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网络协议学习笔记

网络协议

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计算机网络学习的核心内容就是网络协议的学习。

网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或者说是约定的集合。因为不同用户的数据终端可能采取的字符集是不同的，两者需要进行通

信，必须要在一定的标准上进行。

一个很形象地比喻就是我们的语言，我们大天朝地广人多，地方性语言也非常丰富，而且方言之间差距巨大。A地区的方言可能B地区的人根本无法接受，

所以我们要为全国人名进行沟通建立一个语言标准，这就是我们的普通话的作用。

同样，放眼全球，我们与外国友人沟通的标准语言是英语，所以我们才要苦逼的学习英语。

计算机网络协议同我们的语言一样，多种多样。而ARPA公司于1977年到1979年推出了一种名为ARPANET的网络协议受到了广泛的热捧，其中最主要的原因就是

它推出了人尽皆知的TCP/IP标准网络协议。

目前TCP/IP协议已经成为Internet中的“通用语言”，下图为不同计算机群之间利用TCP/IP进行通信的示意图。

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1、网络层次划分

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织(ISO)在1978年提出了“开放系统互联参考模型”，即著

名的OSI/RM模型(Open System Interconnection/Reference Model)。

它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、

传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。

其中第四层完成数据传送服务，上面三层面向用户。

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数据传输过程：

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2、OSI七层网络模型

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TCP/IP协议毫无疑问是互联网的基础协议，没有它就根本不可能上网，任何和互联网有关的操作都离不开TCP/IP协议。

不管是OSI七层模型还是TCP/IP的四层、五层模型，每一层中都要自己的专属协议，完成自己相应的工作以及与上下层级之间进行沟通。

由于OSI七层模型为网络的标准层次划分，所以我们以OSI七层模型为例从下向上进行一一介绍。

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1）物理层（Physical Layer）

激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。

该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。将信息转化为电信号（宽带）或光信号（光纤）。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的 环境。可以理解为网络传输的物理媒体部分，比如网卡，网线，集线器，中继器，调制解

调器等！

在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，这一层的单位是：bit比特

物理层记住两个重要的设备名称，中继器（Repeater，也叫放大器）和集线器。

2）数据链路层（Data Link Layer）

数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。

为达到这一目的，数据链路必须具备一系列相应的功能，主要有：如何将数据组合成数据块，在数据链路层中称这种数据块为帧（frame），帧是数据链路层的传

送单位；如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使与接收方相匹配；以及在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、

维持和释放的管理。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。

解决两台相邻设备通信的问题，例如路由器与你的电脑。意思是网络层IP协议解决一台电脑怎么到达另一台电脑，而在中间其会经过路由器，交换机等一些设备。

链路层就是解决两台相邻的设备的通信问题（MAC地址）。

可以理解为数据通道，主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行 数据的可靠传递，该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重

发等。

另外这个数据链路指的是：物理层要为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接。媒体是 长期的，连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行

不等的一次或多次数据通信。 每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程！这种建立起来的数据收发关系

有关数据链路层的重要知识点：

  • 数据链路层为网络层提供可靠的数据传输；
  • 基本数据单位为帧；
  • 主要的协议：以太网协议；
  • 两个重要设备名称：网桥和交换机。

3）网络层（Network Layer）

网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。(ipv4，ipv6)

它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。如果您想用尽量少的词来记住网络层，那就是“路径选择、路由及逻辑寻址”。

主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方，所谓的路由与寻径：一台终端可能需要与多台终端通信，这样就产生

的了把任意两台终端设备数据链接起来的问题！简单点说就是：建立网络连接和为上层提供服务！

网络层中涉及众多的协议，其中包括最重要的协议，也是TCP/IP的核心协议——IP协议。

IP协议非常简单，仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有：无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。

物联网中的两台电脑要想通信必须要能彼此找到对方，IP协议就是解决怎么找到对方。

与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。

具体的协议我们会在接下来的部分进行总结，有关网络层的重点为：

  • 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能；
  • 基本数据单位为IP数据报；

包含的主要协议：

IP协议（Internet Protocol，因特网互联协议）;

ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）;

ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）;

RARP协议（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析协议）。

重要的设备：

路由器。

4）传输层（Transport Layer）

向上面的应用层提供通信服务，面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。接收会话层数据，在必要时将数据进行分割，并将这些数据交给网络

