互联网协议认识

左心房为你撑大大i 提交于 2020-03-22 23:26:32

参考链接:

http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html

http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html

一张图大致了解互联网协议:

互联网有不同的模型,这里分为五层:

每一层都定义了很多协议,所有协议总称为“互联网协议”。

1.实体层

把电脑连接起来的物理手段(比如光纤、电缆、无线电波等),负责传送0和1 的电信号

2.连接层
确定0和1的分组方式
以太网(一种电信号分组方式)
以太网规定,一组电信好构成一个数据包,叫做"帧"(Frame)。每一帧分成两个部分:标头(Head)和数据(Data)。
标头主要包含一些说明数据(发送者和接收者信息),数据则是信息主体。
标头的长度,固定为18字节。数据的长度,最短为46字节,最长为1500字节。因此,整个帧最短为64字节,最长为1518字节。如果数据很长,就必须分割成多个帧进行发送。
注:以太网规定,连入网络的所有设备,都必须具有"网卡"接口。数据包必须是从一块网卡,传送到另一块网卡。网卡的地址,就是数据包的发送地址和接收地址,这叫做MAC地址。有了MAC地址,就可以定位网卡和数据包的路径了。
以太网数据包必须知道接收方的MAC地址,然后才能发送。
一块网卡如何确定另外一个网卡的地址(同一子网络):
ARP协议
系统如何把数据包准确的发送给接收者:
广播——向本网络内所有计算机发送,让每台计算机自己判断,是否为接收方。
上图中,1号计算机向2号计算机发送一个数据包,同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"标头",找到接收方的MAC地址,然后与自身的MAC地址相比较,如果两者相同,就接受这个包,做进一步处理,否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做"广播"(broadcasting)。
注:有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式,"链接层"就可以在同一子网络下的多台计算机之间传送数据了。
3.网络层
记住一句话:网络地址(IP)帮助我们确定计算机所在的子网络,MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此,从逻辑上可以推断,必定是先处理网络地址,然后再处理MAC地址。
根据MAC地址发送数据局限于同一子网络,如果不在一个子网络就接收不到数据,而且,如果同一子网络的计算机数量非常多的情况下,每个计算机都会接收到数据包,这种情况效率低下。
网络地址(区分不同计算机是否处于同一子网络)

于是,"网络层"出现以后,每台计算机有了两种地址,一种是MAC地址,另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系,MAC地址是绑定在网卡上的,网络地址则是管理员分配的。

网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络,MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此,从逻辑上可以推断,必定是先处理网络地址,然后再处理MAC地址。

IP协议(规定网络地址)32位二进制组成

IP地址分为两个部分,前一部分代表网络(长度不一),后一部分代表主机。处于同一个网络的计算机IP的网络部分一定相同,反之则不一定。

如何通过IP地址判断两个IP是否处于同一网络:

两个IP分别与子网掩码做AND运算(两个数位都为1,运算结果为1,否则为0),运算结果相同则证明处于同一网络。

子网掩码——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。如果已知IP地址的网络部分则可推算子网掩码。

注:IP协议的作用主要是为每台计算机分配IP地址和确定是否在同一网络。

IP数据包

根据IP协议发送的数据,也分标头和数据,把IP数据包放入以太网数据包的数据部分

注:IP数据包的"标头"部分的长度为20到60字节,整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此,理论上,一个IP数据包的"数据"部分,最长为65,515字节。前面说过,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包,分开发送了。

ARP协议

得到同一个子网络内的主机MAC地址,可以把数据包发送到任意一台主机之上,两台计算机必须处于同一网络

原理:ARP协议就是是发出一个数据包(包含在以太网数据包中),其中包含它所要查询主机的IP地址,在对方的MAC地址这一栏,填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF,表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机,都会收到这个数据包,从中取出IP地址,与自身的IP地址进行比较,如果两者相同,都做出回复,向对方报告自己的MAC地址,否则就丢弃这个包。

从IP地址得到MAC地址:

a.如果两台主机不在同一个子网络,那么事实上没有办法得到对方的MAC地址,只能把数据包传送到两个子网络连接处的"网关"(gateway),让网关去处理;

b.如果两台主机在同一个子网络,可以用ARP协议,得到对方的MAC地址。

4.传输层

有了MAC地址和IP地址,就可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

端口:区分数据包供哪一个程序使用

注:端口是0到65535之间的一个整数,正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用,用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天,应用程序会随机选用一个端口,然后与服务器的相应端口联系。

UDP协议

在IP数据包中加入端口信息,UDP数据包也包含标头和数据两部分

注:UDP数据包非常简单,"标头"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。

TCP协议

有确认接收机制的UDP协议

UDP协议的优点是比较简单,容易实现,但是缺点是可靠性较差,一旦数据包发出,无法知道对方是否收到。

注:TCP数据包和UDP数据包一样,都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。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。

"传输层"的功能,就是建立"端口到端口"的通信。相比之下,"网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信。只要确定主机和端口,我们就能实现程序之间的交流。

5.应用层

"应用层"的作用,就是规定应用程序的数据格式。

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"。

 

 

 

动态IP地址:

DHCP协议

协议规定,每一个子网络中,有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址,它叫做"DHCP服务器"。新的计算机加入网络,必须向"DHCP服务器"发送一个"DHCP请求"数据包,申请IP地址和相关的网络参数。

DHCP数据包

(1)最前面的"以太网标头",设置发出方(本机)的MAC地址和接收方(DHCP服务器)的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址,后者这时不知道,就填入一个广播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。

(2)后面的"IP标头",设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时,对于这两者,本机都不知道。于是,发出方的IP地址就设为0.0.0.0,接收方的IP地址设为255.255.255.255。

(3)最后的"UDP标头",设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的,发出方是68端口,接收方是67端口。

这个数据包构造完成后,就可以发出了。以太网是广播发送,同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF,看不出是发给谁的,所以每台收到这个包的计算机,还必须分析这个包的IP地址,才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0,接收方是255.255.255.255,于是DHCP服务器知道"这个包是发给我的",而其他计算机就可以丢弃这个包。接下来,DHCP服务器读出这个包的数据内容,分配好IP地址,发送回去一个"DHCP响应"数据包。这个响应包的结构也是类似的,以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址,IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址(发出方)和255.255.255.255(接收方),UDP标头的端口是67(发出方)和68(接收方),分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。新加入的计算机收到这个响应包,于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。

DNS协议

将这个网址转换成IP地址

 

 

 

 
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