本文分享自華為云社區(qū)《兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間究竟是如何通信的？-云社區(qū)-華為云》，作者：龍哥手記。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)點(diǎn)非常雜亂且瑣碎，非常容易讓人產(chǎn)生畏懼心理。其實(shí)計(jì)網(wǎng)通篇研究的核心就是不同計(jì)算機(jī)之間的通信過(guò)程，本文將從小白的角度，講解兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間是如何精確的找到對(duì)方的位置并發(fā)送和接收消息的，以從宏觀角度把握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。
所謂通信協(xié)議就是通信雙方都必須要遵守的通信規(guī)則。如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)將無(wú)法發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，更無(wú)法到達(dá)對(duì)方計(jì)算機(jī)，即使能夠到達(dá)，對(duì)方也未必能讀懂。有了通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)通信才能夠發(fā)生。
一般我們用五層協(xié)議參考模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)：
應(yīng)用層
運(yùn)輸層
網(wǎng)絡(luò)層
數(shù)據(jù)鏈路層
物理層
上述各層的作用會(huì)在下文詳細(xì)講解，我們首先要明白為什么要分層：
協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是很復(fù)雜的。因?yàn)閰f(xié)議要把人讀得懂的數(shù)據(jù)，如網(wǎng)頁(yè)、電子郵件等加工轉(zhuǎn)化成可以在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘?hào)，需要進(jìn)行的處理工作非常多。
兩個(gè)系統(tǒng)中實(shí)體間的通信是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。為了減少協(xié)議設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程的復(fù)雜性，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常都按結(jié)構(gòu)化的層次方式來(lái)進(jìn)行組織，每一層完成一定功能，每一層又都建立在它的下層之上。不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其層的數(shù)量、各層的名字、和功能不盡相同。
也就是說(shuō)，每一層都是在下一層的基礎(chǔ)上，通過(guò)層間接口向上一層提供一定的服務(wù)，而把 “這種服務(wù)是如何實(shí)現(xiàn)的” 細(xì)節(jié)對(duì)上層加以屏蔽。
那么，我們將一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)體系分成了若干個(gè)層，各個(gè)層之間是如何進(jìn)行通信的呢？
1）對(duì)等層之間通信（不同開(kāi)放系統(tǒng)中的相同層次之間的通信，對(duì)等層實(shí)體之間的信息交換）：OSI 標(biāo)準(zhǔn)為每一層的通信都嚴(yán)格定義了 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 PDU的格式。對(duì)等層之間的通信是目的，對(duì)等層實(shí)體的協(xié)作保證該層功能和服務(wù)的實(shí)現(xiàn)
2）相鄰層之間通信（相鄰的上下層之間的通信，屬于局部問(wèn)題）：相鄰層之間的通信是手段，保證對(duì)等層實(shí)體之間的通信得以實(shí) 施
假設(shè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為若干層，那么 A、B 兩節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)際是節(jié)點(diǎn) A 的第 n 層與節(jié)點(diǎn) B 的第 n 層進(jìn)行通信，故協(xié)議總是指某一層的協(xié)議，例如物理層協(xié)議、傳輸層協(xié)議、應(yīng)用層協(xié)議。每一相鄰層協(xié)議間有一接口，下層通過(guò)該接口向上一層提供服務(wù)。
兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間要進(jìn)行通信，必然需要傳輸介質(zhì)/物理媒介來(lái)連接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，這樣，我們才能把數(shù)據(jù)傳輸過(guò)去。傳輸介質(zhì)分為：
導(dǎo)向型傳輸介質(zhì)：
雙絞線：適用于近距離
同軸電纜（抗干擾性強(qiáng)）：適用于遠(yuǎn)距離
光纖：帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他傳輸媒體
非導(dǎo)向型傳輸介質(zhì)：
無(wú)線電波
微波
紅外線、激光
