瞭解OSI七層模型的意義
OSI網路模型分為七層，由下至上分別為：
- 1-物理層 （無 網線網路卡）
- 2-資料鏈路層* （ARP協議（二進位制） mac地址）
- 3-網路層*（ip協議 ARP協議（二進位制））
- 4-傳輸層* （tcp/udp協議（二進位制））
- 5-會話層
- 6-表示層 （無 處理資料壓縮及安全問題）
- 7-應用層* （http協議 ftp協議（文字協議））
其中我們作為軟體開發者來說需要重點關注“四層”：資料鏈路層，網路層，傳輸層，應用層 計算機和計算機通訊都是通過tcp/ip來進行的，TCP/IP不是一個協議，而是一個協議族的統稱。裡面包括了IP協議，IMCP協議，TCP協議，以及我們更加熟悉的http、ftp協議等等。電腦有了這些，就好像學會了外語一樣，就可以和其他的計算機終端做自由的交流了。
TCP/IP協議族分層
- 資料鏈路層：處理與物理裝置互動的具體細節
- 網路層：資料在網路中是分組傳輸的，網路層處理分組在網路中的活動
- 傳輸層：也叫運輸層，處理端到端的通訊細節，這裡的端指的是（埠和埠）
- 應用層：處理網路資料與應用程式的互動細節
資料鏈路層
資料鏈路層有三個目的：
- 上層為網路層，為IP模組傳送和 接收IP資料包。
- 為ARP模組傳送ARP請求和接收ARP應答
- 為RARP傳送RARP請 求和接收RARP應答 ip是網路層協議，大家應該並不陌生。ARP叫做地址解析協議，是用IP地址換MAC地址的一種協議，他的作用是：將32bit的IP地址，轉換為48bit的以太⽹地址，傳送ARP⼴播，獲得⽬的端的IP地址和硬體地址。而RARP則叫做逆地址解析協議。
arp協議
arp報文格式
-
以太⽹⾸部
- 以太⽹⽬的地址
- 以太⽹源地址
- 幀型別
-
arp請求/應答
- 硬體型別
- 協議型別
- 硬體地址⻓長度
- 協議地址⻓長度
- 操作
- 傳送端以太⽹地址
- 傳送端IP地址
- ⽬的端以太⽹地址
- ⽬的端IP地址 要注意的問題：
-
訪問不存在的主機地址超時時間⼀般為75s，這個時間其實⼀ 般就是TCP連線請求的超時時間
-
如果arp回答未返回，那麼任何TCP報⽂段都不會傳送 如何捕獲arp資料
- arp -a：檢視arp⾼速快取
- tcpdump -i ⽹絡接⼝ arp：監聽⽹絡接⼝的ARP
- tcpdump -D：檢視可監聽的⽹絡接⼝ 資料鏈路層的協議還是很多的，有我們最常用的乙太網（就是平時我們用的網路卡）協議，也有不太常見的令牌環，還有FDDI，當然，還有國內現在相當普及的PPP協議（就是adsl寬頻），以及一個loopback協議。而每一種資料鏈路層協議，都有一個MTU（最大傳輸單元）定義，在這個定義下面，如果IP資料包過大，則要進行分片(fragmentation)，使得每片都小於MTU，注意PPP的MTU並不是一個物理定義，而是指一個邏輯定義（個人認為就是用程式控制）。
網路層
網路層的主要功能：網路層識別IP地址，能夠將資訊送到正確的主機和處理資料包在⽹絡中的⾏為。網路層的主要協議有：IP協議，ARP協議，RARP協議，因特網報文協議ICMP、因特網組管理協議IGMP等。
- IP協議及IP資料包
- IP協議是TCP/IP協議的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGCP的資料都以IP資料格式傳輸。IP協議用於將多個包交換網路連線起來，它在源地址和目的地址之間傳送一種稱之為資料包的東西，並提供對資料大小的重新組裝功能，以適應不同網路對包大小的要求。要注意的是，IP不是可靠的協議，這是說，IP協議沒有提供一種資料未傳達以後的處理機制——>這被認為是上層協議：TCP或UDP要做的事情。所以這也就出現了TCP是一個可靠的協議，而UDP就沒有那麼可靠的區別。
