osi七层协议 Open System Interconnection

一, 操作系统基础

• 操作系统:(Operating System,简称OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序,是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件,任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行.
• 精简的说的话,操作系统就是一个协调,管理和控制计算机硬件资源和软件资源的控制程序.
• 操作系统位于计算机硬件与应用软件之间,本质也是一个软件.操作系统由操作系统的内核(运行于内核态,管理硬件资源)以及系统调用(运行于用户态,为应用程序员写的应用程序提供系统调用接口)两部分组成,所以,单纯的说操作系统是运行于内核态的,是不准确的

二, 互联网的本质

1. 两台计算机之间的通信:
   • 首先要通过各种物理连接介质连接
   • 确定对方计算机(准确到软件)的位置
   • 通过统一的标准(协议)进行数据的收发
2. 互联网协议: Internet Protocol Suite
   • 就像英语成为世界上所有人通信的统一标准,如果把计算机看成分布于世界各地的人,那么连接两台计算机之间的internet实际上就是一系列统一的标准,这些标准被称为互联网协议,互联网的本质就是一系列的协议
   • 功能: 定义计算机如何接入internet,以及接入internet的计算机通信的i标准
3. C/S架构 B/S架构
   • C: Client端,客户端
   • B: Browser,浏览器
   • S: Server,服务端
   • C/S是客户端与服务器之间的架构: QQ,微信,游戏,只要有App的都属于C/S架构
     • 优点: 安全性高,个性化设置,功能全面,响应速度快
     • 缺点: 开发成本高,维护成本高(基于App),面向的客户固定
   • B/S是属于C/S架构的,最近几年比较流行的特殊的C/S架构.浏览器与服务器之间的架构
     • 优点: 开发维护成本低,面向的用户广泛
     • 缺点: 安全性相对低,响应速度相对慢,个性化的设置单一

三, osi七层协议 Open System Interconnection

1. 互联网协议按照功能不同分为osi七层或者tcp/ip五层或tcp/ip四层

   

   

2. tcp/ip五层协议

   应用层,表示层,会话层可以并作应用层,从tcp/ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能

3. 物理层: 光纤,双绞线,无限电波

   一系列的物理连接介质,网线,光纤,发送的数据就是01010101比特数据流,这些数据连续不断的收发,拿到这些数据没有用,你不知道数据代表的意义,数据要进行分组(按照一定规则),数据分组这件事物理层做不了

4. 数据链路层: 以太网协议

   • 数据链路层的由来: 单纯的电信号0和1没有任何意义,必须规定电信号多少位一组,每组什么意思

   • 数据链路层的功能: 定义了电信号的分组方式

   • 以太网协议(ethernet):

     • 一组电信号构成一个数据报,叫做'帧'

     • 每一数据帧分成: 报头head和数据data两部分

     • 报头head包含: 固定18个字节

       源地址(6个字节)---目标地址(6个字节)---数据类型(6个字节)

     • data包含: 最短46字节,最长1500字节

       数据包的具体内容

     • head长度 + data长度 = 最短64字节,最长1518字节,超过最大限制就分片发送

     • 为什么报头要固定

       固定就是一个统一标准,为了提取源地址以及目标地址

   • mac地址:

     每块网卡出厂时烧制的唯一的地址,长度为48位2进制,通常由12位16进制表示(前六位是厂商编号,后六位是流水线号)

     例如: 3E-A0-67-68-B8-8D

   • 广播:

     • 有了mac地址,同一网络内的两台主机就可以通信了(一台主机通过arp协议获取另一台主机的mac地址)
     • 效率太低了,每台计算机都需要接收广播的消息,查看是否是给自己的数据.
     • 所以广播是有范围的,在同一个子网,局域网内是通过广播的方式发消息

   • 交换机的自主学习功能:

     • 广播: 都发送(吼)

     • 单播: 单线直接联系

     • 交换机(网口与mac地址)对照表:

       网口1	mac地址1
       网口2	mac地址2
       网口3	mac地址3
       网口4	mac地址4
       网口5	mac地址5

