OSI协议栈基础

OSI模型分为七层

OSI把网络按照层次分为七层，由下到上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

OSI
应用层	OSI参考模型中最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务。
表示层	提供各种用于应用层数据的编码和转换功能，确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。
会话层	负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。
传输层	提供面向连接或非面向连接的数据传递以及进行重传前的差错检测。
网络层	提供逻辑地址，供路由器确定路径。
数据链路层	将比特组合成字节，再将字节组合成帧，使用链路层地址（以太网使用MAC地址）来访问介质，并进行差错检测。
物理层	在设备之间传输比特流，规定了电平、速度和电缆针脚。

数据封装与解封装图解

数据封装过程

解封装过程

传输层：TCP &UDP协议基本描述

TCP与UDP对比

传输控制协议（TCP）	用户数据报协议（UDP）
面向连接	无连接
可靠传输	尽力而为的传输
支持流控及窗口机制	无流控及窗口机制
HTTP、FTP等	TFTP、DNS、DHCP等

TCP报文：

源端口(Source Port)：16bit, 表示报文发送方的端口号

目的端口(Destination port): 16bit，表示报文接收方的端口号

***（SN）：32bit，标识了TCP报文中第一个byte在对应方向的传输中对应的字节序号。当SYN出现，序列码实际上是初始序列码（ISN），而第一个数据字节是ISN+1，单位是byte。比如发送端发送的一个TCP包净荷(不包含TCP头)为12byte，SN为5，则发送端接着发送的下一个数据包的时候，SN应该设置为5+12=17。通过***，TCP接收端可以识别出重复接收到的TCP包，从而丢弃重复包，同时对于乱序数据包也可以依靠系列号进行重排序，进而对高层提供有序的数据流。另外SYN标志和FIN标志在逻辑上也占用一个byte，当SYN标志位有效的时候，该字段也称为ISN(initial sequence number)。

确认号(ACK)：32bit，标识了报文发送端期望接收的字节序列。如果设置了ACK控制位，这个值表示一个准备接收的包的序列码，注意是准备接收的包，比如当前接收端接收到一个净荷为12byte的数据包，SN为5，则发送端可能会回复一个确认收到的数据包，如果这个数据包之前的数据也都已经收到了，这个数据包中的ACK Number则设置为12+5=17，表示17byte之前的数据都已经收到了。在举一个例子，如果在这个数据包之前有个SN为3，净荷为2byte的数据包丢失，则在接收端接收到这个SN为5的乱序数据包的时候，协议要求接收端必须要回复一个ACK确认包，这个确认包中的Ack Number只能设置为3。

头长(Header Length)：4bit，指示TCP头的长度，即数据从何处开始。最大为15，单位是32比特，即4个字节，与IP头中的长度定义相同。

保留(Reserved)：4bit，这些位必须是0。为了将来定义新的用途所保留，其中RFC3540将Reserved字段中的最后一位定义为Nonce标志。

标志(Code Bits)：8bit

CWR(Congestion Window Reduce)：拥塞窗口减少标志被发送主机设置，用来表明它接收到了设置ECE标志的TCP包，发送端将通过降低发送窗口的大小来降低发送速率

ECE(ECN Echo)：ECN响应标志被用来在TCP3次握手时表明一个TCP端是否具备ECN功能，并且表明接收到的TCP包的IP头部的ECN被设置为11。更多信息请参考RFC793。

URG(Urgent)：表示紧急(The urgent pointer) 指针是否有效。

ACK(Acknowledgment)：1表示这是一个确认的TCP包， 0则不是确认包。

PSH(Push)：该标志置位时，一般是表示发送端缓存中已经没有待发送的数据，接收端不将该数据进行队列处理，而是尽可能快将数据转由应用处理。

RST(Reset)：用于复位相应的TCP连接。通常在发生异常或者错误的时候会触发复位TCP连接。

SYN(Synchronize)：表示同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)是否有效。该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。它提示TCP连接的服务端检查序列编号，该序列编号为TCP连接发起端(一般是客户端)的初始序列编号。在这里，可以把TCP序列编号看作是一个范围从0到4，294，967，295的32位计数器。通过TCP连接交换的数据中每一个字节都经过序列编号。在TCP报头中的序列编号栏包括了TCP分段中第一个字节的序列编号。

