一文讀懂網絡通信技術原理

一文讀懂網絡通訊武藝原理

一、網絡的由來？

互聯網的實質就是一系列的網絡協議。

一臺硬設有了利用體系，然后裝上軟件你就可以正常使用了，每一局部都擁有一臺本人的機器，但是互相伶仃。

怎樣能讓各位一同游玩，就有了開頭的網絡，但是兩臺盤算機之間通訊與兩一局部打電話之間通訊的原理是一樣的，平凡話屬于中國國內人與人之間通訊的標準，那假如是兩個國度的人交換呢？成績是，你不成能要求一一局部／盤算機把握全天下的言語／標準，于是有了天下一致的通訊標準：英語

結論：英語成為天下上一切人通訊的一致標準，假如把盤算機當作分布于天下各地的人，那么毗連兩臺盤算機之間的internet實踐上就是一系列一致的標準，這些標準稱之為互聯網協議，互聯網的實質就是一系列的協議，總稱為'互聯網協議'（Internet Protocol Suite).

互聯網協議的功效：界說盤算機怎樣接入internet，以及接入internet的盤算機通訊的標準。

二、網絡協議先容

互聯網協議依照功效不同分為osi七層或tcp/ip五層

每層運轉稀有物理裝備

五層模子解說

我們將使用層，表現層，會話層并作使用層，從tcp／ip五層協議的角度來論述每層的由來與功效，搞清晰了每層的主要協議，就了解了整個互聯網通訊的原理。

起首，用戶感知到的只是最外表一層使用層，自上而下每層都依托于下一層，以是我們從最下一層開頭切入，比力好了解每層都運轉特定的協議，越往上越接近用戶，越往下越接近硬件

1、物理層：外表提到，伶仃的盤算機之間要想一同玩，就必需接入internet，弦外之音就是盤算機之間必需完成組網

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

2、數據鏈路層：單純的電信號0和1沒有任何意義，必需劃定電信號幾多位一組，每組什么意思

數據鏈路層的功效：界說了電信號的分組辦法

以太網協議：

早前的時分各個公司都有本人的分組辦法，厥后構成了一致的標準，即以太網協議ethernet

ethernet劃定

一組電信號構成一個數據包，叫做'幀'

每一數據幀分紅：報頭head和數據data兩局部

head包含：(安穩18個字節)

發送者／源地點，6個字節

吸收者／目標地點，6個字節

數據典范，6個字節

data包含：(最短46字節，最長1500字節)

數據包的具體內容

head長度＋data長度＝最短64字節，最長1518字節，凌駕最大限定就分片發送

mac地點：

head中包含的源和目標地點由來：ethernet劃定接入internet的裝備都必需具有網卡，發送端和吸收端的地點便是指網卡的地點，即mac地點。

mac地點：每塊網卡出廠時都被燒制上一個天下唯一的mac地點，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）

廣播：

有了mac地點，同一網絡內的兩臺主機就可以通訊了（一臺主機經過arp協議獲取別的一臺主機的mac地點）ethernet接納最原始的辦法，廣播的辦法舉行通訊，即盤算機通訊基本靠吼

3、網絡層：有了ethernet、mac地點、廣播的發送辦法，天下上的盤算機就可以互相通訊了，成績是天下范圍的互聯網是由一個個互相斷絕的小的局域網構成的，那么假如一切的通訊都接納以太網的廣播辦法，那么一臺機器發送的包全天下都市收到，這就不僅僅是聽從低的成績了，這會是一種劫難

上圖結論：必需找出一種辦法來區分哪些盤算機屬于同一廣播域，哪些不是，假如是就接納廣播的辦法發送，假如不是，就接納路由的辦法（向不同廣播域／子網分發數據包），mac地點是無法區分的，它只跟廠商有關。

