TCP/IP基础知识汇总
网络基础（持续更新）
网络协议分层模型
OSI 参考模型 与 TCP/IP 协议
OSI 参考模型（7层）
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
TCP/IP 协议 （4层）
应用层
传输层
网络层
数据链路层
术语
包：通用型术语；
帧：数据链路层中包的单位；
报文：网络层IP包的单位；
段：TCP 传输层中包的单位；
RFC 文档
一个协议的标准化一定要通过IETF 讨论
RFC 文档官网：https://www.rfc-editor.org
数据链路
MTU 最大传输单元，单位字节；以太网的默认MTU为 1500字节；
每条数据链路的MTU值可能是不一样的。
MAC地址
MAC是网络中用来标识网卡设备的唯一物理地址。
MAC 地址为6个字节长度，通常这样表示：d0-76-e7-75-95-6d
以太网
以太网帧格式
一个数据帧所能容纳的最大数据范围是46-1500个字节。
无线通信
IP 协议
IP （Internet Protocol）即网际协议
数据链路层提供两个直连设备之间的通信功能。与之相比，网络层的IP协议则负责没有直连的两个网络之间进行通信。
IP协议三个作用：
- IP寻址
- 路由
- IP分包与组包
IP地址
IPv4 地址由32位正整数来表示。IP地址在计算机内部以二进制的方式处理，人们则通过十进制点符号的形式查看IP地址，也就是将32位的IP地址以每8位分为一组，共4组，每组之间以点号隔开。
如：192.168.86.1 IP地址由网络地址和主机地址两部分组成。我们平时所说的同一网段就是网络号相同的IP地址。
IP包被转发到途中某个路由器时，正是利用目标IP地址的网路地址进行路由。因为仅凭网络标识就能判断出是否为该网段内的主机。
网络地址和主机地址的划分：
从第几位开始到第几位算网络地址？又从第几位开始到第几位算主机标识？目前有两种类型：
- 以分类进行划分；（A类、B类、C类、D类）
- 以子网掩码进行划分；（更普遍）
IP地址分类
根据网络规模的大小，将IP地址分为 A、B、C、D、E 五类。A B C 三类为常用地址，D E 类为特殊地址。
根据IP地址的第一个字节，可以判断IP地址的分类。
| 类别 | 最大网络数 | IP地址范围 | 单个网段最大主机数 | 私有IP地址范围 |
|---|---|---|---|---|
| A | 126（2^7^ -2) | 1.0.0.1-127.255.255.254 | 16777214 | 10.0.0.0 - 10.255.255.255 |
| B | 16384(2^14^) | 128.0.0.0-191.255.255.255 | 65534 | 172.16.0.0 - 172.31.255.255 |
| C | 2097152(2^21^) | 192.0.0.0-223.255.255.255 | 254 | 192.168.0.0 - 192.168.255.255 |
A类地址中，前8位表示网络号，后24位表示主机号（默认子网掩码：255.0.0.0），网络号最高的位必须是 0；
B类地址中，前16位表示网络号，后16位表示主机号（默认子网掩码：255.255.0.0），网络号最高的位必须是 10；
C类地址中，前24位表示网络号，后8位表示主机号（默认子网掩码：255.255.255.0），网络号最高的位必须是 110；
公有地址和私有地址
3类IP地址中，各自保留了一段区域作为私有地址。公有地址由 Internet 信息中心进行分配和注册；私有地址不能注册，专门为组织机构内部使用。其地址范围如下：
| 类别 | IP地址范围 | 私有IP地址范围 |
|---|---|---|
| A | 1.0.0.1-127.255.255.254 | 10.0.0.0 - 10.255.255.255 |
| B | 128.0.0.0-191.255.255.255 | 172.16.0.0 - 172.31.255.255 |
| C | 192.0.0.0-223.255.255.255 | 192.168.0.0 - 192.168.255.255 |
子网和子网掩码
子网掩码
直接使用A类、B类、C类、IP地址太浪费资源，引入子网掩码后，从逻辑上把一个大网络划分为一些小网络（子网）。一个IP地址可以不再受限于自己的类别，而是通过子网掩码自由的定义网络标识的长度。
