1. 计算机网络的历史

参考文章计算机网络起源网络发展简介

1.1. 阿帕网 ARPANET 的发展

1961 ARPANET 设计
1965 采用 分组交换(packet switching):一种新的网络信息传输技术
1969
- 第一个 RFC 请求评论(Request for Comments) 开始通过 APPANET 发布
- 第一个接口信息处理单元(Interface Message Processor) 相当于今天的路由器接受分包然后将分包转走
- 互联网(Internet)

1.2. 逐渐成型的互联网协议

1970s
- 1971-第一个 email(APPANET)
- 1971-ALOHAnet: 第一个 wifi
- 1973-Ethernet: 局域网
- 1973-SATNET: 卫星网
- 1973-IP 电话/互联网电话(VOIP)，第一个给用户使用的电话在 1995
- 1974-第一个路由器(施乐 XeroX)
- 1976-第一个 IP 路由器,但被称为网关 Gateway
- 1976-BobKahn 发明了 TCP/IP 协议
1980s
- 1981 iPhv4
- 1981 BITNet 因时网
- 1981 CSNet 计算机科学网
- 1983 ARPANet 迁移到 TCP/IP 协议
- 1983 - DNS
- 1986 BITNet ②
- 1988 WaveLan(WI-FI)
- 1988 Packet filter wall 第一个防火墙
- 1988 APAPNet 升级 T1 主干网络
1990s
- 1990 第一个交换机
- 1996 IPv6 128 位
- 1997 802.11 wifi 标准 2mbps
- 1999 802.11a 标准 5GHz 25mbps
- 1999 802.11b 标准 11mbps
- 1999 WEP 加密协议 RC4 + CRC-32

1.3. 2000 年后

2000s
- 2003 802.11g 标准 54mbps
- 2003 WPA 加密协议
- 2003 WPA2 加密协议
- 2008 4G 标准 100Mbps
- 2009 802.11n 标准 600mbps

2. OSI 模型

2.1. OSI 模型的简介

什么是 OSI 模型？(ISO/IEC 7498-1)
- 开放式系统互联模型(Open System Interconnection Model)
- 世界范围内的网络标准概念模型
- OSI 的努力让互联网协议逐渐走向标准化

哪七层？
1.应用层(Application Layer)
- 提供高级 API
- 定义了网络主机提供的方法和接口(业务协议、高级协议等)
- 往往直接对应用户行为
- 例如：HTTP、FTP、SMTP 等
2.表示层(Presentation Layer)
- 将应用层中的数据转化为传输格式、保留语义（如：序列化、加密解密、字符串编码解码等）
- 确保数据发送取出后可以被接受者理解
3.会话层(Session Layer)
- 提供管理会话的方法
- 提供对底层链接断断续续的隐藏，甚至对多种底层流的隐藏
4.传输层(Transport Layer)
- 提供主机到主机的数据通信能力
- 建立连接保证数据封包发送、接收到的顺序一致
- 提供可靠性（发送者知道数据有没有被完整送达）
- 提供流控制（发送者和接收者同步速率）
- 提供多路复用（多重信号复用一个信道）
5.网络层(Network Layer)
- 提供数据在逻辑单元（例如IP地址）之间的传递能力
- 路由：决定数据的下一站在哪里
- 寻址：为数据封包增加头信息
6.数据链路层(Data Link Layer)
- 提供数据在设备和设备间的传输能力
- 流控制：发送者接受者之间同步数据收发速度和数据量
- 错误控制：监测数据有没有出错，并重发出错的数据
7.物理层(Physical Layer)
- 定义底层一个个 位(bit) 的数据如何变成物理信号

2.2. 结合实际应用思考

Alice向Bob发微信

提交的输入被微信存储成某种内部协议格式 ----应用层
数据被转换成为传输用的格式（如加密压缩）----表示层
微信客户端建立到服务器的连接（也可能之前已经建立好了） ---- 会话层
微信客户端向服务器传输数据 ----传输层
一个个数据封包从主机传输到服务层 ----网络层
数据帧在一个个设备之间传输 ----数据链路层
数据最终以光电信号的形式在物理设备间传输 ----物理层

数据视角
- 应用层、展示层、会话层处理用户数据
- 传输层相当于把数据封包
- 网络层一帧一帧
- 数据链路层二进制
- 物理层物理信号

2.3. 深入思考 OSI 分层架构

把应用分成N层
替换其中一层不会影响其它层的工作，不需要重构整个应用
设计要点
- 必要性、独立性、可替换性
- 层的颗粒度
- 数据可追踪性

2.4. 总结

OSI是概念模型，同时也是标准
分层是最常见的架构手段
后续重点学习的TCP/IP协议群受到OSI的影响

3. TCP/IP 协议群

3.1 是什么？

TCP/IP，传输控制协议/网际协议，是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇

TCP（传输控制协议） 一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
IP（网际协议） 用于封包交换数据网络的协议

TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇，

只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以通称为TCP/IP协议族（英语：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols）

3.2 划分

TCP/IP协议族按层次分别了五层体系或者四层体系

五层体系的协议结构是综合了 OSI 和 TCP/IP 优点的一种协议，包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层

五层协议的体系结构只是为介绍网络原理而设计的，实际应用还是 TCP/IP 四层体系结构，包括应用层、传输层、网络层（网际互联层）、网络接口层

如下图所示：

3.2.1 五层体系

应用层 Application

提供应用间的通信能力

TCP/IP 模型将 OSI 七层模型中的会话层、表示层和应用层的功能合并到一个应用层实现，通过不同的应用层协议为不同的应用提供服务。

如：FTP、Telnet、DNS、SMTP 等

传输层 Transport.

