《LINUX教學:計算機基礎系列教程三：網絡基礎之網絡協議》要點：
本文介紹了LINUX教學:計算機基礎系列教程三：網絡基礎之網絡協議，希望對您有用。如果有疑問，可以聯系我們。

一. 網絡通訊原理

1. 互聯網的本色就是一系列的網絡協議

　 有了計算機硬件,操作系統和應用軟件,人們就可以使用這臺計算機了.然則,此時計算機彼此孤立,無法一同玩耍.

? Internet?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1

　　如何讓兩臺彼此孤立的計算機能夠產生通信?其實這就類似兩個不同國家的人互相交流一樣,你只會漢語,對方只會英語,你們是無法溝通的.如果你學會了英語,那你們就可以高效的溝通了.所以,英語作為全球的通用語言,是世界各地人么互相交流的標準工具.那internet其實就是任意兩臺計算機進行通信的標準.這些標準稱之為互聯網協議,互聯網的本色就是一系列的協議,總稱為“互聯網協議”(Internet Protocol Suite).

　　互聯網協議的功能：定義計算機如何接入internet,以及接入internet的計算機通信的尺度.

二. 互聯網通信模子

1. OSI(Open System Interconnection)七層協定

圖2

2. TCP/IP五層模子(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)

　 我們把OSI七層協議中的應用層,表示層,會話層合并為應用層,就得到TCP/IP五層模型.這五層模型就涵蓋了整個互聯網通信的基來源根基理.

圖3

圖4

　　如上圖所示,用戶感知到的只是最上面一層應用層,自上而下每層都依賴于下一層,越往上越接近用戶,越往下越接近硬件.

2.1 物理層

物理層由來：上面提到,孤立的計算機之間要想一起玩,就必需接入internet,言外之意就是計算機之間必需完成組網.

圖5

物理層功能：主要是基于電器特性發送高下電壓(電信號),高電壓對應數字1,低電壓對應數字0.

2.2 數據鏈路層

數據鏈路層由來：單純的電信號0和1沒有任何意義,必需規定電信號多少位一組,每組什么意思.

數據鏈路層的功能：界說了電信號的分組方式.

以太網協定(ethernet)：

早期的時候各個公司都有本身的分組方式,后來形成了統一的標準,即以太網協議.

ethernet劃定

　　一組電信號組成一個數據包,叫做“幀”

　　每一數據幀分成：報頭header和數據data兩部門

? ? ? ?header

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?data ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

header包括：(固定18個字節)

　　發送者／源地址,6個字節

　　接管者／目標地址,6個字節

　　數據類型,6個字節

data包括：(最短46字節,最長1500字節)

　　數據包的詳細內容

header長度＋data長度＝最短64字節,最長1518字節,跨越最大限制就分片發送.

Mac地址：

header中包括的源和目標地址由來：ethernet規定接入internet的設備都必須具備網卡,發送端和接收端的地址便是指網卡的地址,即mac地址.

mac地址：每塊網卡出廠時都被燒制上一個世界唯一的mac地址,長度為48位2進制,通常由12位16進制數表現(前六位是廠商編號,后六位是流水線號).

圖6

廣播：

有了mac地址,同一網絡內的兩臺主機就可以通信了(一臺主機通過arp協議獲取另外一臺主機的mac地址).ethernet采納最原始的方式,廣播的方式進行通信,即計算機通信基本靠吼.

圖7

2.3 收集層

網絡層由來：有了ethernet、mac地址、廣播的發送方式,世界上的計算機就可以彼此通信了,問題是世界范圍的互聯網是由一個個彼此隔離的小的局域網組成的,那么如果所有的通信都采納以太網的廣播方式,那么一臺機器發送的包全世界都會收到,這就不僅僅是效率低的問題了,這會是一種災難.

圖8

所以,必須找出一種辦法來區分哪些計算機屬于同一廣播域,哪些不是,如果是就采用廣播的方式發送,如果不是,就采用路由的方式(向不同廣播域／子網分發數據包),mac地址是無法區分的,它只跟廠商有關.

