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1.TCP/IP 网络模型
2.键入网址---网页显示
2.1 生成HTTP数据包
2.2 DNS服务器进行域名与IP转换
2.3 建立TCP连接
2.4 生成IP头部和MAC头部
2.5 网卡、交换机、路由器
3 Linux系统收发网络包 1.TCP/IP 网络模型
首先#xff0c;为什么要有 TCP/IP 网络模型网页显示
2.1 生成HTTP数据包
2.2 DNS服务器进行域名与IP转换
2.3 建立TCP连接
2.4 生成IP头部和MAC头部
2.5 网卡、交换机、路由器
3 Linux系统收发网络包 1.TCP/IP 网络模型
首先为什么要有 TCP/IP 网络模型对于同一台设备上的进程间通信有很多种方式但对于不同设备上的进程间通信就需要网络通信而设备是多样的要兼容不同的设备就需要一套通用的网络协议这个网络协议是分层的TCP/IP 网络模型就是对每一层进行设计和介绍。
TCP/IP 网络通常是由上到下分成 4 层分别是应用层传输层网络层和网络接口层。
应用层的数据包会传给传输层传输层是为应用层提供网络支持的。在传输层会有两个传输协议分别是 TCP 和 UDP要记住他俩都属于传输层协议。
TCP 的全称叫传输控制协议Transmission Control Protocol大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议比如 HTTP 应用层协议。 应用需要传输的数据可能会非常大直接传输不好控制因此当传输层的数据包大小超过 MSS(TCP 最大报文段长度)就要将数据包分块这样即使中途有一个分块丢失或损坏了只需要重新发送这一个分块而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中我们把每个分块称为一个 TCP 段(TCPSegment)。
当设备作为接收方时传输层则要负责把数据包传给应用但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据因此需要用一个编号将应用区分开来这个编号就是端口。由于传输层的报文中会携带端口号因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。
网络层负责实际的传输功能最常用的网络层协议是IP协议(Internet Protocol)IP 协议会将传输层的报文作为数据部分再加上 IP 包头组装成 IP 报文如果 IP 报文大小超过1500 字节就会再次进行分片得到一个即将发送到网络的IP 报文。
网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备那么不同设备之间如何寻找呢 ? 因此网络层需要能区分设备的编号。我们一般用 IP 地址给设备进行编号对于IPv4 协议IP地址共 32 位分成了四段(比如,192.168.100.1)每段是8位。只有一个单纯的IP 地址虽然做到了区分设备但是寻址起来就特别麻烦全世界那么多台设备难道一个一个去匹配?这显然不科学。因此需要将 IP 地址分成两种意义一个是网络号负责标识该IP地址是属于哪个的一个是主机号负责标识同一子网下的不同主机配合子网掩码能算出 IP 地址的网络号和主机号。
IPv4地址和子网掩码_哔哩哔哩_bilibili
除了寻址能力IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中两台设备并不是用一条网线连接起来的而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的那么就会形成很多条网络的路因此当数据包到达一个网络节点就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。所以IP 协议的寻址作用是告诉我们去往下一个目的地该朝哪个方向走路由则是根据「下一个目的地」选择路径。寻址更像在导航路由更像在操作方向盘。 生成了 IP 头部之后接下来要交给网络接口层将来自网络层IP层的IP数据封装成适合物理网络传输的数据帧即添加头部和尾部信息如MAC地址、帧校验序列然后交给物理硬件传输。解封装接收物理网络的数据帧后剥离帧的头部和尾部提取IP数据报传递给上层网络层。网络接口层是TCP/IP模型的基石确保数据能够跨越物理网络实现“最后一公里”的传输是连接软件协议栈与硬件设备的桥梁。 传输层给应用数据前面增加了 TCP 头网络层给 TCP 数据包前面增加了IP 头网络接口层给 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾
网络接口层的传输单位是帧(frame)IP层的传输单位是包(packet)TCP 层的传输单位是段(segment)HTTP 的传输单位则是消息或报文(message)。但这些名词并没有什么本质的区分可以统称为数据包。
这些新增的头部和尾部都有各自的作用也都是按照特定的协议格式填充这每一层都增加了各自的协议头那自然网络包的大小就增大了但物理链路并不能传输任意大小的数据包所以在以太网中规定了最大传输单元(MTU)是 1500 字节也就是规定了单次传输的最大IP 包大小。
当网络包超过 MTU 的大小就会在网络层分片以确保分片后的 IP 包不会超过 MTU 大小如果 MTU越小需要的分包就越多那么网络吞吐能力就越差相反的如果 MTU 越大需要的分包就越少那么网络吞吐能力就越好。
