詳解計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

詳解計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以圖文并茂的方式細說網(wǎng)絡(luò)技術(shù)細節(jié)。

目錄

1.OSI七層協(xié)議...................................................................2

1.1.物理層....................................................................2

1.2.數(shù)據(jù)鏈路層：..............................................................2

1.3.網(wǎng)絡(luò)層：..................................................................2

1.4.傳輸層....................................................................3

1.5.會話層....................................................................4

1.6.表示層...................................................................4

1.7.應(yīng)用層....................................................................4

2.TCP/IP協(xié)議....................................................................5

3.傳輸層：.......................................................................6

4.傳輸層主要有兩種協(xié)議：UDP和TCP.........................................................................................7

4.1.UDP協(xié)議特點：...........................................................7

4.2.TCP協(xié)議..................................................................7

5.TCP報文段的首部格式..........................................................8

6.TCP可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)...........................................................10

6.1.通過滑動窗口來發(fā)送數(shù)據(jù).................................................10

6.2.超時重傳時間的選擇.....................................................10

6.3.確認....................................................................10

7.TCP傳輸連接管理..............................................................10

8.連接建立（三次握手）.......................................................11

8.1.為何需要第三次握手？...................................................11

9.連接釋放（四次揮手）.......................................................12

9.1.為引么需要2MSL的等待時間？...........................................12

10.應(yīng)用層......................................................................13

10.1.HTTP協(xié)議特點：........................................................13

11.HTTP與HTTPS的區(qū)別：......................................................15

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1.OSI七層協(xié)議

1.1.物理層

很久很久以前，那時候還沒有現(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器上寫好的一些個人游戲心得（如何玩好王者農(nóng)

藥）發(fā)給小紅（?；ǎ?，希望博得芳心。小明個人比較勤，游戲總結(jié)心得總結(jié)

的比較詳細（大概有100M）。但是到底怎么才能從自己的機器上傳給小紅的

機器呢，進過一番打聽，他發(fā)現(xiàn)遠在太平洋另一端的科學家己經(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)備標準，

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)化為電流強弱來進行傳輸，到達目的地后在

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)叫做土

特。

他很興奮，通過一個月的努力終于搭建起了這個物理層。

1.2.數(shù)據(jù)鏈路層：

然而上天卻好像和小明開了一個玩笑，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，他體內(nèi)的雄性激素促使著他的大腦以光速運轉(zhuǎn)C終于他餓了，無奈

得走去學校飯?zhí)萌龢浅月槔睜C。此時聽到隔壁坐著的那位王叔叔（老王）說，

科學家已經(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！

右通過一番努力查資料，小明發(fā)現(xiàn)：這種技術(shù)可以通過電線我能發(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，有糾錯功能。定義了如何讓格式化數(shù)據(jù)以進行傳輸，以及如何讓控制衣物

理介質(zhì)的訪問。這一層通常還提供錯誤檢測和糾正，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

1.3.網(wǎng)絡(luò)層：

由于小明家離小紅家比較遠，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節(jié)點（路由器，交換機），用

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于信號的傳輸。但是由于他有時候被雄性激素沖昏了頭腦，搭建的信號節(jié)點有

點亂，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。當小明說

完后，王叔叔從緊張變?yōu)楹吞@，和小明說：其實已經(jīng)有人發(fā)明了網(wǎng)絡(luò)層。即路

由器，交換機那些具有尋址功能的設(shè)備所實現(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。

L4.傳輸層

為了趁熱打鐵，小明通宵查資料來學習相關(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。當他起來的時候，噩夢才剛剛

開始，因為他傳輸?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

一部分數(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)到另一臺計兌機了，但是當我發(fā)大量數(shù)據(jù)時候，可

能需要好長時間，例如一個視頻格式的，網(wǎng)絡(luò)會中斷好多次(事實上，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，只是中斷的時間是亳秒級別

的)。

那么，我還須要保證傳輸大量文件時的準確性。于是，我要對發(fā)出去的數(shù)

