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學習網絡編程以前,要對計算機底層的通訊實現機制要有必定的理解。編程
OSI瀏覽器
互聯網協議按照功能不一樣分爲osi七層或tcp/ip五層或tcp/ip四層服務器
能夠將應用層，表示層，會話層並做應用層，從tcp／ip五層協議的角度來闡述每層的由來與功能，搞清楚了每層的主要協議網絡
就理解了整個互聯網通訊的原理。app
首先，用戶感知到的只是最上面一層應用層，自上而下每層都依賴於下一層，因此咱們從最下一層開始切入，比較好理解tcp
每層都運行特定的協議，越往上越靠近用戶，越往下越靠近硬件。post
物理層學習
物理層由來：上面提到，孤立的計算機之間要想一塊兒玩，就必須接入internet，言外之意就是計算機之間必須完成組網google
物理層功能：主要是基於電器特性發送高低電壓(電信號)，高電壓對應數字1，低電壓對應數字0
數據鏈路層
數據鏈路層由來：單純的電信號0和1沒有任何意義，必須規定電信號多少位一組，每組什麼意思
數據鏈路層的功能：定義了電信號的分組方式
以太網協議：
早期的時候各個公司都有本身的分組方式，後來造成了統一的標準，即以太網協議ethernet
ethernet規定
- 一組電信號構成一個數據包，叫作‘幀’
- 每一數據幀分紅：報頭head和數據data兩部分
| head | data |
head包含：(固定18個字節)
- 發送者／源地址，6個字節
- 接收者／目標地址，6個字節
- 數據類型，6個字節
data包含：(最短46字節，最長1500字節)
- 數據包的具體內容
head長度＋data長度＝最短64字節，最長1518字節，超過最大限制就分片發送
mac地址：
head中包含的源和目標地址由來：ethernet規定接入internet的設備都必須具有網卡，發送端和接收端的地址即是指網卡的地址，即mac地址
mac地址(即物理地址)：每塊網卡出廠時都被燒製上一個世界惟一的mac地址，長度爲48位2進制，一般由12位16進制數表示（前六位是廠商編號，後六位是流水線號）
廣播：
有了mac地址，同一網絡內的兩臺主機就能夠通訊了（一臺主機經過arp協議獲取另一臺主機的mac地址）
ethernet採用最原始的方式，廣播的方式進行通訊，即計算機通訊基本靠吼
網絡層
網絡層由來：有了ethernet、mac地址、廣播的發送方式，世界上的計算機就能夠彼此通訊了，問題是世界範圍的互聯網是由
一個個彼此隔離的小的局域網組成的，那麼若是全部的通訊都採用以太網的廣播方式，那麼一臺機器發送的包全世界都會收到，
這就不只僅是效率低的問題了，這會是一種災難
因而就採用路由的方式（向不一樣廣播域／子網分發數據包），mac地址是沒法區分的，它只跟廠商有關
網絡層功能：引入一套新的地址用來區分不一樣的廣播域／子網，這套地址即網絡地址
IP協議：
- 規定網絡地址的協議叫ip協議，它定義的地址稱之爲ip地址，普遍採用的v4版本即ipv4，它規定網絡地址由32位2進製表示
- 範圍0.0.0.0-255.255.255.255
- 一個ip地址一般寫成四段十進制數，例：172.16.10.1
ip地址分紅兩部分
- 網絡部分：標識子網
- 主機部分：標識主機
注意：單純的ip地址段只是標識了ip地址的種類，從網絡部分或主機部分都沒法辨識一個ip所處的子網
例：172.16.10.1與172.16.10.2並不能肯定兩者處於同一子網
子網掩碼
所謂」子網掩碼」，就是表示子網絡特徵的一個參數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分所有爲1，主機部分所有爲0。好比，IP地址172.16.10.1，若是已知網絡部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。
知道」子網掩碼」，咱們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都爲1，運算結果爲1，不然爲0），而後比較結果是否相同，若是是的話，就代表它們在同一個子網絡中，不然就不是。
好比，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子網掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網絡？二者與子網掩碼分別進行AND運算，
