OSI与TCP-IP模型

1. OSI 七层模型详解

1.1 各层功能

1.2 数据封装过程

应用数据
    ↓ + 应用层头
表示层PDU
    ↓ + 表示层头
会话层PDU
    ↓ + TCP/UDP头
传输层段(Segment)
    ↓ + IP头
网络层包(Packet)
    ↓ + 帧头+帧尾
数据链路层帧(Frame)
    ↓
物理层比特流(Bit)

2. TCP/IP 模型

2.1 四层结构

2.2 TCP vs OSI

3. TCP 协议深度

3.1 TCP 首部格式

0                   15 16                 31
┌──────────┬──────────┬─────────────────────┐
│ 源端口(16) │ 目标端口(16)│                    │
├──────────────────────┤                     │
│        序列号(32)     │                     │
├──────────────────────┤                     │
│       确认号(32)      │                     │
├───┬───┬──────┬───────┤                     │
│HL │Rsv│Flags │窗口大小 │                    │
├──────────┬──────────┤                     │
│ 校验和(16)│紧急指针(16)│                    │
└──────────┴──────────┴─────────────────────┘

标志位：

3.2 三次握手

客户端                    服务器
  │── SYN, seq=x ────────→│
  │←─ SYN+ACK, seq=y,    │
  │   ack=x+1 ───────────│
  │── ACK, seq=x+1,      │
  │   ack=y+1 ──────────→│

为什么三次：防止已失效的连接请求到达服务器。

3.3 四次挥手

客户端                    服务器
  │── FIN, seq=u ────────→│  (客户端关闭发送)
  │←─ ACK, ack=u+1 ──────│  (服务器确认)
  │                       │  (服务器继续发送)
  │←─ FIN, seq=w ────────│  (服务器关闭发送)
  │── ACK, ack=w+1 ─────→│  (客户端确认)
  │  [TIME_WAIT 2MSL]    │

TIME_WAIT：等待 2MSL（最大报文段生存时间），确保最后一个 ACK 到达。

3.4 滑动窗口

$\text{发送窗口} = \min(\text{rwnd}, \text{cwnd})$

• rwnd：接收方通告窗口
• cwnd：拥塞窗口

3.5 TCP 状态机

CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
                ↓
CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED

ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED
ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

4. UDP 协议

4.1 UDP 首部

┌──────────┬──────────┐
│ 源端口(16)│目标端口(16)│
├──────────┬──────────┤
│ 长度(16)  │校验和(16) │
└──────────┴──────────┘

仅 8 字节首部，无连接、无确认、无重传。

4.2 TCP vs UDP

5. IP 协议

5.1 IPv4 首部

┌───┬───┬──────┬──────────┐
│VER│IHL│TOS   │总长度(16) │
├───┴───┼──────┼──────────┤
│标识(16)│Flags │片偏移(13) │
├───────┼──────┼──────────┤
│TTL(8) │协议(8)│校验和(16) │
├───────┴──────┴──────────┤
│源IP地址(32)              │
├─────────────────────────┤
│目标IP地址(32)            │
└─────────────────────────┘

5.2 IPv6 改进

5.3 子网划分

$\text{子网数} = 2^n$

$\text{每子网主机数} = 2^m - 2$

其中 $n$ 为借用的位数，$m$ 为剩余主机位。

示例：192.168.1.0/24 划分为4个子网：

6. ARP 与 ICMP

6.1 ARP 协议

将 IP 地址解析为 MAC 地址：

主机A: 谁有 192.168.1.1？告诉 192.168.1.100（广播）
主机B: 192.168.1.1 的 MAC 是 aa:bb:cc:dd:ee:ff（单播）

ARP 缓存：

arp -a
ip neigh show

6.2 ICMP 协议

Ping 原理：发送 ICMP Echo Request，等待 Echo Reply。

Traceroute 原理：发送 TTL 递增的 IP 包，通过 ICMP 超时消息确定路径。