一. 数据的传输形态 -数据信号和时钟信号同步
波特率： 每秒钟传送的码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标。
我们在以太网的电信号传输过程中，以一个时钟周期的上升沿 代表 1， 一个时钟周期的下降沿 代表0.
为什么要用上升沿 下降沿 而不是一个高电平状态和低电平状态代表0 和 1？
因为哪怕我们在不同主机之间，通过连接额外的时钟同步线缆来进行时钟同步，尤其是带宽比较高（带宽高 意味着在一秒内传输的数据更多，代表时钟周期更短，可能每个时钟周期只有纳秒级的间隔，如果只使用高低电平来进行编码，会导致容错率低。一点点点的时钟偏移都不行，都会导致误差。）
时钟偏移：
上面代表数据 下面代表时钟周期， 在每个时钟周期到来时，读取当前时钟周期上方数据信号所代表的数据。如果时钟周期到来，上方为低电平，代表0，上方为高电平 代表1。
如果两端计算机的时钟同步信号 相较于数据信号 发生了偏移，会导致解析出的数据流发生错误。
二. 决定数据读取准确性 -曼彻斯特编码
为了提高数据传输时 时钟信号的容错率， 采用一种 电信号电平变化的过程 来表述 0 和 1 这两种状态。这就是所谓的 曼彻斯特编码。
一个低电平 往 高电平 转换的过程 成为上升沿 代表数据 1
一个高电平 往 低电平 转换的过程 称为 下降沿 代表数据 0
如上图所示 可以读取出 数据为 0 1 0 0 1 0 1 1…
为什么3位和4位中间的上升沿 没有被计算机认为是数据1呢？
因为数据传输有个固定的带宽。比如10mbps，有了带宽可以轻易计算出 时钟周期间隔为 1 / (10 1024 1024 * 8) 秒。
有了这个数据 我们会发现 3 和 4 位之间那个电信号 是在时钟周期间隔内的 计算机就会过滤掉这个数据。
曼彻斯特编码 完美解决了 当时钟频率 不是 完美匹配的时候的数据读取。
三. 0 和 1 如何变成有意义的信息？ - 帧协议
当把网线挑开 接入 示波器时 我们可以看到 电信号的变化如图所示
0 和 1 本身没有任何意义 如果要让传输数据有意义 就必须决定 多少个0 1 代表一个完整数据 和 0 1 的起始点在哪里？
一组0 和 1， 我们称为 数据帧。
在网络传输中 构造帧的 一般有两种协议。
1. HDLC帧： 高级数据链路控制帧
它定义了一组特殊信号 代表帧的起点位： 01111110
只要收到这么一组信号 就代表是帧的起点。
比如这样 找到0111110 之后 后面就是 按 每 8 位 代表一个字节 表示一个特定字符了。
注意
这里在数据中 同样出现了 0111110 为了保证对端解码不会出错 当发送数据时出现了6个1 并列在一起的时候， 发送端会规避这种情况 将中间插入一个 0 ，接收端同样会根据算法纠正这个额外的0。
插入的这个0， 称之为 位填充。
2. 以太网帧
以太网数据传输时 按照
- 静默期 （啥都不干 等 96bit数据的传输时间）
- Preamble期 （56个 0 1 交替 给你准备时间去校准自己的同步 ）
- 定界符 101010 11 （最后用2个1结尾 ）
上图 从左往右
- 收到定界符后，后面全部是数据段了。
确定了如何确定帧的起始位置，
那么 帧长度 应该是多少呢？
在速率和准确性做了权衡之后，计算得出 一个帧在 64 - 1500 个字节 会比较合理。在高性能网络上 一个帧可以传输甚至超过 9000个字节。
四、帧中到底包含了什么信息？-帧结构
其实网络世界的链接类型，一般是下面这两种方式的组合
1. 直接相连
这种点对点的网络，比较简单 一般使用PPP格式的数据帧，主要用在主干网中 进行点对点传输。后面会说到。
2. 局域网内 多对多链接
以太网协议 也被称为： 多点数据链路协议
所谓以太网，其实就是指的局域网，是最常见的 一台交换机 链接多台上网设备的 结构。
先看看以太网的帧结构
从左往右看。
- 最左边是Premable部分，已经说过了，是给你做同步 并且告诉你数据从何处开始。
接下来后面都是数据部分了。
