设局域网LAN1上的主机A和局域网LAN2上的主机B通过互连的广域网WAN进行通信。我们知道,IP协议能够把源主机A发送出的分组,按照首部中的目的地址,送交到目的主机B,那么,为什么还需要运输层呢?
从IP层来说,通信的两端是两台主机。IP数据报的首部明确地标志了这两台主机的IP地址真正进行 通信的实体是在主机中的进程,是这台主机中的一个进程和另一台主机中的一个进程在交换数据(即通信) 。 两台主机进行通信 就是两台主机中的 应用进程 互相 通信 。IP协议虽然能把分组送到目的主机,但是这个分组还停留在主机的网络层而没有交付主机中的应用进程。从运输层的角度看, 通信的真正端点并不是主机而是主机中的进程 。也就是说, 端到端的通信是应用进程之间的通信 。在一台主机中经常有多个应用进程同时分别和另一台主机中的多个应用进程通信。
例如,某用户在使用浏览器查找某网站的信息时,其主机的应用层运行浏览器客户进程。如果在浏览网页的同时,还要用电子邮件给网站发送反馈意见,那么主机的应用层就还要运行电子邮件的客户进程。在图5-1中,主机A的应用进程AP1和主机B的应用进程AP3通信,而与此同时,应用进程AP2也和对方的应用进程AP4通信。这表明运输层有一个很重要的功能一 复用(multiplexing)和分用(demultiplexing) 。这里的“复用”是指在发送方不同的应用进程都可以使用同一个运输层协议传送数据(当然需要加上适当的首部),而“分用”是指接收方的运输层在剥去报文的首部后能够把这些数据正确交付目的应用进程 ① 。图5-1中两个运输层之间有一个双向粗箭头,写明“运输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”的意思是:从应用层来看,只要把应用层报文交给下面的运输层,运输层就可以把这报文传送到对方的运输层(哪怕双方相距很远,例如几千公里),好像这种通信就是沿水平方向直接传送数据。但事实上这两个运输层之间并没有一条水平方向的物理连接。数据的传送是沿着图中的虚线方向(经过多个层次)传送的。“逻辑通信”的意思是“好像是这样通信,但事实上并非真的这样通信”。
①注:IP层也有复用和分用的功能。即,在发送方不同协议的数据都可以封装成P数据报发送出去,而在接收方的IP层根据IP首部中的协议字段进行分用,把剥去首部后的数据交付应当接收这些数据的协议。
网络层为主机之间提供逻辑通信,而运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信(见图5-2) 。运输层还具有网络层无法代替的许多其他重要功能。
运输层还要对收到的报文进行差错检测,在网络层,IP数据报首部中的检验和字段,只检验首部是否出现差错而不检查数据部分。
根据应用程序的不同需求,运输层需要有两种不同的运输协议,即 面向连接的TCP和无连接的UDP 。运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节(如网络拓扑、所采用的路由选择协议等),它使应用进程看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道,但这条逻辑通信信道对上层的表现却因运输层使用的不同协议而有很大的差别。 当运输层采用面向连接的TCP协议时,网络是不可靠的(只提供尽最大努力服务),但这种逻辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道。但当运输层采用无连接的UDP协议时,这种逻辑通信信道仍然是一条不可靠信道。
TCP/P运输层的两个主要协议都是互联网的正式标准:用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol);传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)。
两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫做运输协议数据单元TPDU(Transport Protocol Data Unit)。但在TCP/IP体系中,则根据所使用的协议是TCP或UDP,分别称之为TCP报文段(segment)或UDP用户数据报。
UDP在传送数据之前不需要先建立连接。远地主机的运输层在收到UDP报文后,不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付,但在某些情况下UDP却是一种最有效的工作方式。
TCP则提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接,数据传送结束后要释放连接。TCP不提供广播或多播服务。由于TCP要提供可靠的、面向连接的运输服务,因此不可避免地增加了许多的开销,如确认、流量控制、计时器以及连接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多,还要占用许多的处理机资源。
