OSI协议与TCP/IP协议

·网络通信

    
        网络是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的。通信是人与人之间通过某种媒体进行的信息交流与传递。网络通信是通过网络将各个孤立的设备进行连接，通过信息交换实现人与人，人与计算机，计算机与计算机之间的通信。网络通信中最重要的就是网络通信协议。当今网络协议有很多，局域网中最常用的有三个网络协议：MICROSOFT的NETBEUI、NOVELL的IPX/SPX和TCP/IP协议。应根据需要来选择合适的网络协议。

1.OSI七层协议

        OSI(Open System Interconnection，开放系统互联)七层网络模型是ISO(International Organization for Standardization，国际标准化组织)提出的一个参考模型，是一个把网络通信在逻辑上的定义，也可以理解成为定义了通用的网络通信规范。而我们的数据在网络中传输的过程，实际上就是如下图的封装和解封装的过程，发送方通过各种封装处理，把数据转换成比特流的形式，比特流在信号传输的硬件媒介中传输，接收方再把比特流进行解封装处理。

(1).物理层

规定了如何为网络通信实现最底层的物理连接，以及物理设备的机械、电气、功能和过程特性。如：如何使用电缆和接头的
类型、用来传送信号的电压等。需要注意的是，网络通信过程中所需的物理媒介(网线、线缆等)，其实并不属于物理层，因为物
理层实际上是一种规定，规定这些物理媒介设备在连接网络时的各种规格、参数以及工作方式。但是同时，双绞线、线缆等物理
媒介又是物理层的实现。

(2).数据链路层

规定了如何进行物理地址寻址、如何在物理线路上进行数据(帧frame)的可靠传递以及流量控制。数据链路层协议有SLIP协
议、CSLIP协议、PPP协议等。交换机，对帧解码并根据帧中包含的信息把数据发送到正确的接收方，所以交换机是工作在数据
链路层的。

(3).网络层

规定了通过哪些网络节点、什么样的网络路径来将数据(数据包)从发送方发送到接收方。在网络层中，确定了从节点A发数据
到节点B的网络路径，经过哪些节点。网络层既可以建立LAN通信系统，更主要的是可以在WAN网络系统中建立通信，这是因为
它有自己的路由地址结构，通过路由协议(又称可路由协议)进行网络通信的路由工作。

(4).传输层

负责总体的数据传输和数据控制，提供端到端的交换数据的机制。传输层对数据(段)进行分割和重组，并且进行流量控制和
根据接收方的接收数据能力确定适当的传输速率。例如以太网无法处理大于1500字节的数据包，传输层将数据分割成数据片段，
并对小数据片段进行序列编号。接收方的传输层将根据序列编号对数据进行重组。传输层协议有TCP协议、UDP协议等。

(5).会话层

在网络中的两个节点之间建立、维持和终止通信。

(6).表示层

在应用程序和网络之间对数据进行格式化，使之能够被另一方理解。即发送方的表示层将应用程序数据的抽象语法转换成网
络适用于OSI网络传输的传送语法，接收方则相反。除此之外，表示层还可对数据进行加密与解密。

(7).应用层

最顶层的OSI层，为应用程序提供网络服务。如为电子邮件、文件传输功能提供协议支持。应用层协议有HTTP协议、FTP协
议、SMTP协议等。

2.TCP/IP 协议

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

这是TCP/IP的四层模型以及其中的相关协议。

·TCP/IP 网络接口层

主要作用一：数据封装/解封装成帧(frame)。为了保证可靠传输，网络层传过来的数据这里被加工成了可被物理层传输的结构包——帧。帧中除了包括需要传输的数据外，还包括发送方和接收方的物理地址以及检错和控制信息。其中的物理地址确定了帧将发送到何处，检错和控制信息则是用来保证数据的无差错到达。

