计算机网络五层协议详解

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本文摘自https://mp.weixin.qq.com/s/Y3-CM6EiIX9saXn4U9yu1w

1 一台电脑是怎么把消息发给另外一台电脑的呢？

2 两台电脑啥线路也没有相连，怎么就能把消息发送给他呢？
3 世界上的电脑那么多，咋就能找到那台特点的电脑呢？有人说我们可以 MAC 或者 IP 来唯一标识啊，可是，我就有点疑惑了，世界那么大，电脑那么多，有了这个标识，我们该怎么找到他呢？遍历所有电脑？

4 多个程序同时发消息给一台电脑，电脑是如何准确把这些消息拿给这些不同程序的呢？

5 发送的消息丢失了怎么办？

通过网络通信的五层模型来讲解一台计算机是如何找到另外一台计算机并且把数据发送给另一台计算机的

1. 物理层

一台计算机与另一台计算机要进行通信，第一件要做的事是什么？当然是要把这台计算机与另外的其他计算机连起来啊，这样，我们才能把数据传输过去。例如可以通过光纤啊，电缆啊，双绞线啊等介质把他们连接起来，然后才能进行通信。

也就是说，物理层负责把两台计算机连起来，然后在计算机之间通过高低电频来传送0,1这样的电信号。

2. 数据链路层

前面说了，物理层它只是单纯着负责把计算机连接起来，并且在计算机之间传输0，1这样的电信号。如果这些0，1组合的传送毫无规则的话，计算机是解读不了的。一大堆0，1谁知道是什么鬼啊。

因此，我们需要制定一套规则来进行0，1的传送。例如多少个电信号为一组啊，每一组信号应该如何标识才能让计算机读懂啊等等。

于是，有了以太网协议。

1. 以太网协议

以太网协议规定，一组电信号构成一个数据包，我们把这个数据包称之为帧。每一个桢由标头(Head)和数据(Data)两部分组成。

帧的大小一般为 64 - 1518 个字节。假如需要传送的数据很大的话，就分成多个桢来进行传送。

对于表头和数据这两个部分，他们存放的都是一些什么数据呢？我猜你眯着眼睛都能想到他们应该放什么数据。毫无疑问，我们至少得知道这个桢是谁发送，发送给谁的等这些信息吧？所以标头部分主要是一些说明数据，例如发送者，接收者等信息。而数据部分则是这个数据包具体的，想给接守者的内容。

大家想一个问题，一个桢的长度是 64~1518 个字节，也就是说桢的长度不是固定的，那你觉得标头部分的字节长度是固定的吗？它当然是固定的啊，假如不是固定的，每个桢都是单独发的，那计算机怎么知道标头是几个字节，数据是几个字节呢。所以标头部分的字节是固定的，并且固定为18个字节。

把一台计算的的数据通过物理层和链路层发送给另一台计算机，究竟是谁发给谁的，计算机与计算机之间如何区分，你总得给他们一个唯一的标识吧？

于是，MAC 地址出现了。

2. MAC 地址

连入网络的每一个计算机都会有网卡接口，每一个网卡都会有一个唯一的地址，这个地址就叫做 MAC 地址。计算机之间的数据传送，就是通过 MAC 地址来唯一寻找、传送的。

MAC地址由 48 个字节所构成，在网卡生产时就被唯一标识了。

3. 广播与ARP协议

(1). 广播

如图，假如计算机 A 知道了计算机 B 的 MAC 地址，然后计算机 A 想要给计算机 B 传送数据，虽然计算机 A 知道了计算机 B 的 MAC 地址，可是它要怎么给它传送数据呢？计算机 A 不仅连着计算机 B，而且计算机 A 也还连着其他的计算机。虽然计算机 A 知道计算机 B 的 MAC 地址，可是计算机 A 却不知道知道计算机 B 是分布在哪边路线上，为了解决这个问题，于是，有了广播的出现。

在同一个子网中，计算机 A 要向计算机 B 发送一个数据包，这个数据包会包含接收者的 MAC 地址。当发送时，计算机 A 是通过广播的方式发送的，这时同一个子网中的计算机 C, D 也会收到这个数据包的，然后收到这个数据包的计算机，会把数据包的 MAC 地址取出来，与自身的 MAC 地址对比，如果两者相同，则接受这个数据包，否则就丢弃这个数据包。这种发送方式我们称之为广播,就像我们平时在广场上通过广播的形式呼叫某个人一样，如果这个名字是你，你就理会一下，如果不是你，你就当作听不见。

(2). ARP 协议

那么问题来了，计算机 A 是如何知道计算机 B 的 MAC 地址的呢？这个时候就得由 ARP 协议这个家伙来解决了，不过 ARP 协议会涉及到IP地址，我们下面才会扯到IP地址。因此我们先放着，就当作是有这么一个 ARP 协议，通过它我们可以知道子网中其他计算机的 MAC 地址。

