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摸清網(wǎng)絡的第一步
閱讀次數(shù):543次發(fā)布時間:2021-03-15

來源:程序猿


之前寫了那么多網(wǎng)絡的文章,竟然發(fā)現(xiàn)對「網(wǎng)絡協(xié)議分層」做詳細介紹,這次就把這一塊補上。


要摸清網(wǎng)絡,那么第一步肯定是要清楚網(wǎng)絡協(xié)議的分層結構,看分層結構相當于從上帝視角來看網(wǎng)絡,這樣后續(xù)針對每一個層深入學習就不會摸不著頭腦。


對于同一臺設備上的進程間通信,有很多種方式,比如有管道、消息隊列、共享內存、信號等方式,而對于不同設備上的進程間通信,就需要網(wǎng)絡通信,而設備是多樣性的,所以要兼容多種多樣的設備,就協(xié)商出了一套通用的網(wǎng)絡協(xié)議。

這個網(wǎng)絡協(xié)議是分層的,每一層都有各自的作用和職責,接下來就分別對每一層進行介紹。



應用層

最上層的,也是我們能直接接觸到的就是應用層Application Layer),我們電腦或手機使用的應用軟件都是在應用層實現(xiàn)。那么,當兩個不同設備的應用需要通信的時候,應用就把應用數(shù)據(jù)傳給下一層,也就是傳輸層。


所以,應用層只需要專注于為用戶提供應用功能,不用去關心數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)模皖愃朴?,我們寄快遞的時候,只需要把包裹交給快遞員,由他負責運輸快遞,我們不需要關心快速是如何被運輸?shù)摹?


而且應用層是工作在操作系統(tǒng)中的用戶態(tài),傳輸層及以下則工作在內核態(tài)。


傳輸層

應用層的數(shù)據(jù)包會傳給傳輸層,傳輸層Transport Layer)是為應用層提供網(wǎng)絡支持的。


在傳輸層會有兩個傳輸協(xié)議,分別是 TCP 和 UDP。


TCP 的全稱叫傳輸層控制協(xié)議(Transmission Control Protocol),大部分應用使用的正是 TCP 傳輸層協(xié)議,比如 HTTP 應用層協(xié)議。TCP 相比 UDP 多了很多特性,比如流量控制、超時重傳、擁塞控制等,這些都是為了保證數(shù)據(jù)包能可靠地傳輸給對方。

 

UDP 就相對很簡單,簡單到只負責發(fā)送數(shù)據(jù)包,不保證數(shù)據(jù)包是否能抵達對方,但它實時性相對更好,傳輸效率也高。當然,UDP 也可以實現(xiàn)可靠傳輸,把 TCP 的特性在應用層上實現(xiàn)就可以,不過要實現(xiàn)一個商用的可靠 UDP 傳輸協(xié)議,也不是一件簡單的事情。


應用需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能會非常大,如果直接傳輸就不好控制,因此當傳輸層的數(shù)據(jù)包大小超過 MSS(TCP 最大報文段長度) ,就要將數(shù)據(jù)包分塊,這樣即使中途有一個分塊丟失或損壞了,只需要重新這一個分塊,而不用重新發(fā)送整個數(shù)據(jù)包。在 TCP 協(xié)議中,我們把每個分塊稱為一個 TCP 段TCP Segment)。


當設備作為接收方時,傳輸層則要負責把數(shù)據(jù)包傳給應用,但是一臺設備上可能會有很多應用在接收或者傳輸數(shù)據(jù),因此需要用一個編號將應用區(qū)分開來,這個編號就是端口


比如 80 端口通常是 Web 服務器用的,22 端口通常是遠程登錄服務器用的。而對于瀏覽器(客戶端)中的每個標簽欄都是一個獨立的進程,操作系統(tǒng)會為這些進程分配臨時的端口號。


由于傳輸層的報文中會攜帶端口號,因此接收方可以識別出該報文是發(fā)送給哪個應用。


網(wǎng)絡層

傳輸層可能大家剛接觸的時候,會認為它負責將數(shù)據(jù)從一個設備傳輸?shù)搅硪粋€設備,事實上它并不負責。


實際場景中的網(wǎng)絡環(huán)節(jié)是錯綜復雜的,中間有各種各樣的線路和分叉路口,如果一個設備的數(shù)據(jù)要傳輸給另一個設備,就需要在各種各樣的路徑和節(jié)點進行選擇,而傳輸層的設計理念是簡單、高效、專注,如果傳輸層還負責這一塊功能就有點違背設計原則了。


