一层层剥开网络通信协议，太长了

港控/mmm° 2023-10-06 21:24 15阅读 0赞

### 一、理论五层模型 ###

互联网的实现，分为好几层，每一层都有自己特有的功能，而且每一层都靠下一层支持。用户接触到的，只是最上面的一层，我们称为应用层，要理解互联网，必须从最下层开始，自下而上的理解每一层的功能。

**我们常见的网络模型，有以下三种：**

*  OSI七层模型
 *  理论五层模型
 *  TCP/IP四层模型

它们之间的关系如下图所示

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其中，`理论五层模型`是综合`OSI七层`和`TCP/IP四层`的优点，采用的一种原理体系结构。我们接下来的探讨也是基于`理论五层模型`来展开的。

**理论五层模型的结构如下图**

![图片][761421cc092c782f262dac00257488c1.png]

**各层的作用如下：**

*  应用层
    
     *  直接为用户的应用进程提供服务
     *  常见的协议有`HTTP`、`HTTPS`、`SMTP`、`TELNET`等
 *  传输层
    
     *  传输层任务是为应用层进行通信的两个进程之间提供一个可靠的`端到端`服务，使它们看不到传输层以下的数据通信的细节。
     *  `端到端`意思是数据来自某个端口，再传送给指定的端口
     *  `端口`：一个0到65535间的整数，用来指定特定应用程序
     *  常见的协议有`TCP`、`UDP`等
 *  网络层
    
     *  网路层的任务是选择合适的路由，使分组能够准确的按照地址找到目的地，并交付给目的地的传输层。
     *  网络层协议为IP协议
 *  数据链路层
    
     *  数据链路层是将数据组合为一个个的`帧`，确定电信号的数据包格式。
     *  数据链路层的协议为`以太网`协议
 *  物理层
    
     *  物理层定义了把电脑之间连接起来所用设备的标准，在网络中的网络信号都是通过0和1的电信号进行传输的。

**简单说，越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。**

#### 协议是什么 ####

每一层都是为了完成某一种功能。为了实现这些功能，需要遵守一些共同的规则，这些规则就是`协议(protocol)`。

互联网的每一层，都定义了很多协议。这些协议的总称，叫做`互联网协议(Internet Protocol Suite)`，它们是互联网的核心。

下面的内容中，我们通过每一层的功能的介绍，对每一层中的主要协议所起作用进行讲解。

### 二、物理层 ###

电脑要进行联网，需要把电脑通过各种设备连接进网络，设备有光缆、电缆、双绞线、无限电波等方式。

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这就是`物理层`，它就是把电脑连接起来的物理手段，它主要规定了网络的一些电气特性，作用是`传输0和1`的电信号。

### 三、数据链路层 ###

#### 1.定义 ####

物理层是用于传输信号的介质，它传输的是`0和1`的电信号。但是关于电信号如何分组，每个信号位有何意义并没有规定。

这就是`数据链路`层的功能，它在`物理层`的上方，确定了0和1的分组方式，用于两个设备(同一种数据链路结点)之间进行信息传递。

#### 2.以太网协议 ####

早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地，一种叫做`以太网(Ethernet)`的协议，占据了主导地位。

以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做`帧(frame)`，每一帧分为两个部分：`标头(Head)`和`数据(Data)`。

![图片][134415181a7ab069c3833b2fc6165018.png]

*  标头和数据
    
    标头包含数据包的一些说明项，比如发送者、接收者、数据类型等；数据则是数据包具体内容。
 *  标头和数据的限制
    
    `标头`的长度，固定为`18字节`；`数据`的长度，最短为`46字节`，最长为`1500字节`。
    
    因此，整个`帧`最短为`64字节`，最长为`1518字节`。如果数据很长，就必须分割成多个帧发送。

#### MTU(最大传输单元) ####

MTU是链路层对物理层的限制。

*  以太网帧数据段长度规定为46-1500字节，这个最大值1500字节称为以太网的最大传输单元(MTU)，不同的网络类型有不同的MTU。
 *  如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU，则需要对数据包进行分片。

