网络通讯原理

本节导读：

• CS架构
• CS信息传输流程
• 网络模型
• tcp/ip五层模型详解
• socket介绍
• 网络通讯流程
• 网络通讯实现

注：本文主要来源于http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html 

 

一 CS架构
C指的是client（客户端软件），S指的是Server（服务端软件），咱们用socket 就是为了C/S架构软件的开发，实现服务端软件与客户端软件基于网络通讯。

 

二 CS信息传输流程

一、客户端软件产生数据，存放于客户端软件的内存中，而后调用接口将本身内存中的数据发送／拷贝给操做系统内存

二、客户端操做系统收到数据后，按照客户端软件指定的规则（即协议）、调用网卡发送数据

三、网络传输数据

四、服务端软件调用系统接口，想要将数据从操做系统内存拷贝到本身的内存中

五、服务端操做系统收到4的指令后，使用与客户端相同的规则（即协议）从网卡接收到数据，而后拷贝给服务端软件

三 网络模型
计算机与计算机之间要有统一的链接标准才可以进行通讯，这个标准称之为互联网协议，而网络就是物理连接介质+互联网协议。 

按照功能不一样，人们将互联网协议分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

每层运行的常见设备

 

四 tcp/ip五层模型详解

物理层

物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

数据链路层

数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思

数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

以太网协议：

数据链路层使用以太网协议进行数据传输，基于mac地址的广播方式实现数据传输，只能在局域网内广播

早期的时候各个公司都有本身的分组方式，后来造成了统一的标准，即以太网协议ethernet

ethernet规定

• 一组电信号构成一个数据包，叫作‘帧’
• 每一数据帧分红：报头head和数据data两部分

head

data

 

head包含：(固定18个字节)

• 发送者／源地址，6个字节
• 接收者／目标地址，6个字节
• 数据类型，6个字节

data包含：(最短46字节，最长1500字节)

• 数据包的具体内容

head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

mac地址：

head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具有网卡，发送端和接收端的地址即是指网卡的地址，即mac地址

mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界惟一的mac地址，长度为48位2进制，一般由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

广播：

有了mac地址，同一网络内的两台主机就能够通讯了（一台主机经过arp协议获取另一台主机的mac地址）

ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通讯，即计算机通讯基本靠吼

网络层

 

网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就能够彼此通讯了，问题是世界范围的互联网是由

一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么若是全部的通讯都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，

这就不只仅是效率低的问题了，这会是一种灾难

上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，若是是就采用广播的方式发送，若是不是，

就采用路由的方式（向不一样广播域／子网分发数据包），mac地址是没法区分的，它只跟厂商有关

网络层功能：引入一套新的地址用来区分不一样的广播域／子网，这套地址即网络地址

IP协议：

• 规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，普遍采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示
• 范围0.0.0.0-255.255.255.255
• 一个ip地址一般写成四段十进制数，例：172.16.10.1

ip地址分红两部分

• 网络部分：标识子网
• 主机部分：标识主机

注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都没法辨识一个ip所处的子网

例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能肯定两者处于同一子网

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，它的网络部分所有为1，主机部分所有为0。好比，IP地址172.16.10.1，若是已知网络部分是前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”子网掩码”，咱们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。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，不然为0），而后比较结果是否相同，若是是的话，就代表它们在同一个子网络中，不然就不是。

 

好比，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？二者与子网掩码分别进行AND运算，

172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND运算得网络地址结果：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运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

结果都是172.16.10.0，所以它们在同一个子网络。

总结一下，IP协议的做用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另外一个是肯定哪些地址在同一个子网络。

ip数据包

ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分

 

head：长度为20到60字节

data：最长为65,515字节。

而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。所以，若是IP数据包超过了1500字节，它就须要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

 

以太网头

ip 头

ip数据

 

 

 ARP协议

arp协议由来：计算机通讯基本靠吼，即广播的方式，全部上层的包到最后都要封装上以太网头，而后经过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到

通讯是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就须要经过arp协议

arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

 

协议工做方式：每台主机ip都是已知的

例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

一：首先经过ip地址和子网掩码区分出本身所处的子网

场景	数据包地址
同一子网	目标主机mac，目标主机ip
不一样子网	网关mac，目标主机ip

 

 

 

二：分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(若是不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,经过arp获取的是网关的mac)

	源mac	目标mac	源ip	目标ip	数据部分
发送端主机	发送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	数据

 

 

三：这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，全部主机接收后拆开包，发现目标ip为本身的，就响应，返回本身的mac

传输层

传输层的由来：网络层的ip帮咱们区分子网，以太网层的mac帮咱们找到主机，而后你们使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，

那么咱们经过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

传输层功能：创建端口到端口的通讯

补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

tcp协议：

可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上能够无限长，可是为了保证网络的效率，一般TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包没必要再分割。

以太网头

ip 头

tcp头

数据

 

udp协议：

不可靠传输，”报头”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。

以太网头

ip头

udp头

数据

 

tcp报文

tcp三次握手和四次挥手

 

