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腦殘式網絡編程入門(七):面視必備,史上最通俗計算機網絡分層詳解
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1、引言


整個暑假去面試,面試了很多家公司(無論是小廠還是大廠)問到的深度不同,網絡原理是面試最容易問到的問題,雖然我們在項目中很少去實踐它,但是了解其原理,會讓我們背后網絡通信是如果工作的,既能在面試官面前體現出你的基礎是否扎實,也能對以后深入網絡這部分學習有更多的了解。

很多同學面試在準備這部分的時候,都會去背,這部分確實很難掌握,我個人總結的最好的學習網絡原理的方法就是不用刻意的去記憶而是完全的結合實際去講整個原理融會貫通。雖然一開始學習起來很吃力,但是稍微用點心,多看幾遍,多問自己為什么,把自己當做是開發網絡原理的開發者,面試前的準備只要理清邏輯就足夠了,而不是去背這部分內容。

而且這部分相同的知識點面試官有多種提問方式,但是其中很多都是換湯不換藥。我記得最多的問的是輸入URL,到頁面呈現出來,其中經歷了什么?這道面試題的背后,涉及到了很多網絡原理的知識,我們這篇文章不會全部分享到,而是先把由來和網絡層次劃分弄清楚,就完成了這篇文章的目的。

相關文章:


2、關于作者


小鹿(前端工程師):


3、系列文章


本文是系列文章中的第7篇,本系列大綱如下:


4、為什么要進行網絡層次劃分?


說到網絡層次劃分并不陌生,我剛剛接觸到網絡層次的時候一臉懵逼,這么多層,一層不就行了嘛?層與層之間好多協議,還有各種數據包,第一次我放棄了。

當我從新拾起網絡層次的時候,我下定決心從根上理解它。首先弄明白它的原理,那必定要知道它的由來,也就是為什么要進行網絡層次劃分?這個問題問的好。

假如“小鹿”是網絡的開發人員,起初認為計算機與計算機之間的通信只需要一根線就可以完成通信,對沒錯,但是世界那么大,那么多計算機,距離又遠,不但浪費線,還沒出現各種線被你偷偷剪斷的情況,毋庸置疑,那計算機之間通信就不行了。(后邊出來了無線網,雖然其中網關、路由之間也需要連線,但不是讓每臺計算機兩兩連接,而是一個區域為單位計算機相互連接通信

不行,老板說,“小鹿”你給我想法子改,改不出來今晚不能睡覺,“小鹿”仔細想了想,這還是個技術活,需要進行全面的改進,也發現所謂的計算機之間的連線只能傳送0、1信號,另一臺計算并不知道那么多0、1代表什么,而且“小鹿”又發現不同廠商的生產的計算機既然有連線實現通信也是很麻煩的,干脆定義一套規則吧,無論“某碩”計算機還是“某想”計算機,都必須遵守這套規則,其實所說的這套規則就是我們經常說的“網絡協議”。

不是說網絡層次的由來嗎,怎么講到網絡協議了。咱們繼續,通過上面的問題,那個計算機之間通過連線傳送0、1信號的問題雖然規定了通信規則,但是除了像0、1這種無意義的信號之外,網絡中還存在著其他各種各樣的問題,兩個計算機之間怎么進行識別?以及怎么才能知道對方的地址?以及不同計算機應用程序怎么知道是給自己傳遞的數據,還有不同的通信數據格式怎么來規定等等一系列的問題都出來了。

“小鹿”發現,如果各種問題都寫成一套協議來規定雙方通信的規則,但是呢?萬一其中哪些規則通信中出現問題,影響到了其他規則,最常見的就是數據包,一個數據包中如果包含各種各樣的協議,不就亂套了。

“小鹿”為了能夠把它設計的更好,決定采用分層劃分的結構,既能規定不同層的完成的功能,又能實現層與層之間的改動而不相互影響,這就是我們經常聽到網絡劃分層次的好處。

5、網絡分層是如何進行分層的?


既然我們決定要分層,那么分為幾層才好呢?

起初網絡分層是標準的七層,也就是我們所說的 OSI 七層模型。

腦殘式網絡編程入門(七):面視必備,史上最通俗計算機網絡分層詳解_1.jpg
▲ OSI參考模型或七層模型

我們所知道的還有 TCP/IP 四層模型和 TCP/IP 五層模型。這又是怎么出來的,其實所謂的 TCP/IP 四層模型和 TCP/IP 五層模型是以 OSI 七層優化而來,把某些層進行合并了,其實本質上還是相同的,但是我個人最喜歡用五層來解釋。

腦殘式網絡編程入門(七):面視必備,史上最通俗計算機網絡分層詳解_2.jpg
▲ 五層模型

6、每一層的作用是什么?


