四层模型

TCP/IP协议参考模型把所有TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中，每一个抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务。
分布式通信-四层模型 - 图1

网络接口层

这一块主要主要涉及到一些物理传输，比如以太网，无线局域网。

网络层

前面有提到，网络层主要就是做物理地址与逻辑地址之间的转换．
目前市场上应用的最多的是 32 位二进制的 IPv4，因为 IPv4 的地址已经不够用了，所以 128 位二进制的 IPv6 应用越来越广泛了(但是下面的介绍都是基于 IPv4 进行的)。

IP

TCP/IP 协议网络上的每一个网络适配器都有一个唯一的 IP 地址.
IP 地址是一个 32 位的地址,这个地址通常分成 4 端，每 8 个二进制为一段，但是为了方便阅读，通常会将每段都转换为十进制来显示，比如大家非常熟悉的 192.168.0.1
IP 地址分为两个部分：

  • 网络 ID
  • 主机 ID

但是具体哪部分属于网络 ID，哪些属于主机 ID 并没有规定。
因为有些网络是需要很多主机的，这样的话代表主机 ID 的部分就要更多，但是有些网络需要的主机很少，这样主机 ID 的部分就应该少一些.
绝大部分 IP 地址属于以下几类

  • A 类地址：IP 地址的前 8 位代表网络 ID ，后 24 位代表主机 ID。
  • B 类地址：IP 地址的前 16 位代表网络 ID ，后 16 位代表主机 ID。
  • C 类地址：IP 地址的前 24 位代表网络 ID ，后 8 位代表主机 ID。

这里能够很明显的看出 A 类地址能够提供出的网络 ID 较少，但是每个网络可以拥有非常多的主机
但是我们怎么才能看出一个 IP 地址到底是哪类地址呢？

  • 如果 32 位的 IP 地址以 0 开头，那么它就是一个 A 类地址。
  • 如果 32 位的 IP 地址以 10 开头，那么它就是一个 B 类地址。
  • 如果 32 位的 IP 地址以 110 开头，那么它就是一个 C 类地址。

那么转化为十进制（四段）的话，我们就能以第一段中的十进制数来区分 IP 地址到底是哪类地址了。
分布式通信-四层模型 - 图2
注意：

  • 十进制第一段大于 223 的属于 D 类和 E 类地址，这两类比较特殊也不常见，这里就不做详解介绍了。
  • 每一类都有一些排除地址，这些地址并不属于该类，他们是在一些特殊情况使用地址（后面会介绍）
  • 除了这样的方式来划分网络，我们还可以把每个网络划分为更小的网络块，称之为子网（后面会介绍）

全是 0 的主机 ID 代表广播，比如说 IP 地址为 130.100.0.0 指的是网络 ID 为130.100 的 B 类地址。
全是 1 的主机 ID 代表广播，是用于向该网络中的全部主机方法消息的。 IP 地址为 130.100.255.255 就是网络 ID 为 130.100 网络的广播地址（二进制 IP 地址中全是 1 ，转换为十进制就是 255 ）。
以十进制 127 开头的地址都是环回地址。目的地址是环回地址的消息，其实是由本地发送和接收的。主要是用于测试 TCP/IP 软件是否正常工作。我们用 ping 功能的时候，一般用的环回地址是 127.0.0.1。

ARP

地址解析协议，简单的来说 ARP 的作用就是把 IP 地址映射为物理地址，而与之相反的 RARP（逆向 ARP）就是将物理地址映射为 IP 地址。

子网

前面提到了 IP 地址的分类，但是对于 A 类和 B 类地址来说，每个网络下的主机数量太多了，那么网络的传输会变得很低效，并且很不灵活。比如说 IP地址为 100.0.0.0 的 A 类地址，这个网络下的主机数量超过了 1600 万台，所以子网掩码的出现就是为了解决这样的问题。
我们先回顾一下之前如何区分主机 IP 和网络 IP 的，以 A 类地址 99.10.10.10 为例，前 8 位是网络 IP ，后 24 位是主机 IP 。
分布式通信-四层模型 - 图3
子网掩码也是一个 32 为的二进制数，也可以用四个十进制数来分段，他的每一位对应着 IP 地址的相应位置，数值为 1 时代表的是非主机位，数值为 0 时代表是主机位。
分布式通信-四层模型 - 图4
由表格可以很清晰的看出，网络 IP 仍是由之前的分类来决定到底是多少位，主机 IP 则是由子网掩码值为 0 的位数来决定，剩下的则是子网 IP

TCP三次握手和四次挥手的全过程

三次握手：
第一次握手：客户端发送syn包(syn=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。
四次握手
与建立连接的“三次握手”类似，断开一个TCP连接则需要“四次握手”。
第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不 会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但是，此时主动关闭方还可 以接受数据。
第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号）。
第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。
第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

各种协议

ICMP协议： 因特网控制报文协议。它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。
TFTP协议： 是TCP/IP协议族中的一个用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不复杂、开销不大的文件传输服务。
HTTP协议： 超文本传输协议，是一个属于应用层的面向对象的协议，由于其简捷、快速的方式，适用于分布式超媒体信息系统。
DHCP协议： 动态主机配置协议，是一种让系统得以连接到网络上，并获取所需要的配置参数手段。
NAT协议：网络地址转换属接入广域网(WAN)技术，是一种将私有（保留）地址转化为合法IP地址的转换技术，
DHCP协议：一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，用途：给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址，给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。

