有沒有想過互聯(lián)網(wǎng)相隔N公里路的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)挣轨，是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸?shù)模吭诔汕先f臺(tái)的計(jì)算機(jī)中芙粱，一臺(tái)計(jì)算機(jī)是如何正確著找到另外一個(gè)計(jì)算機(jī)，并把數(shù)據(jù)傳給它的呢 拨脉？
研究過網(wǎng)絡(luò)學(xué)科的童鞋可能知道，在互聯(lián)網(wǎng)中，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，主要是基于各種“協(xié)議”串聯(lián)起來的奈惑。不過本文并不會(huì)詳細(xì)剖析各種協(xié)議，而是簡化之后的數(shù)據(jù)傳送原理碘裕。
解釋：
互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的傳送其實(shí)分為好幾層來處理數(shù)據(jù)携取，每一層有它自己明確的功能攒钳。例如就像流水線生產(chǎn)一樣帮孔，一部分人負(fù)責(zé)組裝工作，組裝完后把剩余的工作交給打包裝的人來處理…不撑。
對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的分層模型文兢，有分成七層的，5層的焕檬，還有分成4層的姆坚。例如分成七層模型的如下:
1.應(yīng)用層-->2.表示層-->3.會(huì)話層-->4.傳輸層-->5.網(wǎng)絡(luò)層-->6.數(shù)據(jù)鏈路層-->7.物理層。
七層中实愚，越往下越靠近計(jì)算機(jī)底層兼呵，越往上越靠近用戶。
不過腊敲，本文分析的是以分成五層的模型來講击喂。其分層如下圖：
相當(dāng)于把應(yīng)用層、表示層碰辅、會(huì)話層看成是一層的懂昂。接下來從下往上來一步一步看看如何從一臺(tái)計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確的傳給另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。
一. 物理層
一臺(tái)計(jì)算機(jī)與另一臺(tái)計(jì)算機(jī)要進(jìn)行通信没宾，第一件要做的事是什么凌彬？當(dāng)然是要把這臺(tái)計(jì)算機(jī)與另外的計(jì)算機(jī)連起來沸柔，例如通過光纖，電纜铲敛，雙絞線等物體把他們聯(lián)起來褐澎，然后才能進(jìn)行通信。也就是說伐蒋，物理層負(fù)責(zé)把兩臺(tái)計(jì)算機(jī)連起來乱凿，然后在計(jì)算機(jī)之間傳送0,1這樣的底層電信號(hào)。
二. 數(shù)據(jù)鏈路層
前面說了咽弦，物理層它只是單純著負(fù)責(zé)在計(jì)算機(jī)之間傳輸0徒蟆，1這樣的電信號(hào)。假如這些0型型，1組合的傳送毫無規(guī)則段审，計(jì)算機(jī)是解讀不了的。因此闹蒜，我們需要制定一套規(guī)則來進(jìn)行傳送寺枉。例如多少個(gè)電信號(hào)為一組，每一組信號(hào)應(yīng)該如何標(biāo)識(shí)才能讓計(jì)算機(jī)讀懂等绷落。
數(shù)據(jù)鏈路層工作在物理層之上姥闪，負(fù)責(zé)給這些0,1制定傳送的規(guī)則，然后另一方再按照相應(yīng)的規(guī)則來進(jìn)行解讀砌烁。
以太網(wǎng)協(xié)議：
以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定筐喳，一組電信號(hào)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)包，把這個(gè)數(shù)據(jù)包稱之為“楨”函喉。每一個(gè)楨由標(biāo)頭(Head)和數(shù)據(jù)(Data)兩部分組成避归。如下：
這個(gè)楨的最大長度是1518個(gè)字節(jié)，最小長度為64字節(jié)管呵。假如需要傳送的數(shù)據(jù)很大的話梳毙，就分成多個(gè)楨來進(jìn)行傳送。
對(duì)于表頭和數(shù)據(jù)這兩個(gè)部分捐下，他們存放的都是一些什么數(shù)據(jù)呢账锹？我猜你瞇著眼睛都能想到他們應(yīng)該放什么數(shù)據(jù)。 毫無疑問坷襟，我們至少得知道這個(gè)楨是誰發(fā)送奸柬，發(fā)送給誰..等這些信息吧？所以標(biāo)頭部分主要是一些說明數(shù)據(jù)啤握，例如發(fā)送者鸟缕，接收者等信息。而數(shù)據(jù)部分則是這個(gè)數(shù)據(jù)包具體想給接受的內(nèi)容。