這一部分涉及到每一層的很多協議和知識點,但是我們這一節不具體分享,為什么?我們具體深入之前必須大腦里有個具體的網絡分層結構圖,先要知道每層是做什么的,層與層之間的關系,然后下一節再深入每層中的每個協議怎么通信的,這樣的好處學起來條理清晰,而不至于當時我學習的時候表面還不懂,就深入最后懵逼狀態。

6.1物理層


物理層,顧名思義,用物理手段將電腦連接起來,就像我們上邊講到的計算機之間的物理連線。主要用來傳輸0、1信號,上邊也分析過了,0、1信號畢竟沒有任何的現實意義,所有我們用另一層用來規定不同0、1組合的意義是什么。

6.2數據鏈路層


下層的物理層既然不能規定不同0、1組合的信號代表什么意義,那么我們在數據鏈路層規定一套協議,專門的給0、1信號進行分組,以及規定不同的組代表什么意思,從而雙方計算機都能夠進行識別,這個協議就是“以太網協議”(具體的以太網協議內容下節內容詳細講解)。

但是問題又來了,我們要發送給對方計算機,怎么標識對方以及怎么知道對方的地址呢?

6.2.1)MAC 地址:

我們所說的MAC地址到底的作用是啥?說白了它就是作為網絡中計算機設備的唯一標識,從計算機在廠商生產出來就被十六進制的數標識為MAC地址。

既然我們知道了用MAC地址作為標識,那么怎么才能知道我們要進行通信的計算機MAC地址呢?

6.2.2)廣播:

這里廣播詳細的在下一節講,這一節你只需要知道廣播可以幫助我們能夠知道對方的 MAC 地址。那么既然知道了MAC地址就可以通信了?沒有想得那么簡單,廣播中還存在兩種情況,一種是,在同一子網絡下(同一局域網下)的計算機是通過 ARP 協議獲取到對方 MAC地址的。不同自網絡中(不同局域網)中是交給兩個局域網的網關(路由器)去處理的。這里邊涉及到很多細節的知識,都會集中到下一節,但是這一節你了解怎么進行標識計算機和怎么獲取到MAC地址就可以了。

6.3網絡層


物理層和數據鏈路層都有自己的事情要做,也就是我們上邊所講到的這些(里邊很多細節不在這節多說)。上邊兩層在我看來可以完成正常通信了,那么網絡層出來干啥子?

網絡層的由來是因為在數據鏈路層中我們說說兩臺計算機之間的通信是分為同一子網絡和不同子網絡之間,那么問題就來了,怎么判斷兩臺計算機是否在同一子網絡(局域網)中?這就是網絡層要解決的問題。

6.3.1)IP 協議:

我們通常用到的 IP 地址,就是網絡層中的東西,所規定的的協議就是 IP 協議。很多小伙伴問,IP 地址想必也是地址吧,上邊都有唯一標識的 MAC 地址了,IP 地址出來是混飯吃的?為了能夠讓大家更方便的理解 IP 地址和 MAC 地址,我們可以將 IP 地址抽象成一種邏輯上的地址,也就是說 MAC 地址是物理上的地址,就是定死了。IP 地址呢,是動態分配的,不是固定死的。

我們就是通過 IP 地址來判斷兩個計算機設備是否在同一子網絡中的,那么你會問它是怎么判斷的,以及 IP 地址誰給他分配的?又是如何分配的等一些列問題,我們不著急,這里只說一下大體的流程,詳細會后續寫一大篇。

既然我們通過 IP 地址來判斷兩個計算機是否處于同一局域網中,那么首先要知道對方的 IP 地址吧?DNS 解析想必大家都知道,可以將域名解析為 IP 地址。好了,我們知道兩臺計算機的 IP 地址了,怎么進行判斷是否同一局域網中?

