引言

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的學(xué)習(xí)

• 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或者說(shuō)是約定的集合
  因?yàn)?strong>不同用戶的數(shù)據(jù)終端可能采取的字符集是不同的，兩者需要進(jìn)行通信，必須要在一定的標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行
• 目前 TCP/IP 協(xié)議已經(jīng)成為 Internet 中的「通用語(yǔ)言」
  下圖為不同計(jì)算機(jī)群 之間利用 TCP/IP 進(jìn)行通信的示意圖

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網(wǎng)絡(luò)層次的劃分

為了使不同計(jì)算機(jī)廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)能夠相互通信，以便在更大的范圍內(nèi)建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

• 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在 1978 年提出了“開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型”
  即著名的 OSI/RM 模型（Open System Interconnection/Reference Model）
• 除了標(biāo)準(zhǔn)的 OSI 七層模型以外，常見的網(wǎng)絡(luò)層次劃分還有 TCP/IP 四層協(xié)議 以及 TCP/IP 五層協(xié)議

各個(gè)模型對(duì)比圖

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一、應(yīng)用層「Application Layer」

簡(jiǎn)介

• 基本數(shù)據(jù)單位：報(bào)文
• 主要協(xié)議
  FTP（文件傳送協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、DNS（域名解析協(xié)議）
  SMTP（郵件傳送協(xié)議）、POP3協(xié)議（郵局協(xié)議）、HTTP協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol）

具體分類

• 會(huì)話層
  管理主機(jī)之間的會(huì)話進(jìn)程，即負(fù)責(zé) 建立、管理、終止進(jìn)程之間的會(huì)話
  通過在數(shù)據(jù)中插入校驗(yàn)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步
• 表示層
  對(duì)上層數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行變換以保證一個(gè)主機(jī)應(yīng)用層信息可以被另一個(gè)主機(jī)的應(yīng)用程序理解
  表示層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括：數(shù)據(jù)的加密、壓縮、格式轉(zhuǎn)換等
• 應(yīng)用層
  為操作系統(tǒng) 或 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序 提供 訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口

1. HTTP「Hypertext Transfer Protocol」超文本傳輸協(xié)議

作用：規(guī)定客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸格式
特點(diǎn)：

• 簡(jiǎn)單快速：HTTP協(xié)議簡(jiǎn)單，HTTP服務(wù)器程序小，通信速度快
• 允許傳輸各種各樣的數(shù)據(jù)
• HTTP 0.9 和 1.0使用 非持續(xù)連接，限制每次連接只處理一個(gè)請(qǐng)求，請(qǐng)求做出響應(yīng)后，馬上斷開，節(jié)省傳輸時(shí)間

1）發(fā)送請(qǐng)求的方法「不同的方法對(duì)資源有不同的操作方式」

• PUT：增，給服務(wù)器添加資源
• DELETE：刪，給服務(wù)器刪除資源
• POST：改，修改服務(wù)器資源
• GET：查，查找服務(wù)器資源

2）請(qǐng)求參數(shù)

傳遞給服務(wù)器的具體數(shù)據(jù)，比如：帳號(hào)、密碼
瀏覽器和服務(wù)器對(duì)URL的長(zhǎng)度有限制，一般不超過 1K

GET請(qǐng)求參數(shù)

• 格式：URL +?+ 參數(shù)1=值1 +&+ 參數(shù)2=值2「參數(shù)間用 & 隔開」
  多值參數(shù)，格式：URL +?+ 參數(shù)1=值1 +&+ 參數(shù)1=值2
• 安全性差「直接將請(qǐng)求暴露在 URL 里」
  GET請(qǐng)求的URL一般會(huì)記錄在服務(wù)器的訪問日志里，服務(wù)器的訪問日志是黑客攻擊的重點(diǎn)對(duì)象之一
• 僅僅是查詢數(shù)據(jù)使用

POST請(qǐng)求參數(shù)

• 服務(wù)器參數(shù)全部放在 請(qǐng)求體 中
• 理論上，沒有大小限制。實(shí)際上，取決于服務(wù)器的處理能力
• 安全性好 即便是 POST也要加密后提交
• 增、刪、改服務(wù)器數(shù)據(jù)使用

