网络基础

网络模型

OSI七层网络模型	TCP/IP四层概念模型	对应网络协议
应用层（Application）	应用层	HTTP、TFTP、FTP、NFS、WAIS、SMTP
表示层（Presentation）	应用层	Telnet、Rlogin、SNMP、Gopher
会话层（Session）	应用层	SMTP、DNS
传输层（Transport）	传输层	TCP、UDP
网络层（Network）	网络层	IP、ICMP、ARP、RARP、AKP、UUCP
数据链路层（Data Link）	数据链路层	FDDI、Ethernet、Arpanet、PDN、SLIP、PPP
物理层（Physical）	数据链路层	IEEE 802.1A、IEEE 802.2到IEEE 802.11

OSI 七层网络模型功能说明：

• 7 应用层：为应用程序提供网络服务
• 6 表示层：数据格式化，加密、解密
• 5 会话层：建立、维护、管理会话连接
• 4 传输层：建立、维护、管理端到端连接
• 3 网络层：IP寻址和路由选择
• 2 数据链路层：控制网络层与物理层之间通信
• 1 物理层：比特流传输

物理层

1. 传输介质：通过双绞线（网线）、光纤、无线电波（Wi-Fi/移动通信）等物理介质将设备连接起来组网。
2. 跨网通信：两个不同网络或运营商（如中国移动、中国电信）之间的通信，需要依靠 ISP（互联网服务供应商）提供的物理骨干线路与基础设施进行连接。
3. 核心作用：负责将上层数据转换为电信号、光信号或无线电波，在物理介质中传送原始比特流（0 和 1）。
4. 典型设备与接口：中继器、集线器（Hub）、网线接口（RJ-45）、光纤接口等。

数据链路层

1. 作用
   • 根据以太网（Ethernet）等协议，将物理层的电信号组装成“数据帧（Frame）”并控制其传输。
   • 数据帧结构：包含帧头（Head）（标明发送者 MAC、接收者 MAC、上层协议类型）、数据（Data）以及帧尾（Tail/FCS）（用于差错校验）。 (补齐：以太网帧包含帧尾校验码)
2. MAC 地址（物理地址）
   • 作用：在局域网（同一网段）内唯一标识一台物理设备，实现设备间的直接通信（不涉及跨网段路由路径）。
   • 格式：即网卡物理地址，每个网卡出厂时具有唯一性，长度为 48 位（6 个字节），通常表示为 12 个十六进制数（例如 00:1A:2B:3C:4D:5E）。
   • 结构：前 6 个十六进制数（前 3 字节）为厂商代码（OUI），后 6 个十六进制数（后 3 字节）为网卡序列号/流水号。
3. 传输方式
   • 广播（Broadcast）：发送者将数据帧发送给局域网内所有设备（目标 MAC 地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF），每台设备收到后对比自己的 MAC 地址，匹配则接收，不匹配则丢弃（例如 ARP 查询请求）。
   • 单播（Unicast，日常通信主流）：在已知目标 MAC 地址时，数据帧仅点对点发送给指定的目标网卡。 (局域网大部分流量是单播)
4. 网络交换机（Network Switch）
   • 定义：工作在数据链路层的核心设备（L2 交换机），用于组建和扩展局域网。
   • 作用与工作原理：为子网提供更多网线接口以连接更多 PC；通过自动学习设备的 MAC 地址并维护 MAC 地址表，实现数据的精准单播转发，避免网络拥堵。

