一：网络模型（ISO/OSI参考模型）
开放系统互联模型（ISO/OSI参考模型，也叫七层网络模型）
| 层次 | 作用 | 传输单位（统称为PDU） | 例子和类比 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 与应用程序界面沟通，以达到展示给用户的目的：HTTP、HTTPS、FTP、SSH、SMTP、TELNET、POP3等 | APDU | 经理：写了一份邮件草稿 |
| 表示层 | 处理数据格式、压缩、数据加密 | PPDU | 助理：修改错字，对格式重新编排 |
| 会话层 | 建立、维护、管理会话 | SPDU | 秘书：找到收件人地址，将信封封好 |
| 传输层 | 建立端到端连接，提供可靠的数据传输服务，它检测路由器丢弃的包，然后产生重传请求，也能够将乱序收到的包重新排序 | segment | 司机：将信件带到邮局，到这一层，公司事务完成 |
| 网络层 | 寻址和路由选择 | 分组（packet、包） | 排序工人：将信件按地区分开，邮局事务开始 |
| 数据链路层 | 提供介质访问、链路管理 | 帧（frame） | 包装工人：将信件包装成一叠 |
| 物理层 | 提供比特流传输 | 比特流（bit） | 搬运工人：压箱，运输 |
四层网络模型
实际广泛应用的模型
| 层次 | 对应关系 | 协议（通信的基础，是协议一致，就好像你用英语，我也要用英语，才能沟通） |
|---|---|---|
| 应用层 | 对应于应用层、表示层、会话层 | HTTP、FTP、telnet，QQ协议等，为完成特定的应用功能而制定的协议 |
| 传输层 | 对应于传输层 | TCP、UDP |
| 网络层 | 对应于网络层 | ICMP、IP、IGMP |
| 链路层 | 对应于数据链路层和物理层 | ARP（地址转化协议，将逻辑地址（IP地址）转化为物理地址）、RARP（将物理地址转化为IP地址） |
封装/解封装
每一层的协议通过对数据加头部进行封装
- http协议添加的 httpHeader（应用层）
- TCP在http头部的基础上，添加tcp头部（传输层）
- IP在TCP的基础上，添加IP头部（网络层）
- 添加以太网头部（链路层）
解封就是去掉头部的过程
端口：找到应用程序入口
IANA(The Internet Assigned Numbers Authority,互联网数字分配机构)是负责协调一些使Internet正常运作的机构
下面的端口分配只是通常情况，也有例外，如SUN的RPC从32768开始
| 端口类型 | 作用 |
|---|---|
| 众所周知的端口 | 0-1023，IANA管理，通常来说，表明了某种服务协议，比如21表示的是ftp服务端口 |
| 注册端口 | 1024-49151，IANA管理，松散的绑定于一些服务，如3306是mysql短偶，8080是tomcat服务器端口 |
| 动态或私有端口 | IANA不管这些端口 |
二：链路层相关概念和协议
最大传输单元（MTU）/ 路径MTU
- 以太网和IEEE 802.3对数据帧的长度都有限制，分别为 1500 和 1492，这个限制叫做MTU（Maximum Transmission Unit），一般来说，最大为1500字节，最小为46字节，不足46字节，要补全。
- 如果IP层要传的数据报大于MTU，IP层就要进行分片，让每片都小于MTU。
- 当网络上，两台主机进行通讯时，要经过多个网络，每个网络的链路层MTU都有可能不一样，其中最小的MTU叫做路径MTU。
以太网帧格式
| 帧： | 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 |
|---|---|---|---|---|
| 长度（字节）： | 6 | 6 | 2 | 46-1500 |
ICMP（网络层 or IP层协议）
地址解析，链路层将逻辑地址（IP）转化为物理地址（MAC）时，有可能出现错误，比如IP地址对应的物理地址是不存在的，这时候需要通过一种机制通知源端（发送端），这种机制就是ICMP协议。
ICMP协议： 用于传递差错信息，时间、回显、网络信息等控制数据
例如：
1：当我们使用IP地址将数据封装成数据帧后，在网络上通过路由器多次跳转，最终发现其对应的物理地址不存在，这时候，就要将错误信息使用ICMP协议进行封装，返回给源端。
2：又比如，IP层会对要传输的数据进行分包，如果分包出错，包的大小大于链路成的路径MTU（最大传输的包大小），传输必定会出错，错误信息也是通过ICMP协议返回的。
