目录
一、认识协议
1.概念
2.作用(为什么需要协议?)
二、协议分层
1.为什么需要⽹络协议的分层?
2. 协议分层是什么
3.分层带来的好处
三、TCP/IP五层(或四层)模型
(1)物理层
(2)数据链路层
(3)网络层
(4)传输层
(5)应用层
四、封装和分用(协议的层和层之间是如何配合工作的?)
1.封装(和Java面向对象的封装,不是一个封装)
2.分用
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一、认识协议
1.概念
简单来说:就是一种通信双方,对于通信规则的约定(标准),一定是通信双方都认可的
但是这个协议不一定是认可面非常广的,即使是两个人之间的也可叫做协议
就好⽐⻅⽹友,彼此协商胸⼝插⽀玫瑰花⻅⾯,这就是⼀种提前的约定,也可以称之为协议
2.作用(为什么需要协议?)
两个用来通信的主机设备有着不同的硬件,不同的操作系统,不同的应用程序,有了协议,即使上述内容不同,通信也能正常进行
进行网络通信的时候,通信协议是非常关键的环节
二、协议分层
1.为什么需要⽹络协议的分层?
网络通信是一个非常复杂的事情,这个过程涉及到很多细节问题
如果你使用一个协议来约定上述所以的细节,这个协议就会非常的庞大,非常的复杂
——>拆分:为了管理复杂程度,不要让这个东西太复杂,每个部分负责一个功能
这样一个功能复杂的协议,就拆分成多个功能更单一的协议了
但是拆出来的协议太多了,就要对这个协议进行分类,甚至要“分层”
2. 协议分层是什么
协议分层:把很多的协议,按照功能分成不同的层级,每个层级都有对应的主线任务(目标/要解决的问题),上层协议会调用下层协议的功能,下层协议会给上次协议提供服务
注意:不能“越级调用”
3.分层带来的好处
好处主要有两个方面:
(1)封装的效果:某层协议,不必知道其他层协议的细节,降低学习使用成本
eg:只要会说汉语,不需要理解电话的工作原理,就能打电话;
设计电话的人,可能是老外,不必懂汉语,也不妨碍他设计开发电话
(2)任意层次的协议,都是可以灵活替换的(也就是解耦合),这样就给整个网络体系,升级迭代,带来了很大的便利
eg:将电话机协议改为无线电协议:站在使用者的角度,完全感知不到任何的区别,电话该咋打还是咋打;
将汉语协议改为英语协议:虽然语言变了,电话这一层,没有任何影响,设计电话的人不需要针对“英语”做任何的改变和特殊处理
当前网络的现状,就是有很多的协议,这些协议就是按照一定的分层规则组织起来的,业内普遍的分层方式有两种:
(1)OSI七层模型:
只是存在于教科书上,实际客观世界中并不存在,因为它搞得有点复杂(这里就不作介绍了)
(2)TCP/IP五层(或四层)模型:
可以认为是OSI的简化版本,就是真实世界采取的网络分成模型,目前接触到的网络,大部分都是TCP/IP模型的(电脑上网),当然,也有不是的,eg:4G/5G通信,就是一套专门的模型协议(手机流量上网)
三、TCP/IP五层(或四层)模型
(1)物理层
硬件层面上的相关约定,网线,网口
eg:金工实习,8根铜线穿到一起,接上水晶头,这样的一些接线规则
下面(2)(3)(4)以快递为例介绍
(2)数据链路层
关注的是通信过程中,两个相邻节点之间的通信
eg:快递具体运输的,这是快递员自行进行确定的
例如,当前路线:
上海 -> 苏州 -> 南京 -> 西安
上海 -> 苏州大卡车 就运过去,有一个开着打开车的快递小哥
苏州 ->南京轮船,沿着长江,一路逆流而上,有一个开着船的快递小哥,
南京 ->西安 铁路 装上火车
西安 ->我家门口 电三轮
每个节点之间的运输方式,就相当于数据链路层
(3)网络层
关注的是通信中,通信路径的规划,规划出的路径就决定了,数据要经过哪些节点“点到点的传输”
eg:商家发货,就会把快递交给快递小哥,就会拿到快递公司,
快递公司,就会对这些包衷,进行分拣~~根据快递的目的地,分配到不同的运输线路上
发货地点是在 上海.如果收件地点是在西安
上海 -> 南京 ->西安
上海 -> 无锡 ->西安
上海 -> 徐州 ->西安
快递公司,就会把路线规划好,包裏就会按照这样的既定路线进行传输
(4)传输层
关注的是通信双方的“起点”和“终点”,“端到端的传输”
eg:我和商家,我们俩只关注,发件人信息,和收件人信息(也就相当于起点和终点)
(5)应用层
和具体应用程序直接相关,传输的数据是干啥用的,如何用的,有啥意义
eg:我在淘宝上还是买了个东西,买了个床刷子~~
我拿着这个床刷子要干啥~~ 就是我需要关心的, 快递公司/商家,都是不关心的~~当我拿到刷子之后,用来刷床,还是用来刷沙发, 还是用来打儿子~~就是我自己来决定了~
也有人把上述通信协议分层的模型,称为TCP/IP四层(没算物理层)
站在程序员的角度,物理层是纯硬件,其余的四层还是软件
但是物理层又和数据链路层联系紧密,所以有时也算五层
对于OSI模型:只是将TCP/IP模型中的应用层细分为应用层+表示层+会话层
上图中:网络层==互联网层 ;数据链路层==网卡层;物理层==(硬件)只是名称不同而已
关注上图的侧面:分别涉及应用程序,操作系统(内核),设备驱动程序与网络接口
对于Java程序员,重点关注应用层+传输层(应用层是需要调用传输层提供的接口(api)来进行一些功能实现的),这些和日常开发息息相关,其他层简单了解即可
笔试题(选择题):
路由器是工作在上述协议中的哪一层
交换机是工作在上述协议中的哪一层
如果出现:这里的”路由器"和”交换机“就是"经典的路由器交换机"(课本上的)
路由器就是工作在网络层(三层转发)
交换机就是工作在数据链路层(二层转发) (稍后详细介绍)
但是真实的情况:现在的路由器和交换机功能越来越多,界限越来越模糊
eg:有些路由器/交换机可以工作在应用层,你通过wx发个信息,路由器/交换机就能感知到,你发的这个信息内容是啥(信息内容,属于应用层的范畴)
四、封装和分用(协议的层和层之间是如何配合工作的?)