- IP資料包格式如下：
-
協議組成（欄位存在嚴格約定的順序）：
- 版本：4位
- ⾸部⻓長度：4位，需要注意的，是指4位表示的10進位制數4個位元組的數⽬，154，⾸部最⻓長為60位元組
- 服務型別：8位，⼤部分實現不⽀持，⽆需關注
- 總⻓長度：16位，所以最⼤的IP包為65536
- 標識：16位，唯⼀標識主機傳送的每⼀份資料包
- 3位標誌+13位⽚偏移：暫時不關注
- ⽣存時間：8位，資料包最多可經過的路由數
- 上層協議：8位，表明該IP資料包對應的上層協議是什麼
- ⾸部校驗和：16位，保證IP資料包傳輸正確
- 源IP地址：32位
- ⽬的IP地址：32位
-
路由選擇：
- 每⼀個IP資料包在⽹絡中進⾏傳輸的⽬的，是要找到⽬的IP的主機地址，並 最終到達該主機。所以IP資料包經過的每⼀個節點都相當於是⼀箇中轉 站，也就是路由。所以IP資料包被路由節點的操作被稱為路由選擇。
- 常規的路由機制：1.⽬的主機與源主機直接相連，或處於共享⽹絡，直接送達⽬標主機 2.預設轉發⾄該⽹絡存在的路由器上，再由其統⼀處理
-
路由匹配演算法：
- 路由表中存在與⽬的IP地址完全相同的條⽬，直接傳送⾄下⼀跳
- 路由表中存在與⽬的IP地址⽹絡號相同的條⽬，傳送⾄該條⽬指定的下⼀跳
- 以上條件均不成⽴，尋找預設條⽬，傳送⾄該條⽬指定的下⼀跳
- 均不成⽴，返回主機或⽹絡不可達的錯誤
-
常用命令：
- ifconfig：檢視⽹絡接⼝
- netstat -rn：檢視路由表
- nststat -in：檢視接⼝資訊 ip地址：IP地址由網路號（包括子網號）和主機號組成，網路地址的主機號為全0，網路地址代表著整個網路。
-
ip地址分類：
- A類地址以0開頭，第一個位元組作為網路號，地址範圍為：0.0.0.0~127.255.255.255；
- B類地址以10開頭，前兩個位元組作為網路號，地址範圍是128.0.0.0~191.255.255.255;
- C類地址以110開頭，前三個位元組作為網路號，地址範圍是：192.0.0.0~223.255.255.255。
- D類地址以1110開頭，地址範圍是224.0.0.0~239.255.255.255，D類地址作為組播地址（一對多的通訊）；
- E類地址以1111開頭，地址範圍是240.0.0.0~255.255.255.255，E類地址為保留地址，供以後使用。 注：只有A,B,C有網路號和主機號之分，D類地址和E類地址沒有劃分網路號和主機號。
-
255.255.255.255
該IP地址指的是受限的廣播地址。受限廣播地址與一般廣播地址（直接廣播地址）的區別在於，受限廣播地址只能用於本地網路，路由器不會轉發以受限廣播地址為目的地址的分組；一般廣播地址既可在本地廣播，也可跨網段廣播。例如：主機192.168.1.1/30上的直接廣播資料包後，另外一個網段192.168.1.5/30也能收到該資料包；若傳送受限廣播資料包，則不能收到。 注：一般的廣播地址（直接廣播地址）能夠通過某些路由器（當然不是所有的路由器），而受限的廣播地址不能通過路由器。
- 0.0.0.0
常用於尋找自己的IP地址，例如在我們的RARP，BOOTP和DHCP協議中，若某個未知IP地址的無盤機想要知道自己的IP地址，它就以255.255.255.255為目的地址，向本地範圍（具體而言是被各個路由器遮蔽的範圍內）的伺服器傳送IP請求分組。
- 迴環地址
127.0.0.0/8被用作迴環地址，迴環地址表示本機的地址，常用於對本機的測試，用的最多的是127.0.0.1。
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A、B、C類私有地址
