OSI七层参考模型

OSI模型，开放式通信系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model），是国际标准化组织（ISO）提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架，简称OSI（OSI/RM)。

思想：分层

• 更利于标准化。
• 降低各层次之间的关联性：某一层协议的增加或者减少，尽量不要影响其他层次。

相同层次之间的设备协议具有相同或者相似的作用，不同层次之间具有明显的差异，每一层都在下一层的基础之上提供某种增值服务。

OSI七层模型的七个层次

• 应用层

  包括各种协议，具体的面向用户的应用。

• 表示层

  提供数据格式、变换和编码转换，从应用层接收消息，转换格式，并传送到会话层。

• 会话层

  发现，建立，维护和断开一次会话连接。

  负责执行会话规则（如连接是否允许半双工或全双工通信）、同步数据流以及当故障发生时重新建立连接。

• 传输层

  优化传输，端对端的传输。

  接收来自会话层的数据，向网络层传送分组并确保分组完整和正确到达它们的目的地。

  区分进程和服务：端口号（16位二进制 0-65535）

  端口号的主要作用是表示一台计算机中的特定进程所提供的服务。

  知名端口号：是一些众人皆知著名的端口号，这些端口号固定分配给一些服务，范围是：0-1023

  例如：80端口是HTTP协议服务，443端口是HTTPS协议服务等。

• 网络层

  负责端到端的数据的路由或交换。

  路由器 — IP地址（逻辑地址）

• 数据链路层

  电信号与二进制之间的转换。介质访问控制层MAC，逻辑链路控制层LLC。

  交换机 — MAC地址（物理地址）

• 物理层

  处理电信号。

  从数据链路层接收，将比特流转换成底层物理介质上的信号。

TCP/IP模型

TCP/IP协议簇

TCP/IP协议簇是一个四层协议系统，自顶向下分别是：应用层 传输层 网络层 数据链路层。每一层完成不同的功能，且通过若干协议来实现，上层协议使用下层协议提供的服务。

协议

为了完成计算机之间有序的信息交换，提出了通信协议的概念，其定义是相互通信的双方（或多方）对如何进行信息交换所必须遵守的一整套规则。

OSI 模型和 TCP/IP 模型的差异

OSI的上三层合并为一层，数据链路层与物理层合二为一，OSI分层太细并不实用。

TCP/IP标准模型与TCP/IP对等模型都被广泛的使用，只是侧重点稍有不同。

协议数据单元

协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）是指对等层次之间传递的数据单位。

应用层 — 数据报文（message）

传输层 — 数据段（segment）

网络层 — 数据包（packet）

数据链路层 — 数据帧（frame）

物理层 — 比特流（bit）

封装与解封装

封装 — 每一层都把上一层的协议包当成数据部分，加上自己的协议头部，组成自己的协议包。

解封装 — 封装的逆过程，可以理解为还原数据的过程。

TCP/IP协议

应用层

最上层的，用户可以直接接触到的就是应用层（Application Layer），电脑或手机使用的应用软件都是在应用层实现。

应用层只需要专注于为用户提供应用功能。

比如常见的服务与对应端口 HTTP — 80、HTTPS(HTTP+SSL/TLS) — 443、FTP — 20/21、Telnet — 23、DNS — 53、DHCP—67/68 等。

传输层

应用层的数据报会传给传输层，传输层（Transport Layer）是为应用层提供网络支持的。

在传输层会有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP。

TCP 的全称叫传输控制协议（Transmission Control Protocol），大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议，比如 HTTP 应用层协议。TCP 相比 UDP 多了很多特性，比如流量控制、超时重传、拥塞控制等，这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。

UDP 相对来说就很简单，简单到只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对方，它实时性相对更好，传输效率也高。

