计算机网络基本概念回顾笔记
网络分层
OSI 七层:应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
TCP/IP分为四层:应用层、传输层、网络层、网络接口层
TCP/IP五层:应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
应用层
应用层只需要专注于为用户提供应用功能,比如 HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等
应用层是工作在操作系统中的用户态,传输层及以下则工作在内核态
传输层
在传输层会有两个传输协议,分别是 TCP 和 UDP。
TCP 的全称叫传输控制协议(Transmission Control Protocol),大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议,比如 HTTP 应用层协议。TCP 相比 UDP 多了很多特性,比如流量控制、超时重传、拥塞控制等,这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。
UDP 相对来说就很简单,简单到只负责发送数据包,不保证数据包是否能抵达对方,但它实时性相对更好,传输效率也高。当然,UDP 也可以实现可靠传输,把 TCP 的特性在应用层上实现就可以,不过要实现一个商用的可靠 UDP 传输协议,也不是一件简单的事情。
应用需要传输的数据可能会非常大,如果直接传输就不好控制,因此当传输层的数据包大小超过 MSS(TCP 最大报文段长度) ,就要将数据包分块,这样即使中途有一个分块丢失或损坏了,只需要重新发送这一个分块,而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中,我们把每个分块称为一个 TCP 段(TCP Segment)
当设备作为接收方时,传输层则要负责把数据包传给应用,但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据,因此需要用一个编号将应用区分开来,这个编号就是端口。
比如 80 端口通常是 Web 服务器用的,22 端口通常是远程登录服务器用的。而对于浏览器(客户端)中的每个标签栏都是一个独立的进程,操作系统会为这些进程分配临时的端口号。
由于传输层的报文中会携带端口号,因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。
网络层
网络层最常使用的是 IP 协议(Internet Protocol),IP 协议会将传输层的报文作为数据部分,再加上 IP 包头组装成 IP 报文,如果 IP 报文大小超过 MTU(以太网中一般为 1500 字节)就会再次进行分片,得到一个即将发送到网络的 IP 报文。
网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备,世界上那么多设备,又该如何找到对方呢?因此,网络层需要有区分设备的编号。
我们一般用 IP 地址给设备进行编号,对于 IPv4 协议, IP 地址共 32 位,分成了四段(比如,192.168.100.1),每段是 8 位。只有一个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备,但是寻址起来就特别麻烦,全世界那么多台设备,难道一个一个去匹配?这显然不科学。
因此,需要将 IP 地址分成两种意义:
- 一个是网络号,负责标识该 IP 地址是属于哪个「子网」的;
- 一个是主机号,负责标识同一「子网」下的不同主机;
怎么分的呢?这需要配合子网掩码才能算出 IP 地址 的网络号和主机号。
举个例子,比如 10.100.122.0/24,后面的/24
表示就是 255.255.255.0
子网掩码,255.255.255.0 二进制是「11111111-11111111-11111111-00000000」,大家数数一共多少个1?不用数了,是 24 个1,为了简化子网掩码的表示,用/24代替255.255.255.0。
知道了子网掩码,该怎么计算出网络地址和主机地址呢?
将 10.100.122.2 和 255.255.255.0 进行按位与运算,就可以得到网络号
将 255.255.255.0 取反后与IP地址进行进行按位与运算,就可以得到主机号
那么在寻址的过程中,先匹配到相同的网络号(表示要找到同一个子网),才会去找对应的主机。
除了寻址能力, IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中,两台设备并不是用一条网线连接起来的,而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的,那么就会形成很多条网络的路径,因此当数据包到达一个网络节点,就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。
路由器寻址工作中,就是要找到目标地址的子网,找到后进而把数据包转发给对应的网络内。
路由器功能:分组转发、路由选择
网络接口层
IP 头部中的接收方 IP 地址表示网络包的目的地,通过这个地址我们就可以判断要将包发到哪里,但在以太网的世界中,这个思路是行不通的。
什么是以太网呢?电脑上的以太网接口,Wi-Fi接口,以太网交换机、路由器上的千兆,万兆以太网口,还有网线,它们都是以太网的组成部分。以太网就是一种在「局域网」内,把附近的设备连接起来,使它们之间可以进行通讯的技术。
以太网在判断网络包目的地时和 IP 的方式不同,因此必须采用相匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地,而 MAC 头部就是干这个用的,所以,在以太网进行通讯要用到 MAC 地址。
MAC 头部是以太网使用的头部,它包含了接收方和发送方的 MAC 地址等信息,我们可以通过 ARP 协议获取对方的 MAC 地址。
所以说,网络接口层主要为网络层提供「链路级别」传输的服务,负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包,工作在网卡这个层次,使用 MAC 地址来标识网络上的设备。
键入网址到网页显示,期间发生了什么?
