文章目录
- 1. 网络发展史
- 1.1 独立模式
- 1.2 网络互连
- 1.3 局域网 LAN
- 1.4 广域网 WAN
- 2. 网络通信基础
- 2.1 IP 地址
- 2.2 端口号
- 2.3 认识协议
- 2.4 五元组
- 2.5 协议分层
- 2.5.1 什么是协议分层
- 2.5.2 分层的作用
- 2.5.3 OSI七层协议
- 2.5.4 TCP/IP五层协议
- 2.5.5 网络设备所在分层
- 2.6 分装和分用
1. 网络发展史
1.1 独立模式
独立模式:计算机之间相互独立
1.2 网络互连
随着时代的发展,越来越需要计算机之间互相通信,共享软件和数据,即以多个计算机协同工作来完成业务,就有了网络互连。
网络互连:将多台计算机连接在⼀起,完成数据共享。
数据共享本质是网络数据传输,即计算机之间通过网络来传输数据,也称为⽹络通信。
根据网络互连的规模不同,可以划分为局域网和广域网
1.3 局域网 LAN
局域网,即 Local Area Network,简称LAN。
Local 即标识了局域网是本地,局部组建的⼀种私有网络。
局域网内的主机之间能方便的进行网络通信,又称为内网;局域网和局域网之间在没有连接的情况下,是无法通信的。
局域网组建网络的方式有很多种:
1)基于网线直连
2)基于集线器组建
3)基于交换机组建
4)基于交换机和路由器组建
1.4 广域网 WAN
广域网,即 Wide Area Network,简称WAN。
通过路由器,将多个局域网连接起来,在物理上组成很⼤范围的网络,就形成了广域网。
广域网内部的局域网都属于其子网。
2. 网络通信基础
网络互联的目的是进行网络通信,也是网络数据传输,更具体一点,是网络主机中的不同进程间,基于网络传输数据
那么,在组建的网络中,如何砍断到底是从那太主机传来的呢?
接下来我们就认识一下通信的基础知识
2.1 IP 地址
概念:
IP 地址,描述了一个设备,在网络上的地址
简单说,IP地址用于定位主机的⽹络地址
格式:
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)
如 01100100.00000100.00000101.00000110
通常⽤“点分⼗进制”的⽅式来表示,即 a.b.c.d 的形式(a,b,c,d都是0~255之间的⼗进制整数)
如:100.4.5.6
2.2 端口号
概念:
在网络通信中,IP地址⽤于标识主机网络地址,端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。
简单说:端口号⽤于区分知己上不同的应用程序
格式:
端口号是0~65535范围的数字(两个字节),在网络通信中,进程可以通过绑定⼀个端口号,来发送及接收网络数据
不同的程序就可以关联/绑定到不同的端口号
一个端口号只能被一个程序绑定,但是一个程序可以绑定多个端口
0 一般不使用
1 - 1023 这个范围的端口,系统留作特殊用途,我们一般写的长须不应该占用
这是知名端口号,留给一些比较创建的服务器程序使用
22 -> ssh
23 -> telnet
80 -> http
443 -> https
实际的通信过程中,IP 的 端口 往往是“一对”
类似发送快递时,不光需要指定收货地址(IP地址),还需要指定收货⼈(端口号)
2.3 认识协议
网络 本质是通过 光/电 信号来传输数据
比如,低电平表示 1,高电平表示 0;高平光信号表示 1,低频光信号表示 0
协议就是一种约定,约定了通信双方按照啥样的方式来传递数据
协议,就只是单纯的约定,并不会很复杂的
由于网络通信的世界中,遇到的场景/问题往往比较棘手,确实有一些网络协议是比较复杂的
2.4 五元组
五元组是一次通信过程中必不可少的信息
- 源IP:标识源主机
- 源端口号:标识源主机中该次通信发送数据的进程
- 目的IP:标识⽬的主机
- 目的端口号:标识⽬的主机中该次通信接收数据的进程
- 协议号:标识发送进程和接收进程双⽅约定的数据格式
2.5 协议分层
2.5.1 什么是协议分层
在平时写代码中,如果一个代码越写越多,越写越复杂,往往需要把代码给拆分成多个部分
拆分之后能够更好的理解
网络通信的场景会比较复杂,有很多问题需要通过协议来进行解决
如果搞一个大的协议来解决所有问题,此时这个协议就会非常庞大,非常复杂就不利于人们去学习和理解.
