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一.协议的概念

1.1协议的概念

什么是协议
从应用的角度出发，协议可理解为“规则”，是数据传输和数据的解释的规则。假设，A、B双方欲传输文件。规定:

第一次，传输文件名，接收方接收到文件名，应答OK给传输方;
第二次，发送文件的尺寸，接收方接收到该数据再次应答一个OK;
第三次，传输文件内容。同样，接收方接收数据完成后应答oK表示文件内容接收成功。

由此，无论A、B之间传递何种文件，都是通过三次数据传输来完成。A、B之间形成了一个最简单的数据传输规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。

这种仅在A、B之间被遵守的协议称之为原始协议。当此协议被更多的人采用，不断的增加、改进、维护、完善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议，被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。最早的ftp协议就是由此衔生而来。

Tcp协议注重数据的传输Http协议着重于数据的解释。

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1.2典型协议

物理层和数据链路层：
- Ethernet（以太网）：在局域网中传输数据的常用协议。
- Wi-Fi：用于无线局域网（WLAN）的协议。
- ARP（Address Resolution Protocol）：用于将 IP 地址解析为物理 MAC 地址的协议。
- PPP（Point-to-Point Protocol）：用于点对点通信的协议，常用于拨号连接、DSL 等。
网络层：
- IP（Internet Protocol）：用于在网络中路由和传输数据的主要协议。
- ICMP（Internet Control Message Protocol）：用于网络故障排除和错误报告的协议。
- IGMP（Internet Group Management Protocol）：用于在 IP 多播中管理组成员的协议。
传输层：
- TCP（Transmission Control Protocol）：提供可靠的、面向连接的数据传输。
- UDP（User Datagram Protocol）：提供不可靠的、面向无连接的数据传输。
应用层：
- HTTP（Hypertext Transfer Protocol）：用于在 Web 中传输超文本的协议。
- FTP（File Transfer Protocol）：用于文件传输的协议。
- DNS（Domain Name System）：用于将域名解析为 IP 地址的协议。
- SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：用于电子邮件的传输。
- POP3（Post Office Protocol version 3）：用于电子邮件的接收。

二.分层模型

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2.1 OSI七层模型

OSI模型（Open Systems Interconnection model）是一种用于描述计算机网络体系结构的概念框架。它将计算机网络通信的不同方面划分为七个不同的层级，每个层级都负责特定的功能。以下是OSI模型的七个层级：

物理层（Physical Layer）：负责传输比特流，描述物理媒介的传输电气和物理特性。
数据链路层（Data Link Layer）：处理帧（Frame）的传输和错误检测，确保可靠的点到点传输。
网络层（Network Layer）：处理网络中的数据包路由选择、转发和控制。
传输层（Transport Layer）：提供端到端的可靠传输服务，并处理数据包的分段和重组。
会话层（Session Layer）：负责建立、管理和终止应用程序会话。
表示层（Presentation Layer）：处理数据的格式和编码，实现在不同系统中的数据格式之间的转换。
应用层（Application Layer）：为用户提供网络应用服务，例如电子邮件、文件传输和远程登录等。

OSI模型提供了一种通用的参考框架，帮助人们理解和描述计算机网络中不同层级的功能。它启发了许多标准和协议的设计，比如TCP/IP协议就是根据OSI模型进行设计的。

需要注意的是，实际上，并不是所有的网络都严格遵循OSI模型的七层结构，而是更常用的TCP/IP模型，将其中的物理层和数据链路层合并为一个层级。但OSI模型仍然是计算机网络中的一个重要概念。

