【网安干货】--计算机网络知识梳理总结(二)

这是计算机网络知识梳理的第二篇,真正去梳理才发现内容好多好多好多好多好多啊...怕是预计要写四篇


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计算机网络

  • [2 计算机网络协议](#2 计算机网络协议)
    • [2.1 网络协议的定义与核心要素](#2.1 网络协议的定义与核心要素)
      • [2.1.1 协议的定义](#2.1.1 协议的定义)
      • [2.1.2 协议的三要素(语义、语法、时序)](#2.1.2 协议的三要素(语义、语法、时序))
      • [2.1.3 协议的现实类比](#2.1.3 协议的现实类比)
    • [2.2 网络体系结构(协议的分层模型)](#2.2 网络体系结构(协议的分层模型))
      • [2.2.1 三种体系结构的对比](#2.2.1 三种体系结构的对比)
      • [2.2.2 分层设计的核心优势](#2.2.2 分层设计的核心优势)
      • [2.2.3 各层核心功能](#2.2.3 各层核心功能)
        • [2.2.3.1 物理层(最底层,负责物理信号传输)](#2.2.3.1 物理层(最底层,负责物理信号传输))
        • [2.2.3.2 数据链路层(物理层之上,负责数据帧传输)](#2.2.3.2 数据链路层(物理层之上,负责数据帧传输))
        • [2.2.3.3 网络层(数据链路层之上,负责跨网络数据传输)](#2.2.3.3 网络层(数据链路层之上,负责跨网络数据传输))
        • [2.2.3.4 传输层(网络层之上,负责端到端可靠传输)](#2.2.3.4 传输层(网络层之上,负责端到端可靠传输))
        • [2.2.3.5 应用层(最顶层,直接面向用户应用)](#2.2.3.5 应用层(最顶层,直接面向用户应用))
    • [2.3 数据传输的封装与解封装过程](#2.3 数据传输的封装与解封装过程)
      • [2.3.1 发送方封装过程(自上而下)](#2.3.1 发送方封装过程(自上而下))
      • [2.3.2 接收方解封装过程(自下而上)](#2.3.2 接收方解封装过程(自下而上))
      • [2.3.3 关键特点](#2.3.3 关键特点)
    • [2.4 TCP与UDP协议深度对比(传输层核心协议)](#2.4 TCP与UDP协议深度对比(传输层核心协议))
      • [2.4.1 TCP协议核心机制(保障可靠性的关键)](#2.4.1 TCP协议核心机制(保障可靠性的关键))
      • [2.4.2 UDP协议核心特点(适配实时性的关键)](#2.4.2 UDP协议核心特点(适配实时性的关键))
      • [2.4.3 典型应用场景对比](#2.4.3 典型应用场景对比)
    • [2.5 高层协议(会话层、表示层、应用层)](#2.5 高层协议(会话层、表示层、应用层))
      • [2.5.1 会话层(Session Layer)](#2.5.1 会话层(Session Layer))
      • [2.5.2 表示层(Presentation Layer)](#2.5.2 表示层(Presentation Layer))
      • [2.5.3 应用层(Application Layer)](#2.5.3 应用层(Application Layer))
    • [2.6 网络协议的协作逻辑(以网页浏览为例)](#2.6 网络协议的协作逻辑(以网页浏览为例))
      • [2.6.1 步骤1:应用层(HTTP协议)与DNS协议协作------获取目标IP地址](#2.6.1 步骤1:应用层(HTTP协议)与DNS协议协作——获取目标IP地址)
      • [2.6.2 步骤2:传输层(TCP协议)------建立端到端可靠连接](#2.6.2 步骤2:传输层(TCP协议)——建立端到端可靠连接)
      • [2.6.3 步骤3:网络层(IP协议)------实现跨网络路由转发](#2.6.3 步骤3:网络层(IP协议)——实现跨网络路由转发)
      • [2.6.4 步骤4:数据链路层(以太网协议)与物理层------实现相邻节点数据传输](#2.6.4 步骤4:数据链路层(以太网协议)与物理层——实现相邻节点数据传输)
      • [2.6.5 步骤5:百度服务器端解封装与响应------从物理层到应用层](#2.6.5 步骤5:百度服务器端解封装与响应——从物理层到应用层)
      • [2.6.6 步骤6:客户端接收响应与页面渲染](#2.6.6 步骤6:客户端接收响应与页面渲染)
      • [2.6.7 核心结论](#2.6.7 核心结论)

2 计算机网络协议

2.1 网络协议的定义与核心要素

网络协议是计算机网络的"通信规则",是实现不同设备、不同厂商系统之间互联互通的基础,其定义和核心要素可从"功能本质""三要素构成""现实类比"三个维度理解:

2.1.1 协议的定义

网络协议是为计算机网络中"数据交换"而建立的规则、标准或约定的集合。当多台计算机连接到同一网络并进行通信时,必须遵守统一的协议------如同道路上行驶的汽车需遵守交通规则(靠右行驶、红灯停绿灯行),否则会导致交通混乱;网络中若设备不遵守协议,数据将无法正确传输(如A设备按TCP协议封装数据,B设备按UDP协议解析,会导致数据无法识别)。

协议的核心作用是"统一数据传输的格式、速率、步骤":

  • 传输格式:规定数据的封装结构(如TCP报文包含源端口、目标端口、序列号等字段),确保接收方可正确解析数据。
  • 传输速率:约定数据发送的速率上限(如避免某一设备占用全部带宽导致其他设备断连),通过流量控制机制(如TCP的滑动窗口)调节速率。
  • 传输步骤:定义通信的流程(如TCP通过三次握手建立连接、四次挥手终止连接),确保通信双方同步状态(如发送方确认接收方准备就绪后再发送数据)。

2.1.2 协议的三要素(语义、语法、时序)

协议的三要素是构成协议的"基本单元",三者缺一不可,共同确保协议的可执行性和有效性:

