TCP/IP协议
2020-09-21 18:52:37 55 举报AI智能生成
图解TCP/IP的脑图大纲
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大纲/内容
1. 网络基础知识
1.6协议的标准化
国际组织ISO定义了国际标准OSI<br>
OSI分层协议模型
以发邮件为例（传输，网络，数据链路，物理层是真正干活的）
应用层
保存邮件内容和发送人
表现层
对数据进行编码和解码
会话层
决定怎么发送邮件。例如：发5封邮件，是建立1、次连接发送还是建立5次连接发送
传输层
用于建立连接和断开连接
网络层
用于决策多个数据链路中选哪个链路进行传送
数据链路和物理层
实现数据传输<br>
民间组织IETF创建的TCP/IP标准<br>
1.7传输方式
有连接的传输和无连接的传输
有链接的传输需要发送端和接收端建立连接<br>无连接的传送不需要建立连接，发送端直接发，接收端也不知道什么时候接收
举例：<br>UDP，IP协议是无连接的传输协议<br>TCP是有连接的传输协议
电路交换和分组交换（略）
根据接收端的数量分类
1.8地址
地址的唯一性
一个通信网络中不允许有两个地址相同的通信主题<br>
每一层的协议使用的地址不尽相同，例如 TCP/IP协议使用MAC地址，IP地址，端口号等信息作为地址标识<br>
分为单播和广播（单发和广发）多播，任播
每一个网卡都有一个独一无二的MAC地址，网卡是硬件设备
地址的层次性
MAC地址由生产厂商设定，包含制造商识别号，产品标号，通用编号等<br>但是MAC地址具有一定的层次性但是对于寻址没有帮助，IP地址有层次性，也能够用于寻址<br>所以MAC地址是真正负责通信的地址，但是寻址过程中IP地址是必不可少的<br>
IP地址有网络号和主机号组成，网络号相同的主机处于同一网段<br>网络号相同的主机通常属于同一个组织或集团且地域分布上相对集中
网络传输中的寻址
节点根据一张接口列表决定用哪个网卡发送数据<br>
MAC地址寻址参考地址转发表（表中记录的是其他的MAC地址本身）<br>IP地址寻址参考路由控制表（表中记录的是集中了之后的网络号）<br>
寻址实例
1.9网络的构成要素
概述
硬件设备图
简介
通信媒介与数据链路<br>
计算机之间使用不同材质的电缆（如光纤电缆，同轴电缆等）连接，不同的数据链路使用和支持的电缆也不同<br>
各种数据电缆一览表
传输速率：两台设备之间数据流动的物理速度（传输速率又称带宽）<br>
吞吐量：主机之间实际的传输速率
ps：媒介中的信号流动速度是恒定的，但是不代表传输的数据速度是恒定的，因为信号所携带的数量不是恒定的
网卡
全称网络接口卡（NIC），又称网卡，网络适配器，LAN卡<br>
任何计算机需要连接网络时都必须有网卡<br>
中继器
在OSI模型的第1层—物理层，是延长网络的设备<br>
作用和红石中继器差不多，信号传递一定距离后会减弱需要中继器放大信号，从而延长信号传递的距离<br>
集线器有多个端口，每个端口都可以看作一个中继器（集线器可以看作是能提供多个端口服务的中继器）<br>
集线器
网桥/2层交换机/L2交换机<br>
在OSI模型的第2层—数据链路层，数据链路层面连接网络的设备。根据物理地址（MAC地址）处理事务
交换集线器（Hub）有多个端口，每个端口都可以看作一个网桥设备<br>
交换集线器
网桥的作用P41
路由器/3层交换机<br>
在OSI模型的第3层—网络层，网络层面连接网络，转发分组报文的设备。根据IP地址处理事务
家用的宽带路由器也是路由器的一种
4~7层交换机
负责OSI模型中从传输层到应用层的数据<br>
以TCP等协议的传输层及其上面的应用层为基础处理数据<br>
