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一、OSI參考模型

1. OSI的來源

首先 osi 七層模型是什么?

OSI 是英文 Open System Interconnection 的簡寫，翻譯成中文叫做 (開放系統(tǒng)互連參考模型)，他是一個國際標準化組織制定的一個用于計算機或通信系統(tǒng)間互聯(lián)的標準體系

怎么理解呢?你可以這么想，在之前很早的時候，世界上有各種生產(chǎn)計算機硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的廠家，大家你做你的我做我的，弄的很亂而且還都互不兼容，這時候國際上有一個很牛很牛的公認的組織，為了統(tǒng)一互聯(lián)網(wǎng)，讓他不那么復(fù)雜，更加容易管理而制定了一個規(guī)則，而這個規(guī)則大家必須都要遵守，這個就是 OSI 七層模型。

2、那七層是什么意思?

首先，這個七層模型呢他是一個虛擬的，就是理論上的規(guī)則，并不是一個什么摸得到的物理形狀的類似于汽車模型的那種模型，那它具體是什么樣的呢?你看下圖

 

 

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3、那這兩個七層模型到底是怎么回事呢?

首先，你要把這兩邊的七層模型看成是兩個人在寫信，你給人家寫信人家是不是得給你回信?這個就是兩個模型中間的箭頭。意思是有來有回。而你們兩個人的來回信件呢都得經(jīng)過這七個步驟，然后才能到達各自的手中。這就是為什么兩邊都畫了七層模型

4、OSI七層模型基本功能是什么?

OSI模型通過七個層次化結(jié)構(gòu)的模型，使不同的系統(tǒng)不同的網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)可靠的通訊，因此，其最主要的功能就是幫助不同類型主機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

5、那這七個層到底都對應(yīng)了哪些東西呢?

(1)物理層：它對應(yīng)了，網(wǎng)卡、網(wǎng)線、光纖，等

(2)數(shù)據(jù)鏈路層：它對應(yīng)了，網(wǎng)橋、交換機、等

(3)網(wǎng)絡(luò)層：路由器、三層交換機

(4)傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層、這些個在軟件層面上和虛擬層面上的，所以他不 對應(yīng)相關(guān)的物理設(shè)備，這四個層面呢，它對應(yīng)的是相關(guān)的協(xié)議了。

比如說：傳輸層有：TCP UDP 協(xié)議 ;應(yīng)用層有 http ftp 協(xié)議等，就是這個意思

但實際網(wǎng)管需要日常維護的只有：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層 這五層

6、 各層功能定義

這里我們只對OSI各層進行功能上的大概闡述，不詳細深究，因為每一層實際都是一個復(fù)雜的層。

這里我們就大概了解一下。

我們從最頂層——應(yīng)用層 開始介紹。

整個過程以公司A和公司B的一次商業(yè)報價單發(fā)送為例子進行講解。

(1) 應(yīng)用層

OSI參考模型中最靠近用戶的一層，是為計算機用戶提供應(yīng)用接口，也為用戶直接提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

我們常見應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議有：HTTP，HTTPS，F(xiàn)TP，POP3、SMTP等。

實際公司A的老板就是我們所述的用戶，而他要發(fā)送的商業(yè)報價單，就是應(yīng)用層提供的一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，當(dāng)然，老板也可以選擇其他服務(wù)，比如說，發(fā)一份商業(yè)合同，發(fā)一份詢價單，等等。

(2) 表示層

表示層提供各種用于應(yīng)用層數(shù)據(jù)的編碼和轉(zhuǎn)換功能,確保一個系統(tǒng)的應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)能被另一個系統(tǒng)的應(yīng)用層識別。

如果必要，該層可提供一種標準表示形式，用于將計算機內(nèi)部的多種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成通信中采用的標準表示形式。

數(shù)據(jù)壓縮和加密也是表示層可提供的轉(zhuǎn)換功能之一。

由于公司A和公司B是不同國家的公司，他們之間的商定統(tǒng)一用英語作為交流的語言，所以此時表示層(公司的文秘)，就是將應(yīng)用層的傳遞信息轉(zhuǎn)翻譯成英語。

同時為了防止別的公司看到，公司A的人也會對這份報價單做一些加密的處理。

這就是表示的作用，將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換翻譯等。

(3) 會話層

會話層就是負責(zé)建立、管理和終止表示層實體之間的通信會話。

該層的通信由不同設(shè)備中的應(yīng)用程序之間的服務(wù)請求和響應(yīng)組成。

會話層的同事拿到表示層的同事轉(zhuǎn)換后資料，(會話層的同事類似公司的外聯(lián)部)，會話層的同事那里可能會掌握本公司與其他好多公司的聯(lián)系方式，這里公司就是實際傳遞過程中的實體。他們要管理本公司與外界好多公司的聯(lián)系會話。

當(dāng)接收到表示層的數(shù)據(jù)后，會話層將會建立并記錄本次會話，他首先要找到公司B的地址信息，然后將整份資料放進信封，并寫上地址和聯(lián)系方式。準備將資料寄出。

