网络基础

计算机网络协议

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OSI 七层协议（open system interconnection）

 

依据定义来说，越接近硬件的阶层为底层 (layer 1)，越接近应用程序的则是高层 (layer 7)。

不论是接收端还是发送端，每个一阶层只认识对方的同一阶层数据。

 

物理层

功能：

• 为数据端设备提供传送数据的通路
• 传输数据
• 定义电压信号，了解传输编码方式；

 

数据链路层

分为两层

• 逻辑链路子层
  • 帧同步
    • 为了使传输中发生差错后只将有错的有限数据进行重发
    • 数据链路层将比特流组合成以帧为单位传送。每个帧要
    • 传送数据外，还包括校验码，以使接受方能发现传输中的差错。
    • 从比特流中区分出帧的起始于终止就是帧同步；
  • 错误控制
  • 流量控制
• MAC介质访问控制子层
  • 调度
    • 将逻辑信道映射到传输信道

 

网络层

“路由选择与逻辑寻址”

目的是实现两个端系统之间的数据透明传送

功能

• 路由选择
  • 静态路由
  • 动态路由
• 路由及逻辑寻址

 

传输层

定义了发送端与接收端的联机技术（TCP,UDP）

功能：

• 封包格式
• 数据封包的传送
• 流程的控制
• 传输过程的侦测与复原重新传送

确保各个资料封包可以正确无误的到达目的端。

 

会话层

“对话与交谈”

功能：

• 为会话实体建立连接
• 数据传输阶段
• 连接释放

 

表示层

“通用的数据格式”

主要作用是为异种通信提供一种公用语言，

每台计算机可能有它自己的表示数据的内部方法，

例如，ASCII码与EBCDIC码，所以需要表示层协定来保证不同的计算机可以彼此理解。

功能：

• 语法转换
• 语法协商
• 连接管理

 

应用层

应用层并不属于应用程序所有，而是定义应用程序如何进入此层的沟通接口，以将数据接收或传送给应用程序。

 

七层协议只是一个参考模型，并没有很多程序会真的使用这七层模型；只是七层模型解释网络传输的情况来说，非常清楚。

实际联网程序代码，使用TCP/IP协议；

 

TCP/IP协议

 

2.2 tcp/ip--链接层

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tcp/ip最底层的链接层主要与硬件比较有关系。

 

2.2.2 局域网络使用的设备--以太网络

但实际使用的只有 1,2,3,6 蕊而已， 其他的则是某些特殊用途的场合才会使用到；即橙白，橙，绿白，绿，四根线使用到了；

 

mac的封装格式

 

局域网与跨网段传输

• 局域网中传输使用mac地址。
• 其他网段，先是IP寻址，然后ARP地址解析协议，找到对应MAC地址，再传数据； 
• 只有透过路由器，才将封包送到另一个网域；

 

MTU 最大传输单位

• 上面的最大传输量就是1500bytes，这个就是MTU数值；
• 每种网络接口的MTU都不同，有些为1492MTU,不过在以太网络上，标准定义就是1500bytes。

 

而IP封包中，最大可以到65535bytes。既然礼物（IP）比盒子（MAC）大，那么怎么放的进去？

此时IP封包是可以进行拆解的，然后才能放到MAC当中，等数据都传到目的地，再由目的地的主机将他们组装回来。

 

当然MTU大的话，会减少IP封包次数，提升传输效率；但是不能确保目的地接受媒体支持这种MTU，并且能很好的适配。因此不建议更改标准的MTU值；

 

2.3 tcp/ip--网络层

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网络层最重要的就是IP 与 路由

 

2.3.1 IP 封包的封装

ip 封包可以达到65535bytes，在比mac大的情况下，操作系统会对IP进行拆解的动作。

 

• version（版本）
  • 宣告这个ip封包的版本，目前ipv4
• IHL（Internet header length，ip表头的长度）
  • 使用的单位是字组（word），一个字组为4bytes
• type of service（服务类型）
• total length（总长度）
• identification （辨别码）
  • 在拆分，合并时，通过这个辨别码来识别，各分拆ip包是否是同一个大ip
• Flages（特殊旗标）
  • 内容为[0DM]
  • D:0表示可以分段，1表示不可分段
  • M:0表示ip为最后分段，1表示非最后分段；
• fragment offset（分段偏移）
  • 表示目前这个ip分段在原始的ip封包中所占的位置。像序号；
  • 通过total length，identification，flags，fragment offset 就能将小IP分段在接受端组合起来；
• Time to live（TTL，存活时间）
  • 表示IP封包的存活时间，范围0--255,。当这个IP封包通过一个路由器时，TTL就会减一，当TTL为0时，就直接丢弃。
• protocol number（协议代码名）
  • 记载每种数据封包的内容。
  • 相关封包协议代码名
    • icmp,igmp,ggp,ip,tcp,egp,udp
  • 比较常见的就是TCP,UDP,ICMP(internet control message protocol)
• header checksum(表头检查码)
  • 用做IP表头的错误检验
• source address
• destination address
• options（其他参数）
  • 这个是额外功能，提供包括安全处理机制，路由记录，时间戳，严格与宽松之来源路由等
• padding（补齐项目）
  • 由于options的内容不一定有多大，但IP每个数据都必须要是32bits，当options不足32时用padding补齐；

