初识网络协议

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-12-22 06:12 142阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  网络协议
 *   *  前言
     *  概念
     *  组成要素
     *  层次划分
     *  TCP/IP五层模型详解
     *   *  物理层
         *  数据链路层
         *  网络层
         *  传输层
         *  应用层
     *  网络通信实现
     *  具体的网络协议
     *   *  TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）
         *  HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）

# 网络协议 #

## 前言 ##

> 网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。  
> 对等实体通常是指计算机网络体系结构中处于相同层次的信息单元。一般系统网络协议包括五个部分：通信环境，传输服务，词汇表，信息的编码格式，时序、规则和过程。  
> 1969年美国国防部建立最早的网络——阿帕计算机网络时，发布了一组计算机通信协议的军用标准，它包括了五个协议，习惯上以其中的TCP和IP两个协议作为这组协议的通称。

## 概念 ##

> 指的是计算机网络中互相通信的对等实体之间交换信息时所必须遵守的规则的集合。

## 组成要素 ##

*  语义

>  *  语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。

*  语法。

>  *  语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。

*  时序

>  *  时序是对事件发生顺序的详细说明。（也可称为“同步”）。

总结起来就是：语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。

## 层次划分 ##

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzOTMyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

每层运行常见物理设备：  
![在这里插入图片描述][20201118090947148.png_pic_center]  
OSI七层协议数据传输的封包与解包过程：  
![在这里插入图片描述][557ff778df2f086f26a5c87e8e1d1420.png]

## TCP/IP五层模型详解 ##

前言：

> **tcp/ip是互联网的基础协议**，没有它就无法上网，任何与互联网有管的操作都离不开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。  
> 用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解每层都运行特定的协议，**越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件**。

### 物理层 ###

> 该层为上层协议提供了一个传输数据的的可靠物理媒体。确保原始数据可以在各物理媒体上传输。  
> 激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。

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。

注意：

> 两个重要的设备名称：
> 
>  *  中继器（repeater，也叫放大器）
>  *  集线器

### 数据链路层 ###

前言：

> 数据链路层由来：
> 
>  *  单纯的电信号0和1没有任何意义，必须给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。

介绍：

> 数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。为达到这一目的，数据链路必须具备一系列相应的功能，主要有：
> 
>  *  如何将数据组合成数据块，在数据链路层中称这种数据块为帧（frame），帧是  
>     数据链路层的传送单位；
>  *  如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送  
>     速率以使与接收方相匹配；
>  *  以及在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放的管理。
> 
> 数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

数据链路层的相关知识点：

>  *  **数据链路层为网络层提供可靠的数据传输**。
>  *  **基本数据单位为帧**。
>  *  **主要的协议：以太网协议**。
>  *  **两个重要的设备名称：网桥和交换机**。

以太网协议：  
前言：

> 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）  
> ![在这里插入图片描述][2020111809511177.png_pic_center]

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**  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzOTMyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

### 网络层 ###

> 网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。如果您想用尽量少的词来记住网络层，那就是“路径选择、路由及逻辑寻址”。

> 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能；
> 
> 基本数据单位为IP数据报；
> 
> 包含的主要协议：
> 
>  *  IP协议（Internet Protocol，因特网互联协议）。
>  *  ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）。
>  *  ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）。
>  *  RARP协议（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析协议）。

注意：

> 重用的设备：路由器。

### 传输层 ###

> 第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。
> 
> 根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。在这一层，信息传送的协议数据单元称为段或报文。

> 传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输以及端到端的差错控制和流量控制问题。
> 
> 包含的主要协议：
> 
>  *  TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）。
>  *  UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

注意：

> 重要设备：网关。

### 应用层 ###

*  会话层

> 会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。

> 会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。

*  表示层

> 表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。

> 表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。

*  应用层

> 应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式

> 应用层功能：规定应用程序的数据格式。

注意：

> 数据传输基本单位为**报文**。
> 
> 包含的主要协议：
> 
>  *  FTP（文件传送协议）。
>  *  Telnet（远程登录协议）。
>  *  DNS（域名解析协议）。
>  *  SMTP（邮件传送协议）。
>  *  POP3协议（邮局协议）。
>  *  HTTP协议（Hyper Text Transfer Protocol）。

## 网络通信实现 ##

*  想实现网络通信，每台主机需具备四要素

>  *  本机的IP地址
>  *  子网掩码
>  *  网关的IP地址
>  *  DNS的IP地址

*  获取这四要素的两种方式：

>  *  静态获取。即手动配置。
>  *  动态获取。通过dhcp获取。

![在这里插入图片描述][20201118100801505.png_pic_center]

>  *  最前面的”以太网标头”，设置发出方（本机）的MAC地址和接收方（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
>  *  后面的”IP标头”，设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这两者，本机都不知道。于是，发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255。
>  *  最后的”UDP标头”，设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口。