应用层

应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工做于应用层，互联网是开发的，你们均可以开发本身的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式 

应用层功能：规定应用程序的数据格式。

例：TCP协议能够为各类各样的程序传递数据，好比Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不一样协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

 

 

五 socket介绍

咱们知道两个进程若是须要进行通信最基本的一个前提能可以惟一的标示一个进程，在本地进程通信中咱们可使用PID来惟一标示一个进程，但PID只在本地惟一，网络中的两个进程PID冲突概率很大，这时候咱们须要另辟它径了，咱们知道IP层的ip地址能够惟一标示主机，而TCP层协议和端口号能够惟一标示主机的一个进程，这样咱们能够利用ip地址＋协议＋端口号惟一标示网络中的一个进程。

可以惟一标示网络中的进程后，它们就能够利用socket进行通讯了，什么是socket呢？咱们常常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操做抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通讯。

socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在创建链接打开后，能够向本身文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通信结束时关闭文件。

六 网络通讯实现

想实现网络通讯，每台主机需具有四要素

• 本机的IP地址
• 子网掩码
• 网关的IP地址
• DNS的IP地址

获取这四要素分两种方式

1.静态获取

即手动配置

2.动态获取

经过dhcp获取

以太网头

ip头

udp头

dhcp数据包

 

（1）最前面的”以太网标头”，设置发出方（本机）的MAC地址和接收方（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

 

（2）后面的”IP标头”，设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这二者，本机都不知道。因而，发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255。

 

（3）最后的”UDP标头”，设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口。

 

这个数据包构造完成后，就能够发出了。以太网是广播发送，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。由于接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，因此每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能肯定是否是发给本身的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，因而DHCP服务器知道”这个包是发给个人”，而其余计算机就能够丢弃这个包。

 

接下来，DHCP服务器读出这个包的数据内容，分配好IP地址，发送回去一个”DHCP响应”数据包。这个响应包的结构也是相似的，以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址，IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址（发出方）和255.255.255.255（接收方），UDP标头的端口是67（发出方）和68（接收方），分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。

 

新加入的计算机收到这个响应包，因而就知道了本身的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数

 

七 网络通讯流程

1.本机获取

• 本机的IP地址：192.168.1.100
• 子网掩码：255.255.255.0
• 网关的IP地址：192.168.1.1
• DNS的IP地址：8.8.8.8

2.打开浏览器，想要访问Google，在地址栏输入了网址：www.google.com。

3.dns协议(基于udp协议)

 

13台根dns：

A.root-servers.net198.41.0.4美国
B.root-servers.net192.228.79.201美国（另支持IPv6）
C.root-servers.net192.33.4.12法国
D.root-servers.net128.8.10.90美国
E.root-servers.net192.203.230.10美国
F.root-servers.net192.5.5.241美国（另支持IPv6）
G.root-servers.net192.112.36.4美国
H.root-servers.net128.63.2.53美国（另支持IPv6）
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美国
K.root-servers.net193.0.14.129英国（另支持IPv6）
L.root-servers.net198.32.64.12美国
M.root-servers.net202.12.27.33日本（另支持IPv6）

 

域名定义：http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

顶级域名：以.com,.net,.org,.cn等等属于国际顶级域名，根据目前的国际互联网域名体系，国际顶级域名分为两类：类别顶级域名(gTLD)和地理顶级域名(ccTLD)两种。类别顶级域名是　　　　　　　　            以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等结尾的域名，均由国外公司负责管理。地理顶级域名是以国家或地区代码为结尾的域名，如"CN"表明中国，"UK"表明英国。地理顶级域名通常由各个国家或地区负责管理。

二级域名：二级域名是以顶级域名为基础的地理域名，比喻中国的二级域有，.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn等.子域名是其父域名的子域名，比喻父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者*.abc.com.
通常来讲，二级域名是域名的一条记录，好比alidiedie.com是一个域名，www.alidiedie.com是其中比较经常使用的记录，通常默认是用这个，可是相似*.alidiedie.com的域名所有称做是alidiedie.com的二级

 

 

4.HTTP部分的内容，相似于下面这样：

 

GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: … …

 

咱们假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。

 

5 TCP协议

 

TCP数据包须要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。

TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度变为4980字节。

 

6 IP协议

 

而后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包须要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。

IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。

 

7 以太网协议

 

最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包须要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡MAC地址，接收方为网关192.168.1.1的MAC地址（经过ARP协议获得）。

以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而如今的IP数据包长度为5000字节。所以，IP数据包必须分割成四个包。由于每一个包都有本身的IP标头（20字节），因此四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

 

 

8 服务器端响应

 

通过多个网关的转发，Google的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。

根据IP标头的序号，Google将四个包拼起来，取出完整的TCP数据包，而后读出里面的”HTTP请求”，接着作出”HTTP响应”，再用TCP协议发回来。

本机收到HTTP响应之后，就能够将网页显示出来，完成一次网络通讯。