3、TCP-IP协议族
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问题列表
1、计算机网络为什么要分层？
2、如果访问https://www.360docs.net/doc/9112281655.html,，从提交到连接，这中间经历了什么过程？
3、什么是ARP协议？它有什么功能？
4、为什么要使用“协议”？
本章知识要点
重点
OSI七层模型和TCP五层模型
数据在网络中的传输过程
TCP协议的连接和断开过程
难点
数据在网络中的传输过程
TCP协议的连接和断开过程
计算机网络在传输数据的过程中，涉及的方面十分复杂。为了简化这些复杂的概念，由此提出了“分层次”的理论。明确通过分层，可以将故障和设计简单化，设计时不用考虑其他层的问题，就如发信到邮局，不用管其是通过火车还是飞机进行传递的；当网络发生故障，很容易确定问题是由哪一层的功能没有实现而导致的，将故障产生的原因聚焦于一点，有助于更加清晰明了的分析问题、解决问题。学习本章知识，要做好化抽象为实际，多联系日常生活的相关流程。
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第三章：TCP/IP 协议族
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一、分层模型
OSI 将网络分层七层，从低层到高层，分别是：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
但我们使用最多的是TCP/IP 的五层模型，即将会话层和表示层并入应用层。 为什么要分层呢？
明确通过分层，可以讲故障和设计简单化，设计时不用考虑其他层的问题，分层有以下好处：
例如，你在设计服务器的时候，只需要设计服务器上应用层和传输层的内容，无需关心低层到底是用光纤还是用双绞线连通的。
一、 OSI 七层模型功能 1、 物理层
物理层是分层模型的最底层。数据在物理层里面传播的单位叫做“比特流“，我们通常说的“网速”就是物理层的概念，网速也就是单位时间传输多少“比特
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流”。物理层其实就是指的是网络传输介质，比如双绞线（俗称网线），光纤。物理层的设备叫做“集线架”，用来集中放置网线。
2、 数据链路层
数据链路层传播的单位叫做“数据帧”。我们上一章说过的“广播域”，就是基于在数据链路层的概念。数据链路层上的典型设备是交换机。可以说，数据链路层内，计算机的通信是基于计算机MAC 地址来通信。
3、 网络层
网络层的地位相当重要。在网络层，传输的数据单位叫做“数据包”，或者是“报文”。网络层上工作的设备非常多，有防火墙，路由器等。一些控制网速的协议或者软件，也都工作在网络层上。网络层负责不同广播域之间数据的传输，同时也负责控制网速、控制访问等。网络层的通信是基于IP 地址和ARP 协议，即通过目的IP 地址找到发送目标，然后通过ARP 协议，将IP
地址转换为MAC 地址，确认主机，然后发送。
4、 传输层
传输层上，数据称为“数据段”。传输层上有两个非常重要的协议：TCP 协议（传输控制协议）和UDP （用户数据包协议）。在该层，有一个非常重要的概念：端口。端口可以认为是计算机与外界通讯交流的出口。如果把一个IP 地址比作一个“房子”，则端口就是“进出这个房子的门”，一个
IP 地址的端口有
65535个，其中1-1024号端口是系统保留的端口。
5、 应用层，表示层，会话层
这是网络模型的最高层，也是我们能够用肉眼通过显示器看到一些现象的层。大部分协议都工作在最高层。
二、 数据传输原理
说完了网络分层各层的功能以外，我们就可以来讨论数据在网络中的传输原理，以及各分层对数据的处理方式了。
我们假设一个场景，一台IP 地址为192.168.1.11的主机，给一台IP 地址为10.0.0.11的主机发送电子邮件，我们通过这封电子邮件的传输，来介绍数据在网络中传输，到底经历了什么样的过程？
第三章：TCP/IP协议族1、发送端
当发送端点击“发送邮件”之前，此时邮件还在应用层。当点击“发送邮件”以后，应用层协议（假设是POP3协议）立刻启用，将数据打包层“数据段”，交付传输层，由传输层决定是用TCP协议还是用UDP协议。这个过程相当于，你将包裹拿到邮局，邮局给你打包，然后决定是给你使用挂号信还是平信。
当传输层一旦确定了是TCP或者是UDP协议以后，将数据根据它的目的IP 地址进行发送。数据在网络层被打包成数据包，标记上“源IP地址”和“目的IP地址”，这也就相当于快递包裹上的“寄件人地址”和“收件人地址”。数据到达网络层时，如果发现源IP地址和目的IP地址是同一网段，则直接打包成数据帧，交付数据链路层发送。如果发现不是一个网段，则将源MAC地址进行转换成相同广播域的网关MAC地址后进行发送。本案例中，192.168.1.11与10.0.0.11不是一个网段。
最后，数据链路层将数据帧转换为比特流，交付物理层，进行传输。
2、接收端
数据通过数据链路层，到达了目标的广播域，则将数据解封成数据帧，交付给数据链路层，再根据目的IP地址，解封成数据包。如果没有找到对应的目标IP和目标MAC（可能是主机掉线，或者是另外一个主机使用了10.0.0.11这个IP），那么接收端将丢弃这个数据包，并发送错误信息给发送端。如果成功找到了目标IP和目标MAC，则接收端接收这个数据包，解封装成数据段，交付传输层。