網絡層功能：引入一套新的地址用來區分分歧的廣播域／子網,這套地址即網絡地址.

IP協定：

規定網絡地址的協議叫IP協議,它定義的地址稱之為IP地址,廣泛采用的v4版本即IPV4,它規定網絡地址由32位2進制表現,范圍0.0.0.0~255.255.255.255一個IP地址通常寫成四段十進制數,例：172.16.10.1.

IP地址分成兩部分,網絡部分(標識子網)和主機部分(標識主機).單純的IP地址段只是標識了IP地址的種類,從網絡部分或主機部分都無法辨識一個IP所處的子網.例：172.16.10.1與172.16.10.2并不克不及確定二者處于同一子網.

子網掩碼：

所謂”子網掩碼”,就是表示子網絡特征的一個參數.它在形式上等同于IP地址,也是一個32位二進制數字,它的網絡部分全部為1,主機部分全部為0.好比,IP地址172.16.10.1,如果已知網絡部分是前24位,主機部分是后8位,那么子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000,寫成十進制就是255.255.255.0.

通過”子網掩碼”,我們就能判斷,任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡.辦法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算(兩個數位都為1,運算結果為1,否則為0),然后比較結果是否相同,如果是的話,就表明它們在同一個子網絡中,否則就不是.比如,已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子網掩碼都是255.255.255.0,請問它們是否在同一個子網絡?兩者與子網掩碼分別進行AND運算：

172.16.10.1：? ? ? ? 10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.00000000

AND運算得網絡地址成果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

172.16.10.2：? ? ? ? 10101100.00010000.00001010.000000010

255255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.00000000

AND運算得網絡地址成果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

成果都是172.16.10.0,因此它們在同一個子網絡.

總結一下,IP協議的作用主要有兩個,一個是為每一臺計算機分派IP地址,另一個是確定哪些地址在同一個子網絡.

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IP數據包：

IP數據包也分為header和data部門,無須為IP包定義單獨的欄位,直接放入以太網包的data部門

head：長度為20到60字節

data：最長為65,515字節

而以太網數據包的”數據”部分,最長只有1500字節.因此,如果IP數據包超過了1500字節,它就必要分割成幾個以太網數據包,分開發送了.

以太網頭 ?

? ? ? ? ? IP頭?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?IP數據 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

ARP協定(Address Resolution Protocol)：

ARP協議由來：計算機通信基本靠吼,即廣播的方式,所有上層的包到最后都要封裝上以太網頭,然后通過以太網協議發送,在談及以太網協議時候,我門了解到通信是基于mac的廣播方式實現,計算機在發包時,獲取自身的mac是容易的,如何獲取目標主機的mac,就必要通過ARP協議.

ARP協議功效：廣播的方式發送數據包,獲取目標主機的mac地址.

協議事情方式：每臺主機ip都是已知的.

例如：主機172.16.10.10/24拜訪172.16.10.11/24

首先通過IP地址和子網掩碼區分出本身所處的子網

?

?

?

闡發172.16.10.10/24與172.16.10.11/24處于同一網絡(如果不是同一網絡,那么下表中目標IP為172.16.10.1,通過ARP獲取的是網關的mac)

?	源mac	目標mac	源IP	目標IP	數據部門
發送端主機	發送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	數據

?

?

這個包會以廣播的方式在發送端所處的子網內傳輸,所有主機接收后拆開包,發現目標IP為本身的,就響應,返回本身的mac.

2.4 傳輸層

傳輸層的由來：網絡層的IP幫我們區分子網,以太網層的mac幫我們找到主機,然后大家使用的都是應用程序,你的電腦上可能同時開啟qq,暴風影音,等多個應用程序,那么我們通過IP和mac找到了一臺特定的主機,如何標識這臺主機上的應用程序,答案便是端口,端口即應用程序與網卡關聯的編號.

