网络浅析(<<网络是怎么链接的>> 总结)

• 概要
• 基本概念
  • 网线
  • 集线器
  • 交换机
  • 路由器
    • 路由器和交换机
    • 路由器和集线器
  • 接入网
  • IP
  • DNS
  • 以太网
  • 协议栈
• 网络链接过程
  • 通讯过程(浏览器 -> 服务器)
  • 客户端和服务端
  • 服务端的套接字和套接字描述符

概要

网络是个不少人都知道, 却又是不少人都说不清楚的东西, 对于通常用户来讲, 没什么问题. 但对于一个软件开发人员来讲, 至少要可以大体描述本身的程序中网络部分是如何运做的.

由于, 目前几乎任何程序都和网络有关, 纯粹的单机程序几乎已经绝迹. 若是弄不清楚网络的运做机制, 除了网络相关问题每每一筹莫展, 而网络问题每每是开发过程当中很难遇到的.

下面就以一次 HTTP 请求为例, 尽可能简要的说明网路的方方面面.

基本概念

网络中一些常见的基本概念, 弄清楚以后有助于了解网络的构造.

网线

这是最多见的网络设备, 经过网线(无线网除外), 咱们才将一个个网络设备链接在一块儿, 网线承担的责任就是就是把咱们的数据都经过电信号传输到不一样的地方.

集线器

收到的网络包广播到整个网络.

交换机

收到的包根据 MAC 地址表转发到指定的端口, 交换机的端口有 MAC 模块, 可是没有 MAC 地址 交换机的 MAC 地址表主要包含 2 个信息:

• 设备的 MAC 地址
• 设备链接在交换机的哪一个端口上

交换机的特殊操做:

• 当发现包要发回原端口时, 直接丢弃包
• MAC 地址表找不到指定地址时, 交换机没法判断应该把包发到哪一个端口, 只能将包转发到除了源端口以外的全部端口

二层交换机 所谓的二层交换机, 其实和通常的交换机在功能上没有什么区别, 就是更高级, 性能更好的交换机而已.

路由器

路由器是基于 IP 设计的, 路由器中的每一个端口都有 IP 地址和 MAC 地址 经过路由器转发的包, 其中接收方 MAC 地址就是路由器端口的 MAC 地址.

路由器和交换机

如今的路由器其实包含了交换机的功能, 若是只是纯粹的路由器, 包的传输功能实际上是交给交换机来完成的. 路由器设计成只负责 IP 层是有重要意义的, 这样具体的传输就能够委托给其余各类传输技术.

路由器和集线器

路由器是按照 IP 规则传输包的设备(IP) 集线器是按照以太网规则传输包的设备(MAC) 也就是说, 网络包的传输过程当中, IP 协议头部中的目的 IP 能够不变, 可是 IP 协议头部中 MAC 是不断变化的, 传输过程当中, 中间通过了几回路由器就会变化几回.

接入网

接入网就是指链接互联网与家庭, 公司网络的通讯线路.

互联网与家庭, 公司的网路结构基本同样, 不一样点主要有 2 个:

• 距离不一样, 互联网上的设备之间距离通常都很远
• 路由的维护方式不一样

接入网中的术语:

• ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line. 不对称数字用户线
• FTTH: Fiber To The Home. 光纤到户
• BAS: Broadband Access Server. 宽带接入服务器, 本质是一个功能强大的路由器
• PPP: Point-to-Point. 点对点协议, 它是电话线, ISDN 等通讯线路所使用的一种协议, 集成了用户认证, 配置下发, 数据压缩, 加密等功能
• PPPoE: PPP over Ethernet. 以太网的点对点协议
• IX: Internet eXchange. 互联网交换中心, IX 的核心就是大型的, 高速的交换机

IP

IP 地址由 网络号+主机号 组成

经常使用的 IP 地址有 A, B, C 3 类:

