网络基础之网络协议篇

一、客户端/服务器架构

1.硬件C/S架构(打印机)

2.软件C/S架构

　　互联网中处处是C/S架构

　　如淘宝是服务端，你的浏览器是客户端（B/S架构也是C/S架构的一种）

　　腾讯作为服务端为你提供视频，你得下个腾讯视频客户端才能看它的视频）

3.C/S架构与socket的关系：

　　我们学习socket就是为了完成C/S架构的开发

二、OSI七层协议

操作系统:(Operating System，简称OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。

互联网的本质：一系列的网络协议。

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。

互联网协议按照功能能分为七层：应、表、会、传、网、数、物

(1)每层常见物理设备：

传输层——》四层交换机、四层路由器
网络层——》路由器，三层交换机
数据链路层——》网桥、以太交换机，网卡
物理层——》中继器，集线器，双绞线

(2)物理层

物理层功能：主要基于电器特性发送高低电压信号

(3)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

数据链路层规定了电信号多少位一组，每组的意思。（即定义了电信号的分组方式）

以太网协议（ethernet）规定：

　　。一组电信号构成一个数据报，也叫“帧”

　　。每一数据帧分为报头和数据data两部分，

报头（head）：

　　。源地址，6字节

　　。目标地址，6字节

　　。数据类型，6字节

数据data：

       最短46字节，最长1500字节，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

报头head

数据data

 

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

　　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，Arp协议是广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址。

(4)网络层

世界范围的互联网是由彼此隔离的小的局域网组成的，以太网只能在同一局域网内发送，一个局域网是一个广播域，以太网的广播包只能在一个广播域内发送，跨广播域通信只能通过路由转发。采用路由的方式（向不同的广播域/子网分发数据包），mac是无法区分的，它只与厂商有关。

网络层功能：引入一套新的地址用于区分不同广播域/子网，这就是网络地址。

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。

IP地址分为：

网络部分	标识子网
主机部分	标识主机

 

 

IP数据包分为head和data两部分，无需为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的长度为65515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数据包过长就会被分割成几个数据包分开发送。

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。

　　　　　　　　　　　　IP协议的作用就是：一是为每台计算机分配IP地址，另一个是确定那些地址在同一子网。

子网掩码：

子网掩码就是表示子网特征的一个参数。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。

　　　　　　　　　　　　　　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

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，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。

ARP协议工作方式：每台主机ip都是已知的。

一：首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网。

场景	数据包地址
同一子网	目标主机mac,目标主机ip
不同子网	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(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)

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	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，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

(5)传输层

网络层的ip用来区分子网，以太网的mac用于找主机，而标识一台机器上的某一应用程序就要用端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

端口范围是0-65535 ，0-1023为系统占用的端口

TCP协议是可靠传输，TCP数据包是没有长度限制的，理论上可以是无限长，但是为了网络效率，通常TCP数据包长度不会超过IP数据包长度。

UDP协议是不可靠传输，报头只有8字节，总长不超过65535字节，正好放进ip数据包。

TCP协议：以太网头 IP头 TCP头 数据。

以太网头

ip 头

tcp头

数据

 

tcp报文：

tcp3次握手4次挥手：

UDP协议：以太网头 IP头 UDP头 数据。

以太网头

ip头

udp头

数据

 

(6)应用层

应用层的作用在于规定应用程序的数据格式。

协议有：HTTP FTP TFTP SMTP SNMP DNS TELNET HTTPS POP3 DHCP等。

Socket（套接字）

Socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用以实现进程在网络中通信。

表示一个进程：ip地址＋协议＋端口

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"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

网络通信实现

想实现网络通信，每台主机需具备四要素

• 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

通过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，对于这两者，本机都不知道。于是，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，就可以发出了。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。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，所以每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服务器知道”这个包是发给我的”，而其他计算机就可以丢弃这个包。

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类似的，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，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数

网络通信流程

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)

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"代表中国，"UK"代表英国。地理顶级域名一般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.
一般来说，二级域名是域名的一条记录，比如alidiedie.com是一个域名，www.alidiedie.com是其中比较常用的记录，一般默认是用这个，但是类似*.alidiedie.com的域名全部称作是alidiedie.com的二级

套接字有两种，分为基于文件型和基于网络型。

服务器端：先初始化socket，然后与端口绑定（bind），对端口进行监听（listen），调用accept阻塞，等待客户机连接。这时如果客户端初始化一个socket，然后连接服务器（connect），如果连接成功，这时客户端与服务器之间的连接就建立了。客户端发送数据，服务端接受并处理请求，然后把回应数据发送到客户端，客户端读取数据，关闭连接，一次交互结束。