2.2 网络的层次
2.2.1 常见的三种网络层次划分
应用层
（1）OSI 七层模型
物理层：处于最底层，主要负责处理物理介质上的信号传输，如电缆、光纤、无线等。其作用是定义物理设备的接口标准、信号的编码方式、传输速率等，确保数据能在物理介质上进行传输。
数据链路层：负责将物理层接收到的信号转换为数据帧，实现二进制和电信号的转换，并进行差错检测和纠正。它通过 MAC 地址实现本地网络中的数据传输，将数据帧从一个节点传输到另一个直接相连的节点，还能进行流量控制，确保数据传输的可靠性。
（MAC:介质访问控制层 LLC：逻辑链路控制层）
网络层：主要功能是为数据在不同网络之间传输选择路径。它通过 IP 地址来标识网络中的设备，将数据封装成数据包，根据路由表决定数据包的转发路径，实现网络之间的通信。（根据IP实现逻辑寻址）
传输层：负责在不同主机上的应用程序之间提供可靠或不可靠的端到端通信。（应用到应用）常见的协议有TCP 和 UDP，TCP 提供可靠的面向连接的传输服务，UDP 提供不可靠的无连接传输服务，传输层确保数据的正确传输和流量控制。
（端口号：传输层的地址，用来区分和标定不同的应用，由16位二进制构成，1–65535，其中1到1023是知名端口号）
5 会话层：用于建立、管理和终止网络应用和网络服务器之间的会话。它负责在不同主机的应用程序之间建立逻辑连接，协调数据的传输，如确定会话的开始和结束，处理会话的同步和恢复等。
6 表示层：主要处理数据的表示和转换，包括数据的加密解密、压缩解压缩、格式转换等，确保不同系统之间能够正确地理解和处理数据。
7 应用层：为用户提供直接的网络服务接口，将抽象语言转换成编码，如 HTTP、FTP、SMTP 等协议都工作在这一层。它负责处理应用程序的具体业务逻辑，与用户进行交互，实现各种网络应用功能。
（2）TCP/IP 四层模型
网络接口层（数据链路层-帧 物理层：比特流）：对应 OSI 模型的物理层和数据链路层，负责将数据转换为可在物理介质上传输的信号，并处理物理介质上的信号接收和发送，实现与物理网络的连接。
网络层（包）：与 OSI 模型的网络层功能类似，主要负责处理 IP 地址和路由选择，将数据包从源主机传输到目标主机，实现不同网络之间的通信。
传输层（段）：与 OSI 模型的传输层功能相同，提供端到端的通信服务，确保数据在不同主机的应用程序之间的正确传输，通过 TCP 和 UDP 协议实现可靠或不可靠的传输。
应用层（报文）：包含了各种网络应用协议，如 HTTP、FTP、DNS 等，为用户提供各种网络应用服务，直接与用户和应用程序进行交互，实现网络应用的具体功能。
（3）TCP/IP协议五层模型
应用层：为用户提供网络应用服务，直接与用户和应用程序交互。存在封装，封装取决于应用层协议。
传输层：在不同主机的应用程序间实现可靠（TCP）或不可靠（UDP）的数据传输。
网络层：利用IP 地址进行寻址和路由选择，实现不同网络间数据包传输。
数据链路层：将数据包封装成帧，通过 MAC地址实现相邻节点间数据传输与差错控制。（以太网协议）
物理层：负责在物理介质上进行信号的传输与接收，定义物理设备特性。
补充（1）以太网Ⅱ型帧
以太网二型帧是以太网中常用的一种数据帧格式，由目的 MAC 地址、源 MAC 地址、类型字段、数据和帧校验序列（FCS）等字段组成。目的和源 MAC 地址用于标识收发设备，类型字段（type）指的是上一层所使用的协议类型，也就是网络层，数据字段承载实际数据，FCS 用于差错检测。
FCS:就是帧校验序列，它基于循环冗余校验算法（CRC）生成，用于检测数据在传输过程中是否发生错误，保障数据传输准确性。
补充（2）TCP和UDP的定义
TCP
TCP 即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在数据传输前需通过三次握手建立连接，传输中采用滑动窗口等机制保障数据准确有序，结束时四次挥手断开连接，常用于对数据准确性要求高的场景。
UDP
UDP 即用户数据报协议，是一种无连接的传输层协议。它不事先建立连接就直接发送数据报，不保证数据可靠到达，也不进行排序和重传。具有开销小、传输速度快的特点，常用于对实时性要求较高、可容忍一定数据丢失的场景，如视频流、音频通话等。
补充（3）什么是面向连接
面向连接就是在正式传输数据之前，先建立一个点到点的连接。是一种在数据通信中广泛采用的模式。在数据传输前，通信双方会经历一个建立连接的过程，像 TCP 协议通过三次握手来确认双方状态与能力，协商传输参数。连接建立后，双方进入数据传输阶段，此过程中连接会持续维持，保障数据能有序、可靠地传送，还可实现流量控制与差错处理。当数据传输完毕，双方再通过特定步骤断开连接，如 TCP 的四次挥手，以释放资源。