FIN(Finish)：带有该标志置位的数据包用来结束一个TCP会话，但对应端口仍处于开放状态，准备接收后续数据。当FIN标志有效的时候我们称呼这个包为FIN包。

窗口大小(Window Size)：16bit，表示从Ack Number开始还能接收多少字节的数据量，即当前接收端的接收窗口还有多少剩余空间。用于TCP的流量控制。

校验和(Checksum)：16bit。发送端基于数据内容计算一个数值，接收端要与发送端数值结果完全一样，才能证明数据的有效性。接收端checksum校验失败的时候会直接丢掉这个数据包。CheckSum是根据伪头+TCP头+TCP数据三部分进行计算的。

紧急指针（Urgent Pointer）：16位，在URG标志设置了时才有效。与序号字段的值相加后表示最后一个紧急数据的下一字节的序号，可以说这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移。

选项(Option)：长度不定，但长度必须以是32bits的整数倍。常见的选项包括MSS、SACK、Timestamp等等，后续的内容会分别介绍相关选项。

UDP报文：

源端口号（Source Port）：16bit，指明发送数据的进程。

目的端口号（Destination Port）:16bit，指明目的主机接收数据的进程。

长度(Length):16bit，该字段值为报头和数据两部分的总字节数。

检验和（Checksum）:16bit，UDP检验和作用于UDP报头和UDP数据的所有位。由发送端计算和存储，由接收端校验。

数据(data)

TCP的连接与断开

1、主机A发送一个标识了SYN的数据段，表示期望与服务器B建立连接，此数据段的***（seq）为0。（***不确定，与系统有关，最大为2的32次方，超过循环）

2、服务器B回复标识了SYN+ACK的数据段，此数据段的***（seq）为0，确认***为主机A的***加1（0+1），以此作为对主机A的SYN报文的确认。

3、主机A发送一个标识了ACK的数据段，此数据段的***（seq）为0+1，确认***为服务器A的***加1（0+1），以此作为对服务器B的SYN报文段的确认。

1、主机A想终止连接，于是发送一个标识了FIN，ACK的数据段，***为101，确认***为301。

2、服务器B回应一个标识了ACK的数据段，***为301，确认序号为101+1，作为对主机A的FIN报文的确认。

3、服务器B想终止连接，于是向主机A发送一个标识了FIN，ACK的数据段，***为301，确认***为101+1。

4、主机A回应一个标识了ACK的数据段，***为101+1，确认序号为301+1，作为对服务器B的FIN报文的确认。
以上四次交互便完成了两个方向连接的关闭。

滑动窗口机制：

滑动窗口机制工作原理可参考此连接：https://www.cnblogs.com/luoquan/p/4886345.html

网络层

IP报文头部

版本：4bit，IP协议的版本号，分为IPv4和IPv6协议。

首部长度IHL:4bit,IPv4的首部长度。

区分服务Type of service:8bit,用来获得更好的服务。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。

总长度:16bit,指首部和数据之和的长度。

标识Identification:16bit,IPv4软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。

标志Flags:3bit,目前只有两位有意义。最低位为1表示后面“还有分片”的数据报，为0表示这已经是最后一个数据片；中间一位为1表示“不能分片”，为0才允许分片。

片偏移:13bit,指出较长的分组在分片后，该片在原分组中的相对位置。

生存时间TTL（Time To Live）:8bit,表示数据报在网络中的寿命，功能是“跳数限制”。

协议 Protocol:8bit,指出此数据报携带的数据是使用何种协议。

首部检验和Header Checksum:16bit,数据报每经过一个设备，设备都要重新计算一下首部检验和，若首部未发生变化，则此结果必为0，于是就保留这个数据报。这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。

源地址Source Address:32bit,报文发送方的IPv4地址。

目的地址:32bit,报文接收方的IPv4地址。

选项字段Options:0～40字节（长度可变）,用来支持排错、测量以及安全等措施。在必要的时候插入值为0的填充字节。数据部分可变用来填充报文。

IP地址分类

其中全0的主机号码表示该IP地址就是网络的地址，用于网络路由，全1的主机号码表示广播地址，即对该网络上所有的主机进行广播，127作为A类地址保留用于本地回环测试本地连通性。255.255.255.255用于局域网广播地址。

