多图慎入，从四层模型上解析网络是怎么连接的

我就是我 2022-11-18 01:21 128阅读 0赞

> 今天来分享一个关于计算机网络的知识点——**网络到底是怎么连接的？**

*  话不多说，直接开车

## 浏览器生成消息且发送 ##

*  发送一个消息的总体流程如下![c5a446d1e0501d08b0133b08d3d1f6ab.png][]

### 生成HTTP请求消息 ###

举个栗子，当我们在浏览器输入**https://www.jdl.cn/img/service.843585b7.png**网络地址的时候

*  浏览器首先会对URL进行解析
 *   *  **https**：表示访问数据源的机制，也就是协议
     *  **www.jdl.cn**: web服务器名称
     *  **img** ：表示目录名
     *  **service.843585b7.png**：表示文件名 然后就要生成HTTP消息了，它大概长这样

![581b444d1018e88059ce591b9cc85352.png][]这些字段具体内容是什么可以参考这篇文章[五千来字小作文，是的，我们是有个HTTP。][HTTP]

### DNS域名解析为IP地址 ###

浏览器生成了这个HTTP消息后，它要往哪里发送呢？当然是服务器啦，所以就要解析这个域名对应的是哪台服务器，IP地址是什么，因为IP地址不好记，所以才有了对应的域名，便于我们人类记忆。

1.  浏览器会检查缓存有没有这个域名对应的ip地址
2.  操作系统会检查缓存（就是我们平常说的hosts文件）
3.  操作系统会发送给本地区的DNS服务器，让它帮忙解析下 DNS服务器接受来自客户端的查询，包括以下三个内容

*  **域名：** 服务器，邮件服务器的名称
 *  **Class：** 在最早设计DNS时，DNS在互联网以外的其他网络中的应用也被考虑到了，而Class就是用来识别网络信息的，不过如今除了互联网就没有其他网络了，因此Class的值永远代表互联网的IN
 *  **记录类型：** 表示域名对应何种记录类型
 *   *  A记录时，域名直接对应IP地址
     *  CNAME时，此域名对应其他域名
     *  MX时，表示域名对应的是邮件服务器 对于不同的记录类型，响应数据也不一样

![a2fcbbc5d2224c72730044f5cb56adfb.png][]

#### 域名的层次结构 ####

*  **越靠右层次越高**，从右向左一级一级的划分 : 例如 www.jdl.cn 就是cn->jdl->www
 *  **具有这种层次结构的域名信息都会注册到DNS服务器中**，而每个域都是作为一个整体来处理的 客户端和DNS服务器交互流程大概如下
 *  上级DNS服务器中要注册其下级域的DNS服务器IP地址，然后上级DNS服务器IP地址要注册到更上一级的DNS服务器中，此次类推
 *  根域的DNS服务器信息保存到互联网中所有的DNS服务器中，这样的话，所有的DNS服务器都会找到根域，然后一级一级的往下找，直到找到自己想要的那个域名
 *  分配给根域的IP地址仅有13个，就是顶级域名（com,cn等）对应的ip地址![2c405d4674b8837a8268a45192a5ee20.png][]具体交互就是下面这样

![68d428b285f2da97336a15856f1b6e55.png][]但是一台服务器存不下这么多，所以一般都是DNS服务器大接力来寻找这个ip地址，图如下

![6c82ddbe0fa68dd306508d1ef741c2d7.png][]

> 客户端找到最近的DNS服务器，查找www.jdl.cn的信息，可是最近的DNS服务器没有这个信息，就转发到了根域服务器下，经过判断发现是cn的顶级域名的，于是根域DNS服务器会返回它所管理的cn域中的DNS服务器的ip地址，接下来，最近的这个DNS服务器又回去访问com域名的服务器，以此类推，最终会找到 www.jdl.cn这个服务器的IP地址

### 委托协议栈发送消息 ###

知道了IP地址后，就可以委托操作系统内部的协议栈向这个目标IP地址发送消息了![c7dfd8507066921567eff5b17b7cfdbd.png][]

*  协议栈的内部结构

![a16888155b6645873c18ac4f52fe75af.png][]

*  浏览器、邮件等一般应用程序收发数据时用TCP
 *  DNS查询等收发较短的控制数据用UDP

## 网络分层 ##

![b606d2b0cf3d52db927ea12c659d6ae5.png][]

*  **OSI七层模型**

> 开放式系统互联通信参考模型（英语：Open System Interconnection Reference Model，缩写为 OSI），简称为OSI模型（OSI model），一种概念模型，由国际标准化组织提出，一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。定义于ISO/IEC 7498-1。