  1. 语义(Semantics) :"要做什么"------定义协议中各字段、指令的含义和作用,即数据传输过程中"需要完成的操作"。
    • 示例:TCP协议中,SYN(同步)字段表示"请求建立连接",ACK(确认)字段表示"确认收到数据",FIN(终止)字段表示"请求释放连接";接收方看到SYN=1的报文,就知道发送方需要建立连接,需回复确认报文。
    • 核心作用:明确"操作意图",避免接收方误解发送方的指令(如SYN字段若无明确语义,接收方无法判断是建立连接还是释放连接)。
  2. 语法(Syntax) :"要怎么做"------定义数据的结构格式和编码规则,即"数据如何封装和传输"。
    • 示例:TCP报文的语法规定"首部前20字节为固定字段(包含源端口、目标端口、序列号等),后续为可选字段和数据字段",且每个字段的长度固定(如源端口和目标端口各占16位);发送方需按此格式封装数据,接收方按相同格式解析,才能提取有效信息。
    • 核心作用:统一"数据形态",确保不同设备(如Windows电脑和Linux服务器)对数据的封装和解析方式一致。
  3. 时序(Timing) :"做的顺序"------定义数据传输的先后顺序和时间间隔,即"何时发送数据、何时接收确认"。
    • 示例:TCP三次握手中,时序规定"客户端先发送SYN报文,服务器收到后回复SYN+ACK报文,客户端收到后再发送ACK报文",且每一步需在规定时间内完成(如服务器若10秒内未收到客户端的ACK,会重新发送SYN+ACK报文);若时序混乱(如服务器先发送SYN报文),连接将无法建立。
    • 核心作用:协调"通信节奏",避免数据发送与接收不同步(如发送方连续发送数据,接收方未准备好导致数据丢失)。

2.1.3 协议的现实类比

为更直观理解协议,可将其类比为"人类对话的语言规则":

  • 语义:对应"语言的含义",如中文中"你好"表示问候,"再见"表示告别,双方需理解词语的含义才能正常交流。
  • 语法:对应"语言的语法规则",如中文需遵循"主语+谓语+宾语"的语序(如"我吃饭"而非"饭吃我"),双方需按相同语法组织句子,否则无法理解。
  • 时序:对应"对话的顺序",如通常是一方先问候("你好"),另一方再回应("你好,有什么事?"),而非双方同时开口或无顺序交流,确保对话有序进行。
  • 结论:如同人类需使用统一语言规则才能交流,计算机需使用统一网络协议才能通信,协议的三要素分别对应"语言含义""语法规则""对话顺序",共同保障通信的有效性。

2.2 网络体系结构(协议的分层模型)

由于网络协议的功能复杂(需处理物理信号、数据封装、路由选择、应用交互等),直接设计单一协议难以实现和维护,因此采用"分层设计"思路,将协议按功能划分为不同层次,形成网络体系结构。常见的体系结构包括OSI七层模型、TCP/IP五层模型、TCP/IP四层模型,其中TCP/IP模型是互联网的事实标准。

2.2.1 三种体系结构的对比

三种模型的核心区别在于"分层粒度"不同,OSI模型分层最细(七层),TCP/IP四层模型分层最粗(四层),TCP/IP五层模型是二者的折中,具体对应关系如下表:

OSI七层模型 TCP/IP五层模型 TCP/IP四层模型 核心功能概述
应用层(Application) 应用层 应用层 为应用程序提供网络服务(如HTTP用于网页浏览、SMTP用于电子邮件)
表示层(Presentation) 应用层 应用层 处理数据格式转换、加密/解密(如将JPG图片格式转换为二进制数据、SSL/TLS加密)
会话层(Session) 应用层 应用层 建立、管理和维护应用程序间的会话(如验证用户登录、断开无效会话)
传输层(Transport) 传输层 传输层 提供端到端的可靠或不可靠传输(如TCP保障可靠传输、UDP提供不可靠传输)
网络层(Network) 网络层 网络层 实现IP地址封装、路由选择(如路由器根据IP地址转发数据包)
数据链路层(Data Link) 数据链路层 网络接口层 处理MAC地址封装、数据帧传输(如交换机根据MAC地址转发数据帧)
物理层(Physical) 物理层 网络接口层 传输物理信号(如将二进制数据转换为电信号/光信号,通过线缆传输)
  • 补充:OSI模型是国际标准化组织(ISO)制定的理论模型,旨在实现"全球网络完全互连",但因分层过细、实现复杂,未被广泛应用;TCP/IP模型是美国国防部为ARPANET设计的实用模型,因简洁、高效,逐步成为互联网的事实标准,目前互联网中的协议(如TCP、IP、HTTP)均基于TCP/IP模型设计。
  • 每层运行常见物理设备

2.2.2 分层设计的核心优势

分层设计是网络体系结构的"灵魂",其核心优势在于"模块化、可复用、易维护",具体体现在以下三点:

  1. 模块化设计,降低复杂度:将协议功能按层次拆分,每层只需关注自身功能(如物理层仅处理物理信号,无需关注应用层的网页数据),无需考虑其他层次的实现细节,降低了单个协议的设计和实现难度。例如,开发HTTP协议(应用层)时,只需关注如何与传输层(TCP)交互,无需关心数据如何通过物理层(光纤)传输。
  2. 层间独立,便于更新:各层之间通过"接口"交互(如传输层通过端口号与应用层交互,网络层通过IP地址与传输层交互),若某一层的技术更新(如物理层从双绞线升级为光纤),只需修改该层的实现,其他层次无需变动。例如,将局域网的传输介质从双绞线(物理层)改为光纤,应用层的HTTP协议、传输层的TCP协议无需任何修改,仍可正常工作。
  3. 标准化接口,促进兼容:分层模型定义了层间的标准接口(如数据链路层向网络层提供"帧传输"接口),不同厂商的设备只需遵循接口标准,即可实现互联互通。例如,华为的交换机(数据链路层)和思科的路由器(网络层),因均遵循TCP/IP模型的接口标准,可正常连接并转发数据,无需担心厂商差异。

2.2.3 各层核心功能

结合TCP/IP五层模型(兼顾理论完整性与实际应用),从底层到顶层依次阐述各层的核心功能、典型协议及代表设备,明确层间数据传输的协作逻辑:

