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弱电网络技术学习入门
日期:2020-08-24 浏览

一.操作系统基础

  操作系统:(Operating System,简称OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序,是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件,任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。

  注:计算机(硬件)->os->应用软件

  有关操作系统详细的介绍和原理请看这里>>>https://www.cnblogs.com/clschao/articles/9613464.html,不是你们现在这个阶段需要学习的,还是老样子,先大致了解一下就行啦。

二.网络通信原理

  2.1 互联网的本质就是一系列的网络协议

 

    当我们通过自己电脑的浏览器访问京东的时候,,我们是在浏览器上输入了一个网址,但是我们都知道,互联网连接的电脑互相通信的是电信号,我们的电脑是怎么将我们输入的网址变成了电信号然后发送出去了呢,并且我们发送出去的消息是不是应该让京东的服务器能够知道,我们是在请求它的网站呢,也就是说京东是不是应该知道我发送的消息是什么意思呢。是不是发送的消息应该有一些固定的格式呢?让所有电脑都能识别的消息格式,他就像英语成为世界上所有人通信的统一标准一样,如果把计算机看成分布于世界各地的人,那么连接两台计算机之间的internet实际上就是一系列统一的标准,这些标准称之为互联网协议,互联网的本质就是一系列的协议,总称为‘互联网协议’(Internet Protocol Suite)。

互联网协议的功能:定义计算机如何接入internet,以及接入internet的计算机通信的标准。

先看一下网络通信的整个流程,下面是图解,关于网络通信流程的大致介绍(包含路由器、交换机、DNS服务器等等的内容,请看这里>>>https://www.cnblogs.com/clschao/articles/9613442.html)

 

  2.2 osi七层协议

    互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

    

 

    下面这些协议简单知道一些常用的就行。(不是重点)

    

 各层功能及协议的简单解释

 

    我们现在只需要了解五层的协议就好了,ok吗?我们写的程序属于哪一层呢,属于应用层。

    每层运行常见物理设备

    

 

  2.3 tcp/ip五层模型讲解

    我们将应用层,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

  2.3.1 物理层

    物理层由来:上面提到,孤立的计算机之间要想一起玩,就必须接入internet,言外之意就是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

  2.3.2 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

    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,叫做‘帧’
  • 每一数据帧分成:报头head和数据data两部分
       head                        data                             

 

 

  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

  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,最长1518字节,超过最大限制就分片发送

  mac地址:

    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)

    

  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(以太网)采用最原始的方式,广播的方式进行通信,即计算机通信基本靠吼

    

  2.3.3 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

    

    上图结论:必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域,哪些不是。如果是就采用广播的方式发送,如果不是,

    就采用路由的方式(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

  IP协议:

  • 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
  • 范围0.0.0.0-255.255.255.255 (4个点分十进制,也就是4个8位二进制数)
  • 一个ip地址通常写成四段十进制数,例:172.16.10.1

  ipv6,通过上面可以看出,ip紧缺,所以为了满足更多ip需要,出现了ipv6协议:6个冒号分割的16进制数表示,这个应该是将来的趋势,但是ipv4还是用的最多的,因为我们一般一个公司就一个对外的IP地址,我们所有的机器上网都走这一个IP出口。

 IP地址和mac地址

 

  ip地址分成两部分

  • 网络部分:标识子网
  • 主机部分:标识主机

  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

  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。

 

  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。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

  255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

  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。

  ip地址与子网掩码 按位与 得到网段地址

    

 

  总结一下,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,另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

  ip数据包

  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。

 

以太网头                ip 头                                     ip数据                                

 

 

   ARP协议

    arp协议由来:计算机通信基本靠吼,即广播的方式,所有上层的包到最后都要封装上以太网头,然后通过以太网协议发送,在谈及以太网协议时候,我门了解到

    通信是基于mac的广播方式实现,计算机在发包时,获取自身的mac是容易的,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

 

 ARP

 

    协议工作方式:每台主机ip都是已知的(我只知道我的局域网ip地址,要给一个非同一网络的我不知道ip地址的电脑发消息,怎么办:NET穿透)

    例如:主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

  一: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

 

 

 

  二: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

 

 

  三:这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输,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

  2.3.4 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帮我们找到主机吗,但是只找到主机有用吗,是不是程序之间进行的沟通啊像QQ、浏览器和京东服务器,然后大家使用的都是应用程序,你的电脑上可能同时开启qq,暴风影音,等多个应用程序,

    那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机,如何标识这台主机上的应用程序,答案就是端口,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(端对端通信)

    补充:端口范围0-65535,0-1023为系统占用端口

    