2.键入网址---网页显示
在浏览器输入URL回车之后发生了什么_哔哩哔哩_bilibili
2.1 生成HTTP数据包
键入网址到网页显示期间发生了什么首先浏览器做的第一步工作就是要对 URL 进行解析从而生成发送给 Web 服务器的请求信息。长长的 URL 实际上是请求服务器里的文件资源。当没有路径名时就代表访问根目录下事先设置的默认文件也就是/index.html 或者 /default.html 这些文件这样就不会发生混乱了。 对 URL进行解析后浏览器确定了 Web 服务器和文件名接下来就是根据这些信息来生成 HTTP 请求消息了。 2.2 DNS服务器进行域名与IP转换
首先我们要先学习DNS域名的解析DNS域名解析过程_哔哩哔哩_bilibili
通过浏览器解析 URL 并生成 HTTP 消息后需要委托操作系统将消息发送给 web 服务器。但在发送之前还有一项工作需要完成那就是查询服务器域名对应的IP 地址因为委托操作系统发送消息时必须提供通信对象的IP 地址。有一种服务器就专门保存了 web服务器域名与 IP的对应关系它就是 DNS服务器其实DNS服务器就是一个数据库里面记录了很多URL和对应的IP地址。 这个根是由一群服务器组成的这群服务器用了13个不同的域名这13个根域名服务器是由12个独立机构营运的注意是13个域名不是13台机器。 当用户在浏览器中输入一个域名比如www.example.com客户端如浏览器会首先检查自己的缓存还要检查本机缓存看是否已经有该域名对应的 IP 地址记录。如果有缓存记录就直接使用缓存中的 IP 地址进行连接解析流程结束如果没有则会向本地配置的 DNS 服务器发送域名解析请求。如果你的主机里面DNS服务器设置错误就会存在可以登录QQ客户端但是不能浏览网页的情况因为QQ客户端是直接用IP访问的。
这个DNS服务器一般会是最接近我们的本地DNS服务器这台本地DNS服务器一般由ISP负责管理ISP也就是互联网服务提供商移动、电信。本地 DNS 服务器接收到请求后也会先检查自己的缓存。如果缓存中有该域名的记录就直接将对应的 IP 地址返回给客户端。如果本地 DNS 服务器缓存中没有相关记录它会根据配置的转发规则将请求转发给其他 DNS 服务器比如根 DNS 服务器或上级 DNS 服务器进行进一步的查询。 2.3 建立TCP连接
2.2 键入网址到网页显示期间发生了什么 | 小林coding 首先源端口号和目标端口号是不可少的如果没有这两个端口号数据就不知道应该发给哪个应用。 接下来是包的序号这个是为了解决包乱序的问题。还有应该有的是确认号目的是确认发出去对方是否有收到。如果没有收到就应该重新发送直到送达这个是为了解决丢包的问题。 接下来还有一些状态位。例如SYN是发起一个连接ACK是回复RST是重新连接FIN 是结束连接等。TCP 是面向连接的因而双方要维护连接的状态这些带状态位的包的发送会引起双方的状态变更。 还有一个重要的就是窗口大小。TCP 要做流量控制通信双方各声明一个窗口(缓存大小)标识自己当前能够的处理能力别发送的太快撑死我也别发的太慢饿死我。除了做流量控制以外TCP还会做拥塞控制对于真正的通路堵车不堵车它无能为力唯一能做的就是控制自己也即控制发送的速度。
2.4 生成IP头部和MAC头部
分别对应了网络层和网络接口层
2.5 网卡、交换机、路由器
网络包只是存放在主机内存中的一串二进制数字信息没有办法直接发送给对方。因此我们需要将数字信号转换为电信号才能在网线上传输也就是说这才是真正的数据发送过程。 负责执行这一操作的是网卡要控制网卡还需要靠网卡驱动程序。网卡驱动获取网络包之后会将其复制到网卡内的缓存区中接着会在其开头加上报头和起始帧分界符在末尾加上用于检测错误的帧校验序列。 起始帧分界符是一个用来表示包起始位置的标记末尾的 FCS(帧校验序列)用来检查包传输过程是否有损坏
交换机是将网络包原样转发到目的地。交换机工作在 MAC 层也称为二层网络设备。那么交换机是如何接收包的呢
首先电信号到达网线接口交换机里的模块进行接收接下来交换机里的模块将电信号转换为数字信号然后通过包末尾的 FCS 校验错误如果没问题则放到缓冲区。
计算机的网卡本身具有 MAC 地址并通过核对收到的包的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的如果不是发给自己的则丢弃相对地交换机的端口不核对接收方 MAC 地址而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此和网卡不同交换机的端口不具有 MAC 地址。 网络包经过交换机之后现在到达了路由器并在此被转发到下一个路由器或目标设备。这一步转发的工作原理和交换机类似也是通过查表判断包转发的目标。不过在具体的操作过程上路由器和交换机是有区别的
路由器是基于 IP 设计的俗称三层网络设备路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址而交换机是基于以太网设计的俗称二层网络设备交换机的端口不具有 MAC 地址 在网络包传输的过程中源 IP 和目标 IP 始终是不会变的一直变化的是 MAC 地址因为需要 MAC 地址在以太网内进行两个设备之间的包传输。 3 Linux系统收发网络包
2.3 Linux 系统是如何收发网络包的 | 小林coding
