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上帝視角

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

如上圖就是一張簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，那么什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)呢？

百度百科的定義：

網(wǎng)絡(luò)是由若干節(jié)點(diǎn)和連接這些節(jié)點(diǎn)的鏈路構(gòu)成，表示諸多對(duì)象及其相互聯(lián)系。

在我看來計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通俗地講就是通過傳輸介質(zhì)將分布在各個(gè)地方的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、資源共享的一張網(wǎng)絡(luò)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要包括三部分：

1、計(jì)算機(jī) （可以包括客戶端、服務(wù)器）

2、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 （路由器、交換機(jī)、防火墻等）

3、傳輸介質(zhì)（可以分為有線和無線的）

按照地域范圍可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行如下分類:

局域網(wǎng) ：小范圍內(nèi)的私有網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)家庭內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)公司內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)校園內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)都屬于局域網(wǎng)。

廣域網(wǎng)：把不同地域的局域網(wǎng)互相連接起來的網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)營商搭建連接遠(yuǎn)距離區(qū)域的廣域網(wǎng)。

互聯(lián)網(wǎng)：由世界各地的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)連接起來的網(wǎng)絡(luò)。互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)開放、互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，不屬于任何個(gè)人和任何機(jī)構(gòu)。

OSI參考模型&TCP/IP參考模型

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是按照什么標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸通信的呢？這個(gè)就不得不提今天的主題OSI參考模型和TCP/IP分層模型。

OSI參考模型分為七層從下往上分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層

TCP/IP分層模型分為四層從下往上分別是：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層

OSI參考模型各層的作用

物理層:

是參考模型中的最底層，主要定義了系統(tǒng)的電氣、機(jī)械、過程和功能標(biāo)準(zhǔn)。如：電壓、物理數(shù)據(jù)速率、最大傳輸距離、物理聯(lián)接器和其他的類似特性。

物理層傳輸?shù)幕締挝皇潜忍亓鳎?和1，也就是最基本的電信號(hào)或光信號(hào)，是最基本的物理傳輸特征。

計(jì)算機(jī)的世界里只有0和1, 正如你現(xiàn)在所看這篇文章的文字, 存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中也是一大串0和1的組合. 但是這些數(shù)字不能在真實(shí)的物理介質(zhì)中傳輸?shù)? 而需要把它轉(zhuǎn)換為光信號(hào)或者電信號(hào), 所以這一層負(fù)責(zé)將這些比特流(0101)與光電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換.

物理層示例圖

數(shù)據(jù)鏈路層：

傳輸?shù)幕締挝粸椤?strong>幀”，將比特組合成字節(jié)，再將字節(jié)組合成幀，使用鏈路層地址（以太網(wǎng)使用MAC地址）來訪問介質(zhì)，并為網(wǎng)絡(luò)層提供差錯(cuò)控制和流量控制服務(wù)。

數(shù)據(jù)鏈路層由MAC(介質(zhì)訪問控制子層)和LLC(邏輯鏈路控制子層)組成。

介質(zhì)訪問控制子層的主要任務(wù)是規(guī)定如何在物理線路上傳輸幀。（和物理層相連）

數(shù)據(jù)鏈路控制子層主要負(fù)責(zé)邏輯上識(shí)別不同協(xié)議類型，并對(duì)其進(jìn)行封裝。也就是說數(shù)據(jù)鏈路控制子層會(huì)接受網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)、分組的數(shù)據(jù)報(bào)并且添加更多的控制信息，從而把這個(gè)分組傳送到它的目標(biāo)設(shè)備。（和網(wǎng)絡(luò)層對(duì)接）

數(shù)據(jù)鏈路層示例圖

網(wǎng)絡(luò)層：

傳輸?shù)幕締挝粸椤?strong>數(shù)據(jù)包”，提供IP地址，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)包從源網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥繕?biāo)網(wǎng)絡(luò)的路由選擇工作。

IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層中的核心協(xié)議。IP協(xié)議非常簡(jiǎn)單，僅僅提供不可靠、無連接的傳送服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)層示例圖

傳輸層：

傳輸?shù)幕締挝粸椤?strong>段”，提供面向連接或非面向連接的數(shù)據(jù)傳遞以及進(jìn)行重傳前的差錯(cuò)檢測(cè)。

傳輸層示例圖

會(huì)話層：

負(fù)責(zé)建立、管理和終止表示層實(shí)體之間的通信會(huì)話。該層的通信由不同設(shè)備中的應(yīng)用程序之間的服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)組成。

會(huì)話層示例圖

表示層：

提供各種用于應(yīng)用層數(shù)據(jù)的編碼和轉(zhuǎn)換功能，確保一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)能被另一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用層識(shí)別。

