网络编程----网络协议篇(osi七层协议)

网络协议篇(osi七层协议)

一, 互联网的本质

两台计算机之间的通信:
- 首先要通过各种物理连接介质连接
- 确定对方计算机(准确到软件)的位置
- 通过统一的标准(协议)进行数据的收发
互联网协议: Internet Protocol Suite
- 就像英语成为世界上所有人通信的统一标准,如果把计算机看成分布于世界各地的人,那么连接两台计算机之间的internet实际上就是一系列统一的标准,这些标准被称为互联网协议,互联网的本质就是一系列的协议
- 功能: 定义计算机如何接入internet,以及接入internet的计算机通信的i标准
C/S架构 B/S架构
- C: Client端,客户端
- B: Browser,浏览器
- S: Server,服务端
- C/S是客户端与服务器之间的架构: QQ,微信,游戏,只要有App的都属于C/S架构
  - 优点: 安全性高,个性化设置,功能全面,响应速度快
  - 缺点: 开发成本高,维护成本高(基于App),面向的客户固定
- B/S是属于C/S架构的,最近几年比较流行的特殊的C/S架构.浏览器与服务器之间的架构
  - 优点: 开发维护成本低,面向的用户广泛
  - 缺点: 安全性相对低,响应速度相对慢,个性化的设置单一

二, osi七层协议 Open System Interconnection

OSI是一个开放性的通信系统互连参考模型，它是一个定义得非常好的协议规范。OSI模型有7层结构，每层都可以有几个子层。 OSI的7层从上到下分别是 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层；其中高层（即7、6、5、4层）定义了应用程序的功能，下面3层（即3、2、1层）主要面向通过网络的端到端，点到点的数据流

互联网协议按照功能不同分为osi七层或者tcp/ip五层或tcp/ip四层
tcp/ip五层协议

应用层,表示层,会话层可以并作应用层,从tcp/ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能
物理层: 光纤,双绞线,无限电波

一系列的物理连接介质,网线,光纤,发送的数据就是01010101比特数据流,这些数据连续不断的收发,拿到这些数据没有用,你不知道数据代表的意义,数据要进行分组(按照一定规则),数据分组这件事物理层做不了
数据链路层: 以太网协议,ARP协议
- 数据链路层的由来: 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):
  - 一组电信号构成一个数据报,叫做'帧'
  - 每一数据帧分成: 报头head和数据data两部分
  - 报头head包含: 固定18个字节
    
    源地址(6个字节)---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
  - 为什么报头要固定
    
    固定就是一个统一标准,为了提取源地址以及目标地址
- 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,知道通信是基于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协议的功能: 广播的方式发送数据包,获取目标主机的mac地址
  - 协议的工作方式: 每台主机的ip都是已知的
  - 例如: 主机172.16.10.10/255.255.255.0访问172.16.10.11/255.255.255.0
  - 第一步: 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
  - 第二步: 分析172.16.10.10/255.255.255.0与172.16.10.11/255.255.255.0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
    
    发送端主机发送端mac FF:FF:FF:FF:FF:FF 172.16.10.10/255.255.255.0 172.16.10.11/255.255.255.0
  - 第三步: 这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输,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
- mac地址:
  
  每块网卡出厂时烧制的唯一的地址,长度为48位2进制,通常由12位16进制表示(前六位是厂商编号,后六位是流水线号)
  
  例如: 3E-A0-67-68-B8-8D
- 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)
  - 效率太低了,每台计算机都需要接收广播的消息,查看是否是给自己的数据.
  - 所以广播是有范围的,在同一个子网,局域网内是通过广播的方式发消息
- 交换机的自主学习功能:
  - 广播: 都发送(吼)
  - 单播: 单线直接联系
  - 交换机(网口与mac地址)对照表:
    
