一 客户端/服务端架构
硬件 C/S 架构
软件 C/S 架构
互联网处处是 C/S 架构的
如一个网站就是服务端,浏览器是客户端( B/S 架构)
服务端需要遵循的原则:
服务端与客户端都需要有惟一的地址,但是服务端的地址必须固定/绑定
对外一直提供服务,需要稳定运行
服务端需要支持并发
网络
网络建立的目的是为了数据交互(通信)
如何实现通信:
建立好底层的物理连接介质
有一套统一的通信标准,称之为互联网协议
互联网协议:就是计算机界的标准语言
二 七层模型总览
互联网的实现,总共可以分为七层.每一层都靠下一层的支持.用户接触的是第七层,也就是应用层.想要理解互联网协议,必须从最下层开始,自下而上理解每一层的功能.
OSI 模型可以分为七层,五层,四层,其实都是一个道理,只不过合并了几层而已.从下而上分别为:物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层.
每层运行常见的物理设备:
三 tcp/IP 五层模型理解
一般讲应用层,表示层,会话层并做应用层,从 tcp/IP 五层协议的角度来阐述每层的由来和功能,搞清楚了每层的主要协议也就理解了互联网通信的原理.
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
物理层也可以称之为实体层.电脑想要互相通信,第一件事先要把电脑连起来,可以用光缆,电缆等方式实现通信.这就叫实体层,它就是把电脑连接起来的物理手段.它主要规定了网络的一些电器特性.它的功能室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
物理层单纯的传输电信号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,这就是数据链路层的功能,它在物理层的上方,确定了0和1的分组方式.
1 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,也叫数据帧
每一组数据帧分成:报头 head 和数据 data 两部分
报头包含数据包的一些说明项,比如发送者的源地址,接受者的源地址以及数据类型等等.
发送者/源地址: 6个字节
接受者/目标地址: 6个字节
数据类型: 6个字节
数据则是数据包的具体内容
数据包最短为46字节,最长为1500字节
所以一个数据帧的长度最短为64字节,最长1518字节,超过最大限制就分片发送.
2 mac 地址
head 中包含的源地址和目标地址的由来: 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世界上一个惟一的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)
装了好多次虚拟机,我现在也不知道那个是我的了...
3 广播
定义MAC 地址只是第一步,在一部电脑第一次接入局域网的时候,是怎么知道它的MAC 地址的呢.在局域网内通信都是通过MAC 地址来发包收包的,只要知道了对方的MAC 地址才可以互相通信.这就要靠ARP(addres resolution protocol) 协议来获取MAC 地址了,那么 arp 协议是如何解析出对方的MAC 地址呢?
这里等到了网络层再来解释.
注意:以太网数据包必须知道接收方的MAC 地址,才能发包.
那么在同一个局域网内,知道了对方的MAC 地址,系统怎样才能把数据包准确送到接收方呢?
以太网采用了一种很'原始'的方式,它并不是直接把数据包发到接收方,而是向局域网内所有的计算机发送,让每台计算机自己拆包后判断自己是否为接收方(前提知道对方MAC 地址)
上图中,1号计算机向2号计算机发送一个数据包,局域网内其他的计算机都会收到这个包.他们读取数据包的报头,找到接收方得MAC 地址,然后与自身的MAC 地址相比较,如果两者相同,就接收这个包,做进一步的处理,不相同的话就丢弃这个数据包.这种发送方式叫'广播'.
有了数据包的定义,网卡的MAC 地址,广播的发送方式,数据链路层就可以在同一局域网内的计算机之间传送数据了.
三 网络层
1 网络层的由来
以太网协议,依靠MAC 地址发送数据,但这仅仅只能在同一个局域网内发送数据.理论上,依靠MAC 地址,是可以和全球任何一个MAC 地址发送数据的,因为MAC 地址是惟一的.但是这样做有一个致命的缺陷.
以太网依靠广播方式发送数据包,而广播就意味着每个人都要发送一份,那么全球这么多的计算机,在找到对方的MAC 地址之前都要发一份无疑会造成巨大的浪费,而且效率极低,而且局限在发送者的局域网.也就是说,如果两台计算机不在同一个局域网,广播是传不过去的.这种设计是合理的,否则的话互联网上每一台计算机都会收到所有包,那会引起灾难.
互联网可以想象成由无数个局域网组成的一个巨型网络,如果想要跨局域网通信必须找到另一种方式,能够区分哪些MAC 地址属于同一个局域网,哪些不属于同一个局域网.如果是同一个局域网的话,就采用广播发送(如何知道对方的MAC 地址),否则就采用'路由'的方式发送.('路由'的意思,就是指如何向不同局域网发送数据包)
这就导致了'网络层'的诞生.它的作用是引进一套新的地址,使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个局域网.这套地址叫做'网络地址',简称'网址'.
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 地址是绑定到网卡上的,网络地址则是由MAC 服务器分配的,当一台计算机第一次联网时,会向MAC 服务器发送一个包,然后MAC 服务器会分配好网络地址.
