数据在网络中的传输

Posted 2022-12-07 走过_冬天

最近面试被问到了一些<<计算机网络>>方面的问题，由于之前的工作中很少涉及到，7、8年了前学的了，都基本还给老师了，回答得不太满意。所以这几天又从头学习了一遍<<计算机网络>>，看的是人民邮电出版社出的<<图解TCP/IP>>。看完之后还要查很多资料，我并不推荐这本书，感觉是本入门书，很多细节没有讲清楚，就像今天遇到的这个问题，很多都一笔带过，讲得很淺。而网上的文章很多就抄的教科书，情况都特别理想，一个ARP过去就有回应了，真的是这样吗？要没回应怎么玩，是不是很尴尬？没回应就自个查资料！哈哈~~。这篇文章就简单聊聊那些不那么理想的情况。就当作复习，内容仅供参考。

首先，一个最基本的问题，两台计算机是怎么进行通信的。

假设现在A主机中的向B主机的发一条消息，“今晚约吗”。

首先，A主机需要开机入网，A主机会问路由器“我该设置什么IP地址和子网掩码，默认网关地址是多少”，路由器上的DHCP服务器收到后就分配一个IP地址给主机（DHCP服务分为两个阶段，有的书分为4个阶段，怎么分都不重要，后面会单独讲）。于是打开应用程序，编辑消息，点击发送。

应用层：当点击"发送"的时候，A主机的应用程序就会把发送给谁，端口号，消息内容等等封装成数据包，交给表示层。除此以外，还要知道接收方的IP地址是多少，这里要进行DNS域名解析。（比方说发邮件到目的邮箱，邮件要通过服务器中转，域名解析就是服务器的IP地址。为什么要中转？因为你发送的时候B主机可能是关机的状态，那么B主机自然是没有IP地址的，那服务器就要先保留A发送的邮件，等B主机连接上服务器了，服务器再把邮件发给B主机。）

表示层：表示层收到应用层数据，一看，你这编码格式B主机不一定有啊，万一没有，B就算收到了数据显示出来可能是一堆乱码，于是表示层把数据把数据转换成通用格式，这样B收到后就能准确的知道A发的消息是什么。如果当心别人窃取了消息，还可以对数据进行加密，B收到后再解密。

会话层：接下来数据就来到了会话层，会话层主要是管理何时建立连接，传送顺序，何时关闭连接。比方说登录FTP服务器要进行身份验证，QQ上传送文件，要先建立一个会话，会话结束后关闭会话。

传输层：数据来到传输层，由于是端到端的传输，传输层采用TCP协议，进行三次握手建立连接，准备发送数据，在传输前应用层还要考虑几个问题，
问题1：我应该发送多大的数据包，因为数据经过的网络有的数据链路可承载的最大传输单元（MTU）都不尽相同，我如果不按最小的单元封包发送，数据在传输的过程中可能要先分片再重组。所以我得知道MTU大小。
问题2：如果每次都发送一帧，然后等待接收回复确认帧，如果这个确认帧在网络中丢失了或者由于网络拥堵一直没传过来，我又要重发数据，这样一来一往的传送效率就低了，那怎样提高发送效率呢。那我就一次多发几条。发送窗口控制。
问题3：我一次多发几条数据接收端能不能接收得过来，如果接收不过来，我后面又要重发数据，那就白折腾了，所以我得知道接收端的实际接收能力。流量控制
问题4：网络是一个共享环境，如果一开始就发送一个较大的包到网络，可能网络 会出现拥堵，为了防止这个问题的出现，所以要还进行拥塞控制。
问题5：发送的数据是否到达，如果没有接收端返回的确认收到的消息，过多久进行重发数据，重发控制。
传输层为了保证通信质量可靠性要作很多控制，以上的这些问题都是实际网络通信探索中遇到的，后续会一个一个问题单独介绍是怎么解决的。

网络层：网络层的作用就将数据从发送端发送到接收端，使用IP协议。那数据怎么走，先发送给谁，要进行路径的选择。此外还要知道下一段主机/路由器的MAC地址，在实际传输的时候，数据可能不是直接从源主机发送到目标主机，数据会经过交换机，路由器等等，是一段一段传输。具体是怎么一段一段传输，然后怎么得到目标IP地址对应的MAC地址的，我后面再细讲数据在网络中怎么传送的。

数据链路层：数据从上层传到了链路层，首先封装MAC地址。数据链路层只负责一个网络分段内的数据传送。

物理层：终于可以发送数据了，发一个前导码，例如101010，同步一下，然后把0、1转换为高低电压和脉冲光传输给物理的传输介质（就是光纤和双绞线）。

假设现在B主机收到了数据，接收方是自下层到上层逐层解包。

物理层收到数据，数据链路层先校验，检查数据在传输过程中有没有损坏，如果有损坏则丢弃，如果没有损坏，则匹配MAC地址，发现是发我的数据包，那就收下了，上交给IP层，IP层解析出来目标IP地址和本机IP地址相同，再上交给传输层，传输层会返回确认帧，再解析出端口号，上交给端口号对应的应用程序，我不知道这里会话层都干了什么，数据到在表示层进行数据编码转换或者解密等等。最终显示消息。接收肯定不会那么简单，肯定还有I/O中断等处理，接收时7层模型每一层都做了什么，相关资料极少，有了解的朋友欢迎在下方指导。

