一、应用层

TCP/IP每一层都让数据得以通过网络进行传输，这些层之间使用PDU（Packet Data Unit，协议数据单元）彼此交换信息，确保网络设备之间能够通信。

不同层的PDU中包含有不同的信息，因此PDU在不同层被赋予了不同的名称。

FTP

Telnet

HTTP

二、传输层

TCP和UDP

报文格式

TCP报文头部：

• Source Port：源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
• Destination Port：目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
• Sequence Number：序号字段。TCP链接中传输的数据流每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送数据的第一个字节的序号。长度为32比特。
• Acknowledgment Number：确认序列号，是期望收到对方下一个报文段数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收的数据段的最后一个字节数据的序号加1。只有Ack标识为1，此字段有效。长度为32比特。
• Header Length：头部长度，指出TCP报文头部长度，以32比特（4字节）为计算单位。若无选项内容，则该字段为5，即头部为20字节。
• Reserved：保留，必须填0。长度为6比特。
• Control bits：控制位，包含FIN、ACK、SYN等标志位，代表不同状态下的TCP数据段。
• Window：窗口TCP的流量控制，这个值表明当前接收端可接受的最大的数据总数（以字节为单位）。窗口最大为65535字节。长度为16比特。
• Checksum：校验字段，是一个强制性的字段，由发送端计算和存储，并由收端进行验证。在计算验证和时，要包括TCP头部和TCP数据，同时在TCP报文段的前面加上12字节的伪头部。长度为16比特。
• Urgent：紧急指针，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。长度为16比特。
• Options：选项字段（可选），长度为0~40字节。

UDP报文头部：

• Source Port：源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
• Destination Port：目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
• Length：该字段指定UDP报头和数据总共占用的长度。可能的最小长度是8字节，因为UDP报头已经占用了8字节。由于这个字段的存在，UDP报文总长不可能超过65535字节（包括8字节的报头，和65527字节的数据）。
• Checksum：覆盖UDP头部和UDP数据的校验和，长度为16比特。

端口号

TCP三次握手

TCP连接建立的详细过程如下：

• 由TCP连接发起方（图中PC1），发送第一个SYN位置1的TCP报文。初始序列号a为一个随机生成的数字，因为没收到过来自PC2的任何报文，所以确认序列号为0；
• 接收方（图中PC2）接收到合法的SYN报文之后，回复一个SYN和ACK置1的TCP报文。初始序列号b为一个随机生成的数字，同时因为此报文是回复给PC1的报文，所以确认序列号为a+1；
• PC1接收到PC2发送的SYN和ACK置位的TCP报文后，回复一个ACK置位的报文，此时序列号为a+1，确认序列号为b+1.PC2收到之后，TCP双向连接建立。

TCP的序列号与确认序列号

假设PC1要给PC2发送一段数据，传输过程如下：

• 1. PC1将全部待TCP发送的数据按照字节为单位编上号。假设第一个字节的编号为“a+1”，第二个字节的序号为“a+2”，依此类推。
• 2. PC1会吧每一段数据的第一个字节的编号作为序列号（Sequence number），然后将TCP报文发送出去。
• 3. PC2在收到PC1发送来的TCP报文后，需要给予确认同时请求下一段数据，如何确定下一段数据呢？序列号（a+1）+载荷长度=下一段数据的第一个字节的序号（a+1+12）
• 4. PC1在收到PC2发送的TCP报文之后，发现确认序列号为“a+1+12”，说明“a+1”到“a+12”这一段的数据已经被接受，需要从“a+1+12”开始发送。

为了提升发送效率，也可以一次性发送多段数据，由接收方统一确认。

TCP的窗口滑动机制

• 1. 在TCP三次握手建立连接时，双方都会通过Window字段告诉对方本端最大能够接受的字节数（也就是缓冲区大小）。
• 2. 连接建立成功之后，发送方会根据接受方宣告的Window大小发送相应字节数的数据。
• 3. 接受方接受到数据之后会放在缓冲区内，等待上层应用来取走缓冲的数据。若数据被上层取走，则相应的缓冲空间将被释放。
• 4. 接收方根据自身的缓存空间大小通告当前的可以接受的数据大小（Window）。
• 5. 发送方根据接收方当前的Window大小发送对应数量的数据。