3）HTTP 通信過程 - 請(qǐng)求

I. 請(qǐng)求頭：對(duì)客戶端環(huán)境，請(qǐng)求信息的描述

• Host: 120.25.226.186:32812 格式：服務(wù)器主機(jī)地址: 端口
• GET/minion.png HTTP/1.1 格式：請(qǐng)求方法/請(qǐng)求資源路徑 HTTP/協(xié)議版本
• User-Agent: Mozilla/5.0 客戶端的類型，客戶端的軟件環(huán)境
• Accept: text/html, */* 客戶端所能接收的數(shù)據(jù)類型
• Accept-Language: zh-cn 客戶端的語(yǔ)言環(huán)境
• Accept-Encoding: gzip 客戶端支持的數(shù)據(jù)壓縮格式

II. 請(qǐng)求體：客戶端發(fā)給服務(wù)器的具體數(shù)據(jù)，比如：文件數(shù)據(jù)「POST才會(huì)有」

4）HTTP 通信過程 - 響應(yīng)

I. 響應(yīng)頭：服務(wù)器的描述，返回?cái)?shù)據(jù)的描述

• HTTP/1.1 200 OK 格式：HTTP協(xié)議版本 狀態(tài)碼 狀態(tài)名稱
• Server: Apache-Coyote/1.1 服務(wù)器的類型
• Content-Type: image/jpeg 返回?cái)?shù)據(jù)的類型
• Content-Length: 56811 返回?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度
• Date: Mon, 23 Jun 2014 12:54:52 GMT 響應(yīng)的時(shí)間

II. 響應(yīng)體：服務(wù)器返回客戶端的具體數(shù)據(jù)，比如：文件數(shù)據(jù)
III. 常見的響應(yīng)狀態(tài)碼

2. DNS 「Domain Name System」域名系統(tǒng)協(xié)議

簡(jiǎn)介

• DNS 就是進(jìn)行域名解析的服務(wù)器

• DNS 命名用于 Internet 等 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中，通過用戶友好的名稱查找計(jì)算機(jī)和服務(wù)

• 用于命名、組織到域?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)中的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以簡(jiǎn)單地理解為 將 URL 轉(zhuǎn)換為 IP 地址

域名：是由圓點(diǎn)分開一串單詞或縮寫組成的，域名與 IP 地址之間是一一對(duì)應(yīng)的

3. DHCP「Dynamic Host Configuration Protocol」 動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議

簡(jiǎn)介

• 局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用 UDP 協(xié)議工作
• 主要有兩個(gè)用途：
  給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動(dòng)分配 IP 地址
  給用戶或者內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員作為對(duì)所有計(jì)算機(jī)作中央管理的手段

4. URL「Uniform Resource Locator」統(tǒng)一資源定位符

一個(gè) URL 對(duì)應(yīng)網(wǎng)上一個(gè)資源

• 客戶端「Client」移動(dòng)應(yīng)用（iOS、android等應(yīng)用）
• 服務(wù)器「Server」為客戶端提供服務(wù)、提供數(shù)據(jù)、提供資源的機(jī)器
• 請(qǐng)求「Request」客戶端向服務(wù)器索取數(shù)據(jù)的一種行為
• 響應(yīng)「Response」服務(wù)器對(duì)客戶端的請(qǐng)求做出的反應(yīng)，一般指返回?cái)?shù)據(jù)給客戶端

基本格式：協(xié)議: // 主機(jī)地址 / 路徑

1. 協(xié)議：資源的 查找/傳輸 方式

   • HTTP 超文本傳輸協(xié)議，訪問的是遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)資源。格式：http://
   • file 訪問本地計(jì)算機(jī)上的資源。格式：file:// 不用加主機(jī)地址
   • mailto 訪問電子郵件。格式：mailto:
   • FTP 訪問的是共享主機(jī)的文件資源。格式：ftp://

