網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本文以圖文并茂的方式細(xì)說網(wǎng)絡(luò)技術(shù)細(xì)節(jié)。

OSI七層協(xié)議

1.物理層：

很久很久以前，那時(shí)候還沒有現(xiàn)在的外星人超級電腦，或者華為的P30。比較調(diào)皮的小明想要把自己機(jī)器上寫好的一些個(gè)人游戲心得（如何玩好王者農(nóng)藥）發(fā)給小紅（?；ǎＭ┑梅夹?。小明個(gè)人比較勤，游戲總結(jié)心得總結(jié)的比較詳細(xì)（大概有100M）。但是到底怎么才能從自己的機(jī)器上傳給小紅的機(jī)器呢，進(jìn)過一番打聽，他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)在太平洋另一端的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了一種技術(shù) 物理層，專門用來解決小明這種單身狗問題。該層主要定義物理設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，如網(wǎng)線的接口類型、光纖的接口類型、各種傳輸介質(zhì)的傳輸速率等。它的主要作用是傳輸比特流(就是由1、0轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)弱來進(jìn)行傳輸，到達(dá)目的地后在轉(zhuǎn)化為1、0，也就是我們常說的數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換)。這一層的數(shù)據(jù)叫做比特。

他很興奮，通過一個(gè)月的努力終于搭建起了這個(gè)物理層。

2.數(shù)據(jù)鏈路層：

然而上天卻好像和小明開了一個(gè)玩笑，樓下的小潤發(fā)超市的網(wǎng)線、光纖最近賣光了，但是這個(gè)物理層傳輸數(shù)據(jù)只能通過網(wǎng)線傳輸。到底怎么辦。

此時(shí)，他體內(nèi)的雄性激素促使著他的大腦以光速運(yùn)轉(zhuǎn)。終于他餓了，無奈得走去學(xué)校飯?zhí)萌龢浅月槔睜C。此時(shí)聽到隔壁坐著的那位王叔叔（老王）說，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了一種技術(shù)可以通過無線電來傳輸。What？這不是完美解決了自己的困擾嗎。小明連忙對隔壁老王說謝謝，老王留下了幸福的淚水！

又通過一番努力查資料，小明發(fā)現(xiàn)：這種技術(shù)可以通過電線能發(fā)數(shù)據(jù)流，也可以通過其它介質(zhì)來傳輸。然后還要保證了傳輸過去的比特流是正確的，有糾錯(cuò)功能。定義了如何讓格式化數(shù)據(jù)以進(jìn)行傳輸，以及如何讓控制對物理介質(zhì)的訪問。這一層通常還提供錯(cuò)誤檢測和糾正，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

小明把層技術(shù)稱為：數(shù)據(jù)鏈路層

3.網(wǎng)絡(luò)層：

由于小明家離小紅家比較遠(yuǎn)，無線電信號無法傳輸?shù)侥睦?，但是這完全難不到小明。他通過在離小紅家的路上搭建了多個(gè)節(jié)點(diǎn)（路由器，交換機(jī)），用于信號的傳輸。但是由于他有時(shí)候被雄性激素沖昏了頭腦，搭建的信號節(jié)點(diǎn)有點(diǎn)亂，而且很多。那他又想用最短的路徑來傳輸怎么辦呢？在小明沮喪走回家的時(shí)候已深夜，他看見今天看到的那位王叔叔匆匆的從自己家走出來，他連忙拉住王叔叔，向他訴說自己的煩惱，希望王叔叔能給自己一些幫助。當(dāng)小明說完后，王叔叔從緊張變?yōu)楹吞@，和小明說：其實(shí)已經(jīng)有人發(fā)明了網(wǎng)絡(luò)層。即路由器，交換機(jī)那些具有尋址功能的設(shè)備所實(shí)現(xiàn)的功能。這一層定義的是IP地址，通過IP地址尋址。所以產(chǎn)生了IP協(xié)議。該層能選擇最佳路徑，這就是路由要做的事。

4.傳輸層：

為了趁熱打鐵，小明通宵查資料來學(xué)習(xí)相關(guān)信息，并且簡單搭建好網(wǎng)絡(luò)層，開始傳輸數(shù)據(jù)，趁著傳輸過程好好睡一覺。當(dāng)他起來的時(shí)候，噩夢才剛剛開始，因?yàn)樗麄鬏數(shù)臄?shù)據(jù)太大（100M）只傳輸了一部分，而且斷斷續(xù)續(xù)的，有一部分?jǐn)?shù)據(jù)根本傳不出去。那怎么辦？

