bit
    short m_surgentPointer;                    // 紧急数据偏移量16bit
}__attribute__((packed))TCP_HEADER, *PTCP_HEADER;


/*
    TCP头中的选项定义。
    kind(8bit)+Length(8bit，整个选项的长度，包含前两部分)+内容(如果有的话)
KIND = 1 表示 无操作NOP，无后面的部分
            2 表示 maximum segment   后面的LENGTH就是maximum segment选项的长度（以byte为单位，1+1+内容部分长度）
            3 表示 windows scale     后面的LENGTH就是 windows scale选项的长度（以byte为单位，1+1+内容部分长度）
            4 表示 SACK permitted    LENGTH为2，没有内容部分
            5 表示这是一个SACK包     LENGTH为2，没有内容部分
            8 表示时间戳，LENGTH为10，含8个字节的时间戳
*/
typedef struct _TCP_OPTIONS
{
    char m_ckind;
    char m_cLength;
    char m_cContext[32];
}__attribute__((packed))TCP_OPTIONS, *PTCP_OPTIONS;

 

 

IP头

/*
    IP头定义，共20个字节
*/
typedef struct _IP_HEADER
{
    char m_cVersionAndHeaderLen;      // 版本信息(前4位)，头长度(后4位)
    char m_cTypeOfService;                  // 服务类型8位
    short m_sTotalLenOfPacket;            // 数据包长度
    short m_sPacketID;                        // 数据包标识
    short m_sSliceinfo;                         // 分片使用
    char m_cTTL;                                 // 存活时间
    char m_cTypeOfProtocol;                // 协议类型
    short m_sCheckSum;                     // 校验和
    unsigned int m_uiSourIp;               // 源ip
    unsigned int m_uiDestIp;               // 目的ip
} __attribute__((packed))IP_HEADER, *PIP_HEADER ;

 

 

MAC头

/*
    数据帧定义，头14个字节，尾4个字节
*/
typedef struct _MAC_FRAME_HEADER
{
    char m_cDstMacAddress[6];    //目的mac地址
    char m_cSrcMacAddress[6];    //源mac地址
    short m_cType;                      //上一层协议类型，如0x0800代表上一层是IP协议，0x0806为arp
}__attribute__((packed))MAC_FRAME_HEADER,*PMAC_FRAME_HEADER;

typedef struct _MAC_FRAME_TAIL
{
    unsigned int m_sCheckSum;    //数据帧尾校验和
}__attribute__((packed))MAC_FRAME_TAIL, *PMAC_FRAME_TAIL;

 

 

 

TCP三次握手与四次握手

建立TCP连接——三次握手

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。

建立TCP连接，并同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息.在socket编程中，客户端执行connect()时。将触发三次握手。

第一次握手：客户端发送一个TCP的SYN标志位置1的包指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号X，保存在包头的序列号(Sequence Number)字段里。

 

第二次握手：服务器发回确认包(ACK)应答。即SYN标志位和ACK标志位均为1同时，将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的I S N加1以.即X+1。

 

第三次握手：客户端再次发送确认包(ACK) SYN标志位为0，ACK标志位为1。并且把服务器发来ACK的序号字段+1，放在确定字段中发送给对方。并且在数据段放写ISN的+1。

 

 

释放TCP连接——四次挥手

TCP的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在socket编程中，任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。