大家想一個(gè)問題懂从，一個(gè)楨的長度是64~1518個(gè)字節(jié)授段，也就是說楨的長度不是固定的，那你覺得標(biāo)頭部分的字節(jié)長度是固定的嗎番甩？答案是肯定的侵贵，假如不固定，每個(gè)楨都是單獨(dú)發(fā)送缘薛，那計(jì)算機(jī)怎么知道標(biāo)頭是幾個(gè)字節(jié)窍育，數(shù)據(jù)是幾個(gè)字節(jié)。所以標(biāo)頭部分的字節(jié)是固定并且定為18個(gè)字節(jié)宴胧。
MAC地址：
把一臺(tái)計(jì)算的的數(shù)據(jù)通過物理層和鏈路層發(fā)送給另一臺(tái)計(jì)算機(jī)漱抓，究竟是誰發(fā)給誰的，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間如何區(qū)分恕齐，你總得給他們一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)吧乞娄？
這就是MAC地址，連入網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)計(jì)算機(jī)都會(huì)有網(wǎng)卡接口显歧，每一個(gè)網(wǎng)卡都會(huì)一個(gè)地址仪或，這個(gè)地址就叫做MAC地址。計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送士骤，就是通過MAC地址來唯一尋找范删、傳送的。MAC地址在網(wǎng)卡生產(chǎn)是就被唯一標(biāo)識(shí)了拷肌。
廣播與ARP協(xié)議：
如圖到旦，假如計(jì)算機(jī)A知道了計(jì)算機(jī)B的MAC地址，然后計(jì)算機(jī)A想要給計(jì)算機(jī)B傳送數(shù)據(jù)廓块，雖然計(jì)算機(jī)A知道了計(jì)算機(jī)B的MAC地址厢绝，可是它要怎么給它傳送數(shù)據(jù)呢？計(jì)算機(jī)A不僅連著計(jì)算機(jī)B带猴，而且計(jì)算機(jī)A也還連著其他的計(jì)算機(jī)。 雖然計(jì)算機(jī)A知道計(jì)算機(jī)B的MAC地址懈万，可是計(jì)算機(jī)A是無法知道計(jì)算機(jī)B是分布在哪邊路線上的拴清。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)A是通過廣播的方式把數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)B会通。在同一個(gè)子網(wǎng)中口予，計(jì)算機(jī)A要向計(jì)算機(jī)B發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包包含接收者的MAC地址涕侈。這個(gè)時(shí)候同一個(gè)子網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)C,D也會(huì)收到這個(gè)數(shù)據(jù)包的沪停，然后收到這個(gè)數(shù)據(jù)包的計(jì)算機(jī)，會(huì)把數(shù)據(jù)包的MAC地址取出來，與自身的MAC地址對(duì)比木张，如果兩者相同众辨，則接受這個(gè)數(shù)據(jù)包，否則就丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)包舷礼。這種發(fā)送方式我們稱之為廣播,就像我們平時(shí)在廣場上通過廣播的形式呼叫某個(gè)人一樣鹃彻。
那么問題來了，計(jì)算機(jī)A是如何知道計(jì)算機(jī)B的MAC地址的呢妻献？這個(gè)時(shí)候就得由ARP協(xié)議這個(gè)家伙來解決了蛛株，不過ARP協(xié)議會(huì)涉及到IP地址，不過我們下面才會(huì)扯到IP地址育拨。因此我們先放著谨履，就當(dāng)作是有這么一個(gè)ARP協(xié)議，通過它我們可以知道子網(wǎng)中其他計(jì)算機(jī)的MAC地址熬丧。
三. 網(wǎng)絡(luò)層
上面我們有說到子網(wǎng)這個(gè)關(guān)鍵詞屉符，實(shí)際上我們所處的網(wǎng)絡(luò)，是由無數(shù)個(gè)子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的锹引。廣播的時(shí)候矗钟，也只有同一個(gè)子網(wǎng)里面的計(jì)算機(jī)能夠收到。 假如沒有子網(wǎng)這種劃分的話嫌变，計(jì)算機(jī)A發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包給計(jì)算機(jī)B,其他所有計(jì)算機(jī)也都能收到這個(gè)數(shù)據(jù)包吨艇，然后進(jìn)行對(duì)比再舍棄。世界上有那么多它計(jì)算機(jī)腾啥，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都能收到其他所有計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)包东涡，那就不得了了。那還不得奔潰倘待。 因此產(chǎn)生了子網(wǎng)這么一個(gè)東西疮跑。