    网口1 3E-A0-67-68-B8-8D
    
    网口2 3E-A0-67-68-B8-86
    
    网口3 FF-FF-FF-FF-FF-FF
    
    网口4 FF-FF-FF-FF-FF-FF
    
    网口5 FF-FF-FF-FF-FF-FF
  - 网口1发出一条信息: ((源地址)网口1:mac地址 (目标地址)mac地址2 具体数据)
  - 第一次以广播的形式发出去
  - 2,3,4，5口都会接收到此消息,查看目标mac地址是否是自己的
  - 2口确定是自己的,交换机(网口与mac地址)对照表就会记录2号口的mac地址
  - 每个网口都广播发送消息一遍之后,对照表就构建好了,下次在任意的网口在发消息,就直接以单播的形式发送
  - 目的: 避免局域网内每一次都以广播的形式通信,以后可以单播,提升效率
网络层: IP协议,确认对方的局域网的位置
- 网络层由来:有了ethernet(以太网协议),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,这会是一种灾难
- 必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一个局域网,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:引入一套新的地址来区分不同的广播域/子网,这套地址即网络地址(ip)
- 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,例如: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
  - 例如: 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:
  - 表示子网络特征的一个参数,形式上和IP地址一样
  - 分为A,B,C三类,我们一般是C类,即255.255.255.0
  - 一般情况下: C类子网掩码可以分配的ip数量: 254个(1-254)
  - 用子网掩码和ip地址就可以判断两个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========>10101100.00010000.00001010.00000001
255255.255.255.0===>11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果:10101100.00010000.00001010.00000001=>172.16.10.0

172.16.10.2========>10101100.00010000.00001010.00000010
255255.255.255.0===>11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果:10101100.00010000.00001010.00000001=>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: IP协议的作用主要由两个,一个是为每台计算机分配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: 最长为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数据包超过了1500自己,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
    
    源mac,目标mac 源ip,目标ip 数据
- 路由协议:
  - 路由协议通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议.路由信息在相邻路由器之间传递,确保所有路由器知道到其它路由器的路径.总之,路由协议创建了路由表,描述了网络拓扑结构;路由协议与路由器协同工作,执行路由选择和数据包转发功能.
  - 目的,让不同子网内的计算机可以互相通信(通过网关和路由协议)
  - 网关: 网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址,比如有网络A和网络B,网络A的IP地址范围为“192.168.1.1~192. 168.1.254”,子网掩码为255.0.0.0;网络B的IP地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”,子网掩码为255.255.0.0。在没有路由器的情况下,两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的,即使是两个网络连接在同一台交换机,TCP/IP协议也会根据子网掩码(255.255.255.0)判定两个网络中的主机处在不同的网络里.而要实现这两个网络之间的通信,则必须通过网关.如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中,就把数据包转发给它自己的网关,再由网关转发给网络B的网关,网络B的网关再转发给网络B的某个主机
传输层: 端口协议: TCP/UDP协议
- 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,然后我们使用的都是应用程序,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
- 传输层的功能: 建立端口到端口的通信
- 端口范围: 0-65535,0-1023为系统占用端口,1024~8000:一般是由软件占用
- TCP协议: (流式协议,好人协议)
  - 三次握手:
    1.三次握手由客户端发起,第一次由客户端向服务端发送syn=1(请求)seq=x(随机序列)建立连接的请求
    2.第二次,服务端收到了客户端的请求,证明了客户端的发送能力和服务端的接受能力正常,那么服务端回复给客户端ack=x+1,并且同时发送syn=1,seq=y的请求,此时客户端到服务端的连接已建立,称为半连接
    3.第三次,客户端收到服务端的回复与请求,证明服务端的发送能力和客户端接受能力正常,服务端向客户端发送ack=y+1,seq=x+1的同意建立连接的响应,此时服务端到客户端的连接建立,需要注意的是,第三次握手是可以携带数据的,因为此时双方的接受与发送能力都已验证
  - 四次挥手: 客户端与服务端都可以发起,这里以客户端举例
    1.客户端向服务端发送FIN=1,seq=u的断开连接请求
    2.服务端收到客户端的请求,回复ack=u+1,sql=v
    3.服务端向客户端发送FIN=1,sql=w+1的断开连接的请求
    4.客户端收到服务端的请求,并回复ack=w+1,seq=u+1
  - 四次挥手为什么不能合并成三次?:
    - 两个链接是相互独立的,用户向服务器的链接断开时,可能服务器到用户的链接还在传数据
  - 优点: 稳定,安全
  - 缺点: 效率相对低
  - 使用TCP协议的应用: Web浏览器,文件传输程序
  - 以太网头----ip头----tcp头----数据
- UDP协议:
  - 优点: 效率高,传输快
  - 缺点: 不安全,不是面向连接的,不可靠
  - 使用UDP的应用: 域名系统(DNS),视频流,IP语音,微信QQ
  - 以太网头----ip头----udp头----数据
应用层:
- 软件将数据按照自己定义的协议进行封装,http,FTP等协议
- 应用层由来: 用户使用的都是应用程序,均工作于应用层,互联网是开放的,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”.