文章目录

一、前言
二、应用和数据
- 故事的起源-应用
- 应用的实现-数据
三、网络参考模型与标准协议
- OSI参考模型
- TCP/IP参考模型
- TCP/IP常见协议
- 常见协议标准化组织
- 应用层
- - 常见应用层协议-FTP
  - 常见应用层协议-TeInet
  - 常见应用层协议-HTTP
- 传输层
- - TCP和UDP--报文格式
  - TCP和UDP-端口号
  - TCP的建立-三次握手
  - TCP的序列号与确认序列号
  - TCP的窗口滑动机制
  - TCP的关闭-四次挥手
  - TCP和UDP总结
- 网络层
- - 网络层协议工作过程
- 数据链路层
- - 以太网与MAC地址
  - 地址解析协议（ARP）
  - - ARP的工作原理（1）
    - ARP的工作原理（2）
    - ARP的工作原理（3）
    - ARP的工作原理（4）
    - ARP的工作原理（5）
- 物理层
- - 常见传输介质
四、数据通信过程
- 发送方数据封装
- 中间网络数据传输
- 接收方数据解封装
五、总结

一、前言

数字化时代，各种信息以数据的形式充斥着我们的生活。什么是数据? 数据又是如何传递的?
本篇我们将通过网络参考模型去简单了解数据的"一生"。

二、应用和数据

故事的起源-应用

应用的存在，是为了满足人们的各种需求，比如访问网页，在线游戏，在线视频等。
伴随着应用会有信息的产生。比如文本，图片，视频等都是信息的不同呈现方式。

应用的实现-数据

数据的产生：在计算机领域，数据是各种信息的载体。
数据传输：大部分应用程序所产生的数据需要在不同的设备之间传递。

备注：计算机只能识别0和1的组成的电子数据(digital data)。它不具备读取各种信息的能力，所以信息需要通过一定的规则翻译成数据。
而对人来说，我们不具备读取电子数据的能力，所以在读取信息的时候，需要将数据转成人能理解的信息。
对于一名网络工程师来说，需要更关注数据的端到端传递的过程。

三、网络参考模型与标准协议

OSI参考模型

OSI模型,由国际化标准组织ISO收录在ISO 7489标准中并于1984年发布。
OSI参考模型又被称为七层模型，由下至上依次为:
物理层: 在设备之间传输比特流，提供机械和电气的规约，规定了电平、速度和电缆针脚等物理特性。
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。
网络层: 定义逻辑地址，供路由器确定路径，负责将数据从源网络传输到目的网络。
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。
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。
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个系统的应用层识别。
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。

TCP/IP参考模型

因为OSI协议栈比较复杂，且TCP和IP两大协议在业界被广泛使用，所以TCP/IP参考模型成为了互联网的主流参考模型。
TCP/IP模型在结构上与OSI模型类似，采用分层架构，同时层与层之间联系紧密。
TCP/IP标准参考模型将OSI中的数据链路层和物理层合并为网络接入层，这种划分方式其实是有悖于现实协议制定情况的，故融合了TCP/IP标准模型和OSI模型的TCP/IP对等模型被提出，后面的讲解也都将基于这种模型。

TCP/IP常见协议

TCP/IP协议栈定义了一系列的标准协议。
应用层
HTTP (Hypertext Transfer Protocol,超文本传输协议) :用来访问在网页服务器上的各种页面。
FTP (File Transfer Protocol,文件传输协议) : 为文件传输提供了途径，它允许数据从一台主机传送到另一台主机上。
DNS (Domain Name Service,域名称解析服务) :用于实现从主机域名到IP地址之间的转换。

传输层
TCP (Transmission Control Protocol, 传输控制协议) : 为应用程序提供可靠的面向连接的通信服务。目前，许多流行的应用程序都使用TCP。
UDP (User Datagram Protocol,用户数据报协议) : 提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性的保证。