网络地址帮助我们确定计算机所在的局域网,MAC 地址则将数据包发送到该局域网中的目标MAC 地址.因此从逻辑上判断,必定是先处理网络地址,然后处理MAC 地址.
可以这样理解,互联网中的通信都是MAC 地址互相发送数据包,而网络地址是为了帮我们确认需要往哪个局域网里面的目标MAC 地址发送数据包,两者缺一不可.
2 IP 协议
规定网络地址的协议,叫做 IP 协议.它定义的地址,称为 IP 地址.
目前,广泛采用的是 IP 协议第四版,简称 IPV4.这个版本规定,网络地址由32个二进制位组成.
可以看出我的 IP 地址为192.168.11.95,习惯上,用四段的十进制数表示 IP 地址,从0.0.0.0到255.255.255.255.
IP 地址一般分为5类:A,B,C,D,E 类, D 和E 类为其他用途的.
可以看粗来 IP 地址是有限的,而且现在的 IPV4 地址已经分完了,以后使用的就是 IPV6了,据说世界上的每一粒沙子都有一个惟一的 IP 地址.
互联网上的每一台计算机,都会分配到一个 IP 地址.这个地址分为两部分,前一部分代表网络,后一部分代表主机.比如, 我的 IP 地址192.168.11.95,这是一个32位的地址,我的网络部分是前面24位192.168.11,那么主机号就是后8位.处于同一个局域网的电脑,它们 IP 地址的网络部分必定是相通的,也就是说192.168.11.95与192.168.11.49处于同一个局域网.
但是我们单纯从 IP 地址是无法判断网络部分的,我为什么知道我的 IP 地址的网络号?其实没有另外一个地址的话我也不知道的.
那么怎样从 IP 地址来判断计算机是否处于同一个局域网呢?这就是另外一个地址的作用了,也就是子网掩码.
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,它的网络部分全为1,主机部分全部为0.比如我的 IP192.168.11.95,因为我的网络部分为前24位,那么我的子网掩码就是255.255.255.0.
知道了子网掩码,就可以判断,任意两个 IP 地址是否处于同一个局域网.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,则为1,否则为0),然后比较结果是或否相同,如果相同,就表明处在同一个局域网,否则就不是,就需要通过路由协议发送数据包.
IP 协议的作用主要有两个:一个是为每一台计算机分配 IP 地址,另一个是和子网掩码结合确定元 IP 与目标 IP 是否处于同一个局域网.
3 IP 数据包
根据 IP 协议发送的数据,叫做 IP 数据包,不难想象,其中必定包括 IP 地址信息.
但是前面说过.以太网数据包只包含MAC 地址,并没有 IP 地址的位置.那么是否需要修改数据定义在添加一个位置呢?
我们可以直接把 IP 数据包放进以太网数据包的数据部分,因此完全不用修改以太网的规格.这就是互联网分层结构的好处:上层的变动完全不涉及下层的结构.
具体来说, IP 数据包也分为报头和数据两个部分
报头部分主要包括版本,长度, IP 地址等信息,数据部分则是 IP 数据包的具体内容.它放进以太网数据包后,以太网数据包就拥有了两个报头.
IP 数据包的报头部分的长度为20到60个字节,整个数据包的总长度最大为65535字节.因此,理论上,一个 IP 数据包的数据部分,最长为65515字节,前面说过,以太网数据包的数据部分,最长为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.
4 ARP 协议
从数据链路层和网络层我们知道,想要发送一个数据包,必须知道两个地址,一个是对方的 MAC 地址,另一个是对方的 IP 地址.通常情况下,对方的 IP 地址是已知的,但是不知道对方的 MAC 地址.
所以需要一种机制能够从 IP 地址得到 MAC 地址.
这里可以分为两种情况:第一种情况,如果两台主机不在同一个局域网,那么事实上没办法得到对方的 MAC 地址,只能把数据包传送到两个局域网连接处的网关' gateway',让网关去处理.
第二种情况,如果两台主机在同一个局域网,那么可以使用 ARP 协议,得到对方的 MAC 地址. ARP 协议也是发送一个数据包(包含在以太网数据包中),其中包含它索要查询主机的IP 地址,在对方 MAC 地址这个位置,填的是 FF:FF:FF:FF:FF:FF,表示这是一个广播地址.它所在局域网的每一台计算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。
总之，有了ARP协议之后，我们就可以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了。
四 传输层
1 传输层的由来
有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。
接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如，你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容，还是表示在线聊天的内容？
也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做"端口"（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。
"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。
**"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。**因此，Unix系统就把主机+端口，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。
2 UDP 协议
现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。
UDP数据包，也是由"报头"和"数据"两部分组成。
"报头"部分主要定义了发出端口和接收端口，"数据"部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的"数据"部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：
3 TCP 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。
为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。
因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。
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。
五 应用层
应用程序收到"传输层"的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。
"应用层"的作用，就是规定应用程序的数据格式。
举例来说，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"。
这是最高的一层，直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的"数据"部分。因此，现在的以太网的数据包就变成下面这样。
至此，整个互联网的五层结构，自下而上全部讲完了。这是从系统的角度，解释互联网是如何构成的.