补充（4）TCP和UDP协议的区别
一、TCP是面向连接的协议，传输前要三次握手建连，结束时四次挥手断连；UDP是无连接的协议，随时收发数据。
二、TCP传输是可靠的，有确认、重传、排序、流控机制保证数据完整准确；UDP不可靠，传输不保证，无纠错机制，可能丢包、乱序，也就是“尽力而为”。
三、TCP可以实现流控，基于滑动窗口机制，接收方反馈窗口大小，发送方据此调整速率实现流控； UDP只顾发送，不考虑接收方状况，无法流控。
四、TCP可以实现分段，会根据 MTU 将数据分成合适大小的段，还会编号按序传输，确保可靠交付；而UDP不能实现分段，将应用层数据原样封装。
五、TCP占用资源较大，速度较慢; UDP占用资源较小，速度快。
补充（5）TCP（传输控制协议）首部格式表
#每部分的解释源端口号（16 位）：标识发送数据的应用程序端口。目的端口号（16 位）：标识接收数据的应用程序端口。序号（32 位）：标记本报文段在发送方数据字节流中的位置。确认序号（32 位）：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节序号。首部长度（4 位）：指示 TCP 首部长度，以 4 字节为单位。保留（6 位）：保留为今后使用，目前置为 0。URG：紧急指针有效标志位。ACK：确认序号有效标志位。PSH：推送标志，提示接收方尽快将数据交付应用层。RST：重置连接标志位。SYN：同步序号，用于建立连接。FIN：发送方完成数据发送，请求释放连接。窗口大小（16 位）：告知对方自己的接收窗口大小，用于流量控制。校验和（16 位）：检测 TCP 首部和数据在传输中是否出错。校验数据完整性。紧急指针（16 位）：配合 URG，指出紧急数据末尾在报文段中的位置。选项：可选字段，用于实现额外功能，如最大报文段长度等。数据：承载应用层实际要传输的数据。
补充（6）UDP头部格式
目标和源端口：主要是告诉 UDP 协议应该把报文发给哪个进程。
包长度：该字段保存了 UDP 首部的长度跟数据的长度之和。
校验和：校验和是为了提供可靠的 UDP 首部和数据而设计，防止收到在网络传输中受损的 UDP包。
补充（7）网络数据封装TCP,UDP适用
网络数据封装从应用层开始，逐步向下各层进行：
应用层：生成原始数据，如网页内容、邮件信息等。
传输层：接收应用层数据，添加 TCP 或 UDP 首部。TCP 会分配源和目的端口号等，建立可靠连接；UDP 仅添加端口号等简单信息，提供无连接服务。
网络层：获取传输层数据单元，添加 IP 首部，包含发送端和接收端 IP 地址等，用于网络路由寻址。
数据链路层：得到网络层数据报，添加以太网首部（含 MAC 地址等）和尾部（如循环冗余校验信息），封装成数据帧，便于在局域网传输。 最终封装好的数据帧通过物理层转化为比特流在网络介质上传输。
什么是MSS?(上图数据那一部分，最大理论值为：MTU-20-20=1460字节)
MSS 即最大段大小，是 TCP 协议里的概念。它规定了 TCP 连接中，一个报文段所能携带数据的最大字节数，不包含 TCP 和 IP 首部。在建立连接时，通信双方会协商确定 MSS 值，一般依据链路 MTU 计算得出，合适的 MSS 可提升传输效率。
这个参数需要在TCP三次握手时，前两个SYN包中进行协商，如果双方不同，则需要按照小的来执行，减少分片带来麻烦。
补充（8）TCP三次握手和四次挥手（超级重点）
三次握手
SYN 是同步序列编号，它是 TCP 首部中的一个控制位，取值为 1 时表示该 TCP 报文段用于同步序号，主要在建立 TCP 连接时发挥作用。
TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
| 三次握手的过程 |
|---|
| 客户端给服务器发送一个SYN段(在 TCP 标头中 SYN 位字段为 1 的 TCP/IP 数据包), 该段中也包含客户端的初始序列号(Sequence number = x)。(CP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。) |
| TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。 |
| TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。 |
四次挥手
| 四次挥手过程 |
|---|
