计网一： 计算机网络五层协议体系结构

参考：
在浏览器地址栏输入一个URL后回车，背后会进行哪些技术步骤？一个数据包的心路历程，自顶向下
IP地址和MAC地址的区别和联系是什么（思路清晰，自底向上）
从输入URL到页面加载发生了什么（简洁描述整个往返过程：B->S->B）
b站很好的两讲教学视频：
五层协议体系结构详解、 在浏览器访问服务器的过程中，一个数据包的历程
自底向上符合计网发展路径
自顶向下更容易理解
（笔者还在学习计网的过程中，理解难免出现错误，建议阅读上面三篇推荐文章）

一、五层协议体系结构

1. 应用层（第五层）：

作用：规定应用程序的数据交互格式，直接为用户的应用进程提供服务。
常用协议： HTTP FTP

2. 运输层

作用：负责为两个进程之间的通信（不一定是不同主机）提供服务，建立”端口到端口”的通信。分割成段，指定序列号，可靠传输。
常用协议：TCP UDP

误码校验，校验和，解决误码问题。
指定序列号，解决重复、失序问题
停止等待ARQ\连续ARQ，结合超时重传（选择重传），确保可靠传输，解决丢包问题。
可变大小的滑动窗口，流量控制（接受方窗口）、拥塞控制（发送方窗口）降低丢包率

复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。
分用：把收到的数据分别交付给上面应用层中相应的进程。
端口：每一个使用网卡的程序的编号，从0到65535之间的一个整数。

UDP协议：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。
TCP协议：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。

TCP 分割报文：如果HTTP 请求消息比较长，超过了MSS 的长度，这时 TCP就需要把应用层的报文拆解成数据段进行发送，而不是一次性发送所有数据，报文会被以MSS 的长度为单位就行拆分，在每个被拆分的数据段加上TCP 头部信息，然后交给IP模块来发送数据。
TCP协议中的两个端口 ：一个是客户端监听的端口，通常是随机生成的；一个是Web服务器监听的端口，HTTP默认端口号是80，HTTPS默认端口号是443。

TCP连接：

TCP协议三次握手、四次挥手

3. 网络层

作用：负责为分组交换网上/计算机网络的两台主机之间的通信提供服务，建立”主机到主机”的通信。报文分组，查表转发。
常用协议：IP ARP ICMP

IP协议背景：以太网协议是数据链路层的常用协议，以太网通过广播发送数据时，局限于子网络内部。因此，我们需要一种机制，能够区分哪些地址属于同一个子网络。如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用”路由”方式向不同的子网络分发数据包。
IP协议：规定主机的网络地址。作用主要有两个，一是为每一台主机分配IP地址，二是确定哪些地址在同一个子网络。

ARP协议背景：以太网协议是数据链路层的常用协议，以太网发送数据时，必须知道对方的MAC地址，即在网络层发出的数据包中需要有目标主机的MAC地址，而IP数据包只有对方的IP地址是已知的。因此，我们需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。
ARP协议：在子网中通过广播的方式，根据 IP 地址查询相应的以太网 MAC地址。

ARP协议实现：在以太网中以广播的形式，发出一个包含它所要查询主机IP地址的数据包（在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个”广播”地址）。当前子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

ICMP　用于告知网络包传送过程中产生的错误以及各种控制信息。

4. 数据链路层

作用：负责为子网中的两台主机之间的通信提供服务，点对点地传送数据。封装成帧（电信号分组方式），查表转发（以太网交换机里的帧转发表），误码检测，广播，。
常用协议：Ethernet

数据传输：在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的数据包组装成帧(framing)。如果两台主机在同一个子网络，可以通过ARP协议得到服务端IP对应的MAC地址，然后采用广播方式发送。如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的网关（gateway），让网关去处理，采用路由方式向不同的子网分发数据包。

Ethernet协议：规定电信号分组方式。以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做”帧”（Frame）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。

MAC地址：网卡地址。连入网络的所有设备，都必须具有”网卡”接口，数据帧必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。IP地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。

广播：它不是把数据包准确送到接收方，而是向当前子网络内所有计算机发送广播，让每台计算机取出接收方的MAC地址自己判断，是否为接收方。如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包，这种发送方式就叫做广播。