3. 网络层

上面我们有说到子网这个关键词，实际上我们所处的网络，是由无数个子网络构成的。广播的时候，也只有同一个子网里面的计算机能够收到。

假如没有子网这种划分的话，计算机 A 通过广播的方式发一个数据包给计算机 B , 其他所有计算机也都能收到这个数据包，然后进行对比再舍弃。世界上有那么多它计算机，每一台计算机都能收到其他所有计算机的数据包，那就不得了了。那还不得奔溃。因此产生了子网这么一个东西。

那么问题来了，我们如何区分哪些 MAC 地址是属于同一个子网的呢？假如是同一个子网，那我们就用广播的形式把数据传送给对方，如果不是同一个子网的，我们就会把数据发给网关，让网关进行转发。

为了解决这个问题，于是，有了 IP 协议。

1. IP协议

IP协议，它所定义的地址，我们称之为IP地址。IP协议有两种版本，一种是 IPv4,另一种是 IPv6。不过我们目前大多数用的还是 IPv4，我们现在也只讨论 IPv4 这个版本的协议。

这个 IP 地址由 32 位的二进制数组成，我们一般把它分成4段的十进制表示，地址范围为0.0.0.0~255.255.255.255。

每一台想要联网的计算机都会有一个IP地址。这个IP地址被分为两部分，前面一部分代表网络部分，后面一部分代表主机部分。并且网络部分和主机部分所占用的二进制位数是不固定的。

假如两台计算机的网络部分是一模一样的，我们就说这两台计算机是处于同一个子网中。例如 192.168.43.1 和 192.168.43.2, 假如这两个 IP 地址的网络部分为 24 位，主机部分为 8 位。那么他们的网络部分都为 192.168.43，所以他们处于同一个子网中。

可是问题来了，你怎么知道网络部分是占几位，主机部分又是占几位呢？也就是说，单单从两台计算机的IP地址，我们是无法判断他们的是否处于同一个子网中的。

这就引申出了另一个关键词————子网掩码。子网掩码和IP地址一样也是 32 位二进制数，不过它的网络部分规定全部为 1，主机部分规定全部为 0.也就是说，假如上面那两个IP地址的网络部分为 24 位，主机部分为 8 位的话，那他们的子网掩码都为 11111111.11111111.11111111.00000000，即255.255.255.0。

那有了子网掩码，如何来判端IP地址是否处于同一个子网中呢。显然，知道了子网掩码，相当于我们知道了网络部分是几位，主机部分是几位。我们只需要把 IP 地址与它的子网掩码做与(and)运算，然后把各自的结果进行比较就行了，如果比较的结果相同，则代表是同一个子网，否则不是同一个子网。

例如，192.168.43.1和192.168.43.2的子码掩码都为255.255.255.0，把IP与子码掩码相与，可以得到他们都为192.168.43.0，进而他们处于同一个子网中。

2. ARP协议

有了上面IP协议的知识，我们回来讲一下ARP协议。

有了两台计算机的IP地址与子网掩码，我们就可以判断出它们是否处于同一个子网之中了。

假如他们处于同一个子网之中，计算机A要给计算机B发送数据时。我们可以通过ARP协议来得到计算机B的MAC地址。

ARP协议也是通过广播的形式给同一个子网中的每台电脑发送一个数据包(当然，这个数据包会包含接收方的IP地址)。对方收到这个数据包之后，会取出IP地址与自身的对比，如果相同，则把自己的MAC地址回复给对方，否则就丢弃这个数据包。这样，计算机A就能知道计算机B的MAC地址了。

可能有人会问，知道了MAC地址之后，发送数据是通过广播的形式发送，询问对方的MAC地址也是通过广播的形式来发送，那其他计算机怎么知道你是要传送数据还是要询问MAC地址呢？其实在询问MAC地址的数据包中，在对方的MAC地址这一栏中，填的是一个特殊的MAC地址，其他计算机看到这个特殊的MAC地址之后，就能知道广播想干嘛了。

假如两台计算机的IP不是处于同一个子网之中，这个时候，我们就会把数据包发送给网关，然后让网关让我们进行转发传送

3. DNS服务器

这里再说一个问题，我们是如何知道对方计算机的IP地址的呢？这个问题可能有人会觉得很白痴，心想，当然是计算机的操作者来进行输入了。这没错，当我们想要访问某个网站的时候，我们可以输入IP来进行访问，但是我相信绝大多数人是输入一个网址域名的，例如访问百度是输入 www.baidu.com 这个域名。其实当我们输入这个域名时，会有一个叫做DNS服务器的家伙来帮我们解析这个域名，然后返回这个域名对应的IP给我们的。

因此，网络层的功能就是让我们在茫茫人海中，能够找到另一台计算机在哪里，是否属于同一个子网等。

4. 传输层

通过物理层、数据链路层以及网络层的互相帮助，我们已经把数据成功从计算机A传送到计算机B了，可是，计算机B里面有各种各样的应用程序，计算机该如何知道这些数据是给谁的呢？

这个时候，端口(Port)这个家伙就上场了，也就是说，我们在从计算机A传数据给计算表B的时候，还得指定一个端口，以供特定的应用程序来接受处理。

也就是说，传输层的功能就是建立端口到端口的通信。相比网络层的功能是建立主机到主机的通信。

也就是说，只有有了IP和端口，我们才能进行准确着通信。这个时候可能有人会说，我输入IP地址的时候并没有指定一个端口啊。其实呢，对于有些传输协议，已经有设定了一些默认端口了。例如http的传输默认端口是80，这些端口信息也会包含在数据包里的。