#### MTU对IP协议的影响 ####

由于链路层存在MTU的限制，导致网络层的报文如果超过1500字节，就必要要对其进行分片发送。

*  将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签，每个小包IP协议头的16位标识(id)都是相同的，这样在重组的时候就知道这个小包来自于哪个报文。
 *  每个小包的IP协议头的3位标志字段中, 第2位MF置为0, 表示允许分片, 第3位DF来表示结束标记(当前是否是后一个小包, 是的话置为1, 否则置为0)。
 *  到达对端时再将这些小包按顺序重组, 拼装到一起返回给传输层。一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败，但是IP层不会负责重新传输数据。

#### MTU对UDP协议的影响 ####

*  只要UDP报文中携带的数据超过过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部))，那么就会在网络层分成多个IP数据报。
 *  这些IP数据报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层重组失败。那么这就意味着，如果UDP数据报在网络层被分片，整个数据被丢失的概率就大大增加。
 *  在局域网环境下，建议UDP数据控制在1472字节以下；在Internet环境下，建议将UDP数据控制在548字节以下。

#### MTU对TCP协议的影响 ####

*  TCP报文的长度不能无限大，依然要受制于MTU， TCP的单个数据报的最大消息长度称为MSS(Max Segment Size)。
 *  TCP在建立连接时，首先会和对方协商MSS的大小(也只能在三次握手时协商，否则就是默认值536字节)。理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU)
 *  双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值。然后双方得知对方的MSS值之后选择较小的作为最终的MSS。MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2)。
 *  MSS = MTU - TCP首部 - IP首部，既TCP报文的数据长度。

### 3.MAC地址 ###

上面我们提到，以太网数据包的标头，包含了发送者和接受者的信息。那么，发送者和接受者是如何标识呢？

以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有网卡接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。

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每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。

![d5e793cd5a9f44bfbc92e8368c79fb6a.gif][]

前6个十六进制数是厂商编号，后6个十六进制数是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。

### 4.广播 ###

定义地址只是第一步，后面还有更多的步骤：

*  1）首先：一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址？
    
    回答是有一种ARP协议，可以解决这个问题。这个在本文网络层中介绍，这里只需要知道，以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。
 *  2）其次：就算有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？
    
    回答是以太网采用了一种很原始的方式，它不是把数据包准确送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方。

![图片][9a827e3f7edfa220be28410a72c08830.png]

上图中，5号计算机向3号计算机发送一个数据包，同一个子网络的1号、2号、3号、4号、6号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的标头，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址相比较，如果两者相同，就接收这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做广播（broadcasting）。

有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。

### 四、网络层 ###

#### 1、 网络层的由来 ####

以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，成都的网卡就可以找到休斯顿的网卡了，技术上是可以实现的。

但是，这样做有一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一包，不仅效率低，而且局限在发送者所在的子网络。也就是说，如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。

互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络，很像想象成都和休斯顿的电脑会在同一个子网络，这几乎是不可能的。

![图片][61ab3dccd1f5f341004fcd7308954604.png]

因此，必须找到一种方法，能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络，哪些不是。如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用路由方式发送。（路由的意思，就是指如何向不同的子网络分发数据包，这是一个很大的主题，本文不涉及。）遗憾的是，MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关，与所处网络无关。

这就导致了网络层的诞生。它的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做网络地址，简称网址。

于是，网络层出现以后，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起。

网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后再处理MAC地址。

#### 2、IP协议 ####

规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址。目前，广泛采用的是IP协议的第四版和第六版，分别称为IPv4和IPv6。

（1） IPv4

*  IPv4规定，网络地址由32个二进制位组成；
 *  习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255。

互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。

这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。

比如，IP地址14.215.177.39，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（14.215.177），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的，也就是说14.215.177.2应该与14.215.177.1处在同一个子网络。

但是，问题在于单单从IP地址，我们无法判断网络部分。还是以14.215.177.39为例，它的网络部分，到底是前24位，还是前16位，甚至前28位，从IP地址上是看不出来的。那么，怎样才能从IP地址，判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另一个参数`子网掩码`（subnet mask）。

子网掩码：

*  所谓子网掩码，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。
 *  知道子网掩码，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行按位与运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

NAT

我们知道，IPv4的地址只有32位，地球上网民数量已经远远超出这个数字，那么，为啥至今还没出现地址枯竭呢？

因为我们还有一些技术，可以变相的缓解地址不足，比如NAT技术。

![图片][f8466d1894b351ef978847c49f40143e.png]