等到確定公司B接收到此份報價單后，此次會話就算結(jié)束了，外聯(lián)部的同事就會終止此次會話。

(4) 傳輸層

傳輸層建立了主機端到端的鏈接，傳輸層的作用是為上層協(xié)議提供端到端的可靠和透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，包括處理差錯控制和流量控制等問題。

該層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細節(jié)，使高層用戶看到的只是在兩個傳輸實體間的一條主機到主機的、可由用戶控制和設(shè)定的、可靠的數(shù)據(jù)通路。

我們通常說的，TCP UDP就是在這一層。端口號既是這里的"端"。

傳輸層就相當(dāng)于公司中的負責(zé)快遞郵件收發(fā)的人，公司自己的投遞員，他們負責(zé)將上一層的要寄出的資料投遞到快遞公司或郵局。

(5) 網(wǎng)絡(luò)層

本層通過IP尋址來建立兩個節(jié)點之間的連接，為源端的運輸層送來的分組，選擇合適的路由和交換節(jié)點，正確無誤地按照地址傳送給目的端的運輸層。

就是通常說的IP層。

這一層就是我們經(jīng)常說的IP協(xié)議層。

IP協(xié)議是Internet的基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)層就相當(dāng)于快遞公司龐大的快遞網(wǎng)絡(luò)，全國不同的集散中心，比如說，從深圳發(fā)往北京的順豐快遞(陸運為例啊，空運好像直接就飛到北京了)，首先要到順豐的深圳集散中心，從深圳集散中心再送到武漢集散中心，從武漢集散中心再寄到北京順義集散中心。這個每個集散中心，就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的一個IP節(jié)點。

(6) 數(shù)據(jù)鏈路層

將比特組合成字節(jié),再將字節(jié)組合成幀,使用鏈路層地址 (以太網(wǎng)使用MAC地址)來訪問介質(zhì),并進行差錯檢測。

數(shù)據(jù)鏈路層又分為2個子層：邏輯鏈路控制子層(LLC)和媒體訪問控制子層(MAC)。

MAC子層處理CSMA/CD算法、數(shù)據(jù)出錯校驗、成幀等;LLC子層定義了一些字段使上次協(xié)議能共享數(shù)據(jù)鏈路層。

在實際使用中，LLC子層并非必需的。

(7) 物理層

實際最終信號的傳輸是通過物理層實現(xiàn)的。

通過物理介質(zhì)傳輸比特流。規(guī)定了電平、速度和電纜針腳。

常用設(shè)備有(各種物理設(shè)備)集線器、中繼器、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)線、雙絞線、同軸電纜。

這些都是物理層的傳輸介質(zhì)。

快遞寄送過程中的交通工具，就相當(dāng)于我們的物理層，例如汽車，火車，飛機，船。

7. 通信特點：對等通信

對等通信，為了使數(shù)據(jù)分組從源傳送到目的地，源端OSI模型的每一層都必須與目的端的對等層進行通信，這種通信方式稱為對等層通信。

在每一層通信過程中，使用本層自己協(xié)議進行通信。

 

 

二、TCP/IP五層模型

TCP/IP五層協(xié)議和OSI的七層協(xié)議對應(yīng)關(guān)系如下：

 

 

在每一層都工作著不同的設(shè)備，比如我們常用的交換機就工作在數(shù)據(jù)鏈路層的，一般的路由器是工作在網(wǎng)絡(luò)層的。

在每一層實現(xiàn)的協(xié)議也各不同，即每一層的服務(wù)也不同，下圖列出了每層主要的協(xié)議。

 

 

1. 應(yīng)用層

應(yīng)用層向應(yīng)用程序提供服務(wù)，這些服務(wù)按其向應(yīng)用程序提供的特性分成組，并稱為服務(wù)元素。

有些可為多種應(yīng)用程序共同使用，有些則為較少的一類應(yīng)用程序使用。

應(yīng)用層為最高層，是直接為應(yīng)用進程提供服務(wù)的。

其作用是在實現(xiàn)多個系統(tǒng)應(yīng)用進程相互通信的同時，完成一系列業(yè)務(wù)處理所需的服務(wù)。

其服務(wù)元素分為兩類:公共應(yīng)用服務(wù)元素CASE和特定應(yīng)用服務(wù)元素SASE。

CASE提供最基本的服務(wù)，它成為應(yīng)用層中任何用戶和任何服務(wù)元素的用戶，主要為應(yīng)用進程通信，分布系統(tǒng)實現(xiàn)提供基本的控制機制。

特定服務(wù)SASE則要滿足一些特定服務(wù)，如文卷傳送，訪問管理，作業(yè)傳送，銀行事務(wù)，訂單輸入等。

這些將涉及到虛擬終端，作業(yè)傳送與操作，文卷傳送及訪問管理，遠程數(shù)據(jù)庫訪問，圖形核心系統(tǒng)，開放系統(tǒng)互連管理等等。

應(yīng)用層的標準有DP8649"公共應(yīng)用服務(wù)元素"，DP8650"公共應(yīng)用服務(wù)元素用協(xié)議"，文件傳送，訪問和管理服務(wù)及協(xié)議。