“加一層傳輸層！”：王叔叔在樓下大聲喊著，“資料在你媽媽的床頭柜”，王叔叔繼續(xù)說。小明連忙找到資料，上面寫著：“發(fā)正確的發(fā)比特流數(shù)據(jù)到另一臺計(jì)算機(jī)了，但是當(dāng)我發(fā)大量數(shù)據(jù)時(shí)候，可能需要好長時(shí)間，例如一個(gè)視頻格式的，網(wǎng)絡(luò)會中斷好多次（事實(shí)上，即使有了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)還是經(jīng)常中斷，只是中斷的時(shí)間是毫秒級別的）。

那么，我還須要保證傳輸大量文件時(shí)的準(zhǔn)確性。于是，我要對發(fā)出去的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。就像發(fā)快遞一樣，一個(gè)個(gè)地發(fā)。

例如TCP，是用于發(fā)大量數(shù)據(jù)的，我發(fā)了1萬個(gè)包出去，另一臺電腦就要告訴我是否接受到了1萬個(gè)包，如果缺了3個(gè)包，就告訴我是第1001，234，8888個(gè)包丟了，那我再發(fā)一次。這樣，就能保證對方把這個(gè)視頻完整接收了。

例如UDP，是用于發(fā)送少量數(shù)據(jù)的。我發(fā)20個(gè)包出去，一般不會丟包，所以，我不管你收到多少個(gè)。在多人互動游戲，也經(jīng)常用UDP協(xié)議，因?yàn)橐话愣际呛唵蔚男畔?，而且有廣播的需求。如果用TCP，效率就很低，因?yàn)樗鼤煌５馗嬖V主機(jī)我收到了20個(gè)包，或者我收到了18個(gè)包，再發(fā)我兩個(gè)！如果同時(shí)有1萬臺計(jì)算機(jī)都這樣做，那么用TCP反而會降低效率，還不如用UDP，主機(jī)發(fā)出去就算了，丟幾個(gè)包你就卡一下，算了，下次再發(fā)包你再更新。

TCP協(xié)議是會綁定IP和端口的協(xié)議，下面會介紹IP協(xié)議。”

通過如此這般的操作，他！小明同學(xué)終于把自己100M的游戲心得發(fā)送給了小紅。

5.會話層(解除與建立與別的接口的聯(lián)系)：

然而，小紅根本不玩游戲。得知這個(gè)消息后，小明楞逼了。但是他沒有放棄，而是把自己猜到小紅喜歡的信息都發(fā)給他，但是小明每發(fā)一次，難道我每次都要調(diào)用TCP去打包，然后調(diào)用IP協(xié)議去找路由，這一來一回就是一天，那怎么辦呢？

他又翻了翻王叔叔的筆記本資料，寫著：會話層可以幫助我們建立和管理應(yīng)用程序之間的通信，封裝了調(diào)用TCP去打包，然后調(diào)用IP協(xié)議去找路由等操作，如此一來，他只需要十幾二十分鐘就能夠成功搭建好傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)器。

6.表示層(數(shù)據(jù)格式化，代碼轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)加密)：

有一次，小明傳了一份數(shù)據(jù)，是關(guān)于如何選購化妝品的文章，小紅對此非常感興趣，但是當(dāng)小紅想用自己的window開該文件時(shí)發(fā)現(xiàn)根本無法打開，后來小紅在下課的時(shí)候和小明說自己無法打開這個(gè)文件，小明想自己用Linux系統(tǒng)明明完整地發(fā)送給了小紅啊，那就奇怪了，但是出于耍帥，小明只是輕輕地說“我放學(xué)后再發(fā)你一份！”。

這時(shí)雖然小明不知道是出了什么問題，但是他堅(jiān)信老王叔叔的資料筆記會有答案的。

果然！上清清楚楚的寫著：“現(xiàn)在我能保證應(yīng)用程序自動收發(fā)包和尋址了。但是我要用Linux給window發(fā)包，兩個(gè)系統(tǒng)語法不一致，就像安裝包一樣，exe是不能在linux下用的，shell在window下也是不能直接運(yùn)行的。于是需要表示層（presentation），幫我們解決不同系統(tǒng)之間的通信語法問題。”