2. 主機(jī)地址：存放資源的主機(jī)「服務(wù)器」的 IP地址「域名」

3. 路徑：資源在主機(jī)「服務(wù)器」中的 具體位置

二、傳輸層「Transport Layer」

簡(jiǎn)介

• 基本數(shù)據(jù)單位：報(bào)文 或 段
• 主要協(xié)議：TCP協(xié)議「?jìng)鬏斂刂茀f(xié)議」、UDP 協(xié)議「用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議」
• 重要設(shè)備：網(wǎng)關(guān)

功能

• 建立、維護(hù)和取消傳輸連接

• 將數(shù)據(jù)可靠地傳送到相應(yīng)的端口

• 將上層數(shù)據(jù)分段，并提供端到端的可靠的或不可靠的傳輸 以及 端到端的 差錯(cuò)控制 和 流量控制問題

端到端：連接是兩個(gè)終端主機(jī)之間的連接，這兩個(gè)終端系統(tǒng)的連接中要經(jīng)過很多個(gè)設(shè)備「路由器」
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)：連接是通信雙方直接通過電纜進(jìn)行的連接，中間沒有經(jīng)過其他任何設(shè)備

1. Socket「套接字」

簡(jiǎn)介

• 網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)程序通過一個(gè)雙向的通信連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，這個(gè)連接的 一端 稱為一個(gè) Socket

通過 Socket 這種約定，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以接收其他計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，也可以向其他計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

• 通信的兩端都是 Socket
• 網(wǎng)絡(luò)通信其實(shí)就是 Socket 間的通信「數(shù)據(jù)在兩個(gè) Socket 間通過 IO 傳輸」
• Socket 是 應(yīng)用層 和 傳輸層 之間的橋梁

HTTP 與 Socket 的區(qū)別

1. HTTP 是基于 Socket 的實(shí)現(xiàn)；HTTP 應(yīng)用層協(xié)議，主要解決如何包裝數(shù)據(jù)
2. HTTP 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式是規(guī)定好的，Socket 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是最原始，Socket 實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸格式可自定義
3. Socket 是對(duì) TCP/IP 協(xié)議的封裝，Socket 本身并不是協(xié)議，而是一個(gè)調(diào)用接口「API」
   通過 Socket 我們才能使用 TCP/IP 協(xié)議

I. 網(wǎng)絡(luò)通信的要素

首先，定位到要通信的程序：使用 IP地址、端口；其次，確定如何傳輸數(shù)據(jù)：使用 協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸方式

有可能多種協(xié)議使用同一種數(shù)據(jù)傳輸方式，所以在 Socket 編程中，需要同時(shí)指明數(shù)據(jù)傳輸方式和協(xié)議

• IP 地址「網(wǎng)絡(luò)主機(jī)設(shè)備的 唯一標(biāo)識(shí)」
• Port，端口號(hào)「定位程序」

作用：表示進(jìn)程的邏輯地址，是不同進(jìn)程的標(biāo)識(shí)
有效端口：0~65535，其中 0~1024 由系統(tǒng)使用或者保留端口，開發(fā)中建議使用 1024 以上 的端口

• Protocol，傳輸協(xié)議「網(wǎng)絡(luò)通訊的約定」

簡(jiǎn)介：協(xié)議僅僅是一種規(guī)范，必須由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，由計(jì)算機(jī)組織制定。例如，如何建立連接，如何相互識(shí)別等
特點(diǎn)：通信的雙方必須使用同一協(xié)議才能通信
常見協(xié)議：TCP、UDP、IP

• Socket 類型，數(shù)據(jù)傳輸方式
  1. SOCK_STREAM 流式 Socket，表示面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方式
     數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確無(wú)誤地到達(dá)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)
     如果損壞或丟失，可以重新發(fā)送，但效率相對(duì)較慢
     常見的 http 協(xié)議就使用 SOCK_STREAM 傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)橐_保數(shù)據(jù)的正確性，否則網(wǎng)頁(yè)不能正常解析。
  2. SOCK_DGRAM 數(shù)據(jù)報(bào)式 Socket，表示無(wú)連接的數(shù)據(jù)傳輸方式
     計(jì)算機(jī)只管傳輸數(shù)據(jù)，不作數(shù)據(jù)校驗(yàn)
     如果數(shù)據(jù)在傳輸中損壞，或者沒有到達(dá)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，無(wú)法補(bǔ)救，無(wú)法重傳
     因?yàn)?SOCK_DGRAM 所做的校驗(yàn)工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高