那么問題來了，我們?nèi)绾螀^(qū)分哪些MAC地址是屬于同一個(gè)子網(wǎng)的呢凸舵？假如是同一個(gè)子網(wǎng)祖娘，那我們就用廣播的形式把數(shù)據(jù)傳送給對(duì)方，如果不是同一個(gè)子網(wǎng)的啊奄，我們就會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)關(guān)渐苏，讓網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
為了解決這個(gè)問題我們引入了一套新的地址協(xié)議菇夸，這個(gè)地址協(xié)議能夠幫助我們區(qū)分MAC地址是否處于同一個(gè)子網(wǎng)中琼富。這也是網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)解決的問題。
IP協(xié)議：
這個(gè)協(xié)議就是IP協(xié)議庄新，它所定義的地址鞠眉，我們稱之為IP地址薯鼠。IP協(xié)議有兩種版本，一種是IPv4,另一種是IPv6械蹋。不過我們目前大多數(shù)用的還是IPv4出皇，我們現(xiàn)在也只討論IPv4這個(gè)版本的協(xié)議。
這個(gè)IP地址由32為的二進(jìn)制數(shù)組成朝蜘，我們一般把它分成4段的十進(jìn)制表示恶迈，地址范圍為0.0.0.0~255.255.255.255
每一臺(tái)想要聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)都會(huì)有一個(gè)IP地址。這個(gè)IP地址被分為兩部分谱醇，前面一部分代表網(wǎng)絡(luò)部分暇仲，后面一部分代表主機(jī)部分。并且網(wǎng)絡(luò)部分和主機(jī)部分的二進(jìn)制位數(shù)是不固定的副渴。
假如兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)部分是一模一樣的奈附，我們就說這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)是處于同一個(gè)子網(wǎng)中。例如192.168.43.1和192.168.43.2,假如這兩個(gè)IP地址的網(wǎng)絡(luò)部分為24為煮剧，主機(jī)部分為8位斥滤。那么他們的網(wǎng)絡(luò)部分都為192.168.43，所以他們處于同一個(gè)子網(wǎng)中勉盅。
可是問題來了佑颇，你怎么知道網(wǎng)絡(luò)部分是占幾位。也就是說草娜，單單從兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址挑胸，我們是無法判斷他們的是否處于同一個(gè)子網(wǎng)中的。
這就引申出了另一個(gè)關(guān)鍵詞————子碼掩碼宰闰。子碼掩碼和IP地址一樣也是32位二進(jìn)制數(shù)茬贵，不過它的網(wǎng)絡(luò)部分規(guī)定全部為1，主機(jī)部分規(guī)定全部為0.也就是說移袍，假如上面那兩個(gè)IP地址的網(wǎng)絡(luò)部分為24為解藻，主機(jī)部分為8為的話，那他們的子碼掩碼都為11111111.11111111.11111111.00000000葡盗，即255.255.255.0螟左。
那有了子字碼掩碼，如何來判端IP地址是否處于同一個(gè)子網(wǎng)中呢戳粒。顯然路狮，知道了子碼掩碼，相當(dāng)于我們知道了網(wǎng)絡(luò)部分是幾位蔚约，主機(jī)部分是幾位。我們只需要把IP地址與它的子碼掩碼做與(and)運(yùn)算涂籽，然后把各自的結(jié)果進(jìn)行比較就行了苹祟，如果比較的結(jié)果相同，則代表是同一個(gè)子網(wǎng)，否則不是同一個(gè)子網(wǎng)树枫。
例如直焙，192.168.43.1和192.168.43.2的子碼掩碼都為255.255.255.0，把IP與子碼掩碼相與砂轻，可以得到他們都為192.168.43.0奔誓，進(jìn)而他們處于同一個(gè)子網(wǎng)中。
ARP協(xié)議：
有了上面IP協(xié)議的知識(shí)搔涝，我們回來講一下ARP協(xié)議厨喂。
