day30 OSI七层协议

网络编程

什么是网络编程？

网络编程就是编写基于网络传输数据的应用程序

为什么需要网络编程？

在我们以前的编程中，所有的数据都是存在于本地，且只能由我们自己使用，不能进行跨电脑通讯，但是在实际的生活中，我们使用的应用程序都需要与其它计算机进行通讯，这时候我们就需要编写基于网络传输数据的应用程序

C/S架构与B/S架构

学习网络编程就是想使多台计算机之间进行数据的传输，那么这就需要至少两台计算机进行连接，一台计算机存放着共享的数据，另一台计算机可以进行访问。

C/S架构

所谓的C/S架构就是指client(客户端)/server(服务器端)架构，例如微博，我们在手机上安装有客户端软件(client)，在新浪的机房中放有服务器，其服务器上安装有服务端软件(server)，这就是C/S架构

B/S架构

所谓的B/S架构就是指browse(浏览器)/server(服务端)架构，例如微博，我们在使用电脑浏览器进行访问时，本机上的浏览器就是B(browser)端，在新浪的服务器上的软件就是S(server)端，这就是B/S架构，实际上C/S架构也是一种B/S架构，只不过客户端变成了浏览器

网络通讯的基本要素

要实现网络通讯，必须具备两个基本要素：

• 网络传输的介质

• 网络传输协议

网络传输介质

要实现网络之间的通信，最基本的要素是需要将计算机进行连接，这种连接是物理层面的，一般的连接介质有网线、无线电波等

网络传输协议

什么是协议？

协议就是标准，当我们进行通讯时，如果每个人一套标准，那么我们之间进行通讯将无从谈起，为了可以使不同的计算机之间进行通讯，那么就需要所有的人执行同一套标准，这个标准就称之为协议

都有哪些协议？

在进行通讯时，需要遵循的协议主要有两类：

• 物理传输介质之间的协议

• 网络传输的协议

物理传输介质之间的协议是网络工程需要了解的事情，作为程序员，我们需要学习的协议主要是网络传输的协议

网络通讯协议

协议是由发送方和接受方共同制定的,考虑到计算机已经发展了这么多年,所以制定的协议过程很显然我们没有机会参与了,要做的是了解通讯协议中的各种规定

OSI七层模型

什么是OSI七层模型

Open System Interconnection Reference Model，开放式系统互联通信参考模型,缩写为OSI,是由国际标准组织推出的,其实就是一大堆协议,OSI把整个通讯过程划分为七层,简称OSI七层模型

OSI七层模型由于学习成本较高，为了降低学习难度，后面简化成了五层模型，后又进一步简化成四层模型

为什么要遵循OSI协议？

OSI七层协议是由国际标准组织推出的，目的就是为了使所有厂商的电脑之间可以通讯，所有的厂商都遵循这个协议，根据七层协议可以找到并连接到世界上任意一台电脑，当然，也可以不遵循这个协议，如果不遵循这个协议是不能与其它计算机进行通讯的

OSI协议各层工作原理解析

物理层

物理层的作用是通过物理传播介质将电脑进行连接，将信息转化为二进制数据进行传输

数据链路层

将二进制数据进行传输时，如果不对数据进行分组，那么数据将没有任何意义，为了将数据进行分组，此时加入以太网协议，以太网协议通过对数据进行分组，来表达不同的意义

以太网协议:

以太网协议(Ethernet)工作在数据链路层,其规定了电信号分组方式,以及一组电信号应该包含哪些内容

ethernet规定如下:

• 一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’

• 每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

  

head包含：(固定18个字节)

• 发送者／源地址，6个字节

• 接收者／目标地址，6个字节

• 数据类型(标签+以太类型)，6个字节

data包含：(最短46字节，最长1500字节)

• 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中包含的源和目标地址指的是什么地址呢?

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指网卡的地址，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，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

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

交换机的工作原理类似类似于早期的电话交换机,电话线打到总台,总台问你要找几号?,然后将电话线插到相应的口上

网络层

为什么需要网络层

既然根据mac地址就可以找到世界上唯一一台电脑，那为什么还需要网络层呢？

因为以太网协议的通信方式是广播，但是不能没进行一次通信就进行一次全世界广播，这时候就需要将全世界的网络分为无数个小的局域网，网络层的目的就是在全世界找到需要查找的局域网，再根据局域网中的广播找到唯一的一台计算机。

IP协议

IP协议是工作在网络层的协议,全称:Internet Protocol Address,翻译为互联网协议地址

IP地址(重点)

• ip协议定义的地址称之为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：192.168.10.1

• 网络号：标识子网

• 主机号：标识主机

IP地址的分类:

A类保留给政府机构

1.0.0.0---126.0.0.0

B类分配给中等规模公司

128.0.0.0---191.255.0.0

C类分配给任何需要的人

192.168.0.1 - 192.168.255.254

D类用于组播

E类用于实验

我们的电脑ip通常都是C类的,以192.168开头,正因为C类任何人都可以用

子网掩码(了解)

