学网络从分层开始

1、网络的本质

数据报文是网络运行世界里，具有完整信息的、最小的组成单元，而协议则是数据报文在网络内交互必须遵循的规则。最简单的理解，一个又一个的遵守着网络协议的数据包进行着交换,构成了我们所理解的网络世界。因此掌握了这两者，基本上就可以把握网络运行的本质。

2、网络分层

由于在实际的计算机网络中，两个实体之间的通信情况非常复为了降低通信协议实现的复杂性，而将整个网络的通信功能划分为多个层次(分层描述)，每层各自完一定的任务，而且功能相对独立，这样实现起来较容易。

网络系统被分为4/5层（TCP/IP参考模型）或7层（OSI参考模型），每一层都有对应的网络协议完成特定类别的功能。它们相互协作将原始信息进行分层打包（发送过程）和解包（接收过程），以流水线的方式完成复杂的网络传输过程。 应用层俗称7层，传输层俗称4层，IP层俗称3层，数据链路层俗称2层。

3、网络协议

同一通信节点安装的每一层协议依赖并使用下层协议提供的服务，完成特定的功能，再向其上层协议提供服务；相邻上下层协议之间通过接口通信；不同结点的对等层按照对等协议和数据单元实现对等层之间的通信。不同层的数据单元名称也不同，如下图所示：

4、封装与解封装

原始数据包经过每一层都会被该层协议进行改造（封装头尾部、解封头尾部），改造后的数据包被下层协议（发送）或上层协议（接收）识别（通过特点标识如MAC、IP、端口）、改造、传输，最终被目的IP的对等应用接收。

4.1 数据封装

原始数据从上至下添加内容（封装数据），最后传递到物理层变成光电信号进行传输。

4.2 数据解封装

从物理层接收光电信号，从下至上拆除封装数据时每层添加的内容（数据解封装），最后传递到接收数据的应用程序，获得原始数据。

5、数据包格式

以下是学习TCP/IP协议栈的一些主要数据包的格式，关于每个数据包格式的详细作用说明，在以后适当的时候再来进行说明，这里先对网络数据包的格式样子有个概念性的了解即可。

5.1 二层MAC帧

二层即数据链路层，在该层中，数据包称为帧，帧的结构如下图所示：

1.IFG(Interframe Gap),帧间距，以太网相邻两帧之间的时间断；以太网发送方式是一个帧一个帧发送的，帧与帧之间需要间隙。
2.前同步码和帧开始分界符的作用：其作用是使目的主机接收器时钟与源主机发送器时钟同步。紧接着是帧开始分界符字节“10101011”，用于指示帧的开始。

据RFC894的说明，以太网封装IP数据包的最大长度是1500字节，也就是说以太网最大帧长应该是以太网首部加上1500，再加上7字节的前导同步码和1字节的帧开始定界符，具体就是：7字节前导同步吗＋1字节帧开始定界符＋6字节的目的MAC＋6字节的源MAC＋2字节的帧类型＋1500＋4字节的FCS。
按照上述，最大帧应该是1526字节，但是实际上我们抓包得到的最大帧是1514字节，为什么不是1526字节呢？ 原因是当数据帧到达网卡时，在物理层上网卡要先去掉前导同步码和帧开始定界符，然后对帧进行CRC检验，如果帧校验和错，就丢弃此帧。如果校验和正确，就判断帧的目的硬件地址是否符合自己的接收条件（目的地址是自己的物理硬件地址、广播地址、可接收的多播硬件地址等），如果符合，就将帧交“设备驱动程序”做进一步处理。这时我们的抓包软件才能抓到数据， 因此，抓包软件抓到的是去掉前导同步码、帧开始分界符、FCS之外的数据，其最大值是6＋6＋2＋1500＝1514。
以太网规定，以太网帧数据域部分最小为46字节，也就是以太网帧最小是6＋6＋2＋46＋4＝64。除去4个字节的FCS，因此，抓包时就是60字节。当数据字段的长度小于46字节时，MAC子层就会在数据字段的后面填充以满足数据帧长不小于64字节。由于填充数据是由MAC子层负责，也就是设备驱动程序。

以CSMA/CD作为MAC算法的一类LAN称为以太网。CSMA/CD冲突避免的方法：先听后发、边听边发、随机延迟后重发。一旦发生冲突，必须让每台主机都能检测到。关于最小发送间隙和最小帧长的规定也是为了避免冲突。
考虑如下的情况，主机发送的帧很小，而两台冲突主机相距很远。在主机A发送的帧传输到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到冲突，于是发送冲突信号。假如在B的冲突信号传输到A之前，A的帧已经发送完毕，那么A将检测不到冲突而误认为已发送成功。由于信号传播是有时延的，因此检测冲突也需要一定的时间。这也是为什么必须有个最小帧长的限制。
按照标准，10Mbps以太网采用中继器时，连接的最大长度是2500米，最多经过4个中继器，因此规定对10Mbps以太网一帧的最小发送时间为51.2微秒。这段时间所能传输的数据为512位，因此也称该时间为512位时。这个时间定义为以太网时隙，或冲突时槽。512位＝64字节，这就是以太网帧最小64字节的原因。
512位时是主机捕获信道的时间。如果某主机发送一个帧的64字节仍无冲突，以后也就不会再发生冲突了，称此主机捕获了信道。
由于信道是所有主机共享的，如果数据帧太长就会出现有的主机长时间不能发送数据，而且有的发送数据可能超出接收端的缓冲区大小，造成缓冲溢出。为避免单一主机占用信道时间过长，规定了以太网帧的最大帧长为1500。
100Mbps以太网的时隙仍为512位时，以太网规定一帧的最小发送时间必须为5.12μs。
1000Mbps以太网的时隙增至512字节，即4096位时，4.096μs。

帧示例：

5.2 三层IP报文

三层即网络层，在该层中数据包称为IP报文，IP报文的结构如下图所示：

报文示例：

5.3 四层TCP段

四层即传输层，在该层中数据包称为段，TCP段的结构如下图所示：

TCP报文示例：

三次握手：

数据传输：

HTTP长连接用于保持连接的数据包：

重复ACK：

重传：

乱序：

窗口更新：

5.4 四层UDP段

四层即传输层，在该层中数据包称为段，UDP段的结构如下图所示：

UDP报文示例：

5.5 七层HTTP数据

http请求头报文示例：

http响应头报文示例：

5.6 七层DNS数据

DNS请求报文示例：

DNS响应报文示例：