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互联网的本质: osi 七层协议

一 互联网的本质

咱们先不说互联网是如何通信的(发送数据,文件等),先用一个经典的例子,给大家说明什么是互联网通信。

现在追溯到八九十年代,当时电话刚刚兴起,还没有手机的概念,只是有线电话,那么此时你要是给在外地的人打电话,你应该怎么做?

首先你要确保你们两个的座机要有一堆连接介质连接(电话线,转换器等等)咱们统称物理连接介质。

其次,你要拨号,锁定对方的电话。

最后就开始通话了。

通话是有学问的,当时那个年代还没有推广普通话,所以你要是和河南的人电话联系,你要讲河南话。

你要是和东北的人电话联系,你要讲东北话。

你要是和上海的人联系你要讲上海话。

如果你要是有广西,内蒙,唐山,山东等等等等的朋友,你要是打电话是否都要学习当地的方言才能沟通呢?

其实不是,而是咱们推广了普通话,这样只要大家都会说普通话,这样就可以建立良好的通信。

那如果是与特朗普和普京通电话呢?

那你还要学各个国家的语言么? No!No! No! 咱们现在国际上交流通用语言就是英语,其实咱们把英语学会了,就可以与各个国家的人交流了。这两个例子说明了什么?说明了咱们要统一标准,都遵循一个标准的话,就可以建立良好的通信。

两台计算机之间的通信与两个人打电话原理是一样的。

  1,首先要通过各种物理连接介质连接。

  2,找准确确定对方计算机(准确到软件)的位置。

  3,通过统一的标准(一揽子协议)进行数据的收发。

物理连接介质,这个是网络工程师所考虑的,后面也会给大家简单的讲到,咱们主要就是学习这统一的标准。

英语成为世界上所有人通信的统一标准,如果把计算机看成分布于世界各地的人,那么连接两台计算机之间的 internet 实际上就是

一系列统一的标准,这些标准称之为互联网协议,互联网的本质就是一系列的协议,总称为‘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。

二 osi 七层协议

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

每层运行常见的物理设备

我们将应用层,表示层,会话层并作应用层,从 tcp/ip 五层协议的角度来阐述每层的由来与功能,搞清楚了每层的主要协议

就理解了整个互联网通信的原理。

首先,用户感知到的只是最上面一层应用层,自上而下每层都依赖于下一层,所以我们从最下一层开始切入,比较好理解

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

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

光纤: 双绞线:

2.2 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:

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豹,叫做‘帧’
  • 每一数据帧分成:报头 head 和数据 data 两部分
head data

head 包含:(固定 18 个字节)

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

data 包含:(最短 46 字节,最长 1500 字节)

  • 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

2.3 网络层

网络层由来:有了 ethernet、mac 地址、广播的发送方式,世界上的计算机就可以彼此通信了,问题是世界范围的互联网是由

一个个彼此隔离的小的局域网组成的,那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式,那么一台机器发送的包全世界都会收到,

这就不仅仅是效率低的问题了,这会是一种灾难

上图结论:必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域,哪些不是,如果是就采用广播的方式发送,如果不是,

就采用路由的方式(向不同广播域/子网分发数据包),mac 地址是无法区分的,它只跟厂商有关

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:

  • 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
  • 范围 0.0.0.0-255.255.255.255
  • 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

  • 网络部分:标识子网
  • 主机部分:标识主机

注意: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

例:172.16.10.1 与 172.16.10.2 并不能确定二者处于同一子网

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,它的网络部分全部为 1,主机部分全部为 0。比如,IP 地址 172.16.10.1,如果已知网络部分是前 24 位,主机部分是后 8 位,那么子网络掩码就是 11111111.11111111.11111111.00000000,写成十进制就是 255.255.255.0。

知道”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。

比如,已知 IP 地址 172.16.10.1 和 172.16.10.2 的子网掩码都是 255.255.255.0,请问它们是否在同一个子网络?两者与子网掩码分别进行 AND 运算,

172.16.10.1:10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND 运算得网络地址结果: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 运算得网络地址结果:10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

结果都是 172.16.10.0,因此它们在同一个子网络。

总结一下,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,另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

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。

以太网头 ip 头 ip 数据

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

一:首先通过 ip 地址和子网掩码区分出自己所处的子网

场景 数据包地址
同一子网 目标主机 mac,目标主机 ip
不同子网 网关 mac,目标主机 ip

二: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)