实际上，ping 就是使用ICMP实现的
ARP：地址解析协议
作用是映射IP地址到MAC地址
比如 10.0.0.2 要发送一个包到 10.0.0.1 ，数据链路层会通过广播的形式，对网络上的所有主机发送10.0.0.1，10.0.0.1的主机得到响应后，就会将自己的物理地址返回。
本地ARP： ARP高速缓存，第一次找到物理地址后，就会将物理地址保存在这。
例子，ping的工作原理：
- 应用程序ping会判断发送的是主机名还是IP地址，如果是主机名，就调用gethostbyname()解析主机B，将主机名转换成一个32位的IP地址，这个过程就叫DNS域名解析。
- ping程序向目标IP发动一个ICMP的ECHO包。
- 在局域网内发动ARP请求广播，查找主机B的硬件地址。
- 主机B的ARP协议层收到主机A的ARP请求后，将本机的硬件地址填充到答应包，发送ARP应答到主机A。
- 发送ICMP数据包到主机B。
- 主机B接收到主机A的ICMP包，发送响应包。
- 主机A收到主机B的ICMP响应包。
RARP：反向地址解析协议
通常用于无盘工作站中，无盘工作站由于没有硬盘，不知道自己的ip地址，只知道自己的物理地址，在发送数据前，先将自己的物理地址发送给RARP服务器，RARP服务器返回它的IP地址，这个过程就叫做反向地址解析协议。
三：网络层的相关概念和协议
IP数据报格式
| 版本号(4位)：ipv4值为4，ipv6值为6 | 首部长度(4位)：（0101-1111,即5-15 分别乘以4等于 20-60） | 服务类型(8位)：包括3位的优先权，已忽略，4位的服务类型，分别为D（最小延迟）T（最大吞吐）R（最高可靠性）F（最小费用），还有一位的保留位 | 总长度：（16位）最大65535，包含IP的头部和数据部分 |
| 标识(16位)：每发送一次+1，最大为65535，到了最大值后，从1开始 | 标志(3位)：第一位不使用，第二位DF（Don't Fragment）如果为1表示传输的数据报超过最大传输单元，数据报会被丢弃，并发送ICMP差错报文。第三位MF（More Fragment）表示是否有更多的片，如为1，说明后续还有分片，最后一片MF为0 | 片偏移(13位)：分片后，当前片相对于原数据的偏移量，传输层重排列的依据 | |
| 生存时间TTL(8位)：表示数据报最多可通过的路由器的数量，数据报每经过一个路由器，TTL减1，减为0时丢弃，并发送ICMP报文通知源主机。TTL可以避免数据报在路由器之间不断循环 | 协议类型(8位):表示IP层上承载的是哪个高级协议，1:ICMP 2:IGMP 6:TCP 17:UDP，通过协议类型，协议栈知道该交给上层的哪个协议处理。 | 头部校验和(16位):使用网际校验和保证头部数据的完整性 | |
| 源IP地址(32位): | |||
| 目的IP地址(32位): | |||
| 选项(32位): | 填充（选项必须是4的整数倍，不足就用0填充） | ||
| 数据 | |||
网际校验和
反码算数运算：
两个数进行二进制反码求和的运算很简单。它的规则是从低位到高位逐列进行计算。0和0相加是0，0和1相加是1，1和1相加是0但要产生一个进位1，加到下一列。如果最高位相加后产生进位，则最后得到的结果要加1。
网际校验和算法：
发送方： 先把被校验的数据划分为许多16位字的序列。如果数据的字节长度为奇数，则在数据尾部补一个字节的0以凑成偶数。用反码算数运算把所有16位字相加后，然后再对和取反码，便得到校验和。
接收方： 将收到的数据报（包括校验和字段），将所有16位字再使用反码算数运算相加一次，将得到的和取反，即得出校验和的计算结果。如果数据报在传输过程中没有任何变化，则此结果必为0，于是就保留这个数据报。否则即认为出差错，并将此数据报丢弃。
路由
- 查询是否在同一个网段：将本机ip地址和目标主机ip地址与子网掩码做与运算，看结果是否相同（如192.168.0.5 与 255.255.255.0做与运算的结果就是 192.168.0.0），如果相同就在同一个网段。
- 查路由表：如果不在同一个网段，就查询本机的路由表，看是否有到目标ip的路由信息，如果没有查到，就会将信息发送到默认网关，如 192.168.0.1。
- 知道了下一跳的地址，主机A开始封装，信息如下
之后一跳一跳的，直到到达主机B
TCP
TCP特点
传输的单位是 segment（段）
- 基于字节流：传输层没有给定传输的边界，因此存在粘包问题
- 面向连接：先建立连接，再传输数据
- 可靠传输：通过网际校验和来保证传输数据的完整性（不丢失、重复）