还可以起到负载均衡器的作用：客户用URL访问web服务器，由4~7层交换机接收请求并分发到web服务器集群的节点中<br>
此外，它还可以做加速访问，防火墙等其他很多功能<br>
网关
是OSI模型中负责将传输层到应用层的数据进行转换和转发的设备，处理传输层及以上的数据<br>
举例
电脑和手机能互发邮件，即使他们使用的协议不同。因为网关对数据进行了转换<br>
图示
代理服务器。代理服务器也是网关的一种<br>
防火墙也是网关通信的一种<br>
2. TCP/IP基础知识<br>
概述
图示
TCP/IP代表的是一个协议族，而不单是TCP和IP这两个协议
互联网的协议就是TCP/IP协议，TCP/IP协议就是互联网的协议
TCP/IP协议分层模型图
2.4分层模型
物理层（硬件）
数据传输的设备，例如电话线
数据链路层（网络接口层）<br>
可以把他当作NIC（网卡）起作用的”驱动程序“<br>
网络层（互联网层）<br>
网络层使用IP协议，IP协议基于IP地址转发分组数据<br>
连接网络的主机和路由器都必须实现IP的功能，其他网络设备（网桥，中继器，集线器等）可以不实现<br>
IP协议发送数据失败后不会重发，属于非可靠性传输协议<br>
ICMP协议，发送数据出现异常后会给发送端发送异常信息，这一功能也被用于检测网络健康<br>
ARP协议。从分组数据的IP地址中解析出物理地址（MAC地址）的协议<br>
传输层
TCP协议是有连接的传输协议，但是效率低，不适用于视频通话等<br>
UDP协议是无连接的传输协议<br>
应用层（会话层以上的分层）<br>
www是互联网上一种读取数据的规范<br>
常见的应用层协议<br>
HTML（超文本传输协议）
HTTP
SMTP（Simple Mail Transfer Protocol 发送邮件的协议）
FTP（文件传输协议）
TELNET和SSH（Secure Shell）远程登录协议<br>
SNMP（网络管理协议）<br>
2.5分层模型与通信示例
数据包首部
每层都会给数据添加一个首部，首部至少包含两部分<br>1. 发送端地址和接收端地址<br>2. 上一层的协议类型
图示
发送数据包和接收数据包
图示
流程（以发送邮件为例）
应用层处理
对数据进行编码<br>管理何时建立通信，何时发送数据
传输层处理（TCP）
建立连接，发送数据，关闭连接<br>将发送端端口和接收端端口信息添加到TCP首部中
网络层处理（IP）<br>
将发送端IP和接收端IP以及上一层使用的是TCP还收UDP的信息添加到IP首部中<br>查路由控制表，决定IP包的路由或主机<br>
ps：如果使用了其他ARP协议就使用它们的流程
数据链路层（网络接口层）处理
将发送端和接收端的MAC添加到以太网（数据链路层）首部
数据链路层（网络接口层）处理
接收端判断数据链路层首部的接收端MAC是不是自己，如果不是就丢弃数据<br>如果网络层用的是IP协议就将数据包交给IP的子程序处理，如果是其他ARP协议就交给ARP的程序处理
网络层处理（IP）
判断IP是不是自己的IP，如果不是就丢弃数据<br>如果是，判断传输层使用的是<br>
传输层处理（TCP）
校验数据是否完整，校验端口号是否正确<br>一切都没问题后，接收端发送”确认回执“信号给发送端（三次握手）
应用层处理
解析数据并处理数据<br>
3. 数据链路
数据链路层的协议定义了通过通信媒介互联的设备之间的传输的规范<br>通信媒介包括双绞线电缆，同轴电缆，光纤，电波，红外先等，此外各个设备间也通过交换机，网桥，中继器等中转数据
介质共享，非公有网络，分组交换，换了检测。虚拟局域网<br>以太网，WLAN（无线局域网），PPP（点对点协议）等
3.1 数据链路的作用
数据链路是一种协议，又指通信手段