前面己经提到过运输层的复用和分用功能。其实在日常生活中也有很多复用和分用的例子。假定一个机构的所有部门向外单位发出的公文都由收发室负责寄出,这相当于各部门都“复用”这个收发室。当收发室收到从外单位寄来的公文时,则要完成“分用”功能,即按照信封上写明的本机构的部门地址把公文正确进行交付。
运输层的复用和分用功能也是类似的。应用层所有的应用进程都可以通过运输层再传送到IP层(网络层),这就是复用。运输层从IP层收到发送给各应用进程的数据后,必须分别交付指明的各应用进程,这就是分用。显然,给应用层的每个应用进程赋予一个非常明确的标志是至关重要的。
我们知道,在单个计算机中的进程是用进程标识符(一个不大的整数)来标志的。但是在互联网环境下,用计算机 *** 作系统所指派的这种进程标识符来标志运行在应用层的各种应用进程则是不行的。这是因为在互联网上使用的计算机的 *** 作系统种类很多,而不同的 *** 作系统又使用不同格式的进程标识符。为了使运行不同 *** 作系统的计算机的应用进程能够互相通信,就必须用统一的方法(而这种方法必须与特定 *** 作系统无关)对TCP/IP体系的应用进程进行标志。
但是,把一个特定机器上运行的特定进程,指明为互联网上通信的最后终点还是不可行的。这是因为进程的创建和撤销都是动态的,通信的一方几乎无法识别对方机器上的进程。另外,我们往往需要利用目的主机提供的功能来识别终点,而不需要知道具体实现这个功能的进程是哪一个(例如,要和互联网上的某个邮件服务器联系,并不一定要知道这个服务器功能是由目的主机上的哪个进程实现的)。
解决这个问题的方法就是在运输层使用 协议端口号 (protocol port number),或通常简称为端口(port)。这就是说,虽然通信的终点是应用进程,但只要把所传送的报文交到目的主机的某个合适的目的端口,剩下的工作(即最后交付目的进程)就由TCP或UDP来完成。
请注意,这种在协议栈层间的抽象的协议端口是软件端口,和路由器或交换机上的硬件端口是完全不同的概念。 硬件端口是不同硬件设备进行交互的接口,而软件端口是应用层的各种协议进程与运输实体进行层间交互的一种地址 。不同的系统具体实现端口的方法可以是不同的(取决于系统使用的 *** 作系统)。
TCP/IP的运输层用一个16位端口号来标志一个端口。但请注意,端口号只具有本地意义,它只是为了标志本计算机应用层中的各个进程在和运输层交互时的层间接口。在互联网不同计算机中,相同的端口号是没有关联的。16位的端口号可允许有65535个不同的端口号,这个数目对一个计算机来说是足够用的。
由此可见,两个计算机中的进程要互相通信,不仅必须知道对方的P地址(为了找到对方的计算机),而且要知道对方的端口号(为了找到对方计算机中的应用进程)。这和我们寄信的过程类似。当我们要给某人写信时,就必须在信封上写明他的通信地址(这是为了找到他的住所,相当于P地址),并且还要写上收件人的姓名(这是因为在同一住所中可能有好几个人,这相当于端口号)。在信封上还写明自己的地址。当收信人回信时,很容易在信封上找到发信人的地址。互联网上的计算机通信是采用客户-服务器方式。客户在发起通信请求时,必须先知道对方服务器的P地址和端口号。因此运输层的端口号分为下面的两大类。
(1)服务器端使用的端口号这里又分为两类,最重要的一类叫做熟知端口号(welknown port number))或系统端口号,数值为0-l023。这些数值可在网址>
网络中数据传输过程
我们每天都在使用互联网,我们电脑上的数据是怎么样通过互联网传输到到另外的一台电脑上的呢?
我们知道现在的互联网中使用的TCP/IP协议是基于,OSI(开放系统互联)的七层参考模型的,(虽然不是完全符合)从上到下分别为 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层和物理层。其中数据链路层又可是分为两个子层分别为逻辑链路控制层(Logic Link Control,LLC )和介质访问控制层((Media Access Control,MAC )也就是平常说的MAC层。LLC对两个节点中的链路进行初始化,防止连接中断,保持可靠的通信。MAC层用来检验包含在每个桢中的地址信息。在下面会分析到。还要明白一点路由器是在网路层的,而网卡在数据链路层。
我们知道,ARP(Address Resolution Protocol,地址转换协议)被当作底层协议,用于IP地址到物理地址的转换。在以太网中,所有对IP的访问最终都转化为对网卡MAC地址的访问。如果主机A的ARP列表中,到主机B的IP地址与MAC地址对应不正确,由A发往B数据包就会发向错误的MAC地址,当然无法顺利到达B,结 果是A与B根本不能进行通信。