172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001
255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
AND運算得網絡地址結果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0
172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010
255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000
AND運算得網絡地址結果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0
結果都是172.16.10.0，所以它們在同一個子網絡。
總結一下，IP協議的做用主要有兩個，一個是爲每一臺計算機分配IP地址，另外一個是肯定哪些地址在同一個子網絡。
ip數據包
ip數據包也分爲head和data部分，無須爲ip包定義單獨的欄位，直接放入以太網包的data部分
head：長度爲20到60字節
data：最長爲65,515字節。
而以太網數據包的」數據」部分，最長只有1500字節。所以，若是IP數據包超過了1500字節，它就須要分割成幾個以太網數據包，分開發送了。
| 以太網頭 | ip 頭 | ip數據 |
ARP協議
arp協議由來：計算機通訊基本靠吼，即廣播的方式，全部上層的包到最後都要封裝上以太網頭，而後經過以太網協議發送，在談及以太網協議時候，我門瞭解到
通訊是基於mac的廣播方式實現，計算機在發包時，獲取自身的mac是容易的，如何獲取目標主機的mac，就須要經過arp協議
arp協議功能：廣播的方式發送數據包，獲取目標主機的mac地址
協議工做方式：每臺主機ip都是已知的
例如：主機172.16.10.10/24訪問172.16.10.11/24
一：首先經過ip地址和子網掩碼區分出本身所處的子網
| 場景 | 數據包地址 |
| 同一子網 | 目標主機mac，目標主機ip |
| 不一樣子網 | 網關mac，目標主機ip |
二：分析172.16.10.10/24與172.16.10.11/24處於同一網絡(若是不是同一網絡，那麼下表中目標ip爲172.16.10.1,經過arp獲取的是網關的mac)
| 源mac | 目標mac | 源ip | 目標ip | 數據部分 | |
| 發送端主機 | 發送端mac | FF:FF:FF:FF:FF:FF | 172.16.10.10/24 | 172.16.10.11/24 | 數據 |
三：這個包會以廣播的方式在發送端所處的自網內傳輸，全部主機接收後拆開包，發現目標ip爲本身的，就響應，返回本身的mac
傳輸層
傳輸層的由來：網絡層的ip幫咱們區分子網，以太網層的mac幫咱們找到主機，而後你們使用的都是應用程序，你的電腦上可能同時開啓qq，暴風影音，等多個應用程序，
那麼咱們經過ip和mac找到了一臺特定的主機，如何標識這臺主機上的應用程序，答案就是端口，端口即應用程序與網卡關聯的編號。
傳輸層功能：創建端口到端口的通訊
補充：端口範圍0-65535，0-1023爲系統佔用端口
tcp協議：
可靠傳輸，TCP數據包沒有長度限制，理論上能夠無限長，可是爲了保證網絡的效率，一般TCP數據包的長度不會超過IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包沒必要再分割。
| 以太網頭 | ip 頭 | tcp頭 | 數據 |
udp協議：
不可靠傳輸，」報頭」部分一共只有8個字節，總長度不超過65,535字節，正好放進一個IP數據包。
| 以太網頭 | ip頭 | udp頭 | 數據 |
tcp報文
tcp三次握手和四次揮手
應用層
應用層由來：用戶使用的都是應用程序，均工做於應用層，互聯網是開發的，你們均可以開發本身的應用程序，數據多種多樣，必須規定好數據的組織形式
應用層功能：規定應用程序的數據格式。
例：TCP協議能夠爲各類各樣的程序傳遞數據，好比Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不一樣協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了」應用層」。
簡單瞭解到OSI五層的機制後,那麼實現網絡通訊的必需要存在的要素有哪些?
