面视必备,史上最通俗计算机网络分层详解

一、引言

整个暑假去面试,面试了不少家公司(不管是小厂仍是大厂)问到的深度不一样,网络原理是面试最容易问到的问题,虽然咱们在项目中不多去实践它,可是了解其原理,会让咱们背后网络通讯是若是工做的,既能在面试官面前体现出你的基础是否扎实,也能对之后深刻网络这部分学习有更多的了解。php

不少同窗面试在准备这部分的时候,都会去背,这部分确实很难掌握,我我的总结的最好的学习网络原理的方法就是不用刻意的去记忆而是彻底的结合实际去讲整个原理融会贯通。虽然一开始学习起来很吃力,可是稍微用点心,多看几遍,多问本身为何,把本身当作是开发网络原理的开发者,面试前的准备只要理清逻辑就足够了,而不是去背这部份内容。html

并且这部分相同的知识点面试官有多种提问方式,可是其中不少都是换汤不换药。我记得最多的问的是输入URL,到页面呈现出来,其中经历了什么?这道面试题的背后,涉及到了不少网络原理的知识,咱们这篇文章不会所有分享到,而是先把由来和网络层次划分弄清楚,就完成了这篇文章的目的。前端

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学习交流:服务器

- 即时通信/推送技术开发交流5群:215477170[推荐]

- 移动端IM开发入门文章:《新手入门一篇就够:从零开发移动端IM

二、关于做者

小鹿(前端工程师):

微信公众号:小鹿动画学编程

Github地址:https://github.com/luxiangqiang

我的博客:http://luxiangqiang.com/

三、系列文章

本文是系列文章中的第7篇,本系列大纲以下:

脑残式网络编程入门(一):跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手

脑残式网络编程入门(二):咱们在读写Socket时,究竟在读写什么?

脑残式网络编程入门(三):HTTP协议必知必会的一些知识

脑残式网络编程入门(四):快速理解HTTP/2的服务器推送(Server Push)

脑残式网络编程入门(五):天天都在用的Ping命令,它究竟是什么?

脑残式网络编程入门(六):什么是公网IP和内网IP?NAT转换又是什么鬼?

脑残式网络编程入门(七):面视必备,史上最通俗计算机网络分层详解》(本文)

四、为何要进行网络层次划分?

说到网络层次划分并不陌生,我刚刚接触到网络层次的时候一脸懵逼,这么多层,一层不就好了嘛?层与层之间好多协议,还有各类数据包,第一次我放弃了。

当我重新拾起网络层次的时候,我下定决心从根上理解它。首先弄明白它的原理,那一定要知道它的由来,也就是为何要进行网络层次划分?这个问题问的好。

假如“小鹿”是网络的开发人员,起初认为计算机与计算机之间的通讯只须要一根线就能够完成通讯,对没错,可是世界那么大,那么多计算机,距离又远,不但浪费线,还没出现各类线被你偷偷剪断的状况,毋庸置疑,那计算机之间通讯就不行了。(后边出来了无线网,虽然其中网关、路由之间也须要连线,但不是让每台计算机两两链接,而是一个区域为单位计算机相互链接通讯)

不行,老板说,“小鹿”你给我想法子改,改不出来今晚不能睡觉,“小鹿”仔细想了想,这仍是个技术活,须要进行全面的改进,也发现所谓的计算机之间的连线只能传送0、1信号,另外一台计算并不知道那么多0、1表明什么,并且“小鹿”又发现不一样厂商的生产的计算机既然有连线实现通讯也是很麻烦的,干脆定义一套规则吧,不管“某硕”计算机仍是“某想”计算机,都必须遵照这套规则,其实所说的这套规则就是咱们常常说的“网络协议”。

不是说网络层次的由来吗,怎么讲到网络协议了。我们继续,经过上面的问题,那个计算机之间经过连线传送0、1信号的问题虽然规定了通讯规则,可是除了像0、1这种无心义的信号以外,网络中还存在着其余各类各样的问题,两个计算机之间怎么进行识别?以及怎么才能知道对方的地址?以及不一样计算机应用程序怎么知道是给本身传递的数据,还有不一样的通讯数据格式怎么来规定等等一系列的问题都出来了。

“小鹿”发现,若是各类问题都写成一套协议来规定双方通讯的规则,可是呢?万一其中哪些规则通讯中出现问题,影响到了其余规则,最多见的就是数据包,一个数据包中若是包含各类各样的协议,不就乱套了。

“小鹿”为了可以把它设计的更好,决定采用分层划分的结构,既能规定不一样层的完成的功能,又能实现层与层之间的改动而不相互影响,这就是咱们常常听到网络划分层次的好处。

五、网络分层是如何进行分层的?