1. 后 24 位是主机号, 就是 A 类 IP 地址
2. 后 16 位是主机号, 就是 B 类 IP 地址
3. 后 8 位是主机号, 就是 C 类 IP 地址

注 主机号全是 0, 表示整个子网, 主机号全是 1, 表示向子网上全部设备发送包, 即 广播

DNS

DNS 查询消息由 3 部分组成:

1. 域名 要访问的域名: 好比 google.com, microsoft.com
2. Class 用来识别网络信息, DNS 设计之初并不仅是针对互联网的, 全部有这个字段. 如今 DNS 只用在互联网, 这个字段一直是 IN
3. 记录类型 A-IP 地址, MX-邮件服务器地址, PTR-IP 反查域名, CNAME-域名相关别名 NS-DNS 服务器 IP

DNS 消息示例: a) 域名: google.com b) Class: IN c) 记录类型: A DNS 会根据这条消息, 返回 goole.com 的 IP 地址

以太网

以太网是一种网络类型, 它有 3 个基本特征:

1. 将包发送到 MAC 头部的接收方 MAC 地址表明的目的地
2. 用发送方 MAC 地址识别发送方
3. 用以太类型识别包的内容

无线局域网也符合以太网的特征, 只是识别包内容不用以太类型, 用的是其余类型

以太网有 全双工 和 半双工 2 种方式:

• 全双工: 发送和接收能够并行的方式
• 半双工: 某一时刻只能进行发送或者接收其中一种操做

协议栈

协议栈主要是 TCP/IP 协议, 其余还有 UDP, ICMP, ARP 等等

• UDP 协议虽然没有 TCP 可靠, 可是效率高, 它的适用场景好比 DNS, 音频, 视频的在线播放等等
• ICMP 用于告知网络包传输过程当中产生的错误以及各类控制消息
• ARP 用于根据 IP 地址查询相应的以太网 MAC 地址

网络链接过程

通讯过程(浏览器 -> 服务器)

1. 建立套接字(建立套接字阶段) 套接字并不存在实体, 是一块用于存放控制信息的内存空间. 这些控制信息包括: 通讯对象的 IP, 端口, 通讯进行状态等等.
2. 将管道链接到服务器端的套接字上(链接阶段) 链接其实是通讯双方交换控制信息, 在套接字中记录这些必要信息并准备数据收发的一连串操做. 链接的头部有 TCP, IP 协议的信息, 这些信息就是为了确保传输可以准确, 高效. TCP 头部有端口号, IP 头部有 IP 地址
3. 收发数据(通讯阶段) 经过 MTU, MSS 控制发送频率 经过 ACK 确认是否正确收到网络包
   • MTU: Maximun Transmission Unit, 最大传输单元
   • MSS: Maximun Segment Size, 最大分段大小
4. 断开管道并删除套接字(断开阶段) 断开链接的操做由客户端或者服务端发起都可.

客户端和服务端

服务器和客户端对于 socket 通讯来讲是没有区别的, 惟一的区别在于调用 socket 库的方式上.

• 客户端 (1). 建立套接字(建立套接字阶段) (2). 用管道链接服务器端的套接字(链接阶段) (3). 收发数据(收发阶段) (4). 断开管道并删除套接字(断开阶段)

• 服务端 (1). 建立套接字(建立套接字阶段) (2-1). 将套接字设置为等待链接状态(等待链接阶段) (2-2). 接受链接(接受链接阶段) (3). 收发数据(收发阶段) (4). 断开管道并删除套接字(断开阶段)

服务端的套接字和套接字描述符

服务端的套接字, 须要 4 种信息来确认:

• 客户端 IP 地址
• 客户端端口号
• 服务端 IP 地址
• 服务端端口号

有了这 4 种信息, 就能够肯定服务端的套接字, 为何还要套接字描述符来指定套接字呢? 由于:

• 等待链接的套接字中没有客户端 IP 地址和端口号
• 使用描述符这一种信息比较简单