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网络编程懒人入门(二):快速理解网络通信协议(下篇)

原作者:阮一峰(ruanyifeng.com),本文由即时通讯网重新整理发布,感谢原作者的无私分享。


1、前言


本文上篇《网络编程懒人入门(一):快速理解网络通信协议(上篇)》分析了互联网的总体构思,从下至上,每一层协议的设计思想。基于知识连贯性的考虑,建议您先看完上篇后再来阅读本文。

本文从设计者的角度看问题,今天我想切换到用户的角度,看看用户是如何从上至下,与这些协议互动的。

2、系列文章


本文是系列文章中的第1篇,本系列文章的大纲如下:


3、参考资料


TCP/IP详解 - 第11章·UDP:用户数据报协议
TCP/IP详解 - 第17章·TCP:传输控制协议
TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止
TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传
通俗易懂-深入理解TCP协议(上):理论基础
通俗易懂-深入理解TCP协议(下):RTT、滑动窗口、拥塞处理
理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解
理论联系实际:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程
计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)
高性能网络编程(一):单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少
高性能网络编程(二):上一个10年,著名的C10K并发连接问题
高性能网络编程(三):下一个10年,是时候考虑C10M并发问题了
高性能网络编程(四):从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索
不为人知的网络编程(一):浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)
不为人知的网络编程(二):浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)
不为人知的网络编程(三):关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT
不为人知的网络编程(四):深入研究分析TCP的异常关闭
不为人知的网络编程(五):UDP的连接性和负载均衡
不为人知的网络编程(六):深入地理解UDP协议并用好它
简述传输层协议TCP和UDP的区别
为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议?
移动端即时通讯协议选择:UDP还是TCP?

4、一个小结


先对前面的内容,做一个小结(详见本文上篇《网络编程懒人入门(一):快速理解网络通信协议(上篇)》)。

我们已经知道,网络通信就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包,后者收到了,回复一个数据包,从而实现两台电脑之间的通信。

数据包的结构,基本上是下面这样:
1.png

发送这个包,需要知道两个地址:

  • * 对方的MAC地址;
  • * 对方的IP地址。

有了这两个地址,数据包才能准确送到接收者手中。但是,前面说过,MAC地址有局限性,如果两台电脑不在同一个子网络,就无法知道对方的MAC地址,必须通过网关(gateway)转发。

2.jpg

上图中,1号电脑要向4号电脑发送一个数据包。它先判断4号电脑是否在同一个子网络,结果发现不是(后文介绍判断方法),于是就把这个数据包发到网关A。网关A通过路由协议,发现4号电脑位于子网络B,又把数据包发给网关B,网关B再转发到4号电脑。

1号电脑把数据包发到网关A,必须知道网关A的MAC地址。所以,数据包的目标地址,实际上分成两种情况:

场景数据包地址
同一个子网络对方的MAC地址,对方的IP地址
非同一个子网络网关的MAC地址,对方的IP地址

发送数据包之前,电脑必须判断对方是否在同一个子网络,然后选择相应的MAC地址。接下来,我们就来看,实际使用中,这个过程是怎么完成的。

5、用户的上网设置


5.1静态IP地址


你买了一台新电脑,插上网线,开机,这时电脑能够上网吗?

3.jpg

通常你必须做一些设置。有时,管理员(或者ISP)会告诉你下面四个参数,你把它们填入操作系统,计算机就能连上网了:

  • * 本机的IP地址;
  • * 子网掩码;
  • * 网关的IP地址;
  • * DNS的IP地址。

下图是Windows系统的设置窗口:
4.png

这四个参数缺一不可,后文会解释为什么需要知道它们才能上网。由于它们是给定的,计算机每次开机,都会分到同样的IP地址,所以这种情况被称作"静态IP地址上网"。但是,这样的设置很专业,普通用户望而生畏,而且如果一台电脑的IP地址保持不变,其他电脑就不能使用这个地址,不够灵活。出于这两个原因,大多数用户使用"动态IP地址上网"。

5.2动态IP地址


所谓"动态IP地址",指计算机开机后,会自动分配到一个IP地址,不用人为设定。它使用的协议叫做DHCP协议。

这个协议规定,每一个子网络中,有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址,它叫做"DHCP服务器"。新的计算机加入网络,必须向"DHCP服务器"发送一个"DHCP请求"数据包,申请IP地址和相关的网络参数。

前面说过,如果两台计算机在同一个子网络,必须知道对方的MAC地址和IP地址,才能发送数据包。但是,新加入的计算机不知道这两个地址,怎么发送数据包呢?DHCP协议做了一些巧妙的规定。