網絡層功效：引入一套新的地點用來區分不同的廣播域／子網，這套地點即網絡地點

IP協議：

劃定網絡地點的協議叫ip協議，它界說的地點稱之為ip地點，廣泛接納的v4版本即ipv4，它劃定網絡地點由32位2進制表現

范圍0.0.0.0-255.255.255.255

一個ip地點通常寫成四段十進制數，例：172.16.10.1

ip地點分紅兩局部

網絡局部：標識子網

主機局部：標識主機

注意：單純的ip地點段只是標識了ip地點的品種，從網絡局部或主機局部都無法辨識一個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"，就是表現子網絡特性的一個參數。它在情勢上同等于IP地點，也是一個32位二進制數字，它的網絡局部全部為1，主機局部全部為0。好比，IP地點172.16.10.1，假如已知網絡局部是前24位，主機局部是后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。

曉得"子網掩碼"，我們就能推斷，隨意兩個IP地點對否處在同一個子網絡。辦法是將兩個IP地點與子網掩碼分散舉行AND運算（兩個數位都為1，運算后果為1，不然為0），然后比力后果對否相反，假如是的話，就標明它們在同一個子網絡中，不然就不是。

好比，已知IP地點172.16.10.1和172.16.10.2的子網掩碼都是255.255.255.0，叨教它們對否在同一個子網絡？兩者與子網掩碼分散舉行AND運算，

172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND運算得網絡地點后果：
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運算得網絡地點后果：
10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

后果都是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，一個是為每一臺盤算機分派IP地點，另一個是確定哪些地點在同一個子網絡。

ip數據包

ip數據包也分為head和data局部，無須為ip包界說單獨的欄位，直接放入以太網包的data局部

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"局部，最長僅有1500字節。因此，假如IP數據包凌駕了1500字節，它就必要支解成幾個以太網數據包，分開發送了。

ARP協議

arp協議由來：盤算機通訊基本靠吼，即廣播的辦法，一切表層的包到最初都要封裝上以太網頭，然后經過以太網協議發送，在談及以太網協議時分，我門了解到通訊是基于mac的廣播辦法完成，盤算機在發包時，獲取本身的mac是容易的，怎樣獲取目標主機的mac，就必要經過arp協議

arp協議功效：廣播的辦法發送數據包，獲取目標主機的mac地點

協議事情辦法：每臺主機ip都是已知的

比如：主機172.16.10.10/24拜候172.16.10.11/24

3.1起首經過ip地點和子網掩碼區分出本人所處的子網

3.2分析172.16.10.10/24與172.16.10.11/24處于同一網絡(假如不是同一網絡，那么下表中目標ip為172.16.10.1,經過arp獲取的是網關的mac)

3.3這個包會以廣播的辦法在發送端所處的自網內傳輸，一切主機吸收后拆開包，發覺目標ip為本人的，就呼應，前往本人的mac

4、傳輸層：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，然后各位使用的都是使用步驟，你的電腦上約莫同時開啟qq，暴風影音，等多個使用步驟，那么我們經過ip和mac找到了一臺特定的主機，怎樣標識這臺主機上的使用步驟，答案就是端口，端口即使用步驟與網卡關聯的編號。

傳輸層功效：創建端口到端口的通訊

增補：端口范圍0-65535，0-1023為體系占用端口

tcp協議：可靠傳輸，TCP數據包沒有長度限定，實際上可以無窮長，但是為了確保網絡的聽從，通常TCP數據包的長度不會凌駕IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包不必再支解。

udp協議：

不成靠傳輸，"報頭"局部一共僅有8個字節，總長度不凌駕65,535字節，恰好放進一個IP數據包。

tcp報文

tcp三次握手和四次揮手

5、使用層：用戶使用的都是使用步驟，均事情于使用層，互聯網是開發的，各位都可以開發本人的使用步驟，數據多種多樣，必需劃定好數據的構造情勢

使用層功效：劃定使用步驟的數據格式。

例：TCP協議可以為種種千般的步驟轉達數據，好比Email、WWW、FTP等等。那么，必需有不同協議劃定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些使用步驟協議就構成了"使用層"。

6、Socket：我們曉得兩個歷程假如必要舉行通訊最基本的一個條件能可以唯一的標示一個歷程，在當地歷程通訊中我們可以使用PID來唯一標示一個歷程，但PID只在當地唯一，網絡中的兩個歷程PID分歧幾率很大，這時分我們必要另辟它徑了，我們曉得IP層的ip地點可以唯一標示主機，而TCP層協媾和端標語可以唯一標示主機的一個歷程，如此我們可以使用ip地點＋協議＋端標語唯一標示網絡中的一個歷程。

