【计算机网络】网络通信基础(IP地址,端口号,五元组,OSI七层模型,TCP/IP五层模型,封装和分用)

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简介: 随着时代发展,需要计算机之间相互通信,共享软件和数据,即多台计算机相互协同工作来完成某个业务,就有了网络互联

初识网络

网络互连


随着时代发展,需要计算机之间相互通信,共享软件和数据,即多台计算机相互协同工作来完成某个业务,就有了网络互联


网络互联:将多台计算机连接在一起,完成数据共享


数据共享的本质是网络数据传输,也称网络通信,即计算机之间通过网络来传输数据


根据网络互联的规模不同,可以划分为局域网和广域网


局域网LAN


局域网(Local Area Network),简称LAN,即局部组建的一种私有网络


局域网又称内网,局域网内的主机之间可以方便的进行网络通信,但是当局域网与局域网之间没有连接的时候,是无法进行通信的


局域网组建网络的方式有很多种:


基于网线直连

image.png


基于集线器组建

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基于交换机组建

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基于交换机和路由器组建

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广域网WAN

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广域网,(Wide Area Network),简称WAN,即通过路由器将多个局域网连接起来,在物理上组成很大范围的网络,就形成了广域网,广域网内部的局域网都属于其子网

image.png


网络通信基础

网络互联的目的是进行网络通信,也就是网络数据传输,具体的说是网络主机的不同进程间,基于网络进行数据的传输


那么在组建的网络中,如何判断是从哪台主机的哪个进程,将数据传输到哪台主机的哪个进程呢?


IP地址

IP地址主要用于标识网络主机,或其他设备(如路由器)的网络地址


IP地址的格式


IP地址是一个32位的二进制数,通常被分割为4个8位二进制数,如:01100100.00000100.00000101.00000110


IP地址通常用“点分十进制”的方式来表示,即a.b.c.d的形式(a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数),如:100.4.5.6


特殊的IP地址


127.*用于本机环回测试,通常是127.0.0.1


本机环回主要用于本机到本机的网络通信(系统内部为了性能,不会选择网络的方式传输)


端口号

端口号用于定位主机中的进程


格式:端口号为0~65535之间的数字


在网络通信中,进程可以绑定一个端口号,来发送和接收数据


注意:不同的进程不能绑定同一个端口,但是多个端口可以被同一个进程绑定


认识网络协议

为什么需要有网络协议?


有了IP地址和端口号可以定位网络中唯一的进程,但是网络通信是基于二进制01数据来进行传输,而网络通信传输的数据类型可能有很多种,如图片,文本,视频等,并且同一种类型可能格式也不同,如发送“你好!”,如何确定发送的数据是文本类型,及文本的编码格式呢?


基于网络传输数据,需要使用网络协议来规定双方的数据格式


网络协议的概念


网络协议为网络通信经过的所有设备都必须遵从的一组约定,如怎样建立连接,怎样互相识别等,只有遵守这个约定,计算机之间才能相互通信交流


组成网络协议的三要素:


语法: 数据与控制信息的结构或格式

类似打电话双方需要使用同样的语言


语义:需要对方发出何种控制信息,完成何种动作及做出何种回应

类似问你吃饭了吗?需要回答吃了或者没吃


时序:事件实现顺序的详细说明

时序定义了何时进行通信,先讲什么,后讲什么,讲的速度等


网络协议最终体现为网络传输数据包的格式


知名协议的默认端口


端口号范围为0~65535,其中0~1023为知名端口号,这些端口号预留给服务端程序绑定广泛使用的应用层协议,如:


22端口:预留给SSH服务器绑定SSH协议

21端口:预留给FTP服务器绑定FTP协议

23端口:预留给Telnet服务器绑定Telnet协议

80端口:预留给HTTP服务器绑定HTTP协议

443端口:预留给HTTPS服务器绑定HTTPS协议

说明:0~1023范围知名端口号用于绑定知名协议,但是某个服务器也可以使用其他1024~65535范围内的端口来绑定知名协议


如:餐厅vip包房,是给会员使用,会员也可以不坐vip包房,坐普通包房


五元组

在TCP/IP协议中,用五元组来标识一个网络通信


五元组:


源IP:标识源主机

源端口号:标识源主机中发送数据的进程

目的IP:标识目的主机

目的端口号:标识目的主机中接收数据的进程

协议名:标识此次发送进程和接收进程遵守的约定格式

windows操作系统下,可以使用netstat -ano | findstr "查询字符串",查看五元组信息

linux操作系统下,可以使用netstat -anp | grep "查询字符串",查看五元组信息

image.png



说明:通过源IP和源端口找到唯一的源进程,源进程根据应用层协议将数据构造成约定协议的格式,发送数据,目的IP接收到交给目的端口,目的端口接收到,目的进程使用相同的应用层协议进行解析获取到对应数据


协议分层

OSI七层模型


OSI:Open System Interconnection即开放系统互联

层级 分层名称 功能
7 应用层 针对特定应用程序的协议
6 表示层 设备固有数据格式和网络标准数据格式的转换
5 会话层 负责建立和断开通信连接
4 传输层 负责数据传输的可靠
3 网络层 地址管理与路由选择
2 数据链路层 识别数据帧(发送数据报到下一个网络硬件设备)
1 物理层 使用网线或电磁波来传输0,1数据


OSI七层模型既复杂又不实用,所以OSI七层模型没有落地实现,实际组建网络时,使用的是下面TCP/IP五层(四层)模型


TCP/IP五层(四层)模型


TCP/IP是一组协议的代名词,它还包含了许多协议,组成了TCP/IP协议簇


TCP/IP协议采用了5层结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求


应用层:负责应用程序间的沟通,如电子邮件传输(SMTP),文件传输协议(FTP),网络远程访问协议(Telnet)等

传输层:负责两台主机之间的数据传输,如传输控制协议(TCP),能够确保数据可靠的从源主机发送到目的主机

网络层:负责地址管理和路由选择,如IP协议,路由器工作在网络层

数据链路层:负责设备之间数据帧的识别和传送,交换机工作在数据链路层

物理层:负责网线或电磁波来传输0,1数据,集线器工作在物理层

物理层考虑的较少,所以很多时候去掉物理层也叫TCP/IP四层模型


网络设备所在分层


对于一台主机,它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容,即TCP/IP五层模型的下四层

对于一台路由器,它实现了从网络层到物理层,即TCP/IP五层模型的下三层

对于一台交换机,它实现了从数据链路层到物理层,即TCP/IP五层模型的下两层

对于一台集线器,它只实现了物理层

注意:这里说的是传统意义的交换机(二层交换机)路由器(三层路由器),随着网络设备技术的发展,也出现了很多三层四层交换机,四层路由器,我们说的都是传统意义的交换机和路由器


网络分层对应


在进行网络数据传输时,经过不同的网络结点(主机,路由器)时,网络分层需要对应


同一个网段内两台主机进行文件传输,通过TCP/IP协议通信的过程如下:

image.png



跨网段的主机进行文件传输,数据从一台主机到另一台主机传输要经过一个或多个路由器,通过TCP/IP协议通信的过程如下:

image.png


封装和分用

不同的协议层对数据包有不同的称谓,传输层叫作段,网络层叫作数据报,链路层叫作帧

应用层数据通过协议发到网络上时,每层协议都要加一个数据首部

首部信息中包含了一些类似于首部有多长,载荷有多长,上层协议是什么等信息

数据封装成帧后发送到传输介质上,到达目的主机后每层协议再去掉相应的首部,根据首部中的“上层协议字段”将数据交给对应的上层协议处理

封装:一个网络设备按照从高到低的顺序,使用对应分层的协议一层一层包装数据再发送


封装过程如图所示:

image.png


分用:一个网络设备,按从低到高的顺序,使用对应分层协议解析数据再使用  


分用过程如图所示:

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