《图解TCP/IP》读书笔记

悠悠 2022-04-22 04:24 204阅读 0赞

原文传送门 [《图解TCP/IP》读书笔记][TCP_IP]

### 《图解TCP/IP》读书笔记 ###

*  一、国际惯例：书托
 *  二、网络基础知识
 *   *  2.1 计算机使用模式的演变
     *  2.2 协议
     *  2.3 协议分层与OSI参考模型
 *  三、TCP/IP基础知识
 *   *  3.1 TCP/IP的背景及历史
     *  3.2 TCP/IP标准化
     *   *  （1）具体含义
         *  （2）标准化
     *  3.3 TCP/IP协议分层模型
 *  四、IP协议及相关技术
 *   *  4.1 IP的主要作用
     *  4.2 IP的三大作用模块
     *   *  （1）IP寻址
         *  （2）路由（最终节点为止的转发）
         *  （3）IP分包与组包
     *  4.3 相关技术
     *   *  1.DNS
         *  2.ARP
         *  3.ICMP
         *  4.DHCP
         *  5.NAT
         *  6.IP隧道
 *  五、TCP与UDP
 *   *  5.1 传输层的作用
     *  5.2 端口号
     *  5.3 UDP
     *  5.4 TCP
 *  六、路由协议
 *   *  6.1 静态路由和动态路由
     *  6.2 路由算法
     *   *  （1）距离向量算法
         *  （2）链路状态算法
     *  6.3 路由协议
     *   *  （1）RIP（Routing Information Protocol）
         *  （2）OSPF（Open Shortest Path First）
 *  七、应用协议
 *   *  7.1 远程登录
     *  7.2 文件传输
     *  7.3 电子邮件
     *  7.4 WWW
     *  7.5 网络管理

# 一、国际惯例：书托 #

![TCP/IP][TCP_IP 1]  
　　这是一本图文并茂的网络管理技术书籍，旨在让广大读者理解TCP/IP的基本知识、掌握TCP/IP的基本技能。  
　　书中讲解了网络基础知识、TCP/IP基础知识、数据链路、IP协议、IP协议相关技术、TCP与UDP、路由协议、应用协议、网络安全等内容，引导读者了解和掌握TCP/IP，营造一个安全的、使用放心的网络环境。

同时，这本书也是我的2016年度读书计划中的一本，下面我将会把我看书中的重点内容总结和摘录下来，所谓把书读薄，就是把精华内容留下，以供以后随时参考。

# 二、网络基础知识 #

## 2.1 计算机使用模式的演变 ##

![计算机使用模式的演变][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 2.2 协议 ##

![协议][20181102103849393.png]

![通讯][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

**分组交换**是将大数据分割为一个个叫做包（Packet）的较小单位进行传输的方法。这里所说的包，就如同我们平常在邮局里见到的邮包。分组交换就是将大数据分装为一个个这样的邮包交给对方。  
![数据交互][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 2.3 协议分层与OSI参考模型 ##

协议分层就如同计算机软件中的模块化开发，OSI参考模型的建议是比较理想化的。

![OSI参考模型][OSI]

OSI参考模型中每个层的作用：  
![OSI参考模型的作用][OSI 1]

7层通信实例：假设主机A的用户A要给主机B的用户B发送一封电子邮件：

![7层通信实例][7]

发送方从第7层、第6层到第1层由上至下按照顺序传输数据，而接收端则从第1层、第2层到第7层由下至上向每个上一级分层传输数据。每个分层上，在处理由上一层传过来的数据时可以附上当前分层的协议所必须的“首部”信息。然后接收端对收到的数据进行数据“首部”与“内容”的分离，再转发给上一分层，并最终将发送端的数据恢复为原装。

# 三、TCP/IP基础知识 #

TCP(Transmission Control Protocol)和IP(Internet Protocol)是互联网的众多通信协议中最为著名的。

## 3.1 TCP/IP的背景及历史 ##

![TCP/IP的背景历史][TCP_IP 2]

