数据包和帧
什么是数据包和帧
数据包和帧是小块数据，当它们组合在一起时，会形成较大的信息或消息。但是，它们在 OSI 模型中是两个不同的东西。帧位于第 2 层 - 数据链路层，这意味着没有 IP 地址等信息。将此视为将信封放入信封中并将其寄走。第一个信封将是您邮寄的数据包，但一旦打开，其中的信封仍然存在并包含数据（这是一个帧）。
这个过程称为封装，我们在 3 号房间中讨论过：OSI 模型 。在这个阶段，可以安全地假设当我们谈论任何 IP 地址时，我们谈论的是数据包。当封装信息被剥离时，我们谈论的是框架本身。
数据包是在联网设备之间传输数据的一种有效方式，例如任务 1 中介绍的设备。由于这些数据是小块交换的，因此与一次发送大消息相比，整个网络中出现瓶颈的可能性更小。
例如，从网站加载图像时，此图像不会作为一个整体发送到您的计算机，而是在您的计算机上重建的小块。以下图为例来说明这个过程。猫咪的照片被分成三个包，到达计算机后被重建，形成最终的图像。
数据包具有不同的结构，具体取决于要发送的数据包的类型。正如我们接下来将要讨论的那样，网络充满了标准和协议，它们充当了一组规则，用于定义如何在设备上处理数据包。互联网上连接了数十亿台设备，如果没有标准化，事情可能会很快崩溃。
让我们继续我们的 Internet 协议示例。使用此协议的数据包将具有一组标头，其中包含通过网络发送的数据的附加信息。
一些值得注意的标头包括：
| Header 页眉 | Description 描述 |
|---|---|
| Time to Live | 此字段为数据包设置一个到期计时器，如果它从未设法到达主机或逃逸，则不会阻塞您的网络！ |
| Checksum | 此字段为 TCP/IP 等协议提供完整性检查。如果更改了任何数据，此值将与预期值不同，因此会损坏。 |
| Source Address | 发送 数据包的设备的 IP 地址，以便数据知道要返回到何处。 |
| Destination Address | 数据包发送到的设备 IP 地址，以便数据知道下一步要传输到何处。 |
TCP/IP 三次握手
TCP （或 简称 Transmission Control Protocol）是网络中使用的另一种规则。
到目前为止，该协议与我们之前在本模块的 3 号房间中讨论的 OSI 模型非常相似。TCP/IP 协议由四层组成，可以说只是 OSI 模型的概括版本。这些层是：
- Application 应用
- Transport 运输
- Internet 互联网
- Network Interface 网络接口
与 OSI 模型的工作方式非常相似，当数据（或数据包）遍历 TCP 模型时，信息会添加到 TCP 模型的每一层。您可能还记得，这个过程被称为 encapsulation - 这个过程的反面是 decapsulation。
TCP 的一个定义特征是它是 基于连接的 ，这意味着 TCP 必须在发送数据之前在客户端和充当服务器的 设备之间建立连接 。
因此，TCP 保证发送的任何数据都将在另一端接收。这个过程被称为 三次握手，我们稍后会讨论。 下表比较了 TCP 的优缺点：
| TCP 的优点 | TCP 的缺点 |
|---|---|
| 保证数据的完整性。 | 需要在两个设备之间建立可靠的连接。如果未收到一小块数据，则无法使用整个数据块，必须重新发送。 |
| 能够同步两个设备，以防止彼此以错误的顺序被数据淹没。 | 慢速连接可能会使另一台设备成为瓶颈，因为该连接将始终保留在另一台设备上。 |
| 执行更多的流程以实现可靠性 | TCP 比 UDP 慢得多，因为使用此协议的设备必须完成更多的工作 （计算）。 |
TCP 数据包包含从封装添加的称为报头的信息的各个部分。让我们解释下表中的一些关键标头：
| Header 页眉 | Description 描述 |
|---|---|
| Source Port 源端口 | 此值是发送方打开的用于发送 TCP 数据包的端口。此值是随机选择的（从当时尚未使用的 0-65535 端口中）。 |
| Destination Port 目标端口 | 此值是应用程序或服务在远程主机（接收数据的主机）上运行的端口号;例如，在端口 80 上运行的 Web 服务器。与源端口不同，此值不是随机选择的。 |
| Source IP 源 IP | 这是发送数据包的设备的 IP 地址。 |
| Destination IP 目标 IP | 这是数据包的目标设备的 IP 地址。 |
| Sequence Number 序列号 | 当连接发生时，传输的第一条数据被赋予一个随机数。我们将在后面更深入地解释这一点。 |
| Acknowledgement Number 鸣谢编号 | 为一条数据指定序列号后，下一条数据的编号将具有序列号 + 1。我们还将进一步更深入地解释这一点。 |