*  每一个小的局域网，都会使用一个网段的私网地址，在与外界连接时，再变换成公网地址。这样一来，几十个或几百个电脑，都只需要一个公网地址。
 *  甚至还可以私网套私网，NAT套NAT，一层一层套。这样一来，大大节约了公网IP地址数量。正因为如此，才让我们“续命”到了今天，不至于无法上网。
 *  但是，NAT这种方式也有很多缺点，虽然私网地址访问互联网地址方便，但互联网地址访问私网地址就困难了。很多服务，都会受到限制，你只能通过复杂的设置才能解决，也会影响网络的处理效率。

（2） IPv6

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**定义：**

*  IPv6地址由八组、每组四位16进制数字组成，每组之间由:来分隔。
 *  IPv6地址支持压缩前导零的表示方法，如图中的地址可写为:2001:D12:0:0:2AA:987:FE29:9871
 *  当冒号十六进制格式中出现连续几段数值0的位段时，这些段可以压缩为双冒号(::)的表示,所以我们得到了最终的简化格式：2001:D12::2AA:987:FE29:9871
 *  注意：双冒号只能出现一次

IPv6号段划分和前缀表示法

IPv6拥有128位巨大的地址空间，对于那么大的空间，也不是随意的划分，而是使用按照bit位进行号段划分。

IPv6地址结构如下图

![6902881040554acdbb32b450695cdcd3.gif][]

例如RFC4291中定义了n=48， m=16，也就是子网和接口ID与各占64位。

IPv6没有子网掩码mask的概念，它支持的是子网前缀标识方法。

**使用IPv6地址/前缀长度表示方法，例如：**

*  2001:C3:0:2C6A::/64表示一个子网；
 *  而2001:C3:0:2C6A:C9B4:FF12:48BC:1A22/64表示该子网下的一个节点地址。

可以看到，一个IPv6的地址有子网前缀+接口ID构成，子网前缀由地址分配和管理机构定义和分配，而接口ID可以由各操作系统实现生成。

IPv6优点

IPv6是用来解决IPv4地址枯竭问题的，IPv4地址为32位，而IPv6地址为128位 除了地址数量以外，IPv6还有很多优点，例如：

*  IPv6使用更小的路由表。使得路由器转发数据包的速度更快；
 *  IPv6增加了增强的组播支持以及对流的控制，对多媒体应用很有利，对服务质量（QoS）控制也很有利；
 *  IPv6加入了对自动配置的支持。这是对DHCP协议的改进和扩展，使得网络（尤其是局域网）的管理更加方便和快捷；
 *  IPv6具有更高的安全性。用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，极大地增强了网络的安全性；
 *  IPv6具有更好的扩容能力。如果新的技术或应用需要时，IPV6允许协议进行扩充；
 *  IPv6具有更好的头部格式。IPV6使用新的头部格式，就简化和加速了路由选择过程，提高了效率；

（3）IPv4和IPv6的区别

*  报文中，IPv6数据链路层的type字段标识为0x86dd，IPv4数据链路层的type字段标识为：0x0800
 *  IPv6报文头部固定为40字节，IPv4报文头部是20到60字节。这个意味着，写代码处理IPv6数据报文的效率会提高很多
 *  IPv6的报文头部取消了校验和字段，提高了路由器的转发效率。不过，值得一提的是，在IPv6协议下，传输层协议UDP、TCP是强制需要进行校验和的(IPv4是可选的)
 *  当IPv6数据报文承载的是上层协议ICMPv6、TCP、UDP等的时候，Next Header的值分别为58、6、17，这个时候和IPv4报文头部中的Protocol字段很类似
 *  当不是以上3种协议类型的时候，IPv6报文头部紧接的是扩展头部。扩展头部是IPv6引入的一个新的概念，每个IPv6的数据报文可以承载0个或多个扩展头部，扩展头部通过链表的形式组织起来。当IPv6数据报文承载着扩展头部的时候，Next Header的数值为扩展头部的类型值。为什么要引入扩展头部这个概念，这里也是IPv6对IPv4改进的一个方面，用扩展头部取代了IPv4的可选项信息，精简了IPv6的头部，增强了IPv6的扩展性。当发送一个分片IPv6数据报文的时候，IPv6使用的是扩展头部的形式组织各个分片的信息，如图IPv6报文头部Next Header字段值为44表示存在扩展头部，扩展头部是IPv6分片数据信息。对比IPv4，分片信息是记录在IPv4报文头部的分片字段中。