也就是說(shuō)，物理層的作用就是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，這個(gè)數(shù)據(jù)其實(shí)是比特流，物理層需要盡可能屏蔽掉具體傳輸介質(zhì)和物理設(shè)備的差異， 使其上面的數(shù)據(jù)鏈路層不必考慮網(wǎng)絡(luò)的具體傳輸介質(zhì)是什么，即實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸。
物理層只是簡(jiǎn)單的把計(jì)算機(jī)連接起來(lái)并在上面?zhèn)鬏敱忍亓鳎€是存在著很多問(wèn)題的：
1）物理連接是有差錯(cuò)和不可靠的
2）物理設(shè)備之間可能存在傳輸速度不匹配問(wèn)題
也就是說(shuō)僅僅靠物理層是無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性的。
這樣，數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用就是加強(qiáng)物理層傳輸原始比特流的功能，將物理層提供的可能出錯(cuò)的物理連接改造成為邏輯上無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為一條無(wú)差錯(cuò)的鏈路。在物理層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)鏈路層還肩負(fù)著為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)的責(zé)任，其最基本的服務(wù)是將來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀，可靠的傳輸?shù)较噜徑Y(jié)點(diǎn)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)層。
首先了解一下為什么需要封裝成幀：前面說(shuō)了，物理層它只是簡(jiǎn)單的把計(jì)算機(jī)連接起來(lái)并在上面?zhèn)鬏敱忍亓鳎?、1 序列），如果這些 0，1 組合的傳送毫無(wú)規(guī)則的話，計(jì)算機(jī)是解讀不了的。因此，我們需要制定一套規(guī)則來(lái)進(jìn)行 0、1 的傳送，讓計(jì)算能夠讀懂這些序列。
封裝成幀就是：發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層接收到上層網(wǎng)絡(luò)層傳過(guò)來(lái)的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)后，在其前后部分添加首部、尾部，這樣就構(gòu)成了一個(gè)幀。接收端在收到物理層上交的比特流后，就能根據(jù)首部和尾部的標(biāo)記，從收到的比特流中識(shí)別幀的開(kāi)始和結(jié)束。
把一臺(tái)計(jì)算的的數(shù)據(jù)通過(guò)物理層和鏈路層發(fā)送給另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，究竟是誰(shuí)發(fā)給誰(shuí)的，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間如何區(qū)分，你總得給他們一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)吧？
于是，MAC 地址出現(xiàn)了
MAC 地址就是鏈路層地址，長(zhǎng)度為 6 字節(jié)（48 位），**用于唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)適配器（網(wǎng)卡）。**計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，就是通過(guò) MAC 地址來(lái)唯一尋找、傳送的。
一臺(tái)主機(jī)擁有多少個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器就有多少個(gè) MAC 地址。例如筆記本電腦普遍存在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適配器和有線網(wǎng)絡(luò)適配器，因此就有兩個(gè) MAC 地址。
那么，一臺(tái)計(jì)算機(jī)它是如何知道另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的 MAC 地址的呢？這是網(wǎng)絡(luò)層的 ARP 地址解析協(xié)議做的事情。
在 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間可能會(huì)經(jīng)過(guò)很多個(gè)數(shù)據(jù)鏈路，也可能還要經(jīng)過(guò)很多通信子網(wǎng)。
網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)就是選擇合適的網(wǎng)間路由和交換結(jié)點(diǎn)， 確保數(shù)據(jù)及時(shí)傳送。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層把運(yùn)輸層產(chǎn)生的報(bào)文段或用戶數(shù)據(jù)報(bào)封裝成分組和包進(jìn)行傳送。
在 TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)中，由于網(wǎng)絡(luò)層使用 IP 協(xié)議，因此分組也叫 IP 數(shù)據(jù)報(bào) ，簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)報(bào)。
IP 協(xié)議用于屏蔽下層物理網(wǎng)絡(luò)的差異，為上層提供統(tǒng)一的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。