2.2.3.1 物理层(最底层,负责物理信号传输)
  • 核心功能 :定义物理介质(如双绞线、光纤)的电气特性、机械特性、功能特性和过程特性,实现"二进制数据"与"物理信号"的转换(如将0/1二进制数据转换为电信号、光信号或电磁波),并通过物理介质传输信号。
    • 电气特性:规定信号的电压范围(如双绞线传输的以太网信号,高电平表示1,低电平表示0,电压范围±5V)、传输速率(如100Mbps以太网的信号传输速率为100兆比特/秒)。
    • 机械特性:规定物理接口的形状、引脚数量和排列(如RJ-45接口有8个引脚,双绞线的线序需按T568A/T568B标准连接)。
    • 功能特性:规定每个引脚的功能(如RJ-45接口的1、2引脚用于发送信号,3、6引脚用于接收信号)。
    • 过程特性:规定信号传输的流程(如发送方先检测线路是否空闲,再发送信号,接收方收到信号后反馈确认)。
  • 典型规范/协议:EIA/TIA RS-232(早期串口通信标准)、EIA/TIA RS-449(高速串口通信标准)、V.35(广域网专线接口标准)、RJ-45(以太网双绞线接口标准)。
  • 代表设备:中继器(放大衰减的物理信号,延长传输距离,如将双绞线的100米传输距离延长到200米)、集线器(将多个节点连接到同一物理总线,仅简单转发物理信号,无数据过滤功能)。
  • 数据单位:比特(Bit,0或1),是网络中最小的数据单位。
  • 补充:物理层不处理数据的逻辑意义(如数据是文字还是图片),仅负责"信号的发送与接收",是网络通信的"物理基础",若物理层故障(如网线断裂、接口松动),整个网络通信将中断。
2.2.3.2 数据链路层(物理层之上,负责数据帧传输)
  • 核心功能 :将物理层传输的"比特流"封装为"数据帧"(添加帧头和帧尾,包含源MAC地址、目标MAC地址、帧校验字段),实现"相邻节点"(如同一局域网内的两台电脑)之间的可靠数据传输,同时处理帧的差错检测、重传和流量控制。
    • MAC地址封装:为数据帧添加源MAC地址(发送节点的网卡物理地址,如00-0C-29-5A-14-92)和目标MAC地址(接收节点的网卡物理地址),确保数据帧能准确送达相邻节点。
    • 差错检测:通过帧尾的CRC(循环冗余校验)字段,检测数据帧在传输过程中是否因干扰导致错误,若检测到错误则丢弃帧并请求重传。
    • 流量控制:避免发送方发送速率过快导致接收方无法及时处理,通过"滑动窗口"等机制调节发送速率(如接收方告知发送方"当前可接收10个帧",发送方仅发送10个帧后等待确认)。
  • 典型协议:PPP(点对点协议,用于拨号上网或专线连接,如ADSL宽带的用户端与运营商端通信)、以太网协议(IEEE 802.3,局域网主流协议,如家庭和企业局域网的数据传输)。
  • 代表设备:网卡(内置MAC地址,实现数据帧的封装与解封装,是主机接入数据链路层的接口)、网桥(连接两个相同类型的局域网,根据MAC地址转发数据帧,隔离不同局域网的广播风暴)、二层交换机(多端口网桥,根据MAC地址表转发数据帧,实现同一局域网内多节点的高速通信)。
  • 数据单位:帧(Frame),由帧头(MAC地址、帧类型)、数据(来自网络层的IP数据报)、帧尾(CRC校验)组成。
  • 补充:数据链路层的"相邻节点"指直接通过物理链路连接的节点(如同一交换机下的两台电脑),若需与非相邻节点通信(如不同局域网的电脑),需依赖网络层的路由功能。
2.2.3.3 网络层(数据链路层之上,负责跨网络数据传输)
  • 核心功能 :实现"跨网络"的数据包传输,核心是"IP地址封装"和"路由选择"------将传输层的分段数据封装为IP数据报(添加IP头,包含源IP地址、目标IP地址),并通过路由器选择从源网络到目标网络的最优传输路径,同时处理数据包的分片与重组(当数据包超过物理链路的MTU值时,拆分为小分片传输,到达目标后重组)。
    • IP地址封装:为数据报添加源IP地址(发送主机的逻辑地址,如192.168.1.10)和目标IP地址(接收主机的逻辑地址,如192.168.2.20),标识数据包的源和目的地,区别于数据链路层的MAC地址(仅标识相邻节点)。
    • 路由选择:路由器通过路由表(记录不同网络的可达路径),为每个IP数据报选择最优路径(如从192.168.1.0/24网络到192.168.2.0/24网络,选择"路由器A→路由器B"的路径),确保数据包能跨多个网络到达目标。
    • 分片与重组:不同物理链路的MTU(最大传输单元,即数据帧的最大数据部分长度)不同(如以太网MTU为1500字节,PPP链路MTU为1492字节),若IP数据报超过MTU,网络层将其拆分为多个分片(每个分片不超过MTU),目标主机的网络层再将分片重组为完整数据报。
  • 典型协议:IP(互联网协议,核心协议,负责IP地址封装和路由转发,分为IPv4和IPv6)、IPX(互联网分组交换协议,早期Novell网络使用)、RIP(路由信息协议,基于距离矢量算法的内部网关协议)、OSPF(开放最短路径优先协议,基于链路状态算法的内部网关协议,路由选择更优)。
  • 代表设备:路由器(核心设备,根据IP地址和路由表转发IP数据报,实现不同网络的互连)、三层交换机(兼具二层交换机的MAC地址转发功能和路由器的IP路由功能,适合企业局域网的分层互联)。
  • 数据单位:数据报(Datagram,IPv4中称为IP数据报,IPv6中称为IPv6报文),由IP头(IP地址、TTL、协议类型等)和数据(来自传输层的TCP/UDP报文段)组成。
  • 补充:网络层解决"数据包到哪个网络"的问题,数据链路层解决"数据包到哪个相邻节点"的问题,二者协同实现跨网络通信(如从北京的电脑发送数据到上海的电脑,网络层选择跨城市的路由路径,数据链路层在每个路由节点间传输数据帧)。
2.2.3.4 传输层(网络层之上,负责端到端可靠传输)
  • 核心功能:为应用层提供"端到端"(从源主机的应用程序到目标主机的应用程序)的通信服务,核心是"端口号标识"和"传输可靠性保障"------通过端口号(如HTTP的80端口、HTTPS的443端口)区分同一主机上的不同应用程序,同时提供可靠传输(TCP)或不可靠传输(UDP)选项,满足不同应用的需求。