據(jù)進行封裝。就像發(fā)快遞一樣，一個個地發(fā)。

例如TCP,是用于發(fā)大量數(shù)據(jù)的，我發(fā)了1萬個包出去，另一臺電腦就要

告訴我是否接受到了1萬個包，如果缺了3個包，就告訴我是第1001,234,

8888個包丟了，那我再發(fā)一次。這樣，就能保證對方把這個視頻完整接收了。

例如UDP,是用于發(fā)送少量數(shù)據(jù)的。我發(fā)20個包出去，一般不會丟包，所

以，我不管你收到多少個。在多人互動游戲，也經(jīng)常用UDP協(xié)議，因為一般都

是簡單的信息，而且有廣播的需求。如果用TCP,效率就很低，因為它會不停

地告訴主機我收到了20個包，或者我收到了18個包，再發(fā)我兩個！如果同時

有1萬臺計算機都這樣做，那么用TCP反而會降詆效率，還不如用UDP,主機

發(fā)出去就算了，丟幾個包你就卡一下，算了，下次再發(fā)包你再更新。

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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?！?/p>

通過如此這般的操作，他！小明同學終于把自己100M的游戲心得發(fā)送給

了小紅。

1.5.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：會活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)的機器。

1.6.zj\

（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，但是當小紅想用自己的window開該文件時發(fā)現(xiàn)根本無法打開，后

來小紅在下課的時候和小明說自己無法打開這個文件，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“我放學后再發(fā)你一份！”。

這時雖然小明不知道是出了什么問題，但是他堅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?！?/p>

小明立即用了一個通宵手動搭好了表示層，，專輸了一份完美的文件給小

紅。

1.7.應(yīng)用層

（文件傳輸，電子郵件，文件服務(wù)，虛擬終端）

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官方OSI說明圖

2.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）

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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、

表不層、應(yīng)用層。

簡化后的四層分別是：主機到網(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)心下層是如何實現(xiàn)的。

與OSI七層協(xié)議的對比：

OSI參考模型TCP/IP參考模型

應(yīng)用層十

表小層■應(yīng)用層數(shù)據(jù)段

會話層*

傳輸層傳輸層數(shù)據(jù)包

網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)網(wǎng)互連層數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)鏈路層

主機到網(wǎng)絡(luò)層比特

物理層

*

3.傳輸層:

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

為何要有傳輸層？應(yīng)為進程是資源分配的基本單位，計算機之間的信息傳

輸也只是一臺計算機的進程傳輸?shù)搅硗庖慌_計算機的進程中。

一臺計算機如何找到另外一臺計算機呢？那就是通過IP協(xié)議來完成的（復(fù)

用，多個進程都可以把信息通過傳輸層到IP層，再傳輸?shù)搅硗庖慌_計算機

中）。

那如何找到另外一臺計算機的進程（pid）?那就是用端口（分用，到達另

外一臺計算機后還要通過端口號找到對應(yīng)進程）。

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4?傳輸層主要有兩種協(xié)議：UDP和TCP

4.1.UDP協(xié)議特點：

無連接，傳輸數(shù)據(jù)時不需要建立連接，減小開銷

盡最大努力交付，不確?？煽拷桓?/p>

面向報文

沒有擁塞控制、確保信息實時性

支持一對一，一木■多，多對一，多對多

首部開銷小，只有8個字節(jié)

UDP的首部格式（UDP頭）：

源端口，發(fā)送方的端口

目標端口，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）

檢驗和，檢查UDP用戶數(shù)據(jù)傳輸中是否與錯，有錯就丟棄（檢查首部長度

+用戶數(shù)據(jù)包）

源端端口'目的地端口

用戶數(shù)據(jù)包長度|校查和■■|

I-----------------------_二一

數(shù)據(jù)

4.2.TCP協(xié)議

A、特點：

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連接只能有兩個端點，端點是socket（結(jié)構(gòu)IP地址:端口號），

并非主機或進程。

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

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B、為何TCP是可靠的呢？其實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)議才達到可靠的目的a、等待協(xié)議

特點：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)，中間的等待時間RTT占了大部分時間，中間如果出現(xiàn)差錯（超時或確

認丟失）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：維持一個發(fā)送窗口（記錄了當前可以發(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)器只在接收完一個發(fā)

送窗口的數(shù)據(jù)后才回響應(yīng)（累計確認），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)送細節(jié)，必須知道