IP 協(xié)議定義的地址，我們稱之為 IP 地址。IP 數(shù)據(jù)報(bào)中含有發(fā)/收方的 IP 地址。
IP 協(xié)議提供無(wú)連接的、不可靠的、盡力的數(shù)據(jù)報(bào)投遞服務(wù)
1）無(wú)連接的投遞服務(wù)
發(fā)送端可于任何時(shí)候自由發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收端永遠(yuǎn)不知道自己會(huì)在何時(shí)從哪里接收到數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)獨(dú)立處理和傳輸， 一臺(tái)主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)序列，可能取不同的路徑， 甚至其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)會(huì)在傳輸過(guò)程中丟失；
2）不可靠的投遞服務(wù)
IP 協(xié)議本身不保證數(shù)據(jù)報(bào)投遞的結(jié)果。在傳輸?shù)倪^(guò)程中，數(shù)據(jù)報(bào)可能會(huì)丟失、重復(fù)、延遲和亂序等， IP協(xié)議不對(duì)內(nèi)容作任何檢測(cè)，也不將這些結(jié)果通知收發(fā)雙方；I 數(shù)據(jù)報(bào)的丟失，通過(guò)路由器發(fā) ICMP報(bào)文 告知；必要時(shí)，由高層實(shí)體（如TCP）負(fù)責(zé)差錯(cuò)恢復(fù)動(dòng)作。
3）盡力投遞服務(wù)
執(zhí)行數(shù)據(jù)報(bào)的分段和封裝，以適應(yīng)具體的傳輸網(wǎng)絡(luò)， 由最終結(jié)點(diǎn)的IP模塊進(jìn)行合段處理
不同物理網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸?shù)膸?/分組的體積有不同的規(guī)定；當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度 > MTU（最大傳輸單元 MTU—Maximun Transfer Unit ）時(shí)，需對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)分段 。
OK，有了上面 IP 協(xié)議的知識(shí)，我們來(lái)講解一臺(tái)計(jì)算機(jī)它是如何知道另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的 MAC 地址的，這就是網(wǎng)絡(luò)層的 ARP 地址解析協(xié)議做的事情。
網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間的通信，而鏈路層實(shí)現(xiàn)具體每段鏈路之間的通信。因此在通信過(guò)程中，IP 數(shù)據(jù)報(bào)的源地址和目的地址始終不變，而 MAC 地址隨著鏈路的改變而改變。
ARP（Address Resolution Protocol ）協(xié)議就可以實(shí)現(xiàn)由 IP 地址得到 MAC 地址。
每個(gè)主機(jī)都有一個(gè) ARP 高速緩存，里面有本局域網(wǎng)上的各主機(jī)和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。
如果主機(jī) A 知道主機(jī) B 的 IP 地址，但是 ARP 高速緩存中沒(méi)有該 IP 地址到 MAC 地址的映射，此時(shí)主機(jī) A 通過(guò)廣播的方式發(fā)送 ARP 請(qǐng)求分組（該分組攜帶自己的 IP 地址 和 MAC 地址 以及 目標(biāo)主機(jī)的 IP 地址），主機(jī) B 收到該請(qǐng)求后會(huì)發(fā)送 ARP 響應(yīng)分組 給主機(jī) A 告知其 MAC 地址，隨后主機(jī) A 向其高速緩存中寫(xiě)入主機(jī) B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。
對(duì)應(yīng)的，RARP 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)由 MAC地址轉(zhuǎn)化為 IP 地址
那么，我們?nèi)绾沃缹?duì)方計(jì)算機(jī)的 IP 地址呢，這是 DNS 協(xié)議做的事情，在應(yīng)用層我們會(huì)詳細(xì)講解。
通過(guò)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層的互相作用，我們已經(jīng)把數(shù)據(jù)成功從計(jì)算機(jī) A 傳送到計(jì)算機(jī) B 了，可是，計(jì)算機(jī) B 里面有各種各樣的應(yīng)用程序，計(jì)算機(jī) B 該如何知道這些數(shù)據(jù)是給哪個(gè)應(yīng)用程序的呢？
所以，我們?cè)趶挠?jì)算機(jī) A 傳數(shù)據(jù)給計(jì)算表 B 的時(shí)候，還得指定一個(gè)端口（Port），以供特定的應(yīng)用程序來(lái)接受處理。即 IP 地址 + 端口號(hào)就可以唯一確定某個(gè)主機(jī)上的某個(gè)應(yīng)用進(jìn)程
也就是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)層的功能是建立主機(jī)到主機(jī)的通信，而傳輸層的功能就是建立端口到端口的通信（也可以說(shuō)是進(jìn)程到進(jìn)程之間的通信）
