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IOS/OSI參考模型與TCP/IP模型對比

路由交換

路由是三層（網(wǎng)絡(luò)層）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，交換是二層（數(shù)據(jù)鏈路層）技術(shù)，三層路由技術(shù)其實就完成兩個很重要的功能，一個是選路，根據(jù)路由表、路由策略、選擇最佳路徑，二就是轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)選擇的路徑轉(zhuǎn)發(fā)；交換技術(shù)，二層交換機中維護著一張局域網(wǎng)主機MAC地址與交換機接口的對應(yīng)關(guān)系的表，交換機就是根據(jù)這張表負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)街付ǖ闹鳈C上的，這張表就是MAC表。

單播與廣播

當(dāng)交換機從某個端口收到一個數(shù)據(jù)幀以后，首先，讀取包頭中的源MAC地址，并且記錄源MAC地址的機器是連在哪個端口上；其次，再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應(yīng)的端口，如表中有與這目的MAC地址對應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)幀直接發(fā)送到目的MAC地址對應(yīng)的端口上，其實這就是單播；再次，如果MAC表中找不到目的MAC相應(yīng)的端口，則直接把數(shù)據(jù)幀廣播到所有端口上，當(dāng)目標(biāo)服務(wù)器對源服務(wù)器回應(yīng)時，交換機又可以學(xué)習(xí)目的MAC地址與交換機哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了，這也就是廣播。

網(wǎng)卡

網(wǎng)卡是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是局域網(wǎng)中連接計算機和傳輸介質(zhì)的接口，不僅能實現(xiàn)與局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)之間的物理連接、電信號匹配（模擬信號與電流信號轉(zhuǎn)換）、還涉及數(shù)據(jù)幀的封裝、拆封、介質(zhì)的訪問控制、數(shù)據(jù)的編碼與解碼以及數(shù)據(jù)緩存、監(jiān)控上傳下載流量、控制網(wǎng)速等；

IP地址

IP地址有IPv4與IPv6之分，IPv6是為了解決IPv4地址不足而出現(xiàn)的，但目前IPv4還是主流，下面所有說到的IP地址，默認(rèn)為IPv4，IP地址根據(jù)網(wǎng)絡(luò)號和主機號來分，分為A、B、C三類基本類型及特殊地址D（多播）、E（保留）。

A類：(1.0.0.0-126.0.0.0)（子網(wǎng)掩碼：255.0.0.0）第一個字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)號，后三個字節(jié)為主機號，一般用于大型網(wǎng)絡(luò)；

B類：(128.0.0.0-191.255.0.0)（子網(wǎng)掩碼：255.255.0.0）前兩個字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)號，后兩個字節(jié)為主機號，一般用于中等規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；

C類：(192.0.0.0-223.255.255.0)（子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0）前三個字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)號，最后一個字節(jié)為主機號，一般用于小型網(wǎng)絡(luò)；

D類：是多播地址，地址的網(wǎng)絡(luò)號取值于224~239之間，一般用于多路廣播用戶；

E類：是保留地址，地址的網(wǎng)絡(luò)號取值于240~255之間，保留地址。

在IP地址3種基本類型里，各保留了3個區(qū)域作為私有地址，其地址范圍如下：

A類地址：10.0.0.0～10.255.255.255

B類地址：172.16.0.0～172.31.255.255

C類地址：192.168.0.0～192.168.255.255

劃分網(wǎng)絡(luò)時，還應(yīng)該注意，主機號全0和全1的地址，都無法使用，主機號全0代表指向那個網(wǎng)段、主機號全1代表廣播地址，其它地址就是普通的IP地址了，特殊地址：127.0.0.1，也是本機地址，等效于localhost或本機IP。

IP協(xié)議

IP是面向無連接的，是無狀態(tài)協(xié)議，IP協(xié)議工作在網(wǎng)絡(luò)層，主要是定義網(wǎng)絡(luò)地址、區(qū)分網(wǎng)段、相同子網(wǎng)內(nèi)MAC尋址、對不同子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進行路由，它主要就是在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中將數(shù)據(jù)包發(fā)給最終的目標(biāo)地址。