表示層示例圖

應(yīng)用層：

OSI參考模型中最靠近用戶的一層，為應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

應(yīng)用層示例圖

最介質(zhì)后用一張圖概括

數(shù)據(jù)封裝/解封裝

PC1和PC2需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信？那么PC1發(fā)送給PC2的數(shù)據(jù)包需要根據(jù)OSI參考模型至上而下進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，PC2收到數(shù)據(jù)包至下而上進(jìn)行解封裝

這里的封裝和解封裝的概念可以使用寄快遞和取快遞類比，中間的傳輸介質(zhì)就是物流公司。

寄快遞的時(shí)候是不是需要將物品層層包裝起來，其實(shí)就是數(shù)據(jù)包封裝的過程；取快遞的時(shí)候需要拆解包裹，這個(gè)其實(shí)就是數(shù)據(jù)包解封裝的過程。

OSI模型每一層對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)名稱

傳輸介質(zhì)

網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)是指在網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息的載體，常用的傳輸介質(zhì)分為有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)兩大類。

不同的傳輸介質(zhì)具有不同的特性，這些特性直接影響到通信的諸多方面，如線路編碼方式、傳輸速度和傳輸距離；

常用的傳輸介質(zhì)分為有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)

有線傳輸介質(zhì)是指在兩個(gè)通信設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)的物理連接部分，它能將信號(hào)從一方傳輸?shù)搅硪环剑芯€傳輸介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜和光纖。雙絞線和同軸電纜傳輸電信號(hào)，光纖傳輸光信號(hào)。

同軸電纜：

同軸電纜是一種早期使用的傳輸介質(zhì)，同軸電纜的標(biāo)準(zhǔn)分為兩種，10BASE2和10BASE5。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都支持10Mbps的傳輸速率，最長(zhǎng)傳輸距離分別為185米和500米。一般情況下，10Base2同軸電纜使用BNC接頭，10Base5同軸電纜使用N型接頭。

現(xiàn)在，10Mbps的傳輸速率早已不能滿足目前企業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求，因此同軸電纜在目前企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中很少應(yīng)用。這兩種以太網(wǎng)已基本被淘汰，企業(yè)網(wǎng)中也幾乎不再使用它們。

雙絞線：

雙絞線由兩條互相絕緣的銅線組成，其典型直徑為1mm。這兩條銅線擰在一起，就可以減少鄰近線對(duì)電氣的干擾。雙絞線即能用于傳輸模擬信號(hào)，也能用于傳輸數(shù)字信號(hào)，其帶寬決定于銅線的直徑和傳輸距離。

與同軸電纜相比雙絞線（Twisted Pair）具有更低的制造和部署成本，因此在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中被廣泛應(yīng)用。

雙絞線可分為屏蔽雙絞線(Shielded Twisted Pair，STP)和非屏蔽雙絞線(Unshielded Twisted Pair，UTP)。屏蔽雙絞線在雙絞線與外層絕緣封套之間有一個(gè)金屬屏蔽層，可以屏蔽電磁干擾。

雙絞線有很多種類型，不同類型的雙絞線所支持的傳輸速率一般也不相同。

例如，3類雙絞線支持10Mbps傳輸速率；5類雙絞線支持100Mbps傳輸速率，滿足快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；超5類雙絞線及更高級(jí)別的雙絞線支持千兆以太網(wǎng)傳輸。

雙絞線使用RJ-45接頭連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。為保證終端能夠正確收發(fā)數(shù)據(jù)，RJ-45接頭中的針腳必須按照一定的線序排列。

線序：白橙 橙 白綠 藍(lán) 白藍(lán) 綠 白棕 棕

光纖：

光纖是由純石英玻璃制成的。纖芯外面包圍著一層折射率比芯纖低的包層，包層外是一塑料護(hù)套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護(hù)。光纖的傳輸速率可達(dá)100Gbit/s.

雙絞線和同軸電纜傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用的是電信號(hào)，而光纖傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用的是光信號(hào)。

光纖支持的傳輸速率包括10Mbps，100Mbps，1Gbps，10Gbps，甚至更高。

根據(jù)光纖傳輸光信號(hào)模式的不同，光纖又可分為單模光纖和多模光纖。

單模光纖只能傳輸一種模式的光，不存在模間色散，因此適用于長(zhǎng)距離高速傳輸。

如下圖所示：黃色為單模光纖。

多模光纖允許不同模式的光在一根光纖上傳輸，由于模間色散較大而導(dǎo)致信號(hào)脈沖展寬嚴(yán)重，因此多模光纖主要用于局域網(wǎng)中的短距離傳輸。