层，并且保证这些数据段有效的到达对端！

第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制

问题。

传输层的任务是根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。

在这一层，信息传送的协议数据单元称为段或报文。

网络层只是根据网络地址将源结点发出的数据包传送到目的结点，而传输层则负责将数据可靠地传送到相应的端口。

有关传输层的重点：

  • 传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输以及端到端的差错控制和流量控制问题；

  • 包含的主要协议：TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）、UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）；

TCP/UDP协议，解决通信的可靠性（即包的丢失等问题）。

重要设备：

网关。

5）会话层

负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。建立通信链接， 保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中

断时决定从何处重新发送，即不同机器上的用户之间会话的建立及管理！

会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。

6）表示层

对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应 的含义，并按照一定的格式传送给会话层。其主要功能是"处理用户信息的表示问题，如编码、 数据格

式转换和加密解密，压缩解压缩"等。

表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。

表示层协议规定对来自应用层的数据如何进行表达，例如采用什么样的文字编码、是否及如何进行压缩、是否及如何加密等。

7）应用层

OSI参考模型的最高层，为用户的应用程序提供网络服务。 它在其他6层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者

之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外，该层还负责协调各个应用程序间的工作。应用层为用户提供

的服务和协议有：文件服务、目录服务、文件传输服务（FTP）、远程登录服务（Telnet）、电子邮件服务（E-mail）、打印服务、安全服务、网络管理服务、数

据库服务等。

为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层主要时软件自己定义的协议，主要解决一些业务逻辑。

会话层、表示层和应用层重点：

  • 数据传输基本单位为报文；

  • 包含的主要协议：FTP（文件传送协议）、Telnet（远程登录协议）、DNS（域名解析协议）、SMTP（邮件传送协议），POP3协议（邮局协议），HTTP协

    议（Hyper Text Transfer Protocol）。

OSI七层网络模型总结

OSI是一个理想的模型，一般的网络系统只涉及其中的几层，在七层模型中，每一层都提供一个特殊的网络功能，从网络功能角度观察：

  • 下面4层（物理层、数据链路层、网络层和传输层）主要提供数据传输和交换功能， 即以节点到节点之间的通信为主；
  • 第4层作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分；
  • 上3层（会话层、表示层和应用层）则以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。

简言之，下4层主要完成通信子网的功能，上3层主要完成资源子网的功能。

3、TCP/IP四层模型

每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务

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TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。

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TCP/IP协议簇分为四层，

  • IP位于协议簇的第二层(对应OSI的第三层)，

  • TCP位于协议簇的第三层 (对应OSI的第四层)。

TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：

  • 应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、 网络远程访问协议（Telnet）等。

  • 传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、 用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输

    到下一层中， 这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。

  • 网络互连层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。

  • 主机到网络层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络 （如Ethernet、Serial Line等）来传送数据。

4、IP地址

1）网络地址

IP地址由网络号（包括子网号）和主机号组成，网络地址的主机号为全0，网络地址代表着整个网络。

2）广播地址

广播地址通常称为直接广播地址，是为了区分受限广播地址。

广播地址与网络地址的主机号正好相反，广播地址中，主机号为全1。当向某个网络的广播地址发送消息时，该网络内的所有主机都能收到该广播消息。

3）组播地址

D类地址就是组播地址。

先回忆下A，B，C，D类地址吧：

A类地址以00开头，第一个字节作为网络号，地址范围为：0.0.0.0~127.255.255.255；

B类地址以10开头，前两个字节作为网络号，地址范围是：128.0.0.0~191.255.255.255;

C类地址以110开头，前三个字节作为网络号，地址范围是：192.0.0.0~223.255.255.255。

D类地址以1110开头，地址范围是224.0.0.0~239.255.255.255，D类地址作为组播地址（一对多的通信）；

E类地址以1111开头，地址范围是240.0.0.0~255.255.255.255，E类地址为保留地址，供以后使用。

注：只有A,B,C有网络号和主机号之分，D类地址和E类地址没有划分网络号和主机号。

4）255.255.255.255

该IP地址指的是受限的广播地址。

受限广播地址与一般广播地址（直接广播地址）的区别在于，受限广播地址只能用于本地网络，路由器不会转发以受限广播地址为目的地址的分组；一般广播地址

既可在本地广播，也可跨网段广播。例如：主机192.168.1.1/30上的直接广播数据包后，另外一个网段192.168.1.5/30也能收到该数据报；若发送受限广播数

