网络编程(一) 2019-07-09

一 客户端/服务端架构

    硬件 C/S 架构

    软件 C/S 架构

    互联网处处是 C/S 架构的

    如一个网站就是服务端,浏览器是客户端( B/S 架构)

    服务端需要遵循的原则:

      服务端与客户端都需要有惟一的地址,但是服务端的地址必须固定/绑定对外一直提供服务,需要稳定运行服务端需要支持并发

    网络

    网络建立的目的是为了数据交互(通信)

    如何实现通信:

      建立好底层的物理连接介质有一套统一的通信标准,称之为互联网协议

    互联网协议:就是计算机界的标准语言

二 七层模型总览

互联网的实现,总共可以分为七层.每一层都靠下一层的支持.用户接触的是第七层,也就是应用层.想要理解互联网协议,必须从最下层开始,自下而上理解每一层的功能.

OSI 模型可以分为七层,五层,四层,其实都是一个道理,只不过合并了几层而已.从下而上分别为:物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层.

每层运行常见的物理设备:

三 tcp/IP 五层模型理解

一般讲应用层,表示层,会话层并做应用层,从 tcp/IP 五层协议的角度来阐述每层的由来和功能,搞清楚了每层的主要协议也就理解了互联网通信的原理.

每层都运行特定的协议,越往上越靠近用户,越往下越靠近硬件.

一 物理层

物理层也可以称之为实体层.电脑想要互相通信,第一件事先要把电脑连起来,可以用光缆,电缆等方式实现通信.这就叫实体层,它就是把电脑连接起来的物理手段.它主要规定了网络的一些电器特性.它的功能室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.

二 数据链路层

物理层单纯的传输电信号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,这就是数据链路层的功能,它在物理层的上方,确定了0和1的分组方式.

1 以太网协议

早期的时候各个公司都有自己的分组方式,后来形成了统一的标准,即以太网协议 Ethernet.

Ethernet 规定

一组电信号构成一个数据包,也叫数据帧每一组数据帧分成:报头 head 和数据 data 两部分

报头包含数据包的一些说明项,比如发送者的源地址,接受者的源地址以及数据类型等等.

发送者/源地址: 6个字节接受者/目标地址: 6个字节数据类型: 6个字节

数据则是数据包的具体内容

数据包最短为46字节,最长为1500字节

所以一个数据帧的长度最短为64字节,最长1518字节,超过最大限制就分片发送.

2 mac 地址

head 中包含的源地址和目标地址的由来: 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世界上一个惟一的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)

装了好多次虚拟机,我现在也不知道那个是我的了...

3 广播

定义MAC 地址只是第一步,在一部电脑第一次接入局域网的时候,是怎么知道它的MAC 地址的呢.在局域网内通信都是通过MAC 地址来发包收包的,只要知道了对方的MAC 地址才可以互相通信.这就要靠ARP(addres resolution protocol) 协议来获取MAC 地址了,那么 arp 协议是如何解析出对方的MAC 地址呢?

这里等到了网络层再来解释.

注意:以太网数据包必须知道接收方的MAC 地址,才能发包.

那么在同一个局域网内,知道了对方的MAC 地址,系统怎样才能把数据包准确送到接收方呢?

以太网采用了一种很"原始"的方式,它并不是直接把数据包发到接收方,而是向局域网内所有的计算机发送,让每台计算机自己拆包后判断自己是否为接收方(前提知道对方MAC 地址)

上图中,1号计算机向2号计算机发送一个数据包,局域网内其他的计算机都会收到这个包.他们读取数据包的报头,找到接收方得MAC 地址,然后与自身的MAC 地址相比较,如果两者相同,就接收这个包,做进一步的处理,不相同的话就丢弃这个数据包.这种发送方式叫"广播".

有了数据包的定义,网卡的MAC 地址,广播的发送方式,数据链路层就可以在同一局域网内的计算机之间传送数据了.

三 网络层

1 网络层的由来

以太网协议,依靠MAC 地址发送数据,但这仅仅只能在同一个局域网内发送数据.理论上,依靠MAC 地址,是可以和全球任何一个MAC 地址发送数据的,因为MAC 地址是惟一的.但是这样做有一个致命的缺陷.

