004、计算机网络01-基础篇

基础篇

一、TCP/IP网络模型

不同设备之间进程的通信，需要网络协议。网络协议是分层的。

前置知识

	含义
TCP	传输控制协议（transmission control protocol），基于字节流的传输层通信协议
IP	网际互联协议（Internet protocol），网络层协议
UDP	用户数据报协议（user datagram protocol），无连接的传输协议
message	报文，网络中交换与数据的数据单元
MAC	局域网地址（media access control address），用来确认网络设备位置的地址

1、应用层

application layer

应用软件为用户提供功能，将数据传递到下层的传输层，不关心数据如何传输。

2、传输层

transport layer

传输层有两个传输协议，TCP和UDP。

• TCP：保证数据能够可靠传输给对方。当数据量很大，会将一个数据包分为TCP段，当一个TCP段丢失了，只需要再次发送这一个TCP段。

• UDP：速度快，不可靠。

3、网络层

（1）概念

Internet layer

实际上的传输数据功能为网络层，网络层最常使用IP协议。

IP协议将传输层的报文作为数据部分，加上IP协议，组成IP报文 。IP报文太大，再次进行分片，得到一个即将发送到网络的IP报文。

（2）寻址

寻址过程中，先找到匹配的网络号，再去找到该网络号下对应的主机。

用IP地址给设备进行编号，IPv4协议，IP地址共32位，分为四段，每段8位。

IP地址分为：

• 网络号，负责标识该IP地址属于哪个子网。

• 主机号，同一子网下的不同主机。

（3）路由

两台设备是通过网关、路由器、交换机等众多设备连接起来的，数据包到达一个网络节点，就需要路由算法决定下一个走哪个路径。

路由器寻址就是找到目标地址的子网，将数据包发送给对应的网络。

IP协议的寻址作用是告诉我们下一步该去哪儿，路由则是根据下一步的目的地选择路径。

4、连接层

link layer

在IP头部加上MAC头部，封装成数据帧（data frame）发送到网络上。

因为数据传输是在以太网上进行的，以太网判断网络包的目的地和IP方式不同，需要加入MAC头部被以太网进行解析到目标设备地址。

总结：

• 网络接口层的传输单位是帧（frame）

• IP 层的传输单位是包（packet）

• TCP 层的传输单位是段（segment）

• HTTP 的传输单位则是消息或报文（message）

但这些名词并没有什么本质的区分，可以统称为数据包。

二、网址到网页的实现过程

当在浏览器地址中输入网址后，到网页显示，期间发生了什么？

前置知识

	含义
HTTP	超文本传输协议（hyper text transfer protocol），一个简单的请求-响应协议。
URL	统一资源定位系统（uniform resource locator），因特网的万维网服务程序上用于指定信息位置的表示方法。
DNS	域名系统（domain name system），将域名和IP地址相互映射。

1、HTTP

浏览器解析URL，URL实际上是请求服务器的文件资源，没有路径名就是访问根目录下事先设置的默认文件。

对URL进行解析后，确定了web服务器和文件名，根据这些信息生成HTTP请求。

2、DNS

在发送HTTP请求前需要查询服务器域名对应的IP地址，通过DNS查询。

（1）基本介绍

www.server.com

在域名中，句点来分割，越靠右位置，层级越高。

• 根 DNS 服务器（.）

• 顶级域 DNS 服务器（.com）

• 权威 DNS 服务器（server.com）

客户端只需要找到任何一台DNS服务器，就可以找到根域DNS服务器，最终找到目标服务器。

（2）域名解析流程

3、协议栈

浏览器生成http请求后，调用socket库，委托操作系统中的协议栈工作。

协议栈包括两个部分：

• 收发数据的TCP/UDP协议

• 负责控制网络包收发操作的IP协议

4、TCP

HTTP协议是建立在TCP协议之上

三次握手：

在HTTP传输数据之前，需要TCP建立连接，通常称为三次握手建立连接。

• 客户端主动发起连接

• 服务端收到连接，返回客户端消息

• 客户端收到服务端发送过来的消息后，给服务端发送数据，客户端就建立连接了

• 服务端收到消息后，也建立了连接

三次握手，是保证双方都有发送和接收消息的能力。

5、IP

TCP模块在执行连接、收发、断开等各阶段操作时，都需要委托IP模块将数据包封装成网络包发送给通信对象。

6、MAC

生成IP头部之后，网络包还需要在IP头部的前面加上MAC头部，进行两点传输。

7、网卡

网络包只是一串二进制数字信息，需要通过网卡将数字信息转换成电信号在网线上运输，真正的发送给对方。

8、交换机

数据包准备离开子网，通过交换机到达路由器。

交换机是基于以太网设计的，俗称二层网络设备，交换机的端口不具有 MAC 地址。

9、路由器

路由器是基于 IP 设计的，俗称三层网络设备，路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址。

在网络包传输的过程中，源 IP 和目标 IP 始终是不会变的，一直变化的是 MAC 地址，因为需要 MAC 地址在以太网内进行两个设备之间的包传输。

数据包通过多个路由器，最终到达目标设备。

总结：

从浏览器地址栏中输入一个网址，到显示网页的流程如下：

• 首先，浏览器会去解析输入的URL，确定好服务器名称和资源路径；

• 根据DNS去查找到对应域名的服务器IP地址；

• 根据服务器IP地址信息和资源路径信息等生成HTTP请求；

• 该浏览器使用socket库，调用操作系统中的协议栈，将该HTTP请求加上TCP、IP、MAC，封装成数据包；

• 通过网卡，将该数据包二进制信息转成电信号，通过网线传输给交换机上；

• 交换机解析电信号，将数据包原封不到的发送给路由器；

• 经过多次路由后，找到目标设备，目标设备开始层层解析数据包。

三、Linux是如何收发网络包

1、OSI

为了使多种设备能通过网络互相通信，提出OSI（open system interconnection reference model），开放式系统互联通信参考模型。

• 应用层，负责给应用程序提供统一的接口；

• 表示层，负责把数据转换成兼容另一个系统能识别的格式；

• 会话层，负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话；

• 传输层，负责端到端的数据传输；

• 网络层，负责数据的路由、转发、分片；

• 数据链路层，负责数据的封帧和差错检测，以及 MAC 寻址；

• 物理层，负责在物理网络中传输数据帧；

OSI只是概念上的分层，并没有具体实现方案。

2、Linux网络协议栈

3、Linux接受和发送网络包的流程