据报，则不能收到。

注：一般的广播地址（直接广播地址）能够通过某些路由器（当然不是所有的路由器），而受限的广播地址不能通过路由器。

5）0.0.0.0

常用于寻找自己的IP地址，例如在我们的RARP，BOOTP和DHCP协议中，若某个未知IP地址的无盘机想要知道自己的IP地址，它就以255.255.255.255为目的地

址，向本地范围（具体而言是被各个路由器屏蔽的范围内）的服务器发送IP请求分组。

6）回环地址

127.0.0.0/8被用作回环地址，回环地址表示本机的地址，常用于对本机的测试，用的最多的是127.0.0.1。

7）A、B、C类私有地址

私有地址(private address)也叫专用地址，它们不会在全球使用，只具有本地意义。

A类私有地址：10.0.0.0/8，范围是：10.0.0.0~10.255.255.255

B类私有地址：172.16.0.0/12，范围是：172.16.0.0~172.31.255.255

C类私有地址：192.168.0.0/16，范围是：192.168.0.0~192.168.255.255

5、子网掩码及网络划分

随着互连网应用的不断扩大，原先的IPv4的弊端也逐渐暴露出来，即网络号占位太多，而主机号位太少，所以其能提供的主机地址也越来越稀缺，目前除了使用

NAT在企业内部利用保留地址自行分配以外，通常都对一个高类别的IP地址进行再划分，以形成多个子网，提供给不同规模的用户群使用。

这里主要是为了在网络分段情况下有效地利用IP地址，通过对主机号的高位部分取作为子网号，从通常的网络位界限中扩展或压缩子网掩码，用来创建某类地址的

更多子网。但创建更多的子网时，在每个子网上的可用主机地址数目会比原先减少。

什么是子网掩码？

子网掩码是标志两个IP地址是否同属于一个子网的，也是32位二进制地址，其每一个为1代表该位是网络位，为0代表主机位。它和IP地址一样也是使用点式十进

制来表示的。如果两个IP地址在子网掩码的按位与的计算下所得结果相同，即表明它们共属于同一子网中。

在计算子网掩码时，我们要注意IP地址中的保留地址，即“ 0”地址和广播地址，它们是指主机地址或网络地址全为“ 0”或“ 1”时的IP地址，它们代表着本网络地址和

广播地址，一般是不能被计算在内的。

子网掩码的计算：

对于无须再划分成子网的IP地址来说，其子网掩码非常简单，即按照其定义即可写出：如某B类IP地址为 10.12.3.0，无须再分割子网，则该IP地址的子网掩码

255.255.0.0。如果它是一个C类地址，则其子网掩码为 255.255.255.0。其它类推，不再详述。

下面我们关键要介绍的是一个IP地址，还需要将其高位主机位再作为划分出的子网网络号，剩下的是每个子网的主机号，这时该如何进行每个子网的掩码计算。

下面总结一下有关子网掩码和网络划分常见的面试考题：

1）利用子网数来计算

在求子网掩码之前必须先搞清楚要划分的子网数目，以及每个子网内的所需主机数目。

(1) 将子网数目转化为二进制来表示；

如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成27个子网：27=11011；

(2) 取得该二进制的位数，为N；

该二进制为五位数，N = 5

(3) 取得该IP地址的类子网掩码，将其主机地址部分的的前N位置1即得出该IP地址划分子网的子网掩码。

将B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址前5位置 1，得到 255.255.248.0

2）利用主机数来计算

如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成若干子网，每个子网内有主机700台：

(1) 将主机数目转化为二进制来表示；

700=1010111100；

(2) 如果主机数小于或等于254（注意去掉保留的两个IP地址），则取得该主机的二进制位数，为N，这里肯定 N<8。如果大于254，则 N>8，这就是说主机地址
将占据不止8位；

