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计算机网络体系结构
计算机网络体系结构有：
- OSI的七层协议体系结构
- TCP/IP的四层协议体系结构
- 五层协议的体系结构
TCP/IP四层体系结构。
五层协议的体系结构只是为了介绍网络原理而设计的，实际应用的还是TCP/IP四层体系结构。
TCP/IP协议族
1、TCP/IP协议模型
首先，我们需要知道一个协议族的概念。协议族是多个协议的统称。，TCP/IP就是一个协议族。
其包含IP、TCP、UDP、HTTP、FTP、MQTT等协议。TCP/IP协议模型：
（图片：《计算机网络》谢希仁、《TCP/IP协议详解》）
TCP/IP协议模型分四层，上层依赖于下层。
从下到上看：
（1）第一层链路层（网络接口层）：
链路层规定了数据帧能被网卡接收的条件，最常见的方式是利用网卡的 MAC 地址，发送方会在欲发送的数据帧的首部加上接收方网卡的 MAC 地址信息，接收方只有监听到属于自己的MAC 地址信息后，才会去接收并处理该数据。
（2）网络层（网际层）：
网络层实现了数据包在主机之间的传递 。相关协议：IP、ICMP等协议。
（3）传输层（运输层）：
传输层可以区分数据包是属于哪一个应用程序的。相关协议：TCP、UDP协议。
（4）应用层
应用层提供特定的应用服务。相关协议：HTTP、MQTT、FTP等协议。
应用层以下的工作完成了数据的传递工作，应用层则决定了你如何应用和处理这些数据，之所以会有许多的应用层协议， 是因为互联网中传递的数据种类很多、差异很大、应用场景十分多样。
2、网络数据的发送与接收
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
发送数据时， 将数据向下交给传输层。传输层会在数据前面加上传输层首部（此处以 TCP 协议为例， 传输层首部为 TCP 首部，也可以是 UDP 首部）， 然后向下交给网络层。
同样地，网络层会在数据前面加上网络层首部（IP 首部） ，然后将数据向下交给链路层， 链路层会对数据进行最后一次封装，即在数据前面加上链路层首部（此处使用以太网接口为例） ，然后将数据交给网卡。
数据的接收过程与发送过程正好相反，可以概括为 TCP/IP 的各层协议对数据进行解析的过程。
3、IP协议
（1）概念
IP 协议（Internet Protocol），又称之为网际协议， IP 协议处于 IP 层工作，它是整个TCP/IP 协议栈的核心协议，上层协议都要依赖 IP 协议提供的服务， IP 协议负责将数据报从源主机发送到目标主机。
IP 协议是一种无连接的不可靠数据报交付协议，协议本身不提供任何的错误检查与恢复机制。
（2）IP地址
在全球的互联网中，每个主机都要唯一的一个 IP 地址作为身份识别。每个 IP 地址长度为 32 比特（4 字节），使用点分十进制记法来表示，如192.168.0.1。
IP 地址划分为 5 大类，分别为 A、 B、 C、 D、 E 五类，每一类地址都觉定了其中 IP 地址的一部分组成（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）：
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
（3）局域网、广域网
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局域网（Local Area Network， 缩写为 LAN），又称内网， 指覆盖局部区域（如办公室或楼层）的计算机网络。
查看本机内网IP：
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广域网（Wide Area Network，缩写为 WAN），又称广域网、外网、公网。是连接不同地区计算机以进行通信的网络。
查看本机外网IP：
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查看某网站IP：
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局域网与广域网示意图
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
无线路由器把电脑、手机等设备连接到局域网 LAN 上，并分配 IP 地址，即局域网 IP ，我们可以称之为 LAN-IP 。
路由器的地址就是运营商给我们的一个 IP 地址，这个 IP 地址是有效的，可以看做是 WAN-IP。
LAN-IP 是路由器分配给我们的 IP，那么我们想要跨越边界进入广域网中， 就需要将 LAN-IP 变成有效的的 IP 地址，也就是 WAN-IP，那么在路由器中就需要将IP 地址进行转换，完成 LAN-IP<—>WAN-IP 地址转换（NAT）。
当持有 WAN-IP 的 IP 包顺利到达下一个边界 Internet Gateway，这是通往互联网Internet 的最后一道关卡，即边界。
左边是广域网，右边是互联网， 也需要做 WAN-IP 与Global-IP（互联网公共 IP）的转换才能进入互联网中 。
（4）IP数据报
IP 数据报的格式如下所示：
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
各字段说明：
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版本号（4bit）：是IP协议的版本，对于IPv4，该值为4；对于IPv6，该值为6 。
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首部长度（4bit）：用于记录 IP 首部的数据的长度 。
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服务类型（8bit）：包括：最小延时、最大传输、最大可靠性、最小消耗等。
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数据报长度（16bit）：IP 数据报的总长度（首部加上数据区域），以字节为单位。
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标识（16bit）：识别号，主机每发一次都会自动增加。
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标志（3bit）：标记位，用于标记是否被分段。
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分片偏移量（13bit）：表示当前分片所携带的数据在整个 IP 数据报中的相对偏移位置（以 8 字节为单位） 。
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生存时间（8bit）：该字段用来确保数据报不会永远在网络中循环 。