私有地址范围：

私有IP
A	10.0.0.0~10.255.255.255
B	172.16.0.0~172.31.255.255
C	192.168.0.0~192.168.255.255

默认子网掩码：

A	255.0.0.0
B	255.255.0.0
C	255.255.255.0

ARP协议

通过目的IP地址而获取目的MAC地址的过程是由ARP（Address Resolution Protocol）协议来实现的。
一台网络设备要发送数据给另一太网络设备时，必须要知道对方的IP地址。但是，仅有IP地址是不够的，因为IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送，而数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。每一个网络设备在数据封装前都需要获取下一跳的MAC地址。IP地址由网络层来提供，MAC地址通过ARP协议来获取。ARP协议是TCP/IP协议簇中的重要组成部分，ARP能够通过目的IP地址发现目标设备的MAC地址，从而实现数据链路层的可达性。

ARP数据包格式

网络设备通过ARP报文来发现目的MAC地址。ARP报文中包含以下字段：

1. Hardware Type表示硬件地址类型，一般为以太网；
2. Protocol Type表示三层协议地址类型，一般为IP；
3. Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度，单位是字节；
4. Operation Code指定了ARP报文的类型，包括ARP request和ARP reply；
5. Source Hardware Address指的是发送ARP报文的设备MAC地址；
6. Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址；
7. Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址，在ARP request报文中，该字段值为0；
8. Destination Protocol Address指的是指接收者的IP地址。

ARP工作过程：
通过ARP协议，网络设备可以建立目标IP地址和MAC地址之间的映射。网络设备通过网络层获取到目的IP地址之后，还要判断目的MAC地址是否已知。

ARP缓存：
网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache），ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过发送ARP request报文来获得它。学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内，设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了这段有效期，ARP表项会被自动删除。
如果目标设备位于其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址，然后将数据发送给网关，网关再把数据转发给目的设备。

ARP请求：

本例中，主机A的ARP缓存表中不存在主机C的MAC地址，所以主机A会发送ARP request来获取目的MAC地址。ARP request报文封装在以太帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机A的MAC地址。此时，由于主机A不知道主机C的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。ARP request报文中包含源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址，其中目的MAC地址的值为0。ARP Request报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接收到此ARP request报文。网关将会阻止该报文发送到其他网络上。

ARP响应：

所有的主机接收到该ARP Request报文后，会检查它的目的协议地址字段与自身的IP地址是否匹配。如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP Request报文。如果匹配，则该主机会将ARP报文中的源MAC地址和源IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行响应。

ARP缓存：

主机A收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的MAC地址是否与自己的MAC匹配。如果匹配，ARP报文中的源MAC地址和源IP地址会被记录到主机A的ARP缓存表中。ARP表项的老化超时时间缺省为1200秒。

ARP代理：

在上述例子的组网中，主机A需要与主机B通信时，目的IP地址与本机的IP地址位于不同网络，但是由于主机A未配置网关，所以它将会以广播形式发送ARP Request报文，请求主机B的MAC地址。但是，广播报文无法被路由器转发，所以主机B无法收到主机A的ARP请求报文，当然也就无法应答。
在路由器上启用代理ARP功能，就可以解决这个问题。启用代理ARP后，路由器收到这样的请求，会查找路由表，如果存在主机B的路由表项，路由器将会使用自己的G0/0/0接口的MAC地址来回应该ARP request。主机A收到ARP reply后，将以路由器的G0/0/0接口MAC地址作为目的MAC地址进行数据转发。

免费ARP:

主机被分配了IP地址或者IP地址发生变更后，必须立刻检测其所分配的IP地址在网络上是否是唯一的，以避免地址冲突。主机通过发送ARP request报文来进行地址冲突检测。
主机A将ARP Request广播报文中的目的IP地址字段设置为自己的IP地址，该网络中所有主机包括网关都会接收到此报文。当目的IP地址已经被某一个主机或网关使用时，该主机或网关就会回应ARP reply报文。通过这种方式，主机A就能探测到IP地址冲突了。