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1.1协议的概念
什么是协议 从应用的角度出发#xff0c;协议可理解为“规则”#xff0c;是数据传输和数据的解释的规则。假设#xff0c;A、B双方欲传输文件。规定: 第一次#xff0c;传输文件名#xff0c;接收方接收到文件名#xff0c;应答OK给传输方…
一.协议的概念
1.1协议的概念
什么是协议 从应用的角度出发协议可理解为“规则”是数据传输和数据的解释的规则。假设A、B双方欲传输文件。规定: 第一次传输文件名接收方接收到文件名应答OK给传输方; 第二次发送文件的尺寸接收方接收到该数据再次应答一个OK; 第三次传输文件内容。同样接收方接收数据完成后应答oK表示文件内容接收成功。 由此无论A、B之间传递何种文件都是通过三次数据传输来完成。A、B之间形成了一个最简单的数据传输规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。
这种仅在A、B之间被遵守的协议称之为原始协议。当此协议被更多的人采用不断的增加、改进、维护、完善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。最早的ftp协议就是由此衔生而来。
Tcp协议注重数据的传输Http协议着重于数据的解释。
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1.2典型协议 物理层和数据链路层 Ethernet以太网在局域网中传输数据的常用协议。Wi-Fi用于无线局域网WLAN的协议。ARPAddress Resolution Protocol用于将 IP 地址解析为物理 MAC 地址的协议。PPPPoint-to-Point Protocol用于点对点通信的协议常用于拨号连接、DSL 等。 网络层 IPInternet Protocol用于在网络中路由和传输数据的主要协议。ICMPInternet Control Message Protocol用于网络故障排除和错误报告的协议。IGMPInternet Group Management Protocol用于在 IP 多播中管理组成员的协议。 传输层 TCPTransmission Control Protocol提供可靠的、面向连接的数据传输。UDPUser Datagram Protocol提供不可靠的、面向无连接的数据传输。 应用层 HTTPHypertext Transfer Protocol用于在 Web 中传输超文本的协议。FTPFile Transfer Protocol用于文件传输的协议。DNSDomain Name System用于将域名解析为 IP 地址的协议。SMTPSimple Mail Transfer Protocol用于电子邮件的传输。POP3Post Office Protocol version 3用于电子邮件的接收。
二.分层模型 2.1 OSI七层模型
OSI模型Open Systems Interconnection model是一种用于描述计算机网络体系结构的概念框架。它将计算机网络通信的不同方面划分为七个不同的层级每个层级都负责特定的功能。以下是OSI模型的七个层级 物理层Physical Layer负责传输比特流描述物理媒介的传输电气和物理特性。 数据链路层Data Link Layer处理帧Frame的传输和错误检测确保可靠的点到点传输。 网络层Network Layer处理网络中的数据包路由选择、转发和控制。 传输层Transport Layer提供端到端的可靠传输服务并处理数据包的分段和重组。 会话层Session Layer负责建立、管理和终止应用程序会话。 表示层Presentation Layer处理数据的格式和编码实现在不同系统中的数据格式之间的转换。 应用层Application Layer为用户提供网络应用服务例如电子邮件、文件传输和远程登录等。
OSI模型提供了一种通用的参考框架帮助人们理解和描述计算机网络中不同层级的功能。它启发了许多标准和协议的设计比如TCP/IP协议就是根据OSI模型进行设计的。
需要注意的是实际上并不是所有的网络都严格遵循OSI模型的七层结构而是更常用的TCP/IP模型将其中的物理层和数据链路层合并为一个层级。但OSI模型仍然是计算机网络中的一个重要概念。