以太网依靠广播方式发送数据包,而广播就意味着每个人都要发送一份,那么全球这么多的计算机,在找到对方的MAC 地址之前都要发一份无疑会造成巨大的浪费,而且效率极低,而且局限在发送者的局域网.也就是说,如果两台计算机不在同一个局域网,广播是传不过去的.这种设计是合理的,否则的话互联网上每一台计算机都会收到所有包,那会引起灾难.

互联网可以想象成由无数个局域网组成的一个巨型网络,如果想要跨局域网通信必须找到另一种方式,能够区分哪些MAC 地址属于同一个局域网,哪些不属于同一个局域网.如果是同一个局域网的话,就采用广播发送(如何知道对方的MAC 地址),否则就采用"路由"的方式发送.("路由"的意思,就是指如何向不同局域网发送数据包)

这就导致了"网络层"的诞生.它的作用是引进一套新的地址,使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个局域网.这套地址叫做"网络地址",简称"网址".

于是,网络层出现以后,每台计算机有了两种地址,一种是MAC 地址,另一种是网络地址.两种地址之间没有任何联系,MAC 地址是绑定到网卡上的,网络地址则是由MAC 服务器分配的,当一台计算机第一次联网时,会向MAC 服务器发送一个包,然后MAC 服务器会分配好网络地址.

网络地址帮助我们确定计算机所在的局域网,MAC 地址则将数据包发送到该局域网中的目标MAC 地址.因此从逻辑上判断,必定是先处理网络地址,然后处理MAC 地址.

可以这样理解,互联网中的通信都是MAC 地址互相发送数据包,而网络地址是为了帮我们确认需要往哪个局域网里面的目标MAC 地址发送数据包,两者缺一不可.

2 IP 协议

规定网络地址的协议,叫做 IP 协议.它定义的地址,称为 IP 地址.

目前,广泛采用的是 IP 协议第四版,简称 IPV4.这个版本规定,网络地址由32个二进制位组成.

可以看出我的 IP 地址为192.168.11.95,习惯上,用四段的十进制数表示 IP 地址,从0.0.0.0到255.255.255.255.

IP 地址一般分为5类:A,B,C,D,E 类, D 和E 类为其他用途的.

可以看粗来 IP 地址是有限的,而且现在的 IPV4 地址已经分完了,以后使用的就是 IPV6了,据说世界上的每一粒沙子都有一个惟一的 IP 地址.

互联网上的每一台计算机,都会分配到一个 IP 地址.这个地址分为两部分,前一部分代表网络,后一部分代表主机.比如, 我的 IP 地址192.168.11.95,这是一个32位的地址,我的网络部分是前面24位192.168.11,那么主机号就是后8位.处于同一个局域网的电脑,它们 IP 地址的网络部分必定是相通的,也就是说192.168.11.95与192.168.11.49处于同一个局域网.

但是我们单纯从 IP 地址是无法判断网络部分的,我为什么知道我的 IP 地址的网络号?其实没有另外一个地址的话我也不知道的.

那么怎样从 IP 地址来判断计算机是否处于同一个局域网呢?这就是另外一个地址的作用了,也就是子网掩码.

所谓子网掩码,就是表示子网络特征的一个参数.它在形式上等同于 IP 地址,也是一个32位二进制数字,它的网络部分全为1,主机部分全部为0.比如我的 IP192.168.11.95,因为我的网络部分为前24位,那么我的子网掩码就是255.255.255.0.

知道了子网掩码,就可以判断,任意两个 IP 地址是否处于同一个局域网.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,则为1,否则为0),然后比较结果是或否相同,如果相同,就表明处在同一个局域网,否则就不是,就需要通过路由协议发送数据包.

IP 协议的作用主要有两个:一个是为每一台计算机分配 IP 地址,另一个是和子网掩码结合确定元 IP 与目标 IP 是否处于同一个局域网.

3 IP 数据包

根据 IP 协议发送的数据,叫做 IP 数据包,不难想象,其中必定包括 IP 地址信息.