注意：SOCK_DGRAM 沒有想象中的糟糕，不會(huì)頻繁的丟失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤只是小概率事件

II. Socket 的連接過程

長(zhǎng)連接：指在一個(gè)連接上可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包，在連接保持期間，如果沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送，需要雙方發(fā)鏈路檢測(cè)包
短連接：指通訊雙方有數(shù)據(jù)交互時(shí)，就建立一個(gè)連接，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，則斷開此連接，即每次連接只完成一項(xiàng)業(yè)務(wù)的發(fā)送

1. 服務(wù)器監(jiān)聽
   服務(wù)器端 Socket 并不定位具體的客戶端 Socket，而是處于等待連接的狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)
2. 客戶端請(qǐng)求
   由客戶端的 Socket 提出連接請(qǐng)求，要連接的目標(biāo)是服務(wù)器端的 Socket
   為此，客戶端的 Socket 必須首先描述它要連接的服務(wù)器的 Socket
   首先，指出服務(wù)器端 Socket 的 IP 和 Port Number
   然后，向服務(wù)器端 Socket 提出連接請(qǐng)求
3. 連接確認(rèn)
   是指當(dāng)服務(wù)器端 Socket 監(jiān)聽到或者說(shuō)接收到客戶端 Socket 的連接請(qǐng)求
   它就響應(yīng)客戶端 Socket 的請(qǐng)求，建立一個(gè)新的線程，把服務(wù)器端 Socket 的描述發(fā)給客戶端，一旦客戶端確認(rèn)了此描述，連接就建立好了
   連接后，服務(wù)器端 Socket 繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)接收其他客戶端套接字的連接請(qǐng)求

Socket 連接圖解

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2. TCP「Transmission Control Protocol」傳輸控制協(xié)議

簡(jiǎn)介

• 面向連接的通信協(xié)議，通過三次握手建立連接，通訊完成時(shí)要拆除連接，四次揮手斷開連接
• TCP 負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)膯栴}，一有問題就發(fā)出信號(hào)，要求重新傳輸，直到所有數(shù)據(jù)安全正確地傳輸?shù)侥康牡?/li>
• 使用 TCP 的協(xié)議
  FTP（文件傳輸協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議）
  POP3（和 SMTP 相對(duì)，用于接收郵件）、HTTP 協(xié)議等

特點(diǎn)

• 每條傳輸連接只能有兩個(gè)端點(diǎn)，只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，不支持多播和廣播的傳輸方式
• 連接中可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)傳輸「數(shù)據(jù)不受限制」
• 通信雙方可以同時(shí)發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)
• 每次發(fā)送請(qǐng)求使用 TCP 協(xié)議
  必須建立連接「效率會(huì)稍低」，是可靠協(xié)議，送達(dá)安全

TCP 報(bào)文首部格式

• 序號(hào)：Seq「Sequence Number」序號(hào)占32位，用來(lái)標(biāo)識(shí)從計(jì)算機(jī) A 發(fā)送到計(jì)算機(jī) B 的數(shù)據(jù)包的序號(hào)，計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)此進(jìn)行標(biāo)記
• 確認(rèn)號(hào)：Ack 「Acknowledge Number」確認(rèn)號(hào)占32位，客戶端和服務(wù)器端都可以發(fā)送，`Ack = Seq + 1 說(shuō)明收到數(shù)據(jù)包
• 標(biāo)志位：每個(gè)標(biāo)志位占用 1 Bit
  URG：緊急指針「urgent pointer」有效
  ACK：確認(rèn)序號(hào)有效
  PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文交給應(yīng)用層
  RST：重置連接
  SYN：Synchronous，建立一個(gè)新的同步連接
  FIN：Finish，斷開一個(gè)連接

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I. 建立連接-三次握手

建立連接非常重要，是數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那疤?/p>

模擬步驟

• [Shake 1] 套接字A：“你好，套接字 B，我這里有數(shù)據(jù)要傳送給你，建立連接吧?！?/li>
• [Shake 2] 套接字B：“好的，我這邊已準(zhǔn)備就緒。”
• [Shake 3] 套接字A：“謝謝你受理我的請(qǐng)求。”