传输层最常见的两大协议是 TCP 协议和 UDP 协议，其中 TCP 协议与 UDP 最大的不同就是 TCP 提供可靠的传输，而 UDP 提供的是不可靠传输。

5. 应用层

终于说到应用层了，应用层这一层最接近我们用户了。

虽然我们收到了传输层传来的数据，可是这些传过来的数据五花八门，有html格式的，有mp4格式的，各种各样。你确定你能看的懂？

因此我们需要指定这些数据的格式规则，收到后才好解读渲染。例如我们最常见的 Http 数据包中，就会指定该数据包是什么格式的文件了。

6 必学协议以及面试高频考点：

1、http协议，包括：封装格式，常见响应码，不同版本的区别，常见请求方法，存在哪些安全隐患，啥是无状态协议等。

2、https协议：http 是明文传输，https 是加密安全的，需要知道 https 是如何加密的、数字证书如何形成，啥的对称加密、非对称加密。

3、TCP协议：三次握手、四次挥手、如何保证可靠传输、流量控制、拥塞控制。

4、UDP：这个大致了解即可，好像内容比较少

5、DNS、ICMP、ARP、DHCP

推荐书籍：《计算机网络：自顶向下》、《图解http》

ICMP协议

https://blog.csdn.net/baidu_37964071/article/details/80514340

ICMP协议的功能主要有：
1. 确认IP包是否成功到达目标地址
2. 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因

DHCP

是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作；

（1）用于内部网或网络服务供应商自动分配IP地址；
（2）给用户用于内部网管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。

详细的DHCP 工作过程

（1）客户端：利用广播数据包发送搜索DHCP服务器
若客户端网络设置使用DHCP协议取得IP，则当客户端开机或者是重新启动网卡时，客户端主机会发送出查找DHCP服务器的UDP数据包（discover）给所有物理网段内的计算机。因为客户端还不知道自己属于哪一个网络，所以该数据包的来源地址会为0.0.0.0，而目的地址则为255.255.255.255。一般主机接收到这个数据包之后会直接丢弃，若局域网内有DHCP服务器，则会开始后续行为。
（2）服务器端：提供客户端网络相关的租约以供选择。（dhcp offer）
DHCP服务器在监听到客户端发出的dhcp discover广播后，会针对这个客户端的硬件地址（ MAC）与本身的设置数据进行下列工作：

（1）到服务器的日志文件中查找该用户之前是否曾经租用过某个IP，若有且该IP目前无人使用，则提供此IP给客户端。
(2)若配置文件针对该MAC地址提供特定的固定IP时，则提供该固定的IP给客户端。
(3)若不符合上述两个条件，则随机选取当前没有被使用的IP参数给客户端，并记录下来。
（3）客户端：决定选择DHCP服务器提供的网络参数租约并向服务器确认。
由于局域网内可能并非仅有一台DHCP服务器，但客户端仅能接收一组网络参数租约，因此客户端只会挑选其中一个DHCP offer（通常是最先抵达的那个）。当决定好使用此服务器的网络参数租约后，客户端便开始使用这组网络参数来配置自己的网络环境。此外，客户端会发送一个dhcp request广播数据包给所有物理网段内的主机，告知已经接受该服务器的租约（此时若有两台以上的DHCP服务器，则这些没有被接受的服务器会收回该IP租约。）。同时，客户端还会向网络发送一个ARP封包，查询网络上面有没有其他机器使用该IP地址；如果发现该IP地址已经被占用，客户端则会送出一个DHCPDECLIENT包给DHCP服务器，拒绝接受其DHCP offer，并重新发送DHCP discover信息。
（4）服务器端：记录该次租约行为后并向客户端发送响应数据包信息以确认客户端的使用。
当服务器端收到客户端的确认选择后，服务器会回送确认的dhcp ack响应数据包，并且告知客户端这个网络参数租约的期限，并且开始租约计时。那么该次租约何时会到期而被解约，有以下几种情况：
客户端脱机：关闭网络接口、重新启动、关机等行为，都算是脱机状态，这个时候server端就会将该IP地址收回，并放到server的备用区中，以便日后使用。

客户端租约到期：dhcp server端发放的IP有使用的期限，客户端使用这个IP到达期限规定的时间，而且没有重新提出DHCP的申请时，server端就会将该IP收回，这个时候就会断线。但用户也可以向DHCP服务器再次要求分配IP。

由于目前的DHCP客户端程序大多数会主动依据租约时间去重新申请IP，所以即使有租约期限，也不需要在某个时间点手动去重新申请IP。一般情况下，假设租约时间是T小时，那么客户端程序在0.5T时会主动向DHCP服务器发出重新要求网络参数的数据包。如果这次数据包请求没有成功，那么在0.85T后还会再次发送数据包一次。正因如此，所以服务器端会启动port67监听客户端请求，而客户端会启动port68主动向服务器请求。

参考链接

https://blog.csdn.net/csdn10086110/article/details/88820613

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