2.2TCP/UDP模型

TCP/IP模型是一种计算机网络体系结构，也是现代互联网所基于的核心协议体系。相比于OSI模型，TCP/IP模型将网络通信划分为四个层级，具体如下：

网络接口层（Network Interface Layer）：
- 负责处理物理传输介质和网络设备之间的通信，如以太网、Wi-Fi等。
- 主要关注数据的包装、传输和接收，以及物理寻址和数据帧的处理。
网络层（Internet Layer）：
- 使用IP（Internet Protocol）进行数据包的路由和传输。
- 实现了互联网的核心功能，将数据包从源主机传递到目标主机，途径多个网络节点。
传输层（Transport Layer）：
- 提供端到端的数据传输服务，主要有TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）。
- TCP提供可靠的、面向连接的传输，UDP提供不可靠的、无连接的传输。
应用层（Application Layer）：
- 为用户提供网络应用服务，如HTTP、FTP、SMTP等。
- 直接面向用户的应用程序，通过应用层协议与下层进行通信。

TCP/IP模型是当前互联网中使用最广泛的网络体系结构，它提供了一种灵活而可扩展的方式来实现网络通信。虽然TCP/IP模型与OSI模型的层级划分不完全相同，但它们共同为网络通信提供了重要的基础。

2.3通信过程

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TCP/IP通信是基于TCP和IP协议的网络通信过程，以下是TCP/IP通信的简要描述：

建立连接：
- 在TCP/IP通信中，客户端首先与服务器建立连接，即发起一个连接请求。
- 客户端发送一个特殊的TCP报文段，称为SYN（同步）段，带有自己的初始序列号。
- 服务器收到SYN段后，发送一个带有确认和同步标志的TCP报文段（SYN+ACK），将自己的初始序列号返回给客户端。
数据传输：
- 在连接建立后，客户端和服务器之间可以开始传输数据。
- 数据被分割成合适的大小的数据块，称为TCP报文段。
- TCP协议为每个报文段分配一个序列号，并对每个接收到的报文段进行确认。
数据的可靠传输和流量控制：
- 发送方将数据划分为较小的数据块，并为每个数据块分配序列号，并逐个发送。
- 接收方收到数据后，发送确认报文段（ACK）进行确认。
- 发送方根据收到的确认进行重发或继续发送下一个数据块。
连接终止：
- 通信完成后，客户端或服务器可以发起连接的终止。
- 发起终止的一方发送一个终止请求报文段，即FIN（结束）报文段。
- 接收方收到终止请求后，发送确认报文段进行确认。
- 发起方收到确认后，发送最后的确认报文段，同时关闭连接。

在TCP/IP通信过程中，IP协议负责对数据进行分组和路由传输，将数据从源主机发送到目标主机。而TCP协议负责提供可靠的、面向连接的服务，保证数据的顺序、完整性和可靠性。

需要注意的是，每个通信步骤都可能面临网络延迟、数据丢失或其他错误，因此TCP/IP通信具有一定的容错性和自适应能力，以保证数据的可靠传输。

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三.协议格式

3.1数据封装

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在TCP/IP网络中，数据的封装是指将要传输的数据逐层封装成不同的协议数据单元（Protocol Data Units，PDU），以便在网络中进行传输。每一层协议都会在数据上添加自己的头部信息，形成一个封装的数据包，然后通过下一层传递。

以下是TCP/IP网络中数据的封装过程：

应用层封装：
- 应用层协议（如HTTP、FTP）将上层数据封装成应用层数据报，添加应用层协议头部信息。例如，HTTP数据报中包含HTTP请求或响应的数据。
传输层封装：
- 传输层协议（如TCP、UDP）将应用层数据报封装成传输层数据段。
- TCP会为数据段添加TCP头部信息，包括源端口号、目标端口号、序列号、确认号等。
- UDP会为数据段添加UDP头部信息，包括源端口号、目标端口号以及长度和校验和等。
网际层封装：
- 网际层协议（即IP协议）将传输层数据段封装成IP数据包。
- IP数据包包含源IP地址、目标IP地址、协议类型及其他相关信息。
网络接口层封装：
- 网络接口层协议（如以太网）将IP数据包封装为数据帧。
- 数据帧包括源和目标MAC（物理）地址和以太网头部信息。

