TCP/IP五層模型詳解

 　　將應用層，表示層，會話層並做應用層，從tcp／ip五層協議的角度來闡述每層的由來與功能，搞清楚了每層的主要協議就理解了整個互聯網通訊的原理。

　　首先，用戶感知到的只是最上面一層應用層，自上而下每層都依賴於下一層，因此咱們從最下一層開始切入，比較好理解每層都運行特定的協議，越往上越靠近用戶，越往下越靠近硬件

　　

1、物理層

　　物理層由來：孤立的計算機之間必須完成組網。

　　

　　物理層功能：主要是基於電器特性發送高低電壓(電信號)，高電壓對應數字1，低電壓對應數字0

2、數據鏈路層

　　數據鏈路層由來：單純的電信號0和1沒有任何意義，必須規定電信號多少位一組，每組什麼意思

　　數據鏈路層的功能：定義了電信號的分組方式。

一、以太網協議

　　分組方式後來造成了統一的標準，即以太網協議ethernet。

（1）ethernet規定：

• 一組電信號構成一個數據包，叫作「幀」
• 每一數據幀分紅：報頭head和數據data兩部分

head

data

 

（2）head包含：（固定18個字節）

• 發送者/源地址，6個字節
• 接收者/目標地址，6個字節
• 數據類型，6個字節

（3）data包含：（最短46字節，最長1500字節）

• 數據包的具體內容

head長度＋data長度＝最短64字節（18+46），最長1518字節，超過最大限制就分片發送

二、mac地址：（局域網內廣播時，根據mac地址定位）

　　head中包含的源和目標地址由來：ethernet規定接入internet的設備都必須具有網卡，發送端和接收端的地址即是指網卡的地址，即mac地址。

　　mac地址：每塊網卡出廠時都被燒製上一個世界惟一的mac地址，長度爲48位2進制，一般由12位16進制數表示（前六位是廠商編號，後六位是流水線號）:

　　

三、廣播

　　有了mac地址，同一網絡內的兩臺主機就能夠通訊了（一臺主機經過arp協議獲取另一臺主機的mac地址）

　　ethernet採用最原始的方式，基於MAC地址廣播的方式進行通信，即計算機通訊基本靠吼。

　　

3、網絡層

　　網絡層由來：有了ethernet、mac地址、廣播的發送方式，世界上的計算機就能夠彼此通訊了，問題是世界範圍的互聯網是由

一個個彼此隔離的小的局域網組成的，那麼若是全部的通訊都採用以太網的廣播方式，那麼一臺機器發送的包全世界都會收到，

這就不只僅是效率低的問題了，這會是一種災難。

　　世界大網絡是由一個個彼此隔離的局域網組成，以太網包只能在局域網內發送，一個局域網是一個廣播域。

　　以太網的廣播包只能在一個廣播域內發送，跨廣播域通訊只能經過路由轉發。

　　

　　上圖說明：須要方法區分哪些計算機是同一廣播域，同一廣播域則採用廣播方式發送，不然採用路由方式（向不一樣廣播域／子網分發數據包）。

　　　　　　　mac地址是沒法區分的，它只跟廠商有關。

　　網絡層功能：引入一套新的地址用來區分不一樣的廣播域／子網，這套地址即網絡地址。

一、IP協議

　　IP協議概念：規定網絡地址的協議叫ip協議，它定義的地址稱之爲ip地址，普遍採用的v4版本即ipv4，它規定網絡地址由32位2進製表示。

　　IP協議的主要做用：

　　　　一個是爲每一臺計算機分配IP地址；另外一個是肯定哪些地址在同一個子網絡。

二、子網掩碼

　　所謂」子網掩碼」，就是表示子網絡特徵的一個參數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分所有爲1，主機部分所有爲0。好比，IP地址172.16.10.1，若是已知網絡部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。

（1）子網掩碼做用

　　知道」子網掩碼」，咱們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡。

（2）是否在同一個子網絡判斷方法

　　方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都爲1，運算結果爲1，不然爲0），而後比較結果是否相同，若是是的話，就代表它們在同一個子網絡中，不然就不是。

好比，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子網掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網絡？二者與子網掩碼分別進行AND運算，

172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND運算得網絡地址結果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

 

172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND運算得網絡地址結果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

結果都是172.16.10.0，所以它們在同一個子網絡。

三、IP地址

　　IP地址範圍：0.0.0.0-255.255.255.255
　　IP地址格式：一個ip地址一般寫成四段十進制數，例：172.16.10.1

（1）ip地址分兩個部分

• 網絡部分：標識子網
• 主機部分：標識主機

　　區分網絡位和主機位是爲了劃分子網，劃分子網主要是爲了避免廣播風暴和地址浪費。

　　注意：單純的ip地址段只是標識了ip地址的種類，從網絡部分或主機部分都沒法辨識一個ip所處的子網。例：172.16.10.1與172.16.10.2並不能肯定兩者處於同一子網