如下圖所示：橙色為多模光纖。

無線傳輸介質(zhì)指我們周圍的自由空間。我們利用無線電波在自由空間的傳播可以實(shí)現(xiàn)多種無線通信。在自由空間傳輸?shù)碾姶挪ǜ鶕?jù)頻譜可將其分為無線電波、微波、紅外線、激光等，信息被加載在電磁波上進(jìn)行傳輸。無線傳輸?shù)慕橘|(zhì)有：無線電波、紅外線、微波、衛(wèi)星和激光。

無線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于安裝、移動(dòng)以及變更都較容易，不會(huì)受到環(huán)境的限制。但信號(hào)在傳輸過程中容易受到干擾和被竊取，且初期的安裝費(fèi)用較高。

MAC地址

什么是MAC地址

如同每一個(gè)人都有一個(gè)名字一樣，每一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都用物理地址來標(biāo)識(shí)自己，這個(gè)地址就是MAC地址。MAC地址也叫物理地址，大多數(shù)網(wǎng)卡廠商把MAC地址燒入了網(wǎng)卡的ROM中。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MAC地址是全球唯一的。

MAC地址組成

MAC地址長(zhǎng)度為48比特，通常用十六進(jìn)制表示。

MAC地址包含兩部分：

1、前24比特是組織唯一標(biāo)識(shí)符（OUI，Organizationally Unique Identifier），由IEEE統(tǒng)一分配給設(shè)備制造商。例如，華為的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的MAC地址前24比特是0x00e0fc。

2、后24位序列號(hào)是廠商分配給每個(gè)產(chǎn)品的唯一數(shù)值，由各個(gè)廠商自行分配（這里所說的產(chǎn)品可以是網(wǎng)卡或者其他需要MAC地址的設(shè)備）。

MAC地址作用

數(shù)據(jù)鏈路層基于MAC地址進(jìn)行幀的傳輸。發(fā)送端使用接收端的MAC地址作為目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

IP地址

大家都知道計(jì)算機(jī)都會(huì)有一個(gè)IP地址，只有配置了IP地址的主機(jī)才可以上網(wǎng)，IP地址的獲取可以手動(dòng)靜態(tài)配置，也可以通過DHCP動(dòng)態(tài)獲取IP地址。

如下圖所示，本機(jī)是自動(dòng)獲取IP地址的，如果使用靜態(tài)的方式配置IP地址，需要配置IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

如何查看本機(jī)動(dòng)態(tài)獲取的地址呢？

通過cmd打開命令提示符，輸入“ipconfig”,如下圖所示可以看到本機(jī)獲取的IP地址為192.168.1.25, 子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1。

上面查詢到的地址是私網(wǎng)地址，那么如何查看自己的公網(wǎng)地址呢？如下圖，本機(jī)使用的公網(wǎng)地址是114.252.113.101，使用的是北京聯(lián)通的地址。

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什么是IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）是指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，又叫網(wǎng)際協(xié)議地址。

IP地址是IP協(xié)議（IP協(xié)議是為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信而設(shè)計(jì)的協(xié)議）提供的一種統(tǒng)一的地址格式，它為互聯(lián)網(wǎng)上的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和每一臺(tái)主機(jī)分配一個(gè)邏輯地址，以此來屏蔽物理MAC地址的差異。

IP地址就像是我們的家庭住址一樣，如果你要寫信給一個(gè)人，你就要知道他（她）的地址，這樣郵遞員才能把信送到。計(jì)算機(jī)發(fā)送信息就好比是郵遞員，它必須知道唯一的“家庭地址”才能不至于把信送錯(cuò)人家。只不過我們的地址是用文字來表示的，計(jì)算機(jī)的地址用二進(jìn)制數(shù)字表示。

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IP地址作用

IP地址用來標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，具有IP地址的設(shè)備可以在同一網(wǎng)段內(nèi)或跨網(wǎng)段通信。（后續(xù)會(huì)介紹網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)如何通過IP地址進(jìn)行通信的）

IP地址包括兩部分，第一部分是網(wǎng)絡(luò)號(hào)，表示IP地址所屬的網(wǎng)段，第二部分是主機(jī)號(hào)，用來唯一標(biāo)識(shí)本網(wǎng)段上的某臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

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IP地址表示

IPv4地址為32比特的二進(jìn)制數(shù)，通常用點(diǎn)分十進(jìn)制表示

IP地址是一個(gè)32位的二進(jìn)制數(shù)，通常被分割為4個(gè)“8位二進(jìn)制數(shù)”（也就是4個(gè)字節(jié)）。

IP地址通常用“點(diǎn)分十進(jìn)制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之間的十進(jìn)制整數(shù)。