可以唯一標示網絡中的歷程后，它們就可以使用socket舉行通訊了，什么是socket呢？我們常常把socket翻譯為套接字，socket是在使用層和傳輸層之間的一個籠統層，它把TCP/IP層繁復的利用籠統為幾個簡便的接口需求用層調用已完成歷程在網絡中通訊。

socket劈頭于UNIX，在Unix統統皆文件哲學的頭腦下，socket是一種"掀開—讀/寫—關閉"形式的完成，辦事器和客戶端各自維護一個"文件"，在創建毗連掀開后，可以向本人文件寫入內容供對方讀取大概讀取對方內容，通訊完畢時關閉文件。

三、網絡通訊完成

每臺主機完成網絡通訊的基本四要素：

本機的IP地點

子網掩碼

網關的IP地點

DNS的IP地點

獲取這四要素分兩種辦法：

1.靜態獲取

即手動設置

2.動態獲取

經過dhcp獲取

（1）最前方的"以太網標頭"，設置發射方（本機）的MAC地點和吸收方（DHCP辦事器）的MAC地點。前者就是本機網卡的MAC地點，后者這時不曉得，就填入一個廣播地點：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

（2）后方的"IP標頭"，設置發射方的IP地點和吸收方的IP地點。這時，關于這兩者，本機都不曉得。于是，發射方的IP地點就設為0.0.0.0，吸收方的IP地點設為255.255.255.255。

（3）最初的"UDP標頭"，設置發射方的端口和吸收方的端口。這一局部是DHCP協議劃定好的，發射方是68端口，吸收方是67端口。

這個數據包布局完成后，就可以發射了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每臺盤算機都收到了這個包。由于吸收方的MAC地點是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，以是每臺收到這個包的盤算機，還必需分析這個包的IP地點，才干確定是不是發給本人的。當看到發射方IP地點是0.0.0.0，吸收方是255.255.255.255，于是DHCP辦事器曉得"這個包是發給我的"，而其他盤算機就可以丟棄這個包。

接下去，DHCP辦事器讀出這個包的數據內容，分派好IP地點，發送回去一個"DHCP呼應"數據包。這個呼應包的布局也是相似的，以太網標頭的MAC地點是兩邊的網卡地點，IP標頭的IP地點是DHCP辦事器的IP地點（發射方）和255.255.255.255（吸收方），UDP標頭的端口是67（發射方）和68（吸收方），分派給哀求端的IP地點和本網絡的具體參數則包含在Data局部。

新到場的盤算機收到這個呼應包，于是就曉得了本人的IP地點、子網掩碼、網關地點、DNS辦事器等等參數。

四、例舉主機拜候網站的網絡通訊歷程

起首掀開欣賞器，在地點欄輸入URL，回車，顯現網站內容。這是我們幾乎天天都在做的事，那這個歷程中畢竟是什么原理呢？HTTP、TCP、DNS、IP這些耳熟能詳的名詞都在什么時分起著什么作用呢？在這里全體梳理一遍。

4.1整個歷程根老實做底下幾個局部：

1、域名剖析成IP地點；

2、與目標主機舉行TCP毗連（三次握手）；

3、發送與收取數據；

4、與目標主機斷開TCP毗連（四次揮手）；

4.2底下分散舉行具體分析。

4.2.1域名剖析成IP地點

起首說什么是域名剖析？

我們在欣賞器地點欄中輸入的都是相似"www.baidu.com"、"www.qq.com"等等容易影象的英文域名，但這些字母你直接交給整個網絡線路去尋覓目標主機找取得嗎？找不到，由于每個主機在網絡中的地點都是以IP標識的，IP才是主機在網絡中的地點，域名只是為了便利用戶影象罷了，這就要求欣賞器可以識別域名并且將其轉化為對應的IP地點。

以是欣賞器會有一個DNS緩存，此中紀錄了一些域名與IP的對應干系，供欣賞器快速查找必要的IP。但是這個DNS緩存不成能存下一切的域名-IP地點，何況IP地點偶爾分還會厘革，因此當在DNS緩存中沒有找到的時分，就要先向DNS辦事器哀求域名剖析，我們常聽到的DNS辦事器很大的作用就是舉行域名剖析。