     0.0.0.0和127.0.0.1参看 https://www.cnblogs.com/clschao/articles/9579553.html

    127.0.0.1就是你本机程序之间进行通信的地址,就是自己玩自己,不和别人玩,这叫做本机的回环地址,我们测试的时候自己模拟客户端和服务端。

 保留IP和特殊IP

 

     

    

 

 

  tcp协议:(TCP把连接作为最基本的对象,每一条TCP连接都有两个端点,这种端点我们叫作套接字(socket),它的定义为端口号拼接到IP地址即构成了套接字,例如,若IP地址为192.3.4.16 而端口号为80,那么得到的套接字为192.3.4.16:80。)

  当应用程序希望通过 TCP 与另一个应用程序通信时,它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“握手”之后,TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex,双方都可以收发消息) 的通信。

  这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路,直到它被一方或双方关闭为止。

  它是可靠传输,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。

以太网头 ip 头               tcp头               数据                                                    

 

  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。

以太网头 ip头                      udp头                            数据                                           

 

 

 TCP和UDP的对比

 

  tcp报文

    

 

  TCP报文首部

 报文

 

    tcp三次握手和四次挥手

    我们知道网络层,可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体,因为,真正进行通信的实体是在主机中的进程,是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。IP协议虽然能把数据报文送到目的主机,但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。

    UDP,在传送数据前不需要先建立连接,远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付,但是正是因为这样,省去和很多的开销,使得它的速度比较快,比如一些对实时性要求较高的服务,就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。

    TCP,提供面向连接的服务,在传送数据之前必须先建立连接,数据传送完成后要释放连接。因此TCP是一种可靠的的运输服务,但是正因为这样,不可避免的增加了许多的开销,比如确认,流量控制等。对应的应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

常用的端口号:

应用程序 FTP TFTP TELNET SMTP DNS HTTP SSH MYSQL
熟知端口 21,20 69 23 25 53 80 22 3306
传输层协议 TCP UDP TCP TCP UDP TCP  

  三次握手:

  1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,时刻准备接受客户进程的连接请求,此时服务器就进入了LISTEN(监听)状态;
  2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB,然后向服务器发出连接请求报文,这是报文首部中的同部位SYN=1,同时选择一个初始序列号 seq=x ,此时,TCP客户端进程进入了 SYN-SENT(同步已发送状态)状态。TCP规定,SYN报文段(SYN=1的报文段)不能携带数据,但需要消耗掉一个序号。
  3. TCP服务器收到请求报文后,如果同意连接,则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1,SYN=1,确认号是ack=x+1,同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y,此时,TCP服务器进程进入了SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能携带数据,但是同样要消耗一个序号。
  4. TCP客户进程收到确认后,还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1,ack=y+1,自己的序列号seq=x+1,此时,TCP连接建立,客户端进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。TCP规定,ACK报文段可以携带数据,但是如果不携带数据则不消耗序号。
  5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态,此后双方就可以开始通信了。 

  为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢?

 原因

 

  四次挥手:

  数据传输完毕后,双方都可释放连接。最开始的时候,客户端和服务器都是处于ESTABLISHED状态,然后客户端主动关闭,服务器被动关闭。服务端也可以主动关闭,一个流程。

  1. 客户端进程发出连接释放报文,并且停止发送数据。释放数据报文首部,FIN=1,其序列号为seq=u(等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1),此时,客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态。 TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,也要消耗一个序号。
  2. 服务器收到连接释放报文,发出确认报文,ACK=1,ack=u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时,服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用进程,客户端向服务器的方向就释放了,这时候处于半关闭状态,即客户端已经没有数据要发送了,但是服务器若发送数据,客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
  3. 客户端收到服务器的确认请求后,此时,客户端就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待服务器发送连接释放报文(在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据)
  4. 服务器将最后的数据发送完毕后,就向客户端发送连接释放报文,FIN=1,ack=u+1,由于在半关闭状态,服务器很可能又发送了一些数据,假定此时的序列号为seq=w,此时,服务器就进入了LAST-ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认。
  5. 客户端收到服务器的连接释放报文后,必须发出确认,ACK=1,ack=w+1,而自己的序列号是seq=u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待)状态。注意此时TCP连接还没有释放,必须经过2∗MSL(最长报文段寿命)的时间后,当客户端撤销相应的TCB后,才进入CLOSED状态。
  6. 服务器只要收到了客户端发出的确认,立即进入CLOSED状态。同样,撤销TCB后,就结束了这次的TCP连接。可以看到,服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

  为什么客户端最后还要等待2MSL?

 View Code

  如果已经建立了连接,但是客户端突然出现故障了怎么办?

