Socket通信之网络协议基本原理

简介: 【9月更文挑战第14天】网络协议是机器间交流的约定格式,确保信息准确传达。主要模型有OSI七层与TCP/IP模型,通过分层简化复杂网络环境。IP地址全局定位设备,MAC地址则在本地网络中定位。网络分层后,数据包层层封装,经由不同层次协议处理,最终通过Socket系统调用在应用层解析和响应。

一台机器将自己想要表达的内容,按照某种约定好的格式发送出去,当另外一台机器收到这些信息后,也能够按照约定好的格式解析出来,从而准确、可靠地获得发送方想要表达的内容。这种约定好的格式就是网络协议(Networking Protocol)。

两种网络协议模型,一种是 OSI 的标准七层模型,一种是业界标准的 TCP/IP 模型。它们的对应关系如下图所示:

image.png

为什么网络要分层呢?因为网络环境过于复杂,不是一个能够集中控制的体系。全球数以亿记的服务器和设备各有各的体系,但是都可以通过同一套网络协议栈通过切分成多个层次和组合,来满足不同服务器和设备的通信需求。

连接到网络上的每一个设备都至少有一个 IP 地址,用于定位这个设备。无论是近在咫尺的你旁边同学的电脑,还是远在天边的电商网站,都可以通过 IP 地址进行定位。因此,IP 地址类似互联网上的邮寄地址,是有全局定位功能的。

MAC 地址的定位功能局限在一个网络里面,也即同一个网络号下的 IP 地址之间,可以通过 MAC 进行定位和通信。从 IP 地址获取 MAC 地址要通过 ARP 协议,是通过在本地发送广播包,也就是“吼”,获得的 MAC 地址。

由于同一个网络内的机器数量有限,通过 MAC 地址的好处就是简单。匹配上 MAC 地址就接收,匹配不上就不接收,没有什么所谓路由协议这样复杂的协议。当然坏处就是,MAC 地址的作用范围不能出本地网络,所以一旦跨网络通信,虽然 IP 地址保持不变,但是 MAC 地址每经过一个路由器就要换一次。

所以第二层干的事情,就是网络包在本地网络中的服务器之间定位及通信的机制。

二层到四层都是在 Linux 内核里面处理的,应用层例如浏览器、Nginx、Tomcat 都是用户态的。内核里面对于网络包的处理是不区分应用的。

从四层再往上,就需要区分网络包发给哪个应用。在传输层的 TCP 和 UDP 协议里面,都有端口的概念,不同的应用监听不同的端口。例如,服务端 Nginx 监听 80、Tomcat 监听 8080;再如客户端浏览器监听一个随机端口,FTP 客户端监听另外一个随机端口。

应用层和内核互通的机制,就是通过 Socket 系统调用。所以经常有人会问,Socket 属于哪一层,其实它哪一层都不属于,它属于操作系统的概念,而非网络协议分层的概念。只不过操作系统选择对于网络协议的实现模式是,二到四层的处理代码在内核里面,七层的处理代码让应用自己去做,两者需要跨内核态和用户态通信,就需要一个系统调用完成这个衔接,这就是 Socket

网络分完层之后,对于数据包的发送,就是层层封装的过程。

image.png

在客户端浏览器,我们将请求封装为 HTTP 协议,通过 Socket 发送到内核。内核的网络协议栈里面,在 TCP 层创建用于维护连接、序列号、重传、拥塞控制的数据结构,将 HTTP 包加上 TCP 头,发送给 IP 层,IP 层加上 IP 头,发送给 MAC 层,MAC 层加上 MAC 头,从硬件网卡发出去。

网络包会先到达网络 1 的交换机。我们常称交换机为二层设备,这是因为,交换机只会处理到第二层,然后它会将网络包的 MAC 头拿下来,发现目标 MAC 是在自己右面的网口,于是就从这个网口发出去。

网络包会到达中间的 Linux 路由器,它左面的网卡会收到网络包,发现 MAC 地址匹配,就交给 IP 层,在 IP 层根据 IP 头中的信息,在路由表中查找。下一跳在哪里,应该从哪个网口发出去?在这个例子中,最终会从右面的网口发出去。我们常把路由器称为三层设备,因为它只会处理到第三层。

从路由器右面的网口发出去的包会到网络 2 的交换机,还是会经历一次二层的处理,转发到交换机右面的网口。

最终网络包会被转发到 Linux 服务器 B,它发现 MAC 地址匹配,就将 MAC 头取下来,交给上一层。IP 层发现 IP 地址匹配,将 IP 头取下来,交给上一层。TCP 层会根据 TCP 头中的序列号等信息,发现它是一个正确的网络包,就会将网络包缓存起来,等待应用层的读取。