4） IP协议简单总结

如上所述，IP协议的作用主要有两个：

*  为每一台计算机分配IP地址
 *  确定哪些地址在同一个子网络

#### 3、IP数据包 ####

根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。我们直接把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分，不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。

具体来说，IP数据包也分为标头和数据两个部分：其中，标头范围为20-60字节(IPv6固定为40字节)，整个数据包的总长度最大为65535字节。因此，理论上，一个IP数据包的数据部分，最长为65515字节。

![图片][c94c42e2aaa2835b43dcd17e55527897.png]

如图所示，标头中20字节是固定不变的，它包含了版本、长度、IP地址等信息，另外还有可变部分的标头可选。而数据则是IP数据包的具体内容。

将它放入以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样：

![图片][5183227bd386410d23b4e6707ea47c59.png]

在以太网协议中，以太网数据包的数据部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

#### 4、ARP协议 ####

关于网络层，还有最后一点需要说明。因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以我们必须同时知道两个地址，一个是对方的MAC地址，另一个是对方的IP地址。通常情况下，对方的IP地址是已知的，但是我们不知道它的MAC地址。所以，我们需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。

这里又可以分成两种情况：

*  第一种情况：如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的网关（gateway），让网关去处理；
 *  第二种情况：如果两台主机在同一个子网络，那么我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个广播地址。它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

ARP攻击

ARP攻击是利用ARP协议设计时缺乏安全验证漏洞来实现的，通过伪造ARP数据包来窃取合法用户的通信数据，造成影响网络传输速率和盗取用户隐私信息等严重危害。

ARP攻击主要是存在于局域网网络中，局域网中若有一台计算机感染ARP木马，则感染该ARP木马的系统将会试图通过“ARP欺骗”手段截获所在网络内其它计算机的通信信息，并因此造成网内其它计算机的通信故障。

局域网中比较常见的ARP攻击包括：上网时断时续，拷贝文件无法完成，局域网内的ARP包激增。出现不正常的MAC地址，MAC地址对应多个IP地址，网络数据发不出去了，网上发送信息被窃取，个人PC中毒局域网内MAC地址泛洪使MAC地址缓存表溢出等问题。据包的协议地址不匹配，从而在网络中产生大量的ARP。

在局域网环境中，ARP攻击是主要的安全威胁，在传统网络中主要是通过静态绑定的方式来解决，但是这种方式限制了网络扩展的易用性。

### 五、传输层 ###

#### 1、传输层的由来 ####

有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如，你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容，还是表示在线聊天的内容？

也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做端口（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。

端口是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。

传输层的功能，就是建立端口到端口的通信。相比之下，网络层的功能是建立主机到主机的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做套接字（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。

#### 2、UDP协议:用户数据报协议 ####

现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。

UDP数据包，也是由标头和数据两部分组成：

![1347814fefce4e2cb3c88d5dffb5a239.gif][]

如图所示，UDP的标头固定为8字节，包含了16位源端口和16位目的端口，以及16位的UDP长度和16位的UDP检验和。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的数据部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：

![1a7ad89d72314df68d3cc0b0ee6545a7.gif][]

UDP数据包非常简单，标头部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

UDP中一个包的大小最大能多大

*  局域网环境下，建议将UDP数据控制在1472字节以下
    
     *  以太网(Ethernet)数据帧的长度必须在46-1500字节之间,这是由以太网的物理特性决定的，这个1500字节被称为链路层的MTU(最大传输单元)。但这并不是指链路层的长度被限制在1500字节，其实这这个MTU指的是链路层的数据区，并不包括链路层的首部和尾部的18个字节。
     *  所以，事实上这个1500字节就是网络层IP数据报的长度限制。因为IP数据报的首部最小为20字节，所以IP数据报的数据区长度最大为1480字节。而这个1480字节就是用来放TCP传来的TCP报文段或UDP传来的UDP数据报的。
     *  又因为UDP数据报的首部8字节，所以UDP数据报的数据区最大长度为1472字节。这个1472字节就是我们可以使用的字节数。
     *  当我们发送的UDP数据大于1472的时候会怎样呢？这也就是说IP数据报大于1500字节，大于MTU，这个时候发送方IP层就需要分片(fragmentation)。把数据报分成若干片，使每一片都小于MTU，而接收方IP层则需要进行数据报的重组。这样就会多做许多事情，而更严重的是，由于UDP的特性，当某一片数据传送中丢失时，接收方无法重组数据报，将导致丢弃整个UDP数据报。
     *  因此，在普通的局域网环境下，我建议将UDP的数据控制在1472字节以下为好。
 *  Internet编程时，建议将UDP数据控制在548字节以下
    