该二进制为十位数，N=10；

(3) 使用255.255.255.255来将该类IP地址的主机地址位数全部置1，然后从后向前的将N位全部置为 0，即为子网掩码值。

将该B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址全部置1，得到255.255.255.255，然后再从后向前将后10位置0，即为：

11111111.11111111.11111100.00000000，即255.255.252.0。这就是该欲划分成主机为700台的B类IP地址 168.195.0.0的子网掩码。

3）根据每个网络的主机数量进行子网地址的规划和计算子网掩码。这也可按上述原则进行计算。

比如一个子网有10台主机，那么对于这个子网需要的IP地址是：

10＋1＋1＋1＝13

注意：加的第一个1是指这个网络连接时所需的网关地址，接着的两个1分别是指网络地址和广播地址。

因为13小于16（16等于2的4次方），所以主机位为4位。而256－16＝240，所以该子网掩码为255.255.255.240。

如果一个子网有14台主机，不少人常犯的错误是：依然分配具有16个地址空间的子网，而忘记了给网关分配地址。这样就错误了，因为14＋1＋1＋1＝17，17大

于16，所以我们只能分配具有32个地址（32等于2的5次方）空间的子网。这时子网掩码为：255.255.255.224。

6、ARP/RARP协议

ARP协议

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。

主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入

本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。

地址解析协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，网络上的主机可以自主发送ARP应答消息，其他主机收到应答报文时不会检测该报文的真实性就会将

其记入本机ARP缓存；由此攻击者就可以向某一主机发送伪ARP应答报文，使其发送的信息无法到达预期的主机或到达错误的主机，这就构成了一个ARP欺骗。

ARP命令可用于查询本机ARP缓存中IP地址和MAC地址的对应关系、添加或删除静态对应关系等。

ARP协议工作流程举例：

主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；

主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；

当主机A要与主机B通信时，地址解析协议可以将主机B的IP地址（192.168.1.2）解析成主机B的MAC地址，以下为工作流程：

（1）根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。

（2）如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都

包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃

ARP请求。

（3）主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。

（4）主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。

（5）当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过

程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。

RARP协议

逆地址解析协议，即RARP，功能和ARP协议相对，其将局域网中某个主机的物理地址转换为IP地址，比如局域网中有一台主机只知道物理地址而不知道IP地址，

那么可以通过RARP协议发出征求自身IP地址的广播请求，然后由RARP服务器负责回答。

RARP协议工作流程举例：

（1）给主机发送一个本地的RARP广播，在此广播包中，声明自己的MAC地址并且请求任何收到此请求的RARP服务器分配一个IP地址；

（2）本地网段上的RARP服务器收到此请求后，检查其RARP列表，查找该MAC地址对应的IP地址；

（3）如果存在，RARP服务器就给源主机发送一个响应数据包并将此IP地址提供给对方主机使用；

（4）如果不存在，RARP服务器对此不做任何的响应；

（5）源主机收到从RARP服务器的响应信息，就利用得到的IP地址进行通讯；如果一直没有收到RARP服务器的响应信息，表示初始化失败。

7、路由选择协议

常见的路由选择协议有：RIP协议、OSPF协议。

RIP协议 ：底层是贝尔曼福特算法(Bellman–Ford)，它选择路由的度量标准（metric)是跳数，最大跳数是15跳，如果大于15跳，它就会丢弃数据包。

OSPF协议 ：Open Shortest Path First开放式最短路径优先，底层是迪杰斯特拉算法(dijkstra)，是链路状态路由选择协议，它选择路由的度量标准是带宽，延迟。

8、TCP/IP协议

TCP/IP协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题

就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。是为广域网（WANs）设计的

IP层接收由更低层（网络接口层，例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层—TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来

的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是否按顺序发送的或者有没有被破坏，IP数据包中含有发送它的主机的地址

（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。

TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。TCP提供的是一种可靠的数据

流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方

的发送速度。

TCP报文首部格式：

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TCP协议的三次握手和四次挥手：

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注：seq:"sequance"序列号；SYN:"synchronize"请求同步标志；；ACK:“acknowledge"确认标志”；FIN："Finally"结束标志。

TCP连接建立过程：

首先Client端发送连接请求报文，Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源。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连接就建立了。

TCP连接断开过程：

假设Client端发起中断连接请求，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"，但是如果你还有数据没有发送完

