计算机网络协议

1、OSI网络协议/模型

国际标准化组织制定的网络七层协议理论参考模型，全称开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model，缩写为 OSI）。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。

1.1 物理层

通过各种物理介质（如网线、光纤）实现比特流传输。该层定义了物理设备标准，如网线、光纤接口标准、传输介质的传输速率等。

主要工作：传输比特流，也就是数模转换和模数转换（1、0转为强弱不同的电流传输到目的地之后转为对应的1，0数字）。实际通信中最终的信号传输就是物理层实现的。

协议：PDU（协议数据单元），由专门的串行信号模式组成。

1.2 数据链路层

作用：该层将0，1电信号分组成有特定意义的信号--数据帧，以广播的形式通过物理介质传输数据，通过各种控制协议（差错控制、流量控制方法），将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。

数据链路层可以分为两个子层：MAC和LLC。

• MAC（媒体访问控制子层）主要进行数据出错校验、数据成帧，链路地址（MAC地址）访问介质实现数据传输；
• LLC（逻辑链路控制子层）定义一些字段使上次协议可以共享数据链路层（非必需）。

数据帧 ：物理层比特流组合成字节，进一步组合成数据帧。

主要工作：接收物理层 的比特流 封装成帧，传到上一层；将来自上层的数据帧，拆成比特流转发到物理层。实现了同一网络的节点通信。

协议：HDLC、PPP、SLIP。

1.3 网络层

找到目标通信计算机，并确定其中的节点路径，也就是路由，实现不同子网间的通信。

作用：通过路由选择算法，为报文（该层的数据单位，上层数据打包得到）通过通信子网选择最合适的路径。

协议：IP协议、ARP协议、路由协议、ICMP。

1.3.1 IP协议

IPv6：位。

ICMP协议（网际控制消息协）是IP层的附属协议，介于IP层和TCP层之间，一般认为属于IP层协议。IP协议用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他的一些网络情况，如发送消息，报告有关数据包的传送错误。

（下一篇详细介绍）

1.3.2 ARP协议

1.3.3 路由协议

MAC寻址和ARP协议仍只能在同一子网内。因此引入路由协议实现不同子网寻址。

首先通过IP协议判断通信的主机是否处于同一子网：

• 在同一子网，则通过ARP协议查询MAC地址，广播发送数据包给子网的主机；
• 不在同一子网，以太网将数据包转发给所在子网的网关进行路由，经多次转发后匹配到目标子网，再进行上述ARP-MAC寻址过程。

1.4 传输层

监控传输的数据是否完整，保证报文的正确传输。

因此该层引入UDP协议标识应用程序的身份——端口，为同一个主机的每个应用程序指定了唯一的端口号，数据包需要加上端口信息。UDP协议没有确认机制，发送发不知道是否丢包，是不可靠的，常用于发送少量数据。

而TCP（传输控制）协议是面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，需要确认数据包是否到达接收方，如果丢包，就告知发送方丢失哪些包，发送方再发一次，直至全部接收，可用于发送大量数据。TCP协议在收发数据之前，需要发送方和接收方之间“三次握手”确认，保证可靠传输。

作用：建立了主机端到端的连接，tcp保证数据传输的可靠性。

协议：UDP和TCP等。

1.5 会话层

负责建立、管理和终止表示层实体（应用程序）之间的通信会话。

向两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法。

1.6 表示层

负责数据格式的转换，将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式，或者将来自下一层的数据转换为上层能处理的格式。

数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。

1.7 应用层

定义各种协议规范数据格式，如 HTTP，HTTPS，FTP，POP3、SMTP等。

是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口，其功能是直接向用户提供服务。

总结通俗记忆方法：

2、TCP/IP协议簇

2.1 TCP/IP简介

互联网中的计算机通过一系列协议实现通信，TCP/IP就是这些协议的集合（族），Transmission Control Protocol / Internet Protocol（传输控制协议/互联网络协议），包括TCP协议、IP协议、HTTP协议等。核心功能是寻址和路由选择和传输控制。

是Internet的基础，也是当今最流行的形式。可以看作是OSI 七层模型简化而来的四层模型，包括网络接口层、网络层、传输层、应用层。每一层对上一层是透明的，上层只需要使用下层提供好的接口。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。

3.1 网络接口层

提供数据结构和实际物理硬件之间的接口，定义了数据在网络介质上传输的协议。

功能：

链路管理：通信开始前建立数据链路连接，通信中维护数据链路连接，通信结束后释放连接。

流量控制：防止发送的数据超过物理线路的传输能力或接收端的帧接收能力，防止链路阻塞。

差错控制：有差错的物理线路转换为可靠的无差错数据链路，保证传输的可靠性。

802.1-互联网络：定义了802系列中互联网络如何工作。

802.2-逻辑链路/媒体访问控制：设备之间建立逻辑链路和媒体接口访问的描述。

802.11-Wi-Fi：无线数据包无线组网标准。

PPP协议：以太网上的PPP是一种串行线路协议，常见的变体为PPPoE。有效的点对点通信协议，由串行通信线路上的组帧方式、链路控制协议LCP(用于建立、配置、测试和拆除数据链路)和网络控制协议NCPs(用于支持不同网络层协议)三部分组成。

