计算机基础--网络协议

一.网络通信原理

     网络通信技术是指：通过计算机和网络通讯设备对图形和文字等形式的资料进行采集、存储、处理和传输等,使信息资源达到充分共享的技术。网络，是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的。通信，是人与人之间通过某种媒体进行的信息交流与传递。

网络通信原理也就是网络协议。当今网络协议有很多，局域网中最常用的有三个网络协议：NETBEUI、IPX/SPX和交叉平台TCP/IP，网络协议就是网络之间沟通、交流的桥梁。

二、.OSI七层模型简介：

1. OSI七层模型分别为：

物理层；数据链路层；网络层；传输层；会话层；表示层；应用层；

  2.每层的功能及协议：

应用层          文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端 TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet

表示层          数据格式化，代码转换，数据加密         没有协议

会话层          解除或建立与别的接点的联系 没有协议

传输层         提供端对端的接口 TCP，UDP

网络层          为数据包选择路由 IP，ICMP，RIP，OSPF，BGP，IGMP

数据链路层     传输有地址的帧以及错误检测功能 SLIP，CSLIP，PPP，ARP，RARP，MTU

物理层            以二进制数据形式在物理媒体上传输数据 ISO2110，IEEE802，IEEE802.2

三、tcp/ip五层模型讲解

我们将应用层，会话层并在应用层，所以tcp/ip五层模型分别是：数据链路层；网络层；传输层；应用层然后分层讲解特点及主要协议。

每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件。

第一层：物理层（PhysicalLayer)

1.物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

2.物理层主要功能：为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。

①.为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。

②.传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（BIT）数），以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。

第二层：数据链路层（DataLinkLayer):

        在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。在这一层，数据的单位称为帧（frame）。数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。

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，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，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协议获取另外一台主机的mac地址）。广播通信的方式是：一台主机要想和另外一台主机通信，会把自己的消息发送到局域网内所有的主机，这些主机收到后查看mac地址是不是自己的，如果是就接收，否之丢弃。

第三层：网络层（Network layer）：

       在 计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点， 确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息- -源站点和目的站点地址的网络地址。

      网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。

 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：192.168.1.1

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：192.168.1.1与192.168.2.1并不能确定二者处于同一子网

子网掩码：

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172.16.10.1，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172.16.10.1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          ： 10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0  :  11111111.11111111.11111111.00000000

AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->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。

第四层：传输层（Transport layer）:

      传输层的任务是根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。在这一层，信息传送的协议数据单元称为段或报文。传输层协议的代表包括：TCP、UDP、SPX等。

传输层提供了主机应用程序进程之间的端到端的服务，基本功能如下：

(1) 分割与重组数据；(2) 按端口号寻址（端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口）

(3) 连接管理；        (4) 差错控制和流量控制,纠错的功能

传输层要向会话层提供通信服务的可靠性，避免报文的出错、丢失、延迟时间紊乱、重复、乱序等差错。

tcp协议：

可靠传输，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。

udp协议：

不可靠传输，”报头”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报文：

tcp三次握手和四次挥手：

第五层应用层（Application layer）：

应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。

四、网络;通信流程：

1.本机配置:

• 本机的IP地址：192.168.1.10

• 子网掩码：255.255.255.0

• 网关的IP地址：192.168.1.1

• DNS的IP地址：114.114.114.114

  
  

说明：

想实现网络通信，每台主机需具备四要素：

a.本机的IP地址       b.子网掩码        c.网关的IP地址       d.DNS的IP地址

本机的ip地址的获取方式有两种：

①静态地址即手动配置ip；      ②动态获取既同伙DHCP分配。

DHCP的工作原理：

1.Discover：客户端请求IP地址；

2.Offer：服务器相应请求；

3.Request：客户端选择一个ip地址

4.ACK：服务器确认。

2.打开浏览器，想要访问Google，在地址栏输入了网址：www.google.com。

3.dns协议(基于udp协议)

说明：

DNS工作原理：
　　第一步：客户机提出域名解析请求，并将该请求发送给本地的域名服务器。
　　第二步：当本地的域名服务器收到请求后，就先查询本地的缓存，如果有该纪录项，则本地的域名服务器就直接把查询的结果返回。
　　第三步：如果本地的缓存中没有该纪录，则本地域名服务器就直接把请求发给根域名服务器，然后根域名服务器再返回给本地域名服务器一个所查询域(根的子域) 的主域名服务器的地址。
　　第四步：本地服务器再向上一步返回的域名服务器发送请求，然后接受请求的服务器查询自己的缓存，如果没有该纪录，则返回相关的下级的域名服务器的地址。
　　第五步：重复第四步，直到找到正确的纪录。
　　第六步：本地域名服务器把返回的结果保存到缓存，以备下一次使用，同时还将结果返回给客户机。

全球13台根dns：

A.root-servers.net198.41.0.4美国
B.root-servers.net192.228.79.201美国（另支持IPv6）
C.root-servers.net192.33.4.12法国
D.root-servers.net128.8.10.90美国
E.root-servers.net192.203.230.10美国
F.root-servers.net192.5.5.241美国（另支持IPv6）
G.root-servers.net192.112.36.4美国
H.root-servers.net128.63.2.53美国（另支持IPv6）
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美国
K.root-servers.net193.0.14.129英国（另支持IPv6）
L.root-servers.net198.32.64.12美国
M.root-servers.net202.12.27.33日本（另支持IPv6）

4.HTTP部分的内容，类似于下面这样：

GET / HTTP/1.1

Host: www.google.com

Connection: keep-alive

User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……

Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8

Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch

Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8

Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3

Cookie: … …

我们假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。

5. TCP协议

TCP数据包需要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。

TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度变为4980字节。

6. IP协议

然后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。

IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。

7. 以太网协议

最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡MAC地址，接收方为网关192.168.1.1的MAC地址（通过ARP协议得到）。

以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而现在的IP数据包长度为5000字节。因此，IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头（20字节），所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

8. 服务器端响应

经过多个网关的转发，Google的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。

根据IP标头的序号，Google将四个包拼起来，取出完整的TCP数据包，然后读出里面的”HTTP请求”，接着做出”HTTP响应”，再用TCP协议发回来。

本机收到HTTP响应以后，就可以将网页显示出来，完成一次网络通信。