IP協(xié)議為什么設(shè)計成無狀態(tài)的？

1. 無狀態(tài)的協(xié)議處理相對簡單；

2. 通信之前無需要建立連接；

3. TCP 已經(jīng)是面向連接服務(wù)了，IP層可委托TCP來解決面向連接的問題；

4. 由于不帶有狀態(tài)，互聯(lián)網(wǎng)路由起來更加自由、容錯性也更強；

值得注意的是，現(xiàn)實中的IP層往往都帶有安全過濾，甚至有些路由器，防火墻等中途設(shè)備還會干涉應(yīng)用，為了更好的做安全檢測，IP層還增加了connection tracking，在無狀態(tài)協(xié)議上面來追蹤上層連接，這種方式提高了安全性，但有時也會帶來新的問題。

在IP經(jīng)驗知識方面，大致總結(jié)以下幾點

1. IP 數(shù)據(jù)包每次選擇路徑不是固定的，到達的順序很有可能是亂序的；

2. IP 數(shù)據(jù)包經(jīng)過的地方，中途設(shè)備不僅僅具備路由功能，而且還會干涉TCP會話，再有防火墻或其它安全過濾設(shè)備時，還有可能會出現(xiàn)RST(RST表示復(fù)位，用來關(guān)閉異常的連接，異常斷鏈)；

3. IP 協(xié)議是無狀態(tài)協(xié)議，簡化互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，是互聯(lián)網(wǎng)大獲成功的關(guān)鍵因素之一；

4. IP層對TCP傳遞過來的數(shù)據(jù)包很少分片處理；

DNS協(xié)議

DNS域名系統(tǒng)協(xié)議，出現(xiàn)的目的是為了解決大家很難記住IP地址（像上面所列的知識點IP知識一樣），但大家都需要訪問一個網(wǎng)站，所以后來出現(xiàn)了DNS域名服務(wù)，主要是用于域名與IP地址的相互映射的一個分布式數(shù)據(jù)庫，從而方便用戶瀏覽網(wǎng)頁。



圖 DNS遞歸迭代查詢

DNS查詢解析又分為兩種，一種是遞歸，還有一種迭代，這里簡單說下，遞歸是用戶只向本地DNS服務(wù)器發(fā)出請求后，就等待肯定或者否定的答案，而迭代是本地名稱服務(wù)器向根DNS服務(wù)器發(fā)出請求，而根服務(wù)器只是給出下一級DNS服務(wù)器的地址，然后本地服務(wù)器再向下一級DNS服務(wù)器請求，直至得到最終答案。

注意，客戶機與本地DNS服務(wù)器之間，一般是遞歸查詢，而DNS服務(wù)器與下一級DNS服務(wù)器之間，一般是迭代查詢，域名查詢優(yōu)先查詢?yōu)g覽器緩存，其次是本地/etc/hosts，最后訪問本地DNS，如果本地有，或者本地緩存中有，直接返回，如果沒有，根據(jù)配置進行遞歸或者迭代查詢。

ARP/RARP協(xié)議

ARP（Address Resolution Protocol）即地址解析協(xié)議，是根據(jù)IP地址獲取物理MAC地址的一個TCP/IP協(xié)議簇中的一員，ARP命令可用于查詢本機ARP緩存中IP地址和MAC地址的對應(yīng)關(guān)系、添加和刪除靜態(tài)對應(yīng)關(guān)系等；

RARP 即逆地址解析協(xié)議，功能和ARP協(xié)議相對，其將局域網(wǎng)中某個主機的物理MAC地址轉(zhuǎn)換為IP地址；

互聯(lián)網(wǎng)中常說的元組根據(jù)指的是什么

四元組：源IP、目的IP、源端口、目的端口；

五元組：源IP、目的IP、協(xié)議類型、源端口、目的端口；

七元組：源IP、目的IP、協(xié)議類型、源端口、目的端口、服務(wù)類型、接口索引；

socket 端口

當(dāng)我們訪問一個服務(wù)時，或者通過瀏覽器訪問一個網(wǎng)站，需要指明服務(wù)器域名（最終都會指向IP）及端口（只是默認(rèn)http使用80、https使用443），我們沒有自己輸入而已，但如果訪問的端口不是80、443時，就需要人為指定？因為系統(tǒng)服務(wù)是通過端口來區(qū)分不同應(yīng)用程序，TCP通過端口找到上層應(yīng)用，需要注意的是，端口號是有限的，端口號最大為65535，能夠利用的端口數(shù)量隨配置而定。例如在壓力測試過程中，一臺機器可以利用的TCP端口是有限的，能夠利用的連接（客戶端端口，客戶端IP，服務(wù)器應(yīng)用端口，服務(wù)器IP地址）是有限的。為了解決這個問題，可以配置多IP地址來擴大可用連接數(shù)量。系統(tǒng)支持同一個端口，不同的IP地址來綁定不同的應(yīng)用。Linux高版本系統(tǒng)下，在綁定同一個IP地址的情況下，我們還可以利用REUSEPORT機制使不同應(yīng)用程序共享同一個監(jiān)聽端口，這對高性能服務(wù)器開發(fā)是非常有用的。