2. 傳輸層

傳輸層是兩臺計算機經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信時，第一個端到端的層次，具有緩沖作用。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量不能滿足要求時，它將服務(wù)加以提高，以滿足高層的要求;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量較好時，它只用很少的工作。

傳輸層還可進行復(fù)用，即在一個網(wǎng)絡(luò)連接上創(chuàng)建多個邏輯連接。

傳輸層也稱為運輸層，是很重要的一層。

因為它是源端到目的端對數(shù)據(jù)傳送進行控制從低到高的最后一層。

有一個既存事實，即世界上各種通信子網(wǎng)在性能上存在著很大差異。

例如電話交換網(wǎng)，分組交換網(wǎng)，公用數(shù)據(jù)交換網(wǎng)，局域網(wǎng)等通信子網(wǎng)都可互連，但它們提供的吞吐量，傳輸速率，數(shù)據(jù)延遲通信費用各不相同。

對于會話層來說，卻要求有一性能恒定的界面。

傳輸層就承擔(dān)了這一功能。

它采用分流/合流，復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)來調(diào)節(jié)上述通信子網(wǎng)的差異，使會話層感受不到。

此外傳輸層還要具備差錯恢復(fù)，流量控制等功能，以此對會話層屏蔽通信子網(wǎng)在這些方面的細節(jié)與差異。

傳輸層面對的數(shù)據(jù)對象已不是網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址，而是和會話層的界面端口。

上述功能的最終目的是為會話提供可靠的，無誤的數(shù)據(jù)傳輸。

傳輸層的服務(wù)一般要經(jīng)歷傳輸連接建立階段，數(shù)據(jù)傳送階段，傳輸連接釋放階段3個階段才算完成一個完整的服務(wù)過程。

而在數(shù)據(jù)傳送階段又分為一般數(shù)據(jù)傳送和加速數(shù)據(jù)傳送兩種。

3. 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的產(chǎn)生也是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的結(jié)果。

在聯(lián)機系統(tǒng)和線路交換的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)層的功能沒有太大意義。

當(dāng)數(shù)據(jù)終端增多時，它們之間有中繼設(shè)備相連。

此時會出現(xiàn)一臺終端要求不只是與唯一的一臺而是能和多臺終端通信的情況，這就是產(chǎn)生了把任意兩臺數(shù)據(jù)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈接起來的問題，也就是路由或者叫尋徑。

另外，當(dāng)一條物理信道建立之后，被一對用戶使用，往往有許多空閑時間被浪費掉。

人們自然會希望讓多對用戶共用一條鏈路，為解決這一問題就出現(xiàn)了邏輯信道技術(shù)和虛擬電路技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)層為建立網(wǎng)絡(luò)連接和為上層提供服務(wù)，應(yīng)具備以下主要功能：

· 路由選擇和中繼。

· 激活，終止網(wǎng)絡(luò)連接。

· 在一條數(shù)據(jù)鏈路上復(fù)用多條網(wǎng)絡(luò)連接，多采取分時復(fù)用技術(shù) 。

· 差錯檢測與恢復(fù)。

· 排序，流量控制。

· 服務(wù)選擇。

· 網(wǎng)絡(luò)管理。

4. 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路可以粗略地理解為數(shù)據(jù)通道。

物理層要為終端設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及其連接。

媒體是長期的，連接是有生存期的。

在連接生存期內(nèi)，收發(fā)兩端可以進行不等的一次或多次數(shù)據(jù)通信。

每次通信都要經(jīng)過建立通信聯(lián)絡(luò)和拆除通信聯(lián)絡(luò)兩過程。

這種建立起來的數(shù)據(jù)收發(fā)關(guān)系就叫作數(shù)據(jù)鏈路。

而在物理媒體上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)難免受到各種不可靠因素的影響而產(chǎn)生差錯，為了彌補物理層上的不足，為上層提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸，就要能對數(shù)據(jù)進行檢錯和糾錯。

數(shù)據(jù)鏈路的建立，拆除，對數(shù)據(jù)的檢錯，糾錯是數(shù)據(jù)鏈路層的基本任務(wù)。

鏈路層的主要功能：鏈路層是為網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)傳送服務(wù)的，這種服務(wù)要依靠本層具備的功能來實現(xiàn)。

· 鏈路連接的建立，拆除，分離。

· 幀定界和幀同步。鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸單元是幀，協(xié)議不同，幀的長短和界面也有差別，但無論如何必須對幀進行定界。

· 順序控制，指對幀的收發(fā)順序的控制。

· 差錯檢測和恢復(fù)。

還有鏈路標識，流量控制等等。

差錯檢測多用方陣碼校驗和循環(huán)碼校驗來檢測信道上數(shù)據(jù)的誤碼，而幀丟失等用序號檢測。

各種錯誤的恢復(fù)則常靠反饋重發(fā)技術(shù)來完成。

5. 物理層

物理層雖然處于最底層，卻是整個計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

物理層為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互連設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。