源 mac 目标 mac 源 ip 目标 ip 数据部分
发送端主机 发送端 mac FF:FF:FF:FF:FF:FF 172.16.10.10/24 172.16.10.11/24 数据

三: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。

以太网头 ip 头 tcp 头 数据

udp 协议:

不可靠传输,”报头”部分一共只有 8 个字节,总长度不超过 65,535 字节,正好放进一个 IP 数据包。

以太网头 ip 头 udp 头 数据

tcp 报文

tcp 三次握手和四次挥手

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”。

三 网络通信实现

想实现网络通信,每台主机需具备四要素

  • 本机的 IP 地址
  • 子网掩码
  • 网关的 IP 地址
  • DNS 的 IP 地址

获取这四要素分两种方式

1.静态获取

即手动配置

2.动态获取

通过 dhcp 获取

以太网头 ip 头 udp 头 dhcp 数据包

(1)最前面的”以太网标头”,设置发出方(本机)的 MAC 地址和接收方(DHCP 服务器)的 MAC 地址。前者就是本机网卡的 MAC 地址,后者这时不知道,就填入一个广播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。

(2)后面的”IP 标头”,设置发出方的 IP 地址和接收方的 IP 地址。这时,对于这两者,本机都不知道。于是,发出方的 IP 地址就设为 0.0.0.0,接收方的 IP 地址设为 255.255.255.255。

(3)最后的”UDP 标头”,设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是 DHCP 协议规定好的,发出方是 68 端口,接收方是 67 端口。

这个数据包构造完成后,就可以发出了。以太网是广播发送,同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的 MAC 地址是 FF-FF-FF-FF-FF-FF,看不出是发给谁的,所以每台收到这个包的计算机,还必须分析这个包的 IP 地址,才能确定是不是发给自己的。当看到发出方 IP 地址是 0.0.0.0,接收方是 255.255.255.255,于是 DHCP 服务器知道”这个包是发给我的”,而其他计算机就可以丢弃这个包。

接下来,DHCP 服务器读出这个包的数据内容,分配好 IP 地址,发送回去一个”DHCP 响应”数据包。这个响应包的结构也是类似的,以太网标头的 MAC 地址是双方的网卡地址,IP 标头的 IP 地址是 DHCP 服务器的 IP 地址(发出方)和 255.255.255.255(接收方),UDP 标头的端口是 67(发出方)和 68(接收方),分配给请求端的 IP 地址和本网络的具体参数则包含在 Data 部分。

新加入的计算机收到这个响应包,于是就知道了自己的 IP 地址、子网掩码、网关地址、DNS 服务器等等参数

四 网络通信流程

4.1 本机获取

  • 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

4.2 打开浏览器,访问

  想要访问 Google,在地址栏输入了网址:www.google.com。

4.3 dns 协议(基于 udp 协议)

13 台根 dns:

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

域名定义:http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

顶级域名:以。com,.net,.org,.cn 等等属于国际顶级域名,根据目前的国际互联网域名体系,国际顶级域名分为两类:类别顶级域名(gTLD)和地理顶级域名(ccTLD)两种。类别顶级域名是         以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等结尾的域名,均由国外公司负责管理。地理顶级域名是以国家或地区代码为结尾的域名,如"CN"代表中国,"UK"代表英国。地理顶级域名一般由各个国家或地区负责管理。

二级域名:二级域名是以顶级域名为基础的地理域名,比喻中国的二级域有,.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn 等。子域名是其父域名的子域名,比喻父域名是 abc.com,子域名就是 www.abc.com 或者*.abc.com.
一般来说,二级域名是域名的一条记录,比如 alidiedie.com 是一个域名,www.alidiedie.com 是其中比较常用的记录,一般默认是用这个,但是类似*.alidiedie.com 的域名全部称作是 alidiedie.com 的二级

4.4 HTTP 部分的内容

类似于这样的:

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: … …

我们假定这个部分的长度为 4960 字节,它会被嵌在 TCP 数据包之中。

4.5 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。

4.6 IP 协议

然后,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。

4.7 以太网协议

最后,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。

4.8 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。

五。 访问流程示例图

https://www.cnblogs.com/jin-xin/articles/10067177.html


🐶 你走,我不送你。你来,风雨无阻,我去接你。

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