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趣谈网络协议笔记(1)

写在前面

2018年6月20日拿到毕业证,正式结束了自己的学生生涯。

2018年7月2日,自己正式开始了人生中的第一份正式工作,人人车的Android开发工程师。

2018年7月13日,决定要好好督促自己学一学习,所以就打算再一次刚起公众号之路。逼迫自己有计划的去学习,有计划的去输出。因为最近碰巧赶上了需求大爆发时期,所以这段时间的学习计划,以不需要大量时间投入的计算机基础知识为主,重在修炼自己的内功。前段时间买了一个计算机网络的课程,所以近期打算记录一下这方面的知识。


笔记正文

这里是一个关于计算机网络的系列文章,主要是自己对一个收费课程的学习记录。这里就不放课程链接了,如果对课程感兴趣的话,可以后台私聊我。 以下内容和图片由我整理自《极客时间》付费内容,如有侵权,告知即删。

(以下内容,来自这个课程的免费公开章节。付费内容,看官感兴趣的话,可以自行购买,查看)


HTTP协议相关

当我们在浏览器里面输入https://www.kaola.com时,毫无疑问这是一个URL。不过浏览器只知道这个链接的名字是https://www.kaola.com ,但此外不知道任何其他有用的信息,所以接下来的第一步,浏览器打开地址簿去查找这个链接背后的IP地址。一般可以使用的地址薄协议是DNS,还可以使用另一种更加精准的地址簿查找协议HTTPDNS 。 无论用哪一种方法查找,最终都会得到这个地址:106.114.138.24 。这个是网易考拉的服务器IP地址,是互联网世界的“门牌号”。知道了目标地址,浏览器就开始打包它的请求。现在我们普遍会使用HTTPS协议。当然无论是什么协议,里面都会写明这次请求所需要携带的信息,比如作为一名剁手党,你所要携带的信息是“要买什么和买多少”。

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TCP协议相关

DNS、HTTP、HTTPS所在的层我们称为应用层。经过应用层封装后,浏览器会将应用层的包交给下一层去完成,通过socket编程来实现。下一层是传输层。传输层有两种协议,一种是无连接的协议UDP, 一种是面向连接的协议TCP。对于支付来讲,往往使用TCP协议。所谓的面向连接就是,TCP会保证这个包能够到达目的地。如果不能到达,就会重新发送,直至到达。 TCP协议里面会有两个端口,一个是浏览器监听的端口,一个是电商的服务器所监听的端口。操作系统往往通过端口来判断,它得到的包应该给哪个进程。

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获取IP地址

传输层封装完毕后,浏览器会将包交给操作系统的网络层。网络层的协议是IP协议。在IP协议里面会有源IP地址,即浏览器所在机器的IP地址和目标IP地址,也即电商网站所在服务器的IP地址。(也就是我们上文通过DNS协议获取到的IP地址)

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获取MAC地址

操作系统既然知道了目标IP地址,就开始想如何根据这个门牌号找到目标机器。操作系统往往会判断,这个目标IP地址是本地人,还是外地人。如果是本地人,从门牌号就能看出来,但是显然电商网站不在本地,而在遥远的地方。 操作系统显然知道这个请求要离开本地去远方,即使不知道远方在何处。既然不知道远方在何处,那么操作系统是怎么处理的呢?

这里我们可以这样类比一下:如果去国外要去海关,那么请求包去外地就要去网关。

而操作系统启动的时候,会被DHCP协议配置IP地址,以及默认的网关的IP地址192.168.1.1。 操作系统如何将IP地址发给网关呢?在本地通信基本靠吼,于是操作系统大吼一声,谁是192.168.1.1啊?此时,网关会回答它,我就是,我的本地地址在村东头。这个本地地址就是MAC地址,而大吼的那一声是ARP协议。

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路由

于是操作系统将IP包交给了下一层,也就是MAC层。网卡再将包发出去。由于这个包里面是有MAC地址的,因而它能够到达网关。 网关收到包之后,会根据自己的知识,判断下一步应该怎么走。网关往往是一个路由器,到某个IP地址应该怎么走,这个叫作路由表。 路由器有点像玄奘西行路过的一个国家的一个城关。每个城关都连着两个国家,每个国家相当于一个局域网,在每个国家内部,都可以使用本地的地址MAC进行通信。 一旦跨越城关,就需要拿出IP头来,里面写着贫僧来自东土大唐(就是源IP地址) ,欲往西天拜佛求经(指的是目标IP地址)。路过宝地,借宿一晚,明日启行,请问接下来该怎么走啊?

