OSI网络模型

互联网的本质就是一系列的网络协议，这个协议就叫OSI协议（一系列协议），按照功能不同，分工不同，人为的分层七层。分别是物理层-数据链路层-网络层-传输层-会话层-表示层-应用层。

应用层

应用层只需要专注于为用户提供应用功能，比如 HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。 应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。 应用层是不用去关心数据是如何传输的。 HTTP请求报文

传输层

应用层的数据包会传给传输层，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，但它实时性相对更好，传输效率也高。当然，UDP 也可以实现可靠传输，把 TCP 的特性在应用层上实现就可以，不过要实现一个商用的可靠 UDP 传输协议，也不是一件简单的事情。 应用需要传输的数据可能会非常大，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度） ，就要将数据包分块，这样即使中途有一个分块丢失或损坏了，只需要重新发送这一个分块，而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为一个 TCP 段（TCP Segment）。 当设备作为接收方时，传输层则要负责把数据包传给应用，但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据，因此需要用一个编号将应用区分开来，这个编号就是端口。 由于传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。

TCP报文头部 TCP头部有一个32位的序列号，是为了解决包乱序的问题。当传输的数据量超过4GB时，序号字段会回绕（wrap around）到0，不影响数据的传输和确认。

状态位总共有6种，用控制位（U、A、P、R、S、F）分别代表URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN位，其中

  • URG（Urgent Pointer field significant） 紧急数据传输，如终端用户中断数据流。当URG位被设置时，TCP段的紧急指针字段会被解释。接收方会优先处理紧急数据，尽快将其交给应用程序。

  • ACK（Acknowledgment field significant） 所有数据传输过程，连接建立后所有段都必须设置该位。表明确认号字段有效。发送方利用这个位来确认已经接收到的数据。

  • PSH（Push Function） 实时数据传输，如Telnet或SSH会话，当PSH位被设置时，接收方会立即将数据包交给应用层应用，而不是等待缓冲区被填满

  • RST（Reset the connection） 连接异常或意外情况，如端口关闭或连接复位，重置连接，立即终止任何现有的数据传输，并重新建立连接。

  • SYN（Synchronize sequence numbers） 连接建立过程（三次握手），同步序列号。初始连接请求和确认使用SYN位设置。第一次握手时客户端发送SYN，第二次握手时服务器回应SYN-ACK。

  • FIN（No more data from sender） 连接终止（四次挥手）。发送方完成数据传输，用于释放连接资源。第一次挥手时，发送方发送FIN，第二次挥手时接收方回应ACK，第三次挥手时接收方发送FIN，第四次挥手时发送方回应ACK。

窗口大小主要做流量控制，通信双发各声明一个窗口（缓存大小）标识自己当前能够处理的能力，除了做流量控制以外，TCP还会做拥塞控制。

网络层

传输层可能大家刚接触的时候，会认为它负责将数据从一个设备传输到另一个设备，事实上它并不负责。 网络层最常使用的是 IP 协议（Internet Protocol），IP 协议会将传输层的报文作为数据部分，再加上 IP 包头组装成 IP 报文，如果 IP 报文大小超过 MTU（以太网中一般为 1500 字节）就会再次进行分片，得到一个即将发送到网络的 IP 报文。 网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备，世界上那么多设备，又该如何找到对方呢？因此，网络层需要有区分设备的编号。只有一个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来就特别麻烦，全世界那么多台设备，难道一个一个去匹配？这显然不科学。因此，需要将 IP 地址分成两种意义：

  • 一个是网络号，负责标识该 IP 地址是属于哪个「子网」的；

  • 一个是主机号，负责标识同一「子网」下的不同主机； 将IP地址和子网掩码进行按位与运算，就可以得到网络号 将IP地址和子网掩码的取反值进行按位与运算，就可以得到主机号 主机号位全是1的地址为此网段的广播地址，全是0时表示该网络的网络号 在寻址的过程中，先匹配到相同的网络号（表示要找到同一个子网），才会去找对应的主机. 除了寻址能力， IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中，两台设备并不是用一条网线连接起来的，而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的，那么就会形成很多条网络的路径，因此当数据包到达一个网络节点，就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。路由器寻址工作中，就是要找到目标地址的子网，找到后进而把数据包转发给对应的网络内。

网络接口层

生成了 IP 头部之后，接下来要交给网络接口层（Link Layer）在 IP 头部的前面加上 MAC 头部，并封装成数据帧（Data frame）发送到网络上。 电脑上的以太网接口，Wi-Fi接口，以太网交换机、路由器上的千兆，万兆以太网口，还有网线，它们都是以太网的组成部分。以太网就是一种在「局域网」内，把附近的设备连接起来，使它们之间可以进行通讯的技术。 以太网在判断网络包目的地时和 IP 的方式不同，因此必须采用相匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地，而 MAC 头部就是干这个用的，所以，在以太网进行通讯要用到 MAC 地址。 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，我们可以通过 ARP 协议获取对方的 MAC 地址。 网络接口层主要为网络层提供「链路级别」传输的服务，负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用 MAC 地址来标识网络上的设备。

MAC包头 MAC包头中的协议类型只包括两种，一种是ip协议，一种是arp协议

数据包流转

网络包的报文全

应用层传输的是消息或报文(message) 传输层传输的是段(segment) 网络层传输的是包(packet) 网络接口层传输的是帧(frame) 统称为数据包。 数据包传输

应用层不关心数据是如何传输的，主要关注专注于为用户提供应用功能，不会数据不会进行切割，工作在操作系统中的用户态。应用层需要传输的数据可能会很大，如果直接传输不好控制，因此当传输层的数据包大小超过MSS(TCP报文的最大长度)时，就要将数据进行分段，即使一个数据块丢了或者损坏，只需要重传即可。 传输层的分段大小MSS由以下几个因素决定：

  1. 最大传输单元 MTU是网络层可以传输的最大数据包大小。常见的以太网MTU是1500字节，这包括IP头和TCP头。因此，TCP报文段的最大大小受到MTU的限制。

  2. 最大报文段长度(MSS) MSS是TCP协议中的一个选项，用于指定单个TCP报文段可以传输的最大数据量。MSS的计算基于MTU减去IP和TCP头的长度。常见的MSS值为1460字节（针对IPv4，以太网环境）或1440字节（针对IPv6，以太网环境）。在TCP连接建立时，通过三次握手过程，双方会交换并协商MSS值。

  3. 拥塞控制和流量控制 TCP协议通过拥塞控制和流量控制机制（如滑动窗口、慢启动等）来动态调整报文段大小和传输速度，以避免网络拥塞和确保可靠传输。这些机制会影响实际传输的报文段大小。

  4. 应用层协议的要求 某些应用层协议可能会指定或建议特定的报文段大小，以优化传输效率或满足特定的应用需求。 数据经过分段后，加入TCP头部，然后来到网络层，在网络层添加ip头部，然后在数据链路层再添加mac头部。 MTU = IP头部 + TCP头部 + MSS MTU:Maximum Transmission Unit,网络层（如 IP 层）可以传输的最大数据包大小。不同的网络介质有不同的 MTU 值。 MSS:Maximum Segment Size,指的是每个 TCP 段（Segment）中数据部分的最大大小。 一般TCP头部为20个字节 一般IP头部也为20个字节 MAC头部为14个字节