网络基础概念和网络参考模型 - HelloWorld开发者社区

基础概念

网络基础概念和网络参考模型园区网络：无线瘦AP。家庭网络：无线胖AP。

传输层

TCP/UDP报文格式

网络基础概念和网络参考模型 TCP报文头部：

Source Port：源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
Destination Port：目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
Sequence Number：序号字段。TCP链接中传输的数据流每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送数据的第一个字节的序号。长度为32比特。
Acknowledgment Number：确认序列号，是期望收到对方下一个报文段数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收到的数据段的最后一个字节数据的序号加1。只有Ack标识为1，此字段有效。长度为32比特。
Header Length：头部长度，指出TCP报文头部长度，以32比特（4字节）为计算单位。若无选项内容，则该字段为5，即头部为20字节。
Reserved：保留，必须填0。长度为6比特。
Control bits：控制位，包含FIN、ACK、SYN等标志位，代表不同状态下的TCP数据段。
Window：窗口TCP的流量控制，这个值表明当前接收端可接受的最大的数据总数（以字节为单位）。窗口最大为65535字节。长度为16比特。
Checksum：校验字段，是一个强制性的字段，由发端计算和存储，并由收端进行验证。在计算检验和时，要包括TCP头部和TCP数据，同时在TCP报文段的前面加上12字节的伪头部。长度为16比特。
Urgent:紧急指针，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。长度为16比特。
Options：选项字段（可选），长度为0-40字节。

UDP报文头部：

Source Port:源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
Destination Port:目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
Length:该字段指定UDP报头和数据总共占用的长度。可能的最小长度是8字节，因为UDP报头已经占用了8字节。由于这个字段的存在，UDP报文总长不可能超过65535字节（包括8字节的报头，和65527字节的数据）。
Checksum:覆盖UDP头部和UDP数据的校验和，长度为16比特。

通俗解释：源端口：16位源端口字段包含初始化通信的端口号。源端口和源IP地址的作用是标识报文的返回地址。目的端口：16位的目的端口字段定义传输的目的。这个端口指明接收方计算机上的应用程序接口。序列号（Sequence number：32位，该字段用来标识TCP源段设备向目的端设备发送的字节流，他表示在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，那木TCP用序列号对每个字节进行计数。确认号（acknowledgement number ：32位，TCP用此字段标识期望收到的下一个段的第一个字节，并声明此前的所有数据都已经正确无误的收到，因此，确认序号应该是上次已成功收到的数据字节序列号加1，收到确认好的源计算机会知道特定的段已经被收到。确认好的字段只在ACK标志被设置是才有效。数据偏移（Data offset ：4位，就是头部长度，跟IP头部一样，以4字节为单位。最大是60个字节。保留（reserved ：6位置0的字段，位将来定义新的用途保留。控制位（control ：6位，每一位标志都可以打开一个控制功能。窗口（window ：16位，目的之际使用窗口字段告诉源主机它期望每次收到的数据的字节数。校验和（checksum ：16位，tcp头包括16位的校验和字段用于错误检查。源主机基于部分IP头信息、tcp头信息、tcp头和数据内容计算一个校验和，目的逐句也要进行相同的计算、如果收到的内容没有错误，两个计算结果应该完全一样，从而证明数据的有效性。紧急指针（Urgent pointer ：16位，紧急指针字段时一个可选的16位指针，指向段内的最后一个字节位置，这个字段只在URG被置位时才有效。选项（Options ：TCP的头部最小20个字节。如果这里有设置其他参数，会导致头部增大。填充（padding ：当TCP头部小于20字节时会出现，不定长的空白填充字段，填充内容都是0，但是填充长度一定会是32的倍数。数据（data ：被TCP封装进去的数据，包含应用层协议头部和用户发出的数据。 ::: tip 控制位： ①URG：紧急指针字段标志，此标志标识TCP包的紧急指针字段有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备要尽快处理这些数据。（优先处理该数据，他告诉系统此报文中有紧急数据，应尽快传送——相当于高优先级的数据需要进入队列） ②ACK：确认字段标志，取值为1时表示应答字段有效，也即TCP应答号将会包含在tcp段中；为0则反之。 ③PSH：推功能，这个标志位表示push操作。就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区中排队。（不需要进入队列，直接发送） ④RST：重置连接，这个标志位表示连接复位，用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包。 ⑤SYN：同步序列号，用来请求建立连接 ⑥FIN：数据传送完毕，表示发送端已经发送到数据末尾，数据传送完成，发送FIN标志位的TCP段后，连接将被断开。 :::

