網路通訊

r_0xy發表於2024-10-20

本文摘錄於TCP 協議詳解 (史上最全)-CSDN 部落格

TCP/IP 協議與七層 ISO 模型的對應關係

在這裡插入圖片描述

  • TCP/IP 和 ISO 的區別

    OSI 參考模型注重“通訊協議必要的功能是什麼”，而 TCP/IP 則更強調“在計算機上實現協議應該開發哪種程式”。

網路傳輸

零碎的一些概念

MAC 地址

每個裝置(包括電腦,交換機,路由等)的唯一的標識號

乙太網

透過交換機傳輸組成的小範圍網路

物理層(使用 MAC 解決裝置的身份證問題)

集線器

將電訊號轉發到所有出口（廣播），不做任何處理

資料鏈路層(使用交換機解決 MAC 地址對映問題)

交換機

交換機內部維護一張 MAC 地址表，記錄著每一個 MAC 地址的裝置，連線在其哪一個埠上。

  • 當 MAC 地址表不為空的時候

    如圖例子

    資料包到達交換機時，交換機內部透過自己維護的 MAC 地址表，發現目標機器 B 的 MAC 地址 bb-bb-bb-bb-bb-bb 對映到了埠 1 上，於是把資料從 1 號埠發給了 B

    MAC 地址 埠
    bb-bb-bb-bb-bb-bb 1
    cc-cc-cc-cc-cc-cc 3
    aa-aa-aa-aa-aa-aa 4
    dd-dd-dd-dd-dd-dd 5

    image-20241016115932310

  • 當 MAC 地址表為空的時候

    • 傳送同樣的資料包,由於這個包從埠 4 進入的交換機，所以此時交換機就可以在 MAC 地址表記錄第一條資料：

      MAC：aa-aa-aa-aa-aa-aa-aa
      埠：4

    • 交換機看目標 MAC 地址（bb-bb-bb-bb-bb-bb）在地址表中並沒有對映關係，於是將此包發給了所有埠，也即發給了所有機器。

    • 之後，只有機器 B 收到了確實是發給自己的包，於是做出了響應，響應資料從埠 1 進入交換機，於是交換機此時在地址表中更新了第二條資料：

      MAC：bb-bb-bb-bb-bb-bb
      埠：1

    經過該網路中的機器不斷地通訊，交換機最終將 MAC 地址表建立完畢~

傳輸層(IP 地址和路由器)

網路層

網路層（IP 協議）本身沒有傳輸包的功能，包的實際傳輸是委託給資料鏈路層（乙太網中的交換機）來實現的。

ip 地址
  • IP 地址是軟體層面上的，可以根據規劃的網路拓撲結構來調整，MAC 地址一般是無法修改的。
路由器

為了減少交換機的 MAC 地址表而產生,專門負責 IP 地址的尋找。

  1. 作為一臺獨立的擁有 MAC 地址的裝置，並且可以幫我把資料包做一次轉發。
  2. 注意，路由器的每一個埠，都有獨立的 MAC 地址
子網
  • 如果源 IP 與目的 IP 處於一個子網，直接將包透過交換機發出去。
  • 如果源 IP 與目的 IP 不處於一個子網，就交給路由器去處理。
子網掩碼

  • 假如某臺機器的子網掩碼定為 255.255.255.0

    這表示，將源 IP 與目的 IP 分別同這個子網掩碼進行與運算，相等則是在一個子網，不相等就是在不同子網

    • 比如

      A 電腦：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0

      B 電腦：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0

      C 電腦：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

      D 電腦：192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

      那麼 A 與 B 在同一個子網，C 與 D 在同一個子網，但是 A 與 C 就不在同一個子網，與 D 也不在同一個子網，以此類推。

  • 子網掩碼的另外一種表示方式

    由於子網掩碼其實就表示前多少位表示子網的網段，所以如 192.168.0.0（255.255.255.0） 也可以簡寫為 192.168.0.0/24

預設閘道器
  • 就是使用者在自己電腦裡配置的一個 IP 地址，以便在發給不同子網的機器時，發給這個 IP 地址。
路由表

  • 路由器收到的資料包有目的 IP ，需要轉化成從自己的哪個埠出去，很容易想到，應該有個表，就像 MAC 地址表一樣。不同於 MAC 地址表的是，路由表並不是一對一這種明確關係，我們下面看一個路由表的結構。

    目的地址 下一跳 埠
    192.168.0.0/24 0
    192.168.0.254/32 0
    192.168.1.0/24 1
    192.168.1.254/32 1

    路由表就表示，192.168.0.xxx 這個子網下的，都轉發到 0 號埠，192.168.1.xxx 這個子網下的，都轉發到 1 號埠。

arp 協議

  • 作用:把 IP 地址對應的 MAC 地址找到

  • 電腦裡會有一個 arp 快取表(開始是空的)記錄 IP 和 MAC 地址的關係

    IP 地址 MAC 地址
    192.168.0.2 BBBB

    例如 A 向 B 傳輸資訊,B 的 IP 是 192.168.0.2.