（2）ip地址分類

　　A類IP地址：一個A類IP地址由1字節的網絡地址和3字節主機地址組成，網絡地址的最高位必須是「0」， 地址範圍從1.0.0.0 到126.0.0.0。可用的A類網絡有126個，每一個網絡能容納1億多個主機。

　　B類IP地址：一個B類IP地址由2個字節的網絡地址和2個字節的主機地址組成，網絡地址的最高位必須是「10」，地址範圍從128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B類網絡有16382個，每一個網絡能容納6萬多個主機 。

　　C類IP地址：一個C類IP地址由3字節的網絡地址和1字節的主機地址組成，網絡地址的最高位必須是「110」。範圍從192.0.0.0到223.255.255.255。C類網絡可達209萬餘個，每一個網絡能容納254個主機。

　　D類IP地址：D類地址第一個字節以「1110」開始，它是一個專門保留的地址。它並不指向特定的網絡，目前這一類地址被用在多點廣播（Multicast）中。多點廣播地址用來一次尋址一組計算機，它標識共享同一協議的一組計算機。

　　E類IP地址：以「llll0」開始，爲未來使用保留。

（3）特殊地址

　　全零地址："0.0.0.0"對應當前地址。

　　全「1」地址："255.255.255.255"是當前子網的廣播地址。

　　迴環地址："127.0.0.1"即本機地址

（4）127.0.0.1與0.0.0.0區別

　　環回接口(loopback)：

• 傳給環回地址（通常是127.0.0.1）的任何數據均做爲IP輸入。
• 傳給廣播地址或多播地址的數據報復制一份傳給環回接口，而後送到以太網上。這是 由於廣播傳送和多播傳送的定義包含主機自己。
• 任何傳給該主機IP地址的數據均送到環回接口。

四、IP報文

　　IP協議是TCP/IP協議的核心，全部的TCP，UDP，IMCP，IGCP的數據都以IP數據格式傳輸，要注意的是，IP不是可靠的協議，這是說，IP協議沒有提供一種數據未傳達之後的處理機制－－這被認爲是上層協議－－TCP或UDP要作的事情。因此這也就出現了TCP是一個可靠的協議，而UDP就沒有那麼可靠的區別。

　　　　

　　ip數據包也分爲head和data部分，無須爲ip包定義單獨的欄位，直接放入以太網包的data部分。

　　head：長度爲20到60字節

　　data：最長爲65,515字節。

　　而以太網數據包的」數據」部分，最長只有1500字節。所以，若是IP數據包超過了1500字節，它就須要分割成幾個以太網數據包，分開發送了。

五、ARP協議

　　arp協議介紹：計算機通訊依靠廣播的方式，全部上層的包到最後都要封裝以太網頭，而後經過以太網協議發送。通訊是基於mac的廣播方式實現，可是計算機在發包時，如何獲取目標主機的mac就須要經過arp協議。

　　arp協議功能：廣播的方式發送數據包，獲取目標主機的mac地址。

　　協議工做方式：每臺主機ip都是已知的

　　在以太網環境，爲了正確地向目的主機傳送報文，必須把目的主機的32位IP地址轉換成爲目的主機48位以太網的地址（MAC地址）。這就須要在互聯層有一個服務或功能將IP地址轉換爲相應的物理地址（MAC地址），這個服務或者功能就是ARP協議。

　　所謂的「地址解析」，就是主機在發送幀以前將目標IP地址轉換成目標MAC地址的過程。ARP協議的基本功能就是經過目標設備的IP地址，查詢目標設備的MA地址，以保證主機間相互通訊的順利進行。

（1）ARP工做示例

　　例如：主機172.16.10.10/24訪問172.16.10.11/24

　　首先經過ip地址和子網掩碼區分出本身所處的子網

場景	數據包地址
同一子網	目標主機mac，目標主機ip
不一樣子網	網關mac，目標主機ip

 

 

 

　　而後分析172.16.10.10/24與172.16.10.11/24處於同一網絡(若是不是同一網絡，那麼下表中目標ip爲172.16.10.1,經過arp獲取的是網關的mac)

	源mac	目標mac	源ip	目標ip	數據部分
發送端主機	發送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	數據

 

 

　　最後這個包會以廣播的方式在發送端所處的自網內傳輸，全部主機接收後拆開包，發現目標ip爲本身的，就響應，返回本身的mac

 六、ICMP協議

　　當傳送IP數據包發生錯誤－－好比主機不可達，路由不可達等等，ICMP協議將會把錯誤信息封包，而後傳送回給主機。給主機一個處理錯誤的機會.