     *  进行Internet编程时则不同，因为Internet上的路由器可能会将MTU设为不同的值。如果我们假定MTU为1500来发送数据，而途经的某个网络的MTU值小于1500字节，那么系统将会使用一系列的机制来调整MTU值，使数据报能够顺利到达目的地，这样就会做许多不必要的操作。
     *  鉴于Internet上的标准MTU值为576字节，所以我建议在进行Internet的UDP编程时， 最好将UDP的数据长度控件在548字节(576-8-20)以内。
     *  ps：这句话貌似有问题，unix网络编程第一卷里说：ipv4协议规定ip层的最小重组缓冲区大小为576！所以，建议udp包不要超过这个大小，而不是因为internet的标准MTU是576！

#### 3、TCP协议：传输控制协议 ####

UDP协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到。为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。

因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

![1f2048716b3b489984fc1d14e9560803.gif][]

如图所示，TCP标头在20-60字节之间，除了源端口号和目的端口号之外，还包含了序号、确认号等各种信息，用于保证可靠连接与数据重发。

TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的数据部分。TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

![图片][36cb22803de0d7cf9e6b551900411fc9.png]

### 六、应用层 ###

应用程序收到传输层的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。应用层的作用，就是规定应用程序的数据格式。

举例来说，TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了应用层。这是最高的一层，直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的数据部分。

因此，现在的以太网的数据包就变成下面这样：

![图片][c58cd0f465bc360bbe107a96858c41a3.png]

### 一、理论五层模型 ###

**我们常见的网络模型，有以下三种：**

*  OSI七层模型
 *  理论五层模型
 *  TCP/IP四层模型

它们之间的关系如下图所示

![62348ffd36bf497696c6d643d24f8c45.gif][]

其中，`理论五层模型`是综合`OSI七层`和`TCP/IP四层`的优点，采用的一种原理体系结构。我们接下来的探讨也是基于`理论五层模型`来展开的。

**理论五层模型的结构如下图**

![图片][0f28b1b265f3a0b863437968022545b4.png]

**各层的作用如下：**

**简单说，越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。**

#### 协议是什么 ####

每一层都是为了完成某一种功能。为了实现这些功能，需要遵守一些共同的规则，这些规则就是`协议(protocol)`。

互联网的每一层，都定义了很多协议。这些协议的总称，叫做`互联网协议(Internet Protocol Suite)`，它们是互联网的核心。

下面的内容中，我们通过每一层的功能的介绍，对每一层中的主要协议所起作用进行讲解。

### 二、物理层 ###

电脑要进行联网，需要把电脑通过各种设备连接进网络，设备有光缆、电缆、双绞线、无限电波等方式。

![8056e254cc3c441280152bf041416e1c.gif][]

这就是`物理层`，它就是把电脑连接起来的物理手段，它主要规定了网络的一些电气特性，作用是`传输0和1`的电信号。

### 三、数据链路层 ###

#### 1.定义 ####

物理层是用于传输信号的介质，它传输的是`0和1`的电信号。但是关于电信号如何分组，每个信号位有何意义并没有规定。

这就是`数据链路`层的功能，它在`物理层`的上方，确定了0和1的分组方式，用于两个设备(同一种数据链路结点)之间进行信息传递。

#### 2.以太网协议 ####

早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地，一种叫做`以太网(Ethernet)`的协议，占据了主导地位。

以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做`帧(frame)`，每一帧分为两个部分：`标头(Head)`和`数据(Data)`。

![图片][23b9819888d5d0075a95e282f09806b2.png]

#### MTU(最大传输单元) ####

MTU是链路层对物理层的限制。

#### MTU对IP协议的影响 ####

由于链路层存在MTU的限制，导致网络层的报文如果超过1500字节，就必要要对其进行分片发送。

#### MTU对UDP协议的影响 ####

#### MTU对TCP协议的影响 ####

### 3.MAC地址 ###

上面我们提到，以太网数据包的标头，包含了发送者和接受者的信息。那么，发送者和接受者是如何标识呢？

![c48ebd71635b4a5b84c85cae8d11e0fc.gif][]