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上层协议（8bit）：指示了 IP 数据报的数据部分应交给哪个特定的传输层协议（TCP、UDP）。
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首部校验和（16bit）：首部检验和用于帮助路由器检测收到的 IP 数据报首部是否发生错误。
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源IP地址（32bit）。
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目标IP地址（32bit）。
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选项：选项字段占据 0~40 个字节。
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数据。
4、UDP协议
UDP是 User Datagram Protocol 的简称， 中文名是用户数据报协议， 是一种无连接、不可靠的协议。
主要特点：
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无连接、不可靠。
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尽可能提供交付数据服务，出现差错直接丢弃，无反馈。
-
支持一对一， 一对多， 多对一，多对多的交互通信。
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速度快， UDP 没有握手、确认、窗口、重传、拥塞控制等机制 。
-
面向报文。
UDP 虽然有很多缺点， 但是也不排除其能用于很多场合， 因为在如今的网络环境下，UDP 协议传输出现错误的概率是很小的， 并且它的实时性是非常好， 常用于实时视频的传输，比如直播、网络电话等。
因为即使是出现了数据丢失的情况，导致视频卡帧，这也不是什么大不了的事情，所以， UDP 协议还是会被应用与对传输速度有要求，并且可以容忍出现差错的数据传输中。
（1）UDP报文
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
端口号的取值在0~65535 之间；16bit 的总长度用于记录 UDP 报文的总长度，包括 8 字节的首部长度与数据区域。相关文章：
【socket笔记】TCP、UDP通信总结
5、TCP协议
TCP协议（TransmissionControl Protocol，传输控制协议），是一个面向连接的协议，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一个连接，否则将无法发送数据。
TCP数据是会封装到IP数据当中，我们现在看看TCP协议的头部数据定义：
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》、《TCP/IP协议详解》）
-
16-bit source port number：16位源端口号
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16-bit destination prot number：16位目标端口号
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32-bit sequence number ：32位顺序号
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32-bit acknowledgment number ：32位应答号
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4-bit header length：4位头部长度
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reserved(6 bit)：保留位
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URG：紧急标志位
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ACK：应答标志位（表明应答号之前的数据接收成功）
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PSH：不进行缓存直接推送到应用的标志位
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RST：标志重连接的标志位
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SYN：同步顺序号以初始化连接的标志位
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FIN：发送数据完毕的标志位（表明不会再发送数据过来）
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16-bit window size：窗口大小（用于控流）
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16-bit TCP checksum：检验（检验传输的数据是否正确）
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16-bit urgent pointer：当URG标志被设置时有效，传送紧急数据。
下面看一下TCP协议的一些特性：
（1）确认与重传
TCP 提供可靠的运输层， 但它依赖的是 IP 层的服务， IP 数据报的传输是无连接、 不可靠的，因此它要通过确认来知道接收方确实已经收到数据了。
但数据和确认都有可能会丢失， 因此 TCP 通过在发送时设置一个超时机制（定时器）来解决这种问题， 如果当超时时间到达的时候还没有收到对方的确认，它就重传该数据。
（2）缓冲机制
在发送方想要发送数据的时候， 由于应用程序的数据大小、 类型都是不可预估的， 而TCP 协议提供了缓冲机制来处理这些数据。
如在数据量很小的时候， TCP 会将数据存储在一个缓冲空间中， 等到数据量足够大的时候在进行发送数据， 这样子能提供传输的效率并且减少网络中的通信量。
而且在数据发送出去的时候并不会立即删除数据，还是让数据保存在缓冲区中，因为发送出去的数据不一定能被接收方正确接收，它需要等待到接收方的确认再将数据删除。
（3）全双工通信
在 TCP 连接建立后，那么两个主机就是对等的，任何一个主机都可以向另一个主机发送数据，数据是双向流通的，所以 TCP 协议是一个全双工的协议。
（4）流量控制
TCP 提供了流量控制服务（flow-control service）以消除发送方使接收方缓冲区溢出的可能性。
