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

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 203,772评论 6 477
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,458评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,610评论 0 337
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,640评论 1 276
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,657评论 5 365
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,590评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,962评论 3 395
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,631评论 0 258
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,870评论 1 297
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,611评论 2 321
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,704评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,386评论 4 319
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,969评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,944评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,179评论 1 260
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 44,742评论 2 349
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,440评论 2 342

推荐阅读更多精彩内容

  • 文章首发于个人blog欢迎指正补充,可联系lionsom_lin@qq.com原文地址:《网络是怎样连接的》阅读整...
    lionsom_lin阅读 14,107评论 6 31
  • 1、TCP为什么需要3次握手,4次断开? “三次握手”的目的是“为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端...
    杰伦哎呦哎呦阅读 3,470评论 0 6
  • LT-0807,2018.03.11翻译,@成都 声明 本文是一篇关于TCP/IP协议组件的RFC,聚焦于一个IP...
    摩诃婆罗多阅读 4,057评论 1 5
  • 一、网络通信协议 定义:对数据的传输格式、传输效率、传输步骤等做了统一规定,通信双方必须同时遵守才能完成数据交换,...
    聂叼叼阅读 495评论 0 2
  • 1.这篇文章不是本人原创的,只是个人为了对这部分知识做一个整理和系统的输出而编辑成的,在此郑重地向本文所引用文章的...
    SOMCENT阅读 13,034评论 6 174