TCP/IP詳解學習筆記（一）--各層主要協議的概覽

1.概覽(自下而上的分層)

1.1 鏈路層（網絡接口卡、網關):與線路(網線、集線器等)一起處理物理接口細節。

1.2 網絡層（IP層):處理數據包的在網絡中的活動,比如數據包的路由：

IP(網際協議):爲每一個網卡分配一個邏輯地址（IPv4或者IPv6版本）。
ICMP(網際控制消息協議）：用於在IP主機、路由器之間傳遞控制消息。控制消息是指網絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網絡本身的消息，並不包含用戶數據。
IGMP(Internet組管理協議):把UDP數據包多播到多個主機；
ARP(地址解析協議):ip=>mac,
RARP(反向地址解析協議):mac=>ip；

1.3 傳輸層:爲兩臺主機提供端到端的通信，主要有兩個協議：

TCP協議：提供高可靠的數據通信，主要進行數據分組、確認收到的分組、設置超時時鐘等
UDP協議：只把數據報的分組從一個主機發送到另一個主機，不能保證數據能夠達到目的地。

1.4 應用層:處理特定的程序細節,常見應用層協議：

Telnet(遠程登錄協議)
FTP(文件傳輸協議)
SMTP(簡單郵件傳輸協議)
SNMP(簡單網絡管理協議)
HTTP(超文本傳輸協議)
DNS(域名解析協議)

2 自下而上的學習

2.1鏈路層

2.1.1 以太網和IEEE802數據幀格式

一些說明：

目的地址和源地址：爲48bit的mac地址（16進製表示爲：50-bd-5f-73-75-6a);
數據部分：爲IP數據報；
IEEE802相對於RFC894多了8個字節的控制數據，總長度是一致的；；
HEAD=目的MAC地址+源MAC地址+類型/長度；
Data=需要傳送的數據報(IP數據報)

2.1.2 MTU(最大傳輸單元)

如2.1.1的RFC894及IEEE802所示數據報部分有最大字節數限制（RFC1500\IEEE1492)這個限制就是MTU。如果一個IP數據報大於MTU就會被分片傳輸。

2.1.3 鏈路層的通信過程

請參看前面的的博客 MAC表、ARP緩存表、路由表以及端口映射NAT MAC表那一段對基於MAC進行通信的機制描述；

2.1.4 以太網傳輸控制協議（CSMA/CD協議）

協議的基本流程：

每個節點再發送數據前偵聽傳輸鏈路是否有信號，如果沒有信號，則發送數據.---先偵聽後發送
在發送數據時,檢測是否被打斷[據傳輸有延時電磁波速度爲最大光速，在其他介質中會更低，兩個節點前後分別發送信數據後又分別檢測到對方的數據，則認爲被打斷].---邊偵聽便發送
兩者都會停止並隨即等待一點時間後再次嘗試數據.---隨機等待後重發

一個比較形象的現實場景(就是一圈人說話):

你先檢測空氣是不是安靜().如果不是,就等待安靜後在發言，如果是則自己說話.---先偵聽後發送
在你說話的時候,別人不知道你要說話,和你前後發言造成衝突,然後你們兩個則停止發言---邊偵聽便發送
然後你們兩個各自隨機等待一段時間後再次嘗試說話---衝突，隨即等待後重發

2.2網絡層（IP層）

理論上來說：基於鏈路層這一層協議（主要是MAC地址),我們就可以完成任意主機之間的通訊（只要在物理上互聯）,但是這樣存在一個問題。當主機的數量逐漸增長時，每個主機和交換機需要學習的MAC表也會迅速增長,以太網發送數據根據CSMA/CD協議發送數據節點增多後衝突機率會增大，造成這樣的情況:[交換機性能不足（MAC表巨大難以存儲查找），線路上幾乎衝突噪聲，造成網絡癱瘓根本無法通行]。請參考你們上自習課時（老師又不在）的情況，而只有一個人說話才能保證數據正確無誤的傳輸。那麼怎麼解決這個問題呢？物理上相鄰的區域被劃分到一個房間，每個區域內設置一箇中心節點，由中心節點負責跨區域信息的轉達，非中心節點不允許跨區域和其他人說話，這樣一來，區域內可以正常交流，區域之間的噪聲會大幅減少；以太網也進行了類似這樣的劃分,如何盡心劃分的呢？IP協議。IP協議在邏輯上爲每個節點添加了一個唯一的身份標識。

2.2.1 IP及網絡劃分：

2.2.1.1 IP的格式：

1）目前廣泛使用的IP版本爲IPv4，IPv4協議規定網絡地址由32個二進制位組成。習慣上，我們用分成四段的十進制數表示IP地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。同時網絡上每個主機由唯一的IP與之對應。

2.2.1.2 網絡劃分：

如何標識一個網絡區域呢？IP和子網掩碼;
a. 子網掩碼分爲兩部分組成（網絡號+主機號，也是32bit，從左到右全1的部分表示網絡化，全0的部分表示主機號),
b. 兩個IP分別與子網掩碼求與後：如果結果相同的則主機在同一個網絡區間。

2.2.1.3 IP與MAC

IP層是基於鏈路層建立起來的，那麼MAC和IP是怎麼聯繫起來呢？
ARP協議：IP=>MAC,主機通過APR協議學習並存儲同一網段內需要通信的主機的IP與MAC的對應關係[arp緩存表]
RARP協議：MAC=>IP；