数据链路是网络传输中最小的单位<br>互联网由众多数据链路组组成，因此又称互联网为“数据链路的集合”
数据链路的段<br>举例：两条网线，一个中继器将两个网络连接成一个网络<br>从网络层上看，它是一个网络，是两条网线组成的段<br>从物理层上看，一条网线是一个段
图示
3.2 数据链路相关技术
MAC地址
MAC地址被烧在ROM中，通常一个网卡有一个世界上唯一的MAC地址<br>
MAC地址长48个比特（使用16进制）
MAC地址举例
存在MAC地址重复的问题，但是只要它们不在同一个数据链路中就没有问题<br>例如：虚拟机没有网卡，需要软件指定一个MAC地址，这是就可能会和其他MAC地址重复<br>
共享介质型网络和非共享介质网络
共享介质网络，相当与电脑直接连接电脑，A电脑直接和B电脑之间收发数据
非共享介质网络，相当于电脑都连接上一个交换机，A电脑先将数据发给交换机，由交换机将数据转发给B电脑<br>ps：交换机挂掉，通信就崩溃了
半双工通信和全双工通信
通信时，前者表示一台电脑同一时间只能收或发数据（例如对讲机通话时同一时间只能一个人说话）<br>后者表示一台电脑收，发数据的操作可以同时进行
根据MAC地址转发
网桥的自学过程<br>
和网桥的作用讲解的内容相同
环路检测技术
问题：当网桥建立起环形网络时，发送数据可能会没有主机接收，数据无限循环转发导致网络瘫痪
解决方案：生成树法，源路由法<br>
VLAN（Virtual Local Area Network 虚拟局域网）
问题：数据链路将网络分为若干个网段，不同网段的主机需要用路由器相连才能通信<br>如果不用路由器连接两个网段就只能通过修改硬件线路来修改数据链路分割的网段<br>
解决方式：VLAN技术附加在网桥上，无需修改硬件线路也能让连接同一个交换集线器的多台主机分布在不同的网段。<br>VLAN从逻辑层面修改网段。实现快速修改网络结构<br>
3.3以太网
以太网是数据链路的一种
以太网帧的格式<br>
前端有一个前导码。前导码后面是帧的主体。前导码用来表示一个以太网帧的开始<br>
前导码占8个字节<br>
以太网帧图示
数据链路层分为两层
介质访问控制层<br>
以太网是数据链路的一种，在帧的首部信息中通过以太网特有的字段控制这层<br>
逻辑链路控制层<br>
除了以太网外还有其他类型的数据链路，不同的是数据链路有相同的字段，在帧的首部信息中通过这些共有的字段控制这层
3.4 无线通信
无线通信的分类
图示
PAN:个域网<br>LAN:局域网<br>MAN:城域网<br>WAN:广域网
3.6 其他数据链路
图示
ps：HDMI也是数据链路
3.7 公共网络
模拟电话线路 （使用俗称“猫”设备进行拨号上网，此技术逐渐被淘汰
移动通信服务 手机在服务区就能上网
ADSL
FTTH 一根光纤连到家就能上网
有线电视 用“猫”
专线
VPN（虚拟专用网络）
IP-VPN
广域以太网
公用无线LAN（指公开使用的Wi-Fi的服务）
4.IP协议<br>
4.2 IP基础知识
IP位于网络层，大致为三大作用模块（IP寻址，路由，IP分包和组包）
主机与节点的关系
主机：被分配有IP，但是不进行路由控制的设备
路由器：被分配有IP，且能进行路由控制的设备
节点：主机和路由器统称节点
网络层和数据链路层的关系<br>
同一条数据链路上的节点能进行数据包的传递，不同数据链路上的节点传递数据包就需要网络层<br>网络层能实现不同数据链路上的节点之间进行数据包传递
举例
路由控制
4.2.2 见P119
IP属于面向无连接型协议<br>传递数据包时不关心接收方是否存在，是否接收到，数据在传递过程中是否完整<br>这样做安全性低，但是效率高。<br>理由：它的上一层（传输层）使用的TCP协议是面向连接的，这体现了分层的优势。各司其职，提高效率
