TCP/IP五层模型详解

　　将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，搞清楚了每层的主要协议就理解了整个互联网通信的原理。

　　首先，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

　　

一、物理层

　　物理层由来：孤立的计算机之间必须完成组网。

　　

　　物理层功能：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

二、数据链路层

　　数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规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。

1、以太网协议

　　分组方式后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet。

（1）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

data

（2）head包含：（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

（3）data包含：（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（18+46），最长1518字节，超过最大限制就分片发送

2、mac地址：（局域网内广播时，根据mac地址定位）

　　head中包含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）:

　　

3、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，基于MAC地址广播的方式进行通讯，即计算机通信基本靠吼。

　　

三、网络层

　　网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由

一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，

这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难。

　　世界大网络是由一个个彼此隔离的局域网组成，以太网包只能在局域网内发送，一个局域网是一个广播域。

　　以太网的广播包只能在一个广播域内发送，跨广播域通信只能通过路由转发。

　　

　　上图说明：需要方法区分哪些计算机是同一广播域，同一广播域则采用广播方式发送，否则采用路由方式（向不同广播域／子网分发数据包）。

　　　　　　　mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关。

　　网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址。

1、IP协议

　　IP协议概念：规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示。

　　IP协议的主要作用：

　　　　一个是为每一台计算机分配IP地址；另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

2、子网掩码

　　所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

（1）子网掩码作用

　　知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。

（2）是否在同一个子网络判断方法

　　方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，

172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND运算得网络地址结果：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运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。

3、IP地址

　　IP地址范围：0.0.0.0-255.255.255.255
　　IP地址格式：一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1

（1）ip地址分两个部分

• 网络部分：标识子网
• 主机部分：标识主机

　　区分网络位和主机位是为了划分子网，划分子网主要是为了避免广播风暴和地址浪费。

　　注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网。例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

（2）ip地址分类

　　A类IP地址：一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”， 地址范围从1.0.0.0 到126.0.0.0。可用的A类网络有126个，每个网络能容纳1亿多个主机。

　　B类IP地址：一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B类网络有16382个，每个网络能容纳6万多个主机 。

　　C类IP地址：一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围从192.0.0.0到223.255.255.255。C类网络可达209万余个，每个网络能容纳254个主机。

　　D类IP地址：D类地址第一个字节以“1110”开始，它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（Multicast）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。

　　E类IP地址：以“llll0”开始，为将来使用保留。

（3）特殊地址

　　全零地址："0.0.0.0"对应当前地址。

　　全“1”地址："255.255.255.255"是当前子网的广播地址。

　　回环地址："127.0.0.1"即本机地址

（4）127.0.0.1与0.0.0.0区别

　　环回接口(loopback)：

• 传给环回地址（一般是127.0.0.1）的任何数据均作为IP输入。
• 传给广播地址或多播地址的数据报复制一份传给环回接口，然后送到以太网上。这是 因为广播传送和多播传送的定义包含主机本身。
• 任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

4、IP报文

　　IP协议是TCP/IP协议的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGCP的数据都以IP数据格式传输，要注意的是，IP不是可靠的协议，这是说，IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制－－这被认为是上层协议－－TCP或UDP要做的事情。所以这也就出现了TCP是一个可靠的协议，而UDP就没有那么可靠的区别。

　　　　

　　ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分。

　　head：长度为20到60字节

　　data：最长为65,515字节。

　　而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

5、ARP协议

　　arp协议介绍：计算机通信依靠广播的方式，所有上层的包到最后都要封装以太网头，然后通过以太网协议发送。通信是基于mac的广播方式实现，但是计算机在发包时，如何获取目标主机的mac就需要通过arp协议。

　　arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址。

　　协议工作方式：每台主机ip都是已知的

　　在以太网环境，为了正确地向目的主机传送报文，必须把目的主机的32位IP地址转换成为目的主机48位以太网的地址（MAC地址）。这就需要在互联层有一个服务或功能将IP地址转换为相应的物理地址（MAC地址），这个服务或者功能就是ARP协议。

　　所谓的“地址解析”，就是主机在发送帧之前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MA地址，以保证主机间相互通信的顺利进行。

（1）ARP工作示例

　　例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

　　首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

场景	数据包地址
同一子网	目标主机mac，目标主机ip
不同子网	网关mac，目标主机ip

　　然后分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

	源mac	目标mac	源ip	目标ip	数据部分
发送端主机	发送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	数据

　　最后这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac

6、ICMP协议

　　当传送IP数据包发生错误－－比如主机不可达，路由不可达等等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会.

　　ICMP(网络控制报文)协议一般用于检测网络是否通畅，基于ICMP协议的工具主要有Ping和traceroute。

（1）ping

　　单词源自声纳定位，而这个程序的作用也确实如此，它利用ICMP协议包来侦测另一个主机是否可达。原理是用类型码为0的ICMP发请求，受到请求的主机则用类型码为8的ICMP回应。ping程序来计算间隔时间，并计算有多少个包被送达。用户就可以判断网络大致的情况。

（2）traceroute

　　查看从当前主机到某地址一共经过多少跳路由.

四、传输层

　　传输层的由来：网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，再通过端口来标识主机上的应用程序。

　　端口即应用程序与网卡关联的编号。

　　传输层功能：建立端口到端口的通信，补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

　　传输层有两种协议，TCP和UDP

1、TCP协议

　　可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。(流式协议，不间断发送)

　　TCP可靠的缘故：只要不得到确认，就重新发送数据报，直到得到对方的确认为止。

tcp报文：

tcp的3次握手和4次挥手

　　所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。

　　首先Client端发送连接请求报文，Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文，并分配资源，这样TCP连接就建立了。

　　TCP的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作（中断连接），在socket编程中，任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。

　　挥手过程：假设Client端发起中断连接请求，也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后，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，"告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态，继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，"告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后，"就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，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。“，Server端收到ACK后，"就知道可以断开连接了"。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。

2、UDP协议

　　不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

　UDP特点：

• 传送数据前不需要建立连接。
• 尽最大努力交付，无法保证数据准确交付到目标主机，也不需要对接收到的UDP报文进行确认。
• 是面向报文的，将应用层传输的数据封装在UDP包内，不做拆分或合并。
• 没有拥塞控制，因此UDP协议发送速率不受网络拥塞影响
• 支持一对一、一对多、多对多的交互通信
• UDP头部仅占用8个字节，占用较小

3、TCP和UDP对比总结

　　TCP协议虽然安全性很高，但是网络开销大，而UDP协议虽然没有提供安全机制，但是网络开销小，在现在这个网络安全已经相对较高的情况下，为了保证传输的速率，我们一般还是会优先考虑UDP协议！

五、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。

　　例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。