网络层（Network Layer）

1. 核心作用
   • 实现主机到主机（Host-to-Host）的数据包端到端逻辑传输（IP 协议本身是无连接、尽力而为的）。
2. 寻址机制
   • 引入逻辑地址模式（IP 地址/网络地址），用于标识网络设备并区分哪些 PC 处于同一子网（局域网）内。
3. IP 地址分类
   • IPv4：32 位二进制，共 4 个字节（每个字节 8 位，以点分十进制表示，如 192.168.1.1）。
     • 网络位与主机位：具体由子网掩码决定（例如 CIDR 为 /24 时，前 24 位为网络号，同一子网内必须相同；后 8 位为主机号）。
   • IPv6：128 位二进制，共 16 个字节（通常分为 8 组十六进制数表示）。
4. 子网掩码（Subnet Mask）
   • 工作原理：将 IP 地址与子网掩码进行按位与（AND）运算，计算出网络号，以此判断两台设备是否处于同一子网。
     • 示例：IP AND 255.255.255.0 即可提取出前 24 位的网络地址。
5. 路由（Routing）
   • 作用：通过网络将数据包从源 IP 地址引导传送至目标 IP 地址，经过中间节点（路由器）逐跳转发到达目的地。
   • 实现方法：路由算法与路由表定义下一跳路径，通过网关逐级转发数据包。
   • 路由器（Router）：连接两个或多个不同子网并实现路由转发的核心网络设备（配有多个网卡/接口，各接入不同网段）。
   • 网关（Gateway）：局域网连接外部网络的出口（通常即为局域网内部路由器的 LAN 口 IP 地址）。
   • 数据传输流程（以 A 发送数据给 B 为例）：
     • 同一局域网：A 通过 ARP 广播获取 B 的 MAC 地址，直接通过交换机单播将数据帧发送给 B。
     • 不同局域网：
       • A 判断 B 与自己不在同一网段，将数据包的目标 IP 设为 B，但目标 MAC 设为网关（路由器）的 MAC 地址，发送给网关。
       • 路由器收到后查看路由表，重新封装数据帧（源/目的 IP 保持不变，源/目的 MAC 地址替换为下一跳设备），转发给下一跳，最终到达目标主机 B 的所在网段。
6. ARP 协议（地址解析协议）
   • 作用：建立并维护局域网内 IP 地址到 MAC 地址的映射关系。
   • 工作层级：工作于数据链路层（L2）与网络层（L3）之间，直接封装在以太网帧（Ethernet Frame）中。
   • 适用范围：仅适用于 IPv4；在 IPv6 中已被 NDP（邻居发现协议，Neighbor Discovery Protocol） 替代。

传输层（Transport Layer）

1. 核心作用
   • 提供应用进程到进程（Process-to-Process）的端到端逻辑通信（网络层只负责主机到主机）。 (修正：明确为进程间通信，非端口建立连接)
2. 端口号（Port）
   • 取值范围与划分（0 - 65535）
   • 0 - 1023（知名端口 / 公认端口）：由系统或标准协议占用（如 HTTP 80、HTTPS 443、SSH 22 等）。 (修正：规范端口分类名)
   • 1024 - 49151（注册端口）：分配给特定应用程序或服务（如 Mysql 3306、Redis 6379、代理服务 8080 等）。 (补齐：规范划分)
   • 49152 - 65535（动态 / 临时端口）：客户端发起请求时，由操作系统自动分配的随机端口。 (修正：明确随机选取端口的范围)
   • 作用：
     • 标识网络数据包具体归属于哪一个应用进程（多路复用与多路分解）。
     • 一个应用进程可以建立多个网络连接（例如浏览器打开多个标签页），通过分配不同的动态端口号或 Socket 句柄进行区分。
3. Socket（套接字）
   • 进程间网络通信基础：通信必须指定“五元组”——源 IP 地址、源端口号、目的 IP 地址、目的端口号、传输层协议（TCP/UDP）。
   • 数据结构/形式：在操作系统层面上是一个抽象的文件描述符 / 句柄（File Descriptor / Handle），并非单纯的数值变量。
   • 本质：是应用层与传输层之间的编程 API 抽象接口，是对 TCP/IP 协议栈调用的封装。
4. TCP 与 UDP 协议
   • 传输层头部：在应用层数据前加上传输层头部，主要包含源端口号与目的端口号。
   • TCP 协议（传输控制协议）：
     • 特性：面向连接（需经过三次握手与四次挥手）、可靠传输（提供超时重传、确认应答、滑动窗口、流量控制与拥塞控制）。
     • 特点：结构复杂、开销较大，能确保数据不丢失、不乱序。
   • UDP 协议（用户数据报协议）：
     • 特性：无连接、不可靠/尽力而为传输（不保证数据包是否成功到达、不进行重传与排序）。
     • 特点：头部开销极小（仅 8 字节）、传输效率高、实时性强，适合实时音视频通信、DNS 查询等场景。