具體步驟

• CLOSED 狀態(tài)：沒有建立連接，客戶端已經(jīng)調(diào)用 socket() 函數(shù)創(chuàng)建了套接字

• LISTEN 狀態(tài)：服務(wù)器端調(diào)用 listen() 函數(shù)后，開始監(jiān)聽客戶端請(qǐng)求
  服務(wù)器沒有回傳 ACK 包，客戶端會(huì)重新發(fā)送，直到服務(wù)器回傳 ACK 包

• SYN-SEND 狀態(tài)：向服務(wù)器端發(fā)送過了數(shù)據(jù)包

• SYN-RECV 狀態(tài)：服務(wù)器已經(jīng)將數(shù)據(jù)包發(fā)出

• ESTABLISED 狀態(tài)：連接已經(jīng)成功建立

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必要性

• 在「兩次握手」的情形下，假設(shè) Client 想跟 Server 建立連接，但是卻因?yàn)橹型具B接請(qǐng)求的數(shù)據(jù)報(bào)丟失了，故Client端不得不重新發(fā)送一遍，這個(gè)時(shí)候 Server 端僅收到一個(gè)連接請(qǐng)求，因此可以正常的建立連接
• 有時(shí)候 Client 端重新發(fā)送請(qǐng)求不是因?yàn)閿?shù)據(jù)報(bào)丟失了，而是有可能數(shù)據(jù)傳輸過程因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)并發(fā)量很大在某結(jié)點(diǎn)被阻塞了，這種情形下Server端將先后收到 2 次請(qǐng)求，并持續(xù)等待兩個(gè) Client 請(qǐng)求向他發(fā)送數(shù)據(jù)...
• 問題就在這里，Cient端實(shí)際上只有一次請(qǐng)求，而 Server 端卻有 2 個(gè)響應(yīng)，極端的情況可能由于 Client 端多次重新發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)而導(dǎo)致 Server端最后建立了 N 多個(gè)響應(yīng)在等待，因而造成極大的資源浪費(fèi)！

II. 斷開連接-四次揮手

釋放不再使用的資源
不能正常斷開，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，套接字不能關(guān)閉，持續(xù)占用資源，如果并發(fā)量高，服務(wù)器壓力堪憂

模擬步驟

• [Shake 1] 套接字A：“任務(wù)處理完畢，我希望斷開連接。”
• [Shake 2] 套接字B：“哦，是嗎？請(qǐng)稍等，我準(zhǔn)備一下?！?/li>
• 等待片刻后……
• [Shake 3] 套接字B：“我準(zhǔn)備好了，可以斷開連接了?！?/li>
• [Shake 4] 套接字A：“好的，謝謝合作。”

具體步驟

• FIN 狀態(tài)：Finish，表示斷開連接
• TIME_WAIT 狀態(tài)：TIME_WAIT 要等待 2MSL 才會(huì)進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)，如果 2MSL 后還未收到服務(wù)器重傳的 FIN 包，就說(shuō)明服務(wù)器已經(jīng)收到了 ACK 包
  客戶端最后一次發(fā)送 ACK 包時(shí)，若服務(wù)器收不到，服務(wù)器會(huì)再次發(fā)送 FIN 包
  如果這時(shí)客戶端完全關(guān)閉了連接，那么服務(wù)器無(wú)論如何也收不到 ACK 包了，所以客戶端需要等待片刻、確認(rèn)后，才能進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)

報(bào)文最大生存時(shí)間（MSL，Maximum Segment Lifetime）
數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中是有生存時(shí)間的，超過這個(gè)時(shí)間還未到達(dá)目標(biāo)主機(jī)就會(huì)被丟棄，并通知源主機(jī)

• CLOSED 狀態(tài)：斷開連接狀態(tài)

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3. UDP「User Datagram Protocol」用戶數(shù)據(jù)協(xié)議

簡(jiǎn)介

• 將數(shù)據(jù)及源和目的封裝成數(shù)據(jù)包中，不需要建立連接
• 使用 UDP協(xié)議包括：TFTP（簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議）、SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）、DNS（域名解析協(xié)議）、NFS、BOOTP