源目端口号用于区分同一台设备的不同服务。

一些常见端口号： FTP( 文件传输协议）主动模式下tcp-21控制端口，tcp-20默认数据端口。被动模式使用1024后的随机段口 Telnet（远程登录）tcp-23 SMTP（简单邮件传送协议）tcp-25 POP（post office protocol2）tcp-109 POP3( 邮局协议版本3）tcp-110 SFTP（简单文件传输协议）tcp-115 BGP（边界网关协议）tcp-179 https（加密的超文本文件传输协议）tcp-443 oracle（oracle数据库服务）tcp-1521 Microsoft RDP（微软远程桌面）tcp-3389 MS SQL Server（数据库）udp-5000 DHCP（动态主机配置协议）udp-67服务器使用，udp-68客户端使用 TFTP(小型文件传输协议) udp-69 HTTP（超文本传输协议）tcp-80 DNS（域名服务器）tcp-53用于主服务器与镜像服务器更新信息 udp-53用于域名解析 NTP（网络时间协议）udp-123 SNMP（简单网络管理协议）udp-161 SNMP Trap udp-162 OICQ ( QQ ) udp-8000 IPX ( Internet work Packet Exchange ) tcp/udp-213 Samba（文件共享服务）udp-137 NetBIOS 名字服务 udp-138 NetBIOS 数据报服务 tcp-139 文件和打印共享 tcp-389 用 LDAP（Active Directory Mode）tcp-445 Common Internet File System（CIFS），它是SMB协议扩展到Internet后，实现Internet文件共享tcp-901用于SWAT，用于网页管理Samba。

TCP三次握手：

序列号seq，确认号ack，功能位SYN 第一次握手：设备A的seq随机产生，ack为0，SYN置位表示想要（和设备B）建立连接通信（置位为1）。第二次握手：设备B的seq随机产生，ack为上一个报文Seq+1，SYN置位表示想要（和设备A）建立连接通信，ACK表示可以（和设备A）建立通信连接。第三次握手：设备A的seq为本端报文seq+1（或上一个报文的确认号），ack为上一个报文seq+1，ACK表示可以（和设备B）建立通信连接。网络基础概念和网络参考模型 ::: tip 功能位（TCP标志位）为0没有建立连接，为1建立连接。

SYN(synchronous)：发送/同步标志，用来建立连接，和标志位ACK搭配使用。
ACK(acknowledgement)：确认标志，表示确认收到请求。
PSH(push) ：表示推送操作，数据包到达接收端后不对其进行队列处理，而是尽可能的将数据交给应用程序处理。
FIN(finish)：结束标志，用于结束一个TCP会话。
RST(reset)：重置复位标志，用于复位对应的TCP连接。
URG(urgent)：紧急标志，用于保证TCP连接不被中断，并且督促中间层设备尽快处理。 ::: ::: warning

设备产生的第一个报文的Seq一定是随机的。 TCP三次握手不传输数据。 ::: 网络基础概念和网络参考模型

交互数据信息：

由发起握手的那一方首先发起数据交互，seq为最后一次握手的序列号，ack为最后一次握手的确认号，报文不再携带flag位，而是携带数据信息。对方收到信息时，回复seq=上一个报文的ack，ack=上一个报文的seq+携带的数据长度（表示已经收到对方发来n字节数据），还有己方要发送的数据信息。网络基础概念和网络参考模型

TCP滑动窗口机制

三次握手过程中，双方设备发送报文时描述自己的窗口值大小，协商出窗口值大小win，即本端每次可以接收的最大报文数为win个。传输数据时，双方设备发送报文时仍会描述自己的窗口值大小，但win的值不固定，通过这种机制可以动态调节网络传输速度。窗口动态调整时，接收方调整win后，通过ack回应发送方，ack的值为调整后实际接收到的最后一个报文的seq+1。发送方收到报文后，seq=上一个报文的ack，发送方从seq个报文开始进行发送（重传），ack=上一个报文的seq+1。（未携带数据时，携带数据时ack为seq+携带的数据长度）（ack表示要接收的下一个报文的序列号seq。） ::: tip 窗口调整一般在网络出现拥塞时使用，即本端的窗口值大小不足以接收对端发来的所有数据报文。按照本端窗口值接收后，使用ack要求发送端重传未能接收的部分。 ::: 网络基础概念和网络参考模型

TCP关闭————四次挥手

发送端使用功能位FIN，表示想要断开连接。接收端使用功能位ACK，表示同意断开连接。接收端同样使用功能位FIN，表示想要断开连接。发送端收到后使用功能位ACK，表示同意断开连接。第二次第三次挥手是接收端向发送端发送报文，两次挥手的seq和ack相同。 ::: tip 第一次挥手时，发送端发出FIN置位1的报文，表示无数据可发，但是可以接收数据。 第二次挥手时，接收端未做好断开连接准备（可能还有一些数据未能发送完毕），ACK只是确认收到发送端的FIN请求。 第三次挥手时，接收端做好关闭连接准备，发送FIN请求。 第四次挥手时，发送端接收到关闭连接请求，发送ACK确认包。 接收端收到ACK包后关闭连接，发送端等待两个报文最大存活时长后关闭连接。 :::