小明立即用了一個(gè)通宵手動搭好了表示層，傳輸了一份完美的文件給小紅。

7.應(yīng)用層(文件傳輸，電子郵件，文件服務(wù)，虛擬終端)：

官方OSI說明圖

TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議是由七層模型簡化成四層而來。（TPC/IP協(xié)議其實(shí)泛指了四層模型中的全部協(xié)議，區(qū)別開TCP協(xié)議，IP協(xié)議）

• 七層有底向上分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層。
• 簡化后的四層分別是：主機(jī)到網(wǎng)絡(luò)層（比特）、網(wǎng)絡(luò)層（數(shù)據(jù)幀）、傳輸層（數(shù)據(jù)包）、應(yīng)用層（數(shù)據(jù)段）。

每一層對于上一層來講是透明的，上層只需要使用下層提供的接口，并不關(guān)心下層是如何實(shí)現(xiàn)的。與OSI七層協(xié)議的對比：

傳輸層：

網(wǎng)絡(luò)層是主機(jī)與主機(jī)之間的通訊，而傳輸層則是進(jìn)程之間的通訊。

為何要有傳輸層？

應(yīng)為進(jìn)程是資源分配的基本單位，計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸也只是一臺計(jì)算機(jī)的進(jìn)程傳輸?shù)搅硗庖慌_計(jì)算機(jī)的進(jìn)程中。

一臺計(jì)算機(jī)如何找到另外一臺計(jì)算機(jī)呢？

那就是通過IP協(xié)議來完成的（復(fù)用，多個(gè)進(jìn)程都可以把信息通過傳輸層到IP層，再傳輸?shù)搅硗庖慌_計(jì)算機(jī)中）。

那如何找到另外一臺計(jì)算機(jī)的進(jìn)程（pid）？那就是用端口（分用，到達(dá)另外一臺計(jì)算機(jī)后還要通過端口號找到對應(yīng)進(jìn)程）。

傳輸層主要有兩種協(xié)議：UDP和TCP

一、UDP協(xié)議

特點(diǎn)：

• 無連接，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不需要建立連接，減小開銷
• 盡最大努力交付，不確保可靠交付
• 面向報(bào)文
• 沒有擁塞控制、確保信息實(shí)時(shí)性
• 支持一對一，一對多，多對一，多對多
• 首部開銷小，只有8個(gè)字節(jié)

UDP的首部格式（UDP頭）：

• 源端口，發(fā)送方的端口
• 目標(biāo)端口，接收方的端口
• 長度，首部長度 + 用戶數(shù)據(jù)包的長度（可以沒有數(shù)據(jù)包，所用最小值為8）
• 檢驗(yàn)和，檢查UDP用戶數(shù)據(jù)傳輸中是否與錯(cuò)，有錯(cuò)就丟棄（檢查首部長度 + 用戶數(shù)據(jù)包）

二、TCP協(xié)議

A、特點(diǎn)：

• 面向連接的協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸之前都要建立連接（三次揮手），數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束都要釋放連接（四次揮手）

• 一條TCP連接只能有兩個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn)是socket（結(jié)構(gòu) IP地址:端口號），并非主機(jī)或進(jìn)程。

• 可靠交付

• 全雙工通信（一端既可以做發(fā)送方也可以做接收方）

• 面向字節(jié)流

B、為何TCP是可靠的呢？

其實(shí)TCP是依賴停止 等待協(xié)議和連續(xù)ARQ 協(xié)議+滑動窗口協(xié)議才達(dá)到可靠的目的

a、等待協(xié)議

• 特點(diǎn)：資源利用率非常低
• 工作原理：客戶發(fā)送一次數(shù)據(jù)到服務(wù)端，必須等到服務(wù)端響應(yīng)后才發(fā)第二次數(shù)據(jù)，中間的等待時(shí)間RTT占了大部分時(shí)間，中間如果出現(xiàn)差錯(cuò)（超時(shí)或確認(rèn)丟失）都需要從新傳輸。

b、連續(xù)ARQ協(xié)議

• 連續(xù)ARQ協(xié)議工作原理：維持一個(gè)發(fā)送窗口（記錄了當(dāng)前可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量n），在窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)都可以連續(xù)發(fā)送出去，服務(wù)器只在接收完一個(gè)發(fā)送窗口的數(shù)據(jù)后才回響應(yīng)（累計(jì)確認(rèn)），發(fā)送端接收到響應(yīng)就把發(fā)送窗口移動n位，開始新一輪數(shù)據(jù)發(fā)送。