既然咱们决定要分层,那么分为几层才好呢?

起初网络分层是标准的七层,也就是咱们所说的 OSI 七层模型。

 

▲ OSI参考模型或七层模型

咱们所知道的还有 TCP/IP 四层模型和 TCP/IP 五层模型。这又是怎么出来的,其实所谓的 TCP/IP 四层模型和 TCP/IP 五层模型是以 OSI 七层优化而来,把某些层进行合并了,其实本质上仍是相同的,可是我我的最喜欢用五层来解释。

 

▲ 五层模型

六、每一层的做用是什么?

这一部分涉及到每一层的不少协议和知识点,可是咱们这一节不具体分享,为何?咱们具体深刻以前必须大脑里有个具体的网络分层结构图,先要知道每层是作什么的,层与层之间的关系,而后下一节再深刻每层中的每一个协议怎么通讯的,这样的好处学起来条理清晰,而不至于当时我学习的时候表面还不懂,就深刻最后懵逼状态。

6.1 物理层

物理层,顾名思义,用物理手段将电脑链接起来,就像咱们上边讲到的计算机之间的物理连线。主要用来传输0、1信号,上边也分析过了,0、1信号毕竟没有任何的现实意义,全部咱们用另外一层用来规定不一样0、1组合的意义是什么。

6.2 数据链路层

下层的物理层既然不能规定不一样0、1组合的信号表明什么意义,那么咱们在数据链路层规定一套协议,专门的给0、1信号进行分组,以及规定不一样的组表明什么意思,从而双方计算机都可以进行识别,这个协议就是“以太网协议”(具体的以太网协议内容下节内容详细讲解)。

可是问题又来了,咱们要发送给对方计算机,怎么标识对方以及怎么知道对方的地址呢?

6.2.1)MAC 地址:

咱们所说的MAC地址到底的做用是啥?说白了它就是做为网络中计算机设备的惟一标识,从计算机在厂商生产出来就被十六进制的数标识为MAC地址。

既然咱们知道了用MAC地址做为标识,那么怎么才能知道咱们要进行通讯的计算机MAC地址呢?

6.2.2)广播:

这里广播详细的在下一节讲,这一节你只须要知道广播能够帮助咱们可以知道对方的 MAC 地址。那么既然知道了MAC地址就能够通讯了?没有想得那么简单,广播中还存在两种状况,一种是,在同一子网络下(同一局域网下)的计算机是经过 ARP 协议获取到对方 MAC地址的。不一样自网络中(不一样局域网)中是交给两个局域网的网关(路由器)去处理的。这里边涉及到不少细节的知识,都会集中到下一节,可是这一节你了解怎么进行标识计算机和怎么获取到MAC地址就能够了。

6.3 网络层

物理层和数据链路层都有本身的事情要作,也就是咱们上边所讲到的这些(里边不少细节不在这节多说)。上边两层在我看来能够完成正常通讯了,那么网络层出来干啥子?

网络层的由来是由于在数据链路层中咱们说说两台计算机之间的通讯是分为同一子网络和不一样子网络之间,那么问题就来了,怎么判断两台计算机是否在同一子网络(局域网)中?这就是网络层要解决的问题。

6.3.1)IP 协议:

咱们一般用到的 IP 地址,就是网络层中的东西,所规定的的协议就是 IP 协议。不少小伙伴问,IP 地址想必也是地址吧,上边都有惟一标识的 MAC 地址了,IP 地址出来是混饭吃的?为了可以让你们更方便的理解 IP 地址和 MAC 地址,咱们能够将 IP 地址抽象成一种逻辑上的地址,也就是说 MAC 地址是物理上的地址,就是定死了。IP 地址呢,是动态分配的,不是固定死的。

