一张图看懂通信原理,通信原理基础知识

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-05-03 03:53:26

5、应用层: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"。

一张图看懂通信原理,通信原理基础知识(9)

6、socket:我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程,在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程,但PID只在本地唯一,网络中的两个进程PID冲突几率很大,这时候我们需要另辟它径了,我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机,而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程,这样我们可以利用ip地址+协议+端口号唯一标示网络中的一个进程。

能够唯一标示网络中的进程后,它们就可以利用socket进行通信了,什么是socket呢?我们经常把socket翻译为套接字,socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层,它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

一张图看懂通信原理,通信原理基础知识(10)

socket起源于UNIX,在Unix一切皆文件哲学的思想下,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。

三、网络通信实现

每台主机实现网络通信的基本四要素:

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

(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。

四、例举主机访问网站的网络通信过程

首先打开浏览器,在地址栏输入URL,回车,出现网站内容。这是我们几乎每天都在做的事,那这个过程中到底是什么原理呢?HTTP、TCP、DNS、IP这些耳熟能详的名词都在什么时候起着什么作用呢?在这里整体梳理一遍。

4.1整个过程基本分做下面几个部分:

1、域名解析成IP地址;

2、与目的主机进行TCP连接(三次握手);

3、发送与收取数据;

4、与目的主机断开TCP连接(四次挥手);

4.2下面分别进行详细说明。

4.2.1域名解析成IP地址

首先说什么是域名解析?

我们在浏览器地址栏中输入的都是类似"www.baidu.com"、"www.qq.com"等等容易记忆的英文域名,但这些字母你直接交给整个网络线路去寻找目的主机找得到吗?找不到,因为每个主机在网络中的位置都是以IP标识的,IP才是主机在网络中的位置,域名只是为了方便用户记忆而已,这就要求浏览器能够识别域名并且将其转化为对应的IP地址。

所以浏览器会有一个DNS缓存,其中记录了一些域名与IP的对应关系,供浏览器快速查找需要的IP。但是这个DNS缓存不可能存下所有的域名-IP地址,何况IP地址有时候还会变化,因此当在DNS缓存中没有找到的时候,就要先向DNS服务器请求域名解析,我们常听到的DNS服务器很大的作用就是进行域名解析。

值得一提的是,DNS域名解析时用的是UDP协议。

整个域名解析的过程如下:

1、浏览器向本机DNS模块发出DNS请求,DNS模块生成相关的DNS报文;

2、DNS模块将生成的DNS报文传递给传输层的UDP协议单元;

3、UDP协议单元将该数据封装成UDP数据报,传递给网络层的IP协议单元;

4、IP协议单元将该数据封装成IP数据包,其目的IP地址为DNS服务器的IP地址;

5、封装好的IP数据包将传递给数据链路层的协议单元进行发送;

6、发送时在ARP缓存中查询相关数据,如果没有,就发送ARP广播(包含待查询的IP地址,收到广播的主机检查自己的IP,符合条件的主机将含有自己MAC地址的ARP包发送给ARP广播的主机)请求,等待ARP回应;

7、得到ARP回应后,将IP地址与路由的下一跳MAC地址对应的信息写入ARP缓存表;

8、写入缓存后,以路由下一跳的地址填充目的MAC地址,以数据帧形式转发;

9、转发可能进行多次;

10、DNS请求到达DNS服务器的数据链路层协议单元;

11、DNS服务器的数据链路层协议单元解析数据帧,将内部的IP数据包传递给网络层IP协议单元;

12、DNS服务器的IP协议单元解析IP数据包,将内部的UDP数据报传递给传输层UDP协议单元;

13、DNS服务器的UDP协议单元解析收到的UDP数据报,将内部的DNS报文传递给DNS服务单元;

14、DNS服务单元将域名解析成对应IP地址,产生DNS回应报文;

15、DNS回应报文->UDP->IP->MAC->我的主机;

16、我的主机收到数据帧,将数据帧->IP->UDP->浏览器;

17、将域名解析结果以域名和IP地址对应的形式写入DNS缓存表。

其中提到了一个ARP的概念,类似于DNS将域名翻译成IP,ARP则是将IP翻译成MAC地址,我们知道了IP后,需要通过主机的MAC地址来更具体的找到主机。同样的也有一个ARP缓存,其中存储了一些IP与MAC地址的对应关系,如果缓存中找不到,就会进行广播来查找MAC地址,收到广播的主机会检查自己的IP是否是待查找的IP,是的话就返回自己的MAC地址。

如果做开发,往往还会接触到端口这个概念,那端口是什么呢?这里是指TCP/IP协议中的端口,端口号的范围从0到65535,比如用于浏览网页服务的80端口,用于FTP服务的21端口等等,都有一些固定的端口号,被占用后就不能被别的服务拿来传输数据了。

4.2.2与目的主机进行TCP连接(三次握手)

得到域名对应的IP地址后,也就表示可以将数据送达目的主机了,这时候才开始我们常说的三次握手建立连接。

HTTP的请求时使用TCP进行传输的,可以保证可靠传输,并且有序,而TCP是有连接的传输,也就是在传输数据之前,会建立我的主机与目的主机之间的连接,然后才能传输数据,传输完成后,还有断开连接。这也就是TCP的三次握手和四次挥手,大致过程如下图所示:

一张图看懂通信原理,通信原理基础知识(11)

具体的三次握手建立连接的过程如下表述,其中数据包的传输过程类似上文请求DNS服务器时的过程,就简单的表示一下:

1、向目的主机发送TCP连接请求报文;

2、该TCP报文中SYN标志位设为1,表示连接请求;

3、该TCP报文通过IP(DNS)->MAC(ARP)->网关->目的主机;

4、目的主机收到数据帧,通过IP->TCP,TCP协议单元回应请求应答报文;

5、该报文中SYN和ACK标志设为1,表示连接请求应答;

6、该TCP报文通过IP(DNS)->MAC(ARP)->网关->我的主机;

7、我的主机收到数据帧,通过IP->TCP,TCP协议单元回应请求确认报文;

8、该TCP报文通过IP(DNS)->MAC(ARP)->网关->目的主机;

9、目的主机收到数据帧,通过IP->TCP,连接建立完成。

三次握手的过程就是一去一回一去,互相确认一下,就建立连接啦。这个过程中任何一个报文出错或者超时,都要进行重传。

4.2.3发送与收取数据

如上所说,只有建立连接后才能开始传输数据,数据其实有多种传输方式,比如分段啊分组啊分时啊等等。而一个数据包的传输过程如下所示,以HTTP的GET方法请求为例:

1、浏览器向域名发出GET方法报文;

2、该GET方法报文通过TCP->IP(DNS)->MAC(ARP)->网关->目的主机;

3、目的主机收到数据帧,通过IP->TCP->HTTP,HTTP协议单元会回应HTTP协议格式封装好的HTML形式数据;

4、该HTML数据通过TCP->IP(DNS)->MAC(ARP)->网关->我的主机;

5、我的主机收到数据帧,通过IP->TCP->HTTP->浏览器,浏览器以网页形式显示HTML内容。

其他的HTTP方法在传输数据时方法都类似,只是所携带的内容不同。

4.2.4与目的主机断开TCP连接(四次挥手)

数据传输完成后需要断开连接,与建立时不同,断开连接需要多一次,有四次挥手,至于为什么,看完过程我们再讲。

看图理解过程:

一张图看懂通信原理,通信原理基础知识(12)

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