传输层

传输层提供了两种到达目标网络的方式

  • 传输控制协议（TCP）：提供了完善的错误控制和流量控制，能够确保数据正常传输，是一个面向连接的协议。

  • 用户数据报协议（UDP）：只提供了基本的错误检测，是一个无连接的协议。

    TCP和UDP的区别

  • TCP提供面向连接的、可靠的数据流传输（TCP 协议使用 超时重传、数据确认等方式来确保数据包被正确地发送至目的端）；而UDP提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输。

  • TCP传输单位称为TCP报文段，数据大小无限制；UDP传输单位称为用户数据报，数据大小有限制（64k），接收端必须以该长度为最小单位将其所有内容一次性读出。
  • TCP注重数据安全性，速度慢，但是可靠性高；UDP数据传输快，因为不需要连接等待，少了许多操作，但是其安全性却一般。
  • TCP 的连接是一对一的，所以如果是基于广播或者多播的的应用程序不能使用 TCP，而 UDP 则非常适合广播和多播。

总结一句定义：

TCP 协议（Transmission Control Protocal，传输控制协议）为应用层提供可靠的、面向连接的、基于流的服务。而 UDP 协议（User Datagram Protocal，用户数据报协议）则与 TCP 协议完全相反，它为应用层提供不可靠、无连接和基于数据报的服务。

TCP对应的协议和UDP对应的协议

TCP对应的协议：
（1） FTP：定义了文件传输协议，使用21端口。
（2） Telnet：一种用于远程登陆的端口，使用23端口，用户可以以自己的身份远程连接到计算机上，可提供基于DOS模式下的通信服务。
（3） SMTP：邮件传送协议，用于发送邮件。服务器开放的是25号端口。
（4） POP3：它是和SMTP对应，POP3用于接收邮件。POP3协议所用的是110端口。
（5）HTTP：是从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。
UDP对应的协议：
（1） DNS：用于域名解析服务，将域名地址转换为IP地址。DNS用的是53号端口。
（2） SNMP：简单网络管理协议，使用161号端口，是用来管理网络设备的。由于网络设备很多，无连接的服务就体现出其优势。
（3） TFTP(Trival File Tran敏感词er Protocal)，简单文件传输协议，该协议在熟知端口69上使用UDP服务。

应用层

应用层运行在TCP协议上的协议：

  • HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议），主要用于普通浏览。
  • HTTPS（Hypertext Transfer Protocol over Secure Socket Layer，or HTTP over SSL，安全超文本传输协议）,HTTP协议的安全版本。
  • FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议），由名知义，用于文件传输。
  • POP3（Post Office Protocol，version 3，邮局协议），收邮件用。
  • SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议），用来发送电子邮件。
  • TELNET（Teletype over the Network，网络电传），通过一个终端（terminal）登陆到网络。
  • SSH（Secure Shell，用于替代安全性差的TELNET），用于加密安全登陆用。

运行在UDP协议上的协议：

  • BOOTP（Boot Protocol，启动协议），应用于无盘设备。
  • NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），用于网络同步。
  • DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议），动态配置IP地址。

其他：

  • DNS（Domain Name Service，域名服务），用于完成地址查找，邮件转发等工作（运行在TCP和UDP协议上）。
  • ECHO（Echo Protocol，回绕协议），用于查错及测量应答时间（运行在TCP和UDP协议上）。
  • SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议），用于网络信息的收集和网络管理。
  • ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议），用于动态解析以太网硬件的地址。

    DNS工作原理

    DNS是应用层协议，事实上他是为其他应用层协议工作的，包括不限于HTTP和SMTP以及FTP，用于将用户提供的主机名解析为IP地址。
    DNS服务的作用：把域名解析为IP地址，将IP地址解析为域名。
    当DNS客户机需要在程序中使用名称时，它会查询DNS服务器来解析该名称。客户机发送的每条查询信息包括三条信息：包括：指定的DNS域名，指定的查询类型，DNS域名的指定类别。基于UDP服务，端口53
    DNS的查询过程如下所示：
    分布式通信-四层模型 - 图5
    1、在浏览器中输入 www.qq.com 域名，操作系统会先检查自己本地的hosts文件是否有这个网址映射关系，如果有，就先调用这个IP地址映射，完成域名解析。
    2、查找本地DNS解析器缓存是否有这个网址映射关系，如果有，直接返回，完成域名解析。
    3、查找TCP/IP参数中设置的首选DNS服务器，在此我们叫它本地DNS服务器。
    4、如果要查询的域名，不由本地DNS服务器区域解析，但该服务器已缓存了此网址映射关系，则调用这个IP地址映射，完成域名解析，此解析不具有权威性。
    5、根据本地DNS服务器的设置（是否设置转发器）进行查询，如果未用转发模式，本地DNS就把请求发至13台根DNS，根DNS服务器收到请求后会判断这个域名(.com)是谁来授权管理，并会返回一个负责该顶级域名服务器的一个IP。本地DNS服务器收到IP信息后，将会联系负责.com域的这台服务器。这台负责.com域的服务器收到请求后，如果自己无法解析，它就会找一个管理.com域的下一级DNS服务器地址(http://qq.com)给本地DNS服务器。当本地DNS服务器收到这个地址后，就会找 http://qq.com 域服务器，重复上面的动作，进行查询，直至找到 www.qq.com 主机。
    6、如果用的是转发模式，此DNS服务器就会把请求转发至上一级DNS服务器，由上一级服务器进行解析，上一级服务器如果不能解析，或找根DNS或把转请求转至上上级，以此循环。
    不管是本地DNS服务器用是是转发，还是根提示，最后都是把结果返回给本地DNS服务器，由此DNS服务器再返回给客户机。
    从客户端到本地DNS服务器是属于递归查询，而DNS服务器之间就是的交互查询就是迭代查询。