应用层通过 Socket 监听某个端口,因而读取的时候,内核会根据 TCP 头中的端口号,将网络包发给相应的应用。

HTTP 层的头和正文,是应用层来解析的。通过解析,应用层知道了客户端的请求,例如购买一个商品,还是请求一个网页。当应用层处理完 HTTP 的请求,会将结果仍然封装为 HTTP 的网络包,通过 Socket 接口,发送给内核。

内核会经过层层封装,从物理网口发送出去,经过网络 2 的交换机,Linux 路由器到达网络 1,经过网络 1 的交换机,到达 Linux 服务器 A。在 Linux 服务器 A 上,经过层层解封装,通过 socket 接口,根据客户端的随机端口号,发送给客户端的应用程序,浏览器。于是浏览器就能够显示出一个绚丽多彩的页面了。

相关文章
|
2月前
|
网络协议 安全 5G
网络与通信原理
【10月更文挑战第14天】网络与通信原理涉及众多方面的知识,从信号处理到网络协议,从有线通信到无线通信,从差错控制到通信安全等。深入理解这些原理对于设计、构建和维护各种通信系统至关重要。随着技术的不断发展,网络与通信原理也在不断演进和完善,为我们的生活和工作带来了更多的便利和创新。
72 3
|
1天前
|
负载均衡 网络协议 算法
不为人知的网络编程(十九):能Ping通,TCP就一定能连接和通信吗?
这网络层就像搭积木一样,上层协议都是基于下层协议搭出来的。不管是ping(用了ICMP协议)还是tcp本质上都是基于网络层IP协议的数据包,而到了物理层,都是二进制01串,都走网卡发出去了。 如果网络环境没发生变化,目的地又一样,那按道理说他们走的网络路径应该是一样的,什么情况下会不同呢? 我们就从路由这个话题聊起吧。
16 4
不为人知的网络编程(十九):能Ping通,TCP就一定能连接和通信吗?
|
23天前
|
安全 搜索推荐 网络安全
HTTPS协议是**一种通过计算机网络进行安全通信的传输协议
HTTPS协议是**一种通过计算机网络进行安全通信的传输协议
51 11
|
20天前
|
网络协议
计算机网络与通信
计算机网络基本概念:了解计算机网络的定义、功能、分类和拓扑结构(如总线型、星型、环型、树形、网状等)。 网络通信原理:了解网络通信的基本原理、协议和技术,如TCP/IP协议、网络通信设备等。
25 3
|
29天前
|
算法
数据结构之卫星通信网络(BFS)
本文介绍了卫星通信网络及其重要性,并探讨了广度优先搜索(BFS)算法在其中的应用。卫星通信网络通过在轨卫星提供全球覆盖的通信服务,尤其在偏远地区和紧急救援中发挥关键作用。BFS算法用于网络拓扑分析、路径规划和故障排除,确保通信网络的高效运行。文章还包括BFS算法的工作原理、特点、优缺点及其实现代码示例。
38 1
|
1月前
|
运维 物联网 网络虚拟化
网络功能虚拟化(NFV):定义、原理及应用前景
网络功能虚拟化(NFV):定义、原理及应用前景
66 3
|
1月前
|
传感器 自动驾驶 物联网
探秘 5G 核心网络之 5G RAN:开启高速通信新时代
探秘 5G 核心网络之 5G RAN:开启高速通信新时代
63 4
|
1月前
|
物联网 5G 数据中心
|
1月前
|
网络协议 安全 算法
网络空间安全之一个WH的超前沿全栈技术深入学习之路(9):WireShark 简介和抓包原理及实战过程一条龙全线分析——就怕你学成黑客啦!
实战:WireShark 抓包及快速定位数据包技巧、使用 WireShark 对常用协议抓包并分析原理 、WireShark 抓包解决服务器被黑上不了网等具体操作详解步骤;精典图示举例说明、注意点及常见报错问题所对应的解决方法IKUN和I原们你这要是学不会我直接退出江湖;好吧!!!
网络空间安全之一个WH的超前沿全栈技术深入学习之路(9):WireShark 简介和抓包原理及实战过程一条龙全线分析——就怕你学成黑客啦!
|
1月前
|
Kubernetes 网络协议 Python
Python网络编程:从Socket到Web应用
在信息时代,网络编程是软件开发的重要组成部分。Python作为多用途编程语言,提供了从Socket编程到Web应用开发的强大支持。本文将从基础的Socket编程入手,逐步深入到复杂的Web应用开发,涵盖Flask、Django等框架的应用,以及异步Web编程和微服务架构。通过本文,读者将全面了解Python在网络编程领域的应用。
35 1