特點(diǎn)

• 每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的大小限制在 64K 之內(nèi)
• 支持單播，組播，廣播等多種通信方式
• 每次發(fā)送請(qǐng)求使用 UDP 協(xié)議
  無(wú)需建立連接，是不可靠協(xié)議「效率高」

三、網(wǎng)絡(luò)層「Network Layer」

簡(jiǎn)介

• 基本數(shù)據(jù)單位：IP 數(shù)據(jù)報(bào)

• 重要的設(shè)備：路由器

• 為數(shù)據(jù)包選擇路由
  作用

• 路徑選擇、路由選擇、邏輯尋址

• 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送

• 具體功能：尋址、路由選擇、建立連接、保持和終止連接等

• 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對(duì)子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由選擇

• 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn) 擁塞控制、網(wǎng)際互連 等功能

包含的主要協(xié)議

• IP 協(xié)議（Internet Protocol，因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）
  簡(jiǎn)介：僅僅提供不可靠、無(wú)連接的傳送服務(wù)「TCP/IP 的核心協(xié)議」
  功能：無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸、數(shù)據(jù)報(bào)路由選擇和差錯(cuò)控制

• ICMP 協(xié)議（Internet Control Message Protocol，因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議）

• ARP 協(xié)議（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）

• RARP 協(xié)議（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析協(xié)議）

1. IP 地址

簡(jiǎn)介：一共 4 個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度，32 位

1）網(wǎng)絡(luò)地址

• 構(gòu)成：網(wǎng)絡(luò)號(hào)(包括子網(wǎng)號(hào))+ 主機(jī)號(hào)
• 網(wǎng)絡(luò)地址的主機(jī)號(hào)為全 0，網(wǎng)絡(luò)地址代表著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)

2）廣播地址

• 通常稱為直接廣播地址，是為了區(qū)分受限廣播地址
• 廣播地址的主機(jī)號(hào)為全 1
• 向 某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的廣播地址發(fā)送消息，該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有主機(jī)都能收到該廣播消息

3）IPv4 地址分類

A、B、C 類私有地址

私有地址「private address」也叫專用地址，它們不會(huì)在全球使用，只具有本地意義

• A 類私有地址：10.0.0.0/8，范圍是：10.0.0.0~10.255.255.255
• B 類私有地址：172.16.0.0/12，范圍是：172.16.0.0~172.31.255.255
• C 類私有地址：192.168.0.0/16，范圍是：192.168.0.0~192.168.255.255

地址的分類

• A 類地址以 0 開頭，前 1 個(gè)字節(jié)作為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，地址范圍為：0.0.0.0~127.255.255.255
• B 類地址以 10 開頭，前 2 個(gè)字節(jié)作為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，地址范圍是：128.0.0.0~191.255.255.255
• C 類地址以 110 開頭，前 3 個(gè)字節(jié)作為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，地址范圍是：192.0.0.0~223.255.255.255
• D 類地址以 1110 開頭，地址范圍是 224.0.0.0~239.255.255.255，D 類地址作為組播地址「一對(duì)多的通信」
• E 類地址以 1111 開頭，地址范圍是 240.0.0.0~255.255.255.255，E 類地址為保留地址，供以后使用

注：只有A、B、C 有網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)之分，D 類地址和 E 類地址沒有劃分網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)

4）特殊的 IP 地址解釋

本地網(wǎng)絡(luò)

• 全 1 的 IP 地址：255.255.255.255「受限的廣播地址」
• 受限廣播地址只能用于本地網(wǎng)絡(luò)，路由器不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)段廣播

注：一般的廣播地址「直接廣播地址」能夠通過某些路由器，而受限的廣播地址不能通過路由器

廣播地址

• 全 0 的 IP 地址：0.0.0.0
• 常用于尋找自己的 IP 地址
• 例如在我們的 RARP，BOOTP 和 DHCP 協(xié)議中，若某個(gè)未知 IP 地址的無(wú)盤機(jī)想要知道自己的IP地址，它就以 255.255.255.255 為目的地址，向本地范圍（具體而言是被各個(gè)路由器屏蔽的范圍內(nèi)）的服務(wù)器發(fā)送 IP 請(qǐng)求分組