　　ICMP(網絡控制報文)協議通常用於檢測網絡是否通暢，基於ICMP協議的工具主要有Ping和traceroute。

（1）ping

　　單詞源自聲納定位，而這個程序的做用也確實如此，它利用ICMP協議包來偵測另外一個主機是否可達。原理是用類型碼爲0的ICMP發請求，受到請求的主機則用類型碼爲8的ICMP迴應。ping程序來計算間隔時間，並計算有多少個包被送達。用戶就能夠判斷網絡大體的狀況。

（2）traceroute

　　查看從當前主機到某地址一共通過多少跳路由.

4、傳輸層

　　傳輸層的由來：網絡層的ip幫咱們區分子網，以太網層的mac幫咱們找到主機，再經過端口來標識主機上的應用程序。

　　端口即應用程序與網卡關聯的編號。

　　傳輸層功能：創建端口到端口的通訊，補充：端口範圍0-65535，0-1023爲系統佔用端口

　　傳輸層有兩種協議，TCP和UDP

一、TCP協議

　　可靠傳輸，TCP數據包沒有長度限制，理論上能夠無限長，可是爲了保證網絡的效率，一般TCP數據包的長度不會超過IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包沒必要再分割。(流式協議，不間斷髮送)

　　TCP可靠的緣故：只要不獲得確認，就從新發送數據報，直到獲得對方的確認爲止。

tcp報文：

 

tcp的3次握手和4次揮手

　　所謂三次握手(Three-way Handshake)，是指創建一個TCP鏈接時，須要客戶端和服務器總共發送3個包。

　　首先Client端發送鏈接請求報文，Server段接受鏈接後回覆ACK報文，併爲此次鏈接分配資源。Client端接收到ACK報文後也向Server段發生ACK報文，並分配資源，這樣TCP鏈接就創建了。

　　TCP的鏈接的拆除須要發送四個包，所以稱爲四次揮手(four-way handshake)。客戶端或服務器都可主動發起揮手動做（中斷鏈接），在socket編程中，任何一方執行close()操做便可產生揮手操做。

　　揮手過程：假設Client端發起中斷鏈接請求，也就是發送FIN報文。Server端接到FIN報文後，意思是說"我Client端沒有數據要發給你了"，可是若是你還有數據沒有發送完成，則沒必要急着關閉Socket，能夠繼續發送數據。因此你先發送ACK，"告訴Client端，你的請求我收到了，可是我還沒準備好，請繼續你等個人消息"。這個時候Client端就進入FIN_WAIT狀態，繼續等待Server端的FIN報文。當Server端肯定數據已發送完成，則向Client端發送FIN報文，"告訴Client端，好了，我這邊數據發完了，準備好關閉鏈接了"。Client端收到FIN報文後，"就知道能夠關閉鏈接了，可是他仍是不相信網絡，怕Server端不知道要關閉，因此發送ACK後進入TIME_WAIT狀態，若是Server端沒有收到ACK則能夠重傳。「，Server端收到ACK後，"就知道能夠斷開鏈接了"。Client端等待了2MSL後依然沒有收到回覆，則證實Server端已正常關閉，那好，我Client端也能夠關閉鏈接了。

 

二、UDP協議

　　不可靠傳輸，」報頭」部分一共只有8個字節，總長度不超過65,535字節，正好放進一個IP數據包。

　UDP特色：

• 傳送數據前不須要創建鏈接。
• 盡最大努力交付，沒法保證數據準確交付到目標主機，也不須要對接收到的UDP報文進行確認。
• 是面向報文的，將應用層傳輸的數據封裝在UDP包內，不作拆分或合併。
• 沒有擁塞控制，所以UDP協議發送速率不受網絡擁塞影響
• 支持一對1、一對多、多對多的交互通訊
• UDP頭部僅佔用8個字節，佔用較小

三、TCP和UDP對比總結

　　TCP協議雖然安全性很高，可是網絡開銷大，而UDP協議雖然沒有提供安全機制，可是網絡開銷小，在如今這個網絡安全已經相對較高的狀況下，爲了保證傳輸的速率，咱們通常仍是會優先考慮UDP協議！

5、應用層

　　應用層由來：用戶使用的都是應用程序，均工做於應用層，互聯網是開發的，你們均可以開發本身的應用程序，數據多種多樣，必須規定好數據的組織形式。

　　應用層功能：規定應用程序的數據格式。

　　例：TCP協議能夠爲各類各樣的程序傳遞數據，好比Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不一樣協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了」應用層」。