每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。

![e1bebac1f2534657a955b9557fd1db7e.gif][]

前6个十六进制数是厂商编号，后6个十六进制数是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。

### 4.广播 ###

定义地址只是第一步，后面还有更多的步骤：

![图片][162ee471329338c64fcda371fdbfb175.png]

有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。

### 四、网络层 ###

#### 1、 网络层的由来 ####

以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，成都的网卡就可以找到休斯顿的网卡了，技术上是可以实现的。

互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络，很像想象成都和休斯顿的电脑会在同一个子网络，这几乎是不可能的。

![图片][b4f265b8c2e48e301947c5365ccb7ed0.png]

#### 2、IP协议 ####

规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址。目前，广泛采用的是IP协议的第四版和第六版，分别称为IPv4和IPv6。

（1） IPv4

*  IPv4规定，网络地址由32个二进制位组成；
 *  习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255。

互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。

这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。

子网掩码：

NAT

我们知道，IPv4的地址只有32位，地球上网民数量已经远远超出这个数字，那么，为啥至今还没出现地址枯竭呢？

因为我们还有一些技术，可以变相的缓解地址不足，比如NAT技术。

![图片][703ed5196ad12ffca9a7e858d1998b54.png]

（2） IPv6

![39b2d43407a1454f9d261769b7753e58.gif][]

**定义：**

IPv6号段划分和前缀表示法

IPv6拥有128位巨大的地址空间，对于那么大的空间，也不是随意的划分，而是使用按照bit位进行号段划分。

IPv6地址结构如下图

![cf579af81aae4c76bb17d176dbf50466.gif][]

例如RFC4291中定义了n=48， m=16，也就是子网和接口ID与各占64位。

IPv6没有子网掩码mask的概念，它支持的是子网前缀标识方法。

**使用IPv6地址/前缀长度表示方法，例如：**

*  2001:C3:0:2C6A::/64表示一个子网；
 *  而2001:C3:0:2C6A:C9B4:FF12:48BC:1A22/64表示该子网下的一个节点地址。

可以看到，一个IPv6的地址有子网前缀+接口ID构成，子网前缀由地址分配和管理机构定义和分配，而接口ID可以由各操作系统实现生成。

IPv6优点

IPv6是用来解决IPv4地址枯竭问题的，IPv4地址为32位，而IPv6地址为128位 除了地址数量以外，IPv6还有很多优点，例如：

（3）IPv4和IPv6的区别

4） IP协议简单总结

如上所述，IP协议的作用主要有两个：

*  为每一台计算机分配IP地址
 *  确定哪些地址在同一个子网络

#### 3、IP数据包 ####

![图片][38e39bc8b93afab1efa1989e567d0f49.png]

如图所示，标头中20字节是固定不变的，它包含了版本、长度、IP地址等信息，另外还有可变部分的标头可选。而数据则是IP数据包的具体内容。

将它放入以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样：

![图片][c7fb4f9fac7c634c60a60da95ec100c2.png]

在以太网协议中，以太网数据包的数据部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

#### 4、ARP协议 ####

这里又可以分成两种情况：

总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

ARP攻击

在局域网环境中，ARP攻击是主要的安全威胁，在传统网络中主要是通过静态绑定的方式来解决，但是这种方式限制了网络扩展的易用性。

### 五、传输层 ###

#### 1、传输层的由来 ####

有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

#### 2、UDP协议:用户数据报协议 ####

现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。

UDP数据包，也是由标头和数据两部分组成：

![ece7a8eb4db6495388bd9ac45489776a.gif][]

![cd036ba1076e410eaa8dc43d5e742798.gif][]

UDP数据包非常简单，标头部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

UDP中一个包的大小最大能多大

#### 3、TCP协议：传输控制协议 ####

因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

![4c389f0cb4514d1cb2b6af1330bb55db.gif][]

如图所示，TCP标头在20-60字节之间，除了源端口号和目的端口号之外，还包含了序号、确认号等各种信息，用于保证可靠连接与数据重发。

![图片][88bce28194920723b25a962edfba5c97.png]

### 六、应用层 ###

因此，现在的以太网的数据包就变成下面这样：

![图片][99e33d62d98a37131fda9a80ee68a920.png]

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