- DestinationAddress: 我想跟谁交流？（目标网卡地址）6个字节 如果我想把数据发给局域网的所有计算机 可以填一个特殊值在这里 （ff:ff:ff:ff:ff:ff）
- SourceAddress: 源地址 （我自己的网卡地址 ）6个字节
- EthernetType: 网络类型 2个字节 告诉接收方 后面的Payload你要怎么去解析 比如如果这里写 0800 就代表后面的Payload是IP数据包
- Payload: 数据段 根据前面的网络类型标识去解析。 （46 - 1500字节之间）
- FrameCheck sequence：帧校验序列。 每当发送者发送这么一段数据时，要把 从 DestinationAddress 到 Payload 结束 这中间 总共的字节数 填在这个地方。 接受者通过这个字段判断自己接收的数据是否是完整的。
再看看上面提到过的PPP帧
长这样。
还记得前面的HDLC协议吗？ 这里 前后的两个 Flag 就是那个 0111110
中间是数据段，为了数据段也出现0111110，发送方会在中间插入 0 做 位填充， 上面已经提到过了。
- Address： 地址位 1位 没啥卵用 PPP帧是点对点传输 目标地址就是网线另一头的那个计算机 这里留下一个Address 估计是为了以后扩展？目前一直没用 写死的FF
- Control: 跟上面一样 没卵用 一直写死的 03 大小为 1位、
- Protocol： 等于以太网帧里面的 EthernetType 表示怎么解析后面的Payload
- Payload： 等同以太网帧里的 Payload 存的数据 需要按上面的协议解析 一般是 40 - 1500 字节
- FCS: 4字节 帧检查序列
我们的网络世界
其实就是 家里的电脑 手机 在小小局域网里 通过 路由器 经过主干网 跟世界各地的其他 小小局域网 链接了起来。
至此 我们只聊到了 经典的OSI 7层模型的最下面两层。
五、 OSI模型
经典的网络层级模型，被分成了如下7层。
我先把它贴在这里，后面会经常回顾到这个定义：
- 应用层
网络服务与最终用户的一个接口。
协议有：HTTP FTP TFTP SMTP SNMP DNS TELNET HTTPS POP3 DHCP - 表示层
数据的表示、安全、压缩。（在五层模型里面已经合并到了应用层）
格式有，JPEG、ASCll、DECOIC、加密格式等 - 会话层
建立、管理、终止会话。（在五层模型里面已经合并到了应用层）
对应主机进程，指本地主机与远程主机正在进行的会话 - 传输层
定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验。
协议有：TCP UDP，数据包一旦离开网卡即进入网络传输层 - 网络层
进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择。
协议有：ICMP IGMP IP（IPV4 IPV6） - 数据链路层
建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能。（由底层网络定义协议）
前面说的 以太网帧 HDLC帧 以太网传输控制协议 PPP帧的传输控制协议 都属于这一层。 - 物理层
建立、维护、断开物理连接。上面说到的 曼彻斯特编码 包括网线分股 等等 属于物理层。 可以认为 物理层 就是把 物理信号 转换为了 数据信号。
六、 我在广州家中小小局域网里的手机里 怎么发QQ消息给 北京小明家里局域网下的手机？ - IP协议
互联网的世界：
为了更详细的分析这个问题 另外画了个图
为了将数据 从A 发送给 另一个城市的 B
要怎么办呢？
先考虑下 如果主机A 在 发送出去的 以太网数据帧中 将DestinationAddress 填写成 B的网卡地址可以吗？
答案肯定是不行的，因为A所在的局域网里会发现 根本找不到跟B 的mac地址相同的设备。 如果我想把以太网数据 发送给 旧金山（SFO）的路由器，在主干网络中进行远程传输，因为主干网使用的是PPP帧，里面是没有地址信息的，那么主干网中的路由器，要如何知道，我这个数据要往哪一条链路传递呢？
