网络初识之协议分层

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了网络初识之协议分层。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

目录

一、初始网络

1.网络通信基础

1.1 IP地址

1.2 端口号

1.3 认识协议

1.4 五元组

2. 协议分层

2.1 什么是协议分层

2.2 协议分层的好处

2.3 TCP/IP五层模型(最核心的概念)

3. 封装和分用

3.1 发送过程(以QQ发送消息为例)

3.2 接收过程

3.3 真实网络环境中要经理多节点进行转发


 文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-420582.html

一、初始网络

1.网络通信基础

1.1 IP地址

1️⃣IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备(如路由器)的网络地址。简单说,IP地址用于定位主机的网络地址

2️⃣IP地址是一个32位的二进制数,通常被分割为4个“8位二进制数”(也就是4个字节),如: 01100100.00000100.00000101.00000110。

3️⃣127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1;本机环回主要用于本机到本机的网络通信(系统内部为了性能,不会走网络的方式传输),对于开发网络通信的程序(即网络编程)而言,常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

1.2 端口号

在网络通信中,IP地址用于标识主机网络地址,端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。简单说:端口号用于定位主机中的进程

类似发送快递时,不光需要指定收货地址(IP地址),还需要指定收货人(端口号)

✨端口号是0~65535范围的数字,在网络通信中,进程可以通过绑定一个端口号,来发送及接收网络数据。

1.3 认识协议

协议,网络协议的简称,网络协议是网络通信(即网络数据传输)经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定,计算机之间才能相互通信交流。通常由三要素组成:

1️⃣语法:即数据与控制信息的结构或格式;

2️⃣语义:即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应;

3️⃣时序:即事件实现顺序的详细说明。

协议(protocol)最终体现为在网络上传输的数据包的格式

1.4 五元组

在TCP/IP协议中,用五元组来标识一个网络通信:

1. 源IP:标识源主机
2. 源端口号:标识源主机中该次通信发送数据的进程
3. 目的IP:标识目的主机
4. 目的端口号:标识目的主机中该次通信接收数据的进程
5. 协议号:标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

2. 协议分层

在网络通信中,需要约定的协议,其实是非常复杂的。面对复杂环境,就需要复杂协议,但是一个复杂的协议也是不好;那么我们就可以把一个协议拆分成多个协议:协议是拆分出很多存在小的协议,作用或者定位是类似的,就可以针对这些小协议进行“分层”,同时针对这些不同的类别进行分层(相当于是约定 层数 和 级数 之间的调用关系,要求上层协议调用下层协议,下层协议给上层提供支持,不能跨层调用

2.1 什么是协议分层

协议分层类似于打电话时,定义不同的层次的协议

2.2 协议分层的好处

网络初识之协议分层

1️⃣分层之后就可以做到 层次之间,耦合程度比较低;上层协议不必了解写层的细节,下层也不必了解上层的细节

2️⃣方便对某一层的协议进行替换

🌈分层最大的好处,类似于面向接口编程:定义好两层间的接口规范,让双方遵循这个规范来对接

在代码中,类似于定义好一个接口,一方为接口的实现类(提供方,提供服务),一方为接口的使用类(使用方,使用服务):

1️⃣对于使用方来说,并不关心提供方是如何实现的,只需要使用接口即可

2️⃣对于提供方来说,利用封装的特性,隐藏了实现的细节,只需要开放接口即可

2.3 TCP/IP五层模型(最核心的概念)

网络初识之协议分层

1️⃣应用层关注传输过来的数据要干啥

负责应用程序间沟通,如简单电子邮件传输(SMTP)、文件传输协议(FTP)、网络远程访问协议(Telnet)等。我们的网络编程主要就是针对应用层。

2️⃣传输层不考虑中间路径,只关注起点和终点

负责两台主机之间的数据传输。如传输控制协议 (TCP),能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。

3️⃣网络层主要负责两个遥远的节点之间 路径规划

负责地址管理和路由选择。例如在IP协议中,通过IP地址来标识一台主机,并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由)。路由器(Router)工作在网路层。

4️⃣数据链路层主要关注的是两个相邻节点之间的传输

负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。

有以太网、令牌环网,无线LAN等标准。交换机(Switch)工作在数据链路层

5️⃣物理层网络通信的基础设施,网络,光纤,网络接口...网络上的高速公路

负责光/电信号的传递方式。比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤,现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。