有了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址，我們就可以判斷出它們是否處于同一個(gè)子網(wǎng)之中庄呈。 假如他們處于同一個(gè)子網(wǎng)之中蜕煌，計(jì)算機(jī)A要給計(jì)算機(jī)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)。我們可以通過ARP協(xié)議來得到計(jì)算機(jī)B的MAC地址诬留。ARP協(xié)議也是通過廣播的形式給同一個(gè)子網(wǎng)中的每臺(tái)電腦發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包(當(dāng)然斜纪，這個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)包含接收方的IP地址)。對(duì)方收到這個(gè)數(shù)據(jù)包之后文兑，會(huì)取出IP地址與自身的對(duì)比盒刚，如果相同，則把自己的MAC地址回復(fù)給對(duì)方绿贞，否則就丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)包因块。這樣，計(jì)算機(jī)A就能知道計(jì)算機(jī)B的MAC地址了樟蠕。
可能有人會(huì)問贮聂，知道了MAC地址之后，發(fā)送數(shù)據(jù)是通過廣播的形式發(fā)送寨辩，詢問對(duì)方的MAC地址也是通過廣播的形式來發(fā)送吓懈，那其他計(jì)算機(jī)怎么知道你是要傳送數(shù)據(jù)還是要詢問MAC地址呢？其實(shí)在詢問MAC地址的數(shù)據(jù)包中靡狞，在對(duì)方的MAC地址這一欄中耻警，填的是一個(gè)特殊的MAC地址，其他計(jì)算機(jī)看到這個(gè)特殊的MAC地址之后甸怕，就能知道廣播想干嘛了甘穿。
假如兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP不是處于同一個(gè)子網(wǎng)之中，這個(gè)時(shí)候梢杭，我們就會(huì)把數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)温兼，然后讓網(wǎng)關(guān)讓我們進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)傳送
DNS服務(wù)器：
這里再說一個(gè)問題，我們是如何知道對(duì)方計(jì)算機(jī)的IP地址的呢武契？這個(gè)問題可能有人會(huì)覺得很白癡募判，心想荡含，當(dāng)然是計(jì)算機(jī)的操作者來進(jìn)行輸入了。這沒錯(cuò)届垫，當(dāng)我們想要訪問某個(gè)網(wǎng)站的時(shí)候释液，我們可以輸入IP來進(jìn)行訪問，但是我相信絕大多數(shù)人是輸入一個(gè)網(wǎng)址域名的装处，例如訪問百度是輸入www.baidu.com這個(gè)域名误债。其實(shí)當(dāng)我們輸入這個(gè)域名時(shí)，會(huì)有一個(gè)叫做DNS服務(wù)器的家伙來幫我們解析這個(gè)域名妄迁，然后返回這個(gè)域名對(duì)應(yīng)的IP給我們的寝蹈。
四. 傳輸層
雖然我們已經(jīng)把數(shù)據(jù)成功從計(jì)算機(jī)A傳送到計(jì)算機(jī)B了，可是判族，計(jì)算機(jī)B里面有各種各樣的應(yīng)用程序躺盛，計(jì)算機(jī)該如何知道這些數(shù)據(jù)是給誰的呢？
這個(gè)時(shí)候形帮，端口(Port)這個(gè)家伙就上場了槽惫，也就是說，我們?cè)趶挠?jì)算機(jī)A傳數(shù)據(jù)給計(jì)算表B的時(shí)候辩撑，還得指定一個(gè)端口界斜，以供特定的應(yīng)用程序來接受處理。
也就是說合冀，傳輸層的功能就是建立端口到端口的通信各薇。相比網(wǎng)絡(luò)層的功能是建立主機(jī)到主機(jī)的通信。
也就是說君躺，有了IP和端口峭判，我們就可以進(jìn)行通信了。這個(gè)時(shí)候可能有人會(huì)說棕叫，我輸入IP地址的時(shí)候并沒有指定一個(gè)端口啊林螃。其實(shí)呢，對(duì)于有些傳輸協(xié)議俺泣，已經(jīng)有設(shè)定了一些默認(rèn)端口了疗认。例如http的傳輸默認(rèn)端口是80，這些端口信息也會(huì)包含在數(shù)據(jù)包里的伏钠。
五. 應(yīng)用層
終于說到應(yīng)用層了横漏，應(yīng)用層這一層最接近我們用戶了。
雖然我們收到了傳輸層傳來的數(shù)據(jù)熟掂，可是這些傳過來的數(shù)據(jù)五花八門缎浇，有html格式的，有mp4格式的赴肚，各種各樣华畏。你確定你能看的懂鹏秋？
因此我們需要指定這些數(shù)據(jù)的格式規(guī)則尊蚁，收到后才好解讀渲染亡笑。而應(yīng)用層的功能，就是用來規(guī)定應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)格式的横朋。
五層模型簡化至此仑乌。如果你也想詳細(xì)去了解，可以去買計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的資料琴锭。
