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  • 互联网通信原理
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    2020-07-30 11:23:50

    本质

    一系列的网络协议(Internet Protocol Suite),定义计算机怎么接入Internet及标准.
    参考1
    参考2

    OSI七层协议

    OSI(Open System Interconnection),开放系统互联。根据划分方式不同,可分为OSI七层、tcp/ip五层、tcp/ip四层.

    osi七层协议

    每层常见物理设备
    物理层:双绞线、集线器、中继器
    数据链路层:网卡、以太网交换机
    网络层:路由器、三层交换机
    传输层:四层交换机

    OSI七层协议数据传输的封包与解包过程,向下封装,向上解析
    封包与解包过程

    物理层

    主要描述信息的载体,包括高低电平(二进制数据)的载体

    数据链路层

    对二进制数据进行分组。
    以太网协议:一组电信号定义为“帧”。
    每帧数据包括:帧头head和数据data。
    帧头head:包含6字节源mac地址、6字节目标mac地址,6字节数据类型。
    mac地址:出厂时就烧制好的唯一标识。共48位二进制,6字节,12位16进制,前6位16进制为厂商ID,后6位16进制为流水线编号。
    广播通信方式:同一局域网下,每个主机均能接收到。

    在这里插入图片描述

    网络层

    由于以太网通过广播的方式进行通信,使得网络中每台设备均能收到任意设备发送的包,当网络中的设备过多时,网络负载过大,显然使得全世界的设备都在一个以太网下不可行。互联网由一个个彼此隔离的小局域网构成,以太网包只能在一个局域网内发送和接收,一个局域网就是一个广播域,跨局域网通信需要路由转发。
    ip地址:可区分不同广播域/子网
    子网掩码:判断本机ip与目标机IP是否在同一子网下。
    arp协议:目的是获取目标机的mac地址。首先,本机发送arp包(包协议如下,目标mac为48位1,表示为获得目标机的mac)。广播域内的主机接收到后拆包解析,如果目标ip为自己,那么返回自己的mac地址。
    ARP包

    传输层

    mac帮助我们找到广播域内的主机,ip帮助我们区分不同子网。主机有很多应用程序,每一个应用程序绑定一个端口(port,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。端口范围0-65535,0-1023为系统占用。tcp/udp协议。

    网络通信实现

    四要素:本机IP、子网掩码、网关IP、DNS(Domain Name System,域名洗系统)IP
    获取方式:静态获取(手动配置)、动态获取(dhcp,动态主机配置协议)

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    网络通信原理 Internet实际上就是统一的标准,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。 互联网协议按照功能不同分为...

    网络通信原理

    Internet实际上就是统一的标准,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。

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

    用户接触的是最上面的应用层,越往下越接近硬件。

    每层运行常见物理设备 :

    开放系统互连参考模型——七层模型

    开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI)是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型,为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。它从低到高分别是:物理层数据链路层网络层传输层、会话层、表示层应用层(物数网传会表应)

    物理层

    物理层(Physical Layer)是计算机网络OSI模型中最低的一层。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除,而提供具有机械的,电子的,功能的和规范的特性。简单的说,物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

    简单理解:硬件基础,包括网卡、光纤等;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 。

    数据链路层

    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

    数据链路层的功能:定义了电信号的分组方式(以太网协议、mac地址、广播 )

    数据链路层实现的三大功能分别为:(1) 封装成帧(2) 透明传输(3) 差错控制

    网络层

    作用:提供路由和寻址的功能,使两终端系统能够互连且决定最佳路径,并具有一定的拥塞控制和流量控制的能力。相当于发送邮件时需要地址一般重要。由于TCP/IP协议体系中的网络层功能由IP协议规定和实现,故又称IP层。

    传输层

    传输层的主要功能: 为端到端连接提供可靠的传输服务,为端到端连接提供流量控制,差错控制,服务质量(Quality of Service,QoS)等管理服务,具有传输层功能的协议:TCP 、SPX 、NetBIOS

    会话层

    会话层(Session Layer)负责在数据传输中设置和维护计算机网络中两台计算机之间的通信连接。 主要为两个会话层实体进行会话(Session),而进行的对话连接的管理服务。

