web通信协议栈（总结）

2024-06-16

前言

复习一下web通信需要经过的各个协议以及层级划分

1. 物理层 Physical Layer

物理层，顾名思义，表示实际的物理链接。
物理层利用物理传输介质为通信的两端建立链接，实现比特流的传输，如铜线、光缆或无线通道，保证比特流正确的传输到对端。
常见设备包括中继器、集线器等。其中集线器 Hub，完全在物理层工作，会将自己收到的每一个字节，都复制到其他端口上去，即广播模式。

链路层，又称 MAC 层。MAC 的全称为 Medium Access Control，即媒体访问控制，主要有两个功能，寻址和控制。
当然，mac层寻址和控制的实际原理是啥也需要了解一下，但不是本文重点，(pass),本文主要讨论在MAC层传输的报文格式
以太网帧 Ethernet frame 是 MAC 层传输数据的基本单位。
其结构如下图所示
这张图引用自https://zhuanlan.zhihu.com/p/632182501
总之mac的头是比较简洁的，只有14个字节，字段有3个，其中

目标mac地址， 6字节，广播时标记为ff ff ff ff ff ff
源mac地址，6字节，即发送方的mac地址
类型，2字节，表示上层传输类型是什么，举个例子，0x0800就代表IPv4协议

MAC层通常用于物理相邻的设备的通信

2.1 MAC层通信示例图

其中

  • bridge0是一个网络桥接设备（Network Bridge Device）。它的主要作用是连接多个网络接口，使这些接口像在同一个网络交换机上一样工作，从而实现不同网络接口之间的通信。
  • eth0是主机上的实际物理网卡
  • vethA/vethB/vethC表示虚拟以太网设备（Virtual Ethernet Devices），这三个虚拟以太网的一端连着bridge0,另一端连着各自对于主机的eth0

以主机A和主机B通信为例，在这种架构下，A往B发送报文，报文传递方向为 A:eth0 -> vethA -> bridge0 -> vethB -> B:eth0
这样设计的好处在于可以在虚拟环境中（如Docker容器、虚拟机等）轻松创建和管理复杂的网络拓扑结构，同时保证主机之间的隔离和独立性。

3. IPv4协议

IPv4协议主要用于不相邻的各个主机的通信。
其结构如下:

Version: 4bits，指示IP协议的版本号。对于IPv4，该字段值为4

Internet Header Length： 4bits，指示IP报头的长度，以32位字（4字节）为单位。最小值为5（表示20字节的基本报头）。

Differentiated Services Field：1byte，一般是0x00，指示服务的优先级和特定的服务要求（如低延迟、高吞吐量等），白话的说就是有的报文很急，要先把它传出去的服务

Total Length： 2bytes，指示整个IP数据报的长度（包括报头和数据），以字节为单位。 

Identification： 2bytes，唯一标识数据报的ID，用于数据报分片重组

Flags： 3bits，用于控制和识别数据报的分片

Fragment Offset： 13bits，指示分片在原始数据报中的相对位置，以8字节为单位

Time To Live： 1byte，指示数据报在网络中存活的时间（跳数），每经过一个路由器减1，当TTL减为0时，数据报被丢弃。

Protocol： 1byte，指示上层协议类型（如TCP、UDP、ICMP等）。例如，TCP的协议号为6，UDP的协议号为17。

Header Checksum： 2bytes，用于校验报头的完整性。

Source IP Address： 4bytes，发送方的IP地址

Destination IP Address： 4bytes，接收方IP地址

Options： random bytes，可变长度，用于支持控制和调试等特定功能。选项字段不常用，当存在选项时，报头长度会相应增加。

4. TCP协议

TCP协议主要用于识别主机上的各个端口

2 bytes  -  Source Port   源端口
2 bytes  -  Destination Port 目的端口
4 bytes  -  Sequence Number  序列号
4 bytes  -  Acknowledgment Number  期望收到下一个字节的序列号
4 bits   -  Data Offset 表示TCP报头的长度，以32位字（4字节）为单位。指示数据部分在报文中的起始位置。
3 bits   -  Reserved 保留字段
9 bits   -  Flags 9位，包含多个控制位，常见的控制位有：
  URG（Urgent）：紧急指针有效。
  ACK（Acknowledgment）：确认号有效。
  PSH（Push）：接收方应尽快将数据推送给应用程序。
  RST（Reset）：重置连接。
  SYN（Synchronize）：同步序号，用于建立连接。
  FIN（Finish）：表示发送方已经完成发送数据，用于释放连接
2 bytes  -  Window Size 表示发送方的接收窗口大小，用于流量控制，指示可接收的字节数。
2 bytes  -  Checksum 用于校验TCP报头和数据的完整性，确保数据在传输过程中未被篡改
2 bytes  -  Urgent Pointer 仅当URG标志设置时有效，指示紧急数据的结束位置
?? bytes -  Options

5. http协议

详情可见 http协议&常见的http请求命令用法

6. 完整协议栈示意图

7. 插曲： ARP协议

ARP协议（Address Resolution Protocol ）主要应用于帮助各个主机在物理相连的网络中识别各个主机的IP

2 bytes -  Hardware Type  : 表示硬件类型
2 bytes -  Protocol Type  ：表示要解析的协议的类型
1 byte  -  Hardware Address Length 硬件地址长度
1 byte  -  Protocol Address Length 指示协议地址的长度（以字节为单位）。ipv4就是4，ipv6就是16
2 bytes -  Operation 指定操作类型，1表示ARP请求，2表示ARP应答
6 bytes -  Sender Hardware Address 发送方的MAC地址
4 bytes -  Sender Protocol Address 发送方的IP地址
6 bytes -  Target Hardware Address 目标的MAC地址。在请求中通常为全零
4 bytes -  Target Protocol Address 目标的IP地址