主要作用二：控制帧传输。控制帧的传输主要体现在反馈重发、计时器、帧序号方面。接收方通过对帧的差错编码(奇偶校验码或 CRC 码)的检查，来判断帧在传输过程中是否出错，并向发送发进行反馈，如果传输发生差错，则需要重发纠正。作为发送，如果在发送帧后，会同时启动定时器，如果帧发送后在一定时间内没有收到反馈，为了避免传输停滞不前，则在计时器Timeou后认为帧传输出错，自动重发。为了避免多次收到同一帧并将其递交给网络层的情况发生，则需要对每个发送的帧进行编号，接收方以此来判断该帧是否重复接受了。

主要作用三：流量控制。由于收发双方各自使用的设备工作速率和缓冲存储空间的差异，可能出现发送方的发送能力大于接收方接收能力的现象，此时若不对发送方的发送速率做适当的限制，前面来不及接收的帧将被后面不断发送来的帧“淹没”，从而造成帧的丢失而出错。由此可见，流量控制实际上是对发送方数据流量的控制，使其发送速率不超过接收方的速率。所以需要一些规则使得发送方知道在什么情况下可以接着发送下一帧，而在什么情况下必须暂停发送，以等待收到某种反馈信息后再继续发送。

·TCP/IP 网络层

说到网络层不得不提的就是IP协议，它是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP协议数据都以IP数据报格式传输。IP协议提供的是不可靠的、无连接的数据报传输服务。不可靠是指IP协议不会保证数据报能否成功到达目的地，仅提供传输服务，传输出错，则会丢弃出错的数据报。无连接是指IP协议对数据报的处理是独立的，这也意味着接收方不一定会按照发送顺序接收数据报。IP数据报格式如下：

这是数据报文在经过网络层后，所添加的IP头，共20个字节，其中包括IPV4通信类型相关信息，数据识别，段偏移量，TTL(报文生存周期），源IP，目的IP 以及扩充的IP选项等；

· TCP/IP 传输层

添加TCP头

TCP是面向字节流的，通过 TCP 传送的字节流中的每个字节都按顺序编号，而报头中的Sequence
Number字段值则指的是本报文段数据的第一个字节的序号。Acknowledgment
Number是期望收到对方下个报文段的第一个数据字节的序号。 　　Offset：占4位，指 TCP
报文段的报头长度，包括固定的20字节和TCP Options字段。 　　Reserved：占6位，保留为今后使用，目前为0。 　　TCP
flags的C、E、U、A、P、R、S、F字段用来说明该报文的性质。意义如下：
　　　　 C(CWR)和E(ECE)用来支持ECN(显示阻塞通告)。
　　　　 U(URGENT)：当 URG=1时，它告诉系统此报文中有紧急数据，应优先传送(比如紧急关闭)，这要与紧急指针字段配合使用。
　　　 　A(ACK)：仅当 ACK=1时确认号字段才有效。建立 TCP 连接后，所有报文段都必须把 ACK 字段置为 1。
　　　　 P(PUSH)：若TCP连接的一端希望另一端立即响应，PSH字段便可以“催促”对方，不再等到缓存区填满才发送。
　　　 　 R(RESET)：若 TCP 连接出现严重差错，RST 置为 1，断开 TCP 连接，再重新建立连接。
　　　　 S(SYN)：用于建立和释放连接，当SYN=1时，表示建立连接。
　　　　 F(FIN)：用于释放连接，当 FIN=1，表明发送方已经发送完毕，要求释放TCP 连接。 　　Window：占2个字节。窗口值是指发送者自己的接收窗口大小，因为接收缓存的空间有限。
　　CheckSum：占2个字节。和UDP报文一样，有一个检验和，用于检查报文是否在传输过程中出差错。 　　Urgent
Pointer：占2字节。当URG=1时才有效，指出本报文段紧急数据的字节数。