TCP和UDP的区别

1. TCP是面向连接（TCP三次握手）的协议，而UDP是无连接的协议。

2. TCP的传输是可靠的 —— 排序、确认、重传、流控，而UDP的传输是不可靠的。

3. TCP可以进行流控（滑动窗口机制），而UDP不行。

4. TCP可以进行分段，而UDP不能。

5. TCP转发数据包的速率慢，并且占用资源比较多。UDP的转发效率高于TCP，并且占用资源也会少一些。

应用场景：TCP更加适用于对数据包可靠性要求较高的情况，比如说传输文件，邮件等，而UDP适用于对可靠性要求较低，但是对转发效率要求较高的场景，比如说，即时通讯类。

TCP报头

TCP的报头组成：源端口、目的端口、 序号、确认号、 首部长度、保留位、标志位、窗口、 检验和、紧急指针。

• 源目端口号：各占2个字节，分别写入源端口和目的端口，即表示来源和目标的进程。

• 序号：占4个字节，TCP连接中传送的字节流中的每个字节都按顺序编号。

• 确认号：占4个字节，是期望收到对方下一个报文的第一个数据字节的序号。

• 首部长度：占4位，它指出TCP报文的数据距离TCP报文段的起始处有多远。

• 保留位：占6位，保留今后使用，但目前应都位0。

• 标志位：重要的三个，确认ACK，仅当ACK=1时，确认号字段才有效；同步SYN，在连接建立时用来同步序号；终止FIN，用来释放一个连接。

• 窗口大小：占2字节，指的是通知接收方，发送本报文你需要有多大的空间来接收。

• 检验和：占2字节，校验首部和数据这两部分。

• 紧急指针：占2字节，当URG=1时才有意义，指出本报文段中的紧急数据的字节数。

TCP报头最小20字节，没有选项字段（只有前5行）

TCP三次握手

TCP 是面向连接的协议，所以使用 TCP 前必须先建立连接，而建立连接是通过三次握手来完成的。三次握手可以确保双方同时具备完整的发送和接收数据的能力。

• 一开始，客户端和服务端都处于 CLOSE 状态。先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态。

• 第一次握手，客户端会随机初始化序号（c_seq_num = x），将此序号置于 TCP 首部的序号字段中，同时把 SYN 标志位置为 1，表示 SYN 报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于 SYN-SENT 状态。

• 第二次握手，服务端收到客户端的 SYN 报文后，首先也随机初始化自己的序号（s_seq_num = y），将此序号填入 TCP 首部的序号字段中，其次把 TCP 首部的确认号字段填入 x+1，接着把 SYN 和 ACK 标志位都置为 1。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于 SYN-RCVD 状态。

• 第三次握手，客户端收到服务端报文后，还要向服务端回复一个应答报文，首先该应答报文 TCP 首部 ACK 标志位置为 1 ，其次确认号字段填入 y+1 ，最后把该报文发送给服务端，这次报文可以携带客户到服务端的数据，之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。

• 最后，服务端收到客户端的应答报文后，也进入 ESTABLISHED 状态。

一旦完成三次握手，双方都处于 ESTABLISHED 状态，此时连接就已建立完成，客户端和服务端就可以相互发送数据了。

TCP四次挥手

TCP 断开连接是通过四次挥手方式的方式完成,双方都可以主动断开连接，断开连接后主机中的资源将被释放。

• 第一次挥手，客户端发送一个 FIN 标志位被置为 1 的报文，即 FIN 报文，告诉服务器需要关闭连接。之后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
• 第二次挥手，服务端收到该报文后，会发送一个 ACK 的确认包，告诉客户端接收到关闭的请求。发送完成后，服务端进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端收到这个包后，进入 FIN_WAIT_2 状态，等待服务器关闭连接。
• 第三次挥手，等待服务端处理完数据后，服务端准备好关闭连接时，也向客户端发送 FIN 报文，告诉客户端准备关闭。之后服务端进入 LAST_ACK 状态，等待客户端确认。
• 第四次挥手，客户端接收到服务端的关闭请求，再发送一个 ACK 的确认包，进入 TIME_WAIT 状态，服务端收到了 ACK 应答报文后，就进入了 CLOSE 状态，服务端已经完成连接的关闭。客户端在经过 2MSL 一段时间后，自动进入 CLOSE 状态，此时客户端也完成了连接的关闭。

