C#基础知识之图解TCP IP》读书笔记

一、网络基础知识

1、 计算机使用模式的演变

2、协议

协议就是计算机与计算机之间通过网络实现通信事先达成的一种“约定”。这种“约定”使那些由不同厂商的设备、不同的CPU以及不同的操作系统组成的计算机之间，只要遵循相同的协议就能够实现通信。反之，如果使用的协议不同，就无法通信。

3、分组交换

分组交换是将大数据分割为一个个叫做包（Packet）的较小单位进行传输的方法。这里所说的包，就如同我们平常在邮局里见到的邮包。分组交换就是将大数据分装为一个个这样的邮包交给对方。

4、协议分层与OSI参考模型

（1）协议分层就如同计算机软件中的模块化开发，OSI参考模型的建议是比较理想化的。OSI是Open System Interconnection的缩写，意为开放式系统互联。国际标准化组织（ISO）制定了OSI模型，该模型定义了不同计算机互联的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。OSI模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

（2）OSI参考模型中每个层的作用：

（3）7层通信实例：假设主机A的用户A要给主机B的用户B发送一封电子邮件：

发送方从第7层、第6层到第1层由上至下按照顺序传输数据，而接收端则从第1层、第2层到第7层由下至上向每个上一级分层传输数据。每个分层上，在处理由上一层传过来的数据时可以附上当前分层的协议所必须的“首部”信息。然后接收端对收到的数据进行数据“首部”与“内容”的分离，再转发给上一分层，并最终将发送端的数据恢复为原装。

二、TCP/IP基础知识

TCP(Transmission Control Protocol)和IP(Internet Protocol)是互联网的众多通信协议中最为著名的。

1、 TCP/IP的背景及历史

2、TCP/IP标准化

（1）具体含义，很多人都会认为TCP/IP是指TCP与IP两种协议，实际生活中有时也确实就是指这两种协议。但是，很多情况下，它只是利用IP进行通信时所必须使用到的协议群的统称。

（2）标准化

　　由于TCP/IP尽早地制定了可行性较强的协议，提出了应对技术快速革新的协议，并及时进行后期改良的方案，因此打败了OSI模型，成为了事实上的标准。

3、TCP/IP协议分层模型

上图列出了TCP/IP与OSI分层之间的大概关系，不难看出，TCP/IP与OSI在分层模块上稍有区别。OSI参考模型注重“通信协议必要的功能是什么”，而TCP/IP则更强调“在计算机上实现协议应该开发哪种程序”。现在再来看看主机A向主机B发送一封电子邮件，在TCP/IP模型下的处理过程：

分组数据包经过以太网的数据链路时的大致流程如下图所示：

三、IP协议及相关技术

1、 IP的主要作用

如图所示，IP的主要作用就是在复杂的网络环境中将数据包发给最终的目标地址。

2、IP的三大作用模块

（1）IP寻址

　　在计算机通信中，为了识别通信段，必须要有一个类似于地址的识别码进行标识。而在数据链路层，使用MAC地址来标识同一个链路中不同计算机的一种识别码。在网络层，则叫做IP地址。

（2）路由（最终节点为止的转发）

　　路由控制（Routing）是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。即使网络非常复杂，也可以通过路由控制确定到达目标地址的通路。因此，一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址，全靠路由控制。Hop中文叫“跳”，它是指网络中的一个区间，IP包正是在网络中一个跳间被转发。数据链路实现某一个区间（一跳）内的通信，而IP实现直至最终目标地址的通信（点对点）。

为了将数据包发送给目标主机，所有主机都维护着一张路由控制表（Routing Table），该表记录IP数据在下一步应该发给哪一个路由器。IP包将根据这个路由表在各个数据链路上传输。

（3）IP分包与组包

　　IP面向无连接，即在发包之前，不需要建立与对端目标地址之间的连接。上层如果遇到需要发送给IP的数据，该数据会被立即压缩成IP包发送出去。IP为什么面向无连接：需要有连接时，可以委托上一层（传输层）提供此项服务，因此，IP为了实现简单化与高速化采用面向无连接方式。