物理層的媒體包括架空明線、平衡電纜、光纖、無線信道等。通信用的互連設(shè)備指DTE和DCE間的互連設(shè)備。

DTE即數(shù)據(jù)終端設(shè)備，又稱物理設(shè)備，如計算機、終端等都包括在內(nèi)。

而DCE則是數(shù)據(jù)通信設(shè)備或電路連接設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器等。

數(shù)據(jù)傳輸通常是經(jīng)過DTE——DCE，再經(jīng)過DCE——DTE的路徑。

互連設(shè)備指將DTE、DCE連接起來的裝置，如各種插頭、插座。

LAN中的各種粗、細同軸電纜、T型接、插頭，接收器，發(fā)送器，中繼器等都屬物理層的媒體和連接器。

物理層的主要功能：

(1) 為數(shù)據(jù)端設(shè)備提供傳送數(shù)據(jù)的通路，數(shù)據(jù)通路可以是一個物理媒體，也可以是多個物理媒體連接而成。

一次完整的數(shù)據(jù)傳輸，包括激活物理連接，傳送數(shù)據(jù)，終止物理連接。

所謂激活，就是不管有多少物理媒體參與，都要在通信的兩個數(shù)據(jù)終端設(shè)備間連接起來，形成一條通路。

(2) 傳輸數(shù)據(jù)，物理層要形成適合數(shù)據(jù)傳輸需要的實體，為數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。

一是要保證數(shù)據(jù)能在其上正確通過，二是要提供足夠的帶寬(帶寬是指每秒鐘內(nèi)能通過的比特(BIT)數(shù))，以減少信道上的擁塞。

傳輸數(shù)據(jù)的方式能滿足點到點，一點到多點，串行或并行，半雙工或全雙工，同步或異步傳輸?shù)男枰?/p>

三、 TCP/IP 基礎(chǔ)

1. TCP/IP 的具體含義

從字面意義上講，有人可能會認為 TCP/IP 是指 TCP 和 IP 兩種協(xié)議。實際生活當(dāng)中有時也確實就是指這兩種協(xié)議。然而在很多情況下，它只是利用 IP 進行通信時所必須用到的協(xié)議群的統(tǒng)稱。具體來說，IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都屬于 TCP/IP 協(xié)議。他們與 TCP 或 IP 的關(guān)系緊密，是互聯(lián)網(wǎng)必不可少的組成部分。TCP/IP 一詞泛指這些協(xié)議，因此，有時也稱 TCP/IP 為網(wǎng)際協(xié)議群。

互聯(lián)網(wǎng)進行通信時，需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，TCP/IP 原本就是為使用互聯(lián)網(wǎng)而開發(fā)制定的協(xié)議族。因此，互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議就是 TCP/IP，TCP/IP 就是互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議。

 

 

網(wǎng)際協(xié)議群

2. 數(shù)據(jù)包

包、幀、數(shù)據(jù)包、段、消息

以上五個術(shù)語都用來表述數(shù)據(jù)的單位，大致區(qū)分如下：

• 包可以說是全能性術(shù)語;
• 幀用于表示數(shù)據(jù)鏈路層中包的單位;
• 數(shù)據(jù)包是 IP 和 UDP 等網(wǎng)絡(luò)層以上的分層中包的單位;
• 段則表示 TCP 數(shù)據(jù)流中的信息;
• 消息是指應(yīng)用協(xié)議中數(shù)據(jù)的單位。

每個分層中，都會對所發(fā)送的數(shù)據(jù)附加一個首部，在這個首部中包含了該層必要的信息，如發(fā)送的目標地址以及協(xié)議相關(guān)信息。通常，為協(xié)議提供的信息為包首部，所要發(fā)送的內(nèi)容為數(shù)據(jù)。在下一層的角度看，從上一層收到的包全部都被認為是本層的數(shù)據(jù)。

 

 

數(shù)據(jù)包首部

網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包由兩部分組成：一部分是協(xié)議所要用到的首部，另一部分是上一層傳過來的數(shù)據(jù)。首部的結(jié)構(gòu)由協(xié)議的具體規(guī)范詳細定義。在數(shù)據(jù)包的首部，明確標明了協(xié)議應(yīng)該如何讀取數(shù)據(jù)。反過來說，看到首部，也就能夠了解該協(xié)議必要的信息以及所要處理的數(shù)據(jù)。包首部就像協(xié)議的臉。

3. 數(shù)據(jù)處理流程

下圖以用戶 a 向用戶 b 發(fā)送郵件為例子：

 

 

數(shù)據(jù)處理流程

① 應(yīng)用程序處理

• 首先應(yīng)用程序會進行編碼處理，這些編碼相當(dāng)于 OSI 的表示層功能;
• 編碼轉(zhuǎn)化后，郵件不一定馬上被發(fā)送出去，這種何時建立通信連接何時發(fā)送數(shù)據(jù)的管理功能，相當(dāng)于 OSI 的會話層功能。