5.3DHCP协议


首先,它是一种应用层协议,建立在UDP协议之上,所以整个数据包是这样的:
5.png

  • 1)最前面的"以太网标头":设置发出方(本机)的MAC地址和接收方(DHCP服务器)的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址,后者这时不知道,就填入一个广播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。
  • 2)后面的"IP标头":设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时,对于这两者,本机都不知道。于是,发出方的IP地址就设为0.0.0.0,接收方的IP地址设为255.255.255.255。
  • 3)最后的"UDP标头":设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的,发出方是68端口,接收方是67端口。

这个数据包构造完成后,就可以发出了。以太网是广播发送,同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF,看不出是发给谁的,所以每台收到这个包的计算机,还必须分析这个包的IP地址,才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0,接收方是255.255.255.255,于是DHCP服务器知道"这个包是发给我的",而其他计算机就可以丢弃这个包。

接下来,DHCP服务器读出这个包的数据内容,分配好IP地址,发送回去一个"DHCP响应"数据包。这个响应包的结构也是类似的,以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址,IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址(发出方)和255.255.255.255(接收方),UDP标头的端口是67(发出方)和68(接收方),分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。

新加入的计算机收到这个响应包,于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。

5.4上网设置:小结


这个部分,需要记住的就是一点:不管是"静态IP地址"还是"动态IP地址",电脑上网的首要步骤,是确定四个参数。

这四个值很重要,值得重复一遍:

  • * 本机的IP地址;
  • * 子网掩码;
  • * 网关的IP地址;
  • * DNS的IP地址。

有了这几个数值,电脑就可以上网"冲浪"了。接下来,我们来看一个实例,当用户访问网页的时候,互联网协议是怎么运作的。

6、一个实例:访问网页


6.1本机参数


我们假定,经过上一节的步骤,用户设置好了自己的网络参数:

  • * 本机的IP地址:192.168.1.100;
  • * 子网掩码:255.255.255.0;
  • * 网关的IP地址:192.168.1.1;
  • * DNS的IP地址:8.8.8.8。

然后他打开浏览器,想要访问Google,在地址栏输入了网址:www.google.com

6.png

这意味着,浏览器要向Google发送一个网页请求的数据包。

6.2DNS协议


我们知道,发送数据包,必须要知道对方的IP地址。但是,现在,我们只知道网址www.google.com,不知道它的IP地址。DNS协议可以帮助我们,将这个网址转换成IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8,于是我们向这个地址发送一个DNS数据包(53端口)。

7.png

然后,DNS服务器做出响应,告诉我们Google的IP地址是172.194.72.105。于是,我们知道了对方的IP地址。

6.3子网掩码


接下来,我们要判断,这个IP地址是不是在同一个子网络,这就要用到子网掩码。

已知子网掩码是255.255.255.0,本机用它对自己的IP地址192.168.1.100,做一个二进制的AND运算(两个数位都为1,结果为1,否则为0),计算结果为192.168.1.0;然后对Google的IP地址172.194.72.105也做一个AND运算,计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等,所以结论是,Google与本机不在同一个子网络。

因此,我们要向Google发送数据包,必须通过网关192.168.1.1转发,也就是说,接收方的MAC地址将是网关的MAC地址。

6.4应用层协议


浏览网页用的是HTTP协议,它的整个数据包构造是这样的:
9.png

HTTP部分的内容,类似于下面这样:
  GET / HTTP/1.1
  Host: [url=http://www.google.com]www.google.com[/url]
  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: ... ...

我们假定这个部分的长度为4960字节,它会被嵌在TCP数据包之中。

6.5TCP协议


TCP数据包需要设置端口,接收方(Google)的HTTP端口默认是80,发送方(本机)的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数,假定为51775。TCP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入HTTP的数据包,总长度变为4980字节。

6.6IP协议


然后,TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址,这是已知的,发送方是192.168.1.100(本机),接收方是172.194.72.105(Google)。IP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入的TCP数据包,总长度变为5000字节。

6.7以太网协议


最后,IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址,发送方为本机的网卡MAC地址,接收方为网关192.168.1.1的MAC地址(通过ARP协议得到)。

以太网数据包的数据部分,最大长度为1500字节,而现在的IP数据包长度为5000字节。因此,IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头(20字节),所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

10.png

6.8服务器端响应


经过多个网关的转发,Google的服务器172.194.72.105,收到了这四个以太网数据包。根据IP标头的序号,Google将四个包拼起来,取出完整的TCP数据包,然后读出里面的"HTTP请求",接着做出"HTTP响应",再用TCP协议发回来。

本机收到HTTP响应以后,就可以将网页显示出来,完成一次网络通信。

10.jpg

这个例子就到此为止,虽然经过了简化,但它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。

(— 全文完 —)(原文链接:点此进入

附录:更多网络编程资料


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标签:网络编程
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