【网络基础】OSI模型与TCP连接管理

OSI模型、数据封装以及TCP三次握手四次挥手介绍

1. OSI 模型

1.1 OSI参考模型和TCP/IP模型基本介绍

• OSI参考模型：由ISO国际标准组织颁布的开放式体系结构，共七层。

  层数	分层	功能
  L7	应用层	网络服务与最终用户的一个接口
  L6	表示层	数据的表示、安全和压缩
  L5	会话层	建立，管理，终止会话
  L4	传输层	定义传输数据的协议端口号，流量控制，差错校验
  L3	网络层	进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择
  L2	数据链路层	建立逻辑连接，进行物理地址寻址，差错校验等功能
  L1	物理层	建立连接，维护和断开物理连接

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• TCP/IP模型：共五层。

  层数	分层	功能
  L5	应用层	建立两端的会话连接
  L4	传输层	TCP/UDP 协议（一个稳定/传输效率更快）
  L3	网络层	IP地址进行寻址
  L2	数据链路层	MAC地址进行寻址
  L1	物理层	bit流传输

1.2 核心分层

层数	分层	设备	功能/关键技术	常用协议
L5	应用层	服务器		HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、SNMP、DNS
L4	传输层	防火墙		TCP、UDP
L3	网络层	路由器	IP 地址	IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP
L2	数据链路层	交换机、集线器	MAC地址
L1	物理层	网卡、光纤、网线	传输介质、接收数据

注：

1. MAC地址：由16进制表示。在网卡生产出来时，会绑定一个MAC地址，此地址用于表示该网卡在局域网中的位置，通常情况下，不 可更改。
2. 在局域网内，网络设备之间的通信，基于MAC地址寻找目标的物理地址。
3. IP地址：由10进制表示。表示一个网络设备在万维网中的逻辑位置。
4. 在万维网中，基于IP地址寻找目标的逻辑地址。

1.3 OSI分层协议

层数	分层	协议	中文	端口号	功能
L7	应用层	HTTP	超文本传输协议	80	用于网页浏览等数据传输
		HTTPS	超文本传输安全协议	443	加密的HTTP，用于安全传输
		FTP	文件传输协议	控制连接：21 数据连接：20	可靠的文件上传下载，支持认证和目录操作
		TFTP	简单文件传输协议	69（仅用于数据连接）	简单的文件传输，无认证，用于设备固件更新等
		SMTP	简单邮件传输协议	25	用于发送电子邮件
		SNMP	简单网络管理协议	161	用于网络设备管理和监控
		DNS	域名系统	53	将域名解析为IP地址
L4	传输层	TCP	传输控制协议		面向连接的可靠传输，提供流量控制和重传机制
		UDP	用户数据报协议		无连接的简单传输，延迟低但不可靠
L3	网络层	IP	网际协议		负责网络寻址和路由，实现数据包的端到端传输
		ICMP	互联网控制消息协议		用于网络连通性测试和错误报告
		IGMP	互联网组管理协议		管理多播组成员关系
		ARP	地址解析协议		通过IP地址查找对应的MAC地址
		RARP	逆向地址解析协议		通过MAC地址查找对应的IP地址

注：

1. TCP ： 面向连接，工作方式是先建立连接，再传输数据。
2. UDP ： 面向传输，只有简单的数据完整性的校验机制。
3. Ping命令基于ICMP协议，测试网络连通性。

2. 数据传输过程中的封装与解封装

2.1 封装/解封装

层数	分层	封装/解封装过程	设备	封装
L5	应用层	上层数据	服务器	数据
L4	传输层	传输协议头部 + 上层数据	防火墙	数据段
L3	网络层	IP头部 + 传输协议头部 + 上层数据	路由器	数据包
L2	数据链路层	MAC头部 + IP头部 + 传输协议头部 + 上层数据	交换机、集线器	数据帧
L1	物理层	比特流	网卡、光纤、网线	比特流

注：

1. IP头部包含源IP和目标IP。
2. MAC头部包含源MAC和目标MAC。
3. 数据封装/解封装的目的：将数据安全、准确地传输到目标位置。

3. TCP协议

3.1 TCP协议介绍

1. TCP是面向连接的、可靠的进程到进程通信的协议。
2. TCP提供全双工服务，即数据可在同一时间双向传输。
3. TCP报文段：TCP将若干个字节构成一个分组，叫报文段（Segment），TCP报文段封装在IP数据报中。

标志位	全称	中文	功能
SYN	Synchronize	同步	用于建立连接。在三次握手过程中，SYN=1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。
ACK	Acknowledgment	确认	表示确认字段有效。ACK=1 时，表示这是一个确认报文，确认号字段包含有效的下一个期望收到的序列号。
FIN	Finish	结束	用于释放连接。FIN=1 表示发送方已经没有数据要发送了，希望断开连接。
seq	Sequence Number	序列号	用于标识从 TCP 发送端向接收端发送的数据字节流的编号
ack	Acknowledgment Number	确认号	用于确认发送端的信息，实际数据

3.2 TCP三次握手、四次挥手

1. 三次握手

建立连接过程	标志位
客户端 → 服务器	发送 [SYN=1, ACK=0, seq=x]
服务器 → 客户端	发送 [SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1]
客户端 → 服务器	发送 [SYN=0, ACK=1, seq=x+1, ack=y+1]

2. 四次挥手

断开连接过程	标志位
主动关闭方 → 被动关闭方	发送 [FIN=1, ACK=1, seq=u]
被动关闭方 → 主动关闭方	发送 [ACK=1, ack=u+1]
被动关闭方 → 主动关闭方	发送 [FIN=1, ACK=1, seq=v]
主动关闭方 → 被动关闭方	发送 [ACK=1, ack=v+1]

注：

1. 为什么握手是三次，挥手是四次？

   答：TCP 连接是全双工的，而建立连接和断开连接时，双方的状态变化并不同步。可能出现一个半断开的特殊状态，一方的数据并没有传输完成。

思维导图：