例：點(diǎn)分十進(jìn)IP地址（100.4.5.6），實(shí)際上是32位二進(jìn)制數(shù)（

01100100.00000100.00000101.00000110）。

二進(jìn)制和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換：

例如：100=64+32+4=2^6+2^5+2^2 ,那么100的二進(jìn)制就是 0110 0100 。

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IP地址分類

IPv4地址被劃分為A、B、C、D、E五類，每類地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)包含不同的字節(jié)數(shù)。

A類，B類，和C類地址為可分配IP地址，每類地址支持的網(wǎng)絡(luò)數(shù)和主機(jī)數(shù)不同。

比如，A類地址可支持126個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持2^24 （16,777,216 )個(gè)主機(jī)地址，另外每個(gè)網(wǎng)段中的網(wǎng)絡(luò)地址和廣播地址不能分配給主機(jī)。

C類地址支持200多萬個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持256個(gè)主機(jī)地址，其中254個(gè)地址可以分配給主機(jī)使用。

D類地址為組播地址。主機(jī)收到以D類地址為目的地址的報(bào)文后，且該主機(jī)是該組播組成員，就會(huì)接收并處理該報(bào)文。

各類IP地址可以通過第一個(gè)字節(jié)中的比特位進(jìn)行區(qū)分。

如A類地址第一字節(jié)的最高位固定為0，B類地址第一字節(jié)的高兩位固定為10，C類地址第一字節(jié)的高三位固定為110，D類地址第一字節(jié)的高四位固定為1110，E類地址第一字節(jié)的高四位固定為1111。

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私有地址、特殊地址:

IPv4中的部分IP地址被保留用作特殊用途。

為節(jié)省IPv4地址，A， B， C類地址段中都預(yù)留了特定范圍的地址作為私網(wǎng)地址。

現(xiàn)在，世界上所有終端系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要的IP地址總數(shù)已經(jīng)超過了32位IPv4地址所能支持的最大地址數(shù)4，294，967，296。為主機(jī)分配私網(wǎng)地址節(jié)省了公網(wǎng)地址，可以用來緩解IP地址短缺的問題。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中普遍使用私網(wǎng)地址，不同企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的私網(wǎng)地址可以重疊。默認(rèn)情況下，網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)無法使用私網(wǎng)地址與公網(wǎng)通信；當(dāng)需要與公網(wǎng)通信時(shí)，私網(wǎng)地址必須轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)地址。

私有地址范圍:

10.0.0.0~10.255.255.255

172.16.0.0~172.31.255.255

192.168.0.0~192.168.255.255

還有其他一些特殊IP地址，如127.0.0.0網(wǎng)段中的地址為環(huán)回地址，用于診斷網(wǎng)絡(luò)是否正常。IPv4中的第一個(gè)地址0.0.0.0表示任何網(wǎng)絡(luò)255.255.255.255是0.0.0.0網(wǎng)絡(luò)中的廣播地址。

特殊地址

127.0.0.0 ~ 127.255.255.255

0.0.0.0

255.255.255.255

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子網(wǎng)掩碼:

上面介紹到IP地址由網(wǎng)絡(luò)部分和主機(jī)部分組成，那么如何區(qū)分呢？子網(wǎng)掩碼用于區(qū)分網(wǎng)絡(luò)部分和主機(jī)部分。

子網(wǎng)掩碼與IP地址的表示方法相同。

每個(gè)IP地址和子網(wǎng)掩碼一起可以用來唯一的標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)段中的某臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。子網(wǎng)掩碼中的1表示網(wǎng)絡(luò)位，0表示主機(jī)位。

例如：子網(wǎng)掩碼 255.128.0.0表示網(wǎng)絡(luò)位為9位，主機(jī)位為23位。

默認(rèn)子網(wǎng)掩碼：

每類IP地址有一個(gè)缺省子網(wǎng)掩碼。

A類地址的缺省子網(wǎng)掩碼為8位，即第一個(gè)字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)位，其他三個(gè)字節(jié)表示主機(jī)位。

B類地址的缺省子網(wǎng)掩碼為16位，因此B類地址支持更多的網(wǎng)絡(luò)，但是主機(jī)數(shù)也相應(yīng)減少。

C類地址的缺省子網(wǎng)掩碼為24位，支持的網(wǎng)絡(luò)最多，同時(shí)也限制了單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的數(shù)量。

ARP協(xié)議

一臺(tái)主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給另一臺(tái)主機(jī)時(shí)，必須要知道目的主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)層地址（即IP地址）。IP地址由網(wǎng)絡(luò)層來提供，但是僅有IP地址是不夠的。