• 简化：面向连接比起面向无连接处理相对复杂！
• 提速：每次通信之前都需要建立连接，会降低处理速度！

3、 相关技术

（1）DNS

有效管理主机名和IP地址之间的对应关系->DNS系统，那么DNS查询的机制是什么呢？

（2）ARP

　　ARP是一种解决地址问题的协议，以目标地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。不过，ARP只适用于IPv4，不适用于IPv6。

　　RARP则是将ARP反过来，从MAC地址定位IP地址的一种协议。

（3）ICMP

　　一个刚刚搭建好的网络，需要验证该网络的设置是否正确。ICMP(Internet Control Message Protocol)这是提供这类功能的一种协议，其主要功能包括：确认IP包是否成功送达目标地址，通知在发送过程中IP包被废弃的具体原因等等。例如我们经常使用ping命令，就是一个典型的ICMP的具体应用。

（4）DHCP

　　如果逐一地为每一台主机设置IP地址会非常繁琐，于是为了实现自动设置IP地址、统一管理IP地址分配，就产生了DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）协议。有了DHCP，计算机只要连接到网络，就可以进行TCP/IP通信。

（5）NAT

　　NAT（Network Address Translator）用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术。

（6）IP隧道

　　在一个网络环境中，假如网络A、B使用IPv6，中间位置的网络C支持使用IPv4的话，网络A与网络B之间无法直接进行通信。为了让他们之间正常通信，这时需要采用IP隧道的功能。

IP隧道中可以将那些从网络A发过来的IPv6的包统和为一个数据，再为之追加一个IPv4的首部以后转发给网络C，这种在网络层的首部后面继续追加网络层首部的通信方法就叫做“IP隧道”。

四、TCP与UDP

TCP（Transmission Control Protocol）与UDP（User Datagram Protocol）

1、传输层的作用

　　TCP -> 面向连接的、可靠的流协议，提供可靠的通信传输。所谓流，就是指不间断的数据结构，你可以把它想象成排水管道中的水流。当应用程序采用TCP发送消息时，虽然可以保证发送的顺序，但还是犹如没有任何间隔的数据流发送给接收端。　　

　　UDP -> 面向无连接的，具有不可靠性的数据报协议。（让广播和细节控制交给应用的通信传输）

　　TCP用于在传输层有必要实现可靠传输的情况，由于它是面向连接并具备顺序控制、重发控制等机制的，所以它可以为应用提供可靠传输。而UDP则主要用于那些对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信。

　　因此，TCP和UDP应该根据应用目的按需使用。另外，在日常使用TCP或UDP时，通常会用到操作系统提供的类库，这种类库一般被称为API，对于TCP或UDP来说会广泛使用到套接字（Socket）的API。应用程序使用套接字时，可以设置对端的IP地址、端口号，并实现数据的发送与接收。

2、端口号

　　MAC地址和IP地址分别用来识别同一链路中不同的计算机以及TCP/IP网络中互连的主机和路由器。在传输层，则使用端口号来识别同一台计算机中进行通信的不同应用程序。

　　一般知名端口号在0~1023之间，而我们经常使用的自定义/动态分配的端口号则一般在49152~65535之间。

3、UDP

　　UDP(User Datagram Protocol)不提供复杂的控制机制，利用IP提供面向无连接的通信服务。因此，它不会负责：流量控制、丢包重发等。UDP广泛应用于：

• 包量较少的通信（DNS、SNMP登）
• 视频、音频等多媒体通信（即时通信）
• 限定于LAN等特定网络中的应用通信
• 广播通信（广播、多播）　　

4、TCP

　　TCP作为一种面向有连接的协议，只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费。为了通过IP数据报实现可靠性传输，需要考虑很多事情，例如：数据的破坏、丢包、重复以及分片顺序混乱等问题。TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。使用TCP的一个连接的建立与断开，正常过程下至少需要来回发送7个包才能完成，也就是我们常常听到的三次握手，四次挥手。