*  **TCP/IP四次模型**
 *   *  **应用层：** HTTP、DNS、FTP
     *  **传输层：** TCP、UDP
     *  **网络层：** IP
     *  **网络接口层**

> TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议

## 客户端服务器传递数据流程 ##

![31e7f941a376b7baf0504d31936622d7.png][]

*  一个数据包从客户端到服务端中间经过**每一层**都需要加工处理
 *  客户端这边需要不断的给数据包添加头部
 *  服务端这边需要不断的拆分这个数据包

### 三次握手 ###

当两台计算机要传递数据的时候，一定要先连接，得经过TCP三次握手吧（仅仅指指走TCP协议需要连接的），我们平常都说TCP连接要经过三次握手，我们就来看一下到底什么是TCP三次握手，如图所示

![6b7868c5d9bbab38ffa4f342ccb35dcf.png][]

*  客户端要发送的时候，主动从**closed**状态打开，服务器启动后就一直处于监听**LISTEN**状态
 *  客户端发送 SYN = 1,seq = x 给服务端，客户端处于**SYN\_SEND**状态。
 *  服务端收到后给客户端发送 SYN = 1,ACK =1, seq = y,ack = x+1。此时服务端处于**SYN\_RCVD**状态
 *  客户端收到后发送ACK =1, seq = x+1,ack = y+1给服务器，此时客户端状态是**ESTAB-LISHED**
 *  服务端收到后状态变为**ESTAB-LISHED**

>  *  三次握手通过后，就代表客户端和服务端可以传递数据包进行交互啦
>  *  我们说到SYN，ACK,seq,ack这些又是什么呢？这些其实是**TCP数据包**里的属性，我们接着往下看(在**传输层**中有解释)

## 应用层 ##

### HTTP数据包拆分 ###

![c1f108445f793d9aad34d023c4ab5278.png][]

*  一般HTTP请求消息不会太长，一个网络包就能装的下
 *  发送缓冲区中的数据如果超过MSS的长度，就会被以MSS长度进行拆分放进单独的网络包中

>  *  **MTU（Maximum Transmission Unit）:** 一个网络包的最大长度，以太网中一般是1500字节
>  *  **MSS（Maximum Segment Size）:** 除去头部之后，一个网络包所容纳的TCP数据的最大长度

## 传输层 ##

>  *  然后上面应用层的这个网络包**再加上TCP头部**

### TCP报文格式 ###

![aa17532526b97a36b9c3d084b9109e0f.png][]

*  **源端口号（16位）：** 发送网络包的端口号
 *  **目的端口号（16位）：** 网络包的接受方的端口号
 *  **序号（发送数据的顺序编号）（32位）：** 发送方告知接收方已经收到了所有数据的第几个字节
 *  **确认序号（接收数据的顺序编号）（32位）：** 接收方告知发送方接收方已经收到了所有数据的第几个字节
 *  **头部长度（4位）：** 表示数据的起始部分，数据偏移量
 *  **保留（6位）：** 该字段为保留，现在未使用
 *  **控制位（6位）：** 该字段中的每个比特位分别表示以下通信控制的含义
 *   *  **URG：** 表示紧急指针字段有效
     *  **ACK：** 表示接收数据序号字段有效，一般表示数据已被接收方收到
     *  **PSH:** 表示通过flush操作发送的数据
     *  **RST:** 强制断开连接，用于异常中断的情况
     *  **SYN:** 发送方和接收方相互确认序号，表示连接操作
     *  **FIN:** 表示断开操作
 *  **窗口大小（16位）：** 接收方告知发送方窗口大小（即无需等待确认可一起发送的数据）
 *  **校验和（16位）：** 用来检查是否出现错误
 *  **紧急指针（16位）：** 表示应急处理的数据位置
 *  **可选字段（可变长度）：** 除了上面的固定头部字段外，还可以添加可选字段，但除了连接操作外，很少使用可选字段

> 还记得三次握手提到过的各种序号吗，就是这个报文里的属性

## 网络层 ##

>  *  然后上面这个网络包**再加上IP头部**

### IP报文格式 ###

![06991bb9e3c2f7bb36e36bb60909d8d7.png][]

