一.协议的概念
1.1协议的概念
什么是协议
从应用的角度出发，协议可理解为“规则”，是数据传输和数据的解释的规则。假设，A、B双方欲传输文件。规定:
第一次，传输文件名，接收方接收到文件名，应答OK给传输方;
第二次，发送文件的尺寸，接收方接收到该数据再次应答一个OK;
第三次，传输文件内容。同样，接收方接收数据完成后应答oK表示文件内容接收成功。
由此，无论A、B之间传递何种文件，都是通过三次数据传输来完成。A、B之间形成了一个最简单的数据传输规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。
这种仅在A、B之间被遵守的协议称之为原始协议。当此协议被更多的人采用，不断的增加、改进、维护、完善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议，被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。最早的ftp协议就是由此衔生而来。
Tcp协议注重数据的传输Http协议着重于数据的解释。
1.2典型协议
物理层和数据链路层：
- Ethernet（以太网）：在局域网中传输数据的常用协议。
- Wi-Fi：用于无线局域网（WLAN）的协议。
- ARP（Address Resolution Protocol）：用于将 IP 地址解析为物理 MAC 地址的协议。
- PPP（Point-to-Point Protocol）：用于点对点通信的协议，常用于拨号连接、DSL 等。
网络层：
- IP（Internet Protocol）：用于在网络中路由和传输数据的主要协议。
- ICMP（Internet Control Message Protocol）：用于网络故障排除和错误报告的协议。
- IGMP（Internet Group Management Protocol）：用于在 IP 多播中管理组成员的协议。
传输层：
- TCP（Transmission Control Protocol）：提供可靠的、面向连接的数据传输。
- UDP（User Datagram Protocol）：提供不可靠的、面向无连接的数据传输。
应用层：
- HTTP（Hypertext Transfer Protocol）：用于在 Web 中传输超文本的协议。
- FTP（File Transfer Protocol）：用于文件传输的协议。
- DNS（Domain Name System）：用于将域名解析为 IP 地址的协议。
- SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：用于电子邮件的传输。
- POP3（Post Office Protocol version 3）：用于电子邮件的接收。
二.分层模型
2.1 OSI七层模型
OSI模型（Open Systems Interconnection model）是一种用于描述计算机网络体系结构的概念框架。它将计算机网络通信的不同方面划分为七个不同的层级，每个层级都负责特定的功能。以下是OSI模型的七个层级：
物理层（Physical Layer）：负责传输比特流，描述物理媒介的传输电气和物理特性。
数据链路层（Data Link Layer）：处理帧（Frame）的传输和错误检测，确保可靠的点到点传输。
网络层（Network Layer）：处理网络中的数据包路由选择、转发和控制。
传输层（Transport Layer）：提供端到端的可靠传输服务，并处理数据包的分段和重组。
会话层（Session Layer）：负责建立、管理和终止应用程序会话。
表示层（Presentation Layer）：处理数据的格式和编码，实现在不同系统中的数据格式之间的转换。
应用层（Application Layer）：为用户提供网络应用服务，例如电子邮件、文件传输和远程登录等。
OSI模型提供了一种通用的参考框架，帮助人们理解和描述计算机网络中不同层级的功能。它启发了许多标准和协议的设计，比如TCP/IP协议就是根据OSI模型进行设计的。
需要注意的是，实际上，并不是所有的网络都严格遵循OSI模型的七层结构，而是更常用的TCP/IP模型，将其中的物理层和数据链路层合并为一个层级。但OSI模型仍然是计算机网络中的一个重要概念。
2.2TCP/UDP模型
TCP/IP模型是一种计算机网络体系结构，也是现代互联网所基于的核心协议体系。相比于OSI模型，TCP/IP模型将网络通信划分为四个层级，具体如下：
网络接口层（Network Interface Layer）：
- 负责处理物理传输介质和网络设备之间的通信，如以太网、Wi-Fi等。
- 主要关注数据的包装、传输和接收，以及物理寻址和数据帧的处理。
网络层（Internet Layer）：