IP數(shù)據(jù)報(bào)文必須封裝成幀才能通過數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)幀必須要包含目的MAC地址，因此發(fā)送端還必須獲取到目的MAC地址。那么如何獲取對(duì)方的mac地址呢？

通過ARP（Address Resolution Protocol）協(xié)議可以根據(jù)IP地址獲取對(duì)方的MAC地址。如上圖所示：

主機(jī)A（ip為10.0.0.1）要和主機(jī)C（ip為10.0.0.3）通信，數(shù)據(jù)包經(jīng)過主機(jī)A的封裝后發(fā)給主機(jī)C，我們知道主機(jī)A封裝數(shù)據(jù)時(shí)除了要知道對(duì)方的IP地址，還需要知道對(duì)方的MAC地址，這時(shí)候就需要借助ARP協(xié)議了。

下面我們看下ARP是如何獲取主機(jī)C的MAC地址的？

1、ARP請(qǐng)求：

主機(jī)A首先會(huì)去檢查ARP緩存表（ARP緩存用來存放IP地址和MAC地址的關(guān)聯(lián)信息）中是否存在主機(jī)C的MAC地址。

本例中由于是第一次通信，主機(jī)A的ARP緩存表中沒有主機(jī)C的MAC地址。

這時(shí)主機(jī)A會(huì)發(fā)送ARP request報(bào)文（廣播報(bào)文）來獲取主機(jī)C的MAC地址。

之前已經(jīng)講過廣播的概念的，廣播報(bào)文只會(huì)在廣播域中傳播，路由器可以隔離廣播域。你知道以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中如何發(fā)送和接收的嗎？一文帶你搞懂它

ARP request報(bào)文封裝在以太幀里。

幀頭中的源MAC地址為發(fā)送端主機(jī)A的MAC地址。此時(shí)，由于主機(jī)A不知道主機(jī)C的MAC地址，所以目的MAC地址為廣播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。

ARP request報(bào)文中包含源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址，其中目的MAC地址的值為0。

ARP Request報(bào)文會(huì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳播，該網(wǎng)絡(luò)中所有主機(jī)包括網(wǎng)關(guān)都會(huì)接收到此ARP request報(bào)文。網(wǎng)關(guān)將會(huì)阻止該報(bào)文發(fā)送到其他網(wǎng)絡(luò)上。

本例中主機(jī)B和主機(jī)C都會(huì)收到主機(jī)A發(fā)送的ARP廣播請(qǐng)求報(bào)文。

2、ARP應(yīng)答：

主機(jī)B收到主機(jī)A發(fā)送的ARP廣播請(qǐng)求報(bào)文，查看目的IP不是自己會(huì)丟棄，但是會(huì)在自己的ARP緩存表中記錄主機(jī)A的IP和MAC的映射關(guān)系，在主機(jī)B上通過命令arp -a 可以查詢到；

主機(jī)C發(fā)現(xiàn)目的IP是自己，會(huì)在自己的ARP緩存表中記錄主機(jī)A的IP和MAC的映射關(guān)系，并會(huì)向主機(jī)A單播回應(yīng)ARP Reply報(bào)文。

主機(jī)A收到主機(jī)C的回應(yīng)報(bào)文后后會(huì)在自己的ARP緩存表中記錄主機(jī)C的IP和MAC的映射關(guān)系，下次發(fā)送數(shù)據(jù)是就可以查詢到主機(jī)C的MAC。

ARP Reply報(bào)文中的源協(xié)議地址是主機(jī)C自己的IP地址，目標(biāo)協(xié)議地址是主機(jī)A的IP地址，目的MAC地址是主機(jī)A的MAC地址，源MAC地址是自己的MAC地址，同時(shí)Operation Code被設(shè)置為reply。

ARP Reply報(bào)文通過單播傳送。

TCP協(xié)議

我們知道TCP是傳輸層協(xié)議，用于為應(yīng)用層提供服務(wù)，通過端口號(hào)可以唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)應(yīng)用。

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什么是TCP?

TCP 是面向連接的,提供端到端可靠性服務(wù)的傳輸層協(xié)議。

面向連接：

面向連接中通信中，會(huì)在在兩個(gè)端點(diǎn)之間建立了一條可靠的數(shù)據(jù)通信信道。

電話就是一種面向連接的服務(wù)，雙方建立連接后才能夠通話，可以確保對(duì)方聽到你說話；而發(fā)短信就不是一種面向連接的服務(wù)，你隨時(shí)可以發(fā)送短信，但是不能確保對(duì)方及時(shí)收到。

端到端可靠:

保證從發(fā)送端發(fā)送的報(bào)文都可以被目的端收到，哪怕被丟棄，也可以讓發(fā)送端重傳;

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為什么需要TCP,TCP可以解決什么問題?