什么是子网掩码

子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。

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。

为什么需要子网掩码

单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，无法辨识一个ip所处的子网 例：192.168.10.1与192.168.10.2并不能确定二者处于同一子网,因为不清楚哪些位表示网络号,哪些表示主机号

子网掩码如何判断两个ip是否属于同一个子网

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。

案例: 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。

IP数据包(了解)

ip数据包也分为head和data部分，无须为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65,515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帧，分开发送了。

ARP协议(了解)

ARP协议的由来:IP是通常是动态分配的,是一个逻辑地址,而数据传输则必须依赖MAC地址,那如何才能通过IP得到对方的MAC地址呢? 这就需要ARP协议了

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

 

首先明确每台主机ip都是已知的,并可以通过子网掩码来判断是否属于同一子网

案例1：主机192.168.1.101访问192.168.1.102

是同一子网内 ARP请求帧内容:

1.FF:FF:FF:FF:FF:FF是一个特殊的MAC地址 交换机在看到这个地址时会将这个数据向网内所有主机进行广播

2.192.168.1.102 收到ARP请求后 回复自己的MAC给 源MAC主机

3.发送方(192.168.1.101)收到回复后,会将对方的ip的MAC地址映射关系存储到缓存中,以便下次使用

ps:arp -a 可以查看ARP缓存列表

确定对方MAC地址后的数据帧内容:

 

案例2：主机192.168.1.101访问192.168.111.101

交换机发现目标IP不在当前子网中,

1.交换机发起ARP请求,将目标IP设置为对方的网关IP,默认情况下,网关的主机号都为1; 所以接收方(192.168.111.101)的网关为192.168.111.1

发送方交换机发起的ARP数据帧:

2.对方网关收到请求后发现ip是自己的ip则回复ARP请求,将其MAC地址告知发送方交换机,

3.发送方交换机将,对方的网关与的MAC地址与IP存储到自己的ARP缓存中,

4.告知发送方(192.168.1.101)对方网关的MAC地址,发送方同样将对方网关MAC与目标IP映射关系存储到,本机ARP缓存中

至此ARP请求结束可以开始传输数据

 

后续确定了MAC地址后发送的数据帧内容:

 

 

总结:ARP通过广播的方式来获取MAC地址, 不在同一子网时 ARP得到的时对方网关的MAC地址,数据到达对方网关后,由网关根据IP交给对应的主机,当然对方网关获取主机MAC也是通过ARP

ps:路由器 交换机都可以称之为网关!

传输层(重点)

传输层的由来:

通过物理层简历链接通道

通过数据链路层的MAC,可以定位到某个局域网中的某台主机,

通过网络层的IP地址,子网掩码,可以定位到全球范围某一局域网下的某台主机

那么问题来了:

一台计算机上是不可能只运行一个应用程序的,比如同时登陆qq和微信,那接收到的数据到底是交给微信还是qq呢?

答案就是:端口号,端口是需要联网的应用程序与网卡关联的编号

传输层功能：建立端口到端口的通信

补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

 

TCP与UDP是工作在传输层的协议:

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。

TCP之所以可靠,是因为在传输数据前需要三次握手确认建立链接

三次握手:

三次握手的过程实际上实在确认我发的你能收到,你发的我也能收到,从而保证数据传输的的可靠性,

链接是一个虚拟的概念,不实际存在,只要三次握手成功即表示连接建立成功!

问题是三次握手时的确能保障数据传输是可靠的,那么握手后的数据要如何保证传输成功呢?

TCP协议要求在发送数据后,必须接收到对方的回复信息才能确认数据成功发送,如果一段时内没有收到回复信息,会自动重新发送,如果重试的次数过多则表示链接可能已经中断!

 

四次挥手:

四次挥手的目的是保证双方的数据传输已经全部完成,同样是为了保证数据的完整性

总结

其优点很明显:能够保证数据传输是完整的

缺点:由于每次都需要传输确认信息,导致传输效率降低

场景:多用于必须保证数据完整性的场景,例如文本信息,支付信息等!

 

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。

UDP协议采取的方式与TCP完全不同,其根本不关心,对方是否收到数据,甚至不关心,对方的地址是否有效,只要将数据报发送到网络,便什么都不管了!

总结

优点:由于不需要传输确认信息,所以传输效率高于TCP协议

缺点:传输数据可能不完整

场景:视频聊天,语音聊天等,不要求数据完整性,但是对传输速度要求较高

应用层

应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开放的，大家都可以开发自己的应用程序，用什么样的数据格式来传输，就需要由应用程序开发者自己来制定

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”。

至此一连串高低电压就通过层层协议,变成了我们在应用程序中看到的各种数据