封装的过程是由发送端进行的，每一层协议都会在数据上添加相应的头部信息，形成一个完整的封装数据包。在传输过程中，这些封装的数据包会逐层解析，每个协议层都会处理相应的头部信息，然后将数据传递给高层协议，最终到达目标主机。

3.2以太网帧格式

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以太网帧协议：根据mac地址，完成数据包传输
ARP协议:根据ip地址获得mac地址

3.3ARP数据报格式

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ARP表（Address Resolution Protocol Table），也称为ARP缓存或ARP映射表，是在操作系统或网络设备中存储IP地址与MAC地址之间映射关系的表格。

ARP表用于在发送数据时，根据目标IP地址获取对应的MAC地址，从而实现在链路层上的直接通信。当设备收到一个数据包时，它首先检查目标IP地址是否存在于自己的ARP表中，如果存在就直接使用相应的MAC地址，如果不存在则使用ARP请求来获取目标设备的MAC地址，并将其添加到ARP表中，以便后续通信使用。

ARP表中的每一项通常包含以下信息：

IP地址：设备的IP地址。
MAC地址：与IP地址对应的物理地址（MAC地址）。
接口：设备与网络通信的接口，如以太网接口。

ARP表是动态生成和维护的，它会随着网络中设备的通信不断更新。通常，ARP表中的条目会有一个存活时间（TTL）限制，超过一定时间没有使用就会被删除或更新。

可以使用命令行工具（如Windows的arp -a命令或Linux的arp -n命令）来查看设备上的当前ARP表内容。

总的来说，ARP表是用于存储IP与MAC地址之间映射关系的表格，它在实现网络通信时起着重要作用。

3.4 IP段格式

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下面是IPv4数据报的格式，整理成表格形式：

字段	长度（位）	描述
版本	4	IP协议的版本号（通常为4，表示IPv4）
首部长度	4	IP头部的长度（单位为4字节，最小值为5，表示20字节的IP头部）
区分服务	8	数据报的服务质量要求，如优先级、延迟、带宽等
总长度	16	整个IP数据报的长度（包括IP头部和数据部分的字节数）
标识	16	用于唯一标识一个IP数据报的片段
标志	3	指示IP数据报的分片状态
片偏移	13	分片数据的相对于原始数据的偏移量（以8字节为单位）
生存时间	8	数据报在网络中的最大生存时间（跳数）
协议	8	标识上层协议（如TCP、UDP）或其他协议的类型
头部校验和	16	校验IP头部的完整性
源IP地址	32	源主机的IP地址
目标IP地址	32	目标主机的IP地址
选项	可变	用于扩展IP头部的功能
数据部分	可变	承载上层协议的数据

3.5TCP数据报格式

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IP地址:可以在网络环境中，唯一标识一台主机。
端口号:可以网络的一台主机上，唯一标识一个进程。
IP地址+端口号:可以在网络环境中，唯一标识一个进程。
TCP（Transmission Control Protocol）数据报是TCP协议在网络通信中传输数据的基本单位。TCP数据报由TCP头部和数据部分组成。

下面是TCP数据报的基本格式：

字段	长度（字节）	描述
源端口号	2	发送端口号
目标端口号	2	接收端口号
序列号	4	用于对TCP数据包进行排序和重组。表示从发送端发出的第一个数据字节的序号。
确认号	4	表示期望收到的下一个数据字节的序号，用于确认已收到的数据。
数据偏移	4	表示TCP头部的长度，以32位字中的偏移量数表示。最小值为5，表示20字节的TCP头部。
保留	3	保留字段，保留将来使用
控制标志	9	用于控制TCP连接的状态和操作，包括ACK、SYN、FIN等标志。
窗口大小	2	表示接收方缓冲区的大小，用于流量控制和拥塞控制。
校验和	2	用于校验TCP头部和数据部分的完整性。
紧急指针	2	表示紧急数据的位置。紧急数据是指优先于正常数据进行传输和处理的数据。
选项和填充	可变	可选字段，用于某些特殊功能和额外的控制选项。
数据部分	可变	承载应用层数据。