- 私有地址(private address)也叫專用地址，它們不會在全球使用，只具有本地意義。
- A類私有地址：10.0.0.0/8，範圍是：10.0.0.0~10.255.255.255
- B類私有地址：172.16.0.0/12，範圍是：172.16.0.0~172.31.255.255
- C類私有地址：192.168.0.0/16，範圍是：192.168.0.0~192.168.255.255
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子網掩碼 IP地址的定義是網路號+主機號。但是現在所有的主機都要求子網編址，也就是說，把主機號在細分成子網號+主機號。最終一個IP地址就成為網路號碼+子網號+主機號。
子網掩碼是一個32位地址，用於區別兩個IP地址是否屬於同一個子網。若兩個IP地址與其子網掩碼相與後相同，則說明這兩個IP地址屬於同一個子網。 子網掩碼由1和0組成，且1和0分別連續。左邊是網路位，用二進位制數字“1”表示；右邊是主機位，用二進位制數字“0”表示。 這樣做的目的是為了讓掩碼與IP地址做按位與運算時用0遮住原主機數，而不改變原網路段數字，而且很容易通過0的位數確定子網的主機數（2的主機位數次方-2，因為主機號全為1時表示該網路廣播地址，全為0時表示該網路的網路號，這是兩個特殊地址）。只有通過子網掩碼，才能表明一臺主機所在的子網與其他子網的關係，使網路正常工作。
預設分配的子網掩碼每段只有255或0 Ａ類的預設子網掩碼 255.0.0.0 一個子網最多可以容納1677萬多臺電腦 Ｂ類的預設子網掩碼 255.255.0.0 一個子網最多可以容納6萬臺電腦 Ｃ類的預設子網掩碼 255.255.255.0 一個子網最多可以容納254臺電腦
- IP協議-IP分⽚
- ip根據標誌欄位和片偏移進行分片，共16位，IP分⽚時，該值被複制到每⼀個分⽚中
- 其中3位標誌：首位是保留欄位，預設為0；次位當不進行ip分片時為1，需要分片時為0；末位除了最後一次分片，其他片均為1
- 13位片偏移：標誌該片偏移原始資料包開始的位置
- 注意：當IP分⽚時，只丟失⼀⽚資料，也需要重傳整個IP資料包，當給定資料包的第⼀個資料包⽚到達時，開始定時器，過期丟 棄所有資料包⽚，所以ip協議是不可靠的協議
傳輸層
- 網路層協議只提供了點到點的連線，而傳輸層協議提供一種端到端的服務，即應用程式之間的通訊。網路層協議提供不可靠、無連線和盡力投遞的服務，因此，如果對於可靠性要求很高的上層協議，就需要在傳輸層實現可靠性的保障。傳輸層主要有TCP和UDP協議。
- TCP即傳輸控制協議，是一個可靠的、面向連線的協議。它允許網路間兩臺主機之間無差錯的資訊傳輸。TCP協議還進行流量控制，以避免傳送過快而發生擁塞。
- UDP即使用者資料包協議，它採用無連線的方式傳送資料，也就是說傳送端不關心傳送的資料是否到達目標主機，資料是否出錯等。收到資料的主機也不會告訴傳送方是否收到了資料，它的可靠性由上層協議來保障。
- 這兩個協議針對不同網路環境實現資料傳輸，各有優缺點。面向連線的TCP協議效率較低，但可靠性高，適合於網路鏈路不好或可靠性要求高的環境；UDP面向非連線，不可靠，但因為不用傳送許多與資料本身無關的資訊，所以效率較高，常用於一些實時業務，也用於一些對差錯不敏感的應用。這樣就可以在不同的場合和要求下選用不同的協議，達到預期通訊目標。下面我將詳細介紹一下tcp。
tcp協議格式
- TCP是面向連線的可靠協議，TCP協議為實現可靠的資料傳輸而提供了一系列的方法 和手段。
- 首先，TCP的資料段採取編號的方式保證資料的正確順序。TCP資料段被封裝在IP資料包中來完成傳輸，而IP資料包經過的路徑有可能不同，那麼IP資料包到達時可能會失去原有順序，因而到達的TCP資料段也可能會失序。為了解決這個問題，TCP對資料段進行編號。對接收到的資料進行重新排序，然後以正確的順序交給應用層
