TCP/IP五层模型详解

拈花ヽ惹草 提交于 2021-01-11 03:01:06

   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

  

一、物理层

  物理层由来:孤立的计算机之间必须完成组网。

  

  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

二、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

1、以太网协议

  分组方式后来形成了统一的标准,即以太网协议ethernet

(1)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                             

 

(2)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

(3)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(18+46),最长1518字节,超过最大限制就分片发送

2、mac地址:(局域网内广播时,根据mac地址定位)

  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):

  

3、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,基于MAC地址广播的方式进行通讯,即计算机通信基本靠吼。

  

三、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。

  世界大网络是由一个个彼此隔离的局域网组成,以太网包只能在局域网内发送,一个局域网是一个广播域。

  以太网的广播包只能在一个广播域内发送,跨广播域通信只能通过路由转发

  

  上图说明:需要方法区分哪些计算机是同一广播域,同一广播域则采用广播方式发送,否则采用路由方式(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

1、IP协议

  IP协议概念: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。

  IP协议的主要作用:

    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

2、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。

(1)子网掩码作用

  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

(2)是否在同一个子网络判断方法

  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。

比如,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。

3、IP地址

  IP地址范围:0.0.0.0-255.255.255.255
  IP地址格式:一个ip地址通常写成四段十进制数,例:172.16.10.1

(1)ip地址分两个部分

  • 网络部分:标识子网
  • 主机部分:标识主机

  区分网络位和主机位是为了划分子网,划分子网主要是为了避免广播风暴和地址浪费

  注意:单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类,从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网。例:172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

(2)ip地址分类

  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。

  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 。

  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。

  D类IP地址:D类地址第一个字节以“1110”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

  E类IP地址:以“llll0”开始,为将来使用保留。

(3)特殊地址

  全零地址:"0.0.0.0"对应当前地址。

  全“1”地址:"255.255.255.255"是当前子网的广播地址。

  回环地址:"127.0.0.1"即本机地址

(4)127.0.0.1与0.0.0.0区别

  环回接口(loopback):

  • 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。

4、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。

    

  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包,分开发送了。

5、ARP协议

  arp协议介绍:计算机通信依靠广播的方式,所有上层的包到最后都要封装以太网头,然后通过以太网协议发送。通信是基于mac的广播方式实现,但是计算机在发包时,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

  在以太网环境,为了正确地向目的主机传送报文,必须把目的主机的32位IP地址转换成为目的主机48位以太网的地址(MAC地址)。这就需要在互联层有一个服务或功能将IP地址转换为相应的物理地址(MAC地址),这个服务或者功能就是ARP协议。

  所谓的“地址解析”,就是主机在发送帧之前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址,查询目标设备的MA地址,以保证主机间相互通信的顺利进行。

(1)ARP工作示例

  例如:主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

  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

 

 

 

  然后分析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

 

 

  最后这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输,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

 6、ICMP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.

  ICMP(网络控制报文)协议一般用于检测网络是否通畅,基于ICMP协议的工具主要有Ping和traceroute。

(1)ping

  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。

(2)traceroute

  查看从当前主机到某地址一共经过多少跳路由.

四、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,再通过端口来标识主机上的应用程序。

  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

1、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。(流式协议,不间断发送)

  TCP可靠的缘故: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:

 

tcp的3次握手和4次挥手

  所谓三次握手(Three-way Handshake),是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务器总共发送3个包。

  首先Client端发送连接请求报文,Server段接受连接后回复ACK报文,并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文,并分配资源,这样TCP连接就建立了。

  TCP的连接的拆除需要发送四个包,因此称为四次挥手(four-way handshake)客户端或服务器均可主动发起挥手动作(中断连接),在socket编程中,任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。

  挥手过程:假设Client端发起中断连接请求,也就是发送FIN报文。Server端接到FIN报文后,意思是说"我Client端没有数据要发给你了",但是如果你还有数据没有发送完成,则不必急着关闭Socket,可以继续发送数据。所以你先发送ACK,"告诉Client端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息"。这个时候Client端就进入FIN_WAIT状态,继续等待Server端的FIN报文。当Server端确定数据已发送完成,则向Client端发送FIN报文,"告诉Client端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了"。Client端收到FIN报文后,"就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕Server端不知道要关闭,所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态,如果Server端没有收到ACK则可以重传。“,Server端收到ACK后,"就知道可以断开连接了"。Client端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,我Client端也可以关闭连接了。

 

2、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特点:

  • 传送数据前不需要建立连接。
  • 尽最大努力交付,无法保证数据准确交付到目标主机,也不需要对接收到的UDP报文进行确认。
  • 是面向报文的,将应用层传输的数据封装在UDP包内,不做拆分或合并。
  • 没有拥塞控制,因此UDP协议发送速率不受网络拥塞影响
  • 支持一对一、一对多、多对多的交互通信
  • UDP头部仅占用8个字节,占用较小

3、TCP和UDP对比总结

  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!

五、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,互联网是开发的,大家都可以开发自己的应用程序,数据多种多样,必须规定好数据的组织形式

  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”。

   

 

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