TCP/IP協(xié)議概述

TCP和UDP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心，TCP(Transmission Control Protocol)傳輸控制協(xié)議和UDP(User Datagram Protocol)用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議屬于傳輸層協(xié)議。其中TCP提供IP環(huán)境下的數(shù)據(jù)可靠傳輸，它提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)流傳送、可靠性、有效流控、全雙工操作和多路復(fù)用，通常是面向連接、端到端和可靠的數(shù)據(jù)段或數(shù)據(jù)報發(fā)送。通俗來講，就是事先為所發(fā)送的數(shù)據(jù)開辟出連接好的通道，然后再進行數(shù)據(jù)發(fā)送；而UDP則不為IP提供可靠性、流控或差錯恢復(fù)功能。一般來說，TCP對應(yīng)的是可靠性要求高、數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用，而UDP對應(yīng)的則是可靠性要求低、傳輸經(jīng)濟的應(yīng)用。

TCP協(xié)議特性

TCP是一種面向連接、可靠的、基于字節(jié)流的通信協(xié)議，TCP的主要工作是定義端口標(biāo)識應(yīng)用程序身份，實現(xiàn)端對端的可靠通信，并進行擁塞控制、防止阻塞，哪么TCP有哪些特性，支撐它這種功能呢？

一、面向連接：通信雙方傳輸數(shù)據(jù)前，需要連接一個連接，即需要三次握手，連接標(biāo)識即為四元組：源IP、源端口、目的IP、目的端口；

通信雙方傳輸完數(shù)據(jù)后，還需要四次或三次揮手；

二、雙向字節(jié)流：本地向遠(yuǎn)端和遠(yuǎn)端向本地，都使用字節(jié)流的方式進行通信，每個方向都利用單獨的序列號對字節(jié)流進行標(biāo)記；

三、有序傳輸：通過TCP header的sequence序號對不同數(shù)據(jù)包進行排序；

四、通過ack確認(rèn)實現(xiàn)可靠性：通過對端的acknowlegment number和本地的緩存，實現(xiàn)重傳確保傳輸可靠性；

五、流量控制：發(fā)送的一方根據(jù)對方的接收窗口大小進行數(shù)據(jù)傳遞，確保對方能夠接收下所發(fā)送的數(shù)據(jù)，以免造成擁塞；

六、擁塞控制：不同于流量控制，擁塞控制是由發(fā)送者決定的，而擁塞窗口通過限制正在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小、防止網(wǎng)絡(luò)擁塞；

后面會針對TCP中的每一項特性，分章節(jié)，詳細(xì)總結(jié)。

TCP 使用經(jīng)驗總結(jié)

1. 距離越遠(yuǎn)，延遲越大，重傳概率越大；

2. 網(wǎng)絡(luò)狀況好壞，直接影響應(yīng)用程序性能；

3. 不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，會采用不同的擁塞算法；

4. 擁塞控制算法是互聯(lián)網(wǎng)的精華，是互聯(lián)網(wǎng)大獲成功的關(guān)鍵因素之一；

5. TCP是有狀態(tài)協(xié)議，采用異步處理；

6. 使用tcpdump或wireshark抓包分析是找到TCP相關(guān)問題根本原因的利器；

客戶端請求是如何到達服務(wù)器

這里我們以訪問www.k8s.vip頁面為例，進行簡單總結(jié)下當(dāng)我們在瀏覽器中輸入域名，按回車后，發(fā)生了什么。



圖 數(shù)據(jù)包傳輸

一、用戶在瀏覽器中輸入www.k8s.vip 回車；

1. 查詢本地瀏覽器緩存的域名解析記錄，如果存在，直接根據(jù)解析記錄進行路由訪問；

2. 如果瀏覽器緩存記錄不存在，會查詢本地hosts文件，如果存在，直接根據(jù)配置的記錄去訪問；

3. 最后，如果瀏覽器緩存不存在，本地hosts也沒有，就會向DNS請求解析，得到A記錄的IP；

這里的A記錄中的IP，就是訪問的目的地址，其實這里有可能解析出來多個IP，也會根據(jù)一定的算法選擇一個進行訪問。

二、此時用戶通過目的IP、目的端口，源IP（本地IP）、源端口，通過TCP協(xié)議去完成三次握手，建議TCP連接；

1. 用戶通過 TCP socket 接口發(fā)送請求后，TCP協(xié)議接管了請求傳遞，TCP先把請求拆分成一個個更小的數(shù)據(jù)分段（假設(shè)TCP offload沒有開啟的情況下）；

