计算机基础系列三：网络基础

Posted 2020-09-19 hedeyong11

1、互联网协议

         定义：一系列统一的标准

         功能：定义计算机如何接入Internet，以及接入Internet的计算机通信标准。

2、TCP/IP五层模型

         互联网协议按照功能不同分为OSI七层或TCP/IP五层或TCP/IP四层协议，如下：

 

 

　　将应用层，表示层，会话层并作应用层，即为TCP/IP五层协议。

每层运行常见的物理设备有：

 

 

注：四层交换机与三层交换机的不同在于解析数据包的能力不同，三层交换机只能解析到ip协议，四层交换机能解析到TCP协议这一层数据包。

2.1物理层

　　物理层由来：上面提到，孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网

 

 

　　物理层功能：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

2.2数据链路层

　　由来：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

　　功能：定义了电信号的分组方式

　　现行的数据链路层统一的标准是：以太网协议（Ethernet）

以太网协议Ethernet规定：

• l  一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’
• l  每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

 

head包含：(固定18个字节)

• l  发送者／源地址，6个字节
• l  接收者／目标地址，6个字节
• l  数据类型，6个字节

data包含：(最短46字节，最长1500字节)

• l  数据包的具体内容

　　head长度＋data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）

广播：

有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）

Ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼

缺点是：同一网络内任何一台主机都可以接收到数据包，存在传输效率问题和数据安全隐患。

2.3网络层

　　由来：由于以太网广播通信方式存在传输效率问题和数据安全隐患。同时不能跨子网通信，因此需要采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包）

　　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:

• l  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
• l  范围0.0.0.0-255.255.255.255
• l  一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1

IP地址分成两部分

• l  网络部分：标识子网
• l  主机部分：标识主机

　　注：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网

子网掩码：

　　子网掩码：就是表示子网络特征的一个参数

　　通过“子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

IP数据包

　　ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分

 

• head：长度为20到60字节
• data：最长为65,515字节

　　而以太网数据包的“数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

ARP协议

　　ARP协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到：通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议

　　ARP协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

　　协议工作方式：每台主机ip都是已知的

例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

　　1）首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

 　　　　

　　2）分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过ARP获取的是网关的mac)

 　　

　　3）这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac

2.4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，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

补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

TCP协议：

　　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。

 　　

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是基于连接的协议，也就是说，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来之后，主机A才向主机B正式发送数据。

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议：它是面向非连接的协议，是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快;
UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。是面向非连接的协议，没有建立连接的过程。正因为UDP协议没有连接的过程，所以它的通信效果高；但也正因为如此，它的可靠性不如TCP协议高。QQ就使用UDP发消息，因此有时会出现收不到消息的情况。

TCP与UDP的区别：

• 1.基于连接与无连接；
• 2.对系统资源的要求（TCP较多，UDP少）；
• 3.UDP程序结构较简单；
• 4.流模式与数据报模式 ；
• 5.TCP保证数据正确性，UDP可能丢包，TCP保证数据顺序，UDP不保证。

 

2.5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”。

 　　

 

SOCKET：

　　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

　　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。

 

 

3、用户上网流程

1、本机获取ip地址等信息

• 本机的IP地址：192.168.1.100
• 子网掩码：255.255.255.0
• 网关的IP地址：192.168.1.1
•  DNS的IP地址：8.8.8.8

2、打开浏览器，输入网址，以Google为例：www.google.com。

3、DNS协议

　　DNS协议和服务器自动将网址解析为目标服务器的IP和端口号

4、HTTP协议

　　域名解析之后，浏览器以HTTP协议的形式将请求嵌套在TCP数据包中

5、TCP协议

　　TCP数据包需要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。

TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度变为4980字节。

6、IP协议

　　在网络层（如路由器）根据IP协议将TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。

　　IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。

7、以太网协议

　　最后在数据链路层，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡MAC地址，接收方为网关192.168.1.1的MAC地址（通过ARP协议得到）。

　　以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而现在的IP数据包长度为5000字节。因此，IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头（20字节），所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

8、服务器端响应

　　经过多个网关的转发，Google的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。

　　根据IP标头的序号，Google将四个包拼起来，取出完整的TCP数据包，然后读出里面的“HTTP请求”，接着做出“HTTP响应”，再用TCP协议发回来。

　　本机收到HTTP响应以后，就可以将网页显示出来，完成一次网络通信。