值得一提的是，DNS域名剖析時用的是UDP協議。

整個域名剖析的歷程如下：

1、欣賞器向本機DNS模塊發射DNS哀求，DNS模塊天生干系的DNS報文；

2、DNS模塊將天生的DNS報文轉達給傳輸層的UDP協議單位；

3、UDP協議單位將該數據封裝成UDP數據報，轉達給網絡層的IP協議單位；

4、IP協議單位將該數據封裝成IP數據包，其目標IP地點為DNS辦事器的IP地點；

5、封裝好的IP數據包將轉達給數據鏈路層的協議單位舉行發送；

6、發送時在ARP緩存中查詢干系數據，假如沒有，就發送ARP廣播（包含待查詢的IP地點，收到廣播的主機反省本人的IP，切合條件的主機將含有本人MAC地點的ARP包發送給ARP廣播的主機）哀求，等候ARP回應；

7、取得ARP回應后，將IP地點與路由的下一跳MAC地點對應的信息寫入ARP緩存表；

8、寫入緩存后，以路由下一跳的地點添補目標MAC地點，以數據幀情勢轉發；

9、轉發約莫舉行多次；

10、DNS哀求抵達DNS辦事器的數據鏈路層協議單位；

11、DNS辦事器的數據鏈路層協議單位剖析數據幀，將內里的IP數據包轉達給網絡層IP協議單位；

12、DNS辦事器的IP協議單位剖析IP數據包，將內里的UDP數據報轉達給傳輸層UDP協議單位；

13、DNS辦事器的UDP協議單位剖析收到的UDP數據報，將內里的DNS報文轉達給DNS辦事單位；

14、DNS辦事單位將域名剖析成對應IP地點，產生DNS回應報文；

15、DNS回應報文->UDP->IP->MAC->我的主機；

16、我的主機收到數據幀，將數據幀->IP->UDP->欣賞器；

17、將域名剖析后果以域名和IP地點對應的情勢寫入DNS緩存表。

此中提到了一個ARP的看法，相似于DNS將域名翻譯成IP，ARP則是將IP翻譯成MAC地點，我們曉得了IP后，必要經過主機的MAC地點來更具體的找到主機。相反的也有一個ARP緩存，此中存儲了一些IP與MAC地點的對應干系，假如緩存中找不到，就會舉行廣播來查找MAC地點，收到廣播的主時機反省本人的IP對否是待查找的IP，是的話就前往本人的MAC地點。

假如做開發，屢屢還會交往到端口這個看法，那端口是什么呢？這里是指TCP/IP協議中的端口，端標語的范圍從0到65535，好比用于欣賞網頁辦事的80端口，用于FTP辦事的21端口等等，都有一些安穩的端標語，被占用后就不克不及被別的辦事拿來傳輸數據了。

4.2.2與目標主機舉行TCP毗連（三次握手）

取得域名對應的IP地點后，也就表現可以將數據送達目標主機了，這時分才開頭我們常說的三次握手創建毗連。

HTTP的哀求時使用TCP舉行傳輸的，可以確保可靠傳輸，并且有序，而TCP是有毗連的傳輸，也就是在傳輸數據之前，會創建我的主機與目標主機之間的毗連，然后才干傳輸數據，傳輸完成后，另有斷開毗連。這也就是TCP的三次握手和四次揮手，大抵歷程如下圖所示：