成，则不必急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发送ACK，“告诉Client端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息”。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端确定数据已发送完成，则向Client端发送FIN报文，“告诉Client端，好了，我这边数据发

完了，准备好关闭连接了”。Client端收到FIN报文后，"就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕Server端不知道要关闭，所以发送ACK后进入

TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。“，Server端收到ACK后，“就知道可以断开连接了”。Client端等待了2MSL后依然没有收到回

复，则证明Server端已正常关闭，那好，我Client端也可以关闭连接了。OK，TCP连接就这样关闭了！

为什么要三次握手？

在TCP/IP协议中，TCP协议通过三次握手建立一个可靠的连接

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  • 第一次握手：客户端尝试连接服务器，向服务器发送syn包（同步序列编号***Synchronize Sequence Numbers***），syn=j，客户端进入SYN_SEND状态等待服务器确认

  • 第二次握手：服务器接收客户端syn包并确认（ack=j+1），同时向客户端发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态

  • 第三次握手：第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状

    态，完成三次握手

在只有两次“握手”的情形下，假设Client想跟Server建立连接，但是却因为中途连接请求的数据报丢失了，故Client端不得不重新发送一遍；这个时候Server端仅

收到一个连接请求，因此可以正常的建立连接。但是，有时候Client端重新发送请求不是因为数据报丢失了，而是有可能数据传输过程因为网络并发量很大在某结

点被阻塞了，这种情形下Server端将先后收到2次请求，并持续等待两个Client请求向他发送数据…问题就在这里，Client端实际上只有一次请求，而Server端却有

2个响应，极端的情况可能由于Client端多次重新发送请求数据而导致Server端最后建立了N多个响应在等待，因而造成极大的资源浪费！所以，“三次握手”很有必

要！

为什么要四次挥手？

试想一下，假如现在你是客户端你想断开跟Server的所有连接该怎么做？

第一步，你自己先停止向Server端发送数据，并等待Server的回复。但事情还没有完，虽然你自身不往Server发送数据了，但是因为你们之前已经建立好平等的连

接了，所以此时他也有主动权向你发送数据；故Server端还得终止主动向你发送数据，并等待你的确认。其实，说白了就是保证双方的一个合约的完整执行！

使用TCP的协议：FTP（文件传输协议）、Telnet（远程登录协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（和SMTP相对，用于接收邮件）、HTTP协议等。

协议的关系

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9、UDP协议

UDP用户数据报协议，是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。UDP通讯时不需要

接收方确认，属于不可靠的传输，可能会出现丢包现象，实际应用中要求程序员编程验证。属于TCP/IP协议族中的一种。

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。

UDP与TCP位于同一层，但它不管数据包的顺序、错误或重发。因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询—应答的服

务，例如NFS。相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。

每个UDP报文分UDP报头和UDP数据区两部分。报头由四个16位长（2字节）字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度以及校验值。

UDP报头由4个域组成，其中每个域各占用2个字节，具体如下：

（1）源端口号；

（2）目标端口号；

（3）数据报长度；

（4）校验值。

使用UDP协议包括：TFTP（简单文件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）、DNS（域名解析协议）、NFS、BOOTP。

TCP 与 UDP 的区别：

TCP协议：面向连接，消息可靠，相对UDP来讲，传输速度慢，消息是面向流的，无消息保护边界。

UDP协议：面向无连接，消息不可靠，传输速度快，消息是面向包的，有消息保护边界。

TCP是面向连接的，可靠的字节流服务；

UDP是面向无连接的，不可靠的数据报服务。

TCP与UDP下socket差异对比

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什么是Socket？

我们经常把Socket翻译为套接字，Socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网

络中通信。

设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，

以符合指定的协议。

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Socket在哪里呢？

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你会使用它们吗？

一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话

结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。

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先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始

化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后

把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

Socket通信模型

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Socket通信流程

socket是"打开—读/写—关闭"模式的实现，

Socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，Socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打

开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

以使用TCP协议通讯的socket为例，其交互流程大概是这样子的：

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  • 服务器根据地址类型（ipv4，ipv6）、socket类型、协议创建socket

  • 服务器为socket绑定IP地址和端口号

  • 服务器socket监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，这时候服务器的socket并没有被打开

