软件工程师的视角看网络（网络那点事） .

一、概述

     在以太网中，我们都很清楚网络的分层模型，ISO模型7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。TCP/IP模型四层协议：主机至网络层、互联网层、传输层、应用层。 在实际应用中我们都是用TCP/IP的模型。下面我讲下软件设计需要了解的网络知识，个人感觉软件工程师应该知道这些知识的，当然也是些基础的网络知识。主要从从物理层、数据链路层、互联网层、传输层、应用层的角度。 对于网络设备，集线器工作在网络层；2层交换机在链路层；3层交换机在网络层、链路层；路由器在网络层；负载均衡一般是在传输层，也有应用层、网络层、链路层的。防护墙也一般是穿层。不过，以上也不是绝对的。现在的一些设备基本没有固定的层次，基本都是穿层的。

 

以下这张图是经典的网络逻辑图：

 

数据是一层一层封装的。如下图所示：

 

二、物理层

物理层涉及到通信信道上面传输的原始的数据位。简单地讲，怎么用电压表示0或者1。也涉及到传输介质的问题。磁介质有：双绞线、同轴电缆、光纤。还有无限传输等问题。其中也涉及到著名的香浓定理。不深入讲，软件设计人员涉及较少。

 

三、数据链路层

将一个原始的传输设施转变成一条逻辑的传输线路。主要是将上层的数据拆开，分装到 数据帧中，然后顺序的发送。其中涉及到怎么成帧、错误控制、流控制、检测与校验。

Internet是用PPP（point-to-point Protocol）作为点到点线路的基本数据链路协议。此协议中涉及到一个重要的数据：MTU（Maximum Transmission Unit，MTU），默认是1500,此数据在网络编程数据传输中还是很重要的。

 介质访问控制子层：MAC（Medium Access Control）子层,这个就存在大家熟悉的 mac地址，48位，也就是熟悉的网卡地址。此子层可以是多播与广播的帧给网卡的。

 

四、网络层

控制子网的运行，在以太网中，最重要的数据协议是：IP协议。其他的传输拓扑协议，如：OSPF、BGP我们不关心。ipv4协议：其中 Source IP Address就是源地址。

 

IP地址分为：网络段+主机端 一个网络段就代表一个子网。这个可以参考：

http://en.wikipedia.org/wiki/IP_address

 

IPv4地址是非常缺乏的，这个跟当时的设计有关系。为此引入了NAT，此有很多争议，但是这个解决ipv4的ip缺乏问题，也不乏是一个好的方案。

以下是其中的一种结构，简单地讲就是：就是把无连接的网络做成了面向连接的网络。引入了传输层端口的概念。

 

另外还有：ARP(address resolution protocol)\RARP(reverse address resolution protocol)

DHCP（dynamic host configuration protocol）

 

四、传输层

是协议层次的核心所在，它的任务是在原机器和目标机器之间提供可靠的、性价比合理的数据传输功能，并且与当前所使用的物理网络完全独立。他是端到端的，与点到点的最大的区别是跨网络。

传输层的核心概念.socket，端口的概念。在一些操作系统低于1024是有特别用途的。

用途最广的是TCP协议：

TCP的Header如下所示：

 

到传输层，才有了连接的概念了。在传输层以下是不用面向连接的（也就是直接扔包，直接存储转发掉。）,第一张图，data flow基本说明了传输层的含义。

TCP连接连接建立需要三次握手，断开连接是四次握手【因为TCP是双工的，断开需要一方申请且另一方确认的，连接的时候可以把sync、ack合为一个】。如下是 TCP链接管理有限状态机： 

以下是握手及断开的过程，参考上图看：

 

五、应用层

就是实际的网络应用了,这里就千奇百怪了，想深入了解那块，就google吧。目前大约有：DNS、e-mail、万维网(其中涉及http)等等。。。

大部分的软件从业人员都工作在此层的。

 

有一些应用就用传输层低于1024的端口，如 HTTP的80端口。当然这些都可以更改，没有绝对的。

 

六、一个关于传输层连接的例子

我从家的机器访问公司的网络，通过netstat查看得到：

client的情况为：

家里路由器的出口ip为：60.176.147.50(中国电信的租用地址)

公司服务器的情况：

为此我画了以下的拓补图：(我们这里还是非三角模式，就不是修改mac地址的。)

主要解释下连接的事情，连接是传输层的事情。下层是不存在的连接的事情。为什么存在端口，原因还是应用层程序通过监听端口来区分不同的线程的。

 

从client上发起与服务器的三次握手连接后，连接建立起来，但是双方的目标ip都不是对方的ip。怎么建立的呢？图中也给出一些答案。

这个关键的就是NAT做了手脚。建立连接本质就是要分析tcp的数据包，当发现发给我的数据包后，应答的时候，就把 源地址与 目标地址互相换下，再发给对方。其实 发送方并不知道数据包是否真的发给了 对方。

 

七、参考资料

 

大学课程《计算机网络》第四版

 

八、特别说明：

     大部分的图片来自网络，特别是wikiped。作者：阿里巴巴封神悟

 

     【您怎么看软件人员视角中的网络呢？ 请留下您的言论吧。您的言论是我前进最大的动力。】

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