传输层通过确定TCP或UDP协议，将数据段交付应用层，有应用层解封装，所以，此时，接收端可以看到原始数据了。
3、数据链路层帧结构
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这幅图是用抓包软件在网络层抓到了一个数据报文，我们可以看到，这是数据到达数据链路层以后的帧结构。发送端（Source Address）IP地址是192.168.0.1，接收端（Dest Address）IP是192.168.0.2，很显然属于一个广播域，所以就直接交付数据链路层。由于数据链路层是基于MAC地址通信的，所以，该数据包在数据链路层封装成数据帧的时候，加上了源MAC地址（Source Address）和目的MAC地址（Dest Address）。由ARP协议，将源MAC地址和源IP地址对应，目的MAC地址和目的IP对应。只有IP地址和MAC地址对应关系正确，数据包才能被正常的发送和接收。很多路由设备都有采用MAC地址和IP地址绑定的关系来控制主机上网的功能。这也就是说：数据在发送和接收过程中，目的IP和目的MAC地址，必须同时正确的对应。
三、ARP协议
ARP叫做Address Resolution Protocol，全称是地址解析协议，功能是将一个已知的IP地址解析为MAC地址，以便数据包达到数据链路层时，交换机能够通过MAC地址通信。其实，网络中计算机，路由器，交换机等节点设备都有缓存功能，如果一个陌生的IP地址被送达，经过ARP解析以后，它就会将这条解析记录存在缓存之中，下次这个IP再来的时候，就不必再经过ARP解析，直接查看缓存表，达到增加速度的功能。
1、ARP协议的工作
主机PC1想发送数据给主机PC2，它检查自己的ARP缓存表。如果缓存表里面没有PC2的记录，ARP将在数据链路层发送一个MAC地址广播，ARP请求是用广播的方式传播，传播的源地址是发送端PC1的MAC地址，目的地址是FF-FF-FF-FF-FF的广播地址，保证广播域内的所有主机都能收到。如果接收端PC2收到这个广播以后，先进行IP地址的比较，如果发现PC1发送的目标IP与自己不符，则丢弃数据包；如果发现PC1发送的目标IP与自己相符，就发送一条ARP应答，以单播的方式给PC1，同时自己收下该数据包。
PC1收到PC2的ARP应答以后，将这条解析记录存入自己的缓存表，以后再与PC2通信的时候，就使用单播通信了。
注意：ARP请求是广播，ARP应答是单播。
对比一个生活实例，假设校长要去班里找一名叫王强的学员，但是校长并不认识他，所以它就在王强的班里喊：“哪位是王强啊？”班里的每一名学员都可以听得到这句话，但是王强只有一个，他会回应校长，“我就是”。这是校长就看见王强并记住他的相貌。过了几天，恰好校长又有事情找王强，这时只要根据他记忆中王强的相貌找到王强即可。
上述故事可以和ARP查询过程完全吻合，校长和王强就是通讯双方，哪位是王强这句话就是广播，王强的姓名是IP地址，王强的长相是MAC地址，正因为校长同时记住了王强的姓名和长相，他才可以不用寻求直接通讯。
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2、查看ARP 信息的方法
在Windows 操作系统中，查看ARP 的方法是，调出命令行工具，输入arp –a ，就可以查看当前ARP
的缓存表了。输入arp –d ，就可以清空当前的缓存表。如图：
我们发现，本地计算机的IP 地址是192.168.1.3，里面只有一条缓存表记录，即192.168.1.1，对应的MAC 地址是d0-15-4a-7b-76-d2，类型（Type ）是dynamic ，即动态缓存表。
4、 ARP 攻击和欺骗
由于IP 和MAC 地址可以进行改动，所以，当局域网内一台主机将自己的MAC 地址改为默认网关的IP 或MAC 地址，就会构成ARP 攻击或欺骗。在ARP 攻击中，攻击方主机将自己伪装成网关，给网络中所有主机发送假的网关MAC 地址。由于网络内的主机要和互联网通信就必须先和网关通信，这个时候，局域网内的主机却发现网关的IP 和网关的MAC 对应不符，则无法和网关通信了，进而无法访问互联网。所以说，ARP 攻击是黑客行为。
但是ARP 欺骗就不是那么回事，ARP 欺骗，欺骗者也是充当网关，但不会阻碍局域网内主机与互联网的联系。很多网络管理软件，比如聚生网管就是利用ARP 欺骗的原理来对网络进行管理的。但是ARP 欺骗也有一些负面影响，比如说，局域网内所有主机上网都要通过ARP 欺骗者的主机，如果ARP 欺骗者利用此机会截取其他主机的通信报文，也会带来很多不利因素。
5、 防范ARP 攻击和欺骗
在第3小节，查看ARP 缓存表的时候，我们发现一个类型（Type ）是dynamic ，即动态缓存表。动态缓存表，则表示该MAC 地址和IP 地址的对应关系是可以任意变化的，只要arp 缓存表的5分钟保存期一到，这条缓存它就会消失，攻击者就是利用很多人不懂得绑定ARP 的技术缺陷来实施攻击的。
解决ARP 问题，最好的方法就是在主机和网关上同时绑定ARP 记录。路由器上（即网关上）绑定MAC 地址并设置静态IP ，还有DHCP 服务器的保留IP 地址，也就是在网关上绑定ARP 。 下图是宽带路由器上绑定ARP