    表达层

    表达层(Presentation Layer)把数据转换为能与接收者的系统格式兼容并适合传输的格式。 为不同终端的上层用户提供数据和信息正确的语法表示变换方法。如文本文件ASCII格式和EBCDIC,用于表示数字的1S或2S补码表示形式。

    应用层

    应用层(Application Layer)提供为应用软件而设的接口,以设置与另一应用软件之间的通信。例如: HTTP,HTTPS,FTP,TELNET,SSH,SMTP,POP3等。

    TCP/IP五层模型

    五层模型实际上把OSI七层简化:将应用层、表示层和会话层 合并为应用层

    TCP/IP协议体系四层模型

    TCP/IP体系结构的优点:

    1. 结构简化,7层变成4层,但是功能没有减少

    2. 每一层独立有联系,独立是指那一层出现问题不会影响到其它层的工作,联系是因为上层又使用下层协议提供的服务。

    1、数据链路层

    功能:实现了网卡接口的网络驱动程序,以处理数据在物理媒介(如以太网、令牌环等)上的传输。

    常用协议:

    (1)ARP(地址解析协议):它实现IP地址到物理地址(通常是MAC地址,通俗的理解就是网卡地址)的转换。

    (2)RARP(逆地址解析协议):顾名思义,它和ARP是相反的,它是实现从物理地址到IP地址的转换。

    那有人就会问它们的用途是什么呢???

    ARP用途:网络层使用IP地址寻找一台机器,而数据链路层则是使用物理地址寻找一台机器,因此网络层必须先将目标机器的IP地址转化成物理地址,才能使用数据链路层提供的服务。

    RARP用途:RARP协议仅用于网络上的某些无盘工作站,因为缺少储存设备,无盘工作站无法记录自己的IP地址,然而通过RARP就可以看到从物理地址到IP地址的映射。

    2、网络层

    功能:实现数据包的选路和转发。

    常用协议:

    (1)IP协议(英特网协议)据数据包的目的IP地址来决定如何将它发送给目标主机。如果数据包不能直接发送给目标主机,那么IP协议为它寻找一个合适的下一跳路由器,将数据包交给路由器来转发,多次之后数据包将到达目标主机,或者因发送失败而被丢弃。

    (2)ICMP协议是网络层的另一个重要协议,它是IP协议的重要补充,主要用于检测网络连接。

    8位类型:将ICMP报文分为两大类:一类是差错报文,比如目标不可达(类型值为3)和重定向(类型值为5);另一类是查询报文,用来查询网络信息。

    有的ICMP报文还用8位代码字段细分不同的条件。比如代码值0表示网络重定向,代码值1表示主机重定向。

    16位校验和:对整个报文(包括头部和内容部分)进行循环冗余校验(CRC)。

    注意:ICMP协议并非严格意义上的网络层协议,因为它使用了处于同一层的IP协议提供的服务,而一般来说,上层协议使用下层协议提供的服务。

    3、传输层

    功能:为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。与网络层使用的逐跳通信方式不同,传输层只关心通信的起始端和目的端,而不在乎数据包的中转过程。

    主要协议:

    (1)TCP协议(传输控制协议):为应用层提供可靠的、面向连接的和流式服务。

    (2)UDP协议(用户数据报协议):为应用层提供不可靠的、无连接的和数据报服务。(TCP和UDP协议的详解和区别将在下一篇详讲)

    (3)SCTP协议(流控制传输协议)它是为在英特网上传输电话信号而设计的,这里不再细说。

    4、应用层

    功能:负责处理应用程序的逻辑,比如文件传输,名称查询和网络管理等。

    注意:数据链路层、网络层、传输层复制处理网络通信 细节,所以这些部分必须稳定且高效,因此它们都在内核空间实现(如上图二),而应用层在用户空间中实现,因为它负责众多逻辑,在内核中实现的话,则会使内核变得非常庞大。也有少数服务器程序是在内核中实现,这样代码就不用在用户空间和内核空间中来回切换(主要是数据的复制)提高了工作效率。

    常用协议:

    (1)OSPF(开放最短路径优先)协议:是一种动态路由更新协议,用于路由器之间的通信,以告知对方各自的路由信息。

    (2)DNS(域名服务)协议:提供机器域名到IP地址的转换。

    (3)telnet协议是一种远程登陆协议,使我们能在本地完成远程任务。

    (4)HTTP协议(超文本传输协议)是一个基于请求与响应模式的、无状态的、应用层的协议,常基于TCP的连接方式。

    数据传输过程

    数据封装以后:

    一个数据从一台主机应用程序上发出后,传输层根据协议选择传输方式,如选择TCP协议,则在数据前面加上自己的头部,到达网络层后,网络层又选择协议,再加上自己的头部信息交给下一层,再到数据链路层后加上以太网头部后成为一个以太网帧,经过路由转发,到达目标主机后有一层层的根据头部信息选择协议,然后去掉各自的头部,一层层的交给上一层,最终到达目标主机的应用程序上。

    通信原理之TCP/IP基本概念 (二)

    一、为什么会有TCP/IP协议

          在世界上各地,各种各样的电脑运行着各自不同的操作系统为大家服务,这些电脑在表达同一种信息的时候所使用的方法是千差万别。就好像圣经中上帝打乱了各地人的口音,让他们无法合作一样。计算机使用者意识到,计算机只是单兵作战并不会发挥太大的作用。只有把它们联合起来,电脑才会发挥出它最大的潜力。于是人们就想方设法的用电线把电脑连接到了一起。

         但是简单的连到一起是远远不够的,就好像语言不同的两个人互相见了面,完全不能交流信息。因而他们需要定义一些共通的东西来进行交流,TCP/IP就是为此而生。TCP/IP不是一个协议,而是一个协议族的统称。里面包括了IP协议,IMCP协议,TCP协议,以及我们更加熟悉的http、ftp、pop3协议等等。电脑有了这些,就好像学会了外语一样,就可以和其他的计算机终端做自由的交流了。

    二、TCP/IP协议分层

          提到协议分层,我们很容易联想到ISO-OSI的七层协议经典架构,但是TCP/IP协议族的结构则稍有不同。如图所示

          TCP/IP协议族按照层次由上到下,层层包装。最上面的就是应用层了,这里面有http,ftp,等等我们熟悉的协议。而第二层则是传输层,著名的TCP和UDP协议就在这个层次(不要告诉我你没用过udp玩星际)。第三层是网络层,IP协议就在这里,它负责对数据加上IP地址和其他的数据(后面会讲到)以确定传输的目标。第四层是叫数据链路层,这个层次为待传送的数据加入一个以太网协议头,并进行CRC编码,为最后的数据传输做准备。再往下则是硬件层次了,负责网络的传输,这个层次的定义包括网线的制式,网卡的定义等等(这些我们就不用关心了,我们也不做网卡),所以有些书并不把这个层次放在tcp/ip协议族里面,因为它几乎和tcp/ip协议的编写者没有任何的关系。发送协议的主机从上自下将数据按照协议封装,而接收数据的主机则按照协议从得到的数据包解开,最后拿到需要的数据。这种结构非常有栈的味道,所以某些文章也把tcp/ip协议族称为tcp/ip协议栈。

    三、一些基本的常识

           在学习协议之前,我们应该具备一些基本知识。

    • 1、互联网地址(ip地址)

      网络上每一个节点都必须有一个独立的Internet地址(也叫做IP地址)。现在,通常使用的IP地址是一个32bit的数字,也就是我们常说的IPv4标准,这32bit的数字分成四组,也就是常见的255.255.255.255的样式。IPv4标准上,地址被分为五类,我们常用的是B类地址。具体的分类请参考其他文档。需要注意的是IP地址是网络号+主机号的组合,这非常重要。

    • 2、域名系统

      域名系统是一个分布的数据库,它提供将主机名(就是网址啦)转换成IP地址的服务。

    • 3、RFC

      RFC是什么?RFC就是tcp/ip协议的标准文档,在这里我们可以看到RFC那长长的定义列表,现在它一共有4000多个协议的定义,当然,我们所要学习的,也就是那么十几个协议而已。

    • 4、端口号(port)

      注意,这个号码是用在TCP,UDP上的一个逻辑号码,并不是一个硬件端口,我们平时说把某某端口封掉了,也只是在IP层次把带有这个号码的IP包给过滤掉了而已。

    • 5、应用编程接口

      现在常用的编程接口有socket和TLI。而前面的有时候也叫做“Berkeley socket”,可见Berkeley对于网络的发展有多大的贡献。

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