傳輸層最常見(jiàn)的兩大協(xié)議是 TCP 協(xié)議和 UDP 協(xié)議，其中 TCP 協(xié)議與 UDP 最大的不同就是 TCP 提供可靠的傳輸，而 UDP 提供的是不可靠傳輸。
1）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP（User Datagram Protocol）
UDP 在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接，遠(yuǎn)程主機(jī)在收到 UDP 報(bào)文后，不需要給出任何確認(rèn)。雖然
UDP 不提供可靠交付，但在某些情況下 UDP 確是一種最有效的工作方式（一般用于即時(shí)通信），比如：QQ 語(yǔ)音、 QQ 視頻 、直播等等
2）傳輸控制協(xié)議 TCP（Transmission Control Protocol）
TCP 提供面向連接的服務(wù)。在傳送數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后要釋放連接。
TCP 不提供廣播或多播服務(wù)。由于 TCP 要提供可靠的，面向連接的傳輸服務(wù)（TCP 的可靠體現(xiàn)在 TCP 在傳遞數(shù)據(jù)之前，會(huì)有三次握手來(lái)建立連接，而且在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，有確認(rèn)、窗口、重傳、流量控制、擁塞控制機(jī)制，在數(shù)據(jù)傳完后，還會(huì)斷開(kāi)連接用來(lái)節(jié)約系統(tǒng)資源。這不僅使協(xié)議數(shù)據(jù)單元的首部增大很多，還要占用許多處理機(jī)資源。TCP 一般用于文件傳輸、發(fā)送和接收郵件、遠(yuǎn)程登錄等場(chǎng)景。
應(yīng)用層最接近于用于，它的任務(wù)就是通過(guò)應(yīng)用進(jìn)程間的交互來(lái)完成特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
應(yīng)用層協(xié)議定義的是應(yīng)用進(jìn)程間的通信和交互的規(guī)則。由于傳輸層傳來(lái)的數(shù)據(jù)五花八門(mén)，有 html 格式的，有 mp4 格式等等，所以對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要不同的應(yīng)用層協(xié)議。在互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用層協(xié)議很多，如域名系統(tǒng) DNS，支持萬(wàn)維網(wǎng)應(yīng)用的 HTTP 協(xié)議，支持電子郵件的 SMTP 協(xié)議等等。我們把應(yīng)用層交互的數(shù)據(jù)單元稱為報(bào)文。
由于本文的關(guān)鍵就是講解計(jì)算機(jī)之間的通信，所以其他協(xié)議我們就不講了，只講解一下 DNS 協(xié)議是如何將域名轉(zhuǎn)化為 IP 地址的。
域名系統(tǒng) Domain Name System 縮寫(xiě) DNS，是因特網(wǎng)的一項(xiàng)核心服務(wù)，它作為可以將域名和 IP 地址相互映射的一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù) (這里的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)是指，每個(gè)站點(diǎn)只保留它自己的那部分?jǐn)?shù)據(jù))，能夠使人更方便的訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，而不用去記住能夠被機(jī)器直接讀取的 IP 地址。
域名具有層次結(jié)構(gòu)，從上到下依次為：根域名、頂級(jí)域名、二級(jí)域名。
DNS 可以使用 UDP 或者 TCP 進(jìn)行傳輸，使用的端口號(hào)都為 53。
大多數(shù)情況下 DNS 使用 UDP 進(jìn)行傳輸，這就要求域名解析器和域名服務(wù)器都必須自己處理超時(shí)和重傳從而保證可靠性。
域名解析方式：
遞歸查詢
迭代查詢
基本原理：
1）瀏覽器搜索自己的 DNS 緩存，緩存中維護(hù)一張域名與 IP 地址的對(duì)應(yīng)表；
2）若沒(méi)有，則搜索操作系統(tǒng)的 DNS 緩存；
3）若沒(méi)有，則操作系統(tǒng)將域名發(fā)送至本地域名服務(wù)器（遞歸查詢方式），本地域名服務(wù)器查詢自己的 DNS 緩存，查找成功則返回結(jié)果，否則，通過(guò)以下方式迭代查找：
本地域名服務(wù)器向根域名服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，根域名服務(wù)器返回 com 域的頂級(jí)域名服務(wù)器的地址；
本地域名服務(wù)器向 com 域的頂級(jí)域名服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，返回權(quán)限域名服務(wù)器地址
本地域名服務(wù)器向權(quán)限域名服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，得到 IP 地址
4）本地域名服務(wù)器將得到的 IP 地址返回給操作系統(tǒng)，同時(shí)自己將 IP 地址緩存起來(lái)
5）操作系統(tǒng)將 IP 地址返回給瀏覽器，同時(shí)自己也將 IP 地址緩存起來(lái)
至此，瀏覽器已經(jīng)得到了域名對(duì)應(yīng)的 IP 地址。
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