傳輸層功能：建立端口到端口的通信.彌補：端口范圍0~65535,0~1023為系統占用端口.

TCP協定：

可靠傳輸,TCP數據包沒有長度限制,理論上可以無限長,但是為了保證網絡的效率,通常TCP數據包的長度不會跨越IP數據包的長度,以確保單個TCP數據包不必再分割.

以太網頭

IP頭 ? ? ? ? ? ? ?

TCP頭 ? ? ? ? ? ? ?

數據 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

UDP協定(User Datagram Protocol)：

弗成靠傳輸,”報頭”部分一共只有8個字節,總長度不超過65,535字節,正好放進一個IP數據包.

以太網頭

IP頭 ? ? ? ? ? ? ? ?

? ? UDP頭 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

數據? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

?

圖9. TCP報文

圖10. TCP三次握手和四次揮手

2.5 利用層

應用層由來：用戶使用的都是應用程序,均工作于應用層,互聯網是開放的,大家都可以開發本身的應用程序,數據多種多樣,必須規定好數據的組織形式?.

應用層功能：規定應用程序的數據格式.例：TCP協議可以為各種各樣的程序傳遞數據,好比Email、WWW、FTP等等.那么,必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式,這些應用程序協議就構成了”應用層”.

圖11

2.6 Socket

我們知道兩個進程如果需要進行通訊最基本的一個前提是能夠唯一的標示一個進程,在當地進程通訊中我們可以使用PID來唯一標示一個進程,但PID只在當地唯一,網絡中的兩個進程PID沖突幾率很大,這時候我們需要另辟它徑了,我們知道IP層的IP地址可以唯一標示主機,而TCP層協議和端口號可以唯一標示主機的一個進程,這樣我們可以利用IP地址＋協議＋端口號唯一標示網絡中的一個進程.

能夠唯一標示網絡中的進程后,它們就可以利用socket進行通信了,什么是socket呢?我們常常把socket翻譯為套接字,socket是在應用層和傳輸層之間的一個抽象層,它把TCP/IP層復雜的操作抽象為幾個簡單的接口供應用層調用已實現進程在網絡中通信.

圖12

socket起源于UNIX,在UNIX一切皆文件哲學的思想下,socket是一種"打開—讀/寫—關閉"模式的實現,服務器和客戶端各自維護一個"文件",在建立連接打開后,可以向本身文件寫入內容供對方讀取或者讀取對方內容,通訊結束時關閉文件.

三. 網絡通訊實現

想實現網絡通訊,每臺主機需具備四要素：本機的IP地址；子網掩碼；網關的IP地址；DNS的IP地址.

獲取這四要素分兩種方式：1.靜態獲取,即手動設置裝備擺設；2.動態獲取,通過DHCP獲取.

以太網頭

IP頭

UDP頭

DHCP數據包

?

(1)最前面的”以太網標頭”,設置發出方(本機)的MAC地址和接收方(DHCP服務器)的MAC地址.前者便是本機網卡的MAC地址,后者這時不知道,就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF.

(2)后面的”IP標頭”,設置發出方的IP地址和接收方的IP地址.這時,對付這兩者,本機都不知道.于是,發出方的IP地址就設為0.0.0.0,接收方的IP地址設為255.255.255.255.

(3)最后的”UDP標頭”,設置發出方的端口和接收方的端口.這一部門是DHCP協議規定好的,發出方是68端口,接收方是67端口.

這個數據包構造完成后,就可以發出了.以太網是廣播發送,同一個子網絡的每臺計算機都收到了這個包.因為接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF,看不出是發給誰的,所以每臺收到這個包的計算機,還必須分析這個包的IP地址,才能確定是不是發給本身的.當看到發出方IP地址是0.0.0.0,接收方是255.255.255.255,于是DHCP服務器知道”這個包是發給我的”,而其他計算機就可以丟棄這個包.