② TCP 模塊的處理

• TCP 根據(jù)應(yīng)用的指示，負責(zé)建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)以及斷開連接。TCP 提供將應(yīng)用層發(fā)來的數(shù)據(jù)順利發(fā)送至對端的可靠傳輸。為了實現(xiàn)這一功能，需要在應(yīng)用層數(shù)據(jù)的前端附加一個 TCP 首部。

 ③ IP 模塊的處理

• IP 將 TCP 傳過來的 TCP 首部和 TCP 數(shù)據(jù)合起來當(dāng)做自己的數(shù)據(jù)，并在 TCP 首部的前端加上自己的 IP 首部。IP 包生成后，參考路由控制表決定接受此 IP 包的路由或主機。

④ 網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)驅(qū)動)的處理

• 從 IP 傳過來的 IP 包對于以太網(wǎng)來說就是數(shù)據(jù)。給這些數(shù)據(jù)附加上以太網(wǎng)首部并進行發(fā)送處理，生成的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包將通過物理層傳輸給接收端。

⑤ 網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)驅(qū)動)的處理

• 主機收到以太網(wǎng)包后，首先從以太網(wǎng)包首部找到 MAC 地址判斷是否為發(fā)送給自己的包，若不是則丟棄數(shù)據(jù)。
• 如果是發(fā)送給自己的包，則從以太網(wǎng)包首部中的類型確定數(shù)據(jù)類型，再傳給相應(yīng)的模塊，如 IP、ARP 等。這里的例子則是 IP 。

⑥ IP 模塊的處理

•  IP 模塊接收到 數(shù)據(jù)后也做類似的處理。從包首部中判斷此 IP 地址是否與自己的 IP 地址匹配，如果匹配則根據(jù)首部的協(xié)議類型將數(shù)據(jù)發(fā)送給對應(yīng)的模塊，如 TCP、UDP。這里的例子則是 TCP。
• 另外嗎，對于有路由器的情況，接收端地址往往不是自己的地址，此時，需要借助路由控制表，在調(diào)查應(yīng)該送往的主機或路由器之后再進行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

 ⑦ TCP 模塊的處理

• ·在 TCP 模塊中，首先會計算一下校驗和，判斷數(shù)據(jù)是否被破壞。然后檢查是否在按照序號接收數(shù)據(jù)。最后檢查端口號，確定具體的應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)被完整地接收以后，會傳給由端口號識別的應(yīng)用程序。

⑧ 應(yīng)用程序的處理

· 接收端應(yīng)用程序會直接接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過解析數(shù)據(jù)，展示相應(yīng)的內(nèi)容。

四、傳輸層中的 TCP 和 UDP

TCP/IP 中有兩個具有代表性的傳輸層協(xié)議，分別是 TCP 和 UDP。

• TCP 是面向連接的、可靠的流協(xié)議。流就是指不間斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)用程序采用 TCP 發(fā)送消息時，雖然可以保證發(fā)送的順序，但還是猶如沒有任何間隔的數(shù)據(jù)流發(fā)送給接收端。TCP 為提供可靠性傳輸，實行"順序控制"或"重發(fā)控制"機制。此外還具備"流控制(流量控制)"、"擁塞控制"、提高網(wǎng)絡(luò)利用率等眾多功能。
• UDP 是不具有可靠性的數(shù)據(jù)報協(xié)議。細微的處理它會交給上層的應(yīng)用去完成。在 UDP 的情況下，雖然可以確保發(fā)送消息的大小，卻不能保證消息一定會到達。因此，應(yīng)用有時會根據(jù)自己的需要進行重發(fā)處理。
• TCP 和 UDP 的優(yōu)缺點無法簡單地、絕對地去做比較：TCP 用于在傳輸層有必要實現(xiàn)可靠傳輸?shù)那闆r;而在一方面，UDP 主要用于那些對高速傳輸和實時性有較高要求的通信或廣播通信。TCP 和 UDP 應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用的目的按需使用。

1. 端口號

數(shù)據(jù)鏈路和 IP 中的地址，分別指的是 MAC 地址和 IP 地址。前者用來識別同一鏈路中不同的計算機，后者用來識別 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中互連的主機和路由器。在傳輸層也有這種類似于地址的概念，那就是端口號。端口號用來識別同一臺計算機中進行通信的不同應(yīng)用程序。因此，它也被稱為程序地址。

1.1 根據(jù)端口號識別應(yīng)用

一臺計算機上同時可以運行多個程序。傳輸層協(xié)議正是利用這些端口號識別本機中正在進行通信的應(yīng)用程序，并準確地將數(shù)據(jù)傳輸。

 

 

通過端口號識別應(yīng)用

1.2 通過 IP 地址、端口號、協(xié)議號進行通信識別

• 僅憑目標端口號識別某一個通信是遠遠不夠的。

 