    • 端口号标识:每个应用程序对应一个或多个端口号(范围0-65535,其中0-1023为知名端口,如80端口对应HTTP协议),传输层通过"源IP+源端口+目标IP+目标端口"的四元组,唯一标识一个端到端的通信连接(如192.168.1.10:12345与192.168.2.20:80的连接,对应客户端12345端口与服务器80端口的HTTP通信)。
    • 可靠传输(TCP):通过三次握手建立连接、四次挥手释放连接、序列号与确认号(确保数据按序传输)、滑动窗口(流量控制)、重传机制(丢失数据重传)、拥塞控制(避免网络拥堵),确保数据无丢失、无重复、按序到达。
    • 不可靠传输(UDP):无需建立连接,直接发送数据,无确认、重传机制,仅通过校验和检测数据错误(错误则丢弃),传输速率快、开销小,适合对实时性要求高但可容忍少量数据丢失的场景。
  • 典型协议 :TCP(传输控制协议,面向连接、可靠传输):

    、UDP(用户数据包协议,面向无连接、不可靠传输):

  • 代表设备:四层交换机(根据TCP/UDP端口号转发数据,支持端口级的流量控制和负载均衡,如将多个HTTP请求(80端口)分配到不同的Web服务器)、四层路由器(具备传输层端口识别功能,可实现端口级的访问控制,如禁止外部访问内部的22端口(SSH))。

  • 数据单位:TCP中为报文段(Segment),UDP中为数据报(Datagram),均由首部(源端口、目标端口、序列号/长度、校验和等)和数据(来自应用层的应用数据)组成。

  • 补充 :传输层是"端到端通信的核心",网络层仅负责"跨网络传输数据包",不关心数据是否可靠到达;而传输层直接与应用层交互,通过可靠/不可靠传输机制,为应用程序提供符合需求的通信服务(如网页浏览需可靠传输,选择TCP;视频通话需实时性,选择UDP)。

2.2.3.5 应用层(最顶层,直接面向用户应用)
  • 核心功能 :为操作系统或网络应用程序提供"访问网络服务的接口",将用户的应用需求(如浏览网页、发送邮件、传输文件)转换为网络可传输的数据,同时解析接收方的网络数据为用户可理解的信息,是网络与用户交互的"窗口"。
    • 服务接口:为应用程序提供标准化的API(应用程序编程接口),如HTTP协议为浏览器提供"请求网页数据"的接口,SMTP协议为邮件客户端提供"发送邮件"的接口。
    • 数据格式处理:将应用数据转换为网络传输格式(如将网页的HTML文本转换为二进制数据),接收时将网络数据转换为应用格式(如将二进制数据解析为HTML文本并在浏览器中显示)。
    • 会话管理:部分应用层协议包含会话管理功能(如HTTP的Cookie机制,记录用户登录状态;FTP的主动/被动模式,建立数据传输会话),确保应用交互的连续性。
  • 典型协议
    • 网页浏览:HTTP(超文本传输协议,非加密,端口80)、HTTPS(安全超文本传输协议,基于SSL/TLS加密,端口443)。
    • 电子邮件:SMTP(简单邮件传输协议,用于发送邮件,端口25)、POP3(邮局协议版本3,用于接收邮件,端口110)、IMAP(互联网邮件访问协议,用于接收邮件,支持邮件在服务器端管理,端口143)。
    • 文件传输:FTP(文件传输协议,非加密,端口21控制连接、20数据连接)、SFTP(安全文件传输协议,基于SSH加密,端口22)。
    • 远程登录:SSH(安全外壳协议,加密远程登录,端口22)、Telnet(远程登录协议,非加密,端口23,安全性低,已逐步被SSH替代)。
    • 域名解析:DNS(域名系统,将域名(如www.baidu.com)转换为IP地址,端口53)。
  • 代表设备/软件:应用层无专用硬件设备,核心是应用程序软件,如浏览器(Chrome、Edge,基于HTTP/HTTPS协议)、邮件客户端(Outlook、Foxmail,基于SMTP/POP3/IMAP协议)、FTP客户端(FileZilla,基于FTP/SFTP协议)、SSH客户端(PuTTY,基于SSH协议)。
  • 数据单位:报文(Message),格式由具体应用层协议定义(如HTTP报文包含请求行/状态行、首部字段、实体内容,HTML文本为实体内容)。
  • 补充:应用层是"网络功能的最终体现",所有底层(物理层、数据链路层、网络层、传输层)的功能均为应用层服务,用户通过应用层软件直接感受网络的价值(如通过浏览器浏览网页、通过微信发送消息)。

2.3 数据传输的封装与解封装过程

网络各层通过"封装"与"解封装"实现数据的逐层传递,封装是发送方从应用层到物理层的"添加首部"过程,解封装是接收方从物理层到应用层的"去除首部"过程,二者形成完整的数据传输链路,以TCP/IP五层模型为例,具体流程如下:

2.3.1 发送方封装过程(自上而下)

  1. 应用层封装:应用程序(如浏览器)生成应用数据(如HTML文本),根据应用层协议(如HTTP)添加应用层首部(如HTTP请求行"GET /index.html HTTP/1.1"、首部字段"Host: www.baidu.com"),形成应用层报文,传递给传输层。
  2. 传输层封装:传输层接收应用层报文,根据协议(如TCP)添加传输层首部(如源端口12345、目标端口80、序列号x),形成TCP报文段;若使用UDP,则添加UDP首部(如源端口、目标端口、长度),形成UDP数据报,传递给网络层。
  3. 网络层封装:网络层接收传输层数据,根据IP协议添加IP首部(如源IP 192.168.1.10、目标IP 202.108.22.5、TTL 64),形成IP数据报,传递给数据链路层。
  4. 数据链路层封装:数据链路层接收IP数据报,根据数据链路层协议(如以太网)添加帧头(源MAC 00-0C-29-5A-14-92、目标MAC 00-0C-29-3B-70-AE、帧类型0x0800表示IP数据)和帧尾(CRC校验字段),形成数据帧,传递给物理层。
  5. 物理层封装:物理层接收数据帧,将其转换为物理信号(如电信号、光信号),通过物理介质(如双绞线、光纤)传输到接收方。