应用层（Application Layer - TCP/IP 架构）

1. 核心作用（会话层、表示层、应用层合并的TCP/IP的应用层）
   • 应用服务接口（原 OSI 应用层）：直接面向最终用户与应用程序，提供各种网络应用服务（如网页浏览、文件传输、电子邮件等）。
   • 数据表示与编码（原 OSI 表示层）：规定应用程序通信的数据格式，负责数据的序列化/反序列化、数据压缩/解压、加密/解密（如 TLS/SSL 加密、JSON/XML 语法解析）。
   • 会话控制与管理（原 OSI 会话层）：建立、维护与管理不同应用程序进程之间的会话连接（如 Keep-Alive 保持连接、会话状态同步）。
2. 架构特点
   • 是对 OSI 七层模型中最高三层（应用层、表示层、会话层）的抽象合并，结构更简洁，直接面向用户与开发者的业务逻辑。
3. 常见应用层协议（补齐抓包必看）
   • HTTP / HTTPS（80 / 443）：超文本传输协议，Web 网站与 API 接口通信的基础（HTTPS 增加了 TLS 加密层）。
   • DNS（53）：域名解析协议，将人类可读的域名转换成机器识别的 IP 地址（基于 UDP/TCP）。
   • FTP / SFTP（21 / 22）：文件传输协议。
   • SMTP / IMAP / POP3：电子邮件收发协议。
   • WebSocket：基于 HTTP 握手的全双工实时通信协议。
4. 常见数据格式与载体（1.2 实例化延伸）
   • 文本与结构化数据：JSON、XML、HTML、Plain Text、Form-data。
   • 二进制数据：Protobuf（高吞吐微服务常用）、Gzip 压缩数据、图片/音视频流。

数据包

1. 应用层：[ 应用层头部 | 业务数据 Payload ]
2. 传输层：[ TCP/UDP 头部 | 应用层全部数据 ]
3. 网络层：[ IP 头部 | TCP/UDP 全部数据 ]
4. 数据链路层：[ 以太网头部 | IP 全部数据 | 以太网尾部(FCS) ]

头部信息:

1. 数据链路层头部与尾部（以太网帧 / Ethernet II）
   • 工作在局域网内，主要负责硬件网卡到网卡之间的“下一跳”点对点传输。
   • 以太网头部（Header，共 14 字节）：
   • 目的 MAC 地址（6 字节）： 接收方网卡的物理地址。
   • 源 MAC 地址（6 字节）： 发送方网卡的物理地址。
   • 类型代码（Type，2 字节）： 标识上层封装的是什么协议（例如 0x0800 代表 IPv4，0x0806 代表 ARP）。
   • 以太网尾部（Trailer，共 4 字节）：
     • FCS（帧校验序列）： 包含 32 位 CRC 校验码，网卡硬件用它来检测数据在物理传输过程中是否损坏。
2. 网络层头部（IPv4 Header）
   • 工作在广域网/局域网，负责在复杂的网络中进行逻辑寻址与路由选择，实现“主机到主机”的传输。
   • IPv4 头部（标准长度 20 字节）：
   • 版本（Version）： 标识 IP 协议版本（如 IPv4 为 4）。
   • 源 IP 地址（4 字节）： 发送端主机的逻辑 IP 地址。
   • 目的 IP 地址（4 字节）： 接收端主机的逻辑 IP 地址。
   • 协议字段（Protocol）： 标识上层传输层使用的是什么协议（例如 6 代表 TCP，17 代表 UDP）。
   • TTL（生存时间 / Time to Live）： 防环路机制。数据包每经过一个路由器该值减 1，减至 0 则直接丢弃。
   • 首部检验和（Header Checksum）： 用于校验 IP 头部数据在传输过程中是否出错。
   • 分片相关字段（标识符、标志位、片偏移）： 当数据包大小超过链路 MTU（如 1500 字节）时，用于指导路由器将数据包切碎和重组。
3. 传输层头部（TCP / UDP Header）
   • 工作在端到端系统，负责将数据准确交付给操作系统中的特定应用程序，实现“进程到进程”的通信。
   • TCP 头部（标准长度 20 字节，面向连接/可靠）：
     • 源端口号（2 字节）与目的端口号（2 字节）： 标识本机发送进程与目标接收进程（如 80、443）。
     • 序号（Sequence Number，4 字节）： 给发送的数据字节编号，用于接收端按顺序重组数据及去重。
     • 确认号（Acknowledgment Number，4 字节）： 期望收到对方下一个字节的序号，TCP 实现“可靠传输（ACK应答）”的核心。
     • 标志位（Flags）： 控制 TCP 状态机，例如 SYN（发起连接/握手）、ACK（确认）、FIN（释放连接/挥手）、RST（强制重置）。
     • 窗口大小（Window Size）： 告知对方自己当前的接收缓冲区余量，用于“流量控制”。
   • UDP 头部（仅 8 字节，无连接/高效）：
     • 源端口与目的端口（共 4 字节）： 标识通信进程。
     • UDP 长度（2 字节）： 包含 UDP 头部和数据的总字节数。
     • UDP 校验和（2 字节）： 检验 UDP 头部及数据是否出错。
4. 应用层头部（以 HTTP / TLS 为例）
   • 直接为用户的应用程序提供服务。虽然不同协议的格式千差万别，但本质都是定义“业务沟通的规则”。
   • HTTP 头部（基于文本格式）：
     • 请求头（Request Header）： 包含请求方法（GET/POST）、请求路径（/index.html）、域名（Host）、客户端信息（User-Agent）、身份凭证（Cookie/Authorization）等。
     • 响应头（Response Header）： 包含 HTTP 状态码（200 OK/404 Not Found）、内容类型（Content-Type: application/json）、内容长度（Content-Length）等。
   • TLS/SSL 加密层头部（HTTPS 场景）：
     • 包含记录类型（Record Type）、密钥交换信息、加密证书等，用于在应用层建立安全加密通道。

