网络模型

网络模型#

1. OSI 模型#

1.1. 简介#

OSI 模型：开放式通信系统互联参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model, OSI/RM），是国际标准化组织（ISO）提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。

OSI 模型将网络结构抽象为 7 层：

  • 应用层

  • 表示层

  • 会话层

  • 传输层

  • 网络层

  • 链路层

  • 物理层

structure

1.2. TCP/IP 协议族#

TCP/IP 协议：互联网协议包含了上百种协议标准，但，最重要的两个协议是 TCP 和 IP 协议，故，大家把互联网的协议简称 TCP/IP 协议；

TCP/IP 模型：将 OSI 模型简化为四层；

structure3

1.3. 协议#

structure2

协议

层级

DNS

域名系统

应用层

DHCP

动态主机配置协议

应用层

FTP

文件转移协议

应用层

HTTP

超文本转移协议

应用层

TFTP

简单文件转移协议

应用层

SMTP

简单邮件转移协议

应用层

TCP

传输控制协议

传输层

UDP

用户数据报协议

传输层

IP

因特网协议

网络层

ICMP

因特网控制消息协议

网络层

IGMP

因特网组管理协议

网络层

ARP

地址解析协议

网络层

RARP

反向地址解析协议

网络层

  • 应用层：应用程序可自建协议；

  • 传输层：必须通过 IP 才能和链路层进行通信；

  • 网络层：ICMP 和 IGMP 必须通过 IP 才能和链路层通信，ICMP 可直接与应用层通信，ARP 和 RARP 只与链路层通信的协议；

1.3.1. 链路层#

protocol-frame

类型

协议

0800

IP

0806

ARP

8035

RARP

arp

1.3.2. 网络层和传输层#

protocol-packet

2. 网络地址#

2.1. IPv4#

IPv4 地址（逻辑地址）: 用于在网络中标记一台电脑的一串数字，在本地局域网上是惟一的；

  • IPv4 地址均由 4 个 4 字节，即 32 个二进制数组成，每类 IPv4 地址的最小值用于显示网络区段，最大值用于广播，这两个值往往不会进行分配

  • A 类 IPv4 地址中的127.0.0.1 – 127.255.255.255用于回路测试；

  • 127.0.0.1可代表本机 IPv4 地址，用 http://127.0.0.1 就可测试本机中配置的 Web 服务器；

类别

网络地址占用字节

主机地址占用字节

IP 地址范围

可用网络个数

每个网络能容纳主机

A

1

3

1.0.0.1 - 126.255.255.254

126

1677214

B

2

2

128.1.0.1 - 191.255.255.254

16384

65534

C

3

1

192.0.1.1 - 223.255.255.254

2097152

254

D

不指向特定的网络

224.0.0.1 - 239.255.255.254

只被用于多点广播

E

仅作实验和开发用

2.2. 私有 IP#

私有 IP：国际规定有一部分 IPv4 地址是用于我们的局域网使用，不在公网中使用的 IP 地址；

类别

起始 IP 段

终止 IP 段

A

10.0.0.0

10.255.255.255

B

172.16.0.0

172.31.255.255

C

192.168.0.0

192.168.255.255

2.3. 子网掩码#

子网掩码不能单独存在，它必须结合 IP 地址一起使用。子网掩码只有一个作用，就是将某个 IP 地址划分成网络地址和主机地址，只有通过子网掩码，才能表明一台主机所在的子网与其他子网的关系，使网络正常工作。

与 IP 地址相同，子网掩码的长度亦为 32 位，左边是网络位，用二进制数字 1 表示，右边是主机位，用二进制数字 0 表示。子网掩码与 IPv4 地址进行按位与操作，可得到 IPv4 地址所在的网络段（末位为 0）

若一个网络的规模不超过 254 台电脑，使用 255.255.255.0 作为子网掩码就可了，若在一所大学具有 1500 多台电脑，这种规模的局域网可使用 255.255.0.0；

2.4. MAC 地址#

MAC 地址（硬件地址）：由 6 个字节组成，前 3 个表示网卡许可，后 3 个是网卡产品序列号；

  • ping 命令会先调用 ARP（包含目标 IP 地址），通过交换机将 ARP 广播发送给其连接的所有设备，然后返回网关的 MAC 地址，然后请求方 PC 调用 ICMP 向目的 PC 发送消息；

  • 当 MAC 地址为十六进制，则会发送给 ARP，反之会发送给 IP；

# 设置 IP 和掩码
ifconfig eth0 192.168.5.40
netmask 255.255.255.0
# 设置网关
route add default gw 192.168.5.1
# 查看域名解析的 IPv4 地址
nslookup baidu.com

3. Socket#

3.1. 创建、修改#

Socket（套接字）是进程间通信的一种方式，它能实现不同主机间的进程间通信，用于解决传输层以下的通信；

tcp

Socket = IP address + Protocol + Port

  • 创建：socket.socket(AddressFamily, Type)

