網絡中的計算機互相通信網絡分層和各層協議

因為這段時間都在研究C#網絡編程的一些知識， 所以在這里把我學習到的在這里和大家分享下的，這樣既可以達到分享的目的也可以讓大家監督我，如果有什么地方理解錯了，還請大家不吝賜教的。

很多人寫網絡編程這快都沒有怎么講網絡中的協議，然而我覺得既然是網絡編程肯定要介紹下網絡編程中一些協議的，這樣可以讓更好的梳理網絡編程的知識的，所以我在這系列中會用兩個專題去講協議，第一個專題簡單介紹網絡分層以及各層之間如何通信的只是，第二專題將會介紹下應用層協議——Http協議，了解這個不僅對網絡編程有個理論基礎，也可以幫助更好地理解Web（Asp.net）的開發。

一、網絡分層

網絡上的計算機之所以可以互相通信，是因為它們之間都遵守互相都可以“認識”的互聯網協議（就如同人交流一樣，兩個人能夠交流，互相必須知道對象的語言），互聯網上的計算機互相通信又歸根于網絡中層與層之間的通信，OSI模型把網絡通信分成七層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，對于開發網絡應用人員來說，一般把網絡分成五層，這樣比較容易理解。這五層為：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層（最頂層），下面是一張網絡分層的圖片（來源于網絡）：

二、各層的協議

網絡中的計算機互相通信就是實現了層與層之間的通信，要實現層與層之間的通信，則各層都要遵守規則，這樣才能完成更好的通信， 我們就把它們之間遵守的規則就叫個“協議”，然而網絡上的五層之間遵守的協議不一樣，每層都有各自的協議。下面就由下至上的講述每層的協議

2.1 物理層協議

物理層是五層模型中的最底層，物理層為計算機之間的數據通信提供了傳輸媒體和互連設備，為數據傳輸提供了可靠的環境，媒體包括電纜、光纖、無線信道等，互連設備指是計算機和調制解調器之間的互連設備，如各種插頭、插座等。該層的作用是透明的傳輸比特流（即二進制流），為數據鏈路層提供一個傳輸原始比特流的物理連接

2.2 數據鏈路層

數據鏈路層是模型中的第2層，該層對接受到物理層傳輸過來的比特流進行分組，一組電信號構成的數據包，就叫做“幀”，數據鏈鏈路層就是來傳輸以“幀”為單位的數據包，把數據傳遞給上一層（網絡層），幀數據由兩部分組成：幀頭和幀數據，幀頭包括接受方物理地址（就是網卡的地址）和其他的網絡信息，幀數據就是要傳輸的數據體。數據幀的最長為1500字節，如果數據很長，就必須分割成多個幀進行發送。

2.3 網絡層

該層通過尋址（尋址地址）來建立兩個節點之間的連接，大家都知道我們的電腦連接上網絡后都一個IP地址，我們可以通過IP地址來確定不同的計算機是否在同一個子網路。如果我們的電腦連接上網絡后就有兩種地址：物理地址和網絡地址（IP地址），網絡上的計算機要通信，必須要知道通信的計算機“在哪里”， 首先通過網絡地址來判斷是否處于同一個子網絡，然后再對物理地址（MAC）地址進行處理，從而準確確定要通信計算機的位置。

在網絡層中有我們熟悉的IP協議（即規定網絡地址的協議），目前廣泛采用的是IP協議第四版（IPv4），這個版本規定，網絡地址由32位二進制位組成。我們可以自己配置IP地址也可以自動獲得的方式得到IP地址，Ip地址分成兩部分，前24位代表網絡，后8位代表主機號， 如192.168.254.1和192.168.254.2就處于同一個子網絡里，因為這兩個IP地址的前24位相同。

網絡層中以IP數據包的形式來傳遞數據，IP數據包也包括兩部分：頭（Head）和數據（Data），IP數據包放進數據幀中的數據部分進行傳輸。

2.4 傳輸層

通過MAC和IP地址，我們可以找到互聯網上任意兩臺主機來建立通信。然而這里有一個問題，找到主機后，主機上有很多程序都需要用到網絡，比如說你在一邊聽歌和好用QQ聊天， 當網絡上發送來一個數據包時， 是怎么知道它是表示聊天的內容還是歌曲的內容的， 這時候就需要一個參數來表示這個數據包是發送給那個程序（進程）來使用的，這個參數我們就叫做端口號，主機上用端口號來標識不同的程序（進程），端口是0到65535之間的一個整數，0到1023的端口被系統占用，用戶只能選擇大于1023的端口。

傳輸層的功能就是建立端口到端口的通信，網絡層就是建立主機與主機的通信，這樣如果我們確定了主機和端口，這樣就可以實現程序之間的通信了。我們所說的Socket編程就是通過代碼來實現傳輸層之間的通信。因為初始化Socket類對象要指定IP地址和端口號。

在傳輸層有兩個非常重要的協議：UDP 協議和TCP協議

采用UDP協議話傳輸的就是UDP數據包，同樣UDP數據包也由頭和數據兩部分組成，頭部分主要標識了發送端口和接受端口，數據部分就是具體的內容信息。同樣UDP數據包是放入IP數據包中的“數據”部分，IP數據包再放入數據幀中在網絡上傳輸。

