互联网协议——学习笔记

前言
  1. 很长一段时间没有写文章了,不单单是包括生活的忙碌,更多的是从生活中理解一些事物的根本所在,这或许是我最近这段时间所经历的一些过程的概述,说到今天为什么要来写一个关于互联网协议的文章,一方面是和最近在研究的WebSocket协议有关,和我们常用的HTML协议一样,底层的网络连接方式都是基于TCP/IP

  1. 另外这篇文章的内容基本上是摘自下面两篇参考文章中的内容,建议有阅读本文章的人最好去看原文,更加方便自己的理解,这些都是我自己的一种理解方式加上一下修饰的过程记录,并在这个过程中,将我之前的很多的懵懂的知识点迎刃而解,其实对于整体的参考文章主要是来源于:

1、互联网协议入门(一)-阮一峰
2、互联网协议入门(二)-阮一峰

  1. 主要参考了这两篇文章,同时结合了关于HTTP的协议来进行理解,两者虽然是上层依赖于下层的关系,但是不难看出结合起来会有更好的理解方式。

分层模型理解

在我们的生活无时无刻的不在使用着互联网的产品,不管是我们在浏览网页还是看视屏还是打游戏,只要是我们的操作或者使用产生了互联网的操作都与这有关,与其说我们在使用互联网,不如说我们在相互传递着“信息”,把“信息”这个词放在互联网上来说就是“数据”,信息的传递也就是数据的传递。和我们参考的文献一样,那么一个信息要从一个设备或者电脑传递到另一个设备上的 时候,我们到底发生了什么,于是有一种分层的理解方式(如下:),就像我们在家做一顿放一样,我们需要先准备食材、再将其洗赶紧、蒸上米、找到相应的工具切菜,然后采用一系列的蒸、炒、焖等技术做好我们的菜,这一系列的过程和步骤我们将其归纳并引用到互联网通信的协议中来说,也是如此,与其不同的的是互联网协议必须要按照指定的步骤才可以正常通信,才能接受到正常的信息

在这里其实还是经典的分为了五层,最底下的实体层是最接近硬件的一层,自下而上,最上面的应用层是最接近用户的一层。每一个层都完成了一种功能,并在层与层之间建立了一种特殊的规则。我们把这种规则叫做协议,下面我们就分别对每一层的功能进行说明。

[实体层]

实体层是最底下的一层,

电脑要组网,第一件事要干什么?当然是先把电脑连起来,可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。
这就叫做”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气特性,作用是负责传送0和1的电信号。
——(摘自《互联网协议入门(一)-阮一峰》)

[连接层]

当两个电脑通过一定的方式在物理上连接了之后,单纯的传输一些数据没有一中解析方式没有意义,就好比很早以前的电报,当我们收到遗传密码的时候,我们需要对照一种密码本将其解析出来才是真正的内容。

必须规定解读方式:多少个电信号算一组?每个信号位有何意义?
这就是”链接层”的功能,它在”实体层”的上方,确定了0和1的分组方式。

以太网协议

早期的时候,每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地,一种叫做”以太网”(Ethernet)的协议,占据了主导地位。以太网规定,一组电信号构成一个数据包,叫做”帧”(Frame)。每一帧分成两个部分:标头(Head)和数据(Data)。

就像我们想在的JSON数组一样有一个key对应一个value

其中Head中包含了一些发送者和接受者的信息,比如发送者、接受者、数据类型等等;其中对应的数据就是data中的内容了,就像打电话一样,我们自己的电话号是多少,我们要打给谁?用什么语言讲话?

“标头”的长度,固定为18字节。”数据”的长度,最短为46字节,最长为1500字节。因此,整个”帧”最短为64字节,最长为1518字节。如果数据很长,就必须分割成多个帧进行发送。

那么我们这些发送者的信息和接受者的信息到底是什么,又是如何分发出去的,这里就要用到MAC地址,对计算机有所了解的人都知道,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。这也是以太网的规定。

每块网卡出厂的时候,都有一个全世界独一无二的MAC地址,长度是48个二进制位,通常用12个十六进制数表示。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。

这时候我们知道了发送者的信息,我们吧MAC地址相当于省份凭证,那么如何获取带接受者的信息呢?