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城关往往是知道这些“知识”的,因为城关和临近的城关也会经常沟通。到哪里应该怎么走,这种沟通的协议称为路由协议,常用的有OSPF和BGP。

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请求响应

城关与城关之间是一个国家,当网络包知道了下一步去哪个城关,还是要使用国家内部的MAC地址,通过下一个城关的MAC地址,找到下一个城关,然后再问下一步的路怎么走,一直到走出最后一个城关。 最后-一个城关知道这个网络包要去的地方。于是,对着这个国家吼一声,谁是目标IP啊?目标服务器就会回复一个MAC地址。网络包过关后,通过这个MAC地址就能找到目标服务器。 目标服务器发现MAC地址对上了,取下MAC头来,发送给操作系统的网络层。发现IP也对上了,就取下IP头。IP头里会写上一层封装的是TCP协议,然后将其交给传输层,即TCP层。 在这一层里,对于收到的每个包,都会有一个回复的包说明收到了。这个回复的包绝非这次下单请求的结果,例如购物是否成功,扣了多少钱等,而仅仅是TCP层的一个说明,即收到之后的回复。当然这个回复,会沿着刚才来的方向走回去,报个平安。 因为一旦出了国门,西行路上千难万险,如果在这个过程中,网络包走丢了,例如进了大沙漠,或者被强盗抢劫杀害怎么办呢?因而到了要报个平安。 如果过一段时间还是没到,发送端的TCP层会重新发送这个包,还是上面的过程,直到有一天收到平安到达的回复。这个重试绝非你的浏览器重新将下单这个动作重新请求一次。 对于浏览器来讲,就发送了一次下单请求,TCP层不断自己闷头重试。除非TCP这一层出了问题,例如连接断了,才轮到浏览器的应用层重新发送下单请求。 当网络包平安到达TCP层之后,TCP头中有目标端口号,通过这个端口号,可以找到电商网站的进程正在监听这个端口号,假设一个 Tomcat,将这个包发给电商网站。

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最终归宿

电商网站的进程得到HTTP请求的内容,知道要买东西,买多少。往往一个电商网站最初接待请求的这个Tomcat 只个接待员,负责统筹处理这个请求,而不是所有的事情都自己做。例如,这个接待员要告诉专门管理订单的进程,登记要买某个商品,买多少,要告诉管理库存的进程,基要减少多少,要告诉支付的进程,应该付多少钱,等等。 如何告诉相关的进程呢?往往通过RPC调用,即远程过程调用的方式来实现。远程过程调用就是当告诉管理订单进程的时候,接待员不用关心中间的网络互连问题,会由RPC框架统一处理。RPC框架有很多种,有基于HTTP协议放在HTTP的报文里面的,有直接封装在TCP报文里面的。 当接待员发现相应的部门都处理完毕,就回复一个于HTTPS的包,告知下单成功。这个HTTPS 的包,,会像来的时候一样,经过千难万险到达你的个人电脑,最终进入浏览器,显示支付成功。


笔记小结

为什么有了IP,还要有mac地址

  • 1.局域网内IP地址是动态分配的,假如我是192.168.2.100,如果我下线了,可能IP就分配给了另一台电脑。IP和设备并不总是对应的,这对通信就产生了问题,但是MAC地址不同,MAC地址和设备是一一对应且全球唯一的。所以局域网使用MAC地址通信没有问题。

  • 2.历史遗留问题:早期的以太网只有交换机,没有路由器,以太网内通过MAC地址通信。后来才有了互联网,为了兼容原本的模式,采用了IP+MAC地址通信的方式。为啥不推到了重来呢?看看IPv6的处境你就知道了。所以是先有MAC地址后有的IP,IP的提出主要还是因为MAC地址本身的缺陷,这个问题换成有了MAC为何还要IP地址也很有意思。

  • 3.MAC地址本身的缺陷:因为MAC地址是硬件提供商写在网卡中的,MAC地址虽然唯一但是不能表明用户在整个互联网中的位置,除非维护一个超级大MAC地址对应表,那寻址效率肯定爆炸。但是IP地址解决了这个问题,因为IP地址是网络提供商给你的,所以你在哪里整个网络都是知道的。

网卡MAC码是由全球惟一的一个固定组织来分配的,未经认证和授权的厂家无权生产网卡。每块网卡都有一个固定的卡号,并且任何正规厂家生产的网卡上都直接标明了卡号,一般为一组12位的16进制数。其中前6位代表网卡的生产厂商。后面的位数是设备号。


尾声

这是这些天我对《计算机网络》学习的一次笔记。大部分内容是基于前辈们总结,我又记录了一遍。算是对自己学习结果的一次确认吧,希望可以对各位看官有些帮助。

我是一名Android开发,和一帮互联网各行各业的童靴一同维护了一个公众号:IT面试填坑小分队。里边的内容以我们在面试过程中踩过的坑为主。

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