27 网络通信协议简单阐述

Posted 2021-01-21 -0121

一 前言

　　在日常上网过程中，我们在网址栏中输入网页地址

网络传输都是电信号传输的，那我们怎么把输入的内容变成电信号呢？然后发送给百度让他们知道我需要访问他，那是不是发送的消息应该有一些固定的格式呢？让所有电脑都能识别的消息格式，他就像英语成为世界上所有人通用语言一样，如果把计算机看成分布于世界各地的人，那么连接两台计算机之间的internet实际上就是一系列统一的标准，这些标准称之为互联网协议，互联网的本质就是一系列的协议，总称为‘互联网协议’（Internet Protocol Suite)。

互联网协议的功能：定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机通信的标准。

二 osi七层协议

　　互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

　　

1. 物理层：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0.

2. 数据链层：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思，所以就有了数据链层来定义数据定义电信号的的分组方式。

这一层有一个重要的以太网协议ethernet：

一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧‘，每一数帧分为：报头head和数据date两部分

head

date

 

 head包含（18个字节）

发送者/源地址，6个字节（mac地址）

接收者/目标地址，6个字节

date包含：（最短46字节，最长1500字节）

数据包具体内容：

　　hecd长度+date长度=最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

mac地址

　　head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址

　　mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

 3 网络层：

　　网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，不仅仅效率低，也不科学。

上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是。如果是就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关。。。网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址

IP协议： 

• 规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示

• 范围0.0.0.0-255.255.255.255 (4个点分十进制，也就是4个8位二进制数)

 

•  ipv6，通过上面可以看出，ip紧缺，所以为了满足更多ip需要，出现了ipv6协议：6个冒号分割的16进制数表示，这个应该是将来的趋势，但是ipv4还是用的最多的，因为我们一般一个公司就一个对外的IP地址，我们所有的机器上网都走这一个IP出口。

 

每个以太网设备在出厂时都有一个唯一的MAC地址，为什么还需要为每台主机再分配一个IP地址?每台主机都分配唯一的IP地址，为什么还要在网络设备(如网卡，集线器，路由器等)生产时内嵌一个唯一的MAC地址呢?

唯一的MAC地址

    MAC（Media Access Control或者Medium Access Control）地址，意译为媒体访问控制，或称为物理地址、硬件地址，用来定义网络设备的位置。在OSI模型中，第三层网络层负责 IP地址，第二层数据链路层则负责 MAC地址。因此一个主机会有一个MAC地址，而每个网络位置会有一个专属于它的IP地址。 MAC地址是网卡决定的，是固定的。

    MAC地址，长度是48比特（6字节），由16进制的数字组成，分为前24位和后24位：

    前24位叫做组织唯一标志符（Organizationally Unique Identifier，即    OUI），是由IEEE的注册管理机构给不同厂家分配的代码，区分了不同的厂家。

    后24位是由厂家自己分配的，称为扩展标识符。同一个厂家生产的网卡中MAC地址后24位是不同的。

    每个以太网设备在出厂时都有一个唯一的MAC地址。

一个局域网内唯一的IP地址

    IP地址是指互联网协议地址（英语：Internet Protocol Address，又译为网际协议地址），是IP Address的缩写。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

    IP地址被用来给Internet上的电脑一个编号。日常见到的情况是每台联网的PC上都需要有IP地址，才能正常通信。

    我们可以把“个人电脑”比作“一台电话”，那么“IP地址”就相当于“电话号码”，而Internet中的路由器，就相当于电信局的“程控式交换机”。

    IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。IP地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。例：点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。

每台主机都分配唯一的IP地址，为什么还要一个唯一的MAC地址呢


    建立osi七层模型的主要目的是为解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来：服务说明某一层为上一层提供一些什么功能，接口说明上一层如何使用下层的服务，而协议涉及如何实现本层的服务；这样各层之间具有很强的独立性，互连网络中各实体采用什么样的协议是没有限制的，只要向上提供相同的服务并且不改变相邻层的接口就可以了。网络七层的划分也是为了使网络的不同功能模块（不同层次）分担起不同的职责，从而带来如下好处：