- 其次，由於到達的IP資料包有可能會發生重複，所以TCP的接收端必須有丟棄重複資料的功能。
- 再次，TCP提供流量控制。
TCP協議的各種功能的實現依賴於它的首部資料結構。在TCP的首部中包含了許多TCP資料段的重要資訊，下面就TCP的首部資料結構進行詳細講解。
- 0～15這16位稱為源埠號；它是TCP資料段傳送方程式對應的埠號，這個埠號是由傳送方程式產生的隨機數，它唯一地標識了傳送端的一個程式。
- 0～15這16位稱為源埠號；它是TCP資料段傳送方程式對應的埠號，這個埠號是由傳送方程式產生的隨機數，它唯一地標識了傳送端的一個程式。
- 第2行是32位的序列號，它提供0～2^32-1範圍內的一個數字。TCP從應用程式取得資料後，會根據實際傳輸能力把資料劃分成不同的資料段。TCP用這個數字來給資料段打上標記，當資料到達目的地後，接收端會按照這個序列號把資料重新排列，保證資料的正確性。
- 第4行分為4個部分。
- 第1部分是4位首部長度，用它可以確定首部資料結構的位元組長度。一般情況下TCP首部是20個位元組，但當要擴充套件首部長度大小時可以使用這個欄位，比如把這4個位都置為1就得到TCP首部長度的最大值60。4位的最大值是1111換算成十進位制是l5，表示首部長度為l5行。而每行資料有32位即4個位元組長，所以首部長度為15×4=60
- 第2部分是6個保留位。
- 第3部分是6個控制位。這6位有很重要的作用，TCP的連線、傳輸和斷開都是受這6個控制位的指揮
- URG：緊急指標有效位，它和第5行的16位緊急指標配合使用，當URG=1時，TCP根據16位緊急指標確定緊急資料的最後一個位元組的位置。這樣接收端就可以優先準確快速
- ACK：只有當ACK=1時確認序列號欄位才有效。當ACK=0時，確認號無效。
- PSH：標誌位為1時要求接收方儘快將資料段送達應用層，這個標誌位是為了加快特殊資料的處理速度。
- RST：值為1時通知重新建立TCP連線。
- SYN：同步序號位。TCP需要建立連線時將這個位置為1。
- FIN：發端完成傳送任務位，當TCP完成資料傳輸需要斷開連線時，提出斷開連線的一方將這個位置為1。
- 第4部分是1 6位的視窗大小，它說明本地可接收資料段的數目，這個值的大小是可變的，當網路通暢時這個視窗值變大以加快傳輸速度，當網路不穩定時減小這個值可保證網路資料的可靠傳輸，TCP協議中的流量控制機制就是依靠變化視窗的大小實現的
- 第5行中的16位校驗和是用來做差錯控制的，在傳送TCP資料段時，由傳送端計算TCP資料段所有位元組的校驗和。當到達目的地時又進行一次校驗和計算。若這兩次的校驗和一致則說明資料基本是正確的。否則將認為該資料已被破壞，接收端將拋棄該資料
- 第5行中的16位緊急指標和URG配合使用，當URG=1時有效。用來說明緊急資料的末尾位元組的位置。
- 第6行是可選項，只有當4位首部長度大於20時才有效，那時TCP的首部中會附加更多的資訊，一般情況下沒有可選項。
- 第7行是資料，它是由應用層的資料分段而得到的一部分資料，是TCP協議服務的物件。在傳輸前TCP協議會給這部分資料加上一個序號，來表示這個部分資料在資料整體中的位置。
TCP是一個面向連線的服務，也就是說在資料通訊之前，傳送端與接收端要先建立連線。等資料傳送結束後，雙方再斷開連線。一個TCP連線不僅需要埠，還需要IP地址來確定通訊的主機。故而IP首部中的傳送端IP地址加上傳送端埠號就形成了連線的傳送端；目標端IP地址再加上接收端埠號就確定了連線的接收端。這樣就唯一地確定了一個TCP連線。