咱们就是经过 IP 地址来判断两个计算机设备是否在同一子网络中的,那么你会问它是怎么判断的,以及 IP 地址谁给他分配的?又是如何分配的等一些列问题,咱们不着急,这里只说一下大致的流程,详细会后续写一大篇。

既然咱们经过 IP 地址来判断两个计算机是否处于同一局域网中,那么首先要知道对方的 IP 地址吧?DNS 解析想必你们都知道,能够将域名解析为 IP 地址。好了,咱们知道两台计算机的 IP 地址了,怎么进行判断是否同一局域网中?

6.3.2)子网掩码:

嘿嘿,又是一个只据说过,可是不知道这个什么做用的一个名词,没事,等我聊完,你就明白是作什么的了。

子网掩码就是用来标识同一局域网中的 IP 地址的信息的?什么信息?IP 地址是由 32 个二进制位组成的,也就是四个十进制(如:255.255.255.000)。

子网掩码也是由 32 个二进制位组成的,可是只能用 0 或 1 来表示,如:11111111.11111111.11111111.00000000。

到底什么意思呢?有 1 的部分表示网络部分,有 0 表示主机部分,这和判断两台计算机是否在同一局域网中有什么关系?没错,是有关系的!两台计算机的 IP 地址分别和子网掩码进行一种运算(AND 运算),若是结果相同,两台计算机就在同一局域网中,不然就不在同一局域网中。

AND 是如何进行运算的,IP 的数据包的组成等问题,不在这里多陈述。

6.4 传输层

好了,若是你认为计算机能够进行通讯了,那么“小鹿”恭喜你,你已经基本知道了以上几层划分的做用,可是若是你正在一边打 LOL,一边和朋友在 QQ 聊天,忽然,游戏中队友聊天信息出如今了 QQ 窗口中,咦?出现了什么状况?

实际上是以上层级仍是不够,出现上边的缘由就是,两台计算机虽然能够通讯了,可是天天计算机运行着好多的程序,谁知道大家传输的信息是属于哪些程序的,怨不得 LOL 的聊天信息跑到了 QQ 窗口中。

想必你们猜到了传输层主要用来干啥滴,是的,传输层的主要功能就是为了可以实现“端口到端口”的通讯。计算机上运行的不一样程序都会分配不一样的端口,因此才能使得数据可以正确的传送给不一样的应用程序。

6.4.1)UDP 协议:

加入端口号也须要一套规则,那就是 UDP 协议,可是 UDP协议有个缺点,一旦进行通讯,就不知道对方是否接收到数据了,咱们再定义一套规则,让其能够和对方进行确认,那么 TCP 出现了。

6.4.2)TCP 协议:

咱们一般说 TCP 三次握手和四次挥手,没错,这就是传输层中完成的,TCP 三次握手涉及到的内容贼多,均可以单独写一篇长文,这里很少陈述,知道它是在传输层中完成的以及它的做用是什么,可以认识到它就行了。

6.5 应用层协议

“喂,你发给个人是什么破数据,乱七八糟的,我TM能解析吗?能不能按照个人规定给我传送?“

“好的,下次不敢了”

想必你们已经猜到了应用层的协议,应用层的功能就是规定了应用程序的数据格式。咱们常常用获得的电子邮件、HTTP协议、以及FTP数据的格式,就是在应用层定义的。

七、每一层的的功能细节是什么?

前面章节主要分享了网络分层的基本概念,为何要进行网络分层?又是如何进行分层?每一层的基本功能是什么?并且对于每一层的的功能细节方面,好比数据包的组成以及每层包含的一些协议的使用都没有细说,那么本节将继续分享网络分层每层中协议等深刻讲解。(PS:可能里边有的讲解不正确,还请大佬指出改正)

7.1 物理层

物理层里边涉及到最多的是硬件底层的一些内容,没有须要过多了解的内容,咱们直接看数据链路层。

7.2 数据链路层

上回讲到数据链路层中规定的“以太网协议”来规定电信号的分组形式,什么是以太网,以太网的数据包是什么样子的?