6.3.2)子網掩碼:

嘿嘿,又是一個只聽說過,但是不知道這個什么作用的一個名詞,沒事,等我聊完,你就明白是做什么的了。

子網掩碼就是用來標識同一局域網中的 IP 地址的信息的?什么信息?IP 地址是由 32 個二進制位組成的,也就是四個十進制(如:255.255.255.000)。

子網掩碼也是由 32 個二進制位組成的,但是只能用 0 或 1 來表示,如:11111111.11111111.11111111.00000000

到底什么意思呢?有 1 的部分表示網絡部分,有 0 表示主機部分,這和判斷兩臺計算機是否在同一局域網中有什么關系?沒錯,是有關系的!兩臺計算機的 IP 地址分別和子網掩碼進行一種運算(AND 運算),如果結果相同,兩臺計算機就在同一局域網中,否則就不在同一局域網中。

AND 是如何進行運算的,IP 的數據包的組成等問題,不在這里多陳述。

6.4傳輸層


好了,如果你認為計算機可以進行通信了,那么“小鹿”恭喜你,你已經基本知道了以上幾層劃分的作用,但是如果你正在一邊打 LOL,一邊和朋友在 QQ 聊天,突然,游戲中隊友聊天信息出現在了 QQ 窗口中,咦?出現了什么情況?

其實是以上層級還是不夠,出現上邊的原因就是,兩臺計算機雖然可以通信了,但是每天計算機運行著好多的程序,誰知道你們傳輸的信息是屬于哪些程序的,怨不得 LOL 的聊天信息跑到了 QQ 窗口中。

想必大家猜到了傳輸層主要用來干啥滴,是的,傳輸層的主要功能就是為了能夠實現“端口到端口”的通信。計算機上運行的不同程序都會分配不同的端口,所以才能使得數據能夠正確的傳送給不同的應用程序。

6.4.1)UDP 協議:

加入端口號也需要一套規則,那就是 UDP 協議,但是 UDP協議有個缺點,一旦進行通信,就不知道對方是否接收到數據了,我們再定義一套規則,讓其可以和對方進行確認,那么 TCP 出現了。

6.4.2)TCP 協議:

我們通常說 TCP 三次握手和四次揮手,沒錯,這就是傳輸層中完成的,TCP 三次握手涉及到的內容賊多,都可以單獨寫一篇長文,這里不多陳述,知道它是在傳輸層中完成的以及它的作用是什么,能夠認識到它就好了。

6.5應用層協議


“喂,你發給我的是什么破數據,亂七八糟的,我TM能解析嗎?能不能按照我的規定給我傳送?“

“好的,下次不敢了”

想必大家已經猜到了應用層的協議,應用層的功能就是規定了應用程序的數據格式。我們經常用得到的電子郵件、HTTP協議、以及FTP數據的格式,就是在應用層定義的。

7、每一層的的功能細節是什么?


前面章節主要分享了網絡分層的基本概念,為什么要進行網絡分層?又是如何進行分層?每一層的基本功能是什么?而且對于每一層的的功能細節方面,比如數據包的組成以及每層包含的一些協議的使用都沒有細說,那么本節將繼續分享網絡分層每層中協議等深入講解。(PS:可能里邊有的講解不正確,還請大佬指出改正

7.1物理層


物理層里邊涉及到最多的是硬件底層的一些內容,沒有需要過多了解的內容,我們直接看數據鏈路層。

7.2數據鏈路層


上回講到數據鏈路層中規定的“以太網協議”來規定電信號的分組形式,什么是以太網,以太網的數據包是什么樣子的?

7.2.1)以太網協議:

以太網規定,每組的電信號就是一個數據包,每個數據包我們可以成為“幀”。每幀的組成是由標頭(Head)和數據(Data)組成。

腦殘式網絡編程入門(七):面視必備,史上最通俗計算機網絡分層詳解_3.jpg

那么你會問,標頭里有什么信息?Data 數據又會存放寫什么?為什么分為兩部分?放在一塊不好嗎?

a)標頭:

為什么傳輸數據會有標頭,我們想呀,在傳輸數據的時候,接收端怎么判斷是不是給自己發送的,那么就只取出標頭來進行判斷。
數據包的標頭中通常會存放一些有關數據包的說明、發送者是誰、接受者又是誰等相關識別信息。
標頭的長度固定為 18 字節,也就是說,一些標頭識別信息的大小不能超過 18 字節。


b)數據:

數據,顧名思義,你要傳輸給接收端什么數據都會放到數據包中,也就是整個數據包的具體內容,比如文件、字符串之類的。
數據部分的長度最小至少為 46 個字節,最長 1500 字節。我們可能會想到,如果小于 46 字節沒啥問題可以存放開,那么大于 1500 字節怎么處理呢?很簡單,我們就分成兩個包處理(分割),兩個包存放不下就分割成三個包…


7.2.2)廣播:

上回說到,廣播的作用就是用來查找接收端的 MAC 地址,從而進行下一步的數據傳輸。注意,廣播只是一種發送數據的形式,而計算機想要知道另一臺計算機的 MAC 地址是通過 ARP 協議解決的,ARP 協議會在講完 IP 協議后再說,因為它會涉及到 IP 協議的一點內容,現在講可能會有點亂。