| 客户端发送第一次挥手，之后由 ESTABLISHED 状态转为 FIN_WAIT1 状态； 服务器收到客户端的第一次挥手之后，发送第二次挥手给服务器，服务器进入 CLOSE_WAIT 状态，等待服务器自身的 SOCKET 关闭等处理； |
| 客户端收到服务器的第二次挥手，进入 FIN_WAIT2 状态，等待服务器关闭； |
| 服务器发送第三次挥手，然后进入 LAST_ACK 状态； 客户端收到第三次挥手，发送第四次挥手，客户端进入 TIME_WAIT 状态 |
| 服务器收到第四次挥手，进入 CLOSED 状态，客户端等待 2MSL 后，进入 CLOSED 状态 |
补充：TCP连接状态解释
| CLOSED | 关闭状态，表示当前主机没有正在运行的传输连接 |
|---|---|
| LISTEN | 监听状态，表示服务器正在等待新的传输连接进入 |
| SYN-RCVD | 表示主机已收到一个连接请求，但尚未确认 |
| SYN-SENT | 表示主机已经发出一个连接请求，等待对方确认 |
| ESTABLISHED | 传输连接建立，双方进入正常数据传输状态 |
|---|---|
| FIN-WAIT-1 | （主动关闭）主机已经发送关闭连接请求，等待对方确认 |
| FIN-WAIT-2 | （主动关闭）主机已收到对方关闭连接确认，等待对方发送关闭连接请求 |
| TIMED WAIT | 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失 |
| CLOSING | 双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认 |
|---|---|
| CLOSE WAIT | （被动关闭）收到对方发来的关闭连接请求，并已确认 |
| LAST ACK | （被动关闭）等待最后一个关闭连接确认，并等待所有分组消失 |
案例：企业员工不能访问娱乐节目，讲述原理
企业借助 AC（无线控制器）设备和 TCP 原理限制员工访问娱乐节目。
AC 设备作为网络管理核心，可集中管控接入网络的无线接入点和终端。在员工发出访问请求时，该请求以 TCP 报文形式传输。AC 设备会分析 TCP 报文首部信息，如源 IP（员工设备）、目的 IP（娱乐节目网站）和端口号。一旦发现目的 IP 对应娱乐网站或端口号用于娱乐服务，AC 设备依据预设策略拦截该 TCP 连接的建立，阻断报文传输，使员工无法与娱乐节目网站完成 TCP 三次握手，从而无法访问相关内容。
补充（9）IP协议
4位版本：指定IP协议的版本（IPv4/IPv6），对于IPv4来说，就是4。
16位总长度：IP报文（IP报头+有效载荷）的总长度，用于将各个IP报文进行分离。
8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般是64，每经过一个路由器的转发，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃报文，这个字段主要是用来防止出现路由循环。
16位首部校验和：使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏。
32位源IP地址：表示发送端所对应的IP地址。
32位目的IP地址：表示接收端所对应的IP地址。
TCP是6，UDP是17
该字段用于标识 IP 数据报所承载的上层协议。当取值为 6 时，表示此 IP 数据报封装的是 TCP 协议数据，TCP 提供可靠传输；取值为 17 时，意味着封装的是 UDP 协议数据，UDP 则是无连接、高效但不保证可靠的传输协议。
IP 协议为什么要分片
是不同网络的最大传输单元（MTU）有差异，像以太网 MTU 一般 1500 字节，当大尺寸 IP 数据报从大 MTU 网络传向小 MTU 网络，就得分片才能继续传输。 二是能提升传输效率与可靠性，小数据单元出错概率低，出错时只需重传出错分片。 三是可适配不同网络设备处理能力，减轻设备处理负担，保证数据顺利传输。
经过网络层的封装，数据最终会交付给下层的数据链路层。由数据链路层进行网络上的转发。可是，数据链路层由于物理特征的原因，一般无法转发太大的数据，即数据链路层一次可以转发到网络的报文大小是有限制的（一般为1500，MTU，最大传输单元）。
什么是MTU?
MTU 即最大传输单元，是数据链路层中一个关键概念,指数据链路层设备能一次传输的最大数据字节数。不同网络类型 MTU 不同，如以太网 MTU 常为 1500 字节。节。当上层数据长度超 MTU，需进行分片处理。MTU 值的大小会直接影响网络传输的效率和性能，合理设置 MTU 能优化数据传输。