  • 客户端创建socket

  • 客户端打开socket，根据服务器ip地址和端口号试图连接服务器socket

  • 服务器socket接收到客户端socket请求，被动打开，开始接收客户端请求，直到客户端返回连接信息。这时候socket进入阻塞状态，所谓阻塞即accept()方法

    一直到客户端返回连接信息后才返回，开始接收下一个客户端谅解请求

  • 客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息

  • 服务器accept方法返回，连接成功

  • 客户端向socket写入信息

  • 服务器读取信息

  • 客户端关闭

  • 服务器端关闭

缓冲区

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缓冲区: 暂时存放传输数据的,防止你的程序在发送数据的时候卡住,提高代码运行效率

输入缓冲区:recv

输出缓冲区:send

缓冲区有长度限制

MTU：最大传输单元,网络层限制是1500B，每次发送数据的时候不要超过这个数

粘包

须知：只有TCP有粘包现象，UDP永远不会粘包

粘包不一定会发生，如果发生了：

  1. 可能在客户端已经粘了
  2. 客户端没有粘的话就是在服务端粘了

第一种：连续发送小的数据，间隔时间短，可能一次就接收到了这几个连续的拼接在一起的小数据(发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成粘包-发送数据时间间

隔很短，数据量很小，会当做一个包发出去产生粘包)

首先需要掌握一个Socket收发消息的原理：

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应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），一条消息有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议，这也是容易出现粘

包问题的原因。（因为TCP是流式协议，不知道啥时候开始，啥时候结束）。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提

取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。怎样定义消息呢？可以认为对方一次性write/send的数据为一个消息，需要明白的是当对方

send一条信息的时候，无论底层怎样分段分片，TCP协议层会把构成整条消息的数据段排序完成后才呈现在内核缓冲区。

所谓粘包问题主要还是因为接收方不知道消息之间的界限，不知道一次性提取多少字节的数据所造成的。

  • 原因：为了提高TCP传输效率，内部提供了一个叫做Nagel算法，就是为了避免你连续发送小的数据

第二种：当一次接收的数据小于你一次发送的数据长度，那么一次接收完剩下的数据会在下一次接收数据的时候被一起接收

  • 原因：面向流的传输

粘包的根本原因：两端互相不知道对方发送数据的长度，所以解决粘包的方法就是解决如何让发送端在发送数据前，把自己将要发送的字节流总大小让接收端知

晓，然后接收端来一个死循环接受完所有数据。

Socket通信实现步骤解析

Step 1：创建ServerSocket和Socket

Step 2：打开连接到的Socket的输入/输出流

Step 3：按照协议对Socket进行读/写操作

Step 4：关闭输入输出流，以及Socket

写下一个好的例子，简单的打开一个服务端后，客户端点击按钮然后链接服务，连接服务端发送一个字符串显示，通过socket上服务器~

10、DNS协议

DNS是域名系统(DomainNameSystem)的缩写，该系统用于命名组织到域层次结构中的计算机和网络服务，可以简单地理解为将URL转换为IP地址。域名是由圆

点分开一串单词或缩写组成的，每一个域名都对应一个惟一的IP地址，在Internet上域名与IP地址之间是一一对应的，DNS就是进行域名解析的服务器。DNS命名

用于Internet等TCP/IP网络中，通过用户友好的名称查找计算机和服务。

11、NAT协议

NAT网络地址转换(Network Address Translation)属接入广域网(WAN)技术，是一种将私有（保留）地址转化为合法IP地址的转换技术，它被广泛应用于各种类型

Internet接入方式和各种类型的网络中。原因很简单，NAT不仅完美地解决了IP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内

部的计算机。

12、DHCP协议

DHCP动态主机设置协议（Dynamic Host Configuration Protocol）是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，主要有两个用途：给内部网络或网络服务供

应商自动分配IP地址，给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。

13、HTTP协议

超文本传输协议（HTTP，HyperText Transfer Protocol)是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。所有的WWW文件都必须遵守这个标准。