7.2.1)以太网协议:

以太网规定,每组的电信号就是一个数据包,每一个数据包咱们能够成为“帧”。每帧的组成是由标头(Head)和数据(Data)组成。

 

那么你会问,标头里有什么信息?Data 数据又会存放写什么?为何分为两部分?放在一块很差吗?

a)标头:

为何传输数据会有标头,咱们想呀,在传输数据的时候,接收端怎么判断是否是给本身发送的,那么就只取出标头来进行判断。

数据包的标头中一般会存放一些有关数据包的说明、发送者是谁、接受者又是谁等相关识别信息。

标头的长度固定为 18 字节,也就是说,一些标头识别信息的大小不能超过 18 字节。

b)数据:

数据,顾名思义,你要传输给接收端什么数据都会放到数据包中,也就是整个数据包的具体内容,好比文件、字符串之类的。

数据部分的长度最小至少为 46 个字节,最长 1500 字节。咱们可能会想到,若是小于 46 字节没啥问题能够存放开,那么大于 1500 字节怎么处理呢?很简单,咱们就分红两个包处理(分割),两个包存放不下就分割成三个包…

7.2.2)广播:

上回说到,广播的做用就是用来查找接收端的 MAC 地址,从而进行下一步的数据传输。注意,广播只是一种发送数据的形式,而计算机想要知道另外一台计算机的 MAC 地址是经过 ARP 协议解决的,ARP 协议会在讲完 IP 协议后再说,由于它会涉及到 IP 协议的一点内容,如今讲可能会有点乱。

若是你觉的上边稍微有点乱,那怎们稍微屡一下,咱们想要发送数据,首先要知道对方的惟一标识(MAC 地址),要想知道对方的 MAC 地址,须要使用 ARP 协议,假设咱们经过 ARP 协议拿到了接收方的 MAC 地址。

咱们开始发送数据,将发送方的 MAC 地址和接收方的 MAC 地址封装在数据包中,而后发送端向同一子网络中(同一局域网)中的全部计算机发送该数据包,全部的计算机接收到该包以后,就对数据包的头部进行提取,提取出里边封装好的接收端 MAC 地址和本身的 MAC 地址做比对,若是相同,就说明该数据包是给本身发送的,不然,就会丢弃该数据包,这个过程就是广播的过程。

上一篇文章在这个地方留下的一个问题就以上是在同一局域网中,若是不在同一局域网中咱们怎么处理?咱们日常使用无线网都知道每一个无线局域网都会有一个路由器,咱们先经过以上的方法将数据发送到路由器,而后路由器转发数据到其余局域网中的计算机。

7.3 网络层

网络层中最重要的一个协议就是 IP 协议,咱们通常发送端给服务端发送数据同时要知道两个地址才能准确送达到对方,分别为 IP 地址和 MAC 地址。停!stop! 上边讲到的明明知道对方的 MAC 地址就能够传输数据了,为何如今须要两个地址呢?你给我说明白,说不明白取关!

上边确实是一个 MAC 地址就能够通讯,可是前提是经过 ARP 协议得到的 MAC 地址,而 ARP 协议正是利用的接收端的 IP 地址才获取到接收端的 MAC 地址的,因此这两个地址很重要,那么若是实现的,下边会继续讲。

7.3.1)IP 协议:

IP 的数据包是直接放入到以太网数据包的“数据”部分的,这样作有一个好处就是“上层的变更彻底涉及不到下层的结构”。而后数据包就变成这个样子了。

 

IP 数据包也分为标头(Head)和数据(Data)两部分:

  • 1)标头:IP 数据包的标头是 20 ~ 60 字节,主要包括版本、IP 地址等信息;
  • 2)数据:数据的最大长度为 65515 字节。整个 IP 数据包的最大总长度为 65535 字节。主要存放 IP 数据包的具体内容。

问题来了,以太网的数据部分最长为 1500 字节,你把一个长度为 65535 字节的 IP 数据包放到以太网的数据包汇总,不会被撑破吗?你在逗我么?确实是呀,那咱们就分割数据包吧,分割成几个以太网数据包分开发送。

7.3.2)AND 运算:

IP 协议上篇文章中最重要的做用就是判断两个设备是否属于同一子网中(同一局域网中)。

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。

咱们能够经过 DNS 解析知道对方的 IP ,除了判断两个计算机是否在同一局域网中,还有一个做用就是而后经过 ARP 协议获取到对方的 MAC 地址。停!真想让我取关吗?ARP 就 TN 的说了多少遍了,该详细说一下了吧?