     • 网口1发出一条信息: ((源地址)网口1:mac地址 (目标地址)mac地址2 具体数据)

     • 第一次以广播的形式发出去

     • 2,3,4,5口都会接收到此消息,查看目标mac地址是否是自己的

     • 2口确定是自己的,交换机(网口与mac地址)对照表就会记录2号口的mac地址

     • 每个网口都广播发送消息一遍之后,对照表就构建好了,下次在任意的网口在发消息,就直接以单播的形式发送

     • 目的: 避免局域网内每一次都以广播的形式通信,以后可以单播,提升效率

5. 网络层: IP协议,确认对方的局域网的位置

   • 网络层由来:有了ethernet(以太网协议),mac地址,广播的发送方式,世界上的计算机就可以彼此通信了,问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的,那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式,那么一台机器发送的包全世界都会收到,这会是一种灾难

   • 必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一个局域网,哪些不是,如果是就采用广播的方式发送;如果不是,就采用路由的方式(向不同广播域/子网分发数据包),mac地址是无法区分的,它只跟厂商有关

   • 网络层功能:引入一套新的地址来区分不同的广播域/子网,这套地址即网络地址(ip)

   • IP协议:

     • 规定网络地址的协议叫ip协议,它定义的地址称之为ip地址,广泛采用的v4版本即ipv4,它规定网络地址由32位2进制表示
     • 范围:0.0.0.0~~255.255.255.255
     • 一个ip地址通常写成四段十进制数,例如:172.16.10.1

   • IP地址分成两部分:

     • 网络部分: 标识子网
     • 主机部分: 标识主机
     • 注意: 单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类,从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网
     • 例如: 172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

   • 子网掩码:

     • 表示子网络特征的一个参数,形式上和IP地址一样

     • 分为A,B,C三类,我们一般是C类,即255.255.255.0

     • 一般情况下: C类子网掩码可以分配的ip数量: 254个(1-254)

     • 用子网掩码和ip地址就可以判断两个ip地址是否处在同一个子网络

       # 方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算(两个数位都为1,运算结果为1,否则为0),然后比较结果是否相同,如果是的话,就表明它们在同一个子网络中,否则就不是
       # 比如,已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0,请问它们是否在同一个子网络?两者与子网掩码分别进行AND运算
       172.16.10.1========>10101100.00010000.00001010.00000001
       255255.255.255.0===>11111111.11111111.11111111.00000000
       AND运算得网络地址结果:10101100.00010000.00001010.00000001=>172.16.10.0
       
       172.16.10.2========>10101100.00010000.00001010.00000010
       255255.255.255.0===>11111111.11111111.11111111.00000000
       AND运算得网络地址结果:10101100.00010000.00001010.00000001=>172.16.10.0
       
       结果都是172.16.10.0,因此它们在同一个子网络
       

     • 总结: IP协议的作用主要由两个,一个是为每台计算机分配IP地址,另一个是确定哪些地址在同一个子网络

   • IP数据包:

     • ip数据包也分为head和data部分,无需为ip包定义单独的栏位,直接放入以太网包的data部分

     • head: 长度为20到60字节

     • data: 最长为65515字节

     • 而以太网数据包的'数据'部分,最长只有1500字节.因此,如果ip数据包超过了1500自己,它就需要分割成几个以太网数据包,分开发送了

       以太网头	ip头	ip数据
       源mac,目标mac	源ip,目标ip	数据

   • ARP协议:

     • arp协议由来: 计算机通信基本靠吼,即广播的方式,所有上层的包到最后都要封装上以太网头,然后通过以太网协议发送,在谈及以太网协议时候,知道通信是基于mac的广播方式实现,计算机在发包时,获取自身的mac是容易的,如何获取目标主机的mac?就需要通过arp协议

     • arp协议的功能: 广播的方式发送数据包,获取目标主机的mac地址

     • 协议的工作方式: 每台主机的ip都是已知的

     • 例如: 主机172.16.10.10/255.255.255.0访问172.16.10.11/255.255.255.0

     • 第一步: 首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

       场景	数据包地址
       同一子网	目标主机mac,目标主机ip
       不同子网	网关mac,目标主机ip

     • 第二步: 分析172.16.10.10/255.255.255.0与172.16.10.11/255.255.255.0处于同一网络(如果不是同一网络,那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