IP 層是「不可靠」的，它只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，但它不保證數(shù)據(jù)包能夠被接收、不保證網(wǎng)絡(luò)包的按序交付、也不保證網(wǎng)絡(luò)包中的數(shù)據(jù)的完整性。

如果需要保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的可靠性，那么就需要由上層（傳輸層）的 TCP 協(xié)議來負(fù)責(zé)。

因?yàn)?TCP 是一個(gè)工作在傳輸層的可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，它能確保接收端接收的網(wǎng)絡(luò)包是無損壞、無間隔、非冗余和按序的。后續(xù)會(huì)講TCP協(xié)議是如何確保數(shù)據(jù)包的可靠傳輸?shù)模?/strong>

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TCP報(bào)文格式

我們知道待發(fā)送的數(shù)據(jù)是根據(jù)TCP/IP四層模型層層封裝的，那么TCP協(xié)議是如何封裝的？下面我們看下TCP的報(bào)文格式。

如圖所示為TCP報(bào)文頭格式。

TCP數(shù)據(jù)段由TCP Header（頭部）和TCP Data（數(shù)據(jù)）組成。TCP最多可以有60個(gè)字節(jié)的頭部，如果沒有Options字段，正常的長(zhǎng)度是20字節(jié)。

下面我們一起看下TCP頭部的各個(gè)字段：

1、16位源端口號(hào)：源主機(jī)的應(yīng)用程序使用的端口號(hào)。

2、16位目的端口號(hào)：目的主機(jī)的應(yīng)用程序使用的端口號(hào)。每個(gè)TCP頭部都包含源和目的端的端口號(hào)，這兩個(gè)值加上IP頭部中的源IP地址和目的IP地址可以唯一確定一個(gè)TCP連接。

TCP允許一個(gè)主機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程。每臺(tái)主機(jī)可以擁有多個(gè)應(yīng)用端口，每對(duì)端口號(hào)、源和目標(biāo)IP地址的組合唯一地標(biāo)識(shí)了一個(gè)會(huì)話。

端口分為知名端口和動(dòng)態(tài)端口。

有些網(wǎng)絡(luò)服務(wù)會(huì)使用固定的端口，這類端口稱為知名端口，端口號(hào)范圍為0-1023。如FTP、HTTP、Telnet、SNMP服務(wù)均使用知名端口。

動(dòng)態(tài)端口號(hào)范圍從1024到65535，這些端口號(hào)一般不固定分配給某個(gè)服務(wù)，也就是說許多服務(wù)都可以使用這些端口。只要運(yùn)行的程序向系統(tǒng)提出訪問網(wǎng)絡(luò)的申請(qǐng)，那么系統(tǒng)就可以從這些端口號(hào)中分配一個(gè)供該程序使用。

3、32位序列號(hào)：用于標(biāo)識(shí)從發(fā)送端發(fā)出的不同的TCP數(shù)據(jù)段的序號(hào)。可以解決網(wǎng)絡(luò)包亂序問題。

數(shù)據(jù)段在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，它們的順序可能會(huì)發(fā)生變化；接收端依據(jù)此序列號(hào)，便可按照正確的順序重組數(shù)據(jù)。

假定主機(jī)A和B進(jìn)行tcp通信，A傳送給B一個(gè)tcp報(bào)文段中，序號(hào)值被系統(tǒng)初始化為某一個(gè)隨機(jī)值ISN，那么在該傳輸方向上（從A到B），后續(xù)的所有tcp報(bào)文段中的序號(hào)值都會(huì)被設(shè)定為ISN加上該報(bào)文段所攜帶數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)在整個(gè)字節(jié)流中的偏移。例如某個(gè)TCP報(bào)文段傳送的數(shù)據(jù)是字節(jié)流中的第1025~2048字節(jié)，那么該報(bào)文段的序號(hào)值就是ISN+1025。

4、32位確認(rèn)序列號(hào)：用于標(biāo)識(shí)接收端確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)段。確認(rèn)序列號(hào)為成功收到的數(shù)據(jù)序列號(hào)加1。用來解決不丟包的問題。

假定主機(jī)A和B進(jìn)行tcp通信，那么A發(fā)出的tcp報(bào)文段不但帶有自己的序號(hào)，也包含了對(duì)B發(fā)送來的tcp報(bào)文段的確認(rèn)號(hào)。反之也一樣。若確認(rèn)號(hào)=N，則表明：到序號(hào)N-1為止的所有數(shù)據(jù)都已正確收到。