IP 分片

当一个超过 MTU（如 1500 字节）的 IP 数据包在网络层被切碎时，它的真实封装形式如下：

1. 分片 1：[以太网头] [IP头 (MF=1, Offset=0)] [TCP头 | 业务数据部分1]
2. 分片 2：[以太网头] [IP头 (MF=1, Offset=1480)] [业务数据部分2] (没有 TCP 头！)
3. 分片 3：[以太网头] [IP头 (MF=1, Offset=2960)] [业务数据部分3] (没有 TCP 头！)
4. 分片 4：[以太网头] [IP头 (MF=0, Offset=4440)] [业务数据剩余部分4] (没有 TCP 头！)

说明:

1. 每个分片包的 IP 头部并不完全一样，关键控制字段在发生变化：
   • 片偏移（Fragment Offset）：各个分片不同！用来告诉接收端这块数据在原始包里的位置（比如 0、1480、2960…）。
   • 前三个分片的 MF 位是 1（代表后面还有分片），最后一个分片（DATA ④）的 MF 位是 0（代表这是最后一个分片）。
   • 总长度（Total Length）：前三个分片是 1500 字节，最后一个分片明显较小，总长度字段当然不同。
   • 在实际现代网络中，TCP 协议会尽量避免让 IP 层去切片。TCP 在握手时会协商 MSS（最大报文段长度，通常是 1460 字节）。
   • TCP 在传输层就会提前把大文件切成一个个刚好不超过 1460 字节的小块，每一块都独立加上自己的 TCP 头部。这样交给 IP 层时刚好不会超过 1500 字节的限制。

TCP 分段

当应用层向传输层交付大块业务数据（例如 10MB 的文件或 JSON 数据）时，TCP 协议栈会在数据进入网络层之前，主动将其切割为符合 MSS 要求的独立报文段。

TCP 分段的控制过程：

1. 确定切片上限（MSS 协商）：
   • 在 TCP 三次握手阶段，通信双方通过客户端与服务端的 SYN 报文协商各自的 MSS（Max Segment Size，最大报文段长度）。标准以太网环境下：
   • MSS = MTU(1500) − IP头部(20) − TCP头部(20) = 1460 字节
2. 字节流切割与 Sequence Number 分配：
   • TCP 并不是按“包”来计数，而是将应用层数据看作连续的字节流。TCP 按照协商好的 MSS 将字节流切块，并为每个分段的 TCP 头部分配唯一的 Sequence Number（Seq 序号），代表该段数据第一个字节在整个数据流中的偏置位置。
3. 独立封装与开启 DF 标志：
   • 每个切好的小数据块都会单独套上一个完整的 TCP 头部，随后交给 IP 层。IP 层为每个 TCP 段封装 IP 头部时，会将标志位里的 DF (Don’t Fragment) 设为 1，禁止中途路由器对其再次分片。

假设应用层一次性写入了 4380 字节（1460 × 3）的业务数据，TCP 在传输层将其切割并封装后的真实形式如下：

1. 分段 1：[以太网头] [IP头 (DF=1)] [TCP头 (Seq=1, Len=1460) | 业务数据 1~1460 字节]
2. 分段 2：[以太网头] [IP头 (DF=1)] [TCP头 (Seq=1461, Len=1460) | 业务数据 1461~2920 字节]
3. 分段 3：[以太网头] [IP头 (DF=1)] [TCP头 (Seq=2921, Len=1460) | 业务数据 2921~4380 字节]