回答是有一种ARP协议,可以解决这个问题。这个留到后面介绍,这里只需要知道,以太网数据包必须知道接收方的MAC地址,然后才能发

当这些信息都有了的时候,我们如何将信息发送给我们需要的那台电脑呢,采用的依然是一种分发的机制,就是把信息发送给本网络内的所有人,这里要注意的是本网络内,这样本网络的所有人都能接收到这个信息,从而来判断是不是发给自己的,其方式也是通过对比自己的MAC地址来确定的,如果是就作进一步的处理,不是则丢弃这些信息,这种方式我们叫做”广播“。

如上图:1号电脑将数据发往3号电脑的时候,他会将信息进行广播,是的本网络内的所有人都能收到这个广播,但是别的电脑都会通过自己的MAC地址进行信息过滤,当三号电脑收到广播的时候才能进行处理。
以上这些便是连接层处理的信息。

[网络层]

理论上来说,以太网是可以通过MAC地址给本网络内的人发送信息,但是当使用的人口越来越多的时候,我们在采用广播的形式来发送数据已经非常的低效,于此,互联网诞生了无数的子网络,并将那些MAC地址属于同一个子网络(采用广播发送),那些不是同一个子网络(采用路由的形式发送)进行区分。

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”。
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。
网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络,MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此,从逻辑上可以推断,必定是先处理网络地址,然后再处理MAC地址。

上面所说的网络地址所遵循一种IP协议,所以我们也称作他叫IP,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。

通常情况下我们用四段十进制的数来表示IP地址,如192.168.23.55,但是范围是0.0.0.0255.255.255.255。且每台电脑上都有一个属于自己的IP地址,但是这个IP地址会代表两段的信息,前一部分代表网络信息,后面一段代表主机,那么丛生么地方来区分这两段是从哪里分割的,这时候就有一个新的东西出现叫做子网掩码

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172.16.254.1,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。

知道了子网掩码我们就可以判断两个IP是否在同一个子网络中:

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。

IP 协议主要用来给每台电脑或者设备分配一个IP地址,另外是确定那些地址是在同一个子网络。

IP数据包

那么通过IP协议发送数据的时候就需要包含IP的信息,这时候在之前的MAC地址所发的数据包中并没有IP的这些信息,IP数据包也分为headdata两部分,所以此时采用的是将之前的MAC数据包封装成IP协议包的Data,如下所示:

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。

ARP协议

关于”网络层”,还有最后一点需要说明。
因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的,所以我们必须同时知道两个地址,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(后文会解释),但是我们不知道它的MAC地址。
所以,我们需要一种机制,能够从IP地址得到MAC地址。
这里又可以分成两种情况。第一种情况,如果两台主机不在同一个子网络,那么事实上没有办法得到对方的MAC地址,只能把数据包传送到两个子网络连接处的”网关”(gateway),让网关去处理。
第二种情况,如果两台主机在同一个子网络,那么我们可以用ARP协议,得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包(包含在以太网数据包中),其中包含它所要查询主机的IP地址,在对方的MAC地址这一栏,填的是FF : FF : FF : FF : FF : FF ,表示这是一个”广播”地址。它所在子网络的每一台主机,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。

[传输层]

当我们有了IP地址和MAC地址之后,我们基本上可以在任意两台设备之间建立通信,那么回到计算机本身,同一台电脑可能同时使用多个网络通信,比如我们边看网页边聊天,这里所存在的完全是不同的两个通信 ,分别有不同的进程或者线程来控制,这时候我们就需要另一个参数“端口”,他是每个网卡的程序编号,端口号是0-65535之间的整数,正好16个二进制位,0-1023的端口会被系统占用,用户可以选择不同的端口号来与另外的设备进行通信。

“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。

UDP协议

当需要用到端口号的时候我们有需要像之前一样的在IP协议上加一层端口号的数据包,同样的headdata组成方式,其标头部分主要定义了发出的端口号和接收的端口号,所以整理下来就如下图所示:

UDP数据包非常简单,”标头”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。

TCP协议

以上内容就是一个完成的TCP发送过程,但是这有一个明显的缺点就是,一旦发送出去了之后,并不知道对方有没有收到,

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。

[应用层]

当应用层收到传输层发来的数据时,就需要进行解析,我们只是基于了TCP协议进行数据的传递,比如HTTP和EMAIL就是完全不同的两种数据格式,但是底层的传输依然是TCP协议,我们把这些解析协议的一些方式统称为应用层,但是他最终的数据还是放在了TCP的数据包中。

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