网络编程 - 概述

首先看一张经典的图:

网络七层、四层模型.png

说到网络编程一般都会说到OSI参考模型和TCP/IP模型,这篇文章主要从TCP/IP模型出发,谈谈我对网络编程的理解。
TCP/IP模型分为四层,从下到上分别是网络链路层、网络层、传输层、应用层。越往下越靠近硬件,越往上越接近用户。每一层的分工不同,为了实现每一层的功能,制定了一些规则,这些规则就是协议

一、网络链路层

1.以太网协议

以太网协议确定了一系列的约定,让一股又一股的电流能够传递信息:0 或者 1。它规定一组信号组成一个数据包“帧”,每一帧有两部分组成:标头(Head)和数据(Data)。

以太网.jpg
  • “标头”包括目的地址、源地址、类型,长度固定为18字节。
  • “数据”就是数据包的具体内容,最短为46字节,最长为1500字节,如果超出这个长度,就必须分割成多个帧进行发送。

2.MAC地址

在“标头”里,我们如何标识目的地址和源地址?这时候就需要MAC地址了。
以太网规定,连入网络的所有设备,都必须具有"网卡"接口。数据包必须是从一块网卡,传送到另一块网卡。网卡的地址,就是数据包的发送地址和接收地址,这叫做MAC地址。每一张网卡都有唯一的MAC地址,由厂商向 IEEE 购买,再预先烧录进芯片里,每个有线网卡、每台路由器、每个无线网卡甚至每个蓝牙芯片都有自己的唯一 MAC 地址。
MAC地址长度是48个二进制位,通常用12个十六进制数表示,比如:AA:BB:CC:DD:EE:FF。前6个十六进制数是厂商编号,后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址,就可以定位网卡和数据包的路径了。

3.类型

类型具有两个意义,当这两个字节的值小于1518时,那么它就代表其后数据字段的长度;如果这两个字节的值大于1518,则表示该以太网帧中的数据属于哪个上层协议(例如0x800,代表IP数据包;0x806,代表ARP数据包等)。

4.广播

我们怎么把数据发送给对方呢?

  1. 我们要知道对方的地址
  2. 我们知道地址后把数据包准确的发送给对方

怎么知道对方的MAC地址呢?这里通过ARP协议。这个放在IP协议里面说。那怎么发送数据呢?
举个例子:A同学到一个班级里面想找B同学,但是不知道他是谁。于是他就在那个班级里面喊一句:B同学你们喊你回家吃饭。然后B同学就接收到这个信息了,B同学对此就可以做出回应。


timg.jpeg

翻译一下就是:A计算机要向B计算发送数据包,但是在这个网络里还有C、D、E、F四台计算机。A发送数据包后,B、C、D、E、F都会收到这个包,他们读取这个包的“标头”,找到接收者的MAC地址,然后和自己的对比。如果相同,就做处理。如果不同,就弃包。这种发送方式就叫“广播”。至此,就可以在多台计算机之间传递信息了。

二、网络层

既然我们可以在多台计算机之间传递信息了,为什么还有网络层呢?
我们知道,计算机通过“广播”的方式传递信息,它只局限于发送者所在的子网内,我们不能保证发送者和接收者都在一个子网内(如果没有这种子网设计,全世界的计算机都能接收到信息,这将是一场灾难)。
所以,我们采取了一种方法:当发送者和接收者都在一个子网内,采取“广播”方式发送,不在一个子网内,采取“路由”方式发送。
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子网络。这套地址就叫做"网络地址",简称"网址"。从此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地址是绑定在网卡上的,网络地址则是管理员分配的,它们只是随机组合在一起。通过网络地址,我们可以得出计算机所在的子网络。

1.IP协议

IP协议:用来规定网络地址的协议。目前广泛采用的IP协议是第四版,简称IPv4,它有32个二进制组成(即32位)。目前IPv6正在推广,它是128位。


IP协议.jpg
  • 首部主要包括总长度、源地址、目的地址等信息。
    1.总长度界定了本次 ip 报文的长度,便于读取有效数据
    2.源地址指本次 ip 报文是由那个 ip 地址发出的
    3.目的地址指本次 ip 报文需要发给哪一台设备
  • 数据部分是IP数据包的具体内容。
  • 以太网数据包的数据部分就是整个IP数据

在介绍以太网帧的时候,以太网帧也有数据部分,便是IP数据包。
IP数据包的"标头"部分的长度为20到60字节,整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此,理论上,一个IP数据包的"数据"部分,最长为65,515字节。前面说过,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。

2.ARP协议

ARP协议,即地址解析协议(Address Resolution Protoco),它是通过IP地址获取MAC地址的协议。(这里把ARP协议放在网络层说,是为了搭配IP协议,但它其实是在网络链路层)
举个例子:
A的IP地址是192.168.1.1,MAC地址是0A-11-22-33-44-01
B的IP地址是192.168.1.2,MAC地址是0A-11-22-33-44-02
当A要与B通信时,ARP协议将B的IP地址解析成MAC地址。流程如下:

  1. A确定自己要寻找的是192.168.1.2的IP地址,在本地ARP缓存中检查B的匹配MAC地址,如果找到,A向B进行IP通信。
  2. 如果A没有在ARP缓存中找到B的MAC地址,它将询问192.168.1.2的MAC地址,从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。本地网络上的每台主机都会将收到ARP请求并与自己的IP地址匹配。如果发现请求的IP地址和自己的IP地址不一样,它将放弃ARP请求。
  3. B收到ARP请求后,发现请求的IP地址与自己的IP地址一样,将A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。
  4. B将包含MAC地址的ARP回复消息发送给A。
  5. A收到B的ARP回复消息后,将B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存(ARP缓存有生命期,当生命期接收后,再次重复上面过程)。A确定B的MAC地址后,进行IP通信。


    ARP.png

    但是,ARP 只能用于 IPv4 ,不能用于 IPv6。在IPv6 中可以用 ICMPv6 替代 ARP。

三、传输层

有了MAC地址和IP地址,不管我们在不在一个子网内,我们都可以建立通信了。
但是,我们怎么知道对方发来的数据包,是供哪个程序使用呢?比如说我现在一边浏览网页,一边聊天。我接收到的数据包,是网页的内容?还是聊天内容?
这个时候我们就需要一个参数,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",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。
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。

1.TCP协议

传输层不止TCP协议,还有UDP协议。这里我们简单介绍一下TCP协议,来了解传输层的做了什么。


TCP.jpg

TPC协议里包含了首部和数据部分。

  • 首部最重要的是源端口和目的端口。
  • 数据部分就是具体的内容。
  • IP数据包的数据部分就是整个TCP数据。

四、应用层

应用层是在用户空间实现的,负责处理众多业务逻辑,如文件传输、网络管理。它规定了应用程序的数据格式。


all.jpg

至此,我们就大概了解到TCP/IP模型,四层做了什么。如有错误之处,还望各位指出。

参考:
软件工程师需要了解的网络知识系列
网络编程懒人入门

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