    • AddressFamily

      • AF_INET：用于网络进程间通信

      • AF_UNIX：用于同台机器进程间通信

    • Type

      • SOCK_STREAM：流式套接字，主要用于 TCP

      • SOCK_DGRAM：数据包套接字，主要用于 UDP

  • 修改设置：setsockopt(SOL_SOCKET, Type)

    • Type

      • SO_BROADCAST：主要用于 UDP 广播

      • SO_REUSEADDR：主要用于 TCP 服务器

3.2. 端口#

计算机通过 IP + 端口号区分不同网络服务。

  • 端口号只有整数，范围是从 0 到 65535，Linux 共拥有 65536 (\(2^{16}\)) 个端口

  • 端口号不是随意使用的，而是按照一定的规定进行分配

  • 知名端口：端口号为 0-1023 的端口，如端口 80 分配给 HTTP 服务，端口 21 分配给 FTP 服务

  • 动态端口：端口号为 1023-65535 的端口，动态分配给相应服务

  • 查看端口状态：netstat –an

Protocol

Port

Socket

HTTP

80

TCP

FTP

20/21

TCP

Telnet

23

TCP

SMTP

25

TCP, UDP

DNS

53

UDP

TFTP

69

UDP

SNMP

161

UDP

4. UDP#

UDP 是一个面向数据包的、无连接的通信协议，一般用于多点通信和实时的数据业务

  • UDP 不提供可靠性，它只是把应用程序传给 IP 的数据报（datagram）发送出去，每个数据报能否到达目的地、到达目的地的时间、内容的正确性均是不能被保证的

  • UDP 在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快（注重速度流畅）

  • UDP 传输数据时有大小限制，每个被传输的数据报必须 < 64 kB

4.1. 服务端#

一般情况下，为了让其他的客户端能够正确发送到此进程，服务器端需要绑定端口，而客户端一般不需要绑定，而是让操作系统随机分配，这样就不会因为需要绑定的端口被占用而导致程序无法运行；

4.2. 广播#

通过 UDP 进行广播，需要使用 socket.socket(.setsockopt(s.SOL_SOCKET, s.SO_BROADCAST, 1) 修改 UDP 套接字参数；

每类 IPv4 地址最小值用于显示网络区段，最大值用于广播，即末位为 255，C 类地址广播地址多为 192.168.1.255；

5. TCP 原理#

5.1. 握手和挥手#

TCP 模型中，在通信开始前，一定要先建立相关的链接，才能发送数据，类似于生活中”打电话”；

  • SYN（synchronous）：TCP/IP 建立连接时使用的握手信号；

  • ACK（Acknowledgement）：确认字符，表示发来的数据已确认接收无误；

  • 当发送方接收到 ACK 信号时，就可发送下一个数据。若发送方没有收到信号，则发送方会重发当前的数据包；

  • 当一端收到一个 FIN，内核让 read 返回 0 来通知应用层另一端已经终止了向本端的数据传送；

  • 发送 FIN 通常是应用层对 socket 进行关闭的结果；

tcp2

  • 连接状态

    • 客户端：SYN_SENT

    • 服务端：LISTEN、SYN_RCV

    • 共同：ESTABLISHED

  • 关闭状态

    • 客户端：FIN_WAIT1（调用 close() ）、FIN_WAIT2、TIME_WAIT

    • 服务端：CLOSE_WAIT（ recv() 数据为空）、LASK_ACK（调用 close() ）

    • 共同：CLOSED

5.2. 监听的队列长度#

listen() 中的参数表示已经建立链接和半链接的总数，若当前已建立链接数和半链接数以达到设定值，则新客户端就不会连接成功，而是等待服务器；

Linux 中，无论 listen() 中的参数为多少，系统会自动给定 1 个值；

5.3. 短链接#

短链接多用于网站，一般只会在 client/server 间传递一次读写操作

  1. client 向 server 发起连接请求

  2. server 接到请求，双方建立连接

  3. client 向 server 发送消息

  4. server 回应 client

  5. 一次读写完成，此时双方任一个都可发起 close 操作

5.4. 长链接#

长链接多用于视频、游戏等，是在短链接基础上

  • 一次读写完成，连接不关闭

  • 后续读写操作

  • 长时间操作后，client 发起关闭请求

6. TCP 服务器#

单进程服务器同一时刻只能为一个客户进行服务，多线程往往用于代替多进程服务器；

6.1. 非阻塞版#

当服务器为一个客户端服务时，而另外的客户端发起了 connect，只要服务器 listen 的队列有空闲的位置，就会为这个新客户端进行连接，但当服务器为这个新客户端服务时，可能一次性把所有数据接收完毕

  • 非阻塞模式下，accept 时，恰巧没有客户端 connect，则 accept 会产生一个异常，故需要 try 来进行处理