在TCP/IP協議中，TCP協議是基於IP協議的。IP協議是對應於網路層的協議，它是 一個不可靠的協議。TCP協議的可靠性保證給IP協議提供了可靠環境，從而使得IP協議可以不必考慮傳輸的可靠性，專注於網路層的功能。這也是協議分層的初衷。TCP被認為是一種流式傳輸層服務。它表示TCP傳送端從應用程式接收到字元流，並從這個流中提取適當的長度建立資料段，然後將其傳送到網路上。TCP接收端則接收資料段，從中提取資料，若沒有按序號到達還要對其進行排序，並將其作為字元流交付給接收端應用程式。這樣就完成了資料的傳輸。
TCP的三次握手四次斷開
1、tcp三次握手
TCP在建立連線的時候使用埠號來完成與應用程式的對應。當一臺計算機和其他計算 機進行連線、通訊時使用IP地址和埠號。連線的每一方都是由一個IP地址和一個埠號組成的。比如通過IE瀏覽器上網時，通過解析輸入的URL地址可以得到IP地址，這時還有一個隱含的埠號80。這樣就構成了連線的伺服器方。同樣，連線的客戶端也會有自己的IP地址和埠號。在計算機上可以通過命令netstat-n來檢視目前存在的連線程式。TCP建立連線的過程稱為3次握手。建立連線的過程如下圖所示：
- 第1次握手是客戶端通過將一個含有“同步序列號”(SYN)標誌位的資料段傳送給伺服器而開始請求連線。通過該資料段，客戶端告知伺服器兩點：我希望跟你建立連線，同時告訴伺服器使用哪個序列號作為資料傳輸時資料段的起始。
- 第2次握手是伺服器用一個帶有“確認應答”(ACK)和“同步序列號”(SYN)標誌位的資料段相應客戶端。它也有兩個目的：傳送ACK通知客戶端我收到了資料段；通知客戶端從哪個序列號開始給資料段做標記。
- 第3次握手是客戶端再次傳送一個資料段，確認收到了伺服器的資料段，這時就可以開始傳送實際資料了。
- 這樣3次握手就全部完成了，資料將開始傳輸了。
3次握手有如下特點：
- 沒有應用層資料。
- SYN這個標誌位只有TCP建立連線時才被置為1。
- 握手完成後SYN標誌位被置為0。
2、tcp四次斷開
TCP建立一個連線時進行了3次握手，而終止一個連線要經過4次。這是由TCP的半關閉(half-close)造成的。什麼是TCP的半關閉呢?
因為一個TCP連線是全雙工的(即資料可在兩個方向上同時傳遞)，所以進行關閉時每個方向必須單獨地進行關閉。這個單方向的關閉都稱為半關閉。關閉的方法是一方完成它的資料傳送任務後，就傳送一個FIN來向另一方通告將要終止這個方向連線。當一端收到一個FIN，它必須通知應用層TCP連線已經終止了那個方向的資料傳送。傳送FIN通常是應用層進行關閉的結果。
TCP的斷開要經過4步，但後兩步和前兩步很相似，只是關閉連線的雙方調換角色而已
- 客戶端將控制位FIN置為1，提出停止TCP連線的請求。
- 伺服器收到FIN後對其做出響應，確認這一方向上的TCP連線將關閉。
- 由伺服器再提出反方向的關閉要求，將FIN置為1。
- 由客戶端對伺服器端提出的關閉做出應答，雙方向的關閉結束。
這樣一共經過4個步驟後，TCP全雙工的雙向連線都得到了正常的關閉。
- 在資料傳輸階段，客戶端向伺服器傳送了序列號為100的資料段，伺服器接收到後，傳送了序列號為300、確認號為10l的確認資料段。這時，客戶端與伺服器已經完成了資料的傳輸。
- 客戶端主動斷開連線，向伺服器傳送序列號為101的資料段，其中將FIN標誌位置為1，同時，確認前一個伺服器傳送來的資料段，確認號為301，並將ACK置1。
- 伺服器接收到這個斷連請求後，傳送序列號為301、確認號為102的確認資料段，執行被動關閉。這時，完成了客戶端→伺服器的半關閉。
- 接著伺服器向客戶端發出了序列號為301、FIN置1的斷連請求，要求斷開伺服器→客戶端方向的連線。
- 客戶端收到這個FIN，應答了一個確認號為302的確認序列，執行被動關閉。這時，完成了TCP的斷開連線的工作。