4.3 IP地址的基础知识
IP地址由32位组成，8位一组，每组用.隔开<br>
IP地址由网络标识和主机标识组成。从哪几位开始时主机标识有两种方式判定，通常使用子网掩码判定<br>
同一网络中，相同网段中的主机的IP地址的网络标识相同，主机标识不同。不同网段的网络标识是不同的<br>这保证了一个网络中的所有主机的IP地址都是不同的<br>
IP地址分级分为ABCD四个等级（有E级，但是不用）
子主题
子主题
子主题
子主题
ps：主机标识用二进制表示全是0或全是1的地址不属于上述四类地址<br>主机标识全是0的地址代表网段的网络地址或在目标IP地址不可获知时使用<br>主机标识全是1的地址是广播地址，向此地址发送数据包等同与向网段中所有主机发送数据包
广播
本地广播
目标地址是本网段的广播地址，广播只在网段内的主机中发送
直接广播
目标地址是其他网段的广播地址，广播只发送到指定网段的所有主机中
多播
广播不使用直接广播就不能穿透路由，多播可以<br>
多播地址通常使用D类地址
图示
子网掩码
作用
使用上述ABCD类分类IP地址时，例如B类一个网段的主机数量最多容纳6w+，太大了，所以使用子网掩码给IP地址重新分配网络标识和主机标识
表示形式
子网掩码表示形式和Ipv4一样，32位二进制，8位一组，用.分割
子网掩码中是1的位对应的IP地址中的位是网络标识，是0的标识是主机标识
表示方式
IP地址和子网掩码两组数据表示<br>
IP地址后追加网络标识的位数<br>ps：最后的0可以忽略。172.20.100 /26 和 172.20.100.0 /26是一个意思<br>
CIDR和VLSM缓解了全局IP地址不够用的问题
全局地址和私有地址
全局IP是互联网中的IP，除此以外其他私有网络的IP都是私有地址<br>
使用私有地址加NAT技术可以做到，创建私有网络并使用私有地址，从而缓解全局IP不够用的问题
不同的私有网络中可以存在相同的IP地址<br>只要同一个私有网络中的私有IP地址是唯一的就不会出现问题
4.4 路由控制
默认路由
表示为0.0.0.0或default
主机路由
IP地址 /32 表示主机的IP全部参与路由<br>
环回路由<br>
127.0.0.1或localhost（默认的主机名）
路由控制表的聚合，减少路由控制表的数据
路径MTU发现（略）
4.6 IPv6
128位二进制，38位十进制。<br>16位一组，用16进制表示，中间用:分割，如果中间全是0，可以省略0，用::表示（只允许出现一次::）<br>
子主题
IPv6地址结构
子主题
分类
全局单播地址
世界上唯一的地址，是互联网和各个域内部通信中最为常用的IPv6地址<br>n=48，m=16<br>接口ID前64位是网络标识，后64位是主机标识。接口ID保存64位版的MAC地址，此MAC地址是临时随机生成且定时更新的<br>
链路本地单播地址<br>
同一数据链路内的唯一地址，接口ID保存64位版的MAC地址
唯一本地地址
不联网时使用。需要联网时再通过NAT或网关代理实现
4.7 IPv4的首部
P148
4.8 IPv6的首部
P153
5. IP协议相关技术<br>
DNS
提供给域名查IP地址的服务，此外还提供其他服务
ARP
作用：根据一个IP地址获取到IP地址对应的主机的MAC地址
原理：主机A广播一个ARP请求（请求包含一个IP地址），主机B（请求中的IP和自己的相同他）接收后返回响应（包含自己的MAC地址）<br>PS：ARP请求中包含主机A的IP和MAC地址。便于让主机B也知道自己的IP和MAC地址
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