- 缓存传输：不会立即传输数据，而是选择一个最佳的时间
- 全双工：发送数据的同时，也可以接收数据
- 流量控制：通过窗口机制提供流量控制
TCP报文格式
| IP头部 | tcp头部 | tcp数据 |
|---|
下面是tcp头部和数据具体组成
序号： 表示报文中，第一个字节在原数据中的序号
确认号： 仅当ACK标志为1时有效，确认号表示期望收到的下一个字节的序号
头部长度： 头部最长60个字节
6个标志位：
| 标志位 | 含义 |
|---|---|
| URG | 紧急指针有效 |
| ACK | 确认序号有效 |
| PSH | 接收方应尽快将这个报文段交给应用层 |
| RST | 连接重置 |
| SYN | 同步序号用来发起一个连接 |
| FIN | 表示將要終止一个连接 |
窗口大小： 用于流量控制。
检验和： 网际校验和，用于保证数据的完备性。
紧急指针： 是一个正的偏移量，与序号字段中的值向相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
选项： 常见的如最大传输报文MSS ，表示本端能够接收的最大长度的报文段，默认是536，加上tcp头部20字节，ip头部20字节，就是576字节到IP层。如果报文长度大于链路层的限制（MTU），IP层就要进行分包。为了避免tcp层分包，我们一般设置512字节一个包。
三次握手
为什么是三次而不是两次？
由于tcp连接是一种全双工通讯，连接的双方都可以发送和接收数据
- a向b发送数据。
- b收到数据后，向a表示确认能够收到数据，向a发送确认。
- a收到确认后，表示确认能够收到b的数据，连接建立。
之所以是三次，因为收发双方都要确认对方能够发送和接收数据
三次握手具体过程
首先说两个标志位的意思：
SYN：表示期望发起连接
ACK：表示确认收到请求
- A发起一个连接请求，符号 SYN= a
- B收到后，返回一个确认符 ACK=a+1，并发起一个连接请求符 SYN=b
- A收到确认符，是自己所期望的 a+1，还收到一个连接请求符 b，对请求进行确认，发动一个确认符 ACK=b+1
- B收到确认符，发现是自己所期望的 b+1，连接建立
发起两次，确认两次，一共四次，所以要三次握手
四次挥手
标志位FIN： 表示期望终止连接
过程：
- 由于是终止连接，所以A在发起终止时，先要确认收到了之前的包，发送ACK=y，然后发起终止，FIN=x
- B收到A发起的终止后，回复一个确认包 ACK=x+1
可以描述为：A告诉B，我不会向你发送数据了，B收到，告诉A，我知道了。 A->B的连接终止
- B紧接着向A发起终止，FIN=y
- A收到B发起的终止，发送一个确认符 ACK=y+1
B->A的连接终止，至此，双方连接终止完成
如何保证可靠性
首先说说不可靠表现在哪些地方
- 差错：TCP通过校验和来保证
- 丢包：超时重传 + 确认机制
- 失序：TCP发送的每个数据段有一个序号，接收端会根据序号对数据进行重排
- 重复：序号机制同样可以保证不重复
数据发送过程
- TCP将数据划分成最适合发送的数据块，称为段，传递给IP层
- 当TCP发出一个段后，启动一个定制器，等待接收端确认收到这个报文段。如果没能及时收到，将重新发送。
- 当TCP收到另一端的数据，将发送一个确认，但并不是立即发送，会推迟几分之一秒。
- TCP将保持它的首部和校验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到端的校验和有差错，TCP将丢弃这个报文，并不确认（导致对方超时重传）。
- TCP承载于IP数据报，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也有可能失序。TCP将对收到的数据进行重排序。
- TCP还能提供流量控制。
滑动窗口协议和UDP
滑动窗口协议
用于流量控制
A一直向B发送数据，直到达到窗口上限
B 向A返回1-6的确认信息，窗口向后滑动，A删除1-6的数据
由于删除了B已经收到的数据，窗口向后滑动，可以发送剩下的数据包
B的确认消息（1-6）发出后，B的窗口也往后移。
此时1-6就是收到的字节，应用程序可以读取
数据包7、8、9丢失，这个时候B发送确认7，和选择性确认，让A重新发7、8、9
缓存使用完之后，滑动窗口归0，缓存可以重复使用。
之所以说滑动窗口可以节约流量，就是他对发送速 度进行了控制，预防应用程序发送的数据超过了对方的缓冲区。
UDP特点
- 无连接
- 不可靠
- 高效
UDP报文格式