这势必要求我们提出一种更通用的地址格式，在互联网中传播。
由此 诞生出了 IP地址 协议
我们再来看一下 使用 IP 协议时 数据是怎么从A 传输到 B的
- A 会将 含有B的IP地址的数据包 发送到A所在局域网的路由器 SFO
- 在SFO的路由器中构造并维护了一个路由表，通过路与表，SFO路由器决定要经由3号线路 转发给丹佛（DEN）的核心路由器（主干网中的路由器被称之为核心路由器），这个查表 决定走3号线路的过程 称之为 转发。 构造路由表的过程 称之为路由。于是 路由器将以太网帧转换为PPP数据包 发送给了DEN的路由
- 同样 DEN 将数据转发给NYC，由NYC 再将数据发送到以太网中的主机B。
那么路由表长啥样呢？
一般是这样
前面表示匹配哪个地址段 斜杠后面跟的是匹配目标IP地址的2进制的前多少位。
这个路由表 按照位数长度，优先按照更精确的规则去匹配。
比如目标地址是 172.17.6.2
就会匹配到 172.17.6 / 24 走 3号线路
而不是172.17 / 16 走2号线路。
七、 喂！局域网里的你们，谁可以接收我的数据包啊？回个话吧 -ARP协议
我们再来回顾下完整的 A 到 B 的数据传输过程，看看数据是怎么填入以太网帧 并转为PPP帧后 经由主干网传输到目标端的以太网中的路由NYC，然后由NYC传送到目标主机B的过程。
- A自己的主机地址是 192.168.9.2
- A的路由器地址是 192.168.9.1
- A的子网掩码是255.255.255.0
- A要发送数据给192.168.20.2
- 首先用192.168.20.2跟自己的ip 192.168.9.2用子网掩码 255.255.255.0的二进制位（1111111111110000）做个与运算。
- 发现与完之后的结果 192.168.9和 172.17.2不一样，那么说明 目标端主机跟我不在同一个局域网内。我要把数据先发给SFO路由器。
- A要在以太网内把数据发给路由器，一定要先知道路由器的mac地址。
A使用了一种称之为 ARP广播的协议，其实就是在局域网内大喇嘛喊一声”谁的IP是192.168.9.1， 回复一下你的mac地址吧“
ARP因为是在以太网中传输，所以ARP也是标准的以太网帧。
大喇叭会吧目标地址填写成”FF:FF:FF:FF“，源地址填写成自己的MAC地址，以太网类型填写成”2c2d“表示是ARP类型，然后再Payload中塞下一坨数据。
Payload的数据格式比较简单，就是把IP和MAC地址做了映射，从前往后表示
【硬件地址类型（MAC地址）】
【协议地址类型（IP地址）】
【硬件地址长度】
【协议地址长度】
【OpCode操作码（如果是我在问，就写0， 如果是路由器回复，就写1）】
【我的MAC地址】
【我的IP地址】
【你的MAC地址是多少？写在HardWareAddressOfTarget这里】
【我要问的那个主机的IP,只有IP是这个的相应，其他主机不要响应我】局域网所有设备均可听到该广播，只有路由器发现自己地址匹配，便把自己的MAC地址填在了ARP数据包的HardWareAddressOfTarget里，把OpCode写成1再广播出去。
- A收到了路由器的ARP数据帧，解析出了MAC地址。将要发给远端主机的数据 封装在PayLoad中，同时在以太网帧里，把我的地址（自己的MAC),目标主机地址（SFO路由器的MAC地址），以太网类型（IP数据包），Payload（IP数据包）设置好，发送给了路由器SFO。
- SFO获取到这个以太网帧，根据以太网类型字段，解析出了IP数据包，拿出IP地址跟自己的本地路由表相匹配，将数据包封装成PPP帧（设置协议为IP协议，将IP数据包 放在Payload中，前后加上011110这个Flag，数据段的最后面加上一个帧校验序列就OJBK了），选择合适的链路发送到其他主干网的核心路由器。
- PPP数据包在核心路由器间传递，直到传递给了NYC的路由器。
- NYC的路由器收到了PPP帧后，解析PPP帧的Protocal字段，发现是IP数据包，便将IP数据包解析出来，拿到了IP地址。