2.3.2 接收方解封装过程(自下而上)

  1. 物理层解封装:接收方物理层接收物理信号,将其转换为数据帧,传递给数据链路层。
  2. 数据链路层解封装:数据链路层接收数据帧,验证CRC校验(无错误则继续,有错误则丢弃),去除帧头和帧尾,提取IP数据报,传递给网络层。
  3. 网络层解封装:网络层接收IP数据报,验证IP首部(如目标IP是否为本机),去除IP首部,提取TCP报文段/UDP数据报,传递给传输层。
  4. 传输层解封装:传输层接收数据,若为TCP报文段,验证序列号和确认号(确保数据可靠),去除TCP首部,提取应用层报文;若为UDP数据报,验证校验和,去除UDP首部,提取应用层报文,传递给应用层。
  5. 应用层解封装:应用层接收应用层报文,根据应用层协议(如HTTP)解析首部(如HTTP状态行"200 OK"表示请求成功),提取应用数据(如HTML文本),并通过应用程序(如浏览器)显示给用户(如渲染HTML为网页)。

2.3.3 关键特点

  • 逐层添加/去除首部:每个层次仅关注自身首部的添加与解析,不修改其他层次的首部或数据,体现分层设计的"模块化"优势(如修改传输层协议从TCP为UDP,仅需调整传输层封装,其他层次无需变动)。
  • 首部包含层间交互信息:各层首部包含与下一层交互的关键信息(如IP首部的目标IP用于网络层路由,帧头的目标MAC用于数据链路层转发),确保数据能准确传递到目标层次和目标设备。
  • 数据无损传递:封装与解封装过程仅添加或去除首部,不修改应用数据(如HTML文本),确保用户数据的完整性(除非传输过程中出现错误,由数据链路层或传输层处理)。

2.4 TCP与UDP协议深度对比(传输层核心协议)

TCP与UDP是传输层最核心的两个协议,二者在连接方式、可靠性、开销、应用场景上差异显著,需根据应用需求选择,具体对比如下表及补充说明:

对比维度 TCP(传输控制协议) UDP(用户数据包协议)
传输可靠性 可靠(无丢失、无重复、按序传输),通过序列号、确认号、重传机制、滑动窗口实现 不可靠(无确认、无重传,仅通过校验和检测错误,错误则丢弃)
应用场合 传输大量数据、对可靠性要求高的场景(如网页浏览、文件传输、电子邮件) 传输少量数据、对实时性要求高的场景(如语音通话、视频会议、DNS查询)
速度 慢,因建立连接、确认、重传等机制增加开销,传输延迟较高 快,无连接建立和确认过程,开销小,传输延迟低
首部长度 可变,默认20字节(无选项字段),最大60字节(含选项字段),包含序列号、确认号、窗口大小等复杂字段 固定8字节,仅包含源端口、目标端口、长度、校验和4个字段,结构简单
流量控制 支持,通过滑动窗口机制(接收方告知发送方可接收的最大数据量,避免发送方过载) 不支持,发送方按自身速率发送数据,不考虑接收方处理能力,可能导致接收方数据溢出
拥塞控制 支持,通过慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复等算法,根据网络拥堵情况调整发送速率,避免网络瘫痪 不支持,发送方不感知网络拥堵,持续发送数据,可能加剧网络拥堵(如UDP洪水攻击)
连接状态 需维护连接状态(如ESTABLISHED、SYN-SENT),占用系统资源(如TCB传输控制块) 无需维护连接状态,每个数据报独立发送,资源占用少

2.4.1 TCP协议核心机制(保障可靠性的关键)

  1. 三次握手建立连接:确保客户端与服务器双方都具备发送和接收数据的能力,避免"无效连接请求"导致资源浪费。

    • 次握手:客户端发送SYN报文 (SYN=1,seq=x),进入SYN-SENT状态,告知服务器"我要建立连接,初始序列号为x"。
    • 次握手:服务器收到SYN报文 后,回复SYN+ACK报文 (SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1),进入SYN-RCVD状态,告知客户端"我同意连接,我的初始序列号为y,已收到你序列号x的报文,下次请发x+1"。
    • 次握手:客户端收到SYN+ACK报文 后,发送ACK报文 (ACK=1,seq=x+1,ack=y+1),进入ESTABLISHED状态 ,告知服务器"我已收到你的确认,下次请发y+1";服务器收到ACK 后,也进入ESTABLISHED状态,连接正式建立。
    • 核心目的 :防止已失效的连接请求报文(如网络延迟导致的旧请求)突然到达服务器,导致服务器误建立连接(若仅两次握手,服务器发送确认后即建立连接,若客户端未收到确认,服务器会一直等待,浪费资源)。
  2. 四次挥手终止连接:确保双方都已完成数据传输,避免数据丢失,因TCP是全双工通信(双方可同时发送数据),需分别关闭两个方向的连接。

    • 次挥手:客户端发送FIN报文 (FIN=1,seq=u),进入FIN-WAIT-1状态,告知服务器"我已完成数据发送,请求关闭我的发送方向连接"。
    • 次挥手:服务器收到FIN报文后,回复ACK报文 (ACK=1,ack=u+1,seq=v),进入CLOSE-WAIT状态 ,告知客户端"我已收到关闭请求,正在处理剩余数据,你的发送方向连接可关闭";客户端收到ACK后,进入FIN-WAIT-2状态,等待服务器关闭其发送方向连接。
    • 次挥手:服务器完成剩余数据发送后,发送FIN+ACK报文 (FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1),进入LAST-ACK状态,告知客户端"我已完成数据发送,请求关闭我的发送方向连接"。
    • 次挥手:客户端收到FIN+ACK报文 后,发送ACK报文 (ACK=1,ack=w+1,seq=u+1),进入TIME-WAIT状态服务器收到ACK后进入CLOSED状态;客户端等待2MSL(最长报文寿命,确保服务器能收到ACK,避免服务器重发FIN)后,进入CLOSED状态,连接完全终止。
    • 核心目的 :确保双方都已发送完所有数据,且最后的ACK报文能被服务器接收(若客户端不等待2MSL直接关闭,服务器未收到ACK会重发FIN,此时客户端已关闭,服务器会一直等待,浪费资源)。
  3. 序列号与确认号机制:确保数据按序传输且不重复。