HTTP 协议包括哪些请求？

GET：请求读取由URL所标志的信息。

POST：给服务器添加信息（如注释）。

PUT：在给定的URL下存储一个文档。

DELETE：删除给定的URL所标志的资源。

HTTP 中， POST 与 GET 的区别

1）Get是从服务器上获取数据，Post是向服务器传送数据。

2）Get是把参数数据队列加到提交表单的Action属性所指向的URL中，值和表单内各个字段一一对应，在URL中可以看到。

3）Get传送的数据量小，不能大于2KB；Post传送的数据量较大，一般被默认为不受限制。

4）根据HTTP规范，GET用于信息获取，而且应该是安全的和幂等的。

I. 所谓 安全的 意味着该操作用于获取信息而非修改信息。换句话说，GET请求一般不应产生副作用。就是说，它仅仅是获取资源信息，就像数据库查询一样，不

会修改，增加数据，不会影响资源的状态。

II.所谓 幂等的 意味着对同一URL的多个请求应该返回同样的结果。

14、一个举例

在浏览器中输入 www.baidu.com 后执行的全部过程

现在假设如果我们在客户端浏览器（客户端）中输入http://www.baidu.com，而baidu.com为要访问的服务器（服务器），下面详细分析客户端为了访问服务器

而执行的一系列关于协议的操作：

1）客户端浏览器通过DNS解析到www.baidu.com的IP地址220.181.27.48，通过这个IP地址找到客户端到服务器的路径。客户端浏览器发起一个HTTP会话到

220.161.27.48，然后通过TCP进行封装数据包，输入到网络层。

2）在客户端的传输层，把HTTP会话请求分成报文段，添加源和目的端口，如服务器使用80端口监听客户端的请求，客户端由系统随机选择一个端口如5000，与

服务器进行交换，服务器把相应的请求返回给客户端的5000端口。然后使用IP层的IP地址查找目的端。

3）客户端的网络层不用关系应用层或者传输层的东西，主要做的是通过查找路由表确定如何到达服务器，期间可能经过多个路由器，这些都是由路由器来完成的

工作，不作过多的描述，无非就是通过查找路由表决定通过那个路径到达服务器。

4）客户端的链路层，包通过链路层发送到路由器，通过邻居协议查找给定IP地址的MAC地址，然后发送ARP请求查找目的地址，如果得到回应后就可以使用ARP

的请求应答交换的IP数据包现在就可以传输了，然后发送IP数据包到达服务器的地址。

我们来看下报文的结构，从应用层到链路层，每一层对自己的数据进行一个打包，交给下一层进行处理。最终形成一个以太网帧。

网络协议学习笔记_第21张图片

到了目的地后，对端也是从链路层解析到应用层，然后解析出来的数据交给各层进行处理，如下图：

tp://www.baidu.com/) 后执行的全部过程

现在假设如果我们在客户端浏览器（客户端）中输入http://www.baidu.com，而baidu.com为要访问的服务器（服务器），下面详细分析客户端为了访问服务器

而执行的一系列关于协议的操作：

1）客户端浏览器通过DNS解析到www.baidu.com的IP地址220.181.27.48，通过这个IP地址找到客户端到服务器的路径。客户端浏览器发起一个HTTP会话到

220.161.27.48，然后通过TCP进行封装数据包，输入到网络层。

2）在客户端的传输层，把HTTP会话请求分成报文段，添加源和目的端口，如服务器使用80端口监听客户端的请求，客户端由系统随机选择一个端口如5000，与

服务器进行交换，服务器把相应的请求返回给客户端的5000端口。然后使用IP层的IP地址查找目的端。

3）客户端的网络层不用关系应用层或者传输层的东西，主要做的是通过查找路由表确定如何到达服务器，期间可能经过多个路由器，这些都是由路由器来完成的

工作，不作过多的描述，无非就是通过查找路由表决定通过那个路径到达服务器。

4）客户端的链路层，包通过链路层发送到路由器，通过邻居协议查找给定IP地址的MAC地址，然后发送ARP请求查找目的地址，如果得到回应后就可以使用ARP

的请求应答交换的IP数据包现在就可以传输了，然后发送IP数据包到达服务器的地址。

我们来看下报文的结构，从应用层到链路层，每一层对自己的数据进行一个打包，交给下一层进行处理。最终形成一个以太网帧。

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到了目的地后，对端也是从链路层解析到应用层，然后解析出来的数据交给各层进行处理，如下图：

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