2.2TCP/UDP模型
TCP/IP模型是一种计算机网络体系结构也是现代互联网所基于的核心协议体系。相比于OSI模型TCP/IP模型将网络通信划分为四个层级具体如下 网络接口层Network Interface Layer 负责处理物理传输介质和网络设备之间的通信如以太网、Wi-Fi等。主要关注数据的包装、传输和接收以及物理寻址和数据帧的处理。 网络层Internet Layer 使用IPInternet Protocol进行数据包的路由和传输。实现了互联网的核心功能将数据包从源主机传递到目标主机途径多个网络节点。 传输层Transport Layer 提供端到端的数据传输服务主要有TCPTransmission Control Protocol和UDPUser Datagram Protocol。TCP提供可靠的、面向连接的传输UDP提供不可靠的、无连接的传输。 应用层Application Layer 为用户提供网络应用服务如HTTP、FTP、SMTP等。直接面向用户的应用程序通过应用层协议与下层进行通信。
TCP/IP模型是当前互联网中使用最广泛的网络体系结构它提供了一种灵活而可扩展的方式来实现网络通信。虽然TCP/IP模型与OSI模型的层级划分不完全相同但它们共同为网络通信提供了重要的基础。
2.3通信过程 TCP/IP通信是基于TCP和IP协议的网络通信过程以下是TCP/IP通信的简要描述 建立连接 在TCP/IP通信中客户端首先与服务器建立连接即发起一个连接请求。客户端发送一个特殊的TCP报文段称为SYN同步段带有自己的初始序列号。服务器收到SYN段后发送一个带有确认和同步标志的TCP报文段SYNACK将自己的初始序列号返回给客户端。 数据传输 在连接建立后客户端和服务器之间可以开始传输数据。数据被分割成合适的大小的数据块称为TCP报文段。TCP协议为每个报文段分配一个序列号并对每个接收到的报文段进行确认。 数据的可靠传输和流量控制 发送方将数据划分为较小的数据块并为每个数据块分配序列号并逐个发送。接收方收到数据后发送确认报文段ACK进行确认。发送方根据收到的确认进行重发或继续发送下一个数据块。 连接终止 通信完成后客户端或服务器可以发起连接的终止。发起终止的一方发送一个终止请求报文段即FIN结束报文段。接收方收到终止请求后发送确认报文段进行确认。发起方收到确认后发送最后的确认报文段同时关闭连接。
在TCP/IP通信过程中IP协议负责对数据进行分组和路由传输将数据从源主机发送到目标主机。而TCP协议负责提供可靠的、面向连接的服务保证数据的顺序、完整性和可靠性。
需要注意的是每个通信步骤都可能面临网络延迟、数据丢失或其他错误因此TCP/IP通信具有一定的容错性和自适应能力以保证数据的可靠传输。 三.协议格式
3.1数据封装 在TCP/IP网络中数据的封装是指将要传输的数据逐层封装成不同的协议数据单元Protocol Data UnitsPDU以便在网络中进行传输。每一层协议都会在数据上添加自己的头部信息形成一个封装的数据包然后通过下一层传递。
以下是TCP/IP网络中数据的封装过程 应用层封装 应用层协议如HTTP、FTP将上层数据封装成应用层数据报添加应用层协议头部信息。例如HTTP数据报中包含HTTP请求或响应的数据。 传输层封装 传输层协议如TCP、UDP将应用层数据报封装成传输层数据段。TCP会为数据段添加TCP头部信息包括源端口号、目标端口号、序列号、确认号等。UDP会为数据段添加UDP头部信息包括源端口号、目标端口号以及长度和校验和等。 网际层封装 网际层协议即IP协议将传输层数据段封装成IP数据包。IP数据包包含源IP地址、目标IP地址、协议类型及其他相关信息。 网络接口层封装 网络接口层协议如以太网将IP数据包封装为数据帧。数据帧包括源和目标MAC物理地址和以太网头部信息。
封装的过程是由发送端进行的每一层协议都会在数据上添加相应的头部信息形成一个完整的封装数据包。在传输过程中这些封装的数据包会逐层解析每个协议层都会处理相应的头部信息然后将数据传递给高层协议最终到达目标主机。
3.2以太网帧格式 以太网帧协议根据mac地址完成数据包传输 ARP协议:根据ip地址获得mac地址 3.3ARP数据报格式 ARP表Address Resolution Protocol Table也称为ARP缓存或ARP映射表是在操作系统或网络设备中存储IP地址与MAC地址之间映射关系的表格。