    • 序列号(seq):标识发送方发送的数据字节的编号(如发送100字节数据,seq=x表示第一个字节编号为x,最后一个为x+99),避免数据重复(接收方丢弃重复序列号的报文)。
    • 确认号(ack):标识接收方期望下次收到的数据字节编号(如接收方收到seq=x的100字节数据,ack=x+100表示"已收到x到x+99的字节,请下次发x+100及以后的数据"),确保数据无丢失(发送方未收到确认会重传)。
  4. 滑动窗口机制(流量控制):避免接收方因处理能力不足导致数据溢出。

    • 接收方在ACK报文中告知发送方"窗口大小"(即当前可接收的最大数据字节数),发送方仅能发送窗口大小以内的数据。
    • 例如:接收方窗口大小为1000字节,发送方先发送500字节,接收方处理后窗口大小更新为800字节(已处理200字节),并在ACK中告知发送方,发送方可继续发送800字节。
  5. 拥塞控制机制:避免因发送速率过快导致网络拥堵。

    • 慢启动:连接初期,发送方按指数级增加发送窗口(如从1个报文段开始,每次确认后翻倍),快速探测网络容量。
    • 拥塞避免:当窗口达到"慢启动阈值"后,按线性级增加窗口,避免突然增加大量数据导致拥堵。
    • 快重传:接收方收到失序报文后,立即发送重复ACK,发送方收到3个重复ACK后,无需等待超时,直接重传失序报文,减少重传延迟。
    • 快恢复:重传后,将慢启动阈值设为当前窗口的一半,按线性级增加窗口,快速恢复传输速率,避免重新慢启动导致的效率低下。

2.4.2 UDP协议核心特点(适配实时性的关键)

  1. 无连接特性:无需建立和释放连接,发送方可随时发送数据,接收方随时接收数据,减少连接开销,降低传输延迟,适合实时性场景(如语音通话需低延迟,若每次通话都建立TCP连接,会导致语音卡顿)。
  2. 轻量级首部:仅8字节首部,包含源端口(2字节)、目标端口(2字节)、数据报长度(2字节,含首部和数据)、校验和(2字节,检测数据错误),结构简单,处理速度快,适合传输小容量数据(如DNS查询仅需几十字节数据,UDP首部占比低,传输效率高)。
  3. 不保障可靠性:无确认、重传机制,数据发送后不关心是否到达接收方,适合可容忍少量数据丢失的场景(如视频会议中,偶尔丢失一个数据包仅导致画面短暂模糊,不影响整体观看;若使用TCP,重传丢失的数据包会导致画面卡顿,反而影响体验)。
  4. 支持多播与广播:UDP可向多个接收方(多播,如224.0.0.1标识所有主机)或同一广播域内的所有接收方(广播,如255.255.255.255)发送数据,而TCP仅支持点对点通信,适合多设备同时接收数据的场景(如网络电视直播,通过UDP多播向大量用户发送视频流)。

2.4.3 典型应用场景对比

协议 应用场景 选择原因
TCP 网页浏览(HTTP/HTTPS) 需可靠传输网页数据(如HTML、图片),若数据丢失会导致网页显示不全,TCP的可靠性可避免此问题
TCP 电子邮件(SMTP/POP3/IMAP) 需确保邮件无丢失、无篡改(如重要工作邮件),TCP的确认和重传机制可保障邮件可靠送达
TCP 文件传输(FTP/SFTP) 传输的文件(如文档、视频文件)容量大,若数据丢失会导致文件损坏,TCP的按序传输和重传可确保文件完整
TCP 远程登录(SSH/Telnet) 需确保远程操作指令(如命令输入、文件修改)准确执行,若指令丢失会导致操作错误,TCP的可靠性可保障指令正确传输
UDP 语音通话(VoIP) 需低延迟(延迟超过100ms会导致通话卡顿),可容忍少量数据丢失(偶尔丢失一个语音包不影响理解),UDP的低延迟特性适配此需求
UDP 视频会议(如Zoom) 需实时传输视频画面,延迟过高会导致画面与声音不同步,UDP的快速传输可降低延迟,少量画面丢失仅影响局部画质
UDP DNS查询 查询请求和响应数据量小(仅几十字节),需快速获取结果(若使用TCP建立连接,耗时会远超查询本身),UDP的轻量级特性可提升查询效率
UDP 实时游戏(如多人在线游戏) 需实时传输玩家操作(如移动、攻击指令),延迟过高会影响游戏体验,UDP的低延迟可确保操作及时反馈,少量指令丢失可通过游戏逻辑补偿(如预测玩家位置)

2.5 高层协议(会话层、表示层、应用层)

在OSI七层模型中,会话层和表示层位于传输层与应用层之间,虽在TCP/IP模型中未被单独划分(归为应用层),但二者的功能对网络应用的正常运行至关重要,需结合OSI模型明确其核心作用:

2.5.1 会话层(Session Layer)

  • 核心功能 :建立、管理和维护应用程序之间的"会话连接",确保应用层数据在会话期间有序传输,同时提供会话验证和会话恢复功能,相当于应用程序间的"通信管家"。
    • 会话建立:在两个应用程序(如客户端浏览器与服务器Web应用)之间建立会话,协商会话参数(如会话超时时间、数据传输格式),并进行身份验证(如服务器验证客户端的登录账号密码,通过后才建立会话)。
    • 会话管理:维护会话状态(如标记会话为"活跃"或"空闲"),若会话空闲时间超过阈值,自动断开会话以释放资源;同时支持会话复用(如同一用户多次访问同一网站,可复用已建立的会话,无需重复登录)。
    • 会话恢复:若会话因网络波动暂时中断(如短时间断网),会话层可在网络恢复后恢复原有会话,避免应用程序重新建立连接(如在线文档编辑,会话恢复后可继续编辑,无需重新打开文档)。
  • 典型应用:服务器用户登录验证(如网站登录时,会话层验证账号密码,通过后创建会话ID,后续请求通过会话ID识别用户)、数据库连接管理(如MySQL数据库的会话管理,客户端与数据库建立会话后,可执行多个SQL命令,无需每次命令都重新连接)。
  • 补充:会话层的功能通常与应用层协议结合实现(如HTTP的Cookie和Session机制,本质是会话层功能的应用层体现),其核心价值是"简化应用层的通信逻辑",让应用程序无需关注会话的建立和维护,只需专注于数据处理。

