2 TCP、IP各层介绍

TCP/IP五层模型讲解

我们将应用层,表示层,会话层并作应用层,从tcp/ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能,搞清楚了每层的主要协议

就理解了整个互联网通信的原理。

首先,用户感知到的只是最上面一层应用层,自上而下每层都依赖于下一层,所以我们从最下一层开始切入,比较好理解

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

物理层

物理层由来:上面提到,孤立的计算机之间要想一起玩,就必须接入internet,言外之意就是计算机之间必须完成组网

2 TCP、IP各层介绍_第1张图片

物理层功能:主要是基于电器特性发送高低电压(电信号),高电压对应数字1,低电压对应数字0

数据链路层

数据链路层由来:单纯的电信号0和1没有任何意义,必须规定电信号多少位一组,每组什么意思

数据链路层的功能:定义了电信号的分组方式

以太网协议:

早期的时候各个公司都有自己的分组方式,后来形成了统一的标准,即以太网协议ethernet

ethernet规定

  • 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 data

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,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由来: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)

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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)

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

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网络层(

网络层由来:有了ethernet、mac地址、广播的发送方式,世界上的计算机就可以彼此通信了,问题是世界范围的互联网是由

一个个彼此隔离的小的局域网组成的,那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式,那么一台机器发送的包全世界都会收到,

这就不仅仅是效率低的问题了,这会是一种灾难

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上图结论:必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域,哪些不是,如果是就采用广播的方式发送,如果不是,

就采用路由的方式(向不同广播域/子网分发数据包),mac地址是无法区分的,它只跟厂商有关

网络层功能:引入一套新的地址用来区分不同的广播域/子网,这套地址即网络地址

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:172.16.10.1

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。

子网掩码是用来标识一个IP地址的哪些位是代表网络位,以及哪些位是代表主机位。子网掩码不能单独存在,它必须结合IP地址一起使用。子网掩码只有一个作用,就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。

蒙蔽的你肯定想问,我要区分网络位和主机位干鬼用?

这就像寄信,你给你的南方姑娘寄信,她肉身在厦门,详细地址是厦门鼓浪屿三街27号,那网络位就相当于城市,详细地址就是主机位,网络位帮你定位到城市,主机位帮你找到你的南方姑娘。 路由器通过子网掩码来确定哪些是网络位,哪些是主机位

区分网络位和主机位是为了划分子网,就是把一个大网络分成多个小网络,为什么要分子网呢?

  • 广播风暴:6万台主机在一个网段里,通信基本靠吼,任何一个人要吼一嗓子,6万多个人必须被动听着,一会你的网络就瘫痪啦。
  • 地址浪费:运营商在公网上有很多级联的路由器,有时候2个路由器之间只会用掉几个IP,如果不进行子网划分,那同网段的其它主机也就都不能用了。举例两个级联路由器的接口ip分别为222.34.24.12/24,222.34.24.13/24, 此可承载255个主机的网段只用了2个IP,那其它的就全浪费了,因为不能再分配给别人。

划分子网本质上就是借主机位到给网络位,每借一位主机位,这个网段的可分配主机就会越少,比如192.168.1.0/24可用主机255个,借一位变成192.168.1.0/25,那可用主机就从255-128=127个了(从最大的值开始借),再借一位192.168.1.0/26,那可用主机数就变成了255-(128+64)=63个啦

IP地址分类:

IP地址根据网络ID的不同分为5种类型,A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。

  1. A类IP地址:一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成,网络地址的最高位必须是“0”, 地址范围从1.0.0.0 到126.0.0.0。可用的A类网络有126个,每个网络能容纳1亿多个主机。
  2. B类IP地址 :一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成,网络地址的最高位必须是“10”,地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B类网络有16382个,每个网络能容纳6万多个主机 。
  3. C类IP地址:一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成,网络地址的最高位必须是“110”。范围从192.0.0.0到223.255.255.255。C类网络可达209万余个,每个网络能容纳254个主机。
  4. D类地址用于多点广播(Multicast): D类IP地址第一个字节以“lll0”开始,它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络,目前这一类地址被用在多点广播(Multicast)中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机,它标识共享同一协议的一组计算机。
  5. E类IP地址 以“llll0”开始,为将来使用保留。

全零(“0.0.0.0”)地址对应于当前主机。全“1”的IP地址(“255.255.255.255”)是当前子网的广播地址。

回环地址(127.0.0.1) 又称为本机地址,那它跟0.0.0.0是什么区别呢?那得先了解回环接口

2 TCP、IP各层介绍_第5张图片

环回接口(loopback)。平时我们用127.0.0.1来尝试自己的机器服务器好使不好使。走的就是这个loopback接口。对于环回接口,有如下三点值得注意:

  • 传给环回地址(一般是127.0.0.1)的任何数据均作为IP输入。
  • 传给广播地址或多播地址的数据报复制一份传给环回接口,然后送到以太网上。这是 因为广播传送和多播传送的定义包含主机本身。
  • 任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。
IP报文

IP协议是TCP/IP协议的核心,所有的TCP,UDP,IMCP,IGCP的数据都以IP数据格式传输,要注意的是,IP不是可靠的协议,这是说,IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制--这被认为是上层协议--TCP或UDP要做的事情。所以这也就出现了TCP是一个可靠的协议,而UDP就没有那么可靠的区别。这是后话,暂且不提。