HTTP
首先浏览器做的第一步工作就是要对 URL
进行解析,从而生成发送给 Web
服务器的请求信息。
对 URL
进行解析之后,浏览器确定了 Web 服务器和文件名,接下来就是根据这些信息来生成 HTTP 请求消息了。
有两种请求形式: GET 和POST区别:
- GET在浏览器回退时是无害的,而POST会再次提交请求。
- GET产生的URL地址可以被Bookmark,而POST不可以。
- GET请求会被浏览器主动cache,而POST不会,除非手动设置。
- GET请求只能进行url编码,而POST支持多种编码方式。
- GET请求参数会被完整保留在浏览器历史记录里,而POST中的参数不会被保留。
- GET请求在URL中传送的参数是有长度限制的,而POST没有。
- 对参数的数据类型,GET只接受ASCII字符,而POST没有限制。
- GET比POST更不安全,因为参数直接暴露在URL上,所以不能用来传递敏感信息。
- GET参数通过URL传递,POST放在Request body中
DNS
通过浏览器解析 URL 并生成 HTTP 消息后,需要委托操作系统将消息发送给 Web
服务器。
但在发送之前,还有一项工作需要完成,那就是查询服务器域名对应的 IP 地址,因为委托操作系统发送消息时,必须提供通信对象的 IP 地址。
有一种服务器就专门保存了 Web
服务器域名与 IP
的对应关系,它就是 DNS
服务器。
域名解析流程
那是不是每次解析域名都要经过那么多的步骤呢?
当然不是了,还有缓存这个东西的嘛。
浏览器会先看自身有没有对这个域名的缓存,如果有,就直接返回,如果没有,就去问操作系统,操作系统也会去看自己的缓存,如果有,就直接返回,如果没有,再去 hosts 文件看,也没有,才会去问「本地 DNS 服务器」。
TCP
我们先看看 TCP 报文头部的格式:
首先,源端口号和目标端口号是不可少的,如果没有这两个端口号,数据就不知道应该发给哪个应用。
接下来有包的序号,这个是为了解决包乱序的问题。
还有应该有的是确认号,目的是确认发出去对方是否有收到。如果没有收到就应该重新发送,直到送达,这个是为了解决不丢包的问题。
接下来还有一些状态位。例如 SYN
是发起一个连接,ACK
是回复,RST
是重新连接,FIN
是结束连接等。TCP 是面向连接的,因而双方要维护连接的状态,这些带状态位的包的发送,会引起双方的状态变更。
还有一个重要的就是窗口大小。TCP 要做流量控制,通信双方各声明一个窗口(缓存大小),标识自己当前能够的处理能力,别发送的太快,撑死我,也别发的太慢,饿死我。
除了做流量控制以外,TCP还会做拥塞控制,对于真正的通路堵车不堵车,它无能为力,唯一能做的就是控制自己,也即控制发送的速度。不能改变世界,就改变自己嘛。
TCP 传输数据之前,要先三次握手建立连接
在 HTTP 传输数据之前,首先需要 TCP 建立连接,TCP 连接的建立,通常称为三次握手。
- 一开始,客户端和服务端都处于
CLOSED
状态。先是服务端主动监听某个端口,处于LISTEN
状态。 - 然后客户端主动发起连接
SYN
,之后处于SYN-SENT
状态。 - 服务端收到发起的连接,返回
SYN
,并且ACK
客户端的SYN
,之后处于SYN-RCVD
