這是小小的本周第二篇，在本周的第二篇里，將會用長文講解TCP和IP的理論相關(guān)知識。用于進(jìn)行詳解。

這是小小本周的第二篇

思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖如下

計(jì)算機(jī)體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分層

概述

這里進(jìn)行概述如下

物理層

物理層上傳送的單位為比特，規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)的一些電器特定，主要負(fù)責(zé)0,1比特流與電子信號之間的轉(zhuǎn)換，如果沒有物理層，0,1 構(gòu)成的比特流將會無法在物理介質(zhì)中傳播。

鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層，又稱作為鏈路層，單純的0和1是沒有任何意義的，必須規(guī)定其解讀方式，多少個(gè)電信號算一組，每個(gè)電信號又有什么意義，這就是數(shù)據(jù)鏈路層的作用，數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)定主要有三個(gè)功能，分別是封裝成幀、透明傳輸、差錯(cuò)控制。將會依次解釋這三個(gè)內(nèi)容。

封裝成幀

在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，來對幀與幀之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)定界。定界如下

透明傳輸

由于不管什么數(shù)據(jù)，所傳送的都應(yīng)該能在鏈路上傳送，因此透明傳輸會帶來一個(gè)問題，當(dāng)數(shù)據(jù)中的比特組合恰好一致的時(shí)候，如果采用不適當(dāng)?shù)拇胧?，將會造成?shù)據(jù)被切分。如下圖所示。

這里使用字節(jié)填充法實(shí)現(xiàn)透明傳輸?shù)膯栴}，發(fā)送端的數(shù)據(jù)在鏈路層中出現(xiàn)控制字符SOH或者ETO的時(shí)候，在前面添加一個(gè)轉(zhuǎn)義字符ESC，如果ESC也出現(xiàn)的話，這里就在ESC之前繼續(xù)添加一個(gè)ESC實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)義，如下所示。

差錯(cuò)控制

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，如果出現(xiàn)丟失，或者幀損壞，這里就需要差錯(cuò)控制來進(jìn)行檢測和糾正，這個(gè)協(xié)議將會在網(wǎng)絡(luò)層中進(jìn)行說明。

MAC地址

數(shù)據(jù)幀準(zhǔn)備好了，這里還有一個(gè)問題，計(jì)算機(jī)A和計(jì)算機(jī)B之間數(shù)據(jù)相互發(fā)送，但是誰傳給誰，如何區(qū)分，這里MAC地址便出現(xiàn)了。MAC地址，連人網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)計(jì)算機(jī)都會有網(wǎng)卡接口，每一個(gè)網(wǎng)卡都會有一個(gè)唯一的地址，這個(gè)地址稱作為MAC地址，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間相互傳送的時(shí)候，都會使用MAC地址進(jìn)行相互的傳送。

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能負(fù)責(zé)不同網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的，為路由器。

如果你在杭州的計(jì)算機(jī)A要給紐約的計(jì)算機(jī)B通信，這里就會使用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后對比MAC地址，相同的接收，不同的丟棄，很明顯，這樣相當(dāng)?shù)牟缓湍?，所以在網(wǎng)絡(luò)層中，劃分了子網(wǎng)，協(xié)議規(guī)定，假如是在同一個(gè)子網(wǎng)，就會使用廣播的形式把數(shù)據(jù)發(fā)送給對方，如果不是在同一個(gè)子網(wǎng)，將會發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

傳輸層

通過網(wǎng)絡(luò)層，A已經(jīng)發(fā)送到了B，在這里就有了傳輸層，傳輸層的主要作用，為互相通信的應(yīng)用進(jìn)程，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)A與計(jì)算機(jī)B通信時(shí)，在傳輸層上，還需要指定一個(gè)端口，來給特定的應(yīng)用程序，即，傳輸層功能是建立端口到端口的通信，相比網(wǎng)絡(luò)層的功能是建立主機(jī)到主機(jī)的通信。

在傳輸層中，主要使用TCP/UDP協(xié)議。

TCP 傳輸控制協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，會建立會話，同時(shí)會把需要傳輸?shù)奈募M(jìn)行分段，提供可靠傳輸和流量控制，例如下載視頻，當(dāng)數(shù)據(jù)較大的時(shí)，用的是TCP協(xié)議。

UDP 協(xié)議，一個(gè)數(shù)據(jù)包就能完成數(shù)據(jù)通信，也就是說不需要建立會話，不需要流量控制，同時(shí)也是不可靠傳輸，例如DNS域名解析，屏幕廣播，這里使用的就是UDP協(xié)議。