流量控制是一个速度匹配服务，即发送方的发送速率与接收方应用程序的读取速率相匹配， TCP 通过让发送方维护一个称为接收窗口（receive window）的变量来提供流量控制。
（5）差错控制
除了确认与重传之外， TCP 协议也会采用校验和的方式来检验数据的有效性，主机在接收数据的时候，会将重复的报文丢弃，将乱序的报文重组。
发现某段报文丢失了会请求发送方进行重发，因此在 TCP 往上层协议递交的数据是顺序的、无差错的完整数据。
关于TCP协议的一些其它内容如三次握手、四次挥手、示例等可以看以下文章：
C语言、嵌入式应用：TCP通信实例分析
【面试必考】TCP协议“三次握手”与“四次挥手”
【socket笔记】TCP、UDP通信总结
6、HTTP协议
HTTP 协议是 Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写， 是用于从万维网（WWW:World Wide Web ）服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。
它是基于TCP/IP 协议通信的，因此它也是基于客户端-服务器模型运作的，是一个应用层协议，可以用它来传输服务器的各种资源，如文本、图片、音频等。
HTTP 协议的特点：
-
简单：当客户端向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径即可获取服务器的资源， 请求方法常用的有
GET、 HEAD、 POST等， 每种方法规定了客户端与服务器通信的类型不同。
-
快捷：由于 HTTP 协议简单，使得 HTTP 服务器的程序规模小，因而通信速度很快。
-
灵活：HTTP 允许传输任意类型的数据对象， 传输的类型由 Content-Type加以标记。
-
无连接：简单来说就是每进行一次 HTTP 通信，都要断开一次 TCP 连接 。可随着 HTTP 的普及，文档中包含大量图片的情况多了起来，每次请求完都要断开 TCP 连接，无疑增加通信量的开销为了解决 TCP的连接问题， HTTP1.1提出了持久连接的方法。
-
无状态： 无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。但其实这种无状态对于用户来说也是不友好的（比如：很多网站必须要记住已经登陆过的用户，总不能每刷新一次页面就要求用户重新输入帐号密码），因此为了解决无状态的问题，引入了 Cookie 技术，这是一种可以让服务器知道用户上一次做了什么操作，并且记录下来。
（1）URL 与资源
URL全称是 Uniform Resource Locator， 中文叫统一资源定位符， 是互联网上用来标识某一处资源的绝对地址，使用它我们就必然能找到资源，除非资源已经被转移了。
URI（Uniform Resource Identifiers）是一个通用的概念，由两个子集组成，分别是 URL 和 URN， URL 是通过资源的位置来标识资源，而 URN 更高级一点，只需通过资源名字即可识别资源，与他们所处的位置是无关的，目前暂时还未推广 URN。
URL的通用格式如下（绝大部分的 URL 是不会包含所有组件的内容的 ）：
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
（2）HTTP报文
① 请求报文：
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
-
method （方法）：
HTTP 请求报文的起始行以方法作为开始，方法用来告知服务器要做些什么， 常见的方法有GET、 POST、 HEAD` 等 。
-
请求 URL（request-URL） ：指定了所请求的资源。
-
版本（version）：指定报文所使用的 HTTP 协议版本 。
② 应答报文：
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
-
状态码（status）：这是在 HTTP 应答报文中使用的。不同状态码代表不同的含义：
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
实例：
7、MQTT协议
MQTT 协议全称是 Message Queuing Telemetry Transport，翻译过来就是消息队列遥测传输协议，它是物联网常用的应用层协议。
其运行在 TCP/IP 中的应用层中，依赖 TCP 协议，因此它具有非常高的可靠性，同时它是基于 TCP 协议的<客户端-服务器>模型发布/订阅主题消息的轻量级协议。
（1）MQTT通信模型
（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）
MQTT协议是基于客户端-服务器模型，在协议中主要有三种身份：发布者（Publisher）、服务器（Broker）以及订阅者（Subscriber）。
MQTT 消息的发布者和订阅者都是客户端，服务器只是作为一个中转的存在，将发布者发布的消息进行转发给所有订阅该主题的订阅者。
MQTT 客户端的功能：
-
发布消息给其它相关的客户端。
-
订阅主题请求接收相关的应用消息。
-
取消订阅主题请求移除接收应用消息。
-
从服务端终止连接。
MQTT 服务器常被称为 Broker（消息代理） 。它的功能有：
-
接受来自客户端的网络连接请求。
-
接受客户端发布的应用消息。
-
处理客户端的订阅和取消订阅请求。
-
转发应用消息给符合条件的已订阅客户端（包括发布者自身）。
（2）MQTT消息
MQTT所发的消息包含：主题 内容，客户端可以订阅任意主题，若有其它客户端发布主题时符合所订阅的主题，就会由网关发送到客户端。
什么是主题？
MQTT 服务器为每个连接的客户端（订阅者）添加一个标签，该标签与服务器中的所有订阅相匹配， 服务器会将消息转发给与标签相匹配的每个客户端。这样的一个标签就是主题。
实例：
服务质量：
MQTT提供三种服务质量（Quality of Service，简写QoS），供开发者根据不同的情景选择不同的服务级别：
-
QoS0：最多发送一次消息，在消息发送出去后，接收者不会发送回应，发送者也不会重发消息。
-
QoS1：最少发送一次消息（消息最少需要送达一次，也有可送达多次）， QoS 1的 PUBLISH 报文的可变报头中包含一个报文标识符，需要 PUBACK 报文确认。
-
QoS2：这是最高等级的服务质量，消息丢失和重复都是不可接受的。只不过使用这个服务质量等级会有额外的开销，这个等级常用于支付中，因为支付是必须有且仅有一次成功，总不能没给钱或者给了多次钱吧。
以上就是本次分享的一些计算机网络基础知识，计算机网络的内容很多，一篇文章不可能全部覆盖，以上也仅仅是一些概括性地抽取一些表层内容过来分享，需要阅读相关书籍来加深学习。
内容来源
-
野火《LWIP应用开发实战指南》
-
《计算机网络》谢希仁
-
《TCP/IP协议详解》
-
https://www.scaugreen.cn/
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