::: warning 三次握手时seq=ack，ack=seq+1。 数据交互时，seq=ack，ack=seq+携带数据长度。 :::

网络基础概念和网络参考模型 TCP/IP每一层都让数据得以通过网络进行传输，这些层之间使用PDU（Packet Data Unit，协议数据单元）彼此交换信息，确保网络设备之间能够通信。

不同层的PDU中包含有不同的信息，因此PDU在不同层被赋予了不同的名称： 应用层数据——data/7PDU 传输层数据——数据段（segment） 网络层数据——数据包（packet） 数据链路层数据——数据帧（frame） 物理层数据——比特流

网络层

传输层负责建立主机之间进程与进程之间的连接。网络层负责数据从一台主机到另外一台主机之间的传递。网络层的PDU被称为Packet（包）。网络层为网络中的设备提供逻辑地址（IP地址），负责数据包的寻径和转发。常见协议如IPv4，IPv6、ICMP，IGMP等。

数据链路层

ARP交互过程：

起始ARP缓存表为空，发送端只知道接收端IP地址，而发送数据需要完整的源IP源MAC目的IP目的MAC。需要发送广播报文，地址FF-FF-FF-FF-FF-FF，广播报文携带源IP源MAC目的IP，接收端通过目的IP判断是发送给自己的报文，然后回复一个单播报文，其余广播段内设备接收到即丢弃。网络基础概念和网络参考模型 ARP交互具体步骤： Step 1： 在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。 Step 2： 如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过ARP来获取。主机1通过发送ARP Request报文来获取主机2的MAC地址。由于不知道目的MAC地址，因此ARP Request报文内的目的端MAC地址为0。 Step 3： ARP Request是广播数据帧，因此交换机收到后，会对该帧执行泛洪操作。 Step 4： 所有的主机接收到该ARP Request报文后，都会检查它的目的端IP地址字段与自身的IP地址是否匹配。 主机2发现IP地址匹配，则会将ARP报文中的发送端MAC地址和发送端IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中。 Step 5： 主机2通过发送ARP Reply报文来响应主机1的请求。此时主机2已知主机1的MAC地址，因此ARP Reply是单播数据帧。 Step 6： 交换机收到该单播数据帧后，会对该帧执行转发操作。 Step 7： 主机1收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的端IP地址字段是否与自己的IP地址匹配。如果IP匹配，会将ARP报文中的发送端MAC地址和发送端IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中。

免费ARP交互过程：

当设备配置完IP地址后，且接口处于使用状态，设备会主动发送一个免费ARP报文（广播发送），免费ARP报文是request报文改的，报文内携带（SIP、SMAC、DIP、DMAC）。免费ARP报文主要作用是进行地址冲突检测的，检测本端配置的IP地址是否已经被其他设备配置，如果地址出现了冲突，则冲突的两台设备会不断发送免费ARP报文，且设备会通告日志，告知管理发生了地址冲突。免费ARP报文的目的MAC为全0，表示未知MAC需要解析，实际不需要解析，原因是目的IP和源IP一致，目的MAC为自己的MAC。

物理层

物理层：数据帧会被转换为比特流。 STP-屏蔽双绞线（568A：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕） UTP-非屏蔽双绞线（568B：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕） ::: tip 双绞线和光纤是一对多的连接，串口线缆是一对一的连接。 :::

中间网络数据传输

交换机根据数据链路层信息判断，即交换机只解封装到数据链路层。路由器根据网络层信息判断，路由器解封装到网络层才能执行数据转发，到达目的设备需要解封装到最后一层。

MAC地址的选择需要在同一条链路/同一个网段内，如下PC3与PC4通信时，PC3的目标MAC只能写网关的MAC地址，否则PC3到AR3之间的网段内没有PC4的MACA地址，数据包无法发送到网关。网关设备通过MAC地址确认数据包时发送给自己的。中间网络设备转发时，源目的MAC地址会在重新封装过程中改变。网络基础概念和网络参考模型 ::: warning 不同的网络设备转发时ARP表项会有IP相同MAC不同的情况（所有经过自己的数据，目标MAC地址都是自己的端口MAC），最开始时候所有的设备都可以通过ARP广播报文得知所有的设备的IP和MAC嘛，然后发送数据时候可以根据ARP表项逐跳向下转发。 :::