网络层
IP(Internet Protocol, 互联网协议) : 将传输层的数据封装成数据包并完成源站点到目的站点的转发，提供无连接的、不可靠的服务。
IGMP (Internet Group Management Protocol,因特网组管理协议) : 负责IP组播成员管理的协议。它用来在IP主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系。
ICMP (Internet Control Message Protocol,网际报文控制协议) : 基于IP协议在网络中发送控制消息，提供可能发生在通信环境中的各种问题反馈。通过这些信息，使管理者可以对所发生的问题作出诊断，然后采取适当的措施解决。

数据链路层
PPP (Point-to- Point Protocol,点对点协议) :一种点对点模式的数据链路层协议，多用于广域网。
Ethernet(以太网协议): 一种多路访问广播型数据链路层协议，是当前应用最为广泛的局域网技术。
PPPoE (Point-to-Point Protocol over Ethernet,以太网承载PPP协议)：PPPoE提供通过简单桥接访问设备(接入设备)把一个网络的多个主机连接到远程访问集中器的功能。常见的应用有家庭宽带拨号上网。

常见协议标准化组织

IETF(Internet Engineering Task Force)
负责开发和推广互联网协议(特别是构成TCP/IP协议族的协议)的志愿组织,通过RFC发布新的或者取代老的协议标准。

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)
IEEE制定了全世界电子、电气和计算机科学领域30%左右的标准，比较知名的有IEEE802.3(Ethernet)、IEEE802.11(WiFi)等。

ISO(International Organization for Standardization)
在制定计算机网络标准方面，ISo是起着重大作用的国际组织，如OSI模型，定义于ISO/IEC7498-1。

应用层

应用层为应用软件提供接口，使应用程序能够使用网络服务。应用层协议会指定使用相应的传输层协议，以及传输层所使用的端口等。
应用层的PDU被称为Data (数据)

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。

常见应用层协议-FTP

FTP (File Transfer Protocol) 是一个用于从一台主机传送文件到另一台主机的协议，用于文件的
"下载”和"上传”，它采用C/S (Client/Server) 结构。

常见应用层协议-TeInet

Telnet是数据网络中提供远程登录服务的标准协议。Telnet为用户提供了在本地计算机上完成远程设备工作的能力。

常见应用层协议-HTTP

HTTP (HyperText Transfer Protocol)是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。设计HTTP最初的目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法。

传输层

传输层协议接收来自应用层协议的数据，封装上相应的传输层头部，帮助其建立“端到端"(Port to Port)的连接。
传输层的PDU被称为Segment (段)。

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，即上次已成功接收到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，由发端计算和存储，并由收端进行验证。在计算检验和时，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。

TCP和UDP-端口号

TCP的建立-三次握手

任何基于TCP的应用，在发送数据之前，都需要由TCP进行“三次握手”建立连接。

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

TCP使用序列号和确认序列号字段实现数据的可靠和有序传输。

TCP的窗口滑动机制

TCP通过滑动窗口机制来控制数据的传输速率。

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大小发送相应数量的数据。

TCP的关闭-四次挥手

当数据传输完成, TCP需要通过”四次挥手”机制断开TCP连接,释放系统资源。

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，两个方向的连接必须都关闭。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。
3. PC1收到FIN置位的TCP报文，回复ACK报文，TCP双向连接断开。

TCP和UDP总结

TCP:头部大小20个字节,通过三次握手、序列号和确认序列号.四次挥手等机制确保可靠性
优点如下:
1.传输数据前，先进行三次握手,确保可靠性
2.传输数据时，根据确认序列号确保数据能准确接收(重传机制保证数据可靠性)
(当确认序列号与发送的数据不相等时，证明数据可能发生丢包，下次发送数据时，则从确认序列号数值开始发送)
3.通过滑动窗口和慢启动机制，控制接收方和发生方的数据流量大小(减少带宽的浪费和数据包重传问题)
缺点如下:
每次收到数据都需要确认，对于时延比较敏感的流量影响较大(如:语音、视频等)
常用于对可靠性要求非常高的网络应用(例如: Http. Ftp. 邮件服务等)