相比之下,也可以把大的协议,拆分成多个小的协议,让每个小的协议只专注于做一小块事情
使每个小的协议,都不会太复杂 ( 化繁为简 )
由于网络通信实在太复杂,拆分就拆出来太多的小的协议,这么多小的协议也就不好管理了,就需要对协议进行分层了
所谓分层,就是按照协议的定位/作用 进行分类
并且约定了不同层次之间的“调用关系”
“上层协议,调用下层协议”
“下层协议给上层协议提供支持”
此时,这么多协议就不容易混乱
2.5.2 分层的作用
- 协议分层之后,上层和下层 彼此之间就进行了封装
使用上层协议,不必过多关注下层
使用下层协议,不必过多关注上层
大大降低了使用者的使用成本
- 每一层协议都可以根据需要灵活替换
2.5.3 OSI七层协议
仅仅出现在教科书中
OSI:即Open System Interconnection,开放系统互连
• OSI 七层⽹络模型是⼀个逻辑上的定义和规范:把⽹络从逻辑上分为了7层
• OSI 七层模型是⼀种框架性的设计⽅法,其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输
2.5.4 TCP/IP五层协议
是 OSI 七层模型的简化版本
下面四层叫法可能有差异,但是具体还是一样的
- 物理层:描述的是网络通信的硬件设备
好比 基础设施:公路、铁路
比如使用的网线,光纤是什么规格 - 数据链路层:两个相邻节点之间的数据传输情况
- 网络层:进行路径规划
- 传输层:关注起点和终点
- 应用层:应用程序 如何使用这个数据(程序员最需要关注的一点)
有些资料会说“TCP/IP 四层协议”
是因为这里没有算物理层
(物理层偏硬件,我们大部分关注的是软件)
在这图的侧面,是这五层在操作系统中的应用
- 应用层,就是对应到应用程序(我们代码写的软件)
- 操作系统的内核(传输层和网络层)
这里的内容是线程的,不需要手动写 - 驱动程序 + 硬件
2.5.5 网络设备所在分层
• 对于⼀台主机,它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容,也即是TCP/IP五层模型的下四层
• 对于⼀台路由器,它实现了从⽹络层到物理层,也即是TCP/IP五层模型的下三层
• 对于⼀台交换机,它实现了从数据链路层到物理层,也即是TCP/IP五层模型的下两层
(交换机的作用,是针对路由器的端口进行扩展,路由器上的端口可能有限,不够用)
• 对于集线器,它只实现了物理层
(在物理层,把网线一分为二)
注意 我们这⾥说的是传统意义上的交换机和路由器,也称为⼆层交换机(工作在TCP/IP五层模型的下两层)、三层路由器(工作在TCP/IP五层模型的下三层)
随着现在⽹络设备技术的不断发展,也出现了很多3层或4层交换机,4层路由器
甚至说一些高端的交换机,也有路由器公共
另一方面,路由器见换机可能还会支持一些更复杂的操作,甚至可能会在传输层或者应用层
2.6 分装和分用
分装和分用,描述了网络通信过程中,基本的数据传输流程
举个栗子:
考虑 A 通过 QQ 把 hello 传递给 B
发送方:
- 应用层
QQ 应用程序,QQ 就会把用户输入的“hello”,打包成一个应用层的数据报(这个数据报的格式,只有QQ 的程序员知道)
假如:
这四个字段,使用‘,’来分割
这里就构成了一个简单的应用层数据报(字符串拼接)
上述描述的规则,就是此处我们约定的应用层协议
具体是用几个字段,字段的顺序如何,使用什么符号分隔
都是可以灵活调整的.
(应用层协议,往往是根据具体的场景,具体的需要,由程序员自主决定的)
这样就可以把应用层数据报,通过操作系统的 api ,把数据交个 传输层 - 传输层
就要对刚才的应用层数据,在进行打包,编程传输层的数据报
这里的打包过程,本质上还是“字符串拼接”
把刚才的应用层数据,基础上拼接上传输层的报头
(传输层典型的协议,TCP,UDP)
一个数据报 = 报头 + 载荷(也是字符串的拼接)
UDP 报头其实是一组二进制数据
UDP 报头中最关键的信息就是“源端口” 和 “目的端口
进行封装的过程,就是给数据增加更多的“辅助信息”的过程
传输层数据报搞好了之后,这个数据又会进一步的交给网络层 - 网络层
网络层最重要的协议,是 IP 协议
IP 报头里面包含很多重要的属性,其中最重要的属性就是 源 IP 和 目的 IP
网络层的数据打包好了之后,继续把数据交给“数据链路层”再来进一步打包 - 数据链路层
最重要的是 以太网
以太网报头中,包含的最重要的信息就是 源 mac 地址,目的 mac 地址
这两个地址也是用来描述一个设备在网络上的地址的
再把这个数据交给物理层 - 物理层
把上述数据,转换成 2 进制 的 0 1 序列
通过光信号/电信号进行传输
从上层协议到下层协议,层层给数据报添加报头
这个过程称为:封装
数据发送出去之后,就会经过一系列的交换机和路由器进行转发
A 和 B 一般来说不是直接网线连接的,中间还要经过很多的交换机/路由器设备进行转发
当数据到达 B 这里之后,B 就要针对上述数据进行“分用”
(针对上述数据进行层层的解析)
接收方:
-
物理层
拿到光电信号 之后 转化为二进制数据,进一步得到以太网数据报
这个数据要交给数据链路层对应的协议处理 -
数据链路层
通过以太网协议,针对以太网数据报进行解析
这个解析过程就会解析出 报头 和 报尾,以及中间的载荷
把载荷部分,进一步的再交给网络层的协议来处理
-
网络层
IP 协议,再进一步的准对网络层数据报进行解析,去掉报头,拿到载荷,再进一把载荷数据交个上层(传输层)
-
传输层
此处使用 UDP 协议,针对这个数据报进行解析,拿到载荷,去掉报头,把载荷数据进一步的交给上层(应用层)
根据端口号来区分把数据交个哪个应用程序
-
应用层
把上述数据根据端口号,交给 QQ 这个程序
QQ 这个程序就要进一步解析这里的数据,这个解析过程也就是按照前面程序员自定义的应用层协议来展开的
此时,取出 hello 最终显示到界面上即可
数据报在网络中间还会经历一定的转发过程
如果经过路由器:就会封装分用到网络层
路由器解析到网络层,拿到 IP 地址,决定进一步如何传输
下一步传输的时候,又会重新经过网络层,数据链路层和物理层的封装
如果经过交换机:就会封装分用到数据链路层