7.3.3)ARP 协议:

前提:对方的 IP 地址是已知的,经过 DNS 解析获得。

ARP 协议发出一个数据包,包含在以太网的数据包中(其中包含对方的 IP 地址,对方的 MAC 地址栏是 FF:FF:FF:FF:FF:FF)。子网络中的每台主机都会收到这个包,而后从中取出 IP 地址与自身对比,若是二者相同,都作出回复,向对方报告本身的 MAC 地址,不然就丢弃这个包。

7.4 传输层

传输层主要涉及到两个重要协议,UDP 和 TCP 协议,上篇讲过主要用来肯定端口到端口的通讯,计算机中不一样运行的程序端口号不相同。

"端口"是 0 到 65535 之间的一个整数,正好 16 个二进制位。0 到 1023的端口被系统占用,咱们只能选用大于1023 的端口。

7.4.1)UDP 协议:

UDP 协议也分为标头(Head)和数据(Data)两部分:

  • 1)标头:标头的长度为 8 字节。主要存放了发送和接收端口号;
  • 2)数据:数据部分和标头部分的总长度不超过 65535 字节,正好放进一个IP数据包。

前边也讲过,数据包之间是包含关系的,因此 UDP 的数据包是放到 IP 数据包的“数据”部分的,IP 数据包又放在以太网数据包的“数据”部分的。

 

7.4.2)TCP 协议:

TCP 和 UDP 是相同的,上一篇讲了 UDP 和 TCP 的优缺点,TCP 保证了网络的可靠性,TCP 三次握手和四次挥手就是这部份内容。

TCP 的数据包和 UDP 相同嵌入在 IP 协议的“数据”部分,TCP 并无长度限制,可是为了保证传输效率,确定要进行限制的,TCP 的数据包的长度通常不会超过 IP 数据包的长度了,保证单个的 TCP 数据包再也不进行分割。

7.5 应用层

应用层是最高一层,直接面向用户,它的数据包会放在 TCP 的数据包的“数据”部分,那么整个五层的数据包就会变成一下这样。

 

以上五层中的内容基本讲完了,我是从下到上逐层写的,这篇文章可让你入门网络五层协议的基本内容了。

八、写在最后

若是本文内容看完,仍是有点懵,那怎么办?

能够继续如下两篇文章,它们应该可让你内力倍增:

网络编程懒人入门(一):快速理解网络通讯协议(上篇)

网络编程懒人入门(二):快速理解网络通讯协议(下篇)

另外,关于计算机网络协议的分层和关系,能够看看下面两图:

 

* 上述两张图的清晰原图,请见:《计算机网络通信协议关系图(中文珍藏版)[附件下载]》。

附录:更多网络编程基础资料

TCP/IP详解 - 第11章·UDP:用户数据报协议

TCP/IP详解 - 第17章·TCP:传输控制协议

TCP/IP详解 - 第18章·TCP链接的创建与终止

TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传

技术往事:改变世界的TCP/IP协议(珍贵多图、手机慎点)

通俗易懂-深刻理解TCP协议(上):理论基础

通俗易懂-深刻理解TCP协议(下):RTT、滑动窗口、拥塞处理

理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解

理论联系实际:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程

计算机网络通信协议关系图(中文珍藏版)

UDP中一个包的大小最大能多大?

P2P技术详解(一):NAT详解——详细原理、P2P简介

P2P技术详解(二):P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解

P2P技术详解(三):P2P技术之STUN、TURN、ICE详解

通俗易懂:快速理解P2P技术中的NAT穿透原理

高性能网络编程(一):单台服务器并发TCP链接数到底能够有多少

高性能网络编程(二):上一个10年,著名的C10K并发链接问题

高性能网络编程(三):下一个10年,是时候考虑C10M并发问题了

高性能网络编程(四):从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索

高性能网络编程(五):一文读懂高性能网络编程中的I/O模型

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