接下來,DHCP服務器讀出這個包的數據內容,分配好IP地址,發送回去一個”DHCP響應”數據包.這個響應包的結構也是類似的,以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址,IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址(發出方)和255.255.255.255(接收方),UDP標頭的端口是67(發出方)和68(接收方),分配給哀求端的IP地址和本網絡的具體參數則包含在Data部分.

新加入的計算機收到這個響應包,于是就知道了本身的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等等參數.

四. 網絡通訊流程

1. 本機獲取

• 本機的IP地址：192.168.1.100
• 子網掩碼：255.255.255.0
• 網關的IP地址：192.168.1.1
• DNS的IP地址：8.8.8.8

2. 打開瀏覽器,想要拜訪Google,在地址欄輸入了網址：www.google.com

3. DNS協定(基于UDP協定)

圖13

?

13臺根DNS：

A.root-servers.net198.41.0.4美國
B.root-servers.net192.228.79.201美國(另支持IPv6)
C.root-servers.net192.33.4.12法國
D.root-servers.net128.8.10.90美國
E.root-servers.net192.203.230.10美國
F.root-servers.net192.5.5.241美國(另支持IPv6)
G.root-servers.net192.112.36.4美國
H.root-servers.net128.63.2.53美國(另支持IPv6)
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美國
K.root-servers.net193.0.14.129英國(另支持IPv6)
L.root-servers.net198.32.64.12美國
M.root-servers.net202.12.27.33日本(另支持IPv6)

域名界說：http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

頂級域名：以.com,.net,.org,.cn等等屬于國際頂級域名,根據目前的國際互聯網域名體系,國際頂級域名分為兩類：類別頂級域名(gTLD)和地輿頂級域名(ccTLD)兩種.類別頂級域名是以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等結尾的域名,均由國外公司負責管理.地輿頂級域名是以國家或地區代碼為結尾的域名,如"CN"代表中國,"UK"代表英國.地輿頂級域名一般由各個國家或地區負責管理.

二級域名：二級域名是以頂級域名為基礎的地理域名,比方中國的二級域有,.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn等.子域名是其父域名的子域名,比方父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者*.abc.com.
一般來說,二級域名是域名的一條記錄,比如alidiedie.com是一個域名,www.alidiedie.com是其中比較常用的記錄,一般默認是用這個,但是類似*.alidiedie.com的域名全部稱作是alidiedie.com的二級.

4. HTTP部門的內容,類似于下面這樣：

GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: … …

我們假定這個部門的長度為4960字節,它會被嵌在TCP數據包之中.

5. TCP協定

TCP數據包必要設置端口,接收方(Google)的HTTP端口默認是80,發送方(本機)的端口是一個隨機生成的1024-65535之間的整數,假定為51775.

TCP數據包的標頭長度為20字節,加上嵌入HTTP的數據包,總長度變為4980字節.

6. IP協定

然后,TCP數據包再嵌入IP數據包.IP數據包必要設置雙方的IP地址,這是已知的,發送方是192.168.1.100(本機),接收方是172.194.72.105(Google).

IP數據包的標頭長度為20字節,加上嵌入的TCP數據包,總長度變為5000字節.?

7 以太網協定

最后,IP數據包嵌入以太網數據包.以太網數據包必要設置雙方的MAC地址,發送方為本機的網卡MAC地址,接收方為網關192.168.1.1的MAC地址(通過ARP協議得到).

以太網數據包的數據部分,最大長度為1500字節,而現在的IP數據包長度為5000字節.因此,IP數據包必須分割成四個包.因為每個包都有本身的IP標頭(20字節),所以四個包的IP數據包的長度分別為1500、1500、1500、560.

圖14

?

8. 服務器端相應

經過多個網關的轉發,Google的服務器172.194.72.105,收到了這四個以太網數據包.根據IP標頭的序號,Google將四個包拼起來,取出完整的TCP數據包,然后讀出里面的”HTTP哀求”,接著做出”HTTP響應”,再用TCP協議發回來.

本機收到HTTP響應以后,就可以將網頁顯示出來,完成一次網絡通訊.

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