由于UDP協議的可靠性差（數據發送后無法確定對方是否收到），所以又定義了一個可靠性高的協議——TCP協議，TCP協議采取了握手的方式要確保對方收到了數據。

2.5 應用層

應用層是模型中的最頂層，是用戶與網絡的接口，該層通過應用程序來完成網絡用戶的應用需求。該層的數據放在TCP數據包的數據部分，該層定義了一個很重要的協議——Http協議，我們一般的Web開發都是基于應用層的開發， 所以后面專題將會和大家介紹下Http協議。理解Http協議可以幫助我們理解Asp.net的請求響應模型以及幫助我們自定義發出請求和自定義服務器。

三、總結

現在通過一個簡單的訪問網頁的例子來說明網絡中的通信。

當我們在瀏覽器中輸入www.baidu.com時，這意味著瀏覽器要向百度發送一個網頁數據包，要發送數據包，需要知道對方的IP地址，這里我們只知道網址為www.baidu.com，卻不知道IP地址，此時應用層協議DNS協議會幫我們把網址解析為IP地址，此時會發送一個DNS數據包給DNS服務器，DNS服務器再做出響應來告訴我們百度的IP地址為220.181.111.147，這樣我們就知道百度（我們需要通信的主機）的IP地址。

應用層：

瀏覽網頁采用的是HTTP 協議，HTTP數據包會嵌入在TCP數據包中，此時我們發送的HTTP數據包內容為：

GET http://www.baidu.com/ HTTP/1.1

Accept： application/x-ms-application， image/jpeg， application/xaml+xml， image/gif， image/pjpeg， application/x-ms-xbap， application/vnd.ms-excel， application/vnd.ms-powerpoint， application/msword， */*

Accept-Language： en-US

User-Agent： Mozilla/4.0 （compatible; MSIE 7.0; Windows NT 6.1; WOW64; Trident/5.0; SLCC2; .NET CLR 2.0.50727; .NET CLR 3.5.30729; .NET CLR 3.0.30729; Media Center PC 6.0; .NET4.0C; .NET4.0E; Zune 4.7; InfoPath.3; MS-RTC LM 8）

Accept-Encoding： gzip， deflate， peerdist

Proxy-Connection： Keep-Alive

Host： www.baidu.com

Cookie： BDSFRCVID=H1K_JgC2l434o0a3SlYrhIyDwFLxPM7C3J; H_BDCLCKID_SF=tJAt_C8htDv5HTuRj63D5JcH-UnLqMkDWaOZ0h8-aI-5MbAx-jb6hhFXM-r80nblBTbT2C3nthF0HPonHj8Bej5L3J; BAIDUID=C0E879D1A40237E70E9FA559D40EE0AC:FG=1; BDUT=w5n3C0E879D1A40237E70E9FA559D40EE0AC13914a661370; BDUSS=FEQVdNdjllMTYyYlRxY3ZZbW1hM2htemdqZFVJcWRLWmFBaEtqd1FoTDNXeE5SQUFBQUFBJCQAAAAAAAAAAAoqyysAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAADEwLjI2LjE5Ny43NwAAAADAxFInAAAAAPcNJlD3DSZQYV; BDRCVFR［eYjbPwSqvSs］=2g3v5sBI-NCpv4EILPoXi4WUvY; Hm_lvt_9f14aaa038bbba8b12ec2a4a3e51d254=1344671219756; Hm_lpvt_9f14aaa038bbba8b12ec2a4a3e51d254=1344671219756

X-P2P-PeerDist： Version=1.0

傳輸層：

TCP數據包需要設置端口，接收方（百度）的Http端口默認是80，本機的端口是一個1024-65535之間的隨機整數，這里假設為1025，這樣TCP數據包由標頭（標識著發方和接收方的端口信息）+HTTP數據包，這樣TCP數據包再嵌入IP數據包中在網絡上傳送

網絡層：

IP數據包需要知道雙方的IP地址，本機IP地址假定為192.168.1.5，接受方IP地址為220.181.111.147（百度），這樣IP數據包由頭部（IP地址信息）+TCP數據包，

數據鏈路層：

IP數據包嵌入到數據幀（以太網數據包）中，以太網數據包需要知道雙方的MAC（物理地址），發送方為本機的網卡地址，接受方為網關192.168.1.1的MAC地址（通過ARP地址解析協議得到的）。這樣數據幀由頭部（MAC地址）+IP數據包組成。

經過多個網關的轉發到百度服務器220.181.111.147，服務器接受到發送過來的以太網數據包，然后再從以太網數據包中提取IP數據包——》TCP數據包——》HTTP數據包，最后服務器做出“HTTP響應”，再用TCP協議發回給客戶端（瀏覽器），瀏覽器同樣的過程讀取到HTTP響應的內容（HTTP響應數據包），然后瀏覽器對接受到的HTML頁面進行解析，把網頁顯示出來呈現給用戶，這樣就完成了一次網絡通信了。

編輯：hfy