## 3.2 TCP/IP标准化 ##

### （1）具体含义 ###

很多人都会认为TCP/IP是指TCP与IP两种协议，实际生活中有时也确实就是指这两种协议。然后，很多情况下，它只是利用IP进行通信时所必须使用到的协议群的统称。

![TCP/IP协议群][TCP_IP 3]

### （2）标准化 ###

由于TCP/IP尽早地制定了可行性较强的协议，提出了应对技术快速革新的协议，并及时进行后期改良的方案，因此打败了OSI模型，成为了事实上的标准。

## 3.3 TCP/IP协议分层模型 ##

![TCP/IP协议分层模型][TCP_IP 4]  
　　上图列出了TCP/IP与OSI分层之间的大概关系，不难看出，TCP/IP与OSI在分层模块上稍有区别。OSI参考模型注重“通信协议必要的功能是什么”，而TCP/IP则更强调“在计算机上实现协议应该开发哪种程序”。

现在再来看看主机A向主机B发送一封电子邮件，在TCP/IP模型下的处理过程：

![邮件TCP/IP协议层][TCP_IP 5]

分组数据包经过以太网的数据链路时的大致流程如下图所示：

![数据链路流程][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# 四、IP协议及相关技术 #

## 4.1 IP的主要作用 ##

![IP作用][IP]  
![IP主要作用][IP 1]

## 4.2 IP的三大作用模块 ##

### （1）IP寻址 ###

在计算机通信中，为了识别通信段，必须要有一个类似于地址的识别码进行标识。而在数据链路层，使用MAC地址来标识同一个链路中不同计算机的一种识别码。在网络层，则叫做IP地址。

### （2）路由（最终节点为止的转发） ###

路由控制（Routing）是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。即使网络非常复杂，也可以通过路由控制确定到达目标地址的通路。因此，一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址，全靠路由控制。

Hop中文叫“跳”，它是指网络中的一个区间，IP包正是在网络中一个跳间被转发。数据链路实现某一个区间（一跳）内的通信，而IP实现直至最终目标地址的通信（点对点）。  
![跳][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

为了将数据包发送给目标主机，所有主机都维护者一张路由控制表（Routing Table），该表记录IP数据在下一步应该发给哪一个路由器。IP包将根据这个路由表在各个数据链路上传输。

![数据链路传输][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

### （3）IP分包与组包 ###

IP面向无连接，即在发包之前，不需要建立与对端目标地址之间的连接。上层如果遇到需要发送给IP的数据，该数据会被立即压缩成IP包发送出去。  
![IP面向无链接][IP 2]

## 4.3 相关技术 ##

### 1.DNS ###

有效管理主机名和IP地址之间的对应关系->DNS系统，那么DNS查询的机制是什么呢？  
![DNS][]

### 2.ARP ###

ARP是一种解决地址问题的协议，以目标地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。不过，ARP只适用于IPv4，不适用于IPv6。  
![ARP][]

RARP则是将ARP反过来，从MAC地址定位IP地址的一种协议。

### 3.ICMP ###

一个刚刚搭建好的网络，需要验证该网络的设置是否正确。ICMP(Internet Control Message Protocol)这是提供这类功能的一种协议，其主要功能包括：确认IP包是否成功送达目标地址，通知在发送过程中IP包被废弃的具体原因等等。例如我们经常使用ping命令，就是一个典型的ICMP的具体应用。

### 4.DHCP ###

如果逐一地为每一台主机设置IP地址会非常繁琐，于是为了实现自动设置IP地址、统一管理IP地址分配，就产生了DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）协议。有了DHCP，计算机只要连接到网络，就可以进行TCP/IP通信。

### 5.NAT ###

NAT（Network Address Translator）用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术。  
![NAT][]

### 6.IP隧道 ###

在一个网络环境中，假如网络A、B使用IPv6，中间位置的网络C支持使用IPv4的话，网络A与网络B之间无法直接进行通信。为了让他们之间正常通信，这时需要采用IP隧道的功能。  
![IPV][]

IP隧道中可以将那些从网络A发过来的IPv6的包统和为一个数据，再为之追加一个IPv4的首部以后转发给网络C，这种在网络层的首部后面继续追加网络层首部的通信方法就叫做“IP隧道”。