| Checksum 校验和 | 此值提供 TCP 完整性。在记住输出的地方进行数学计算。当接收设备执行数学计算时，如果输出与发送的内容不同，则数据必须损坏。 |
| Data 数据 | 此标头是存储数据（即正在传输的文件的字节）的位置。 |
| Flag 旗 | 此标头确定任一设备在握手过程中应如何处理数据包。特定的标志将决定特定的行为，这就是我们将在下面解释的内容。 |
接下来，我们将继续讨论三方握手 - 该术语用于在两个设备之间建立连接的过程。 三方握手使用一些特殊消息进行通信 - 下表突出显示了主要消息：
| 步骤 | 消息 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | SYN | SYN 消息是客户端在握手期间发送的初始数据包。此数据包用于启动连接并将两个设备同步在一起（我们稍后将进一步解释）。 |
| 2 | SYN/ACK | 此数据包由接收设备（服务器）发送，以确认来自客户端的同步尝试。 |
| 3 | ACK | The acknowledgement packet can be used by either the client or server to acknowledge that a series of messages/packets have been successfully received. 客户端或服务器可以使用确认数据包来确认已成功接收一系列消息/数据包。 |
| 4 | DATA | 建立连接后，数据（例如文件的字节）将通过 “DATA” 消息发送。 |
| 5 | FIN | 此数据包用于在连接完成后干净（正确） 关闭连接。 |
| # | RST | 此数据包会突然结束所有通信。这是最后的手段，表明在此过程中存在一些问题。例如，如果服务或应用程序无法正常工作，或者系统存在资源不足等故障。 |
下图显示了 Alice 和 Bob 之间的正常 Three-way 握手过程。在现实生活中，这将是在两个设备之间。
任何发送的数据都会被赋予一个随机数字序列，并使用此数字序列并以 1 为增量进行重建。两台计算机必须就相同的编号规则达成一致，才能以正确的顺序发送数据。此顺序分三个步骤达成一致：
- SYN - 客户端：这是我的初始序列号 （ISN），用于 SYNchronise （0）
- SYN/ACK - 服务器：这是我用 （5,000） 记录 SYN 的初始序列号 （ISN），我现在确认您的初始编号序列 （0）
- ACK - 客户端：我确认您的初始序列号 （ISN） 为 （5,000），下面是我的 ISN+1 （0 + 1） 的一些数据
| Device | 初始编号序列 （ISN） | 最终编号序列 |
|---|---|---|
| 客户端 （发件人） | 0 | 0 + 1 = 1 |
| 客户端 （发件人） | 1 | 1 + 1 = 2 |
| 客户端 （发件人） | 2 | 2 + 1 = 3 |
TCP 协议关闭连接：
让我们快速解释一下 TCP 关闭连接背后的过程。首先， 一旦设备确定另一台设备已成功接收所有数据，TCP 将关闭连接。
由于 TCP 会在设备上保留系统资源，因此最佳做法是尽快关闭 TCP 连接。
要启动关闭 TCP 连接，设备将向另一台设备发送 “FIN” 数据包。当然，使用 TCP 时，另一台设备也必须确认此数据包。
让我们像以前一样使用 Alice 和 Bob 来演示这个过程。
在图中，我们可以看到 Alice 向 Bob 发送了一个 “FIN” 数据包。因为 Bob 收到了这个，所以他会让 Alice 知道他收到了这个，并且他还想关闭连接（使用 FIN）。Alice 已经清楚地听到了 Bob 的声音，并会让 Bob 知道她承认了这一点。
UDP/IP 协议
User Datagram Protocol （UDP） 是另一种用于在设备之间传输数据的协议。
与其兄弟 TCP 不同，UDP 是一种 无 状态协议，不需要两个设备之间持续连接即可发送数据。例如，不会发生 Three-way hand shake，两个设备之间也没有任何同步。
回想一下 3 号房间中对这两个协议所做的一些比较：“OSI 模型”。也就是说，UDP 用于应用程序可以容忍数据丢失的情况（例如视频流或语音聊天）或不稳定的连接不是最终结果的情况。下表比较了 UDP 的优缺点：
| UDP 的优势 | UDP 的缺点 |
|---|---|
| UDP 比 TCP 快得多。 | UDP 不关心数据是否被接收。 |
| UDP 让应用程序（用户软件）决定是否可以控制数据包的发送速度。 | 从这个意义上说，它对软件开发人员来说是相当灵活的。 |
