一. 网络通信原理
1. 互联网的本质就是一系列的网络协议
有了计算机硬件,操作系统和应用软件,人们就可以使用这台计算机了。但是,此时计算机彼此孤立,无法一同玩耍。
Internet
图1
如何让两台彼此孤立的计算机能够产生通信?其实这就类似两个不同国家的人互相交流一样,你只会汉语,对方只会英语,你们是无法沟通的。如果你学会了英语,那你们就可以高效的沟通了。所以,英语作为全球的通用语言,是世界各地人么互相交流的标准工具。那internet其实就是任意两台计算机进行通信的标准。这些标准称之为互联网协议,互联网的本质就是一系列的协议,总称为“互联网协议”(Internet Protocol Suite)。
互联网协议的功能:定义计算机如何接入internet,以及接入internet的计算机通信的标准。
二. 互联网通信模型
1. OSI(Open System Interconnection)七层协议
图2
2. TCP/IP五层模型(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)
我们把OSI七层协议中的应用层,表示层,会话层合并为应用层,就得到TCP/IP五层模型。这五层模型就涵盖了整个互联网通信的基本原理。
图3
图4
如上图所示,用户感知到的只是最上面一层应用层,自上而下每层都依赖于下一层,越往上越靠近用户,越往下越靠近硬件。
2.1 物理层
物理层由来:上面提到,孤立的计算机之间要想一起玩,就必须接入internet,言外之意就是计算机之间必须完成组网。
图5
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.
2.2 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(ethernet):
早期的时候各个公司都有自己的分组方式,后来形成了统一的标准,即以太网协议。
ethernet规定
一组电信号构成一个数据包,叫做“帧”
每一数据帧分成:报头header和数据data两部分
header | data |
header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
header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:
header中包含的源和目标地址由来:ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡,发送端和接收端的地址便是指网卡的地址,即mac地址。
mac地址:每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址,长度为48位2进制,通常由12位16进制数表示(前六位是厂商编号,后六位是流水线号)。
图6
广播:
有了mac地址,同一网络内的两台主机就可以通信了(一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址)。ethernet采用最原始的方式,广播的方式进行通信,即计算机通信基本靠吼。
图7
2.3 网络层
网络层由来:有了ethernet、mac地址、广播的发送方式,世界上的计算机就可以彼此通信了,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,那么如果所有的通信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,这就不仅仅是效率低的问题了,这会是一种灾难。
图8
所以,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,如果是就采用广播的方式发送,如果不是,就采用路由的方式(向不同广播域/子网分发数据包),mac地址是无法区分的,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同的广播域/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,广泛采用的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地址通常写成四段十进制数,例:172.16.10.1。
IP地址分成两部分,网络部分(标识子网)和主机部分(标识主机)。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无法辨识一个IP所处的子网。例:172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网。
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,它的网络部分全部为1,主机部分全部为0。比如,IP地址172.16.10.1,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。
通过”子网掩码”,我们就能判断,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,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。比如,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?两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,因此它们在同一个子网络。
总结一下,IP协议的作用主要有两个,一个是为每一台计算机分配IP地址,另一个是确定哪些地址在同一个子网络。