上层协议调用下层协议,下层协议给上层协议提供服务
下面以A通过QQ给B发送hello为例分别介绍封装和分用
首先QQ里面就会有一个应用层网络协议,这个协议约定了数据按照什么样的格式来组织
这种数据的格式:本质上是(二进制的)字符串(更准确的说是二进制的bit流),因此要传输的发送人,接收人,消息时间,消息内容...就要组织到一个字符串中,组织的时候要按照一定的格式来
不同的协议,数据组织的格式是不同的
序列化和反序列化:
序列化:把结构化数据(包含很多属性,很多字段) ——>字符串/二进制字符串
反序列化: 把字符串/二进制字符串——>结构化数据
发送和接收的过程中就进行了一个序列化和反序列化
1.封装(和Java面向对象的封装,不是一个封装)
A的在聊天窗口里,输入hello,点击发送,那么QQ应用程序就要负责实现上述逻辑,而这些逻辑都要通过网络来传输
(1)QQ应用程序首先就会把上述要传递的内容,组织成“应用层数据包”
假设QQ的应用层协议是这样的:发送人的qq号,接收人的qq号,发送时间,消息正文\n
(2)应用层数据包已经有了,QQ程序就要调用系统的api来进行传输
QQ 程序,就要调用系统的 api, 来进行传输.
应用层接下来要把数据交给,传输层.
怎么交给传输层?传输层(操作系统内核) 提供了 api,让应用程序去调用.
调用这样的 api, 就会把刚才的应用层数据交给传输层.(进入到系统内核了),称为 socket api
传输层拿到应用层数据包之后,就会把这个数据包进行进一步的封装,构造成 传输层数据包在传输层
典型协议有两个,TCP,UDP
此处假设使用 UDP 来作为传输层协议
整个是UDP数据包,前面是UDP报头,后面是UDP数据包的载荷(payload)
报头里放着一些UDP相关的属性(比如发件人和收件人的端口号就在UDP报头中)
传输层 构造好数据包之后,就会继续把数据包,交给网络层,(传输层会调用网络层提供的 api,这个调用的过程
都是系统内核,自行负责了,咱们程序员感知不到
(3)网络层 典型的协议IP协议
整个是IP数据包,前面是IP数据包的报头,后面是IP数据包的载荷(IP协议不关心后面的载荷里头是啥,只关心IP报头里的数据)
IP报头中就包含收件人的IP地址和发件人的IP地址
又进一步的调用数据链路层的 api, 把上述 IP 数据包,交给数据链路层的协议.
同样也是系统内核负责完成的.程序员感知不到了,
这里的 api 往往是 网卡 的驱动程序提供的.
硬件厂商,发布硬件的时候,提供配套的软件(驱动程序)通过驱动程序,可以让操作系统实现对硬件的精细控制
(4)数据链路层 典型协议 以太网
以太在物理中是光在真空中传输的介质,此处传输网络数据,也需要介质所以引入这个词
电脑, 通过有线网, 传输数据, 走的就是"以太网"协议~~
咱们电脑上插的网线,也叫做"以太网线
以太网,也有自己的数据包格式,就会拿到上述 IP 数据包,进一步的封装
上述数据已经进入到网卡驱动中了,接下来就是要真正的发送出去了
(5)物理层:上述的以太网数据帧,本质上还是0101二进制数据
硬件设备,要把上述的二进制数据,转为光信号/电信号/电磁波才会真正的进行发射
上述层层包装数据,不停的加数据报头的过程,称为”封装“ ,类似包装快递
2.分用
上述数据,并非直接到达B,而是要先到和A连接的交换机/路由器,数据经过交换机/路由器的一系列转发之后,最终到达B
当数据到达B之后,又要做哪些事情呢? 就是上述过程的“逆过程”(拆快递)
(1)物理层
收到一系列光电信号,把这些信号转为0101二进制数据,交给数据链路层
(2)数据链路层
按照以太网协议,对数据进行解析(解析报头中的关键信息,为后续的传输/转发打下基础,还需要拿到载荷数据)
解析出来的载荷数据,是要交给上层(网络层)
(3)网络层 IP协议
IP协议拿到IP数据包,按照协议格式进一步解析,解析报头中的关键信息,取出载荷
把载荷再进一步交给上层(传输层)
(4)传输层 UDP
拿着UDP数据包,按照UDP格式进一步解析,解析出关键的信息(要交给哪个端口号对应的进程),以及解析成载荷数据
再把载荷交给对应的应用程序
(5)应用层
QQ程序拿到了应用数据包
QQ按照自己的协议格式,进行解析,拿到这里的结构化数据(反序列化),显示到界面上
这个过程就是分用,就相当于拆快递
中间的路由器,交换机,也要进行封装分用,也是上述的过程
只不过,交换机,封装分用到数据链路层,即可知道下一步如何转发(工作在数据链路层)
路由器,封装分用到,网络层,即可知道下一步如何转发(工作在网络层)