状态。 - 客户端收到服务端发送的
SYN
和ACK
之后,发送对SYN
确认的ACK
,之后处于ESTABLISHED
状态,因为它一发一收成功了。 - 服务端收到
ACK
的ACK
之后,处于ESTABLISHED
状态,因为它也一发一收了。
所以三次握手目的是保证双方都有发送和接收的能力。
TCP 分割数据
如果 HTTP 请求消息比较长,超过了 MSS
的长度,这时 TCP 就需要把 HTTP 的数据拆解成一块块的数据发送,而不是一次性发送所有数据。
MTU
:一个网络包的最大长度,以太网中一般为1500
字节。MSS
:除去 IP 和 TCP 头部之后,一个网络包所能容纳的 TCP 数据的最大长度。
数据会被以 MSS
的长度为单位进行拆分,拆分出来的每一块数据都会被放进单独的网络包中。也就是在每个被拆分的数据加上 TCP 头信息,然后交给 IP 模块来发送数据。
TCP 协议里面会有两个端口,一个是浏览器监听的端口(通常是随机生成的),一个是 Web 服务器监听的端口(HTTP 默认端口号是 80
, HTTPS 默认端口号是 443
)。
在双方建立了连接后,TCP 报文中的数据部分就是存放 HTTP 头部 + 数据,组装好 TCP 报文之后,就需交给下面的网络层处理。
IP
我们先看看 IP 报文头部的格式:
在 IP 协议里面需要有源地址 IP 和 目标地址 IP:
- 源地址IP,即是客户端输出的 IP 地址;
- 目标地址,即通过 DNS 域名解析得到的 Web 服务器 IP。
因为 HTTP 是经过 TCP 传输的,所以在 IP 包头的协议号,要填写为 06
(十六进制),表示协议为 TCP。
MAC
生成了 IP 头部之后,接下来网络包还需要在 IP 头部的前面加上 MAC 头部。
MAC 包头格式
MAC 头部是以太网使用的头部,它包含了接收方和发送方的 MAC 地址等信息。
在 MAC 包头里需要发送方 MAC 地址和接收方目标 MAC 地址,用于两点之间的传输。
一般在 TCP/IP 通信里,MAC 包头的协议类型只使用:
0800
: IP 协议0806
: ARP 协议
MAC 发送方和接收方如何确认?
发送方的 MAC 地址获取就比较简单了,MAC 地址是在网卡生产时写入到 ROM 里的,只要将这个值读取出来写入到 MAC 头部就可以了。
接收方的 MAC 地址就有点复杂了,只要告诉以太网对方的 MAC 的地址,以太网就会帮我们把包发送过去,那么很显然这里应该填写对方的 MAC 地址。
所以先得搞清楚应该把包发给谁,这个只要查一下路由表就知道了。在路由表中找到相匹配的条目,然后把包发给 Gateway
列中的 IP 地址就可以了。
既然知道要发给谁,按如何获取对方的 MAC 地址呢?
此时就需要 ARP
协议帮我们找到路由器的 MAC 地址。
ARP 协议会在以太网中以广播的形式,对以太网所有的设备喊出:“这个 IP 地址是谁的?请把你的 MAC 地址告诉我”。
然后就会有人回答:“这个 IP 地址是我的,我的 MAC 地址是 XXXX”。
如果对方和自己处于同一个子网中,那么通过上面的操作就可以得到对方的 MAC 地址。然后,我们将这个 MAC 地址写入 MAC 头部,MAC 头部就完成了。
好像每次都要广播获取,这不是很麻烦吗?