    一開始的時候這個表是空的，電腦 A 為了知道電腦 B（192.168.0.2）的 MAC 地址，將會廣播一條 arp 請求，B 收到請求後，帶上自己的 MAC 地址給 A 一個響應。此時 A 便更新了自己的 arp 表。

    透過不斷廣播 arp 請求，最終所有電腦裡面都將 arp 快取表更新完整。

路由器把包準確轉發給指定裝置過程:

如下圖

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現在兩個裝置之間傳輸，除了加上資料鏈路層的頭部之外，還要再增加一個網路層的頭部。

假如 A 給 B 傳送資料，由於它們直接連著交換機，所以 A 直接發出如下資料包即可，其實網路層沒有體現出作用。

image-20241016221432316

但假如 A 給 C 傳送資料，A 就需要先轉交給路由器，然後再由路由器轉交給 C。由於最底層的傳輸仍然需要依賴乙太網，所以資料包是分成兩段的。

A - > 路由器這段的包如下：

image-20241016221507089

路由器 -> C 這段的包如下：

image-20241016221527969

完整過程如下

image

網路層涉及的三張表

  • 交換機中有 MAC 地址表用於對映 MAC 地址和它的埠
  • 路由器中有路由表用於對映 IP 地址(段)和它的埠
  • 電腦和路由器中都有 arp 快取表用於快取 IP 和 MAC 地址的對映關係

這三張表是怎麼來的

  • MAC 地址表是透過乙太網內各節點之間不斷透過交換機通訊，不斷完善起來的。
  • 路由表是各種路由演算法 + 人工配置逐步完善起來的。
  • arp 快取表是不斷透過 arp 協議的請求逐步完善起來的。

HTTP報文傳輸

傳輸原理

利用TCP/IP進行網路通訊時，資料包會按照分層順序與對方進行通訊。傳送端從應用層往下走，接收端從鏈路層往上走。從客戶端到伺服器的資料，每一幀資料的傳輸的順序都為：應用層->運輸層->網路層->鏈路層->鏈路層->網路層->運輸層->應用層。

傳輸過程

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資料封裝和分用

資料透過網際網路傳輸的時候不可能是光禿禿的不加標識，如果這樣資料就會亂。所以資料在傳送的時候，需要加上特定標識，加上特定標識的過程叫做資料的封裝，在資料使用的時候再去掉特定標識，去掉特定標識的過程就叫做分用。TCP/IP協議的資料封裝和分用過程，大致如下圖所示：
在這裡插入圖片描述

在傳輸層封裝時，新增的報文首部時要存入一個應用程式的識別符號，無論TCP和UDP都用一個16位的埠號來表示不同的應用程式，並且都會將源埠和目的埠存入報文首部中。

在網路層封裝時，IP首部會標識處理資料的協議型別，或者說標識出網路層資料幀所攜帶的上層資料型別，如TCP、UDP、ICMP、IP、IGMP等等。

具體來說，會在IP首部中存入一個長度為8位的數值，稱作協議域：
1表示為ICMP協議、2表示為IGMP協議、6表示為TCP協議、17表示為UDP協議、等等。IP首部還會標識傳送方地址（源IP）和接收方地址（目標IP）。

在鏈路層封裝時，網路介面分別要傳送和接收IP、ARP和RARP等多種不同協議的報文，因此也必須在乙太網的幀首部中加入某種形式的標識，以指明所處理的協議型別，為此，乙太網的報文幀的首部也有一個16位的型別域，標識出乙太網資料幀所攜帶的上層資料型別，如IPv4、ARP、IPV6、PPPoE等等。

資料封裝和分用的過程大致為：傳送端每透過一層會增加該層的首部，接收端每透過一層則刪除該層的首部。

總體來說，TCP/IP分層管理、資料封裝和分用的好處：分層之後若需改變相關設計，只需替換變動的層。各層之間的介面部分規劃好之後，每個層次內部的設計就可以自由改動。層次化之後，設計也變得相對簡單：各個層只需考慮分派給自己的傳輸任務。

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