2.5.2 表示层(Presentation Layer)

  • 核心功能 :解决"用户信息的语法表示差异",实现应用层数据的"格式转换""加密/解密""压缩/解压缩",确保发送方和接收方的应用程序能正确理解数据内容,相当于数据的"翻译官"和"安全卫士"。
    • 格式转换:将应用层数据从"应用程序的抽象语法"(如Java程序的对象、C++程序的结构体)转换为"网络传输的传送语法"(如二进制数据、JSON格式),接收方再将传送语法转换为自身的抽象语法。例如,发送方将JPG图片的像素数据转换为二进制流传输,接收方将二进制流转换为JPG图片格式并显示。
    • 数据加密/解密:为敏感数据提供安全保护,发送方对应用层数据进行加密(如通过SSL/TLS协议加密网页数据),接收方收到后解密,防止数据在传输过程中被窃取或篡改。例如,HTTPS协议中,表示层通过SSL/TLS将HTTP报文加密,确保用户在网上银行付款时,账号密码不被泄露。
    • 数据压缩/解压缩:减少数据传输量,提高传输效率,发送方对大容量数据(如视频、文档)进行压缩(如通过ZIP压缩算法),接收方收到后解压缩。例如,FTP协议传输大文件时,表示层可对文件进行压缩,减少传输时间和带宽占用。
  • 典型应用:图像格式转换(如PNG转JPG、BMP转GIF)、数据加密(如SSL/TLS加密、AES加密)、文件压缩(如ZIP、RAR压缩)、字符编码转换(如UTF-8与GBK编码的转换,避免中文乱码)。
  • 补充:表示层的功能同样常与应用层协议结合(如HTTPS的SSL/TLS加密属于表示层功能,但通常被视为HTTP协议的扩展),其核心价值是"解决数据的兼容性和安全性问题",确保不同类型的应用程序(如Windows的浏览器和Linux的浏览器)能正确交互数据,同时保护敏感信息。

2.5.3 应用层(Application Layer)

  • 核心功能:直接为用户应用程序提供网络服务接口,将用户的操作需求(如浏览网页、发送邮件)转换为网络可传输的数据,是网络与用户交互的"直接窗口",所有底层协议(物理层、数据链路层、网络层、传输层)的功能最终都为应用层服务。
  • 典型协议及应用场景
    • HTTP(超文本传输协议)/HTTPS(安全超文本传输协议)
      • 功能:HTTP用于传输超文本数据(如HTML、CSS、JavaScript),是网页浏览的核心协议;HTTPS在HTTP基础上添加SSL/TLS加密,确保数据传输安全,用于需要安全保障的场景(如网上购物、网银操作)。
      • 端口:HTTP默认使用80端口,HTTPS默认使用443端口。
      • 应用:用户通过Chrome、Edge等浏览器访问www.baidu.com时,浏览器通过HTTP/HTTPS协议与百度服务器通信,获取网页的HTML数据并渲染显示。
    • SMTP(简单邮件传输协议)/POP3(邮局协议版本3)/IMAP(互联网邮件访问协议)
      • 功能:SMTP负责"发送邮件"(如用户通过Outlook发送邮件到收件人邮箱服务器);POP3和IMAP负责"接收邮件"(POP3将邮件下载到本地,服务器端不保留备份;IMAP支持邮件在服务器端管理,如在本地标记邮件为"已读",服务器端同步更新)。
      • 端口:SMTP默认25端口,POP3默认110端口,IMAP默认143端口。
      • 应用:用户通过Foxmail发送邮件时,使用SMTP协议;接收邮件时,可选择POP3或IMAP协议,根据需求决定是否在服务器端保留邮件。
    • FTP(文件传输协议)/SFTP(安全文件传输协议)
      • 功能:FTP用于客户端与服务器之间的文件传输(支持上传、下载、删除文件),但数据传输未加密,安全性低;SFTP基于SSH协议加密,解决FTP的安全问题,适合传输敏感文件(如企业财务报表)。
      • 端口:FTP默认21端口(控制连接,用于发送指令)、20端口(数据连接,用于传输文件);SFTP默认22端口。
      • 应用:企业员工通过FileZilla客户端,使用FTP上传普通文件到公司服务器,使用SFTP上传加密的财务数据。
    • SSH(安全外壳协议)/Telnet(远程登录协议)
      • 功能:均用于远程登录到目标计算机并执行命令,SSH支持数据加密,安全性高;Telnet未加密,数据在传输过程中可被窃取(如远程登录密码泄露),已逐步被SSH替代。
      • 端口:SSH默认22端口,Telnet默认23端口。
      • 应用:管理员通过PuTTY客户端,使用SSH远程登录到公司的Linux服务器,执行服务器维护命令(如重启服务、查看日志);早期使用Telnet登录,因安全风险,目前仅在测试环境偶尔使用。
    • DNS(域名系统)
      • 功能:将用户易记忆的"域名"(如www.taobao.com)转换为计算机可识别的"IP地址"(如140.205.140.201),解决"IP地址难记忆"的问题,是互联网访问的"地址翻译官"。用户在浏览器输入域名时,需先通过DNS查询获取对应的IP地址,才能与目标服务器建立连接。
      • 端口:DNS默认使用53端口,分为UDP 53(用于短查询请求,如单条域名解析)和TCP 53(用于长查询或区域传输,如批量域名解析、DNS服务器间的数据同步)。
      • 应用:用户输入"www.baidu.com"后,浏览器自动向本地DNS服务器发送查询请求,DNS服务器返回百度服务器的IP地址(如180.101.50.188),浏览器再通过该IP地址与百度服务器通信,加载网页内容。
  • 补充:应用层协议的核心是"贴近用户需求",不同协议对应不同的应用场景,但其底层均依赖传输层(TCP/UDP)、网络层(IP)等提供的通信能力。例如,HTTP协议基于TCP协议传输数据,DNS协议默认基于UDP协议传输数据,协议间的分层协作确保了网络应用的正常运行。

2.6 网络协议的协作逻辑(以网页浏览为例)