- 使用IP（Internet Protocol）进行数据包的路由和传输。
- 实现了互联网的核心功能，将数据包从源主机传递到目标主机，途径多个网络节点。
传输层（Transport Layer）：
- 提供端到端的数据传输服务，主要有TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）。
- TCP提供可靠的、面向连接的传输，UDP提供不可靠的、无连接的传输。
应用层（Application Layer）：
- 为用户提供网络应用服务，如HTTP、FTP、SMTP等。
- 直接面向用户的应用程序，通过应用层协议与下层进行通信。
TCP/IP模型是当前互联网中使用最广泛的网络体系结构，它提供了一种灵活而可扩展的方式来实现网络通信。虽然TCP/IP模型与OSI模型的层级划分不完全相同，但它们共同为网络通信提供了重要的基础。
2.3通信过程
TCP/IP通信是基于TCP和IP协议的网络通信过程，以下是TCP/IP通信的简要描述：
建立连接：
- 在TCP/IP通信中，客户端首先与服务器建立连接，即发起一个连接请求。
- 客户端发送一个特殊的TCP报文段，称为SYN（同步）段，带有自己的初始序列号。
- 服务器收到SYN段后，发送一个带有确认和同步标志的TCP报文段（SYN+ACK），将自己的初始序列号返回给客户端。
数据传输：
- 在连接建立后，客户端和服务器之间可以开始传输数据。
- 数据被分割成合适的大小的数据块，称为TCP报文段。
- TCP协议为每个报文段分配一个序列号，并对每个接收到的报文段进行确认。
数据的可靠传输和流量控制：
- 发送方将数据划分为较小的数据块，并为每个数据块分配序列号，并逐个发送。
- 接收方收到数据后，发送确认报文段（ACK）进行确认。
- 发送方根据收到的确认进行重发或继续发送下一个数据块。
连接终止：
- 通信完成后，客户端或服务器可以发起连接的终止。
- 发起终止的一方发送一个终止请求报文段，即FIN（结束）报文段。
- 接收方收到终止请求后，发送确认报文段进行确认。
- 发起方收到确认后，发送最后的确认报文段，同时关闭连接。
在TCP/IP通信过程中，IP协议负责对数据进行分组和路由传输，将数据从源主机发送到目标主机。而TCP协议负责提供可靠的、面向连接的服务，保证数据的顺序、完整性和可靠性。
需要注意的是，每个通信步骤都可能面临网络延迟、数据丢失或其他错误，因此TCP/IP通信具有一定的容错性和自适应能力，以保证数据的可靠传输。
三.协议格式
3.1数据封装
在TCP/IP网络中，数据的封装是指将要传输的数据逐层封装成不同的协议数据单元（Protocol Data Units，PDU），以便在网络中进行传输。每一层协议都会在数据上添加自己的头部信息，形成一个封装的数据包，然后通过下一层传递。
以下是TCP/IP网络中数据的封装过程：
应用层封装：
- 应用层协议（如HTTP、FTP）将上层数据封装成应用层数据报，添加应用层协议头部信息。例如，HTTP数据报中包含HTTP请求或响应的数据。
传输层封装：
- 传输层协议（如TCP、UDP）将应用层数据报封装成传输层数据段。
- TCP会为数据段添加TCP头部信息，包括源端口号、目标端口号、序列号、确认号等。
- UDP会为数据段添加UDP头部信息，包括源端口号、目标端口号以及长度和校验和等。
网际层封装：
- 网际层协议（即IP协议）将传输层数据段封装成IP数据包。
- IP数据包包含源IP地址、目标IP地址、协议类型及其他相关信息。
网络接口层封装：
- 网络接口层协议（如以太网）将IP数据包封装为数据帧。
- 数据帧包括源和目标MAC（物理）地址和以太网头部信息。
封装的过程是由发送端进行的，每一层协议都会在数据上添加相应的头部信息，形成一个完整的封装数据包。在传输过程中，这些封装的数据包会逐层解析，每个协议层都会处理相应的头部信息，然后将数据传递给高层协议，最终到达目标主机。
3.2以太网帧格式
以太网帧协议：根据mac地址，完成数据包传输
ARP协议:根据ip地址获得mac地址
3.3ARP数据报格式
ARP表（Address Resolution Protocol Table），也称为ARP缓存或ARP映射表，是在操作系统或网络设备中存储IP地址与MAC地址之间映射关系的表格。
ARP表用于在发送数据时，根据目标IP地址获取对应的MAC地址，从而实现在链路层上的直接通信。当设备收到一个数据包时，它首先检查目标IP地址是否存在于自己的ARP表中，如果存在就直接使用相应的MAC地址，如果不存在则使用ARP请求来获取目标设备的MAC地址，并将其添加到ARP表中，以便后续通信使用。
ARP表中的每一项通常包含以下信息：
- IP地址：设备的IP地址。
- MAC地址：与IP地址对应的物理地址（MAC地址）。
- 接口：设备与网络通信的接口，如以太网接口。