也就是說,我們不希望傳輸層協(xié)議處理太多的事情,只需要服務好應用即可,讓其作為應用間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋瑤椭鷮崿F(xiàn)應用到應用的通信,而實際的傳輸功能就交給下一層,也就是網(wǎng)絡層Internet Layer)。


網(wǎng)絡層最常使用的是 IP 協(xié)議(Internet Protocol),IP 協(xié)議會將傳輸層的報文作為數(shù)據(jù)部分,再加上 IP 包頭組裝成 IP 報文,如果 IP 報文大小超過 MTU(以太網(wǎng)中一般為 1500 字節(jié))就會再次進行分片,得到一個即將發(fā)送到網(wǎng)絡的 IP 報文。



網(wǎng)絡層負責將數(shù)據(jù)從一個設備傳輸?shù)搅硪粋€設備,世界上那么多設備,又該如何找到對方呢?因此,網(wǎng)絡層需要有區(qū)分設備的編號。


我們一般用 IP 地址給設備進行編號,對于 IPv4 協(xié)議, IP 地址共 32 位,分成了四段,每段是 8 位。只有一個單純的 IP 地址雖然做到了區(qū)分設備,但是尋址起來就特別麻煩,全世界那么多臺設備,難道一個一個去匹配?這顯然不科學。

因此,需要將 IP 地址分成兩種意義:

  • 一個是網(wǎng)絡號,負責標識該 IP 地址是屬于哪個子網(wǎng)的;

  • 一個是主機號,負責標識同一子網(wǎng)下的不同主機;

怎么分的呢?這需要配合子網(wǎng)掩碼才能算出 IP 地址 的網(wǎng)絡號和主機號。那么在尋址的過程中,先匹配到相同的網(wǎng)絡號,才會去找對應的主機。


除了尋址能力, IP 協(xié)議還有另一個重要的能力就是路由。實際場景中,兩臺設備并不是用一條網(wǎng)線連接起來的,而是通過很多網(wǎng)關、路由器、交換機等眾多網(wǎng)絡設備連接起來的,那么就會形成很多條網(wǎng)絡的路徑,因此當數(shù)據(jù)包到達一個網(wǎng)絡節(jié)點,就需要通過算法決定下一步走哪條路徑。


所以,IP 協(xié)議的尋址作用是告訴我們去往下一個目的地該朝哪個方向走,路由則是根據(jù)「下一個目的地」選擇路徑。尋址更像在導航,路由更像在操作方向盤。

數(shù)據(jù)鏈路層

實際場景中,網(wǎng)絡并不是一個整體,比如你家和我家就不屬于一個網(wǎng)絡,所以數(shù)據(jù)不僅可以在同一個網(wǎng)絡中設備間進行傳輸,也可以跨網(wǎng)絡進行傳輸。


一旦數(shù)據(jù)需要跨網(wǎng)絡傳輸,就需要有一個設備同時在兩個網(wǎng)絡當中,這個設備一般是路由器,路由器可以通過路由表計算出下一個要去的 IP 地址。


那問題來了,路由器怎么知道這個 IP 地址是哪個設備的呢?


于是,就需要有一個專門的層來標識網(wǎng)絡中的設備,讓數(shù)據(jù)在一個鏈路中傳輸,這就是數(shù)據(jù)鏈路層Data Link Layer),它主要為網(wǎng)絡層提供鏈路級別傳輸?shù)姆铡?


每一臺設備的網(wǎng)卡都會有一個 MAC 地址,它就是用來唯一標識設備的。路由器計算出了下一個目的地 IP 地址,再通過 ARP 協(xié)議找到該目的地的 MAC 地址,這樣就知道這個 IP 地址是哪個設備的了。


物理層

當數(shù)據(jù)準備要從設備發(fā)送到網(wǎng)絡時,需要把數(shù)據(jù)包轉換成電信號,讓其可以在物理介質中傳輸,這一層就是物理層Physical Layer),它主要是為數(shù)據(jù)鏈路層提供二進制傳輸?shù)姆铡?


總結

綜上所述,網(wǎng)絡協(xié)議通常是由上到下,分成 5 層,分別是應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。


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