 

重点

• 分拆合并的4个
  • total length
  • identification，识别数据哪个IP包
  • flags，特殊旗帜，可不可分段，是否为最后分段
  • fragment offset；此封包在原封包的位置
• 目标地址与原地址
  • destination address ，source address
• TTL：存活时间，每经过一个路由则减一，为0 则丢弃
• protocol
  • 是哪种类型数据包
  • icmp,ip,tcp,udp

 

2.3.2 IP地址的组成与分级

IP：网络号与主机号

 

主机号

• 全0 表示整个网段的地址  --Network
• 全1 表示广播的地址        --Broadcast

 

ip地址等级

Class A : 0.xx.xx.xx---127.xx.xx.xx

Class B : 128.xx.xx.xx-191.xx.xx.xx

Class C : 192.xx.xx.xx-223.xx.xx.xx

 

2.2.3 netmask（子网掩码）

 

分割IP地址哪些是位是网络段，哪些是主机段；

 

IP地址每一位与子网掩码每一位做与 得出的非0的即是网络段，为0的就是主机段；

 

子网掩码作用：举例

• netmask:255.255.255.0 
• IP:192.168.1.1
  • 1与任何数做与；得任何数
  •  0月任何数做与；得0
  • 此时 255.255.255.0 与 192.168.1.1 做与
  • 得 192.168.1.0 则网络号段192.168.1  主机号段是0；

 

 

子网切分举例

• 原本的 C Class 的 Net_ID 与 Host_ID 的分别
  • 11000000.10101000.00000000.00000000 Network: 192.168.0.0
  • 11000000.10101000.00000000.11111111 Broadcast: 192.168.0.255
  • |----------Net_ID---------------|---host--|
• 切成两个子网之后的 Net_ID 与 Host_ID 为何？
• 11000000.10101000.00000000.0 0000000 多了一个 Net_ID 了, 为 0 (第一个子网)
• 11000000.10101000.00000000.1 0000000 多了一个 Net_ID 了, 为 1 (第二个子网)
• |----------Net_ID--------------|----host---|
• 第一个子网
• Network:    11000000.10101000.00000000.0 0000000 192.168.0.0
• Broadcast: 11000000.10101000.00000000.0 1111111 192.168.0.127
• Netmask:   11111111.11111111.11111111.1 0000000 255.255.255.128

• 第二个子网
• Network:   11000000.10101000.00000000.1 0000000 192.168.0.128
• Broadcast: 11000000.10101000.00000000.1 1111111 192.168.0.255
• Netmask:  11111111.11111111.11111111.1 0000000 255.255.255.128

依靠netmask来做子网切分；

计算子网的快捷方式

其实子网的计算是有偷吃步的，我们知道 IP 是二进制，每个位就是 2 的次方。又由于 IP 数量都是平均分配到每个子网去， 所以，如果我们以 192.168.0.0 ~ 192.168.0.255 这个网段来说，要是给予 Net_ID 是 26 位时，总共分为几段呢？ 因为 26-24=2 ，所以总共享掉两个位，因此有 2 的 2 次方，得到 4 个网段。再将 256 个 IP 平均分配到 4 个网段去， 那我们就可以知道这四个网段分别是：

· 192.168.0.0~192.168.0.63

· 192.168.0.64~192.168.0.127

· 192.168.0.128~192.168.0.191

· 192.168.0.192~192.168.0.255

 

实际上就要有Network以及Netmask就能表示一个网域，因为Broadcast能推算出来即主机号全1；

 

所以有了新的写法：

 

Network/Netmask

192.168.0.0/255.255.255.0

192.168.0.0/24 <==因为 Net_ID 共有 24 个 bits

 

 

2.3.5路由的概念

每一个主机都会维护一个路由表，会根据路由表中地址，根据IP包的目标地址选择路由器，然后发送到路由器，就不管了；

至于在同一网段的，不用发送到路由器，则是按照下层链接层的ARP，地址解析将IP地址解析成MAC地址，然后按照MAC地址发送出去；

 

观察路由情况

route

 