子网掩码和IP地址一样共32位，左边一段连续的1表示网络号的长度，右边一段连续的0表示主机号的长度。子网掩码用来指明一个IP地址的哪些位是网络号，子网掩码不能单独使用，必须结合IP地址一起使用，子网掩码与IP地址做 “与” 运算得出IP地址的网络号是多少。
至此，一个IP地址就有了两个识别码：IP地址本身和子网掩码。
例子：
IPv4 地址: 192.168.1.111，子网掩码 : 255.255.255.0 ，表示前24位表示网络号，后8位表示主机号；也可以用 192.168.1.111/24 表示。
网关
前面说到子网掩码把一个网络划分为多个子网，同一网段的两个主机属于同一个子网。不同子网的两个主机如果需要通信，就需要网关。
网关实质上是一个网络通向其他网路的IP地址，IP就是该网段内可用IP的其中一个，通常是第一个或最后一个；
网关设备是用来连接两个不同网络的设备。
路由控制
IP地址的网络地址部分用于路由控制，
IP路由表
IP协议始终认为路由表是正确的，路由控制表中记录着网络地址与下一步应该发送至路由器的地址。
本机上使用 netstat -r 命令查看路由表
IP报文的分片与重组
太网的默认MTU为 1500字节，因此发送4500字节的IP数据报文是无法在一帧中传输完成的，因此必须将IP报文分片发送。
MTU路径发现
IPv6
IPv6 采用128位（16个字节）表示，可以彻底解决IPv4 地址不足的问题。IPv6 地址一般采用十六进制表示法，2个字节为一组（8个十六进制表示），每组之间用英文冒号隔开,如 fe80:0000:0000:ec96:139c:c5d4:95fb:deed 。
IP协议相关技术
DNS
域名解析系统
将域名解析为IP地址
使用 nslookup 命令可以查看域名对应的IP地址：
> nslookup www.baidu.com
服务器: 192.168.1.1
Address: 192.168.1.1
非权威应答:
名称: www.baidu.com
Addresses: 110.242.68.4
110.242.68.3ARP 与 RARP
ARP （Address Pesolution Protocol）地址解析协议：根据IP地址查找对应的MAC地址
RARP：将MAC地址解析为IP地址
ARP 通过ARP请求和ARP响应两种类型的包来确定MAC地址的。
ARP缓存表：
缓存了IP地址与MAC地址的对应关系。 可通过 arp -a 命令查看ARP表。
> arp -a
接口: 192.168.98.1 --- 0x6
Internet 地址 物理地址 类型
192.168.98.254 00-50-56-e6-8f-f8 动态
192.168.98.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff 静态
224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 静态
224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb 静态
239.11.20.1 01-00-5e-0b-14-01 静态
239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa 静态
255.255.255.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff 静态
接口: 192.168.86.1 --- 0xa
Internet 地址 物理地址 类型
192.168.86.254 00-50-56-e2-e7-78 动态
192.168.86.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff 静态
224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 静态
224.0.1.60 01-00-5e-00-01-3c 静态
239.11.20.1 01-00-5e-0b-14-01 静态
239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa 静态
255.255.255.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff 静态
ICMP
辅助的 ICMP（Internet Control Message Protocol）
ICMP消息
注：网络上常用的Ping 命令，就是通过ICMP实现的。
TTL字段