物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器(Hub)工作在物理层

3. 封装和分用

在协议分层的背景下,数据如何让通过网络传输?封装 和 分用

1.即发送方发送数据,要把数据从上到下,依次交给对应的层次的协议,进行封装

2.接收方收到数据,要把数据从上到下,依次交给对应的层次的协议,进行解析

3.1 发送过程(以QQ发送消息为例)

1️⃣应用层拿到用户数据,进行封装,封装成应用层数据包

网络初识之协议分层

2️⃣ 传输层拿到上述数据,应用层要调用传输层提供的 api ,来处理这个数据,传输层有很多协议,最典型的是 TCP 和 UDP,此处以 UDP 为例:

网络初识之协议分层

一个典型的据报都是通过报头+载荷的方式构成

此处,UDP协议再给应用层数据报加上 UDP 报头(本质上是字符串拼接),就是为了再贴一层标签,从而在标签上填写必要的属性;传输层协议最关键的属性就是源端口和目的端口

3️⃣ 传输层到网络层

UDP 数据报已经有了,接下来就要把这个数据报交给网络层的协议;网络层最常见的协议,就是 IP 协议;

上述 UDP 数据报,到达网络层,还需要进一步的封装:添加上 IP 协议报头

IP协议报头+整个 UDP 数据报,作为 IP 的载荷

IP协议报头有 1) 源IP 2) 目的IP (源IP 和目的IP 就描述了这次传输中,最初的起点和最终的终点)

整个 UDP 数据报有 1) 源端口(发送方程序的端口号) 2) 目的端口(接收方程序的端口号)

网络初识之协议分层

 4️⃣网络层交给数据链路层

最典型的协议,叫做 以太网(数据链路层+物理网)

以太网数据帧:以太网帧头+源IP、目的IP+源端口、目的端口+以太网帧尾

以太网帧头有 1) 源 mac(也叫物理地址,也是描述一个主机在网络上的位置,它的功能和ip很相似,但是当下就把这两个地址分别作用于不同的用途,IP用来进行网络层的路径规划)

                      2) 目的 mac 地址(mac用来进行描述数据链路层,两个即将进行传输的相邻节点)

网络初识之协议分层

 5️⃣数据链路层就要把上述以太网数据帧交给物理层,物理层要把上述 0101 的二进制数据 转化为 光信号/电信号/电磁波信号,进行传输

🌈上述过程操作系统已经封装好了

3.2 接收过程

与上述过程刚好相反——发送:从上到下,依次封装,新增报头 接收,从上到下,依次分用,去掉报头

1️⃣物理层(网卡):收到高低电平二进制数据,就会对这里的信号进行解析,还原成 0101 这样的二进制序列

2️⃣从物理层交给数据链路层

此时就把上述 0101 这系列数据当做一个 以太网数据帧(此处是从以太网线,收到的数据,就是要交给以太网协议来处理)

网络初识之协议分层

 把帧头去掉,帧尾去掉,取出中间的载荷,再往上交给网络层(以太网数据帧头中有一个消息类型,根据这个类型就知道网络层是 ip协议了)

3️⃣网络层

网络初识之协议分层

 此时就由网络层的 IP 协议进行解析数据报,也是去掉 IP 报头,同时会做一些工作,最重要的还是取出 载荷,交给更上层的传输层协议

(ip 数据报,报头中也有一个字段,标识当前传输层用的是哪个协议)

4️⃣传输层

网络初识之协议分层此处是由 UDP 来解析,还是去掉报头,取出载荷,把数据交给应用层;借助端口来区分具体的应用程序;每个要接收网络数据的程序都需要关联上一个端口号

 5️⃣应用层

网络初识之协议分层

 由 qq 这个程序,进行解析应用层数据报,取出下列字段,放在程序的界面中

发送方:层次分装;接收方:层次分用

3.3 真实网络环境中要经理多节点进行转发

网络初识之协议分层

中间的交换机,只需要封装分用到 数据链路层(只需要改源 mac 目的 mac)

中间的路由器,则需要分装分用到 网络层(也需要改 mac,同时还需要根据目的 ip 进行下一阶段的路径规划)

通常也说:交换机是进行“二层转发”,路由器进行“三层转发

 上述内容说的是“经典”的交换机路由器,也就是出现在教科书/考试试卷上的交换机路由器;但实际上,真实世界的路由器/交换机 之间的越界越来越小了;路由器可以通过设定特殊模式,只进行二层转发,交换机也有高端交换机,支持三层转发,甚至路由器/交换机还可以封装分用到 传输层 甚至 应用层

 

 

 

 

 

到了这里,关于网络初识之协议分层的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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