• Python学习第78天(tcp/ip五层模型讲解)


      今天被队友拖了后腿,本来能够正常返回深圳,结果被困郑州机场亦,前不可见同学以叙学谊,后不可回深睡懒觉,困于机场谓之难以啊,所以今天开始看书都快12点了,然后就看了一下之前的乱账,暂且理顺。

      关于互联网的通信原理:

      我们将应用层,表示层,会话层并作应用层,从tcp/ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能,搞清楚了每层的主要协议

      就理解了整个互联网通信的原理。

      首先,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,所以我们从最下一层开始切入,比较好理解

      每层都运行特定的协议,越往上越靠近用户,越往下越靠近硬件

    一、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

      

      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

    二、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:

        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

        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head和数据data两部分

      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)

        

      

      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

        

    三、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

           

      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,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

        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。

         知道”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。

      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。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。     

          以太网头    +    ip头    +    ip数据

       ARP协议

        arp协议由来:计算机通信基本靠吼,即广播的方式,所有上层的包到最后都要封装上以太网头,然后通过以太网协议发送,在谈及以太网协议时候,我门了解到

        通信是基于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,就需要通过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

        协议工作方式: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

        1.首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

          

         2.分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络,那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

          

        3.这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输,所有主机接收后拆开包,发现目标ip为自己的,就响应,返回自己的mac

    四、传输层

      传输层的由来:网络层的ip帮我们区分子网,以太网层的mac帮我们找到主机,然后大家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,

      那么我们通过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:建立端口到端口的通信

      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。

      

       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。

       tcp报文

      

     

    五、应用层

      应用层由来:用户使用的都是应用程序,均工作于应用层,互联网是开发的,大家都可以开发自己的应用程序,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协议可以为各种各样的程序传递数据,比如Email、WWW、FTP等等。那么,必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式,这些应用程序协议就构成了”应用层”。

        

      好多理论性的东西,但是有助于理解程序,在网上找了好久看到下面这个图,说清楚了一切的感觉:

        

      会动的,真牛逼!!!

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