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如果在主机上绑定ARP ，方法是这样的： （1）、在自己还能上网的情况下，用ipconfig 命令查看自己的默认网关，然后使用ping 命令，ping
默认网关
我们查出来，默认网关是192.168.1.1，于是我们ping 192.168.1.1
（2）、ping 通以后，运行arp –a 命令，查看一下网关的ARP 缓存表记录，最好是让同一局域网的多台电脑同时查看，如果ARP 缓存记录的网关MAC 完全一致，则这个网关MAC 是真实的网关
（3）、我们查看到的网关IP 是192.168.1.1，对应的MAC 地址是d0-15-4a-7b-76-d2，那么这个时候，我们输入 arp –s 192.168.1.1 d0-15-4a-7b-76-d2
第三章：TCP/IP 协议族
再运行arp –a ，我们发现，类型（Type ）变成了static （静态条目），说明我们已经成功的在主机上绑定了ARP 信息。
协议的封装格式。
URG 、ACK 、PSH 、RST 、SYN 、FIN 叫做TCP 协议的六个“控制位”，我们只需要掌握ACK 应答位、SYN 请求建立连接位、FIN 请求断开连接位。同协议的16为校验和，用于检测数据的完整性。 2、 TCP 的建立连接方式
如图所示，TCP 建立连接的3次握手全过程
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第一次握手：PC1向PC2发送请求报文，PC1的SYN 位置为1，同时随机
生成一个序列号seq=x ，下图是抓获的TCP 第一次握手的报文
标志位中,SYN 位置为1，随机生成的初始序列号x=1552649478
第二次握手，PC2应答PC1，ACK 位置为1，同时也给PC1发送请求报文，SYN 位也置为1，生成一个序列号seq=y ，同时生成确认号ack=x+1，下图是第二次握手的报文
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ACK 和SYN 同时置为1，生成的seq 是y=1333196840，同时确认号是1552649479，等于上一次的seq 号x+1，即1552649478+1。
第三次握手：PC1应答了来自PC2的请求报文，ACK
位置为1，同时生成确认号y+1。
确认号，y+1=1333196841，同时seq 号保持x+1不变。 所以，关于序列号和确认号的关系是：
本次确认号=上一次序列号+1 本次序列号=上一次确认号
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TCP 连接是3次，但是TCP 断开却需要握手4次，相应的控制位由连接时候的SYN 和ACK ，变成FIN 和ACK 。为什么断开需要4次？因为数据传输需要一个过程，虽然发送端发送完的数据，但是接收端可能没有接收完数据，所以，在第二次握手的时候，就需要先确认了ACK 才能确认FIN ，不像连接一样SYN 和ACK 可以同时发送，就这样，断开需要4次握手。
我们看到，TCP 协议传输数据，需要建立一次连接，而且还需要校验完整性，所以，TCP 协议传输数据效率低。我们打电话，就相当于是建立一个TCP 连接，
TCP/IP 协议族，如下图所示
物理层将数据发送给数据链路层，数据流量成根据内容将数据发送给上一层的IP 协议。IP 协议根据不同的协议号发生给上一层的不同协议，然后传输层根据不同端口将数据交给应用程序。
本章习题：
1、由低到高列举OSI 七层模型各层的名称，并说出前4层传输的单位是什么。
第三章：TCP/IP 协议族
2、TCP 首部中的SYN 位作用 A ：请求建立连接
B ：确认建立连接
C ：请求断开连接
B ：确认断开连接
3、下图是PC1向PC2发起TCP 连接的3次握手示意图，SYN 、ACK 表示TCP 的控制位，seq
为请求序列号，ack 为确认序列号，则以下说法正确的是（ ）。
A 第2次握手时，ack=101，SYN=1，ACK=1
B 第2次握手时，ack=101，SYN=0，ACK=1
C 第3次握手时，seq=301，ack=301，SYN=1，ACK=1
D 第3次握手时，seq=101，ack=301，SYN=0，ACK=1
4、网络中有A 、B 两台主机第一次通信，下图是截取的主机A 发送的ARP 报
文，下列说法正确的是（ ）。
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A：主机B的IP地址一定是192.168.0.2
B：这是一个ARP请求报文，目标MAC地址为111111111111
C：这是一个ARP应答报文，目标MAC地址为000000000000
D：该数据报文将以单播的方式发送给192.168.0.2
5：TCP协议的23，21，80，25端口号分别对应什么服务？
6、简述在主机上绑定ARP的方法。如果只在主机上绑定ARP，能否ARP防止
攻击或者欺骗？
7、根据TCP建立连接的三次握手的图，试着画出TCP协议4次断开的图。（提
示，TCP的请求断开连接位是FIN）
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