2. 由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境多變，還可能第二個數(shù)據(jù)包先到達服務(wù)器，這時TCP會負(fù)責(zé)處理TCP Out-Of-Order的情況；如果網(wǎng)絡(luò)傳遞過程中，某一個路由器由于過于繁忙，把第一個數(shù)據(jù)包丟了，那么客戶端的TCP會負(fù)責(zé)重傳第一個數(shù)據(jù)包，確保服務(wù)器端的TCP能夠不會因為丟包而收不到第一個數(shù)據(jù)包；

3. 如果用戶請求內(nèi)容很大，如上傳一個大文件，就會被拆分成大量數(shù)據(jù)分段，而TCP傳輸這些數(shù)據(jù)分段的時候，往往還會考慮整個互聯(lián)網(wǎng)能夠接收的程度和對方能夠接收的程度，發(fā)送數(shù)據(jù)過于貪婪不僅會連累整個互聯(lián)網(wǎng)，對方也未必能夠接收得了，而且還可能使自己速度更慢，這有點像道路駕駛一樣，不能過于自私，遵守一定的交通規(guī)則才能使道路通暢。在互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)方面，這些交通規(guī)則算法就是赫赫有名的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法，而對方能否接收得了，則通過發(fā)送窗口的方式進行控制?？傮w來說，一次發(fā)送數(shù)據(jù)的大小是根據(jù)對方的接收窗口大小和擁塞控制算法來綜合決定的；

三、通過IP層發(fā)送出去，在IP層，這些數(shù)據(jù)分段會被封裝成IP數(shù)據(jù)包；

1. 通過計算本地IP與目標(biāo)IP的子網(wǎng)掩碼，決定是否為同一局域網(wǎng)；

2. 如果A記錄是本地局域網(wǎng)內(nèi)的IP，通過ARP查詢是否有此主機的MAC，如果有，直接復(fù)制到數(shù)據(jù)鏈路層；

如果沒有，就會在此局域網(wǎng)內(nèi)廣播下這個IP，直到得到主機IP對應(yīng)的MAC，進行轉(zhuǎn)發(fā)通信，然后進入數(shù)據(jù)鏈路層；

3. 如果A記錄與本地IP不在同一局域網(wǎng)，直接轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)再去路由，這些數(shù)據(jù)包經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)的多個路由器到達目的地，由于IP網(wǎng)絡(luò)是無狀態(tài)的協(xié)議，每一個數(shù)據(jù)包走的路徑可能不一樣，而且到達的順序也有可能不一樣，這就要求對端的TCP需要重新組裝數(shù)據(jù)包，以確保向應(yīng)用層傳遞的數(shù)據(jù)是用戶能夠識別的用戶請求，這樣服務(wù)器應(yīng)用程序就可以處理用戶發(fā)起的請求了。

四、通過數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送到NIC、進行數(shù)模轉(zhuǎn)換發(fā)送到級連的NIC口，進行交換再路由等；

五、客戶端收到客戶端response響應(yīng)后，就會進入關(guān)閉環(huán)境，進行tcp 四次揮手階段；

客戶機數(shù)據(jù)包經(jīng)過一層層的封包，最后通過bit流傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備再經(jīng)過多次路由交換封包解包再轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達服務(wù)器網(wǎng)卡，再解包、重組、得到請求內(nèi)容，進行處理；處理完成后，進行響應(yīng)，再把數(shù)據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。

每次的網(wǎng)絡(luò)請求可能涉及到的技術(shù)點有：緩存、DNS協(xié)議、TCP協(xié)議（流量控制、擁塞控制、窗口大小等）、IP協(xié)議、HTTP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、路由協(xié)議（ospf、RIP、BGP等）、交換、NAT技術(shù)、負(fù)載均衡等等