数据在网络中怎么传送的？
前面我们通过DNS域名解析已经知道了目标IP地址，目标IP地址不一定就是B主机的IP地址，原因我已经说过了，教科书讲的都特别理想。
1、 因此首先主机先从会本机的ARP缓存表中查找对应的MAC地址记录。
2、 如果找不到，主机A根据目标IP地址判断目标主机是不是在本网络。
3、 如果不在本网，那说明要数据通过网关发出去。然后主机从本机的ARP缓存表中查找网关对应的MAC地址记录
4、 如果没有找到就发送ARP广播请求网关MAC地址。
5、 回应后，更新本机ARP缓存表，增加记录[目标主机IP，网关MAC地址]。
6、 下次如果要发送数据给目标主机，直接封装网关的MAC地址。
7、 网关收到数据增加记录[A主机，MAC地址]。查自己的ARP缓存表有没有目标IP对应的MAC地址。
8、 如果找到了直接封装对应的MAC地址发送出去，如果没有找到目标主机的MAC，网关根据目标IP地址找路由表，确定下一跳的IP地址。
9、 网关根据下一跳的IP地址，查找网关的ARP缓存表，如果没找到，继续查找下一跳IP地址对应的MAC地址。记录[下一跳的IP地址, 下一跳的MAC地址]
10、 下一跳收到数据增加记录[网关，MAC地址]。重复7~10数据就这样一段一段的在网络上传递，边查询边更新，直到数据查到目标IP的MAC地址。最终把数据发送给目标主机。

DHCP工作原理：
DHCP主要是实现自动设置IP地址，统一管理IP地址分配。
第一阶段：
1、 DHCP客户端广播发现包，发现DHCP服务器，请求IP地址租约。
2、 DHCP服务器收到后预分配一个IP地址，然后发一个ICMP回送请求到网络，确认没有返回应答。再通知客户端可以使用的网络设置。
第二阶段：
3、 DHCP客户端收到DHCP服务器发来的IP地址，广播发送ARP请求包，确认没有返回应答。再给广播DHCP请求包，要求设置2中通知的设置。
4、 DHCP服务器同意3中的设置。
因为网络上可能存在多个DHCP服务器时，一个DHCP服务器不能查出已被其它服务器租出去的IP地址，而且DHCP不能发现网络上非DHCP客户机已经在使用的IP地址。DHCP的确认之所以分两个阶段是为了保证即使在DHCP服务器上重复设置也能正常工作。

ICMP协议：
ICMP主要负责与IP相关的设置，IP包被废弃的原因，网络通信等提供这类功能的协议，像平时经常使用的ping命令，traceroute命令都是利用了ICMP的回送应答消息。

DNS
因为IP地址不好记，所以会给主机取一个方便记忆的标识名，于是就有管理主机名与IP地址的对应表，DNS就提供了一个自动检索某主机名的IP地址的系统。叫域名解析，域名是分层的，如果mail.163和mail.qq就是在mail层下的两个不同的域名。DNS就是互联网中的分布式数据库。

ARP的工作机制：
ARP主要是通过IP地址查找对应的MAC地址信息。例如A主机想询问B主机的MAC地址。首先可以通过DNS找到B的IP地址。
1、 首先查找本机的ARP缓存表中有没有记录，
2、 如果本机上没有找到记录，就广播发送一个ARP请求包，这个请求包将会被同一链路上的其它主机收到。
3、 只有目标IP的主机收到消息后，目标主机才会通过单播的形响应请求主机，如同一链路上没有目标主机就收不到任何响应。
ARP能穿过两层交换机，但不能穿过路由器。对于两层交换机在收到ARP请求后，首先会增加记录[请求主机IP地址，请求主机的MAC地址]，接着找到本机的ARP缓存表中是否有目标IP的MAC地址，如果有则从对应的端口发送出去，如果没有，则从默认端口广播ARP请求。

路径MUT发现工作原理：
由于每种数据链路的可承载的最大传输单元可能不同，在传输的过程中IP报文可能要先分片再在目标主机进行数据重组，这样会降低网络传送效率，因此，并不希望路由器做IP数据包的分片处理。所以产生了“路径MUT发现”（Path MTU Discovery）。
1、 发送时IP首部的分片标志位设置为不分片，路由器收到包后会丢弃。
2、 路由器会ICMP通知下一次MTU的大小。
3、 主机收到后，如果是UDP传输，那么后面发送包都会小于等于MTU大小，对于TCP传输，会在发送端传输层就进行分片重发处理。
4、 对于UDP传输，分片到达目标主机后，要重组再传给UDP，但对于TCP传输不需要重组，原样发给TCP层。

窗口控制：
TCP以段为单位发送数据，每发一个段都会进行确认应答。如果这样发一个段就等待回复再发下一段数据，效率太低了，为了提高效率，发送端在发送一个段后可以不必要等待确认应答，继续发送。窗口大小就是指无需等待确认应答而可以发送的最大值。如果收到了前面的确认帧那么窗口就向前滑动一段。否则等待确认应答。

流量控制：
考虑到接收端的接收能力，控制发送的数据量，就是流量控制，具体操作是，接收端主机向发送端主机通知自己可以接收数据的大小，然后发送端调整窗口大小。

拥塞控制：
防止网络拥塞，控制窗口大小。

重发控制：

三层交换机与路由器的区别：
三层交换机和路由器都可以进行路由转发功能，三层交换机的更偏重数据转发功能，路由器偏重不同网络的互联，路由功能更全。

网关与路由器的区别：
网关是个概念，能进行协议转换，能让不同的网络进行通信。可以是路由器，也可能用三层交换机做网关。而路由器是指一个具体设备。