计算机网络的五层协议

一、网络部分基本知识

网络通信原理：

互联网的本质就是一系列的网络协议

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。

先说一下计算机网络的五层协议的体系结构，以及各层协议:
1.物理层
2.数据链路层
3.网络层
4.传输层
5.应用层

每层运行常见物理设备：

传输层： 四层交换机 、四层的路由器
网络层：三层交换机、路由器
数据链路层：网桥、以太网交换机、网卡
物理层：中继器、集线器、双绞线

1.物理层：

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

2.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，每组是什么意思

数据链路层的功能：定义电信号的分组方式

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：
1.一组电信号构成一个数据包，叫做"帧"
2.每一个数据帧分为：报头head和数据data两部分
head | data

head包含：(固定18个字节)
1.发送者/源地址，6个字节
2.接收者/目标地址，6个字节
3.数据地址，6个字节

data包含: (最短46字节，最长1500字节)

1.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中包含的源和目的地址由来: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，
12位16进制数表示(前6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，即计算机通信基本靠吼（一个局域网里）)

3.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。因此，必须
找到一种方法，能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络，哪些不是。

以太网包只能在一个局域网内发是哪个，一个局域网是一个广播
域，以太网的广播只能在一个广播域内发送，跨广播域的通信只能
通过路由转发

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,所以就有了ip地址，它的作用是引进一套新
的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子
网络。这套地址就叫做”网络地址”，简称”网址”

ip协议：

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 | ip头 | ip数据

互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。比如，IP地址172.16.254.1，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（172.16.254），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的，也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络。

但是，问题在于单单从IP地址，我们无法判断网络部分。还是以172.16.254.1为例，它的网络部分，到底是前24位，还是前16位，甚至前28位，从IP地址上是看不出来的。

那么，怎样才能从IP地址，判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另一个参数”子网掩码”（subnet mask）。

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172.16.254.1，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172.16.254.1和172.16.254.233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，结果都是172.16.254.0，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。

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
以太网协议的时候，我们了解到，
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

一、首先通过ip地址和子网掩码区分自己所处的子网
    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，那么下标中目标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    FF:FF:FF:FF:FF:FF  172.16.10.11   172.16.10.11     数据
（过程：
        首先分析是否在同一个局域网，如果在，目标Mac是FF:FF:FF:FF:FF:FF
        所有人都收到了，解包后知道了发送端是想要mac地址，然后看目标ip，只有
        ip是这个的才会返回自己的mac，其他的会丢弃这个包
            ）

当网络层的IP包进入链路层时,链路层该如何加这个头部的目标信息呢?它要依靠ARP协议来完成.显然如何加链路头并不是网络层的功能。而且，ARP协议工作时，并不使用IP的包头。所以也有很多人说，ARP是链路层的。可以说，在TCP/IP模型中，ARP协议属于IP层；在OSI模型中，ARP协议属于链路层。

4.传输层
有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如，你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容，还是表示在线聊天的内容？

也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做”端口”（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。

“端口”是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。

“传输层”的功能，就是建立”端口到端口”的通信。相比之下，”网络层”的功能是建立”主机到主机”的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做”套接字”（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。

UDP协议

现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。

UDP数据包，也是由”标头”和”数据”两部分组成。

“标头”部分主要定义了发出端口和接收端口，”数据”部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的”数据”部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：

UDP数据包非常简单，”标头”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协议

UDP协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到。

为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。

因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的”数据”部分。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。

5.应用层
应用层由来:

应用程序收到”传输层”的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架 构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。

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"。

发送数据是一个封装的过程，接收数据则是解封装。

上述就是网络的5层协议讲解

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补充：

http协议：
http是一个通信规则，通信规则规定了客户端发送给服务端的内容格式，也规定了服务端发送给客户端的内容格式。其实，我们要学习的就是这两个格式！客户端发送给服务器的格式叫"请求协议"；服务器发送给客户端的格式叫"响应协议"

特点：
http叫超文本传输协议，基于请求/响应模式的!

http是无状态协议（一次请求，拿到数据后，再和服务端无任何关系），
ftp是有状态的

请求协议
请求协议的格式如下：
请求首行: //请求方式，请求路径 协议和版本，例如:GET/index.html HTTP/1.1
请求头信息: //请求头内容，即为key:value格式，例如: Host:localhost
空行: //用来和请求体分隔开
请求体: //get没有请求体，只有post有请求体
因为如果是get方式，数据都跟在url的后面传到服务端去的。

浏览器发送给服务器的内容就是这个格式的，如果不是这个格式服务器将
无法解读！在http协议中，请求有很多请求方法，其中最为常用的就是
get和post。

get请求
http默认的请求方法就是get
数据必须在1k之内

get请求的常用操作：
   1.在浏览器的地址栏中直接给出url,那么就一定是get请求
   2.点击页面上的超链接也一定是get请求
   3.提交表单时，表单默认使用get请求，但可以设置为post

转载：https://blog.csdn.net/wy757510722/article/details/73917007