补充说明:

1. 独立头部：与 IP 分片只有第 1 个包带 TCP 头不同，TCP 分段的每一个包都有完整且独立的 TCP 头部（包含端口号、Seq、Ack、Flags 等）。
2. 独立重传：如果在传输过程中分段 2 丢包了，接收端可以通过 Ack 机制精准告知发送端“没收到 Seq=1461 的包”，发送端只需单独重传分段 2，而不需要像 IP 分片那样重传全部数据。

TCP

TCP 报文段

1. 源端口 (Source Port) — 16 Bits (2 字节) 标识发送端的应用程序进程（如客户端随机端口，或服务端的 443 端口）。
2. 目的端口 (Destination Port) — 16 Bits (2 字节) 标识接收端的应用程序进程（如服务端的 80、22 端口）。
3. 序列号 (Sequence Number / SEQ) — 32 Bits (4 字节) 数据排号器（按字节编号）。标识本报文段所发送数据的第一个字节的序号。主要用于解决数据的乱序重组、去重以及按序拼接。
4. 确认号 (Acknowledgment Number / ACK) — 32 Bits (4 字节) 期望接收的下一个字节序号。仅在标志位 ACK=1 时生效，告知对方“在此序号之前的数据均已成功接收”，是双向可靠传输的核心保障。
5. 数据偏移 (Data Offset / Header Length) — 4 Bits 标明 TCP 首部长度。以 4 字节（32 位字）为单位，指出 TCP 首部共有多长。若无选项字段，其值为 5（即 5 × 4 = 20 字节），系统据此判断数据载荷从何处开始。
6. 保留位 (Reserved) — 3 Bits 保留给未来协议扩展使用，目前发送方必须全部置 0。
7. 控制标志位 (Control Bits / Flags) — 9 Bits 状态与控制开关。由 9 个独立的 1-Bit 开关组成，用于控制连接状态与传输行为：
   • NS (Nonce Sum)：保护 ECN 免受恶意伪造（已废弃）。
   • CWR (Congestion Window Reduced)：告知接收方已减小拥塞窗口。
   • ECE (ECN-Echo)：告知发送方网络路径中遭遇了显式拥塞。
   • URG (Urgent)：指示紧急指针字段有效。
   • ACK (Acknowledgment)：指示确认号字段有效（除首个 SYN 包外均置 1）。
   • PSH (Push)：要求接收方立即将缓冲区数据推交给应用层，无需等待填满。
   • RST (Reset)：强制释放异常连接或拒绝非法请求。
   • SYN (Synchronize)：同步序号，用于三次握手建立连接。
   • FIN (Finish)：终止标记，用于四次挥手释放连接。
8. 窗口大小 (Window Size) — 16 Bits (2 字节) 流量控制（滑动窗口）。接收方告知发送方“自己当前的接收缓冲区还能容纳多少字节”，防止发送方发送速度过快导致缓冲区溢出。
9. 校验和 (Checksum) — 16 Bits (2 字节) 端到端数据完整性校验。覆盖 TCP 首部、数据载荷以及伪首部（含 IP 地址等），用于检测传输过程中是否发生比特差错。
10. 紧急指针 (Urgent Pointer) — 16 Bits (2 字节) 当标志位 URG=1 时生效。指出紧急数据（Out-of-Band Data）在当前数据载荷中的结束位置，促使接收方优先处理。
11. 选项与填充 (Options & Padding) — 0 到 40 字节(可选扩展字段)
    • 用于扩展 TCP 的高级性能特性，常见的选项包括：
      • MSS (Maximum Segment Size)：握手时协商单包最大传输字节数（常见 1460 字节），避免 IP 层分片。
      • Window Scale (窗口扩大因子)：突破 16 比特窗口限制，最高可将接收窗口扩展至 1 GB，适应高带宽长延迟网络。
      • SACK (Selective Acknowledgment)：选择性确认，允许接收方告知发送方具体漏掉了哪段数据，实现精准重传。
      • Timestamps (时间戳)：精确测量往返时间（RTT），同时防止高带宽下的序列号回绕（PAWS 机制）。
      • 填充位 (Padding)：当选项长度不足 4 字节整数倍时自动补 0，确保首部按 32 位对齐。