       	源mac	目标mac	源ip	目标ip
       发送端主机	发送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/255.255.255.0	172.16.10.11/255.255.255.0

     • 第三步: 这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输,所有主机接收后拆开包,发现目标ip为自己的,就响应,返回自己的mac

   • 路由协议:

     • 路由协议通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议.路由信息在相邻路由器之间传递,确保所有路由器知道到其它路由器的路径.总之,路由协议创建了路由表,描述了网络拓扑结构;路由协议与路由器协同工作,执行路由选择和数据包转发功能.
     • 目的,让不同子网内的计算机可以互相通信(通过网关和路由协议)
     • 网关: 网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址,比如有网络A和网络B,网络A的IP地址范围为“192.168.1.1~192. 168.1.254”,子网掩码为255.0.0.0;网络B的IP地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”,子网掩码为255.255.0.0。在没有路由器的情况下,两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的,即使是两个网络连接在同一台交换机,TCP/IP协议也会根据子网掩码(255.255.255.0)判定两个网络中的主机处在不同的网络里.而要实现这两个网络之间的通信,则必须通过网关.如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中,就把数据包转发给它自己的网关,再由网关转发给网络B的网关,网络B的网关再转发给网络B的某个主机

6. 传输层: 端口协议: TCP/UDP协议

   • 传输层的由来: 网络层的ip帮我们区分子网,以太网层的mac帮我们找到主机,然后我们使用的都是应用程序,电脑上可能同时开启qq,暴风影音等多个应用程序,那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机,如何标识这台主机上的应用程序,答案就是端口,端口即应用程序与网卡关联的编号

   • 传输层的功能: 建立端口到端口的通信

   • 端口范围: 0-65535,0-1023为系统占用端口,1024~8000:一般是由软件占用

   • TCP协议: (流式协议,好人协议)

     • 三次握手:

       

     • 四次挥手:

       

     • 四次挥手为什么不能合并成三次:

       • 两个链接是相互独立的,用户向服务器的链接断开时,可能服务器到用户的链接还在传数据

     • 优点: 稳定,安全

     • 缺点: 效率相对低

     • 使用TCP协议的应用: Web浏览器,文件传输程序

     • 以太网头----ip头----tcp头----数据

   • UDP协议:

     • 优点: 效率高,传输快
     • 缺点: 不安全,不是面向连接的,不可靠
     • 使用UDP的应用: 域名系统(DNS),视频流,IP语音,微信QQ
     • 以太网头----ip头----udp头----数据

7. 应用层:

   • 软件将数据按照自己定义的协议进行封装,http,FTP等协议

   • 应用层由来: 用户使用的都是应用程序,均工作于应用层,互联网是开放的,大家都可以开发自己的应用程序,数据多种多样,必须规定好数据的组织形式

   • 应用层功能: 规定应用程序的数据格式

   • 例: TCP协议可以为各种各样的程序传递数据,比如Email,WWW,FTP等等.那么,必须有不同协议规定电子邮件,网页,FTP数据的格式,这些应用程序协议就构成了”应用层”.

     

四, 网络通信实现

• 想实现网络通信,每台主机需具备四要素
  • 本机的IP地址
  • 子网掩码
  • 网关的IP地址
  • DNS的IP地址
• 静态获取:
  • 手动配置
• 动态获取:
  • 通过DHCP获取
  • 以太网头---ip头---udp头---dhcp数据包
  • 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.
  • 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.
  • 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

五, 网络通信流程

1. 获取本机信息

   • 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

2. 打开浏览器,输入网址

   • 想要访问Google,在地址栏输入了网址: www.google.com

3. DNS协议(基于udp协议)

   

4. HTTP部分的内容

   • 假定这个部分的长度为4960字节,它会被嵌在TCP数据包之中

5. TCP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. IP协议

   • 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

7. 以太网协议

   • 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

     

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.