IP协议头

2 TCP、IP各层介绍_第6张图片

挨个解释它是教科书的活计,我感兴趣的只是那八位的TTL字段,还记得这个字段是做什么的么?这个字段规定该数据包在穿过多少个路由之后才会被抛弃(这里就体现出来IP协议包的不可靠性,它不保证数据被送达),某个ip数据包每穿过一个路由器,该数据包的TTL数值就会减少1,当该数据包的TTL成为零,它就会被自动抛弃。这个字段的最大值也就是255,也就是说一个协议包也就在路由器里面穿行255次就会被抛弃了,根据系统的不同,这个数字也不一样,一般是32或者是64

ARP协议

arp协议由来:计算机通信基本靠吼,即广播的方式,所有上层的包到最后都要封装上以太网头,然后通过以太网协议发送,在谈及以太网协议时候,我门了解到

通信是基于mac的广播方式实现,计算机在发包时,获取自身的mac是容易的,如何获取目标主机的mac,就需要通过arp协议

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

协议工作方式:每台主机ip都是已知的

例如:主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

一:首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

场景 数据包地址
同一子网 目标主机mac,目标主机ip
不同子网 网关mac,目标主机ip

二:分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络,那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

源mac 目标mac 源ip 目标ip 数据部分
发送端主机 发送端mac FF:FF:FF:FF:FF:FF 172.16.10.10/24 172.16.10.11/24 数据

三:这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输,所有主机接收后拆开包,发现目标ip为自己的,就响应,返回自己的mac

查看本机arp表的命令

Alexs-MacBook-Pro:~ alex$ arp -a
? (192.168.0.3) at 0:21:cc:65:52:f0 on en4 ifscope [ethernet]
? (192.168.0.64) at 68:f7:28:d0:4b:21 on en4 ifscope [ethernet]
? (192.168.0.233) at 84:d9:31:3:ae:8b on en4 ifscope [ethernet]
? (192.168.0.254) at 60:da:83:be:c2:5a on en4 ifscope [ethernet]
? (192.168.0.255) at (incomplete) on en4 ifscope [ethernet]
? (224.0.0.251) at 1:0:5e:0:0:fb on en4 ifscope permanent [ethernet]

ICMP

前面讲到了,IP协议并不是一个可靠的协议,它不保证数据被送达,那么,自然的,保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成。其中一个重要的模块就是ICMP(网络控制报文)协议。

当传送IP数据包发生错误--比如主机不可达,路由不可达等等,ICMP协议将会把错误信息封包,然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会.

我们一般主要用ICMP协议检测网络是否通畅,基于ICMP协议的工具主要有ping 和traceroute

ping

Alexs-MacBook-Pro:~ alex$ ping www.baidu.com
PING www.a.shifen.com (111.13.100.91): 56 data bytes
64 bytes from 111.13.100.91: icmp_seq=0 ttl=54 time=6.563 ms
64 bytes from 111.13.100.91: icmp_seq=1 ttl=54 time=6.320 ms
64 bytes from 111.13.100.91: icmp_seq=2 ttl=54 time=6.698 ms
64 bytes from 111.13.100.91: icmp_seq=3 ttl=54 time=6.445 ms
^C
--- www.a.shifen.com ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 6.320/6.506/6.698/0.140 ms

ping这个单词源自声纳定位,而这个程序的作用也确实如此,它利用ICMP协议包来侦测另一个主机是否可达。原理是用类型码为0的ICMP发请 求,受到请求的主机则用类型码为8的ICMP回应。ping程序来计算间隔时间,并计算有多少个包被送达。用户就可以判断网络大致的情况。我们可以看到, ping给出来了传送的时间和TTL的数据。

traceroute

用来查看从当前主机到某地址一共经过多少跳路由

$ traceroute www.baidu.com

traceroute: Warning: www.baidu.com has multiple addresses; using 111.13.100.91
traceroute to www.a.shifen.com (111.13.100.91), 64 hops max, 52 byte packets
 1  192.168.0.254 (192.168.0.254)  0.458 ms  0.274 ms  0.246 ms
 2  122.71.64.1 (122.71.64.1)  2.006 ms  1.788 ms  1.626 ms
 3  * 222.35.254.253 (222.35.254.253)  2.024 ms  2.243 ms
 4  222.35.254.241 (222.35.254.241)  9.333 ms
    61.233.9.50 (61.233.9.50)  4.960 ms
    61.233.9.93 (61.233.9.93)  3.010 ms
 5  61.237.2.202 (61.237.2.202)  3.442 ms  3.497 ms

 ......

传输层

传输层的由来:网络层的ip帮我们区分子网,以太网层的mac帮我们找到主机,然后大家使用的都是应用程序,你的电脑上可能同时开启qq,暴风影音,迅雷等多个应用程序,

那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机,如何标识这台主机上的应用程序呢?答案就是端口,端口即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

传输层有两种协议,TCP和UDP,见下图

2 TCP、IP各层介绍_第7张图片

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。

以太网头 ip 头 tcp头 数据

为什么tcp是可靠的数据传输呢?

最可靠的方式就是只要不得到确认,就重新发送数据报,直到得到对方的确认为止。

tcp报文

2 TCP、IP各层介绍_第8张图片

tcp的3次握手和4四挥手

2 TCP、IP各层介绍_第9张图片

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。

以太网头 ip头 udp头 数据

总结

TCP协议虽然安全性很高,但是网络开销大,而UDP协议虽然没有提供安全机制,但是网络开销小,在现在这个网络安全已经相对较高的情况下,为了保证传输的速率,我们一般还是会优先考虑UDP协议!

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