*  **版本号（4比特）：** IP协议版本号，目前是版本4
 *  **头部长度（4比特）：** IP头部的长度，可选字段可导致头部长度的变化，因此这里需要指定头部的长度
 *  **服务类型（TOS）(8比特)：** 表示包传输优先级。最初的协议规格里对这个参数的定义很模糊，最近**DIFFServ**规则重新定义了这个字段的用法
 *  **总长度（16比特）：** 表示IP消息的总长度
 *  **ID号（16比特）：** 用于识别包的编号，一般为的序列号。如果一个包被IP分片，则所有分片都拥有相同的ID
 *  **标志（Flag）(3比特)：** 该字段有3个比特，其中2个比特有效，分别代表是否允许分片，以及当前分片是否为分片包
 *  **分片偏移量（13比特）：** 表示当前包的内容为整个IP消息的第几个字节开始的内容
 *  **生存时间（TTL）（8比特）：** 表示包的生存时间，这是为了避免网络出现回环时一个包永远在网络中打转。每经过一个路由器，这个值就会减一，减到0的是hi这个包就会被丢弃
 *  **协议号（8比特）：** 协议号表示协议的类型（以下均为16进制）
 *   *  **TCP:** 06
     *  **UDP:** 17
     *  **ICMP:** 01
 *  **头部校验和（16比特）：** 用于检查错误，现在已经不在使用
 *  **发送方IP地址（32比特）：** 网络包发送方的IP地址
 *  **接收方IP地址（32比特）：** 网络包接收方的IP地址
 *  **可选字段（可变长度）：** 除了上面的固定头部字段外，还可以添加可选字段，但除了连接操作外，很少使用可选字段

>  *  然后这个网络包**再加上MAC头部**

### MAC数据包 ###

![3586d40a5742308b298cbb1a1804a271.png][]

*  **接收方MAC地址(48比特)：** 网络包接收方的MAC地址，在局域网中使用这一地址来传输网络包
 *  **发送方MAC地址(48比特)：** 网络包发送方的MAC地址，接收方通过它来判断是谁发送了这个网络包
 *  **以太类型（16比特）：** 使用的协议类型。下面是一些常见的类型，一般在TCP/IP通信中只是用0800和0806这两种。
 *   *  **0000-05DC：** IEEE 802.3
     *  **0800 :** IP协议
     *  **0806 :** ARP协议
     *  **86DD :** IPV6

#### MAC地址 VS  IP地址 ####

*  IP头部前面还会加上MAC头部
 *  为什么需要MAC数据包呢？因为在以太网的世界中，TCP/IP这个思路是行不通的。
 *  以太网在判断网络包目的地时和TCP/IP的方式不同，因此必须采用想匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地，而MAC地址就是干这个的
 *  发送方MAC地址：MAC地址是写在网卡生产时写入ROM里的，只需要将这个值读取出来写入MA头部就好了

> 发送方的MAC地址还比较容易获取到，但是接收方的MAC地址就不太容易获取到了

### ARP广播 ###

*  ARP :Addresss  Resolution  Protocal 地址解析协议
 *  根据IP地址查询**接收方MAC地址**的时候会用到ARP广播
 *  在同一个子网中，利用广播对所有设备提问 XXX这个ip地址是谁的，其他设备发现自己的ip地址是这个xxx的话，那么他就会把它的MAC地址告诉提问者，这样就会检测到接收方的MAC地址了，如果发现自己的ip地址不是这个XXX，那么则会丢弃这个消息并不去理会。![a98470a8f94f5bb4d7938ea7a7359bcf.png][]
 *  如果每次都去广播的话，那么网络中就会增加很多ARP包，所以为了提高效率，我们有ARP缓存在内存中。查询之前先去查询ARP缓存。
 *  当目的地的IP地址对应的MAC地址变了的话，那么这个MAC缓存就会出问题，所以为了避免这种问题发生，这个缓存几分钟后会被删除，非常简单粗暴。
 *   *  **静态ARP：** 手工维护，不会自动失效
     *  **动态ARP：** 会过段时间自动失效（文中说的就是它）

>  *  IP 模块负责添加如下两个头部：
>  *   *  **MAC头部：** 以太网用的头部，包含MAC地址
>      *  **IP头部：** IP用的头部，包含IP地址

## 总体数据包 ##

这个时候的数据包变成了这个样子![02dc3be998f0fd05ef812b88348118a2.png][]

*  **MTU（Maximum Transmission Unit）:** 一个网络包的最大长度，以太网中一般是1500字节
 *  **MSS（Maximum Segment Size）:** 除去头部之后，一个网络包所容纳的TCP数据的最大长度
 *  然后这数据包，沿着网卡出去，到集线器，路由器一顿传输（中间涉及到电信号转换等等），到达服务端那边，再一层一层的扒皮（前往中说过，一层一层的拆分数据包）

## 断开连接 ##

### 四次挥手 ###

两台计算机最后连接结束后要断开连接，进行四次挥手![dd5bd0869dabe97a30710c49d49e9e38.png][]

> 其实**三次握手**，**四次挥手**还有好多好多知识点要说，像什么为什么握手需要三次，而挥手需要四次啦这些问题，以后小杰会单独和大家聊这个,记得收看呀

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