127.0.0.0/8 回環(huán)地址

• 表示本機(jī)的地址，常用于對(duì)本機(jī)的測(cè)試，用的最多的是 127.0.0.1
• /8：表示 從前到后有 8 個(gè) 1 的網(wǎng)絡(luò)掩碼，即子網(wǎng)掩碼為 255.255.0.0

5）網(wǎng)絡(luò)劃分

簡(jiǎn)介

• 網(wǎng)絡(luò)地址 = IP 地址 & 子網(wǎng)掩碼
• 通過子網(wǎng)掩碼來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)劃分「1 代表該位是網(wǎng)絡(luò)位， 0 代表該位是主機(jī)位」
• 將原來(lái)的主機(jī)號(hào)借前幾位做子網(wǎng)號(hào)，主機(jī)號(hào)相應(yīng)的減少了，網(wǎng)絡(luò)號(hào)不變
  不劃分子網(wǎng)：IP 地址 = 網(wǎng)絡(luò)號(hào) + 主機(jī)號(hào)
  劃分子網(wǎng)：IP 地址 = 網(wǎng)絡(luò)號(hào) + 子網(wǎng)號(hào) + 主機(jī)號(hào)

注意：全為 0 或 1 的 IP 地址是不能被計(jì)算子網(wǎng)掩碼內(nèi)的

利用子網(wǎng)數(shù)來(lái)計(jì)算子網(wǎng)掩碼

在求子網(wǎng)掩碼之前，先搞清楚要?jiǎng)澐值淖泳W(wǎng)數(shù)目，以及每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)的所需主機(jī)數(shù)目

1. 將子網(wǎng)數(shù)目轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制來(lái)表示;

如欲將B類IP地址 168.195.0.0 劃分成 27 個(gè)子網(wǎng)：27=11011

2. 取得該二進(jìn)制的位數(shù)，設(shè)為 N

該二進(jìn)制為五位數(shù)，N = 5

3. 取得該 IP 地址的類子網(wǎng)掩碼，將其主機(jī)地址部分的的前 N 位設(shè)為 1

將 B 類地址的子網(wǎng)掩碼 255.255.0.0 的主機(jī)地址從前向后前 5 位設(shè)為 1，得到子網(wǎng)掩碼 255.255.248.0

利用主機(jī)數(shù)來(lái)計(jì)算子網(wǎng)掩碼

如欲將 B 類 IP 地址 168.195.0.0 劃分成若干子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)有主機(jī) 700 臺(tái)：

1. 將主機(jī)數(shù)目轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制來(lái)表示

700=1010111100

2. 如果主機(jī)數(shù)小于或等于 254（注意去掉保留的兩個(gè) IP 地址），則取得該主機(jī)的二進(jìn)制位數(shù)，為 N，這里肯定 N<8

如果大于 254，則 N>8，這就是說(shuō)主機(jī)地址將占據(jù)不止 8 位，該二進(jìn)制為十位數(shù)，N=10

3. 使用 255.255.255.255 來(lái)將該類 IP 地址的主機(jī)地址位數(shù)全部置 1，然后從后向前的將 N 位全部置為 0

將該 B 類地址的子網(wǎng)掩碼 255.255.0.0 的主機(jī)地址全部置 1，得到 255.255.255.255，然后再?gòu)暮笙蚯皩⒑?10位置 0
即為：11111111.11111111.11111100.00000000，即 255.255.252.0
這就是主機(jī)為 700 臺(tái)的 B 類 IP 地址 168.195.0.0 的子網(wǎng)掩碼

根據(jù)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)數(shù)量進(jìn)行子網(wǎng)地址的規(guī)劃和計(jì)算子網(wǎng)掩碼

• 比如一個(gè)子網(wǎng)有 10 臺(tái)主機(jī)，那么對(duì)于這個(gè)子網(wǎng)需要的 IP 地址是
  10＋1＋1＋1＝13
• 注意：加的第一個(gè) 1 是指這個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)所需的網(wǎng)關(guān)地址，接著的兩個(gè) 1 分別是指網(wǎng)絡(luò)地址和廣播地址