ARP表用于在发送数据时根据目标IP地址获取对应的MAC地址从而实现在链路层上的直接通信。当设备收到一个数据包时它首先检查目标IP地址是否存在于自己的ARP表中如果存在就直接使用相应的MAC地址如果不存在则使用ARP请求来获取目标设备的MAC地址并将其添加到ARP表中以便后续通信使用。
ARP表中的每一项通常包含以下信息
IP地址设备的IP地址。MAC地址与IP地址对应的物理地址MAC地址。接口设备与网络通信的接口如以太网接口。
ARP表是动态生成和维护的它会随着网络中设备的通信不断更新。通常ARP表中的条目会有一个存活时间TTL限制超过一定时间没有使用就会被删除或更新。
可以使用命令行工具如Windows的arp -a命令或Linux的arp -n命令来查看设备上的当前ARP表内容。
总的来说ARP表是用于存储IP与MAC地址之间映射关系的表格它在实现网络通信时起着重要作用。
3.4 IP段格式 下面是IPv4数据报的格式整理成表格形式
字段长度位描述版本4IP协议的版本号通常为4表示IPv4首部长度4IP头部的长度单位为4字节最小值为5表示20字节的IP头部区分服务8数据报的服务质量要求如优先级、延迟、带宽等总长度16整个IP数据报的长度包括IP头部和数据部分的字节数标识16用于唯一标识一个IP数据报的片段标志3指示IP数据报的分片状态片偏移13分片数据的相对于原始数据的偏移量以8字节为单位生存时间8数据报在网络中的最大生存时间跳数协议8标识上层协议如TCP、UDP或其他协议的类型头部校验和16校验IP头部的完整性源IP地址32源主机的IP地址目标IP地址32目标主机的IP地址选项可变用于扩展IP头部的功能数据部分可变承载上层协议的数据
3.5TCP数据报格式 IP地址:可以在网络环境中唯一标识一台主机。 端口号:可以网络的一台主机上唯一标识一个进程。 IP地址端口号:可以在网络环境中唯一标识一个进程。 TCPTransmission Control Protocol数据报是TCP协议在网络通信中传输数据的基本单位。TCP数据报由TCP头部和数据部分组成。 下面是TCP数据报的基本格式
字段长度字节描述源端口号2发送端口号目标端口号2接收端口号序列号4用于对TCP数据包进行排序和重组。表示从发送端发出的第一个数据字节的序号。确认号4表示期望收到的下一个数据字节的序号用于确认已收到的数据。数据偏移4表示TCP头部的长度以32位字中的偏移量数表示。最小值为5表示20字节的TCP头部。保留3保留字段保留将来使用控制标志9用于控制TCP连接的状态和操作包括ACK、SYN、FIN等标志。窗口大小2表示接收方缓冲区的大小用于流量控制和拥塞控制。校验和2用于校验TCP头部和数据部分的完整性。紧急指针2表示紧急数据的位置。紧急数据是指优先于正常数据进行传输和处理的数据。选项和填充可变可选字段用于某些特殊功能和额外的控制选项。数据部分可变承载应用层数据。
TCP数据报是TCP协议进行可靠数据传输的基本单位。TCP通过序列号、确认号、校验和等机制来保证数据的可靠性和正确性。同时TCP还支持流量控制、拥塞控制、连接管理等功能。
四.C/S和B/S模型比对 C/S模型的优点
客户端具备较强的交互性和处理能力可以提供更复杂的用户界面和功能。数据处理和计算任务分布在客户端和服务器之间可以实现更高的系统性能和效率。可以在客户端存储敏感数据提供更高的安全性。
C/S模型的缺点
需要在客户端安装专用的应用程序增加了部署和维护的成本。对于不同操作系统的客户端需要分别开发和维护相应的客户端应用程序。对于大规模的用户访问可能需要投入更多的资源来支持并发请求。
B/S模型的优点
不需要安装专用的客户端应用程序只需具备浏览器即可访问应用程序和服务。可以跨平台使用减少了客户端兼容性和更新的问题。服务器负责数据处理和存储保持数据的一致性和集中管理。提供了可伸缩性和容易维护的特点可以支持大规模用户访问。
B/S模型的缺点
浏览器作为界面对于某些复杂交互和功能可能不够灵活。依赖于网络连接对于网络传输的延迟和稳定性有一定的影响。需要在服务器上进行大量的计算和数据处理可能对服务器的资源需求有一定要求。
综合来看C/S模型适合需要复杂交互和处理能力的应用而B/S模型适合需要跨平台、易于维护和大规模部署的应用。选择哪种模型取决于具体的应用需求和性能要求。