網絡通訊實現
想實現網絡通訊，每臺主機需具有四要素
- 本機的IP地址
- 子網掩碼
- 網關的IP地址
- DNS的IP地址
獲取這四要素分兩種方式
1.靜態獲取
即手動配置
2.動態獲取
經過dhcp獲取
| 以太網頭 | ip頭 | udp頭 | dhcp數據包 |
（1）最前面的」以太網標頭」，設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP服務器）的MAC地址。前者就是本機網卡的MAC地址，後者這時不知道，就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
（2）後面的」IP標頭」，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，對於這二者，本機都不知道。因而，發出方的IP地址就設爲0.0.0.0，接收方的IP地址設爲255.255.255.255。
（3）最後的」UDP標頭」，設置發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。
這個數據包構造完成後，就能夠發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每臺計算機都收到了這個包。由於接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，因此每臺收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP地址，才能肯定是否是發給本身的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，因而DHCP服務器知道」這個包是發給個人」，而其餘計算機就能夠丟棄這個包。
接下來，DHCP服務器讀出這個包的數據內容，分配好IP地址，發送回去一個」DHCP響應」數據包。這個響應包的結構也是相似的，以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的端口是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地址和本網絡的具體參數則包含在Data部分。
新加入的計算機收到這個響應包，因而就知道了本身的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等等參數
那麼,網絡通訊的流程是什麼
1.本機獲取
- 本機的IP地址：192.168.1.100
- 子網掩碼：255.255.255.0
- 網關的IP地址：192.168.1.1
- DNS的IP地址：8.8.8.8
2.打開瀏覽器，想要訪問Google，在地址欄輸入了網址：www.google.com。
3.dns協議(基於udp協議)
13臺根dns：
A.root-servers.net198.41.0.4美國
B.root-servers.net192.228.79.201美國（另支持IPv6）
C.root-servers.net192.33.4.12法國
D.root-servers.net128.8.10.90美國
E.root-servers.net192.203.230.10美國
F.root-servers.net192.5.5.241美國（另支持IPv6）
G.root-servers.net192.112.36.4美國
H.root-servers.net128.63.2.53美國（另支持IPv6）
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美國
K.root-servers.net193.0.14.129英國（另支持IPv6）
L.root-servers.net198.32.64.12美國
M.root-servers.net202.12.27.33日本（另支持IPv6）
域名定義：http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html
頂級域名：以.com,.net,.org,.cn等等屬於國際頂級域名，根據目前的國際互聯網域名體系，國際頂級域名分爲兩類：類別頂級域名(gTLD)和地理頂級域名(ccTLD)兩種。類別頂級域名是 以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等結尾的域名，均由國外公司負責管理。地理頂級域名是以國家或地區代碼爲結尾的域名，如"CN"表明中國，"UK"表明英國。地理頂級域名通常由各個國家或地區負責管理。
二級域名：二級域名是以頂級域名爲基礎的地理域名，比喻中國的二級域有，.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn等.子域名是其父域名的子域名，比喻父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者*.abc.com.
通常來講，二級域名是域名的一條記錄，好比alidiedie.com是一個域名，www.alidiedie.com是其中比較經常使用的記錄，通常默認是用這個，可是相似*.alidiedie.com的域名所有稱做是alidiedie.com的二級
4.HTTP部分的內容，相似於下面這樣：
GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: … …
咱們假定這個部分的長度爲4960字節，它會被嵌在TCP數據包之中。
5 TCP協議
TCP數據包須要設置端口，接收方（Google）的HTTP端口默認是80，發送方（本機）的端口是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定爲51775。
TCP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入HTTP的數據包，總長度變爲4980字節。
6 IP協議
而後，TCP數據包再嵌入IP數據包。IP數據包須要設置雙方的IP地址，這是已知的，發送方是192.168.1.100（本機），接收方是172.194.72.105（Google）。
IP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入的TCP數據包，總長度變爲5000字節。
7 以太網協議
最後，IP數據包嵌入以太網數據包。以太網數據包須要設置雙方的MAC地址，發送方爲本機的網卡MAC地址，接收方爲網關192.168.1.1的MAC地址（經過ARP協議獲得）。
以太網數據包的數據部分，最大長度爲1500字節，而如今的IP數據包長度爲5000字節。所以，IP數據包必須分割成四個包。由於每一個包都有本身的IP標頭（20字節），因此四個包的IP數據包的長度分別爲1500、1500、1500、560。
8 服務器端響應
通過多個網關的轉發，Google的服務器172.194.72.105，收到了這四個以太網數據包。
根據IP標頭的序號，Google將四個包拼起來，取出完整的TCP數據包，而後讀出裏面的」HTTP請求」，接着作出」HTTP響應」，再用TCP協議發回來。
本機收到HTTP響應之後，就能夠將網頁顯示出來，完成一次網絡通訊。
從頭看到尾,有一種很枯燥的感受。這僅僅是一部分,互聯網通訊的底層實現很複雜.須要對通訊的實現有必定的理解,纔會對學習網絡編程有必定幫助。