ARP表是动态生成和维护的，它会随着网络中设备的通信不断更新。通常，ARP表中的条目会有一个存活时间（TTL）限制，超过一定时间没有使用就会被删除或更新。
可以使用命令行工具（如Windows的arp -a命令或Linux的arp -n命令）来查看设备上的当前ARP表内容。
总的来说，ARP表是用于存储IP与MAC地址之间映射关系的表格，它在实现网络通信时起着重要作用。
3.4 IP段格式
下面是IPv4数据报的格式，整理成表格形式：
| 字段 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
| 版本 | 4 | IP协议的版本号（通常为4，表示IPv4） |
| 首部长度 | 4 | IP头部的长度（单位为4字节，最小值为5，表示20字节的IP头部） |
| 区分服务 | 8 | 数据报的服务质量要求，如优先级、延迟、带宽等 |
| 总长度 | 16 | 整个IP数据报的长度（包括IP头部和数据部分的字节数） |
| 标识 | 16 | 用于唯一标识一个IP数据报的片段 |
| 标志 | 3 | 指示IP数据报的分片状态 |
| 片偏移 | 13 | 分片数据的相对于原始数据的偏移量（以8字节为单位） |
| 生存时间 | 8 | 数据报在网络中的最大生存时间（跳数） |
| 协议 | 8 | 标识上层协议（如TCP、UDP）或其他协议的类型 |
| 头部校验和 | 16 | 校验IP头部的完整性 |
| 源IP地址 | 32 | 源主机的IP地址 |
| 目标IP地址 | 32 | 目标主机的IP地址 |
| 选项 | 可变 | 用于扩展IP头部的功能 |
| 数据部分 | 可变 | 承载上层协议的数据 |
3.5TCP数据报格式
IP地址:可以在网络环境中，唯一标识一台主机。
端口号:可以网络的一台主机上，唯一标识一个进程。
IP地址+端口号:可以在网络环境中，唯一标识一个进程。
TCP（Transmission Control Protocol）数据报是TCP协议在网络通信中传输数据的基本单位。TCP数据报由TCP头部和数据部分组成。
下面是TCP数据报的基本格式：
| 字段 | 长度（字节） | 描述 |
|---|---|---|
| 源端口号 | 2 | 发送端口号 |
| 目标端口号 | 2 | 接收端口号 |
| 序列号 | 4 | 用于对TCP数据包进行排序和重组。表示从发送端发出的第一个数据字节的序号。 |
| 确认号 | 4 | 表示期望收到的下一个数据字节的序号，用于确认已收到的数据。 |
| 数据偏移 | 4 | 表示TCP头部的长度，以32位字中的偏移量数表示。最小值为5，表示20字节的TCP头部。 |
| 保留 | 3 | 保留字段，保留将来使用 |
| 控制标志 | 9 | 用于控制TCP连接的状态和操作，包括ACK、SYN、FIN等标志。 |
| 窗口大小 | 2 | 表示接收方缓冲区的大小，用于流量控制和拥塞控制。 |
| 校验和 | 2 | 用于校验TCP头部和数据部分的完整性。 |
| 紧急指针 | 2 | 表示紧急数据的位置。紧急数据是指优先于正常数据进行传输和处理的数据。 |
| 选项和填充 | 可变 | 可选字段，用于某些特殊功能和额外的控制选项。 |
| 数据部分 | 可变 | 承载应用层数据。 |
TCP数据报是TCP协议进行可靠数据传输的基本单位。TCP通过序列号、确认号、校验和等机制来保证数据的可靠性和正确性。同时，TCP还支持流量控制、拥塞控制、连接管理等功能。
四.C/S和B/S模型比对
C/S模型的优点：
- 客户端具备较强的交互性和处理能力，可以提供更复杂的用户界面和功能。
- 数据处理和计算任务分布在客户端和服务器之间，可以实现更高的系统性能和效率。
- 可以在客户端存储敏感数据，提供更高的安全性。
C/S模型的缺点：
- 需要在客户端安装专用的应用程序，增加了部署和维护的成本。
- 对于不同操作系统的客户端，需要分别开发和维护相应的客户端应用程序。
- 对于大规模的用户访问，可能需要投入更多的资源来支持并发请求。
B/S模型的优点：
- 不需要安装专用的客户端应用程序，只需具备浏览器即可访问应用程序和服务。
- 可以跨平台使用，减少了客户端兼容性和更新的问题。
- 服务器负责数据处理和存储，保持数据的一致性和集中管理。
- 提供了可伸缩性和容易维护的特点，可以支持大规模用户访问。
B/S模型的缺点：
- 浏览器作为界面，对于某些复杂交互和功能可能不够灵活。
- 依赖于网络连接，对于网络传输的延迟和稳定性有一定的影响。
- 需要在服务器上进行大量的计算和数据处理，可能对服务器的资源需求有一定要求。
综合来看，C/S模型适合需要复杂交互和处理能力的应用，而B/S模型适合需要跨平台、易于维护和大规模部署的应用。选择哪种模型取决于具体的应用需求和性能要求。