TTL（Time To Live）是IPv4报头的一个8bit字段，该字段指定IP数据包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量，从而限制IP数据包在计算机网络中的生存时间，TTL最大值是255；
DHCP
动态主机配置协议
用于动态分配IP地址
NAT
NAT（NetWork Address Translator）网络地址转换协议，用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术。
NAT实际上是为正在面临地址枯竭的IPv4而开发的技术。不过在IPv6中为了提高网络安全也在使用NAT。
除了转换IP地址，还有可以转换TCP、UDP端口号的 NAPT（NetWork Address Port Translator）技术。
注：通常人们提到的NAT，其实就是NAPT。
NAT 工作机制：
10.0.0.10 的主机与 163.221.120.9 的主机进行通信，利用NAT技术，途中的路由器将发送源地址从 10.0.0.10 转换为全局的IP地址 202.244.174.37 再发送数据。反之，当包从地址 163.221.120.9 发过来时，目标地址202.244.174.37 先别转换成私有地址 10.0.0.10 以后再进行转发。
在NAT路由器的内部，有一张自动生成的用来转换地址的表。
NAT 潜在问题
无法从NAT的外部向内部服务器建立连接。
转换表的生成与转换操作都会产生一定的开销。
通信过程中一旦NAT 遇到异常需要重启时，所有的TCP 连接都将被重置。
NAT 穿越技术
TCP 与 UDP
传输层协议
端口号
IP地址中的网络地址用于标识
TCP
TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议，从名字可以知道TCP协议在传输时加入控制逻辑，以保证数据传输是可靠的。
可靠性
TCP通过序列号与确认应答提高可靠性。
当主机A发送1000字节给主机B时，会告诉主机B自己发送的数据序号为 1-1000，主机B接收数据后，给主机A发送 ACK 确认应答，告诉主机A自己已经接收到，并且希望下一次接收的数据包的序号为1001，每发送一次数据，都会有一次应答。
如果主机A在发送完数据后，没有接收到确认应答，则会在超时时间后重复发送数据包，以保证即便数据包丢失，也能实现可靠性传输。（接收不到确认应答有两种情况：第一种是主机B确实没有收到数据，数据包在发送的途中丢失；第二种是主机B已经收到数据，返回的确认应答丢失）
注：为什么会有序列号和确认应答号，试想下上面说的第二种情况：主机B已经收到数据，返回的确认应答丢失，此时主机A进行超时重发，主机B就会收到重复的数据包，所以必须有个序列号来标识数据包达到去重的目的。确认应答号是主机B回应主机A下一次期望接收的数据包。
连接管理
三次握手、四次挥手
一个连接的建立和断开，至少需要来回发送7个包才能完成。
以段位单位发送数据
利用窗口提高速度
每发送一次数据，都要等待一次应答才继续发送下一条数据，这样的策略有个缺点，那就是包的返回时间越长，通信性能就越低。
为此，TCP引入窗口这个概念来解决这个问题。
窗口的大小是指无需等待确认应答就可以继续发送数据的最大值。
发送端主机需要设置缓存保留这些待被重传的数据，直到收到他们的确认应答。
滑动窗口机制：
收到确认应答后，将窗口滑动到确认应答中的序列号位置。这样可以顺序地将多个段同时发送以提高通信性能。这种机制也被称为滑动窗口机制。
窗口控制和重发机制
部分确认应答丢失也无需重发数据：
使用窗口，如果1-1000的确认应答中途丢失，而1001-2000的确认应答被发送端接收到，则发送端认为2000 之前的数据都已经成功接收了，所以 1-1000的数据无需重新发送。
高速重发机制：
发送端主机如果连续3次收到同一个确认应答，就会将对应的数据重新发送，这种机制比之前的超时发送更加高效，因此也叫高速重发机制。
UDP
UDP 是面向无连接的通信协议，UDP没有复杂的控制，换句话说，如果想在应用层加入自定义的控制逻辑，选择UDP协议是个不错的选择。
Socket API
Socket 是操作系统提供的API，用于实现应用的数据发送和接收。
应用层协议
远程登录
Telnet 非加密
SSH 加密的远程登录系统
文件传输
FTP
SFTP（SSH）
电子邮件
SMTP
POP
超文本传输
HTTP
CSS
JavaScript
静态资源
网络安全
防火墙
入侵检测系统
加密技术
README
参考：
《图解TCP/IP》第五版
2018-05-12 米开