2. ARP/RARP 地址解析協(xié)議

ARP「Address Resolution Protocol」簡(jiǎn)介

• 根據(jù) IP 地址獲取物理地址的一個(gè) TCP/IP 協(xié)議
• 可用于查詢本機(jī) ARP 緩存中 IP 地址和 MAC 地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系、添加或刪除靜態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系等

ARP 欺騙

• 地址解析協(xié)議是建立在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)主機(jī)互相信任的基礎(chǔ)上的
  主機(jī)可以自主發(fā)送 ARP 應(yīng)答消息，其他主機(jī)收到應(yīng)答報(bào)文時(shí)不會(huì)檢測(cè)該報(bào)文的真實(shí)性就會(huì)將其記入本機(jī) ARP 緩存
• 攻擊者可以向某一主機(jī)發(fā)送偽 ARP 應(yīng)答報(bào)文，使其發(fā)送的信息無(wú)法到達(dá)預(yù)期的主機(jī)或到達(dá)錯(cuò)誤的主機(jī)

ARP 工作流程

IP 數(shù)據(jù)包中含有發(fā)送它的主機(jī)的地址（源地址）和接收它的主機(jī)的地址（目的地址）

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RARP「Reverse Address Resolution Protocol」簡(jiǎn)介

• 將局域網(wǎng)中某個(gè)主機(jī)的物理地址轉(zhuǎn)換為 IP 地址

比如：局域網(wǎng)中有一臺(tái)主機(jī)只知道物理地址而不知道 IP 地址
那么可以通過 RARP 協(xié)議發(fā)出征求自身 IP 地址的廣播請(qǐng)求，然后由 RARP 服務(wù)器負(fù)責(zé)回答。

3. RIP/OSPF 路由選擇協(xié)議

RIP協(xié)議

• 底層是貝爾曼福特算法
• 它選擇路由的度量標(biāo)準(zhǔn)「metric」是跳數(shù)，最大跳數(shù)是15 跳，如果大于15 跳，它就會(huì)丟棄數(shù)據(jù)包

OSPF協(xié)議

• Open Shortest Path First 開放式最短路徑優(yōu)先，底層是迪杰斯特拉算法
• 是鏈路狀態(tài)路由選擇協(xié)議，它選擇路由的度量標(biāo)準(zhǔn)是帶寬

4. NAT「Network Address Translation」網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議

簡(jiǎn)介

• 屬接入廣域網(wǎng)「WAN」技術(shù)，是一種 將私有地址 轉(zhuǎn)化為 合法 IP 地址的轉(zhuǎn)換技術(shù)
• 解決了 lP 地址不足的問題，能夠有效地避免來(lái)自網(wǎng)絡(luò)外部的攻擊，隱藏并保護(hù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)

四、數(shù)據(jù)鏈路層「Data Link Layer」

簡(jiǎn)介

• 功能：為網(wǎng)絡(luò)層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸

其最基本的服務(wù)是將源自網(wǎng)絡(luò)層來(lái)的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點(diǎn)

• 基本數(shù)據(jù)單位：幀
• 主要的協(xié)議：以太網(wǎng)協(xié)議
• 重要設(shè)備：網(wǎng)橋 和 交換機(jī)
• 在不可靠的物理介質(zhì)上提供可靠的傳輸
  該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、重發(fā)等

作用

• 將數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)塊
  這種數(shù)據(jù)塊為幀「frame」
• 控制幀在物理信道上的傳輸，包括如何處理傳輸差錯(cuò)
• 調(diào)節(jié)發(fā)送速率以使與接收方相匹配
• 在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間提供數(shù)據(jù)鏈路通路的建立、維持和釋放的管理

五、物理層「Physical Layer」

簡(jiǎn)介：激活、維持、關(guān)閉通信端點(diǎn)之間的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。

作用

• 該層為上層協(xié)議提供了一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的可靠的物理媒體
• 物理層確保原始的數(shù)據(jù)可在各種物理媒體上傳輸
• 物理層記住兩個(gè)重要的設(shè)備名稱，中繼器（Repeater，也叫放大器）和 集線器