具體的三次握手創建毗連的歷程如下表述，此中數據包的傳輸歷程相似上文哀求DNS辦事器時的歷程，就簡便的表現一下：

1、向目標主機發送TCP毗連哀求報文；

2、該TCP報文中SYN標志位設為1，表現毗連哀求；

3、該TCP報文經過IP（DNS）->MAC（ARP）->網關->目標主機；

4、目標主機收到數據幀，經過IP->TCP，TCP協議單位回應哀求應對報文；

5、該報文中SYN和ACK標志設為1，表現毗連哀求應對；

6、該TCP報文經過IP（DNS）->MAC（ARP）->網關->我的主機；

7、我的主機收到數據幀，經過IP->TCP，TCP協議單位回應哀求確認報文；

8、該TCP報文經過IP（DNS）->MAC（ARP）->網關->目標主機；

9、目標主機收到數據幀，經過IP->TCP，毗連創建完成。

三次握手的歷程就是一去一回一去，互相確認一下，就創建毗連啦。這個歷程中任何一個報文出錯大概超時，都要舉行重傳。

4.2.3發送與收取數據

如上所說，僅有創建毗連后才干開頭傳輸數據，數據但是有多種傳輸辦法，好比分段啊分組啊分時啊等等。而一個數據包的傳輸歷程如下所示，以HTTP的GET辦法哀求為例：

1、欣賞器向域名發射GET辦法報文；

2、該GET辦法報文經過TCP->IP（DNS）->MAC（ARP）->網關->目標主機；

3、目標主機收到數據幀，經過IP->TCP->HTTP，HTTP協議單位會回應HTTP協議格式封裝好的HTML情勢數據；

4、該HTML數據經過TCP->IP（DNS）->MAC（ARP）->網關->我的主機；

5、我的主機收到數據幀，經過IP->TCP->HTTP->欣賞器，欣賞器以網頁情勢體現HTML內容。

其他的HTTP辦法在傳輸數據時辦法都相似，只是所攜帶的內容不同。

4.2.4與目標主機斷開TCP毗連（四次揮手）

數據傳輸完成后必要斷開毗連，與創建時不同，斷開毗連必要多一次，有四次揮手，至于為什么，看完歷程我們再講。

看圖了解歷程：

歷程如下：

1、欣賞器向目標主機發射TCP毗連完畢哀求報文，此時進入FIN WAIT形態；

2、該報文FIN標志位設為1，表現完畢哀求；

3、TCP完畢哀求報文經過IP（DNS）->MAC（ARP）->網關->目標主機；

4、目標主機收到數據幀，經過IP->TCP，TCP協議單位回應完畢應對報文；

5、如今只是舉行回應，由于目標主機約莫還多數據要傳，并不急著斷開毗連；

6、該報文中ACK標志位設為1，表現收到完畢哀求；

7、目標數據發送完一切數據后，向我的主機發射TCP毗連完畢哀求報文；

8、該報文FIN標志位設為1，表現完畢哀求；

9、TCP完畢哀求報文經過IP（DNS）->MAC（ARP）->網關->我的主機；

10、我的主機收到數據幀，經過IP->TCP，TCP協議單位回應完畢應對報文，此時進入TIME WAIT形態，由于不信賴網絡是可靠的，假如目標主機充公到還可以重發；

11、該報文中的FIN標志位均設為1，表現完畢應對；

12、該TCP回應報文經過IP（DNS）->MAC（ARP）->網關->目標主機；

13、目標主布局閉毗連；

14、TIME WAIT等候完畢后，沒有收到回復，分析目標正常關閉了，我的主機也關閉毗連。

這里的歷程是以我的主機主動倡導完畢哀求開頭的，實踐上也可以由目標主機主動倡導，那么歷程就會跟外表相反，但細節差不多。

FIN_WAIT形態是主動倡導哀求時等候確認信息，而TIME_WAIT形態是收到完畢哀求后發送確認信息后等候看對否必要重發。

如今來說說為什么斷開毗連時必要四次揮手呢？由于創建毗連時目標主機可以直接發送SYN（同步）+ACK（應對）報文。而當斷開時，目標主機收到FIN后約莫還多數據要發，并不一定直接斷開，以是先發送一次應對，見告我的主機收到了哀求，等確認一切數據都發完了，再發送FIN，同時等候我的主機應對，這里的FIN和ACK就不克不及一同發送，以是必要四次。

4.2.5總結一下：

以上就是主機拜候網站時的網絡通訊全歷程，總結起來就是：

起主要經過域名找到IP，假如緩存里沒有就要哀求DNS辦事器；取得IP后開頭于目標主機舉行三次握手來創建TCP毗連；毗連創建后舉行HTTP拜候，傳輸并獲取網頁內容；傳輸完后與目標主機四次揮手來斷開TCP毗連。