TCP報文首部

5.TCP報文段的首部格式

雖然說TCP是面向字節(jié)流的，但是TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元卻是報文段，報文

2.序號（占4字節(jié)）：TCP連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)每一個字節(jié)都有一個序號，而一

個報文段可能會有多個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這個序號指的是TCP報文段中起始的序

號，下一個報文段的序號則是該序號加上報文數(shù)據(jù)長度（三次握手和四次揮手

時說的SYN或ACK會消耗一個序號就是指該序號）

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3.確認號（占4字節(jié)）：因為一次數(shù)據(jù)傳輸會分成多個報文段，接收方接

收完一次報文段后如果要發(fā)送確認（有可能不用確認，因為是接收完發(fā)送窗口

的報文段才確認的），則會攜帶一個確認號，表示接收方想要接收的下一個報

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文段起始位置的距

離，就是報文首部的長度，單位是4字節(jié)，所以4位能表示最大值是十進制的

15,就是15x4字節(jié)=60字節(jié)，TCP報文首部最大長度為60字節(jié)

5.保留（占6位）：未被使用，全置為0

6.緊急URG：當URG=1時緊急數(shù)據(jù)才有效。注意，這里URG并不是緊急數(shù)

據(jù)，只是一個標志，標志著緊急數(shù)據(jù)是否有效

7.確認ACK：當ACK=1時確認號才有效，當建立連接后全部傳輸?shù)膱笪亩?/p>

要把ACK設(shè)置為1

8.推送PSH：接收方機器會有一個接收，當接收緩存慢了才回把接收到的

數(shù)據(jù)交付到接收應(yīng)用進程中，而如果發(fā)送端把報文的PSH設(shè)為1,接收方接收

到該報文會立即交付到應(yīng)用的進程中

9.復(fù)位RST：兩個作用，1、當RST=1時，表示TCP連接中出現(xiàn)嚴重差錯，

必須釋放連接，然后重新建立運輸連接。2、當RST=1時，拒絕一個非法的米文

段或拒絕打開一個連接。

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

報文段），當SYN=l,ACK=0表示這時一個連接請求報文。

11.終止FIN：用于釋放一個連接。當FIN=1時，表明此報文的發(fā)送方的數(shù)

據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，并要求釋放運輸連接。

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

13.檢驗和（占2字節(jié)）：檢驗接收過來的報文段（報文首部和用戶數(shù)據(jù)）

是否行誤

14.緊急指針（占2字節(jié)）：當URG=1時才有效，指出緊急數(shù)據(jù)未尾位置

（開始位置是整個報文段中用戶數(shù)據(jù)的開頭）

15.選項，長度可變，最長40字節(jié)

那到底TCP是如何實現(xiàn)可靠傳輸?shù)哪兀?/p>

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6.TCP可靠傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

6.1.通過滑動窗口來發(fā)送數(shù)據(jù)

提供的窗口

山接收方通告

可用的窗口

123456[7891011...

不能夠發(fā)送，

發(fā)送并被確認

擊

目至囪nri移M切.4f

能夠發(fā)送ASAP

發(fā)送窗口有兩部分組成，已發(fā)送的報文段和能夠發(fā)送但未發(fā)送的報文段

（等待已發(fā)送報文段全部接收完發(fā)回來的確認就可以發(fā)送了）

當收到確認后發(fā)送窗口會向右移動到7位置，作為窗口的起始位置。

發(fā)送窗口，發(fā)送窗口有可能會收縮（因為接收窗口有可能因為接收緩存不

夠而變?。?/p>

6.2.超時重傳時間的選擇

采用一個根據(jù)RTT動態(tài)計算的時間，并不是直接采用一個固定的時間

RTT：發(fā)送一個報文段到收到對應(yīng)的ACK所花費的時間RTO：超時重傳時間

RTTs是一個加權(quán)平均RTT時間RTTd是RTTs偏差的加權(quán)平均RTO=RTTs+4*

RTTd如果發(fā)生了重傳，這次的RTT會讓RTTs會變大，此時是不會用該RTT來

計算RTTs的

6.3.確認

SACK是一個TCP報文首部的選項。當數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收方可能會未按

順收到部分報文段，此時序號告訴發(fā)送方從新傳輸這些報文段，SACK選項就是

用于告訴發(fā)送方需要傳輸那些報文段的

7.TCP傳輸連接管理

連接的三個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、連接釋放在建立連接的過程中要

解決三個問題：

1）使每一方都知道對方的存在

2）協(xié)商一些參數(shù)