 

 

 

通過端口號、IP地址、協(xié)議號進行通信識別

• ① 和② 的通信是在兩臺計算機上進行的。它們的目標端口號相同，都是80。這里可以根據(jù)源端口號加以區(qū)分。
• ③ 和 ① 的目標端口號和源端口號完全相同，但它們各自的源 IP 地址不同。
• 此外，當(dāng) IP 地址和端口號全都一樣時，我們還可以通過協(xié)議號來區(qū)分(TCP 和 UDP)。

1.3 端口號的確定

• 標準既定的端口號：這種方法也叫靜態(tài)方法。它是指每個應(yīng)用程序都有其指定的端口號。但并不是說可以隨意使用任何一個端口號。例如 HTTP、FTP、TELNET 等廣為使用的應(yīng)用協(xié)議中所使用的端口號就是固定的。這些端口號被稱為知名端口號，分布在 0~1023 之間;除知名端口號之外，還有一些端口號被正式注冊，它們分布在 1024~49151 之間，不過這些端口號可用于任何通信用途。
• 時序分配法：服務(wù)器有必要確定監(jiān)聽端口號，但是接受服務(wù)的客戶端沒必要確定端口號。在這種方法下，客戶端應(yīng)用程序完全可以不用自己設(shè)置端口號，而全權(quán)交給操作系統(tǒng)進行分配。動態(tài)分配的端口號范圍在 49152~65535 之間。

1.4 端口號與協(xié)議

· 端口號由其使用的傳輸層協(xié)議決定。因此，不同的傳輸層協(xié)議可以使用相同的端口號。

· 此外，那些知名端口號與傳輸層協(xié)議并無關(guān)系。只要端口一致都將分配同一種應(yīng)用程序進行處理。

2. UDP

· UDP 不提供復(fù)雜的控制機制，利用 IP 提供面向無連接的通信服務(wù)。

• 并且它是將應(yīng)用程序發(fā)來的數(shù)據(jù)在收到的那一刻，立即按照原樣發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的一種機制。即使是出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況，UDP 也無法進行流量控制等避免網(wǎng)絡(luò)擁塞行為。
• 此外，傳輸途中出現(xiàn)丟包，UDP 也不負責(zé)重發(fā)。
• 甚至當(dāng)包的到達順序出現(xiàn)亂序時也沒有糾正的功能。
• 如果需要以上的細節(jié)控制，不得不交由采用 UDP 的應(yīng)用程序去處理。
• UDP 常用于一下幾個方面：1.包總量較少的通信(DNS、SNMP等);2.視頻、音頻等多媒體通信(即時通信);3.限定于 LAN 等特定網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用通信;4.廣播通信(廣播、多播)。

3. TCP

• TCP 與 UDP 的區(qū)別相當(dāng)大。它充分地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸時各種控制功能，可以進行丟包時的重發(fā)控制，還可以對次序亂掉的分包進行順序控制。而這些在 UDP 中都沒有。
• 此外，TCP 作為一種面向有連接的協(xié)議，只有在確認通信對端存在時才會發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可以控制通信流量的浪費。
• 根據(jù) TCP 的這些機制，在 IP 這種無連接的網(wǎng)絡(luò)上也能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的通信( 主要通過檢驗和、序列號、確認應(yīng)答、重發(fā)控制、連接管理以及窗口控制等機制實現(xiàn))。

3.1 三次握手(重點)

• TCP 提供面向有連接的通信傳輸。面向有連接是指在數(shù)據(jù)通信開始之前先做好兩端之間的準備工作。
• 所謂三次握手是指建立一個 TCP 連接時需要客戶端和服務(wù)器端總共發(fā)送三個包以確認連接的建立。在socket編程中，這一過程由客戶端執(zhí)行connect來觸發(fā)。

下面來看看三次握手的流程圖：

 

 

三次握手

• 第一次握手：客戶端將標志位SYN置為1，隨機產(chǎn)生一個值seq=J，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器端，客戶端進入SYN_SENT狀態(tài)，等待服務(wù)器端確認。
• 第二次握手：服務(wù)器端收到數(shù)據(jù)包后由標志位SYN=1知道客戶端請求建立連接，服務(wù)器端將標志位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產(chǎn)生一個值seq=K，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端以確認連接請求，服務(wù)器端進入SYN_RCVD狀態(tài)。
• 第三次握手：客戶端收到確認后，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標志位ACK置為1，ack=K+1，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，客戶端和服務(wù)器端進入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手，隨后客戶端與服務(wù)器端之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

3.2 四次揮手(重點)

• 四次揮手即終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連接時，需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送4個包以確認連接的斷開。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務(wù)端任一方執(zhí)行close來觸發(fā)。
• 由于TCP連接是全雙工的，因此，每個方向都必須要單獨進行關(guān)閉，這一原則是當(dāng)一方完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后，發(fā)送一個FIN來終止這一方向的連接，收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動了，即不會再收到數(shù)據(jù)了，但是在這個TCP連接上仍然能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，直到這一方向也發(fā)送了FIN。首先進行關(guān)閉的一方將執(zhí)行主動關(guān)閉，而另一方則執(zhí)行被動關(guān)閉。