五、路由协议

在互联网世界中，夹杂着复杂的局域网和广域网，然后，再复杂的网络结构中，也需要通过合理的路由将数据发送到目标主机。而决定这个路由的，正是路由控制模块。

1、静态路由和动态路由

（1）静态路由：事先设置好路由器和主机中并将路由信息固定的一种方法；eg.有100个IP网的时候，就需要手动设置近100个路由信息。并且，每增加一个新的网络，就需要将这个新追加的网络信息设置在所有的路由器上。因此，管理负担很大。此外，一旦某个路由器发生故障，基本上无法自动绕过发生故障的节点，必须手工设置后才能恢复。

（2）动态路由：让路由协议在运行过程中自动地设置路由控制信息的一种方法；eg.如果有一个新的网络追加到原有网络中，只要在新增加网络的路由器上进行一个动态路由的设置即可。此外，网络上一旦发生故障，路由器的设置也会自动重置。

动态路由会给相邻路由器发送自己已知的网络连接信息，而这些信息又像接力一样依次传递给其他路由器，直到整个网络都了解时，路由控制表也就制作完成了，而此时也就可以正确转发IP数据包了。

2、路由算法

最具代表性的路由算法是：距离向量（Distance-Vector）算法和链路状态（Link-State）算法。（1）距离向量算法

　　根据距离（代价）和方向决定目标网络或者目标主机位置的一种方法。

（2）链路状态算法

　　在了解网络整体连接状态的基础上生成路由控制表的一种方法，该方法中，每个路由器必须保持同样的信息才能进行正确的路由选择。

3、路由协议

（1）RIP（Routing Information Protocol）

　　RIP是距离向量型的一种路由协议，广泛应用于LAN。

　　广播路由：RIP将路由控制信息定期（30秒）向全网广播。

　　确定路由：RIP基于距离向量算法决定路由，距离的单位被称为“跳数”（经过的路由器的个数），RIP希望经过尽可能少的路由器将数据包发送到目标IP地址。

（2）OSPF（Open Shortest Path First）

　　OSPF是一种链路状态型路由协议，即使网络中有环路，也能够进行稳定的路由控制。

六、应用协议

1、远程登录

　　Telnet利用TCP的一跳连接，通过这一条连接向主机发送文字命令并在主机上执行。但是Telnet中登录时无需输入密码就可以发送，容易造成通信窃听和非法侵入的危险。

　　SSH是加密的远程登录系统，可以加密通信内容。即使信息被窃听也无法破解所发送的密码、具体命令以及命令返回结果是什么。

2、文件传输

　　FTP是在两个计算机之间进行文件传输时使用的协议，它使用两条TCP连接：一条用于控制，一条则用于数据的传输。

　　（1）FTP控制使用的连接使用的是TCP21号端口

　　（2）FTP用于数据传输的TCP连接通常使用20号端口

3、电子邮件

　　SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）提供电子邮件服务协议，而一般接收端会使用POP3（Post Office Protocol）协议。

　　（1）SMTP是发送电子邮件的协议，它使用TCP的25号端口。它在建立一个TCP连接以后，便在这个连接上进行控制和应答以及数据的发送。

　　（2）POP是接收电子邮件的协议，它和SMTP一样，也是在客户端与服务端之间建立一个TCP连接完成相应操作。

4、WWW

　　HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）默认使用TCP的80端口，首先是客户端向服务器的80端口建立一个TCP连接，然后在这个TCP连接上进行请求和应答以及数据报文的发送。

5、网络管理

　　SNMP（Simple Network Management Protocol）常用语TCP/IP的网络管理。利用SNMP可以对连接到网络的设备进行远程管理，例如修改设置和确认是否运行正常等等。