为更直观理解各层协议的协作关系,以"用户通过Chrome浏览器访问www.baidu.com"为例,梳理从应用层到物理层的完整协议交互流程,明确各层协议的分工与配合:

2.6.1 步骤1:应用层(HTTP协议)与DNS协议协作------获取目标IP地址

  1. 用户在Chrome浏览器地址栏输入"www.baidu.com",点击回车后,浏览器首先需确定百度服务器的IP地址,因此触发DNS查询:
    • 浏览器向本地DNS服务器(如家庭路由器分配的DNS地址192.168.1.1,或运营商DNS 202.97.224.68)发送DNS查询请求,请求解析"www.baidu.com"对应的IP地址。
    • DNS协议基于UDP 53端口传输查询请求(因查询数据量小,UDP效率更高),本地DNS服务器若有缓存,直接返回IP地址;若无缓存,逐层向上级DNS服务器(根DNS、顶级域DNS、百度权威DNS)查询,最终获取百度服务器的IP地址(如180.101.50.188),并返回给浏览器。
  2. 浏览器获取IP地址后,基于HTTP协议构建HTTP请求报文,请求内容为"获取百度首页的HTML数据",报文格式如下:
请求包 复制代码
GET / HTTP/1.1
Host: www.baidu.com
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/124.0.0.0 Safari/537.36
Connection: keep-alive

其中,"GET / HTTP/1.1"为请求行,标识请求方法(GET)、请求路径(/,即首页)、协议版本(HTTP/1.1);"Host: www.baidu.com"为首部字段,指定目标服务器域名;其余字段为浏览器信息和连接参数。

2.6.2 步骤2:传输层(TCP协议)------建立端到端可靠连接

  1. 浏览器(客户端)需与百度服务器(目标IP 180.101.50.188,HTTP默认端口80)建立TCP连接,因此触发TCP三次握手:
  • 第一次握手:客户端向服务器发送SYN报文(seq=随机值x,端口=客户端随机端口12345,目标端口=80),进入SYN-SENT状态。
  • 第二次握手:服务器收到SYN报文后,回复SYN+ACK报文(seq=随机值y,ack=x+1,端口=80,目标端口=12345),进入SYN-RCVD状态。
  • 第三次握手:客户端收到SYN+ACK报文后,发送ACK报文(seq=x+1,ack=y+1),进入ESTABLISHED状态;服务器收到ACK后,也进入ESTABLISHED状态,TCP连接正式建立。
  1. TCP连接建立后,浏览器将HTTP请求报文传递给传输层,传输层为其添加TCP首部(包含源端口12345、目标端口80、序列号x+1、确认号y+1),形成TCP报文段,传递给网络层。

2.6.3 步骤3:网络层(IP协议)------实现跨网络路由转发

  1. 网络层接收TCP报文段后,添加IP首部(包含源IP=客户端IP 192.168.1.10、目标IP=百度服务器IP 180.101.50.188、TTL=64、协议类型=6(标识TCP)),形成IP数据报,传递给数据链路层。
  2. 网络层通过路由表选择转发路径:客户端IP属于局域网(192.168.1.0/24),目标IP属于公网,因此IP数据报需先发送到本地网关(如家庭路由器IP 192.168.1.1);网关收到IP数据报后,根据路由表转发到运营商骨干网,再经多台路由器逐层转发,最终到达百度服务器所在的公网网段。

2.6.4 步骤4:数据链路层(以太网协议)与物理层------实现相邻节点数据传输

  1. 数据链路层接收IP数据报后,添加以太网帧头(包含源MAC=客户端网卡MAC 00-0C-29-5A-14-92、目标MAC=网关网卡MAC C8-98-28-81-32-08、帧类型=0x0800(标识IP数据报))和帧尾(CRC校验字段),形成以太网数据帧,传递给物理层。
  2. 物理层接收数据帧后,将其转换为电信号(若使用双绞线)或光信号(若使用光纤),通过物理介质(如家庭双绞线连接到路由器)传输到网关;网关接收物理信号后,转换为数据帧,去除帧头帧尾提取IP数据报,再按网络层路由路径转发,重复"数据链路层封装-物理层传输"过程,直到IP数据报到达百度服务器。

2.6.5 步骤5:百度服务器端解封装与响应------从物理层到应用层

  1. 百度服务器物理层接收物理信号,转换为数据帧,传递给数据链路层;数据链路层验证CRC校验,去除帧头帧尾,提取IP数据报,传递给网络层。
  2. 网络层验证IP首部(确认目标IP为本机),去除IP首部,提取TCP报文段,传递给传输层;传输层验证TCP首部(确认目标端口为80),去除TCP首部,提取HTTP请求报文,传递给应用层(百度Web服务器,如Nginx)。
  3. Web服务器解析HTTP请求报文,生成HTTP响应报文(包含百度首页的HTML数据,状态码200 OK表示请求成功),并按"应用层→传输层→网络层→数据链路层→物理层"的顺序封装,通过原TCP连接返回给客户端浏览器。

2.6.6 步骤6:客户端接收响应与页面渲染

  1. 客户端浏览器接收服务器返回的物理信号,经"物理层→数据链路层→网络层→传输层→应用层"解封装,提取HTTP响应报文中的HTML数据。
  2. 浏览器解析HTML数据,加载其中的CSS、JavaScript、图片等资源(过程与上述步骤类似,需多次建立TCP连接和HTTP请求),最终渲染为用户可见的百度首页。
  3. 若用户关闭浏览器,TCP连接通过四次挥手终止:客户端发送FIN报文,服务器回复ACK,服务器发送FIN报文,客户端回复ACK,连接关闭。

2.6.7 核心结论

各层协议并非独立工作,而是通过"封装-解封装"和"层间接口"协同实现数据传输,其中:

  • 应用层负责"用户需求到数据的转换"(如HTTP构建请求);
  • 传输层负责"端到端可靠/快速传输"(如TCP建立连接);
  • 网络层负责"跨网络路由"(如IP选择路径);
  • 数据链路层和物理层负责"相邻节点的物理传输"(如以太网帧传输、电信号发送);
  • 这种分层协作模式,既降低了单一协议的复杂度,又确保了网络通信的有序和高效,是互联网能够全球互联的核心技术基础。
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