TCP/IP五层模型详解

时间 2019-11-16

标签 tcp 五层模型详解栏目系统网络繁體版

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　　将应用层，表示层，会话层并做应用层，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讯的原理。python

　　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，因此咱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，越往下越靠近硬件编程

1、物理层

　　物理层由来：孤立的计算机之间必须完成组网。安全

　　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服务器

2、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，每组什么意思网络

　　数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式。socket

一、以太网协议

　　分组方式后来造成了统一的标准，即以太网协议ethernet。tcp

（1）ethernet规定：

一组电信号构成一个数据包，叫作“帧”
每一数据帧分红：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工具

二、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的设备都必须具有网卡，发送端和接收端的地址即是指网卡的地址，即mac地址。oop

　　mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界惟一的mac地址，长度为48位2进制，一般由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）:spa

三、广播

　　有了mac地址，同一网络内的两台主机就能够通讯了（一台主机经过arp协议获取另一台主机的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信，即计算机通讯基本靠吼。

3、网络层

　　网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就能够彼此通讯了，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，那么若是全部的通讯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，

这就不只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，跨广播域通讯只能经过路由转发。

　　上图说明：须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，不然采用路由方式（向不一样广播域／子网分发数据包）。

　　　　　　　mac地址是没法区分的，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一样的广播域／子网，这套地址即网络地址。

一、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，普遍采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示。

　　IP协议的主要做用：

　　　　一个是为每一台计算机分配IP地址；另外一个是肯定哪些地址在同一个子网络。

二、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，它的网络部分所有为1，主机部分所有为0。好比，IP地址172.16.10.1，若是已知网络部分是前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）子网掩码做用

　　知道”子网掩码”，咱们就能判断，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，不然为0），而后比较结果是否相同，若是是的话，就代表它们在同一个子网络中，不然就不是。

好比，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？二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，所以它们在同一个子网络。

三、IP地址

　　IP地址范围：0.0.0.0-255.255.255.255
　　IP地址格式：一个ip地址一般写成四段十进制数，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没法辨识一个ip所处的子网。例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能肯定两者处于同一子网

（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，每一个网络能容纳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，每一个网络能容纳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，每一个网络能容纳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，为未来使用保留。

（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（通常是127.0.0.1）的任何数据均做为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，而后送到以太网上。这是由于广播传送和多播传送的定义包含主机自己。
任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

四、IP报文

　　IP协议是TCP/IP协议的核心，全部的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之后的处理机制－－这被认为是上层协议－－TCP或UDP要作的事情。因此这也就出现了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。所以，若是IP数据包超过了1500字节，它就须要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

五、ARP协议

　　arp协议介绍：计算机通讯依靠广播的方式，全部上层的包到最后都要封装以太网头，而后经过以太网协议发送。通讯是基于mac的广播方式实现，可是计算机在发包时，如何获取目标主机的mac就须要经过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。

　　协议工做方式：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）。这就须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”，就是主机在发送帧以前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是经过目标设备的IP地址，查询目标设备的MA地址，以保证主机间相互通讯的顺利进行。

（1）ARP工做示例

　　例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

　　首先经过ip地址和子网掩码区分出本身所处的子网

场景	数据包地址
同一子网	目标主机mac，目标主机ip
不一样子网	网关mac，目标主机ip

　　而后分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(若是不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,经过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，全部主机接收后拆开包，发现目标ip为本身的，就响应，返回本身的mac

六、ICMP协议

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

　　ICMP(网络控制报文)协议通常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，而这个程序的做用也确实如此，它利用ICMP协议包来侦测另外一个主机是否可达。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。用户就能够判断网络大体的状况。

（2）traceroute

　　查看从当前主机到某地址一共通过多少跳路由.

4、传输层

　　传输层的由来：网络层的ip帮咱们区分子网，以太网层的mac帮咱们找到主机，再经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：创建端口到端口的通讯，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

一、TCP协议

　　可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上能够无限长，可是为了保证网络的效率，一般TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包没必要再分割。(流式协议，不间断发送)

　　TCP可靠的缘故：只要不获得确认，就从新发送数据报，直到获得对方的确认为止。

tcp报文：

tcp的3次握手和4次挥手

　　所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指创建一个TCP链接时，须要客户端和服务器总共发送3个包。

　　首先Client端发送链接请求报文，Server段接受链接后回复ACK报文，并为此次链接分配资源。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链接就创建了。

　　TCP的链接的拆除须要发送四个包，所以称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器都可主动发起挥手动做（中断链接），在socket编程中，任何一方执行close()操做便可产生挥手操做。

　　挥手过程：假设Client端发起中断链接请求，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"，可是若是你还有数据没有发送完成，则没必要急着关闭Socket，能够继续发送数据。因此你先发送ACK，"告诉Client端，你的请求我收到了，可是我还没准备好，请继续你等个人消息"。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端肯定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，"告诉Client端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭链接了"。Client端收到FIN报文后，"就知道能够关闭链接了，可是他仍是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，因此发送ACK后进入TIME_WAIT状态，若是Server端没有收到ACK则能够重传。“，Server端收到ACK后，"就知道能够断开链接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证实Server端已正常关闭，那好，我Client端也能够关闭链接了。

二、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特色：

传送数据前不须要创建链接。
尽最大努力交付，没法保证数据准确交付到目标主机，也不须要对接收到的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，不作拆分或合并。
没有拥塞控制，所以UDP协议发送速率不受网络拥塞影响
支持一对1、一对多、多对多的交互通讯
UDP头部仅占用8个字节，占用较小

三、TCP和UDP对比总结

　　TCP协议虽然安全性很高，可是网络开销大，而UDP协议虽然没有提供安全机制，可是网络开销小，在如今这个网络安全已经相对较高的状况下，为了保证传输的速率，咱们通常仍是会优先考虑UDP协议！

5、应用层

　　应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工做于应用层，互联网是开发的，你们均可以开发本身的应用程序，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协议能够为各类各样的程序传递数据，好比Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不一样协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。