3.2 网络层

处理在网络上流动的数据包。负责相邻计算机之间的通信，其功能包括：

重要协议：

IP(Internet Protocol, 网际互连协议)：将多个网络连成一个互联网，将高层数据以数据包形势从发送方路由传输到接收方。各个IP数据包之间是相互的。提供的是不可靠的无连接的报文分组传送服务。

ICMP(Internet Control Message Protocol, 网间控制报文协议)：处理基于IP路由和网络行为的消息，提供网络诊断信息。分组接收方利用ICMP通知发送方发生了故障，进行修改。通常当某一个模块发现报文有问题时会产生（触发？？）ICMP，如目的主机或中继路由器。如果一个分组不能传送，ICMP则可以用于警告分组源，有网络、主机或端口不可达。ICMP还可以报告网络阻塞。

RIP（Routing Information Protocol, 路由信息协议）：分布式的基于距离矢量算法的路由协议，负责数据的分片、寻址和路由。开销较小，但是了网络的规模，能使用的最大距离为15（16表示不可达），对于规模较大的网络应当使用OSPF协议。

BGP（边界网关协议）：运行于TCP之上的一种的路由协议，是唯一一个用来处理像因特网一样大小的网络的协议，也是唯一能够妥善处理好不相关间的多路连接的协议。

3.3 传输层

也称为主机到主机层，实现分布式进程之间的通信，在源主机的应用进程与目的主机的应用进程建立“端到端”连接。

TCP协议(Transmission Control Protocol，传输控制协议)：提供可靠的数据流传输服务。采用“带重传的肯定确认”技术实现传输的可靠性，“滑动窗口”流量控制机制提高网络吞吐量。在发送方和接收方传数据之前，先通过“三次握手”机制建立数据传输链路，然后正式传输数据。但是增加了建立链接和解除链接的开销。（比如时间？）

UDP协议(Use Datagram Protocol，用户数据报协议)：对IP协议组的扩充，发送方可以区分一台计算机上的多个接收者。UDP报文包含数据、目的端口号、源端口编号，从而可以发送给相应的进程接收，接收方发出应答。OICQ软件正是基于UDP协议和这种机制。

TCP vs UDP

TCP：

• 面向连接的协议。数据传输之前都要建立连接（三次挥手），数据传输结束都要释放连接（四次挥手）
• 一条TCP连接只能有两个端点，端点是socket（结构 IP地址:端口号），并非主机或进程。
• 可靠交付
  •  等待协议和连续ARQ 协议+滑动窗口协议
• 全双工通信（一端既可以做发送方也可以做接收方）
• 面向字节流

UDP：

• 无连接，传输数据时不需要建立连接，减小开销
• 尽最大努力交付，不确保可靠交付
• 面向报文
• 没有拥塞控制、确保信息实时性
• 支持一对一，一对多，多对一，多对多
• 首部开销小，只有8个字节

4.4、应用层

为用户提供所需要的各种服务，如：HTTP、TFTP、FTP、NFS、SMTP等。应用层是协议栈与主机上应用程序或进程接口的地方，也被称为处理层。

TCP/IP服务的运行依赖于：

1. 守护程序(侦听进程)：处理特定服务的入栈用户请求。
2. 端口地址：用于识别特定的进程和服务。端口地址使用16位数表示（2的16次方，也就是说一个主机最多有65535个端口）。在范围0-1024之间的端口地址经常被称为公认端口地址。如：FTP的公认端口为21。

常见的协议：

HTTP(超文本传输协议)：最基本的客户机/服务器的访问协议；

TFTP(简单文本传送协议)：用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不复杂、开销不大的文件传输服务。端口号为69。使用UDP，不支持交互。一个TFTP包数据包括：本地媒介头，IP头，数据报头，TFTP头，TFTP数据。使用UDP中的源和目标端口以及包长度域，在IP头中不指定任何数据。

FTP(文件传输协议)：网络上进行文件传输的一套标准协议，使用客户/服务器模式（客户FTP和服务器FTP。客户FTP启动传送过程，服务器FTP对其作出应答）。FTP标准命令TCP端口号为21，Port方式数据端口为20。FTP的任务是从一台计算机将文件传送到另一台计算机，不受操作系统的。工作时建立两条TCP链接——传送文件和传送控制。

SMTP简单邮件传送协议：Client/Server模式，面向连接 ，可靠、有效地数据传输。基本功能：写信、传送、报告传送情况、显示信件、接收方处理信件。

图片参考：