![IP隧道][IP 3]

# 五、TCP与UDP #

TCP（Transmission Control Protocol）与UDP（User Datagram Protocol）

## 5.1 传输层的作用 ##

TCP -> 面向连接的、可靠的流协议，提供可靠的通信传输。  
![TCP流][TCP]

UDP -> 面向无连接的，具有不可靠性的数据报协议。（让广播和细节控制交给应用的通信传输）

TCP用于在传输层有必要实现可靠传输的情况，由于它是面向连接并具备顺序控制、重发控制等机制的，所以它可以为应用提供可靠传输。而UDP则主要用于那些对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信。

因此，TCP和UDP应该根据应用目的按需使用。另外，在日常使用TCP或UDP时，通常会用到操作系统提供的类库，这种类库一般被称为API，对于TCP或UDP来说会广泛使用到套接字（Socket）的API。应用程序使用套接字时，可以设置对端的IP地址、端口号，并实现数据的发送与接收。  
![UDP][]

## 5.2 端口号 ##

MAC地址和IP地址分别用来识别同一链路中不同的计算机以及TCP/IP网络中互连的主机和路由器。在传输层，则使用端口号来识别同一台计算机中进行通信的不同应用程序。

![端口号][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

一般知名端口号在0~1023之间，而我们经常使用的自定义/动态分配的端口号则一般在49152~65535之间。

## 5.3 UDP ##

UDP(User Datagram Protocol)不提供复杂的控制机制，利用IP提供面向无连接的通信服务。因此，它不会负责：流量控制、丢包重发等。  
![UCP用途][UCP]

## 5.4 TCP ##

TCP作为一种面向有连接的协议，只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费。

为了通过IP数据报实现可靠性传输，需要考虑很多事情，例如：数据的破坏、丢包、重复以及分片顺序混乱等问题。

TCP通过**检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。**

使用TCP的一个连接的建立与断开，正常过程下至少需要来回发送7个包才能完成，也就是我们常常听到的三次握手，两次挥手。

![3词握手][3]

# 六、路由协议 #

在互联网世界中，夹杂着复杂的局域网和广域网，然后，再复杂的网络结构中，也需要通过合理的路由将数据发送到目标主机。而决定这个路由的，正是路由控制模块。

## 6.1 静态路由和动态路由 ##

*  **静态路由**：事先设置好路由器和主机中并将路由信息固定的一种方法；  
    eg.有100个IP网的时候，就需要手动设置近100个路由信息。并且，每增加一个新的网络，就需要将这个新追加的网络信息设置在所有的路由器上。因此，管理负担很大。此外，一旦某个路由器发生故障，基本上无法自动绕过发生故障的节点，必须手工设置后才能恢复。
 *  **动态路由**：让路由协议在运行过程中自动地设置路由控制信息的一种方法；  
    eg.如果有一个新的网络追加到原有网络中，只要在新增加网络的路由器上进行一个动态路由的设置即可。此外，网络上一旦发生故障，路由器的设置也会自动重置。

![路由][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

动态路由会给相邻路由器发送自己已知的网络连接信息，而这些信息又像接力一样依次传递给其他路由器，直到整个网络都了解时，路由控制表也就制作完成了，而此时也就可以正确转发IP数据包了。

![路由流动][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

## 6.2 路由算法 ##

最具代表性的路由算法是：距离向量（Distance-Vector）算法和链路状态（Link-State）算法。

### （1）距离向量算法 ###

根据距离（代价）和方向决定目标网络或者目标主机位置的一种方法。

![距离向量算法][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

### （2）链路状态算法 ###

在了解网络整体连接状态的基础上生成路由控制表的一种方法，该方法中，每个路由器必须保持同样的信息才能进行正确的路由选择。  
![链路状态算法][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