放心,在后续操作系统会把本次查询结果放到一块叫做 ARP 缓存的内存空间留着以后用,不过缓存的时间就几分钟。
也就是说,在发包时:
- 先查询 ARP 缓存,如果其中已经保存了对方的 MAC 地址,就不需要发送 ARP 查询,直接使用 ARP 缓存中的地址。
- 而当 ARP 缓存中不存在对方 MAC 地址时,则发送 ARP 广播查询。
网卡(适配器)
网络包只是存放在内存中的一串二进制数字信息,没有办法直接发送给对方。因此,我们需要将数字信息转换为电信号,才能在网线上传输,也就是说,这才是真正的数据发送过程。
负责执行这一操作的是网卡,要控制网卡还需要靠网卡驱动程序。
网卡驱动获取网络包之后,会将其复制到网卡内的缓存区中,接着会在其开头加上报头和起始帧分界符,在末尾加上用于检测错误的帧校验序列。
最后网卡会将包转为电信号,通过网线发送出去。
网卡作用:
- 数据的封装与解封
发送时将上一层传递来的数据加上首部和尾部,成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部,然后送交上一层。
- 链路管理
主要通过CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,带冲突检测的载波监听多路访问)协议来实现。
- 数据编码与译码
即曼彻斯特编码与译码。其中曼彻斯特码,又称数字双向码、分相码或相位编码(PE),一种常用的的二元码线路编码方式之一,被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。
交换机
位于数据链路层
下面来看一下包是如何通过交换机的。交换机的设计是将网络包原样转发到目的地。交换机工作在 MAC 层,也称为二层网络设备。
交换机的包接收操作
首先,电信号到达网线接口,交换机里的模块进行接收,接下来交换机里的模块将电信号转换为数字信号。
然后通过包末尾的 FCS
校验错误,如果没问题则放到缓冲区。这部分操作基本和计算机的网卡相同,但交换机的工作方式和网卡不同。
计算机的网卡本身具有 MAC 地址,并通过核对收到的包的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的,如果不是发给自己的则丢弃;相对地,交换机的端口不核对接收方 MAC 地址,而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此,和网卡不同,交换机的端口不具有 MAC 地址。
将包存入缓冲区后,接下来需要查询一下这个包的接收方 MAC 地址是否已经在 MAC 地址表中有记录了。
交换机的 MAC 地址表主要包含两个信息:
- 一个是设备的 MAC 地址,
- 另一个是该设备连接在交换机的哪个端口上。
交换机根据 MAC 地址表查找 MAC 地址,然后将信号发送到相应的端口。
当 MAC 地址表找不到指定的 MAC 地址会怎么样?
地址表中找不到指定的 MAC 地址。这可能是因为具有该地址的设备还没有向交换机发送过包,或者这个设备一段时间没有工作导致地址被从地址表中删除了。
这种情况下,交换机无法判断应该把包转发到哪个端口,只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上,无论该设备连接在哪个端口上都能收到这个包。
这样做不会产生什么问题,因为以太网的设计本来就是将包发送到整个网络的,然后只有相应的接收者才接收包,而其他设备则会忽略这个包。
有人会说:“这样做会发送多余的包,会不会造成网络拥塞呢?”
其实完全不用过于担心,因为发送了包之后目标设备会作出响应,只要返回了响应包,交换机就可以将它的地址写入 MAC 地址表,下次也就不需要把包发到所有端口了。
局域网中每秒可以传输上千个包,多出一两个包并无大碍。
此外,如果接收方 MAC 地址是一个广播地址,那么交换机会将包发送到除源端口之外的所有端口。
路由器
路由器与交换机的区别
网络包经过交换机之后,现在到达了路由器,并在此被转发到下一个路由器或目标设备。
这一步转发的工作原理和交换机类似,也是通过查表判断包转发的目标。
不过在具体的操作过程上,路由器和交换机是有区别的。
- 因为路由器是基于 IP 设计的,俗称三层网络设备,路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址;
- 而交换机是基于以太网设计的,俗称二层网络设备,交换机的端口不具有 MAC 地址。
路由器基本原理
路由器的端口具有 MAC 地址,因此它就能够成为以太网的发送方和接收方;同时还具有 IP 地址,从这个意义上来说,它和计算机的网卡是一样的。
当转发包时,首先路由器端口会接收发给自己的以太网包,然后路由表查询转发目标,再由相应的端口作为发送方将以太网包发送出去。