- NYC路由器会发送一个ARP请求在自己的局域网中。
- 目标主机相应，并回复了自己的MAC地址
- NYC路由器会将IP数据包封装成以太网数据包，同时设置好目标端MAC地址，将数据发送到目标主机B。
至此， 漫长的数据传输过程 终于结束了。
八、IP数据包里都有啥
一图流：
直接看图吧。
Payload里塞进去的就是IP数据包。
EthernetType写的是0800表示是IP数据包。
TCP传输控制协议
前面我们说了， 数据想要在以太网中进行传输，必须以帧的方式进行，要么是一个以太网帧，要么是一个PPP帧。
但是一个帧中的Payload字段，一般最大不会超过1500个字节。如果为了传输更多的数据，超过了1500个字节呢？ 那就要对数据进行分包。
要对数据进行分包，首先要解决的一个问题就是 如何处理可能出现的丢包？
比如链路故障，比如路由器正在更新路由表，等等都有可能会导致一个数据包丢失。我们希望可以重新发送丢失的数据包。
第二个问题，对数据做了分包之后，不同的包到达的先后时间不一致，我们还要考虑如何在接收端将包重新按照正确的次序排列起来，也就是数据重排问题。
第三个问题， A 在将数据发送给B的时候，可能有些是要发送给浏览器程序的，有些是要发送给微信程序的，B收到数据后，如何知道将哪些数据，交给哪些程序处理呢？ 这涉及到多会话问题。
第四个问题， 当A主机用最快的速度网旧金山的路由器发送数据，同时，旧金山的路由器还承载了很多其他接入网的设备的数据，从旧金山到丹佛的这条数据链路非常繁忙，导致旧金山路由器可能会丢失一部分数据包，我们希望当遇到对端设备处理不来数据时，发送方可以知道，同时降低自己的发送速率。这些涉及到流量控制问题。
TCP协议，就是为了解决上述四个问题的。
- TCP协议是面向连接的。所谓面向连接是说，任何主机想要给对端主机发送数据之前，必须先建立一个TCP链接。
- TCP是字节流服务。所谓字节流服务是说，任何主机之间，只要建立了TCP链接，后续只需要吧一段一段的字节流放入以太网的Payload包中即可。TCP协议可以把很长的数据 分割成一段一段更小的字节流。每一段都可以放入单独的IP报文中。在TCP协议中，主机B收到了任何的段都会返回一个ACK表示我收到了你的段。如果主机A在一定时间没有收到B的ACK， 主机A会重新发送这个包。
- TCP是可靠的。上面说的确认和重传是TCP保证可靠性的方法之一。TCP同样会对每个数据段进行编号，在接收端收到数据段后，会将数据段按照编号重新排列，同时会删除重复的段。
TCP包结构
它是被包在以太网数据帧中的Payload中，
排列在IP头后面。
在IP头中，
SourceAddress表示发送端主机的IP地址
Destination Address 表示目标端主机的IP地址
路由器会根据这两个字段，来判断如何转发和路由。
Protocol 表示协议类型 其中 6 表示是TCP协议。
当对端主机解析到协议类型 = 6 时，就知道是TCP数据包了。
再看TCP头结构
SourcePort 表示发送端主机端口号
Destination Port 表示目标主机端口号
端口是用来区分是给哪个应用程序读取的。也就是用来区分TCP链接的。
因为一组IP 和 端口号 决定了一个唯一的TCP链接。
CheckSum 检查字段， 用来检查TCP数据块的数据完整性。是相较于以太网的帧校验序列之外的一个额外的检查。
Sequence Number 序列号： 每次链接开始时，被初始化为一个随机数，每次发出一个序列，该序列号增加1.接受者收到后会根据该序列号将数据包进行重拍。
Acknowledgment Number 确认号：对接收段，对接受到的SquenceNumber + 1 返回给发送端。表示我已正常收到该段，我想接收下一个段，下一个段的序列号是ACK。
URG/ACK/RST/SYN/FIN/ 标记位：表示当前处于连接的什么状态。
通过经典的三次握手
客户端和server端 彼此会进入 ESTIABLISHED状态，表示连接已建立。
三次握手 握的是TCP数据段的其实序列号。这个一定要知道。
每次ACK表示 我收到了你发来的第k个TCP段。你可以发K+1过来啦。