下面來看看四次揮手的流程圖：

 

 

四次揮手

• 中斷連接端可以是客戶端，也可以是服務(wù)器端。
• 第一次揮手：客戶端發(fā)送一個FIN=M，用來關(guān)閉客戶端到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳送，客戶端進入FIN_WAIT_1狀態(tài)。意思是說"我客戶端沒有數(shù)據(jù)要發(fā)給你了"，但是如果你服務(wù)器端還有數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完成，則不必急著關(guān)閉連接，可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 第二次揮手：服務(wù)器端收到FIN后，先發(fā)送ack=M+1，告訴客戶端，你的請求我收到了，但是我還沒準備好，請繼續(xù)你等我的消息。這個時候客戶端就進入FIN_WAIT_2 狀態(tài)，繼續(xù)等待服務(wù)器端的FIN報文。
• 第三次揮手：當(dāng)服務(wù)器端確定數(shù)據(jù)已發(fā)送完成，則向客戶端發(fā)送FIN=N報文，告訴客戶端，好了，我這邊數(shù)據(jù)發(fā)完了，準備好關(guān)閉連接了。服務(wù)器端進入LAST_ACK狀態(tài)。
• 第四次揮手：客戶端收到FIN=N報文后，就知道可以關(guān)閉連接了，但是他還是不相信網(wǎng)絡(luò)，怕服務(wù)器端不知道要關(guān)閉，所以發(fā)送ack=N+1后進入TIME_WAIT狀態(tài)，如果Server端沒有收到ACK則可以重傳。服務(wù)器端收到ACK后，就知道可以斷開連接了。客戶端等待了2MSL后依然沒有收到回復(fù)，則證明服務(wù)器端已正常關(guān)閉，那好，我客戶端也可以關(guān)閉連接了。最終完成了四次握手。

上面是一方主動關(guān)閉，另一方被動關(guān)閉的情況，實際中還會出現(xiàn)同時發(fā)起主動關(guān)閉的情況，

具體流程如下圖：

 

 

同時揮手

3.3 通過序列號與確認應(yīng)答提高可靠性

• 在 TCP 中，當(dāng)發(fā)送端的數(shù)據(jù)到達接收主機時，接收端主機會返回一個已收到消息的通知。這個消息叫做確認應(yīng)答(ACK)。當(dāng)發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)出之后會等待對端的確認應(yīng)答。如果有確認應(yīng)答，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)成功到達對端。反之，則數(shù)據(jù)丟失的可能性很大。
• 在一定時間內(nèi)沒有等待到確認應(yīng)答，發(fā)送端就可以認為數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失，并進行重發(fā)。由此，即使產(chǎn)生了丟包，仍然能夠保證數(shù)據(jù)能夠到達對端，實現(xiàn)可靠傳輸。
• 未收到確認應(yīng)答并不意味著數(shù)據(jù)一定丟失。也有可能是數(shù)據(jù)對方已經(jīng)收到，只是返回的確認應(yīng)答在途中丟失。這種情況也會導(dǎo)致發(fā)送端誤以為數(shù)據(jù)沒有到達目的地而重發(fā)數(shù)據(jù)。
• 此外，也有可能因為一些其他原因?qū)е麓_認應(yīng)答延遲到達，在源主機重發(fā)數(shù)據(jù)以后才到達的情況也屢見不鮮。此時，源主機只要按照機制重發(fā)數(shù)據(jù)即可。
• 對于目標主機來說，反復(fù)收到相同的數(shù)據(jù)是不可取的。為了對上層應(yīng)用提供可靠的傳輸，目標主機必須放棄重復(fù)的數(shù)據(jù)包。為此我們引入了序列號。

序列號是按照順序給發(fā)送數(shù)據(jù)的每一個字節(jié)(8位字節(jié))都標上號碼的編號。接收端查詢接收數(shù)據(jù) TCP 首部中的序列號和數(shù)據(jù)的長度，將自己下一步應(yīng)該接收的序列號作為確認應(yīng)答返送回去。通過序列號和確認應(yīng)答號，TCP 能夠識別是否已經(jīng)接收數(shù)據(jù)，又能夠判斷是否需要接收，從而實現(xiàn)可靠傳輸。

 

 