5、4位頭部長(zhǎng)度：表示頭部占32bit字的數(shù)目，它能表達(dá)的TCP頭部最大長(zhǎng)度為60字節(jié)。

6、6位標(biāo)志位：

URG：緊急指針是否有效。它告訴系統(tǒng)此報(bào)文段中有緊急數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快傳送（相當(dāng)于高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)），而不要按原來的排隊(duì)順序來傳送。

例如，已經(jīng)發(fā)送了很長(zhǎng)的一個(gè)程序在遠(yuǎn)端的主機(jī)上運(yùn)行。但后來發(fā)現(xiàn)了一些問題，需要取消該程序的運(yùn)行。因此用戶從鍵盤發(fā)出中斷命令（Control+c）。如果不使用緊急數(shù)據(jù)，那么這兩個(gè)字符將存儲(chǔ)在接收TCP的緩存末尾。只有在所有的數(shù)據(jù)被處理完畢后這兩個(gè)字符才被交付接收方的應(yīng)用進(jìn)程。這樣做就浪費(fèi)了許多時(shí)間。

當(dāng)URG置為1時(shí)，發(fā)送應(yīng)用進(jìn)程就告訴發(fā)送方的TCP有緊急數(shù)據(jù)要傳送。于是發(fā)送方TCP就把緊急數(shù)據(jù)插入到本報(bào)文段數(shù)據(jù)的最前面，而在緊急數(shù)據(jù)后面的數(shù)據(jù)仍時(shí)普通數(shù)據(jù)。這時(shí)要與首部中緊急指針字段配合使用。

ACK：表示確認(rèn)號(hào)是否有效，攜帶ack標(biāo)志的報(bào)文段也稱確認(rèn)報(bào)文段，僅當(dāng)ACK=1時(shí)確認(rèn)號(hào)字段才有效。當(dāng)ACK=0時(shí)，確認(rèn)號(hào)無效。TCP規(guī)定，在連接建立后所有的傳送的報(bào)文段都必須把ACK置1。

PSH：提示接收端應(yīng)用程序應(yīng)該立即從tcp接受緩沖區(qū)中讀走數(shù)據(jù)，為后續(xù)接收的數(shù)據(jù)讓出空間。

當(dāng)兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行交互式的通信時(shí)，有時(shí)在一端的應(yīng)用進(jìn)程希望在鍵入一個(gè)命令后立即就能收到對(duì)方的響應(yīng)。在這種情況下，TCP就可以使用推送操作。這時(shí)，發(fā)送方TCP把PSH置1，并立即創(chuàng)建一個(gè)報(bào)文段發(fā)送出去。接收方TCP收到PSH=1的報(bào)文段，就盡快地交付接收應(yīng)用進(jìn)程，而不再等到整個(gè)緩存都填滿了后向上交付。雖然應(yīng)用程序可以選擇推送操作，但推送還很少使用。

RST：表示要求對(duì)方重建連接。帶RST標(biāo)志的tcp報(bào)文段也叫復(fù)位報(bào)文段。

當(dāng)RST=1時(shí)，表明TCP連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯(cuò)（如由于主機(jī)崩潰或其他原因），必須釋放連接，然后再重新建立運(yùn)輸連接。RST置1還用來拒絕一個(gè)非法的報(bào)文段或拒絕打開一個(gè)連接。

SYN：表示建立一個(gè)連接，攜帶SYN的tcp報(bào)文段為同步報(bào)文段。在連接建立時(shí)用來同步序號(hào)。

當(dāng)SYN=1而ACK=0時(shí)，表明這是一個(gè)連接請(qǐng)求報(bào)文段。對(duì)方若同意建立連接，則應(yīng)在相應(yīng)的報(bào)文段中使用SYN=1和ACK=1。因此，SYN置為1就表示這是一個(gè)連接請(qǐng)求。

FIN標(biāo)志：表示告知對(duì)方本端要關(guān)閉連接了。用來釋放一個(gè)連接。

當(dāng)FIN=1時(shí)，表明此報(bào)文段的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，并要求釋放運(yùn)輸連接。

7、16位窗口大小：表示接收端期望通過單次確認(rèn)而收到的數(shù)據(jù)的大小。由于該字段為16位，所以窗口大小的最大值為65535字節(jié)，該機(jī)制通常用來進(jìn)行流量控制。

窗口值是【0，2^16-1]之間的整數(shù)。窗口指的是發(fā)送本報(bào)文段的一方的接收窗口（而不是自己的發(fā)送窗口）。

窗口值告訴對(duì)方：從本報(bào)文段首部中的確認(rèn)號(hào)算起，接收方目前允許對(duì)方發(fā)送的數(shù)據(jù)量。之所以要有這個(gè)限制，是因?yàn)榻邮辗降臄?shù)據(jù)緩存空間是有限的。