    TCP还设有一个保活计时器,显然,客户端如果出现故障,服务器不能一直等下去,白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器,时间通常是设置为2小时,若两小时还没有收到客户端的任何数据,服务器就会发送一个探测报文段,以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应,服务器就认为客户端出了故障,接着就关闭连接。 

 

    

    

 为什么三次握手但是四次挥手

 

  2.3.5 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”。

     

     

    

 

  2.3.6 socket

    我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程,在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程,但PID只在本地唯一,网络中的两个进程PID冲突几率很大,这时候我们需要另辟它径了,我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机,而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程,这样我们可以利用ip地址+协议+端口号唯一标示网络中的一个进程。

    能够唯一标示网络中的进程后,它们就可以利用socket进行通信了,什么是socket呢?我们经常把socket翻译为套接字,socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层,它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

    

    socket起源于UNIX,在Unix一切皆文件哲学的思想下,socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现,服务器和客户端各自维护一个"文件",在建立连接打开后,可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容,通讯结束时关闭文件。

三.网络通信实现

  想实现网络通信,每台主机需具备四要素

  • 本机的IP地址
  • 子网掩码
  • 网关的IP地址
  • DNS的IP地址

  获取这四要素分两种方式

    1.静态获取:即手动配置

    2.动态获取:通过dhcp获取

以太网头 ip头 udp头 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

四.结合协议来看网络通信流程

  1.本机获取

  • 本机的IP地址:192.168.1.100
  • 子网掩码:255.255.255.0
  • 网关的IP地址:192.168.1.1
  • DNS的IP地址:8.8.8.8

  2.打开浏览器,想要访问Google,在地址栏输入了网址:www.google.com。

  3.dns协议(基于udp协议)

    

 

  13台根dns:

    A.root-servers.net198.41.0.4美国
    B.root-servers.net192.228.79.201美国(另支持IPv6)
    C.root-servers.net192.33.4.12法国
    D.root-servers.net128.8.10.90美国
    E.root-servers.net192.203.230.10美国
    F.root-servers.net192.5.5.241美国(另支持IPv6)
    G.root-servers.net192.112.36.4美国
    H.root-servers.net128.63.2.53美国(另支持IPv6)
    I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
    J.root-servers.net192.58.128.30美国
    K.root-servers.net193.0.14.129英国(另支持IPv6)
    L.root-servers.net198.32.64.12美国
    M.root-servers.net202.12.27.33日本(另支持IPv6)

 

  域名定义:http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

  顶级域名:以.com,.net,.org,.cn等等属于国际顶级域名,根据目前的国际互联网域名体系,国际顶级域名分为两类:类别顶级域名(gTLD)和地理顶级域名(ccTLD)两种。类别顶级域名是                    以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等结尾的域名,均由国外公司负责管理。地理顶级域名是以国家或地区代码为结尾的域名,如"CN"代表中国,"UK"代表英国。地理顶级域名一般由各个国家或地区负责管理。

  二级域名:二级域名是以顶级域名为基础的地理域名,比喻中国的二级域有,.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn等.子域名是其父域名的子域名,比喻父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者*.abc.com.
  一般来说,二级域名是域名的一条记录,比如alidiedie.com是一个域名,www.alidiedie.com是其中比较常用的记录,一般默认是用这个,但是类似*.alidiedie.com的域名全部称作是alidiedie.com的二级

 

  4.HTTP部分的内容,类似于下面这样:

 

GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: … …

 

  我们假定这个部分的长度为4960字节,它会被嵌在TCP数据包之中。

 

  5 TCP协议

    TCP数据包需要设置端口,接收方(Google)的HTTP端口默认是80,发送方(本机)的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数,假定为51775。

    TCP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入HTTP的数据包,总长度变为4980字节。

 

  6 IP协议

    然后,TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址,这是已知的,发送方是192.168.1.100(本机),接收方是172.194.72.105(Google)。

    IP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入的TCP数据包,总长度变为5000字节。

 

  7 以太网协议

    最后,IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址,发送方为本机的网卡MAC地址,接收方为网关192.168.1.1的MAC地址(通过ARP协议得到)。

    以太网数据包的数据部分,最大长度为1500字节,而现在的IP数据包长度为5000字节。因此,IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头(20字节),所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

 

  8 服务器端响应

 

    经过多个网关的转发,Google的服务器172.194.72.105,收到了这四个以太网数据包。

    根据IP标头的序号,Google将四个包拼起来,取出完整的TCP数据包,然后读出里面的”HTTP请求”,接着做出”HTTP响应”,再用TCP协议发回来。

    本机收到HTTP响应以后,就可以将网页显示出来,完成一次网络通信。