· TCP创建连接的三次握手与断开连接四次握手

1. Client首先向Server发送连接请求报文段，同步自己的seq(x)，Client进入SYN_SENT状态。
2. Server收到Client的连接请求报文段，返回给Client自己的seq(y)以及ack(x+1)，Server进入SYN_REVD状态。
3. Client收到Server的返回确认，再次向服务器发送确认报文段ack(y+1)，这个报文段已经可以携带数据了。Client进入ESTABLISHED状态。
4. Server再次收到Client的确认信息后，进入ESTABLISHED状态。
   　　TCP连接至此建立起来了。为什么要做三次握手呢？握手的过程实际上是在通知对方自己的初始化序号(Initial Sequence
   Number)，简称ISN，也就是上图中的x和y。x和y会被当作之后传输数据的一个依据，以保证TCP报文在传输过程中不会混乱。
   　　我们回到TCP Header结构来看，Sequence Number和Acknowledgment Number都是占32位，所以seq和ack的取值范围是0 ～ 2^{32-1。seq和ack每增加到2}32-1，则重新从0开始。值得一提的是，seq的初始值(ISN)并不是每次都从0开始的。我们设想一下，如果是从0开始，那么当TCP三次握手建立连接完成后，Client发送了30个报文，然后Client断线了。于是Client重连，再次用0作为初始的seq，这样就会出现两个报文具有相同的seq，就出现了混乱。事实上TCP的做法是每隔4微秒就对ISN做一次加1操作，当ISN到达2^32-1后再次从0开始的时候，已经过去了几个小时，之前的seq=0的报文已经不存在于这次连接中了，这样就避免了上面的问题。
   　　
   　　
   　(1)Client向Server发送断开连接请求的报文段，seq=m(m为Client最后一次向Server发送报文段的最后一个字节序号加1，Client进入FIN-WAIT-1状态。
   　　(2)Server收到断开报文段后，向Client发送确认报文段，seq=n(n为Server最后一次向Client发送报文段的最后一个字节序号加1，ack=m+1，Server进入CLOSE-WAIT状态。此时这个TCP连接处于半开半闭状态，Server发送数据的话，Client仍然可以接收到。
   　　(3)Server向Client发送断开确认报文段，seq=u(u为半开半闭状态下Server最后一次向Client发送报文段的最后一个字节序号加1，ack=m+1，Server进入LAST-ACK状态。
   　　(4)Client收到Server的断开确认报文段后，向Server发送确认断开报文，seq=m+1，ack=u+1，Client进入TIME-WAIT状态。
   　　(5)Server收到Client的确认断开报文，进入CLOSED状态，断开了TCP连接。
   　　(6)Client在TIME-WAIT状态等待一段时间(时间为2*MSL((Maximum Segment Life))，确认Client向Server发送的最后一次断开确认到达(如果没有到达，Server会重发步骤(3)中的断开确认报文段给Client，告诉Client你的最后一次确认断开没有收
   到)。如果Client在TIME-WAIT过程中没有再次收到Server的报文段，就进入CLOSES状态。TCP连接至此断开。
   　　
   　　TCP连接可靠性的体现：
   　　(1)TCP报文段的长度可变，根据收发双方的缓存状态、网络状态而调整。
   　　(2)当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。
   　　(3)当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段，如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。
   　　(4)TCP将保持它首部和数据的检验和。如果通过检验和发现报文段有差错，这个报文段将被丢弃，等待超时重传。
   　　(5)TCP将数据按字节排序，报文段中有序号，以确保顺序的正确性。
   　　(6)TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有收发缓存。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。
   　　需要注意的是，TCP报文传输采用接受后返回确认的方式来保证报文传输的可靠性，并不是意味着发送方在发送一个报文段后就进入等待确认状态，让后面的报文段等着。也不是接收方在接收到一个报文后，对每一个报文都进行回复确认。
   　　真实的情况是，对于发送方，在发送一个报文段后，复制一份该报文段的副本，然后继续进行下一个报文段的发送，如果没有得到发送方的回复确认，就对该报文段进行超时重发。对于接收方来说，则采用“积累确认”的方式进行回复。接收者收到多个连续的报文段后，只回复确认最后一个报文段，表示在这之前的数据都已收到。以此达到提升传输效率的目的。

· TCP/IP 应用层

应用层所用的端口可参考连接Tcp常用端口列表;

在了解了这些后，就可以展开对计算机网络具体的通信模型的学习了，深入了解TCP/IP协议后将会更加得心应手。