進行網絡劃分後：增加了ARP緩存表、路由表、減小了交換機的MAC表，同時增加一種設備路由器(中心節點),路由器對於子網內的IP數據報流轉不進行調製，根據路由表進行IP數據報的進行網段間的轉發。

2.2.2 IP數據路由基本過程[IP層如何處理數數據的]：

2.2.2.1 對於主機：

如果目的IP和自己在同一個子網內：

1）直接去APR緩存內查詢目標IP對應的MAC然後發送給交換機發送；
2）如果在ARP緩存內沒有目標IP及MAC，則通過交換機發送APR請求廣播，等待響應後學習MAC，進入1）流程；
3）如果ARP請求廣播無響應，則返回目標IP無法找到給上層調用者；

如果不在同一個子網內:

會交給路由器進行IP數據報的路由（轉發）；

2.2.2.2 對於路由器：

a.自己生成的數據報處理規則和主機一致；

b.其他主機發給自己的IP數據報則首先檢查數據報的IP是否是自己的IP或者廣播IP(根據自己內存中的路由表)，如果是則自己進行相應的處理（響應或者廣播），否則進行轉發.

IP數據報的路由過程：

1）路由器接收到數據包，提取目標IP地址及自己的子網掩碼計算目標網絡地址；
2）根據目標網絡地址查找路由表，如果找到目標網絡地址就按照相應的出口發送到下一個路由器；
3）如果沒有找到，就看一下有沒有默認路由，如果有就按照默認路由的出口發送給下一個路由器；
4）如果沒有找到默認路由就給源IP發送一個出錯ICMP數據包表明沒法傳遞該數據包；

具體機制請參看：MAC表、ARP緩存表、路由表以及端口映射NAT的路由表部分；

2.2.3 IP數據報首部

字段解釋：

0-3位:IP協議的版本號目前是4；
4-7位：IP數據報首部有多少個4字節數，因爲只有4位所以IP數據報首部最大長度爲（8+4+2+1）*4=60；
8-15位：服務類型（Type of Service），基本沒什麼用，默認值爲5；3（優先權）+4（最小延時？，最大吞吐？，最高可靠？，最小費用？，0false1true）+1（未使用強制0）
15-31位：IP數據報總字節數，包括首部；
32-47位：16bit標識符，用於標識發送IP數據包的先後順序；IP數據報被分片傳輸後到達目的地的順序一般是錯亂的，利用這個標識位來判斷數據報的先後順序進行拼裝；
48-51位：標誌位，
52-63位：片偏移，
64-71位：生存時間（time to live），數據報經過的最大路由器次數，每經過一次路由器數值-1，爲0時。IP數據報被丟棄。（默認值爲64？原因是什麼不知道，有知道請告知）
72-79位：表明上層協議是什麼協議？TCP?UDP?ICMP?IGMP?
80-95位：首部檢驗和，用於數據傳輸的正確性校驗；
96-127位：32bit源IP地址
128-159位：32bit目的IP地址
追加選項，一般不使用，指定一些傳輸策略等等，但要求長度必須是32bit的整數倍；

2.2.4 5類Ip地址（ABCDE）：

五類IP：根據低位1的數量來分類

五類IP範圍：

備註：這幾個分類並沒有什麼用，

一些特殊的的IP地址：

1. 0.0.0.0:嚴格來說，這已經不算是一個IP了，指代本機的全部網絡接口，在做網絡監聽時會用到；
2. 255.255.255.255:全網廣播IP地址，限制廣播IP，發往這個IP的數據會發往全Internet網絡的所有主機
3. 127.0.0.1：本機地址，主要用於測試。在Windows系統中，這個地址有一個別名“Localhost”。尋址這樣一個地址，是不能把它發到網絡接口的。除此之外，所有發往127.0.0.0\8網段內任意IP的數據報都會轉發到127.0.0.1。
4. 224.0.0.1:組播地址，224.0.0.0\8網段全是這樣的地址；224.0.0.1特指所有主機，224.0.0.2特指所有路由器；
5. 私網IP：此範圍內的IP用作私網，其數據報文不會被路由器路由； 
  -10.0.0.0/8:10.0.0.0-10.255.255.255（相當於10.0.0.0網段 =》A類網絡2^24-2=16777214個）
  -172.16.0.0/12:172.16.0.0-172.31.255.255（相當於172.16.0.0網段2^20-2介於A類和B類網路之間）
  -192.168.0.0/16:192.168.0.0-192.168.255.255（相當於192.168.0.0網絡 B類網絡2^16-2=65534個）

2.3傳輸層（TCP/UDP協議）

2.3.1TCP\UDP數據包打包過程（Encapsulation）：

UDP報文格式與此類似，不過UDP首部字段長度爲8個字節

端口(Port)：在多進程環境中,每個進程都有可能發送IP數據包，爲了區分各個進程添加了長度16bit的整數來區分。

分爲TCP和UDP端口兩大類

2.3.2TCP\UDP 數據包解包（Demultiplexing）

基本就是按照定義的格式分割取出對自己有用的協議首部，最後拼裝；

2.3.3端口號（Port）

請參考4數據包打包時的備註；1-1023之間的端口號爲系統使用；常用端口說明

2.4應用層

2.4.1 DNS協議

2.4.1.1 域名的層級劃分：

2.4.1.2 DNS解析過程:

2.4.1.3 hosts文件：

2.4.2 HTTP協議

2.4.3 VPN協議：

3.總結

基本上算是有個大概的學習路徑，也建立起基本的網絡框架了。