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3）能夠運輸實體資源

主動建立連接的一端叫客戶端，被動等待連接建立的一方叫服務(wù)器

8.連接建立（三次握手）

每次發(fā)送一個seq時，都會消耗一個序號，所以會發(fā)現(xiàn)在確認時，ack總等

于另一端請求的seq+1

8.1.為何需要第三次握手？

假設(shè)沒有第三次握手（即A再次確認）在很久很久以前，A發(fā)了一個連接

請求給B,但是網(wǎng)絡(luò)滯留的原因，請求沒有到達B,所以B也沒有確認返回給

A,所以A右發(fā)送了一個連接請求給B,此時B收到了連接請求并返回了一個確

認給A,此時連端開始愉快的數(shù)據(jù)傳輸之旅。當傳輸結(jié)束時，分別斷開連接，

各自干各自的活兒。但是過了一段時間，之間滯留在網(wǎng)絡(luò)中的A發(fā)出的連接請

求到達了B中，B以為A又要傳輸數(shù)據(jù)，便右回了一個確認給A,但是A并不

需要輸出傳輸，也沒有理會這個確認，而B卻在纓傻等待A傳輸數(shù)據(jù)，這個就

會浪費B的資源。但是如果有第三次A的確認，A這個滯留的連接傳給B,B返

回一個確認，但是A不想傳輸數(shù)據(jù)了，便沒有回一個確認給B（第三次握

手），B沒有收到該確認也不會等待A傳輸數(shù)據(jù)。

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9.連接釋放（四次揮手）

第一次揮手：客戶端發(fā)送連接，F(xiàn)IN=1標志著A已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)的發(fā)送「

第二次揮手：B回了一個確認，此時A與B的發(fā)送連接就斷開了。

第三次揮手：因為TCP連接是全雙工通信的，B還保留著一個對A大發(fā)送

連接，如果等到B也不需要發(fā)送數(shù)據(jù)給A時，B會發(fā)送一個連接給A,seq等于

一個大于或等于v的值（因為A與B斷開發(fā)送連接到B與A斷開發(fā)送連接期間

有可能B向A發(fā)送了數(shù)據(jù)，就是消耗序號）。

第四次揮手：當A收到B的連接時，要回一個響應(yīng)給B,但是此時會有一

個2MSL長的等待時間，時間一過，就真正的斷開與B的全部連接了。

9.1.為什么需要2MSL的等待時間？

MSL：最長報文壽命當A發(fā)送確認給A后，如果此時出現(xiàn)了一些狀況（連

接被丟棄等），確認無法到達B中，B會重新發(fā)送一個連接給A,但是A就停

止了，B就一直等待（其實有一個?；顣r間）。如果有了這個等待時間，就算

A的ACK確認丟失了，B也會再從新發(fā)送一個連接給A,A接收到該連接后，會

從新計算等待時間。A會再確認一次

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10.應(yīng)用層

10.1.HTTP協(xié)議特點：

支持客戶端/服務(wù)器模式

簡單快速

靈活

求數(shù)據(jù)為空，都要有空行，表示請求首部的結(jié)束

從瀏覽器地址欄鍵入URL,回車后會盡力的流程：

DNS解析

TCP連接

發(fā)送HTTP請求

服務(wù)器處理請求，并返回HTTP報文

瀏覽器解析渲染頁面

連接結(jié)束

GET請求與POST請求的區(qū)別

HTTP報文層面：GET請求信息放在URL中，POST放在報文體中數(shù)據(jù)庫層

面：GET符合幕等性和安全性，POST不符合其他層面：GET可以被緩存、儲

存，而POST不行

Cookie和Session的區(qū)別

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為什么會有這兩種技術(shù)？

在使用一些需要登錄的網(wǎng)站時，每次訪問，都會需要驗證個人信息，即登

錄。這樣做比較繁瑣，能否將個人