但是前面说过.以太网数据包只包含MAC 地址,并没有 IP 地址的位置.那么是否需要修改数据定义在添加一个位置呢?

我们可以直接把 IP 数据包放进以太网数据包的数据部分,因此完全不用修改以太网的规格.这就是互联网分层结构的好处:上层的变动完全不涉及下层的结构.

具体来说, IP 数据包也分为报头和数据两个部分

报头部分主要包括版本,长度, IP 地址等信息,数据部分则是 IP 数据包的具体内容.它放进以太网数据包后,以太网数据包就拥有了两个报头.

IP 数据包的报头部分的长度为20到60个字节,整个数据包的总长度最大为65535字节.因此,理论上,一个 IP 数据包的数据部分,最长为65515字节,前面说过,以太网数据包的数据部分,最长为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.

4 ARP 协议

从数据链路层和网络层我们知道,想要发送一个数据包,必须知道两个地址,一个是对方的 MAC 地址,另一个是对方的 IP 地址.通常情况下,对方的 IP 地址是已知的,但是不知道对方的 MAC 地址.

所以需要一种机制能够从 IP 地址得到 MAC 地址.

这里可以分为两种情况:第一种情况,如果两台主机不在同一个局域网,那么事实上没办法得到对方的 MAC 地址,只能把数据包传送到两个局域网连接处的网关" gateway",让网关去处理.

第二种情况,如果两台主机在同一个局域网,那么可以使用 ARP 协议,得到对方的 MAC 地址. ARP 协议也是发送一个数据包(包含在以太网数据包中),其中包含它索要查询主机的IP 地址,在对方 MAC 地址这个位置,填的是 FF:FF:FF:FF:FF:FF,表示这是一个广播地址.它所在局域网的每一台计算机都会收到这个数据包,从中取出IP地址,与自身的IP地址进行比较。如果两者相同,都做出回复,向对方报告自己的MAC地址,否则就丢弃这个包。

总之,有了ARP协议之后,我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址,可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

四 传输层

1 传输层的由来

有了MAC地址和IP地址,我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

接下来的问题是,同一台主机上有许多程序都需要用到网络,比如,你一边浏览网页,一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候,你怎么知道,它是表示网页的内容,还是表示在线聊天的内容?

也就是说,我们还需要一个参数,表示这个数据包到底供哪个程序(进程)使用。这个参数就叫做"端口"(port),它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口,所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。

"端口"是0到65535之间的一个整数,正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用,用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天,应用程序会随机选用一个端口,然后与服务器的相应端口联系。

**"传输层"的功能,就是建立"端口到端口"的通信。相比之下,"网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信。只要确定主机和端口,我们就能实现程序之间的交流。**因此,Unix系统就把主机+端口,叫做"套接字"(socket)。有了它,就可以进行网络应用程序开发了。

2 UDP 协议

现在,我们必须在数据包中加入端口信息,这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议,它的格式几乎就是在数据前面,加上端口号。

UDP数据包,也是由"报头"和"数据"两部分组成。

"报头"部分主要定义了发出端口和接收端口,"数据"部分就是具体的内容。然后,把整个UDP数据包放入IP数据包的"数据"部分,而前面说过,IP数据包又是放在以太网数据包之中的,所以整个以太网数据包现在变成了下面这样:

3 TCP 协议

UDP协议的优点是比较简单,容易实现,但是缺点是可靠性较差,一旦数据包发出,无法知道对方是否收到。

为了解决这个问题,提高网络可靠性,TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂,但可以近似认为,它就是有确认机制的UDP协议,每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失,就收不到确认,发出方就知道有必要重发这个数据包了。

因此,TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

TCP数据包和UDP数据包一样,都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。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。

五 应用层

应用程序收到"传输层"的数据,接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构,数据来源五花八门,必须事先规定好格式,否则根本无法解读。

"应用层"的作用,就是规定应用程序的数据格式。

举例来说,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"。

这是最高的一层,直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的"数据"部分。因此,现在的以太网的数据包就变成下面这样。

至此,整个互联网的五层结构,自下而上全部讲完了。这是从系统的角度,解释互联网是如何构成的.

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