这个数据包构造完成后，就可以发出了。以太网是广播发送，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，所以每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服务器知道”这个包是发给我的”，而其他计算机就可以丢弃这个包。

接下来，DHCP服务器读出这个包的数据内容，分配好IP地址，发送回去一个”DHCP响应”数据包。这个响应包的结构也是类似的，以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址，IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址（发出方）和255.255.255.255（接收方），UDP标头的端口是67（发出方）和68（接收方），分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。

新加入的计算机收到这个响应包，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数

## 具体的网络协议 ##

### TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议） ###

*  介绍：

> TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的基于字节流的传输层通信协议。TCP将用户数据打包成报文段，它发送后启动一个定时器，另一端收到的数据进行确认、对失序的数据重新排序、丢弃重复数据。

*  特点：

>  *  TCP是面向连接的运输层协议
>  *  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
>  *  TCP提供可靠交付的服务
>  *  TCP提供全双工通信。数据在两个方向上独立的进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。
>  *  面向字节流。面向字节流的含义：虽然应用程序和TCP交互是一次一个数据块，但TCP把应用程序交下来的数据仅仅是一连串的无结构的字节流。

*  TCP协议中的三次握手和四次挥手  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzgzOTMyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

建立连接需要三次握手：

> 第一次握手：客户端向服务端发送连接请求包，标志位SYN（同步序号）置为1，顺序号码为X=0。
> 
> 第二次握手：服务端收到客户端发过来报文，由SYN=1知道客户端要求建立联机，则为这次连接分配资源。并向客户端发送一个SYN和ACK都置为1的TCP报文，设置初始顺序号码Y=0，将确认序号(ack)设置为上一次客户端发送过来的顺序号(Seq)加1，即X+1 = 0+1=1。
> 
> 第三次握手：客户端收到服务端发来的包后检查确认号码(ack)是否正确，即第一次发送的Seq加1（X+1=1）。以及标志位ACK是否为1。若正确，服务端再次发送确认包，ACK标志位为1，SYN标志位为0。确认号码(ack)=Y+1=0+1=1，发送顺序号码(Seq)为X+1=1。Server收到后确认号码值与ACK=1则连接建立成功，可以传送数据了。

断开连接需要四次挥手:  
提醒：中断连接端可以是Client端，也可以是Server端。只要将下面两角色互换即可。

> 第一次挥手：客户端给服务端发送FIN报文，用来关闭客户端到服务端的数据传送。将标志位FIN和ACK置为1，顺序号码为X=1，确认号码为Z=1。意思是说”我Client端没有数据要发给你了，但是如果你还有数据没有发送完成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK过来。”
> 
> 第二次挥手：服务端收到FIN后，发回一个ACK(标志位ACK=1),确认号码为收到的顺序号码加1，即X=X+1=2。顺序号码为收到的确认号码=Z。意思是说“你的FIN请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息" 这个时候客户端就进入FIN\_WAIT状态，继续等待服务端的FIN报文。
> 
> 第三次挥手：当服务端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN报文，关闭与客户端的连接。标志位FIN和ACK置为1，顺序号码为Y=1，确认号码为X=2。意思是告诉Client端“好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了。”
> 
> 第四次挥手：客户端收到服务器发送的FIN之后，发回ACK确认(标志位ACK=1),确认号码为收到的顺序号码加1，即Y+1=2。顺序号码为收到的确认号码X=2。意思是“我Client端知道可以关闭连接了，但是我还是不相信网络，怕 Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入TIME\_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。“（在TIME\_WAIT状态中，如果TCP client端最后一次发送的ACK丢失了，它将重新发送。TIME\_WAIT状态中所需要的时间是依赖于实现方法的。典型的值为30秒、1分钟和2分钟。等待之后连接正式关闭，并且所有的资源(包括端口号)都被释放。）

为什么关闭的时候却是四次挥（握）手？

> 因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

### HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议） ###

*  介绍：

> HTTP是一个应用层协议，虽然在2015年已推出HTTP/2版本，并被主要的web浏览器和web服务器支持。  
> TP是一个客户端终端（用户）和服务器端（网站）请求和应答的标准（TCP）。

*  特点：

>  *  支持客户/服务器模式。
>  *  简单快速：客户向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径。由于HTTP协议简单，使得HTTP服务器的程序规模小，因而通信速度很快。
>  *  灵活：HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。
>  *  无连接：无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。
>  *  无状态：HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面，在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。为了解决这个问题， Web程序引入了Cookie机制来维护状态。

更多HTTP协议的内容可点击下方链接查看：  
[HTTP协议的那些事][HTTP]

参考文章地址：  
[网络基础之网络协议篇][Link 1]  
[网络基础知识-网络协议][-]

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