5. 物理层（第一层）

作用：负责在不同的传输媒介上传输比特流，为数据链路层提供比特流的透明传输服务，通常分析时可以忽略。
规定了信号的编码、调制方式，网口的物理特性等，在两个网口之间传送比特流，即0和1电信号，单位是比特。

二、浏览器输入一个url到显示页面的过程

互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。数据发送时，由上层向下层封装。

0. 以HTTP请求和响应为例，阐述数据传输的整体过程：

在浏览器中输入 url 地址 -＞＞ 显示主页的过程

1. 发送数据

客户端通过应用层发起HTTP请求，发出HTTP请求报文：请求头+请求数据；

运输层接收HTTP请求报文，进行分段，在头部加入客户端和服务端的端口号、协议类型，发出TCP报文：TCP头部 + 数据段；

网络层接收TCP报文，在头部加入客户端和服务器端的IP地址，发出IP数据报：IP头部 + TCP报文；

数据链路层接收IP数据报，通过ARP协议的广播形式，在目的主机所在的子网中根据其P地址得到MAC地址，在头部加入客户端和服务器端的MAC地址，发出MAC数据帧：头部 + IP数据包；

物理层接收MAC数据帧，通过网卡接口在传输媒体传送比特流到服务器。

2. 接收数据

服务器通过物理层解析比特流，得到MAC数据帧；

数据链路层从MAC数据帧中解析出头部MAC地址和IP数据包，在子网中通过Ethernet协议广播头部MAC地址和IP数据包，寻找对应MAC地址的主机，将IP数据包发出。服务器验证头部MAC地址是否与自己的MAC地址相同，如果不同，弃包；如果相同，接收IP数据包；

网络层从IP数据包中解析出头部IP地址和TCP报文，将TCP报文发送到指定IP地址的网卡（一个主机可能有多个网卡）。服务器的网卡验证头部IP地址是否与自己的IP地址是否相同，如果不同，弃包；如果相同，接收TCP报文；

运输层从TCP报文中解析出头部端口号、协议类型和HTTP请求报文，通过解析出的协议类型，将HTTP请求报文发送到与头部端口号相同的服务器网卡的通信端口（三次握手、四次挥手）；

应用层得到HTTP请求报文，并解析出请求头和数据，服务器根据请求头和请求数据将响应值按照指定格式输出。

在下一个过程中，服务器变成了发送数据方，客户端变成了接收数据方。

三、补充信息

1. 报文、数据包、数据帧的区别

基于OSI七层参考模型的报文、数据段、数据包、数据帧的区别

网卡：将数字信息转换成电信号，负责执行这一过程的是网卡，要控制网卡还需要网网卡驱动程序。网卡驱动从IP模块抓取到包之后，会将其复制到网卡内的缓存区中，接着会在其开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列。
最后网卡会将包转为电信号，通过网线发送出去。

2. 交换机

交换机的设计是将网络包原样转发到目的地。交换机工作在MAC层，是基于以太网设计的，也称为二层网络设备。

3. 路由器

路由器是基于IP设计的，俗称三层网络设备。网络包经过交换机之后，现在到达了路由器，并在此被转发到下一个路由器或目标设备。当转发包时，首先路由器端口会接收发给自己的以太网包，然后路由器查询转发目标，再由相应的端口作为发送方将以太网发送出去。（以太网只能在相同子网内广播MAC数据帧）

4. 分组交换

计算机网络：分组交换
路由器是实现分组的关键构件，其任务是转发收到的分组。在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部(header)，就构成了一个分组(packet)。路由器用来进行分组交换。路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步一步地以存储转发的方式，把分组交付最终的目的主机。

5. 子网划分

计算机网络之子网划分
子网划分技术通过借用IP地址的若干位主机位来充当子网地址，从而将原来的网络分为若干个彼此隔离的子网络。

6. 网关与路由

详解网关和路由器的区别、网关和路由的区别

7. 套接字（网络编程）

只要确定了主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做”套接字”（socket），有了它就可以进行网络应用程序开发了。