如果你覺的上邊稍微有點亂,那怎們稍微屢一下,我們想要發送數據,首先要知道對方的唯一標識(MAC 地址),要想知道對方的 MAC 地址,需要使用 ARP 協議,假設我們通過 ARP 協議拿到了接收方的 MAC 地址。

我們開始發送數據,將發送方的 MAC 地址和接收方的 MAC 地址封裝在數據包中,然后發送端向同一子網絡中(同一局域網)中的所有計算機發送該數據包,所有的計算機接收到該包之后,就對數據包的頭部進行提取,提取出里邊封裝好的接收端 MAC 地址和自己的 MAC 地址作比對,如果相同,就說明該數據包是給自己發送的,否則,就會丟棄該數據包,這個過程就是廣播的過程。

上一篇文章在這個地方留下的一個問題就以上是在同一局域網中,如果不在同一局域網中我們怎么處理?我們平常使用無線網都知道每個無線局域網都會有一個路由器,我們先通過以上的方法將數據發送到路由器,然后路由器轉發數據到其他局域網中的計算機。

7.3網絡層


網絡層中最重要的一個協議就是 IP 協議,我們一般發送端給服務端發送數據同時要知道兩個地址才能準確送達到對方,分別為 IP 地址和 MAC 地址。停!stop! 上邊講到的明明知道對方的 MAC 地址就可以傳輸數據了,為什么現在需要兩個地址呢?你給我說明白,說不明白取關!

上邊確實是一個 MAC 地址就可以通信,但是前提是通過 ARP 協議獲得的 MAC 地址,而 ARP 協議正是利用的接收端的 IP 地址才獲取到接收端的 MAC 地址的,所以這兩個地址很重要,那么如果實現的,下邊會繼續講。

7.3.1)IP 協議:

IP 的數據包是直接放入到以太網數據包的“數據”部分的,這樣做有一個好處就是“上層的變動完全涉及不到下層的結構”。然后數據包就變成這個樣子了。

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IP 數據包也分為標頭(Head)和數據(Data)兩部分:

  • 1)標頭:IP 數據包的標頭是 20 ~ 60 字節,主要包括版本、IP 地址等信息;
  • 2)數據:數據的最大長度為 65515 字節。整個 IP 數據包的最大總長度為 65535 字節。主要存放 IP 數據包的具體內容。

問題來了,以太網的數據部分最長為 1500 字節,你把一個長度為 65535 字節的 IP 數據包放到以太網的數據包匯總,不會被撐破嗎?你在逗我么?確實是呀,那我們就分割數據包吧,分割成幾個以太網數據包分開發送。

7.3.2)AND 運算:

IP 協議上篇文章中最重要的作用就是判斷兩個設備是否屬于同一子網中(同一局域網中)。

將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算(兩個數位都為1,運算結果為1,否則為0),然后比較結果是否相同,如果是的話,就表明它們在同一個子網絡中,否則就不是。

我們可以通過 DNS 解析知道對方的 IP ,除了判斷兩個計算機是否在同一局域網中,還有一個作用就是然后通過 ARP 協議獲取到對方的 MAC 地址。停!真想讓我取關嗎?ARP 就 TN 的說了多少遍了,該詳細說一下了吧?

7.3.3)ARP 協議:

前提:對方的 IP 地址是已知的,通過 DNS 解析得到。

ARP 協議發出一個數據包,包含在以太網的數據包中(其中包含對方的 IP 地址,對方的 MAC 地址欄是 FF:FF:FF:FF:FF:FF)。子網絡中的每臺主機都會收到這個包,然后從中取出 IP 地址與自身對比,如果兩者相同,都做出回復,向對方報告自己的 MAC 地址,否則就丟棄這個包。

7.4傳輸層


傳輸層主要涉及到兩個重要協議,UDP 和 TCP 協議,上篇講過主要用來確定端口到端口的通信,計算機中不同運行的程序端口號不相同。

"端口"是 0 到 65535 之間的一個整數,正好 16 個二進制位。0 到 1023的端口被系統占用,我們只能選用大于1023 的端口。

7.4.1)UDP 協議:

UDP 協議也分為標頭(Head)和數據(Data)兩部分:

  • 1)標頭:標頭的長度為 8 字節。主要存放了發送和接收端口號;
  • 2)數據:數據部分和標頭部分的總長度不超過 65535 字節,正好放進一個IP數據包。

前邊也講過,數據包之間是包含關系的,所以 UDP 的數據包是放到 IP 數據包的“數據”部分的,IP 數據包又放在以太網數據包的“數據”部分的。

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7.4.2)TCP 協議:

TCP 和 UDP 是相同的,上一篇講了 UDP 和 TCP 的優缺點,TCP 保證了網絡的可靠性,TCP 三次握手和四次揮手就是這部分內容。

TCP 的數據包和 UDP 相同嵌入在 IP 協議的“數據”部分,TCP 并沒有長度限制,但是為了保證傳輸效率,肯定要進行限制的,TCP 的數據包的長度一般不會超過 IP 數據包的長度了,保證單個的 TCP 數據包不再進行分割。

7.5應用層


應用層是最高一層,直接面向用戶,它的數據包會放在 TCP 的數據包的“數據”部分,那么整個五層的數據包就會變成一下這樣。

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以上五層中的內容基本講完了,我是從下到上逐層寫的,這篇文章可以讓你入門網絡五層協議的基本內容了。

8、寫在最后


如果本文內容看完,還是有點懵,那怎么辦?

可以繼續以下兩篇文章,它們應該可以讓你內力倍增:


另外,關于計算機網絡協議的分層和關系,可以看看下面兩圖:



* 上述兩張圖的清晰原圖,請見:計算機網絡通訊協議關系圖(中文珍藏版)[附件下載]》。

附錄:更多網絡編程基礎資料


TCP/IP詳解 - 第11章·UDP:用戶數據報協議
TCP/IP詳解 - 第17章·TCP:傳輸控制協議
TCP/IP詳解 - 第18章·TCP連接的建立與終止
TCP/IP詳解 - 第21章·TCP的超時與重傳
技術往事:改變世界的TCP/IP協議(珍貴多圖、手機慎點)
通俗易懂-深入理解TCP協議(上):理論基礎
通俗易懂-深入理解TCP協議(下):RTT、滑動窗口、擁塞處理
理論經典:TCP協議的3次握手與4次揮手過程詳解
理論聯系實際:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過程
計算機網絡通訊協議關系圖(中文珍藏版)
UDP中一個包的大小最大能多大?
P2P技術詳解(一):NAT詳解——詳細原理、P2P簡介
P2P技術詳解(二):P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解
P2P技術詳解(三):P2P技術之STUN、TURN、ICE詳解
通俗易懂:快速理解P2P技術中的NAT穿透原理
高性能網絡編程(一):單臺服務器并發TCP連接數到底可以有多少
高性能網絡編程(二):上一個10年,著名的C10K并發連接問題
高性能網絡編程(三):下一個10年,是時候考慮C10M并發問題了
高性能網絡編程(四):從C10K到C10M高性能網絡應用的理論探索
高性能網絡編程(五):一文讀懂高性能網絡編程中的I/O模型
高性能網絡編程(六):一文讀懂高性能網絡編程中的線程模型
Java的BIO和NIO很難懂?用代碼實踐給你看,再不懂我轉行!
不為人知的網絡編程(一):淺析TCP協議中的疑難雜癥(上篇)
不為人知的網絡編程(二):淺析TCP協議中的疑難雜癥(下篇)
不為人知的網絡編程(三):關閉TCP連接時為什么會TIME_WAIT、CLOSE_WAIT
不為人知的網絡編程(四):深入研究分析TCP的異常關閉
不為人知的網絡編程(五):UDP的連接性和負載均衡
不為人知的網絡編程(六):深入地理解UDP協議并用好它
不為人知的網絡編程(七):如何讓不可靠的UDP變的可靠?
不為人知的網絡編程(八):從數據傳輸層深度解密HTTP
不為人知的網絡編程(九):理論聯系實際,全方位深入理解DNS
網絡編程懶人入門(一):快速理解網絡通信協議(上篇)
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網絡編程懶人入門(四):快速理解TCP和UDP的差異
網絡編程懶人入門(五):快速理解為什么說UDP有時比TCP更有優勢
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網絡編程懶人入門(七):深入淺出,全面理解HTTP協議
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IM開發者的零基礎通信技術入門(三):國人通信方式的百年變遷
IM開發者的零基礎通信技術入門(四):手機的演進,史上最全移動終端發展史
IM開發者的零基礎通信技術入門(五):1G到5G,30年移動通信技術演進史
IM開發者的零基礎通信技術入門(六):移動終端的接頭人——“基站”技術
IM開發者的零基礎通信技術入門(七):移動終端的千里馬——“電磁波”
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群主救救我,學不動了
簽名: 新的一天從學習開始
引用:停格 發表于 2019-12-02 16:17
群主救救我,學不動了

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