计算机网络原型——网络协议从顶往下看

从网络协议从底往上看,数据经过一层一层的传递中,通过MAC,IP,端口找到对应的主机,打开请求链接。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:1.同一个子网络下,需要对方的MAC地址,对方的IP地址;2.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。

 

静态IP地址

一台新电脑,插上网线,开机,这时电脑能够上网吗?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

 

 

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"。

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。

DHCP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:

  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。

冲浪

用户设置好了自己的网络参数,同时打开浏览器,想要访问cnblogs,在地址栏输入了网址:www.cnblogs.com。这意味着,浏览器要向cnblogs发送一个网页请求的数据包。

  • 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

 

 

 

DNS协议

我们知道,发送数据包,必须要知道对方的IP地址。但是,现在只知道网址www.cnblogs.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)。然后,DNS服务器做出响应,告诉我们cnblogs的IP地址是114.55.205.139。于是,我们知道了对方的IP地址。

 

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cnblogs的IP地址114.55.205.139也做一个AND运算,计算结果为114.55.205.0。这两个结果不相等,所以结论是,cnblogs与本机不在同一个子网络。

因此,我们要向cnblogs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。

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:

HTTP部分的内容,类似于下面这样: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。

  GET / HTTP/1.1
  Host: www.cnblogs.com
  Connection: keep-alive
  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: ... ...

TCP协议

TCP数据包需要设置端口,接收方(cnblogs)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。

IP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114.55.205.139。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。

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。

服务器端响应

经过多个网关的转发,服务器114.55.205.139,收到了这四个以太网数据包。根据IP标头的序号,cnblogs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。

 

 

这样我们就打开了一个网页,但是其中的细节TCP的三握四挥,请求到达对方服务器后的管道通信,以及如果有效的压缩请求头,以增大传输字符,都需要我们详细了解。


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