| UDP 不会像 TCP 那样在设备上保留连续连接。 | 这意味着不稳定的连接会给用户带来糟糕的体验。 |
如前所述，在两个设备之间建立连接时不会发生任何过程。这意味着不考虑是否接收数据，也没有像 TCP 提供的保护措施，例如数据完整性。
UDP 数据包比 TCP 数据包简单得多，并且标头更少。但是，这两种协议共享一些标准标头，下表中对此进行了注释：
| Header 页眉 | 描述 |
|---|---|
| Time to Live (TTL) 生存时间 （TTL） | 此字段为数据包设置到期计时器，因此如果数据包从未成功到达主机或逃逸，它不会阻塞您的网络！ |
| Source Address 源地址 | 发送数据包的设备的 IP 地址，以便数据知道要返回到何处。 |
| Destination Address 目标地址 | 数据包发送到的设备 IP 地址，以便数据知道下一步要传输到何处。 |
| Source Port 源端口 | 此值是发送方打开的端口，用于发送 UDP 数据包。此值是随机选择的（从当时尚未使用的 0-65535 端口中）。 |
| Destination Port 目标端口 | 此值是应用程序或服务在远程主机（接收数据的主机）上运行的端口号;例如，在端口 80 上运行的 Web 服务器。与源端口不同，此值不是随机选择的。 |
| Data 数据 | 此标头是存储数据（即正在传输的文件的字节）的位置。 |
接下来，我们将继续讨论通过 UDP 进行连接的过程与 TCP 等过程有何不同。 我们应该记住 UDP 是无状态的。连接期间不会发送确认。
下图显示了 Alice 和 Bob 之间的正常 UDP 连接。在现实生活中，这将是在两个设备之间。
端口
也许正如他们的名字一样，端口是可以交换数据的重要点。想想港口和港口。希望停靠港口的船舶必须前往与船上的尺寸和设施相适应的港口。当船只排队时，它将连接到港口的港口 。例如，邮轮不能停靠在为渔船建造的港口，反之亦然。
这些端口强制规定了什么可以停放以及停在哪里——如果不兼容，它就不能停在这里。网络设备在相互通信时也使用端口来执行严格的规则。建立连接后（从 OSI 模型的房间调用），设备发送或接收的任何数据都将通过这些端口发送。在计算中，端口是介于 0 和 65535 （65,535） 之间的 数值 。
由于端口的范围可以在 0 到 65535 之间的任何位置，因此很快就会忘记哪个应用程序正在使用哪个端口。繁忙的港口一片混乱！值得庆幸的是，我们将应用程序、软件和行为与一组标准规则相关联。例如，通过强制通过端口 80 发送任何 Web 浏览器数据，软件开发人员可以设计一个 Web 浏览器（如 Google Chrome 或 Firefox）来以相同的方式解释数据。
这意味着所有 Web 浏览器现在都共享一个通用规则：数据通过端口 80 发送。浏览器的外观、感觉和易用性取决于设计师或用户的决定。
虽然 Web 数据的标准规则是 端口 80，但已为其他一些协议分配了标准规则。介于 0 和 1024 （1,024） 之间的 任何端口都称为公共端口。 让我们在下面探索一些其他协议：
| Protocol 协议 | 端口号 | 描述 |
|---|---|---|
| File Transfer Protocol (FTP) | 21 | 此协议由基于客户端-服务器模型构建的文件共享应用程序使用，这意味着您可以从中心位置下载文件。 |
| Secure Shell (SSH) | 22 | 该协议用于通过基于文本的界面安全地登录系统以进行管理。 |
| HyperText Transfer Protocol (HTTP) | 80 | 该协议为万维网 （WWW） 提供支持！您的浏览器使用它来下载网页的文本、图像和视频。 |
| HyperText Transfer Protocol Secure (HTTPS) | 443 | 该协议的作用与上述完全相同;但是，安全地使用加密。 |
| Server Message Block (SMB) | 445 | 此协议类似于文件传输协议 （FTP）;但是，除了文件之外，SMB 还允许您共享打印机等设备。 |
| Remote Desktop Protocol (RDP) | 3389 | 此协议是一种使用可视化桌面界面登录系统的安全方法（与 SSH 协议的基于文本的限制相反）。 |
我们只简要介绍了网络安全中更常见的协议。有关更多信息，您可以找到列出的 1024 个常用端口的表 。
这里值得注意的是，这些协议只遵循标准。即，您可以在标准端口以外的其他端口（在 8080 而不是 80 标准端口上运行 Web 服务器）上管理与这些协议交互的应用程序。但请注意，应用程序将假定遵循标准，因此您必须提供冒号 （:) 以及端口号。