總之，窗口值作為接收方讓發(fā)送方設(shè)置其發(fā)送窗口的依據(jù)。并且窗口值是經(jīng)常在動(dòng)態(tài)變化著。

8、16位校驗(yàn)和：校驗(yàn)整個(gè)TCP報(bào)文段，包括TCP頭部和TCP數(shù)據(jù)。該值由發(fā)送端計(jì)算和記錄并由接收端進(jìn)行驗(yàn)證。

9、16位緊急指針：是一個(gè)正的偏移量。它和序號(hào)字段的值相加表示最后一個(gè)緊急數(shù)據(jù)的下一字節(jié)的序號(hào)。因此這個(gè)字段是緊急指針相對(duì)當(dāng)前序號(hào)的偏移量。發(fā)送緊急數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)用到這個(gè)。

緊急指針僅在URG=1時(shí)才有意義，它指出本報(bào)文段中的緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)（緊急數(shù)據(jù)結(jié)束后就是普通數(shù)據(jù)）。

因此，緊急指針指出了緊急數(shù)據(jù)的末尾在報(bào)文段中的位置。當(dāng)所有緊急數(shù)據(jù)都處理完時(shí)，TCP就告訴應(yīng)用程序恢復(fù)到正常操作。值得注意的是，即使窗口為零時(shí)也可發(fā)送緊急數(shù)據(jù)。

10、選項(xiàng)：長(zhǎng)度可變，最長(zhǎng)可達(dá)40字節(jié)。當(dāng)沒有使用“選項(xiàng)”時(shí)，TCP的首部長(zhǎng)度是20字節(jié)。

UDP協(xié)議

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什么是UDP？

UDP 是User Datagram Protocol的簡(jiǎn)稱， 中文名是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是OSI（Open System Interconnection，開放式系統(tǒng)互聯(lián)） 參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，傳輸可靠性沒有保證。

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UDP報(bào)文頭

UDP報(bào)文分為UDP報(bào)文頭和UDP數(shù)據(jù)區(qū)域兩部分。報(bào)頭由源端口、目的端口、報(bào)文長(zhǎng)度以及校驗(yàn)和組成。

UDP頭部的標(biāo)識(shí)如下：

16位源端口號(hào)：源主機(jī)的應(yīng)用程序使用的端口號(hào)。

16位目的端口號(hào)：目的主機(jī)的應(yīng)用程序使用的端口號(hào)。

16位UDP長(zhǎng)度：是指UDP頭部和UDP數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度。因?yàn)閁DP頭部長(zhǎng)度為8字節(jié)，所以該字段的最小值為8。

16位UDP校驗(yàn)和：該字段提供了與TCP校驗(yàn)字段同樣的功能；該字段是可選的。

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為什么需要UDP？

UDP(User Datagram Protocol)傳輸與IP傳輸非常類似，它的傳輸方式也是”Best Effort“的，所以UDP協(xié)議也是不可靠的。

我們知道TCP就是為了解決IP層不可靠的傳輸層協(xié)議，既然UDP是不可靠的，為什么不直接使用IP協(xié)議而要額外增加一個(gè)UDP協(xié)議呢？

1、一個(gè)重要的原因是IP協(xié)議中并沒有端口(port)的概念。IP協(xié)議進(jìn)行的是IP地址到IP地址的傳輸，這意味者兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的對(duì)話。但每臺(tái)計(jì)算機(jī)中需要有多個(gè)通信通道，并將多個(gè)通信通道分配給不同的進(jìn)程使用。一個(gè)端口就代表了這樣的一個(gè)通信通道。UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了端口，從而讓數(shù)據(jù)包可以在送到IP地址的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步可以送到某個(gè)端口。

2、對(duì)于一些簡(jiǎn)單的通信，我們只需要“Best Effort”式的IP傳輸就可以了，而不需要TCP協(xié)議復(fù)雜的建立連接的方式(特別是在早期網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如果過多的建立TCP連接，會(huì)造成很大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，而UDP協(xié)議可以相對(duì)快速的處理這些簡(jiǎn)單通信）

3、在使用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果一個(gè)數(shù)據(jù)段丟失或者接收端對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)段沒有確認(rèn)，發(fā)送端會(huì)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)段。TCP重新發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)帶來傳輸延遲和重復(fù)數(shù)據(jù)，降低了用戶的體驗(yàn)。對(duì)于遲延敏感的應(yīng)用，少量的數(shù)據(jù)丟失一般可以被忽略，這時(shí)使用UDP傳輸將能夠提升用戶的體驗(yàn)。