2.3.6 IP与MAC：链结层ARP与RARP协定；

 

以太网络主要使用网卡卡号（MAC地址），来传输数据的；

 

ARP(Address resolution protocol,网络地址解析)协议

RARP(Revers ARP,反向网络地址解析)协议

 

当想知道某个IP与哪张网卡绑定时，我们主机会向整个局域网发出ARP封包，对方收到ARP封包后就会回传他的MAC地址给我们；

我们的主机就知道了这个IP的对应MAC地址，接下来就是传输数据啦。

 

为了避免每次传输数据，都要ARP，因此，当使用ARP协议取得目标IP的mac地址后，我们将这对应关系记录到ARP table中（内存内的数据）记录20分钟；

 

使用arp指令驱动 ARP表格内的IP/MAC对应数据。

[root@www ~]# arp -[snd] 
选项与参数：
-n ：将主机名以 IP 的型态显示
-d ：将 hostname 的 hardware_address 由 ARP table 当中删除掉
-s ：设定某个 IP 或 hostname 的 MAC 到 ARP table 当中

范例一：列出目前主机上面记载的 IP/MAC 对应的 ARP 表格

[root@www ~]# arp -n
Address HWtype HWaddress Flags Mask Iface
192.168.1.100 ether 00:01:03:01:02:03 C eth0
192.168.1.240 ether 00:01:03:01:DE:0A C eth0
192.168.1.254 ether 00:01:03:55:74:AB C eth0

范例二：将 192.168.1.100 那部主机的网卡卡号直接写入 ARP 表格中

[root@www ~]# arp -s 192.168.1.100 01:00:2D:23:A1:0E
# 这个指令的目的在建立静态 ARP

2.3.8  ICMP协议

Internet control message protocol ，因特网信息控制协议。

icmp

• 错误侦测与回报的机制
• 确保网络联机状态与联机正确性
• 网络层重要的封包之一
• 不是独立的而是纳入到IP的封包中，也就是说ICMP同样是透过IP封包进行数据传输的。
• ---ip封包中protocol number 字段会告知是TCP,UDP,ICMP还是其他什么数据；

在Internet上有传送能力的就是IP封包；

 

ICMP有相当多的类别可以侦测与回报，常见的ICMP的类别（type）

 

如何利用ICMP检验网络的状态

ping与traceroute;可以透过ICMP封装包的辅助来确认与回报网络主机的状态。

在设定防火墙的时候，ICMP封包不应该全部当掉；

 

2.4 TCP/IP--传输层封包与数据 

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        网络层的IP封包只负责把数据送到正确的目标主机去，至于封包到底有没有成功正确被接受，那就不是网络层IP协议的事情，而是传输层的事情了。

 

2.4.1  TCP协议

     传输层TCP封包数据必须要能够放到IP的数据袋中才行。如图所示：

 

TCP封包表头资料：

 

• source port
  • 来源端口号（如mysql 默认3306端口）
• destination port
  • 目标端口号（如mysql 默认3306端口）
• sequence number （封包序号）
  • 记录每个封包的序号，可以让接受端重新将TCP数据组合起来
  • 类似IP封包中的identification（辨别码），flags，fragment offset
  • 因为TCP封包必须要带入IP封包中，所以当TCP数据太大（大于IP封包的容许程度），就得进行分段；
• acknowledge number（回应序号）
  • 当主机给client端的回应
  • client端收到这个确认码时，就确定之前传递的封包已经被正确手下。
• data offset（资料补偿）
  • 上图中有个options字段，长度是非固定的，是确认整个TCP封包的大小，就需要这个标志来说明整个封包区段的起始位置。
• reserved（保留）
  • 未使用的保留字段
• code（control flag ，控制标志码）
  • 说明联机状态的句柄，好让接收端了解这个封包的主要动作
  • 6个字段，代表6个句柄
    • urg(urgent): 若为 1 则代表该封包为紧急封包， 接收端应该要紧急处理，且图 2.4-1 当中的 Urgent Pointer 字段也会被启用
    • ACK(Acknowledge)：若为 1 代表这个封包为响应封包， 则与上面提到的 Acknowledge Number 有关
    • PSH(Push function)：若为 1 时，代表要求对方立即传送缓冲区内的其他对应封包，而无须等待缓冲区满了才送
    • RST(Reset)：如果 RST 为 1 的时候，表示联机会被马上结束，而无需等待终止确认手续。这也就是说， 这是个强制结束的联机，且发送端已断线
    • SYN(Synchronous)：若为 1，表示发送端希望双方建立同步处理， 也就是要求建立联机。通常带有 SYN 标志的封包表示『主动』要连接到对方的意思
    • FIN(Finish)：若为 1 ，表示传送结束，所以通知对方数据传毕， 是否同意断线，只是发送者还在等待对方的响应而已。
• window（滑动窗口）
  • 主要是用来控制封包的流量的，可以告知对方目前本身有的缓冲器容量（receive buffer）还可以接收包。当window=0时，代表缓冲器已经额满，所以应该要暂停传输数据。
• checksum（确认查验码）
  • 数据发送前会进行一个校验动作，并将该校验值填入次字段
  • 接收端，在接收完数据后，也会对数据校验，然后比较两次校验值是否相等。
• urgent pointer（紧急资料）
  • 在code字段内urg=1时才会产生作用。可以告知紧急数据所在的位置
• options（任意资料）
  • 目前此字段仅应用于表示接收端可以接收的最大数据区段容量，若此字段不使用，表示可以使用任意数据区段的大小。这个字段较少使用。
• Padding(补足字段)
  • 如同 IP 封包需要有固定的 32bits 表头一样， Options 由于字段为非固定，所以也需要 Padding 字段来加以补齐才行。同样也是 32 bits 的整数。