以上只是簡單了解TCP協(xié)議的發(fā)送流程，如果要清楚發(fā)送細(xì)節(jié)，必須知道TCP報(bào)文首部

TCP報(bào)文段的首部格式

雖然說TCP是面向字節(jié)流的，但是TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元卻是報(bào)文段，報(bào)文段由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成，如圖：

1.源端口和目標(biāo)端口（各占兩字節(jié)）

2.序號（占4字節(jié)）：TCP連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)每一個(gè)字節(jié)都有一個(gè)序號，而一個(gè)報(bào)文段可能會有多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這個(gè)序號指的是TCP報(bào)文段中起始的序號，下一個(gè)報(bào)文段的序號則是該序號加上報(bào)文數(shù)據(jù)長度（三次握手和四次揮手時(shí)說的SYN或ACK會消耗一個(gè)序號就是指該序號）

3.確認(rèn)號（占4字節(jié)）：因?yàn)橐淮螖?shù)據(jù)傳輸會分成多個(gè)報(bào)文段，接收方接收完一次報(bào)文段后如果要發(fā)送確認(rèn)（有可能不用確認(rèn)，因?yàn)槭墙邮胀臧l(fā)送窗口的報(bào)文段才確認(rèn)的），則會攜帶一個(gè)確認(rèn)號，表示接收方想要接收的下一個(gè)報(bào)文的序號

4.數(shù)據(jù)偏移（占4字位）：數(shù)據(jù)部分的起始位置離報(bào)文段起始位置的距離，就是報(bào)文首部的長度，單位是4字節(jié)，所以4位能表示最大值是十進(jìn)制的15，就是15 x 4字節(jié) = 60字節(jié)，TCP報(bào)文首部最大長度為60字節(jié)

5.保留（占6位）：未被使用，全置為0

6.緊急URG：當(dāng)URG=1時(shí)緊急數(shù)據(jù)才有效。注意，這里URG并不是緊急數(shù)據(jù)，只是一個(gè)標(biāo)志，標(biāo)志著緊急數(shù)據(jù)是否有效

7.確認(rèn)ACK：當(dāng)ACK=1時(shí)確認(rèn)號才有效，當(dāng)建立連接后全部傳輸?shù)膱?bào)文都要把ACK設(shè)置為1

8.推送PSH：接收方機(jī)器會有一個(gè)接收，當(dāng)接收緩存慢了才回把接收到的數(shù)據(jù)交付到接收應(yīng)用進(jìn)程中，而如果發(fā)送端把報(bào)文的PSH設(shè)為1，接收方接收到該報(bào)文會立即交付到應(yīng)用的進(jìn)程中9.復(fù)位RST：兩個(gè)作用，1、當(dāng)RST=1時(shí)，表示TCP連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯(cuò)，必須釋放連接，然后重新建立運(yùn)輸連接。2、當(dāng)RST=1時(shí)，拒絕一個(gè)非法的報(bào)文段或拒絕打開一個(gè)連接。

10.同步SYN：用于同步序號（告訴另外一方，他們之間從該序號開始傳輸報(bào)文段），當(dāng)SYN=1,ACK=0表示這時(shí)一個(gè)連接請求報(bào)文。

11.終止FIN：用于釋放一個(gè)連接。當(dāng)FIN=1時(shí)，表明此報(bào)文的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，并要求釋放運(yùn)輸連接。

12.窗口（占2字節(jié)），是一個(gè)接收窗口，接收方允許發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)量

13.檢驗(yàn)和（占2字節(jié)）：檢驗(yàn)接收過來的報(bào)文段（報(bào)文首部和用戶數(shù)據(jù)）是否有誤

14.緊急指針（占2字節(jié)）：當(dāng)URG=1時(shí)才有效，指出緊急數(shù)據(jù)未尾位置（開始位置是整個(gè)報(bào)文段中用戶數(shù)據(jù)的開頭）

15.選項(xiàng)，長度可變，最長40字節(jié)

那到底TCP是如何實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)哪兀?/strong>