路由器的包接收操作
首先,电信号到达网线接口部分,路由器中的模块会将电信号转成数字信号,然后通过包末尾的 FCS
进行错误校验。
如果没问题则检查 MAC 头部中的接收方 MAC 地址,看看是不是发给自己的包,如果是就放到接收缓冲区中,否则就丢弃这个包。
总的来说,路由器的端口都具有 MAC 地址,只接收与自身地址匹配的包,遇到不匹配的包则直接丢弃。
查询路由表确定输出端口
完成包接收操作之后,路由器就会去掉包开头的 MAC 头部。
MAC 头部的作用就是将包送达路由器,其中的接收方 MAC 地址就是路由器端口的 MAC 地址。因此,当包到达路由器之后,MAC 头部的任务就完成了,于是 MAC 头部就会被丢弃。
接下来,路由器会根据 MAC 头部后方的 IP
头部中的内容进行包的转发操作。
转发操作分为几个阶段,首先是查询路由表判断转发目标。
假设地址为 10.10.1.101
的计算机要向地址为 192.168.1.100
的服务器发送一个包,这个包先到达图中的路由器。
判断转发目标的第一步,就是根据包的接收方 IP 地址查询路由表中的目标地址栏,以找到相匹配的记录。
路由匹配和前面讲的一样,每个条目的子网掩码和 192.168.1.100
IP 做 & 与运算后,得到的结果与对应条目的目标地址进行匹配,如果匹配就会作为候选转发目标,如果不匹配就继续与下个条目进行路由匹配。
如第二条目的子网掩码 255.255.255.0
与 192.168.1.100
IP 做 & 与运算后,得到结果是 192.168.1.0
,这与第二条目的目标地址 192.168.1.0
匹配,该第二条目记录就会被作为转发目标。
实在找不到匹配路由时,就会选择默认路由,路由表中子网掩码为 0.0.0.0
的记录表示「默认路由」。
路由器的发送操作
接下来就会进入包的发送操作。
首先,我们需要根据路由表的网关列判断对方的地址。
- 如果网关是一个 IP 地址,则这个IP 地址就是我们要转发到的目标地址,还未抵达终点,还需继续需要路由器转发。
- 如果网关为空,则 IP 头部中的接收方 IP 地址就是要转发到的目标地址,也是就终于找到 IP 包头里的目标地址了,说明已抵达终点。
知道对方的 IP 地址之后,接下来需要通过 ARP
协议根据 IP 地址查询 MAC 地址,并将查询的结果作为接收方 MAC 地址。
路由器也有 ARP 缓存,因此首先会在 ARP 缓存中查询,如果找不到则发送 ARP 查询请求。
接下来是发送方 MAC 地址字段,这里填写输出端口的 MAC 地址。还有一个以太类型字段,填写 0800
(十六进制)表示 IP 协议。
网络包完成后,接下来会将其转换成电信号并通过端口发送出去。这一步的工作过程和计算机也是相同的。
发送出去的网络包会通过交换机到达下一个路由器。由于接收方 MAC 地址就是下一个路由器的地址,所以交换机会根据这一地址将包传输到下一个路由器。
接下来,下一个路由器会将包转发给再下一个路由器,经过层层转发之后,网络包就到达了最终的目的地。
可以发现,在网络包传输的过程中,源 IP 和目标 IP 始终是不会变的,一直变化的是 MAC 地址,因为需要 MAC 地址在以太网内进行两个设备之间的包传输。
互相扒皮 — 服务器 与 客户端
数据包抵达服务器后,服务器会先扒开数据包的 MAC 头部,查看是否和服务器自己的 MAC 地址符合,符合就将包收起来。
接着继续扒开数据包的 IP 头,发现 IP 地址符合,根据 IP 头中协议项,知道自己上层是 TCP 协议。
于是,扒开 TCP 的头,里面有序列号,需要看一看这个序列包是不是我想要的,如果是就放入缓存中然后返回一个 ACK,如果不是就丢弃。TCP头部里面还有端口号, HTTP 的服务器正在监听这个端口号。
于是,服务器自然就知道是 HTTP 进程想要这个包,于是就将包发给 HTTP 进程。
服务器的 HTTP 进程看到,原来这个请求是要访问一个页面,于是就把这个网页封装在 HTTP 响应报文里。
HTTP 响应报文也需要穿上 TCP、IP、MAC 头部,不过这次是源地址是服务器 IP 地址,目的地址是客户端 IP 地址。
穿好头部衣服后,从网卡出去,交由交换机转发到出城的路由器,路由器就把响应数据包发到了下一个路由器,就这样跳啊跳。
最后跳到了客户端的城门把守的路由器,路由器扒开 IP 头部发现是要找城内的人,于是又把包发给了城内的交换机,再由交换机转发到客户端。
客户端收到了服务器的响应数据包后,同样也非常的高兴,客户能拆快递了!
于是,客户端开始扒皮,把收到的数据包的皮扒剩 HTTP 响应报文后,交给浏览器去渲染页面,一份特别的数据包快递,就这样显示出来了!
最后,客户端要离开了,向服务器发起了 TCP 四次挥手,至此双方的连接就断开了。