應(yīng)用層

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅藗鬏攲拥臄?shù)據(jù)之后，接下來需要解讀，因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)開放式的，應(yīng)用層作用規(guī)定應(yīng)用的數(shù)據(jù)格式，例如TCP協(xié)議可以傳輸Email，WWW，F(xiàn)TP等，這些協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。例如域名的DNS，萬維網(wǎng)的HTTP協(xié)議，電子郵件的SMTP協(xié)議等等。這些數(shù)據(jù)單元稱之為報(bào)文。

TCP/IP基礎(chǔ)

具體含義

TCP/IP這里指的是一些協(xié)議群，具體來說，這里指的是IP或者ICMP，TCP，UDP，F(xiàn)TP等，這些協(xié)議，以及HTTP等的TCP/IP協(xié)議，等等這些協(xié)議都統(tǒng)統(tǒng)稱之為TCP/IP網(wǎng)際協(xié)議群。在互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信的時(shí)候，需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，TCP/IP原本就是為互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)定制的協(xié)議，這里互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議就是TCP/IP,TCP/IP就是互聯(lián)網(wǎng)的一些協(xié)議。這里協(xié)議如下圖所示

基本工作原理

TCP/IP模型有四層，分別是應(yīng)用層，網(wǎng)際層，網(wǎng)絡(luò)接口層，這四層，每層分別具有不同的功能，TCP/IP協(xié)議協(xié)議是一組在不同層上的多個(gè)協(xié)議的組合，每層在實(shí)現(xiàn)自身的情況下直接提供服務(wù)，同時(shí)也為上層提供服務(wù)其圖示如下

進(jìn)行封裝和拆解的過程如下圖

在這里，將會加入相關(guān)的數(shù)據(jù)報(bào)，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，達(dá)到傳送數(shù)據(jù)的目的。

數(shù)據(jù)包

在這里，指的是TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)通信中的數(shù)據(jù)單位，即，數(shù)據(jù)包， 即，從最上層，一層層的封裝，直到網(wǎng)絡(luò)層，最后借由數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送的數(shù)據(jù)單元。即。數(shù)據(jù)包為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)單元，如果超過了MTU，這個(gè)時(shí)候，會和多個(gè)幀組合在一起，然后形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)包的分層如下

在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，數(shù)據(jù)包由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是協(xié)議所需要用的首部，另一部分是上一層傳過啦的數(shù)據(jù)，首部的結(jié)構(gòu)由協(xié)議的具體規(guī)范進(jìn)行定義，在數(shù)據(jù)包的首部，明確標(biāo)明了協(xié)議應(yīng)該如何讀取數(shù)據(jù)，即，看到首部，就能明確的直到該協(xié)議所需要的信息和所需要處理的數(shù)據(jù)。

傳輸中和TCP和UDP

端口

端口，英語為port，稱之為連接端口，端口，協(xié)議端口， 位于傳輸層的通信協(xié)議通常需要指定端口號，例如在TCP/IP協(xié)議族之下的TCP與UDP協(xié)議。在應(yīng)用層中，使用主從式架構(gòu)的通信協(xié)議，在每個(gè)端口上提供多路復(fù)用服務(wù)（multiplexing service）。經(jīng)由公認(rèn)端口號（well-known port numbers），通?？梢员嬲J(rèn)出這個(gè)連線使用的通信協(xié)議，其中具代表性的是最基礎(chǔ)的1024個(gè)公認(rèn)端口號（well-known port numbers），例如Telnet協(xié)議默認(rèn)使用23端口來連線，Secure Shell協(xié)議默認(rèn)使用22端口，HTTP協(xié)議默認(rèn)使用80端口，HTTPS協(xié)議默認(rèn)使用443端口。

源端口號

源端口號一般是由系統(tǒng)自己動態(tài)生成的一個(gè)從1024-65535的號碼，當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)A通過網(wǎng)絡(luò)訪問計(jì)算機(jī)B時(shí)，如果它需要對方返回?cái)?shù)據(jù)的話，它也會隨機(jī)創(chuàng)建一個(gè)大于1023的端口，告訴B返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)把數(shù)據(jù)送到自己的哪個(gè)端口，然后軟件開始偵聽這個(gè)端口，等待數(shù)據(jù)返回。而B收到數(shù)據(jù)后會讀取數(shù)據(jù)包的源端口號和目的端口號，然后記錄下來，當(dāng)軟件創(chuàng)建了要返回的數(shù)據(jù)后就把原來數(shù)據(jù)包中的原端口號作為目的端口號，而把自己的端口號作為原端口號，也就是說把收到的數(shù)據(jù)包中的原和目的反過來，然后再送回A，A再重復(fù)這個(gè)過程如此反復(fù)直到數(shù)據(jù)傳輸完成。當(dāng)數(shù)據(jù)全部傳輸完A就把源端口釋放出來，所以同一個(gè)軟件每次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不一定是同一個(gè)源端口號。