提供主机到主机(host-to-host)的通信功能

传输层定义了两个主要协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）

其中面向连接的 TCP 协议保证了数据的传输可靠性，面向无连接的 UDP 协议能够实现数据包简单、快速地传输

网络层 Internet

提供地址到地址的通信能力

像物流公司一样将封包从一个 ip 地址送到另一个 ip 地址，中间会有很多的网络设备(路由器)

链接层 Link 提供设备到设备之间的通信能力

物理层 Pysical ** 提供光电信号在各种物理媒介上的通信能力**

3.2.1 四层体系

层次名称	单位	功能	协议
网络接口层	帧	负责实际数据的传输，对应OSI参考模型的下两层	HDLC（高级链路控制协议）PPP（点对点协议） SLIP（串行线路接口协议）
网络层	数据报	负责网络间的寻址数据传输，对应OSI参考模型的第三层	IP（网际协议） ICMP（网际控制消息协议）ARP（地址解析协议） RARP（反向地址解析协议）
传输层	报文段	负责提供可靠的传输服务，对应OSI参考模型的第四层	TCP（控制传输协议） UDP（用户数据报协议）
应用层		负责实现一切与应用程序相关的功能，对应OSI参考模型的上三层	FTP（文件传输协议） HTTP（超文本传输协议） DNS（域名服务器协议）SMTP（简单邮件传输协议）NFS（网络文件系统协议）

3.3 OSI 参考模型与 TCP/IP 参考模型区别

相同点：

OSI 参考模型与 TCP/IP 参考模型都采用了层次结构
都能够提供面向连接和无连接两种通信服务机制

不同点：

OSI 采用的七层模型； TCP/IP 是四层或五层结构
TCP/IP 参考模型没有对网络接口层进行细分，只是一些概念性的描述； OSI 参考模型对服务和协议做了明确的区分
OSI 参考模型虽然网络划分为七层，但实现起来较困难。TCP/IP 参考模型作为一种简化的分层结构是可以的
TCP/IP协议去掉表示层和会话层的原因在于会话层、表示层、应用层都是在应用程序内部实现的，最终产出的是一个应用数据包，而应用程序之间是几乎无法实现代码的抽象共享的，这也就造成 OSI 设想中的应用程序维度的分层是无法实现的

3.4. TCP的三次握手和四次挥手

3.4.1 三次握手

三次握手（Three-way Handshake）其实就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包

主要作用就是为了确认双方的接收能力和发送能力是否正常、指定自己的初始化序列号为后面的可靠性传送做准备

过程如下：

第一次握手：客户端给服务端发一个 SYN 报文，请求服务端同步，此时客户端处于 SYN_SEND（同步发送的）状态
第二次握手：服务器收到客户端的 SYN 报文（请求服务端同步的消息）之后，自己会进入一个 SYN-RECEIVED（同步监听的）状态，并且会以自己的 SYN-ACK 报文作为应答（告诉客户端已经确认收到了的请求）
第三次握手：客户端收到 SYN 报文之后，会进入 ESTABLISHED（已连接）状态，并且会再发送一个 ACK 报文给服务端。服务器收到 ACK 报文之后，才会确认数据已经连接，并且进入 ESTABLISHED（已连接）状态。

关键字说明：

SYN：Synchronize Sequence Numbers，同步序列编号）
ACK：Acknowledge Character，确认字符

上述每一次握手的作用如下：

第一次握手：客户端发送网络包，服务端收到了这样服务端就能得出结论：客户端的发送能力、服务端的接收能力是正常的。
第二次握手：服务端发包，客户端收到了这样客户端就能得出结论：服务端的接收、发送能力，客户端的接收、发送能力是正常的。不过此时服务器并不能确认客户端的接收能力是否正常。
第三次握手：客户端发包，服务端收到了。这样服务端就能得出结论：客户端的接收、发送能力正常，服务器自己的发送、接收能力也正常

通过三次握手，就能确定双方的接收和发送能力是正常的。之后就可以正常通信了

如何解决数据顺序?
- TCP/IP协议的处理方法是用（SEQ，ACK）这一对元组描述消息的绝对顺序
- SEQ(Sequence 序列)：这个消息发送之前一共发送了多少字节。
- ACK(Acknowledge)：这个消息发送前一共收到多少字节。

3.4.2 四次挥手

tcp终止一个连接，需要经过四次挥手