TCP/IP学习笔记

摘要：

本文详细介绍了OSI七层模型和TCP/IP四层模型，包括各层的功能、协议及其在数据通信中的作用，如应用层负责数据格式，传输层的TCP和UDP，网络层的IP和MAC寻址，以及数据链路层的硬件接口。以HTTP请求为例，展示了数据从应用层到网络层再到数据链路层的完整过程。

1 网络的分层

（1）OSI(Open System Interconnect，开放式系统互连)七层模型与TCP/IP 四层模型

1.1 七层模型与四层模型

(2)TCP/IP 四层模型

1.2 四层模型代表

IP的作用：用于区分不同的计算机是否属于同一个子网络。

Mac的作用：用来标识具体用户，为了解决IP盗用的安全问题。例如一个局域网内，交换机会把IP和Mac地址做一个映射操作，交换机就是根据Mac地址进行发送和接受数据的，而端口号port则是决定与哪个应用进行通信和信息交互。

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。借助 IP 获取 mac 地址。基于MAC地址的这种特点，局域网采用了用MAC地址来标识具体用户的方法。注意：具体实现：在交换机内部通过“表”的方式把MAC地址和IP地址一一映射，也就是所说的IP、MAC绑定。

MAC 地址是绑定在网卡上的，它是一个用来确认网络设备位置的位址。在OSI模型中，第三层网络层负责IP地址，第二层数据链路层则负责MAC位址 [1] 。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址 [2] 。

IP：地址则是管理员分配的

网络层：网络层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”，这是我们平时所说的IP地址。网络层协议包含的主要信息是源IP和目的IP。

网络层速记：IP（核心协议）

源IP —— 目标IP

IP协议的作用： 在 网络环境中唯一标识一台主机。

IP地址本质：2进制数。—— 点分十进制 IP地址 （string）

IP和MAC的作用：

网络地址（IP）: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。

处理顺序：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

传输层：端口：确定进程

1. 对于同一个端口，在不同系统中对应着不同的进程
2. 对于同一个系统，一个端口只能被一个进程拥有

传输层速记：

TCP / UDP（核心协议）

port —— 在 一台主机上唯一标识一个进程。

应用关系：通过网络层IP确认交互端，通过MAC确认信息发送目标，最终通过端口指定要发生信息交互的程序

2 如何实现通信？

数据通信：

封装： 应用层 —— 传输层 —— 网络层 —— 链路层 。 没有经过封装的数据，不能在网络环境中传递。

解封装 ： 链路层 —— 网络层 —— 传输层 —— 应用层

从上往下，每经过一层，协议就会在包头上面做点手脚，加点东西，传送到接收端，再层层解套出来，如下示意图：

我们先从应用层开始讲起：

应用层：规定应用数据的数据格式，比如说FTP、DNS、SMTP等等，同时HTTP协议也属于应用层的范围。通俗来讲，应用层决定这一次通信要干嘛。

传输层：建立端口到端口的通信，提供两台计算机之间的数据传输，传输层中包含着两个很叼的协议，分别是TCP和UDP协议。面试中经常提及的三次握手，四次挥手就是TCP协议的部分内容

网络层：通过MAC地址和IP地址将互联网上的任意两台主机建立通信，网络层则是用来处理这些流动的数据包，也就是如果把相应的数据包路由到指定的地点，为通信时的网络传输选择传输路线

数据链路层：数据链路层包含了软件与硬件的接口部分，以及各种网络设备的硬件，也就是整个网络通信过程中最底层的基础设施，确定电信号0和1的分组方式

简单了解了每一层的作用之后，我们试着串起来，摸索一下一次整体的http请求到响应的过程。

拿访问google做个例子

1、访问google.com，按下回车。

2、应用层准备好请求报文，通过DNS服务进行域名解析，得到google的ip地址，并将报文发到传输层。传输层收到报文后，会将请求的数据包进行拆分，打包，并对每个包裹打上tag。在请求报文的基础上，加上一层TCP的首部信息，然后发往网络层。

3、到了网络层以后，IP协议就发挥了巨大的作用，IP协议中需要两个比较重要的信息，那就是ip地址和mac地址。ip已经在应用层通过dns解析出来了，那mac怎么办。。。真尴尬，然而这时ARP协议又冒了出来，它可以根据ip地址反向查询到目标主机的mac地址。好了，现在啥都有了，打包带走，把数据发到数据链路层。

4、终于走到基础设施这里了，此时数据包就在一根根光纤中旋转跳跃的奔向目的地，当然，整个过程不一定是直达的，可能需要经过各种中转站，就跟坐火车转车一样的。

5、请求到达服务器后，先从数据链路层往上走，并验证消去以太网首部信息，在网络层消去IP首部，在传输层消去TCP首部，就像剥洋葱一样一层一层去皮，最后剩下的就请求报文。在应用层对请求做出处理之后，需要对请求返回一个响应。而整个响应的传输过程就和请求一样，一层一层的封装，响应到达客户端时再一层一层的消去首部，最后呈现响应的结果。

3 TCP协议的包头解析

4 TCP的三次握手和四次挥手

5 大端存储与小端