TCP的关闭 – 四次握手

TCP支持全双工模式传输数据，这意味着同一时刻两个方向都可以进行数据的传输。在传输数据之前，TCP通过三次握手建立的实际上是两个方向的连接，因此在传输完毕后，两个方向的连接都必须关闭。如图所示：

• 1. 由PC1发出一个FIN字段置“1”的不带数据的TCP段；
• 2. PC2收到PC1发来的FIN置位的TCP报文后，会回复一个ACK置位的TCP报文。
• 3. 若PC2也没有需要发送的数据，则直接发送FIN置位的TCP报文。假设此时PC2还有数据要发送，那么当PC2发送完这些数据之后会发送一个FIN置位的TCP报文去关闭连接。
• 4. PC1收到FIN置位的TCP报文，回复ACK报文，TCP双向连接断开。

三、网络层

网络层协议工作过程

当采用IP作为网络层协议时，通信的双方都会被分配到一个“独一无二”的IP地址来标识自己。IP地址可被写成32位的二进制整数值形式，但为了方便人们阅读和分析，它通常被写成点十分进制的形式，即四个字节被分开用十进制表示，中间用点分隔，比如192.168.1.1。

IP数据包的封装与转发：

• 网络层收到上层（如传输层）协议传来的数据时候，会封装一个IP报文头部，并且把源和目的IP地址都添加到该头部中。
• 中间经过的网络设备（如路由器），会维护一张指导IP报文转发的“地图”—-路由表，通过读取IP数据包的目的地址，查找本地路由表后转发IP数据包。
• IP数据包最终到达目的主机，目的主机通过读取目的IP地址确定是否接受并做下一步处理。

IP协议工作时，需要如OSPF、IS-IS、BGP等各种路由协议帮助路由器建立路由表，ICMP帮忙进行网络的控制和状态诊断。

四、数据链路层

以太网与MAC地址

MAC地址由48比特（6个字节）长，12位的16进制数字组成。例如：48-A4-72-1C-8F-4F

地址解析协议（ARP）

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是根据IP地址获取数据链路层地址的一个TCP/IP协议。

ARP是IPv4中必不可少的一种协议，它的主要功能是：

• 将IP地址解析为MAC地址；
• 维护IP地址与MAC地址的映射关系的缓存，即ARP表项；
• 实现网段内重复IP地址的检测。

ARP的工作原理（1）

• 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ARP表项，则直接 采用该表项中的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 （缺省：180s），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。最后网关再把数据转发给目的设备。

ARP的工作原理（2）

• 主机1的ARP缓存表中不存在主机2的MAC地址，所以主机1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1的MAC地址。此时，由于主机1不知道主机2的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。
• ARP Request报文中包含发送端MAC地址、发送端IP地址、目的端MAC地址、目的端IP地址，其中目的端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。

ARP的工作原理（3）

• 所有的主机接收到该ARP Request报文后，都会检查它的目的端IP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请求报文中的发送端MAC地址和发送端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的工作原理（4）

• 主机2会向主机1回应ARP Reply报文。
• ARP Reply报文中的发送端IP地址是主机2自己的IP地址，目的端IP地址是主机1的IP地址，目的端MAC地址是主机1的MAC地址，发送端MAC地址是自己的MAC地址，同时操作类型被设置为Reply。
• ARP Reply报文通过单播传送。

ARP的工作原理（5）

• 主机1收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的端IP地址字段与自身的IP地址是否匹配。 如果匹配，ARP报文中的发送端MAC地址和发送端IP地址会被记录到主机1的ARP缓存表中。

五、物理层

常见传输介质

双绞线：当今以太网最常见的传输介质，按照抗电磁干扰能力还可以分为：

• STP-屏蔽双绞线
• UTP-非屏蔽双绞线

光纤传输，按照功能部件可分为：

• 光纤：光传输介质，简单的说，就是一根玻璃纤维，用于约束光传输的通道。
• 光模块：将电信号与光信号互转的器件，产生光信号。

串口电缆在WAN（Wide Area Network，广域网）中大规模使用，根据WAN线路类型不同，
串口电缆在设备上连接的接口类型也不同：异/同步串口、ATM接口、POS接口、CE1/PRI
接口等。

无线信号的传输可以通过电磁波进行，例如：无线路由器将数据通过调制以电磁波发送出
去，移动终端的无线网卡将电磁波解调，得到数据，完成从无线路由器到移动终端的数据
传输。