序列號和確認應(yīng)答

3.4 重發(fā)超時的確定

• 重發(fā)超時是指在重發(fā)數(shù)據(jù)之前，等待確認應(yīng)答到來的那個特定時間間隔。如果超過這個時間仍未收到確認應(yīng)答，發(fā)送端將進行數(shù)據(jù)重發(fā)。最理想的是，找到一個最小時間，它能保證"確認應(yīng)答一定能在這個時間內(nèi)返回"。
• TCP 要求不論處在何種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都要提供高性能通信，并且無論網(wǎng)絡(luò)擁堵情況發(fā)生何種變化，都必須保持這一特性。為此，它在每次發(fā)包時都會計算往返時間及其偏差。將這個往返時間和偏差時間相加，重發(fā)超時的時間就是比這個總和要稍大一點的值。
• 在 BSD 的 Unix 以及 Windows 系統(tǒng)中，超時都以0.5秒為單位進行控制，因此重發(fā)超時都是0.5秒的整數(shù)倍。不過，最初其重發(fā)超時的默認值一般設(shè)置為6秒左右。
• 數(shù)據(jù)被重發(fā)之后若還是收不到確認應(yīng)答，則進行再次發(fā)送。此時，等待確認應(yīng)答的時間將會以2倍、4倍的指數(shù)函數(shù)延長。
• 此外，數(shù)據(jù)也不會被無限、反復(fù)地重發(fā)。達到一定重發(fā)次數(shù)之后，如果仍沒有任何確認應(yīng)答返回，就會判斷為網(wǎng)絡(luò)或?qū)Χ酥鳈C發(fā)生了異常，強制關(guān)閉連接。并且通知應(yīng)用通信異常強行終止。

3.5 以段為單位發(fā)送數(shù)據(jù)

• 在建立 TCP 連接的同時，也可以確定發(fā)送數(shù)據(jù)包的單位，我們也可以稱其為"最大消息長度"(MSS)。最理想的情況是，最大消息長度正好是 IP 中不會被分片處理的最大數(shù)據(jù)長度。
• TCP 在傳送大量數(shù)據(jù)時，是以 MSS 的大小將數(shù)據(jù)進行分割發(fā)送。進行重發(fā)時也是以 MSS 為單位。
• MSS 在三次握手的時候，在兩端主機之間被計算得出。兩端的主機在發(fā)出建立連接的請求時，會在 TCP 首部中寫入 MSS 選項，告訴對方自己的接口能夠適應(yīng)的 MSS 的大小。然后會在兩者之間選擇一個較小的值投入使用。

3.6 利用窗口控制提高速度

• TCP 以1個段為單位，每發(fā)送一個段進行一次確認應(yīng)答的處理。這樣的傳輸方式有一個缺點，就是包的往返時間越長通信性能就越低。
• 為解決這個問題，TCP 引入了窗口這個概念。確認應(yīng)答不再是以每個分段，而是以更大的單位進行確認，轉(zhuǎn)發(fā)時間將會被大幅地縮短。也就是說，發(fā)送端主機，在發(fā)送了一個段以后不必要一直等待確認應(yīng)答，而是繼續(xù)發(fā)送。如下圖所示：

 

 

·

• 窗口控制
• 窗口大小就是指無需等待確認應(yīng)答而可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的最大值。上圖中窗口大小為4個段。這個機制實現(xiàn)了使用大量的緩沖區(qū)，通過對多個段同時進行確認應(yīng)答的功能。

3.7 滑動窗口控制

 

 

滑動窗口

• 上圖中的窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)即便沒有收到確認應(yīng)答也可以被發(fā)送出去。不過，在整個窗口的確認應(yīng)答沒有到達之前，如果其中部分數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包，那么發(fā)送端仍然要負責(zé)重傳。為此，發(fā)送端主機需要設(shè)置緩存保留這些待被重傳的數(shù)據(jù)，直到收到他們的確認應(yīng)答。
• 在滑動窗口以外的部分包括未發(fā)送的數(shù)據(jù)以及已經(jīng)確認對端已收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)出后若如期收到確認應(yīng)答就可以不用再進行重發(fā)，此時數(shù)據(jù)就可以從緩存區(qū)清除。
• 收到確認應(yīng)答的情況下，將窗口滑動到確認應(yīng)答中的序列號的位置。這樣可以順序地將多個段同時發(fā)送提高通信性能。這種機制也別稱為滑動窗口控制。

3.8 窗口控制中的重發(fā)控制

在使用窗口控制中， 出現(xiàn)丟包一般分為兩種情況：

• ① 確認應(yīng)答未能返回的情況。在這種情況下，數(shù)據(jù)已經(jīng)到達對端，是不需要再進行重發(fā)的，如下圖：

 

 

部分確認應(yīng)答丟失

• ② 某個報文段丟失的情況。接收主機如果收到一個自己應(yīng)該接收的序列號以外的數(shù)據(jù)時，會針對當(dāng)前為止收到數(shù)據(jù)返回確認應(yīng)答。如下圖所示，當(dāng)某一報文段丟失后，發(fā)送端會一直收到序號為1001的確認應(yīng)答，因此，在窗口比較大，又出現(xiàn)報文段丟失的情況下，同一個序列號的確認應(yīng)答將會被重復(fù)不斷地返回。而發(fā)送端主機如果連續(xù)3次收到同一個確認應(yīng)答，就會將其對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行重發(fā)。這種機制比之前提到的超時管理更加高效，因此也被稱為高速重發(fā)控制。