    减轻问题的复杂程度，一旦网络发生故障，可迅速定位故障所处层次，便于查找和纠错；在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层的不同网络设备能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协议可放在多种低层协议上运行；能有效刺激网络技术革新，因为每次更新都可以在小范围内进行，不需对整个网络动大手术。

从上可知：

    MAC用于第二层传输，IP用于第三层传输。分为两层，用两个地址，一个原因就是为了兼容性，能让异构网互联，即让两个不同架构之间的网络也能通信，传输过程中Mac会变，IP不变。

    IP地址的作用很重要的一部分就是屏蔽底下链路层的差异，因为它是一个逻辑地址，所以可以适应于多种链路；以太网这种链路层组网方式中，要通过mac地址来通信，其实ip协议完全可以运行于串口（通常运行slip或ppp等链路层协议）等其他形式的链路之上，这时并不需要一个mac地址；在局域网中两台电脑之间传输数据包用MAC地址即可识别，而通过路由器访问互联网 ，传输数据包中的MAC地址就转成路由器的MAC地址。此时就要靠IP来识别，当我要换了一台路由器时候，只要我的IP地址不变，要跟我们传输数据的对象只要记住IP地址即可与我们通信而不需记住我们的mac地址。

IP地址和mac地址

ip与mac

 

以太网头

ip 头

ip数据

 

网络层加工后的数据

4 传输层

　　传输层的由来：网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机吗，但是只找到主机有用吗，是不是程序之间进行的沟通啊像QQ、浏览器和京东服务器，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，

 

　　　　那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

 

　　　　传输层功能：建立端口到端口的通信(端对端通信)

 

　　　　补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

　　tcp协议：(TCP把连接作为最基本的对象，每一条TCP连接都有两个端点，这种端点我们叫作套接字（socket），它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字，例如，若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80，那么得到的套接字为192.3.4.16:80。)

 

　　当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时，它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后，TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex，双方都可以收发消息) 的通信。

 

　　这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路，直到它被一方或双方关闭为止。它是可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

以太网头

ip 头

tcp头

数据

 

 

 udp协议：不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

以太网头

ip头

udp头

数据

 

 

TCP 与 UDP对比

 

tcp三次握手和四次挥手

　　　　我们知道网络层，可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体，因为，真正进行通信的实体是在主机中的进程，是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。IP协议虽然能把数据报文送到目的主机，但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。

　　　　UDP，在传送数据前不需要先建立连接，远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付，但是正是因为这样，省去和很多的开销，使得它的速度比较快，比如一些对实时性要求较高的服务，就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。

　　　　TCP，提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务，但是正因为这样，不可避免的增加了许多的开销，比如确认，流量控制等。对应的应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

 

 

三次握手：

TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，时刻准备接受客户进程的连接请求，此时服务器就进入了LISTEN（监听）状态；
TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB，然后向服务器发出连接请求报文，这是报文首部中的同部位SYN=1，同时选择一个初始序列号 seq=x ，此时，TCP客户端进程进入了 SYN-SENT（同步已发送状态）状态。TCP规定，SYN报文段（SYN=1的报文段）不能携带数据，但需要消耗掉一个序号。
TCP服务器收到请求报文后，如果同意连接，则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1，SYN=1，确认号是ack=x+1，同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y，此时，TCP服务器进程进入了SYN-RCVD（同步收到）状态。这个报文也不能携带数据，但是同样要消耗一个序号。
TCP客户进程收到确认后，还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1，ack=y+1，自己的序列号seq=x+1，此时，TCP连接建立，客户端进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。TCP规定，ACK报文段可以携带数据，但是如果不携带数据则不消耗序号。
当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态，此后双方就可以开始通信了。

三次握手

一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

如果使用的是两次握手建立连接，假设有这样一种场景，客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

为什么还要最后确定一次

数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。服务端也可以主动关闭，一个流程。

客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2??MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

四次挥手

5 应用层

　　　　应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式 

　　　　应用层功能：规定应用程序的数据格式。

　　　　例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

 

 

6 socket

　　　　我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。

　　　　能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

 

　　socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

 大神写的：

　　http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html?tdsourcetag=s_pcqq_aiomsg