## 6.3 路由协议 ##

### （1）RIP（Routing Information Protocol） ###

RIP是距离向量型的一种路由协议，广泛应用于LAN。

广播路由：RIP将路由控制信息定期（30秒）向全网广播。

确定路由：RIP基于距离向量算法决定路由，距离的单位被称为“跳数”（经过的路由器的个数），RIP希望经过尽可能少的路由器将数据包发送到目标IP地址。

### （2）OSPF（Open Shortest Path First） ###

OSPF是一种链路状态型路由协议，即使网络中有环路，也能够进行稳定的路由控制。

# 七、应用协议 #

## 7.1 远程登录 ##

Telnet利用TCP的一跳连接，通过这一条连接向主机发送文字命令并在主机上执行。但是Telnet中登录时无需输入密码就可以发送，容易造成通信窃听和非法侵入的危险。

SSH是加密的远程登录系统，可以加密通信内容。即使信息被窃听也无法破解所发送的密码、具体命令以及命令返回结果是什么。

## 7.2 文件传输 ##

FTP是在两个计算机之间进行文件传输时使用的协议，它使用两条TCP连接：一条用于控制，一条则用于数据的传输。

（1）FTP控制使用的连接使用的是TCP21号端口

（2）FTP用于数据传输的TCP连接通常使用20号端口

![文件传输][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

## 7.3 电子邮件 ##

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）提供电子邮件服务协议，而一般接收端会使用POP3（Post Office Protocol）协议。

*  SMTP是发送电子邮件的协议，它使用TCP的25号端口。它在建立一个TCP连接以后，便在这个连接上进行控制和应答以及数据的发送。
 *  POP是接收电子邮件的协议，它和SMTP一样，也是在客户端与服务端之间建立一个TCP连接完成相应操作。

## 7.4 WWW ##

HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）默认使用TCP的80端口，首先是客户端向服务器的80端口建立一个TCP连接，然后在这个TCP连接上进行请求和应答以及数据报文的发送。

## 7.5 网络管理 ##

SNMP（Simple Network Management Protocol）常用语TCP/IP的网络管理。利用SNMP可以对连接到网络的设备进行远程管理，例如修改设置和确认是否运行正常等等。

[TCP_IP]: https://www.cnblogs.com/edisonchou/p/5987827.html
[TCP_IP 1]: /images/20220422/f1843688514d4aeabe2cc8ea60590d14.png
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[20181102103849393.png]: /images/20220422/6a9341fdd0124c5fbe595239ecf048c4.png
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[OSI]: /images/20220422/0ba4defca77f4c9790f467e67457934a.png
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[7]: /images/20220422/20e34e2b64224f0fba391ef105c8e617.png
[TCP_IP 2]: /images/20220422/72e1c72e25bf42cea0f179b87130bb25.png
[TCP_IP 3]: /images/20220422/8a863d8176c94ceaae0ace24a7344958.png
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[TCP_IP 5]: /images/20220422/95a95d0fc21f48c59781c2b750d54f0a.png
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[IP]: /images/20220422/c87efd792392432a8283460da1622a53.png
[IP 1]: /images/20220422/a352e0d7c0894598bae2db5c9ea27d34.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220422/4fc390630e8844a38615469c609a342f.png
[IP 2]: /images/20220422/34ffe86e2aaa4f12ad22a2d26c895e89.png
[DNS]: /images/20220422/01d516b8787d44cfbbdffa8ecc993852.png
[ARP]: /images/20220422/6f5ae428c9874b1c944369ea49403267.png
[NAT]: /images/20220422/996091b359924f7ca267204e60d52f52.png
[IPV]: /images/20220422/715b05d0d78f4b988f5cfcf3f0bd2a46.png
[IP 3]: /images/20220422/565ba89e65c8487a945af55a980dfba0.png
[TCP]: /images/20220422/17e7cb396b324ea6befa1d23e1c0973b.png
[UDP]: /images/20220422/867496079ff1428da0d8ff1add000e68.png
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[UCP]: /images/20220422/e3311a925f614256b5f85cd44d18a9a0.png
[3]: /images/20220422/0ad3ba3cea6e4c75b15b703723921e4d.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzQzMDAzNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20220422/b5d535cbceaa4edb84638de409aaf09a.png
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