 

通讯端口

在上面TCP表头中，最重要的就是source port ，destination port。因为是16位的，所以最大端口可达65535(2的16次方)！

 

网络是双向的，服务器与客户端要达成联机的话， 两边应该要有一个对应的端口来达成联机信道，好让数据可以透过这个信道来进行沟通。

 

如果IP 是网络世界的门牌号，那么这个端口号就是门牌号上建筑物的楼层。

所以， IP 是门牌， TCP 是楼层，真正提供服务的， 是在该楼层的那个人 (程序)！

 

特权端口

Internet中规定了一些固定port，在Linux中/etc/services

值的注意的是小于1024的端口要启动时，必须是root才行。用root启动的端口叫做特权端口。

 

2.4.2 TCP 的三次握手

 

发送端请求，SYN=1，封包序号=10001,接收端回过来的ACK=1,回应序号=10002；

回应序号比封包序号大1；

 

• A:封包发起
  • 客户端必须随机取用一个大于 1024 以上的端口口来做为程序沟通的接口。
  • 然后在TCP 的表头当中，必须要带有 SYN 的主动联机(SYN=1)，并且记下发送出联机封包给服务器端的序号 (Sequence number = 10001) 。
• B:封包接收与确认封包传送
  • 当服务器接到这个封包，并且确定要接收这个封包后，就会开始制作一个同时带有 SYN=1, ACK=1 的封包， 其中那个 acknowledge 的号码是要给 client 端确认用的，所以该数字会比(A 步骤)里面的 Sequence 号码多一号 (acknowledge = 10001+1= 10002)，
  • 那我们服务器也必须要确认客户端确实可以接收我们的封包才行，所以也会发送出一个 Sequence (seq=20001) 给客户端，并且开始等待客户端给我们服务器端的回应喔！
• C:回送确认封包
  • 当客户端收到来自服务器端的 ACK 数字后 (10002) 就能够确认之前那个要求封包被正确的收受了，
  • 接下来如果客户端也同意与服务器端建立联机时，就会再次的发送一个确认封包 (ACK=1) 给服务器，亦即是 acknowledge = 20001+1 =20002
• D:取得最后确认
  • 若一切都顺利，在服务器端收到带有 ACK=1 且 ack=20002 序号的封包后，就能够建立起这次的联机了

 

牢记一个事实就是[网络是双向的], 所以不论是服务器端还是客户端，都必须要透过一次 SYN 与 ACK 来建立联机，所以总共会进行三次的交谈;

 

实际演示：

1. 鸟哥说：   A 同学你在不在？

2. A 同学说：我在！那鸟哥你在不在？

3. 鸟哥说：    我也在

此时两个人就确认彼此都可以听到对方在讲啥，这就是可靠联机啦！

 

2.4.3 非连接导向的UDP协议

 

UDP 的全名是：『 User Datagram Protocol, 用户数据流协议』， UDP 与 TCP 不一样， UDP 不提供可靠的传输模式，

因为他不是面向连接的一个机制，这是因为在 UDP的传送过程中，接受端在接受到封包之后，不会回复响应封包 (ACK) 给发送端，

所以封包并没有像 TCP 封包有较为严密的检查机制。

 

     UDP表头资料：

 

TCP

• 传输可靠
• 速度慢

UPD

• 由于表头数据较少，因此可以存更多data
• 适合实时反应的一些数据流，例如影像
• 不需要考虑联机要求，联机终止，流量控制等特性。
• 数据正确性不保证

 

其实很多软件同时提供TCP/UDP两种传输协议。如DNS服务。