UDP:头部大小8字节,没有可靠性的机制，没有重传机制，数据包发送和接收顺序由应用层提供(或者应用软件提供)
优点:传输速率更快，相同大小的文件传递，相比于TCP每个数据包都能节省12个字节，无需进行重传和确认。
缺点:面向无连接的传输协议，无法保障可靠性
常用于对时延敏感的业务，并且对可靠性要求不高(例如:语音电话、视频流量等)

网络层

传输层负责建立主机之间进程与进程之间的连接，而网络层则负责数据从一台主机到另外一台主机之间的传递。
网络层的PDU被称为Packet (包)。
IPv4简称IP，是目前应用最广泛的网络层协议

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，它通常被写成点分十进制的形式，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。
除了IP协议外，网络层中还有如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。

数据链路层

数据链路层位于网络层和物理层之间，可以向网络层的IP、IPv6等协议提供服务。
数据链路层的PDU被称为Frame (帧)。
以太网(Ethernet) 是最常见的数据链路层协议。

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:
根据已知的IP地址解析获得其对应的MAC地址。

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）

1.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。
2.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。
3.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）

1.主机2会向主机1回应ARP Reply报文。
2.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。
3.ARP Reply报文通过单播传送。

ARP的工作原理（5）

主机1收到ARP Replyl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。

物理层

数据到达物理层之后，物理层会根据物理介质的不同，将数字信号转换成光信号、电信号或者是电磁波信号。
物理层的PDU被称为比特流(Bitstream) 。

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。

四、数据通信过程

发送方数据封装

假设你正在通过网页浏览器访问华为官网，当你输入完网址，敲下回车后，计算机内部会发生下列事情:
1.IE浏览器(应用程序)调用HTTP(应用层协议)，完成应用层数据的封装(图中DATA还应包括HTTP头部，此处省略)。
2. HTTP依靠传输层的TCP进行数据的可靠性传输,将封装好的数据传递到TCP模块。
3. TCP模块给应用层传递下来的Data添加上相应的TCP头部信息(源端口、目的端口等)。此时的PDU被称作Segment(段)。
4.在IPv4网络中,TCP模块会将封装好的Segment传递给网络层的IPv4模块(若在IPv6环境，会交给IPv6模块进行处理)。
5.IPv4模块在收到TCP模块传递来的Segment之后，完成IPv4头部的封装,此时的PDU被称为Packet(包)。
6.由于使用了Ethernet作为数据链路层协议，故在IPv4模块完成封装之后,会将Packet交由数据链路层的Ethernet模块(例如以太网卡)处理。
7. Ethernet模块在收到IPv4模块传递来的Packet之后，添加上相应Ethernet头部信息和FCS帧尾，此时的PDU被称为Frame(帧)。
8.在Ethernet模块封装完毕之后，会将数据传递到物理层。
9.根据物理介质的不同，物理层负责将数字信号转换成电信号，光信号，电磁波(无线)信号等。
10.转换完成的信号在网络中开始传递。

中间网络数据传输

封装好的完整数据，将会在网络中被传递。

一般情况下:
网络中的二层设备(如以太网交换机)只会解封装数据的二层头部，根据二层头部的信息进行相应的"交换操作。
网络中的三层设备 (如路由器)只会解封装到三层头部，并且根据三层头部的信息进行相应的"路由 "操作。
注："交换"和"路由”的详细细节和原则，将会在后面详细介绍。

接收方数据解封装

经过中间网络传递之后，数据最终到达目的服务器。根据不同的协议头部的信息，数据将被一层层的解封装并做相应的处理和传递，最终交由WEB服务器上的应用程序进行处理。

五、总结

不论是0SI参考模型还是TCP/IP参考模型，都采用了分层的设计理念。
!!!各个层次之间分工、界限明确，有助于各个部件的开发、设计和故障排除
!!!通过定义在模型的每一层实现什么功能，鼓励产业的标准化
!!!通过提供接口的方式，使得各种类型的网络硬件和软件能够相互通信，提高兼容性
数据的产生与传递，需要各模块之间相互协作，同时每个模块又需要"各司其职"。

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