每个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK，因此通常被称为四次挥手。

TCP流量控制 — 滑动窗口机制

滑动窗口，是TCP使用的一种流量控制方法。该机制允许发送方在停止并等待确认前可以连续发送多个分组。由于发送方不必每发一个分组就停下来等待确认，因此该协议可以加速数据的传输。

假定发送方设备以每一次三个数据包的方式发送数据，也就是说，窗口大小为3。发送方发送序列号为1、2、3的三个数据包，接收方设备成功接收数据包，用序列号4确认。发送方设备收到确认，继续以窗口大小3发送数据。当接收方设备要求降低或者增大网络流量时，可以对窗口大小（WIN值）进行减小或者增加。

TCP分段大小

MTU—最大传输单元，MTU规定了数据到数据链路层的大小不能超过1500字节。

MSS—最大段长度（MTU - 网络层报头(最短20字节) - 传输层报头(最短20字节)）= 1460字节

网络层

IP协议在 TCP/IP 参考模型中处于第三层，也就是网络层。

IP报头

• 版本：占4个位，标识目前采用的IP协议的版本号（0100-IPv4，0110-IPv6）。
• 首部长度：占4个位，这个字段的作用是为了描述IP包头的长度，因为在IP包头中有变长的可选部分。
• 区分服务：占1个字节，定义包的优先级，时延，吞吐量，可靠性，传输成本。
• 总长度：占2个字节， 以字节为单位计算的IP包的长度（包括头部和数据），所以IP包最大长度65535字节。
• 标识：占2个字节，该字段和标志和片偏移字段联合使用，对大的上层数据包进行分段（fragment）操作。
• 标志：占3位，该字段第一位不使用。第二位是DF（Don't Fragment）位，DF位置为1时表明路由器不能对该上层数据包分段。如果一个上层数据包无法在不分段的情况下进行转发，则路由器会丢弃该上层数据包并返回一个错误信息。第三位是MF（More Fragments）位，当路由器对一个上层数据包分片，则路由器会在除了最后一个分片的IP包的包头中将MF位设为1。
• 片偏移：占13位，较长的数据包在分片后，某片在原分组中的相对位置，接收端靠此来组装还原IP包。
• 生存时间：占1个字节，TTL，当IP经过沿途的每一个路由器的时候，路由器会将IP包的TTL值减1。直到减到0时，该IP包会被丢弃。
• 协议：占1个字节，标识了上层所使用的协议。
• 首部校验和：占2个字节，只用来做IP首部的正确性检测，但不包含数据部分。
• 源和目的地址：各占4个字节，标识了这个IP包源和目的主机的IP地址。

IP分片

链路层的数据部分就是IP分组，该分组的MTU是1500字节，当网络层的IP分组超过了1500字节，此时就要进行分片。

• 标识

  同一个IP数据报的分片，使用相同的标识。

• 标志

  最高位是保留位 , 没有意义 。

  中间位DF=1时，不能分片；DF=0时，允许分片。

  最低位MF=1时，表示后面还有分片；MF=0时，本分片就是该分组的最后一个分片，后面没有分片。

  只有DF=0时，MF才有意义。

• 片偏移

  较长的分组在分片后，中间的某个分片在原来的 IP 分组中的相对位置。片偏移以8个字节为偏移单位。

数据链路层

生成了 IP 数据包之后，接下来要交给数据链路层（Link Layer）封装成MAC帧。

MAC头部是以太网使用的头部，它包含了接收方和发送方的MAC地址等信息，可以通过ARP协议获取对方的MAC地址。

为网络层提供链路级别传输的服务，负责在底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用MAC地址来标识设备。

综上所述，TCP/IP 网络通常是由上到下分成4层，分别是应用层，传输层，网络层和数据链路层。