UDP

UDP全稱為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是一個(gè)簡單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的通信協(xié)議，位于OSI模型的傳輸層，UDP為不可靠傳輸，

具有以下幾個(gè)特點(diǎn)

1. 面向無連接 UDP不需要和TCP一樣在數(shù)據(jù)發(fā)送前進(jìn)行三次握手進(jìn)行連接，只是數(shù)據(jù)的搬運(yùn)工，不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理。具體來說， 在發(fā)送端，應(yīng)用層把數(shù)據(jù)傳輸為UDP協(xié)議，UDP只會給數(shù)據(jù)增加一個(gè)UDP頭標(biāo)識標(biāo)識是UDP協(xié)議。在接收端，網(wǎng)絡(luò)層把數(shù)據(jù)傳送給傳輸層，不會做任何的拼接操作。

功能點(diǎn)

具有單播，多播，廣播等功能。

面向報(bào)文

UDP是面向報(bào)文的，既不合并，也不拆分，因此應(yīng)用程序需要選擇合適的報(bào)文，進(jìn)行發(fā)送。

不可靠性

UDP回發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失，由于沒有相關(guān)的數(shù)據(jù)的確認(rèn)過程。

傳輸效率高

由于頭部開銷小，傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候報(bào)文效率相當(dāng)?shù)母摺?/p>

TCP

當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)與另一臺計(jì)算機(jī)通信的時(shí)候，兩臺計(jì)算機(jī)需要通信暢通，并且可靠，這樣才能保證收發(fā)數(shù)據(jù)，所以就有了一個(gè)三次握手，四次揮手，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連接。

三次握手

1. 第一次握手(SYN=1, seq=x):

客戶端發(fā)送一個(gè) TCP 的 SYN 標(biāo)志位置1的包，指明客戶端打算連接的服務(wù)器的端口，以及初始序號 X,保存在包頭的序列號(Sequence Number)字段里。

發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 SYN_SEND 狀態(tài)。

2. 第二次握手(SYN=1, ACK=1, seq=y, ACKnum=x+1):

服務(wù)器發(fā)回確認(rèn)包(ACK)應(yīng)答。即 SYN 標(biāo)志位和 ACK 標(biāo)志位均為1。服務(wù)器端選擇自己 ISN 序列號，放到 Seq 域里，同時(shí)將確認(rèn)序號(Acknowledgement Number)設(shè)置為客戶的 ISN 加1，即X+1。發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 SYN_RCVD 狀態(tài)。

3. 第三次握手(ACK=1，ACKnum=y+1)

客戶端再次發(fā)送確認(rèn)包(ACK)，SYN 標(biāo)志位為0，ACK 標(biāo)志位為1，并且把服務(wù)器發(fā)來 ACK 的序號字段+1，放在確定字段中發(fā)送給對方，并且在數(shù)據(jù)段放寫ISN的+1

發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，當(dāng)服務(wù)器端接收到這個(gè)包時(shí)，也進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，TCP 握手結(jié)束。

四次揮手

1. 第一次揮手(FIN=1，seq=x)

假設(shè)客戶端想要關(guān)閉連接，客戶端發(fā)送一個(gè) FIN 標(biāo)志位置為1的包，表示自己已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)可以發(fā)送了，但是仍然可以接受數(shù)據(jù)。

發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 FIN_WAIT_1 狀態(tài)。

2. 第二次揮手(ACK=1，ACKnum=x+1)

服務(wù)器端確認(rèn)客戶端的 FIN 包，發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包，表明自己接受到了客戶端關(guān)閉連接的請求，但還沒有準(zhǔn)備好關(guān)閉連接。

發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 CLOSE_WAIT 狀態(tài)，客戶端接收到這個(gè)確認(rèn)包之后，進(jìn)入 FIN_WAIT_2 狀態(tài)，等待服務(wù)器端關(guān)閉連接。

3. 第三次揮手(FIN=1，seq=y)

服務(wù)器端準(zhǔn)備好關(guān)閉連接時(shí)，向客戶端發(fā)送結(jié)束連接請求，F(xiàn)IN 置為1。

發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 LAST_ACK 狀態(tài)，等待來自客戶端的最后一個(gè)ACK。

4. 第四次揮手(ACK=1，ACKnum=y+1)

客戶端接收到來自服務(wù)器端的關(guān)閉請求，發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包，并進(jìn)入 TIME_WAIT狀態(tài)，等待可能出現(xiàn)的要求重傳的 ACK 包。

服務(wù)器端接收到這個(gè)確認(rèn)包之后，關(guān)閉連接，進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。

客戶端等待了某個(gè)固定時(shí)間（兩個(gè)最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime）之后，沒有收到服務(wù)器端的 ACK ，認(rèn)為服務(wù)器端已經(jīng)正常關(guān)閉連接，于是自己也關(guān)閉連接，進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。

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