TCP/IP 五层网络架构工作机制

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#网络 #java

本文详细介绍了TCP/IP五层网络架构的工作机制，包括应用层、传输层（TCP的三次握手和四次分手）、网络层（IP地址和路由）以及链路层（MAC地址的作用）。内容涵盖TCP连接的建立与释放，数据传输过程，以及IP和MAC地址在网络传输中的角色。

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应用层

应用层程序是要准备某种协议的数据，在发送前：通过内核完成和外部的连接。

传输层

封装四元组：IP：port，目标网站对应的端口号

TCP

面向连接的—TCP三次握手
可靠的传输协议—为什么三次，确认机制确保可靠传输
这层会出现粘包拆包问题—内核 queue、buffer

三次握手——创建连接

三次握手成功后，client和server都在内存中开辟了资源空间：queue、空间、socket，为对方提供服务。

socket

listen也是一个socket：
在这里插入图片描述

netstat -natp  //查看端口号
netstat -a     //查看所有端口号
netstat -at    //查看TCP端口号
netstat -au    //查看UDP端口号
sudo ifconfig enp2s0:1  10.1.82.22/24    //ip的编号：enp2s0:1的一号接口，   新的ip地址

在这里插入图片描述
如下图，一个连接开辟资源：开辟socket

TCP很繁忙，会将数据先放入：Recv-Q和Send-Q中，程序什么时候用，什么时候取，数据积压多了，取数据的时候可能发生数据粘连。
四元组保证连接的唯一性：由这条四元组信息能够唯一连接一对客户端和服务端接口，不会发生串扰
建立连接时，代码应该保证四元组唯一性

四次分手——断开连接

断开连接的实质是：客户端和服务端双方销毁资源空间

用curl连接百度80端口，通过listern监听整个连接-传输数据-断开连接的过程

curl www.baidu.com.80
sudo tcpdump  -nn  -i enp2s0 port 80

在这里插入图片描述
程序从网络获得数据的过程：
文件描述符绑定在port上–>程序监听文件描述符–>间接监听port

网络层

封装目标网站的IP地址

给TCP连接增加IP地址，查看本机路由表，当数据包向下一层发送时，需要通过外层链路层携带”下一跳“的IP地址，用于网络路由跳转。

IP

IP地址：Internet Protocol Address，互联网协议地址，它为互联网上的每一个网络和每一台主机配置一个唯一的逻辑地址，用来与物理地址作区分。
**IPV4：**点分字节0.0.0.0~255.255.255.255

**IP地址：**192.168.150.11

子网掩码-Genmask：255.255.255.0，掩码与IP地址”按位与“，得到网络号：192.168.150.0、最后一位“或”，得到主机号：1

掩码的存在能够更快得找到IP地址指向的主机。

**网关Gateway：**在链路层，下一跳的IP地址（例如路由器就是用户下一跳的网关，通过一次次跳转最后找到对应的IP地址）

**网关下一跳 **：从当前主机将数据包交给Gateway–互联网发送数据的原理：数据包到达当前设备，查看设备路由表，根据路由规则，计算下一跳的IP地址。数据包中包含目标IP地址，一直通过这种方式跳到目标IP地址所在服务器。
在这里插入图片描述

如果和Genmask按位与之后，和目标IP地址相同，代表目标地址在局域网内（192.168.80.1和192.168.80.17属于同一个局域网）可以直连。

链路层

封装网关的MAC地址

数据包中只能放一个IP地址，无法携带下一个网关的IP地址，需要增加链路层携带这个地址对应的MAC地址。

MAC地址

MAC地址：Media Access Control Address，媒体访问控制地址，也称作局域网地址，以太网地址或者物理地址。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。MAC地址生产过程中已经固定。
MAC使用：地址跳转过程中实际使用的是MAC地址，当前主机收到数据包后，先查看本机有没有网络IP地址对应的MAC地址缓存记录，如果有直接用，如果没有根据ARP协议，在局域网广播请求，将目标IP地址按照”表“中对应关系映射成MAC地址。

查询MAC地址缓存记录：

arp -n

在这里插入图片描述

为什么有MAC还要使用IP？：
- IP地址和MAC地址都是用来协助完成网络数据传输的，传输除了发送和接收方以外，还需要路由完成中间过程的接力。如果我们只用MAC地址，路由器就需要记住每个MAC地址所在的子网（否则每次接受到数据包就需要广播找人> … <，太难了）。据说有2^48个MAC地址，路由器需要很大的内存，不现实！
- 如果一个设备接入网络，我们就给它分配一个IP地址，IP前缀代表局域网地址，后缀是在当前局域网的id号，路由拿到IP号之后，马上知道去哪个局域网找这个设备，搜索范围大大减小，并且不需要额外存储子网地址。