首先我们分析一下在同一个网段的情况。假设有两台电脑分别命名为A和B,A需要相B发送数据的话,A主机首先把目标设备B的IP地址与自己的子网掩码进行“与” *** 作,以判断目标设备与自己是否位于同一网段内。如果目标设备在同一网段内,并且A没有获得与目标设备B的IP地址相对应的MAC地址信息,则源设备(A)以第二层广播的形式(目标MAC地址为全1)发送ARP请求报文,在ARP请求报文中包含了源设备(A)与目标设备(B)的IP地址。同一网段中的所有其他设备都可以收到并分析这个ARP请求报文,如果某设备发现报文中的目标IP地址与自己的IP地址相同,则它向源设备发回ARP响应报文,通过该报文使源设备获得目标设备的MAC地址信息。为了减少广播量,网络设备通过ARP表在缓存中保存IP与MAC地址的映射信息。在一次 ARP的请求与响应过程中,通信双方都把对方的MAC地址与IP地址的对应关系保存在各自的ARP表中,以在后续的通信中使用。ARP表使用老化机制,删除在一段时间内没有使用过的IP与MAC地址的映射关系。一个最基本的网络拓扑结构:
如果中间要经过交换机的话,根据交换机的原理,它是直接将数据发送到相应端口,那么就必须保有一个数据库,包含所有端口所连网卡的MAC地址。它通过分析Ethernet包的包头信息(其中包含不原MAC地址,目标MAC地址,信息的长度等信息),取得目标B的MAC地址后,查找交换机中存储的地址对照表,(MAC地址对应的端口),确认具有此MAC地址的网卡连接在哪个端口上,然后将数据包发送到这个对应的端口,也就相应的发送到目标主机B上。这样一来,即使某台主机盗用了这个IP地址,但由于他没有这个MAC地址,因此也不会收到数据包。
现在我们讨论两台不在同一个网段中的主机,假设网络中要从主机PC-A发送数据包PAC到PC-C主机中,如下图所示:
PC-A并不需要获取远程主机(PC-C)的MAC地址,而是把IP分组发向缺省网关,由网关IP分组的完成转发过程。如果源主机(PC-A)没有缺省网关MAC地址的缓存记录,则它会通过ARP协议获取网关的MAC地址,因此在A的ARP表中只观察到网关的MAC地址记录,而观察不到远程主机的 MAC地址。在以太网(Ethernet)中,一个网络设备要和另一个网络设备进行直接通信,
除了知道目标设备的网络层逻辑地址(如IP地址)外,还要知道目标设备的第二层物理地址(MAC地址)。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址,查询目标设备的MAC地址,以保证通信的顺利进行。 数据包在网络中的发送是一个及其复杂的过程,上图只是一种很简单的情况,中间没有过多的中间节点,其实现实中只会比这个更复杂,但是大致的原理是一致的。
(1)PC-A要发送数据包到PC-C的话,如果PC-A没有PC-C的IP地址,则PC-A首先要发出一个dns的请求,路由器A或者dns解析服务器会给PC-A回应PC-C的ip地址,这样PC-A关于数据包第三层的IP地址信息就全了:源IP地址:PC-A,目的ip地址:PC-C。
(2)接下来PC-A要知道如何到达PC-C,然后,PC-A会发送一个arp的地址解析请求,发送这个地址解析请求,不是为了获得目标主机PC-C的MAC地址,而是把请求发送到了路由器A中,然后路由器A中的MAC地址会发送给源主机PC-A,这样PC-A的数据包的第二层信息也全了,源MAC地址:PC-A的MAC地址,目的MAC地址:路由器A的MAC地址,
(3)然后数据会到达交换机A,交换机A看到数据包的第二层目的MAC地址,是去往路由器A的,就把数据包发送到路由器A,路由器A收到数据包,首先查看数据包的第三层ip目的地址,如果在自己的路由表中有去往PC-C的路由,说明这是一个可路由的数据包。 (4)然后路由器进行IP重组和分组的过程。首先更换此数据包的第二层包头信息,路由器PC-A到达PC—C要经过一个广域网,在这里会封装很多广域网相关的协议。其作用也是为了找下一阶段的信息。同时对第二层和第三层的数据包重校验。把数据经过Internet发送出去。最后经过很多的节点发送到目标主机PC_C中。
现在我们想一个问题,PC-A和PC-C的MAC地址如果是相同的话,会不会影响正常的通讯呢!答案是不会影响的,因为这两个主机所处的局域网被广域网分隔开了,通过对发包过程的分析可以看出来,不会有任何的问题。而如果在同一个局域网中的话,那么就会产生通讯的混乱。当数据发送到交换机是,这是的端口信息会有两个相同的MAC地址,而这时数据会发送到两个主机上,这样信息就会混乱。因此这也是保证MAC地址唯一性的一个理由。
我暂且按我的理解说说吧。
先看一下计算机网络OSI模型的七个层次:
┌—————┐
│ 应用层 │←第七层
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│ 表示层 │
├—————┤
│ 会话层 │
├—————┤
│ 传输层 │
├—————┤
│ 网络层 │
├—————┤
│数据链路层│
├—————┤
│ 物理层 │←第一层
└—————┘
而我们现在用的网络通信协议TCP/IP协议者只划分了四成:
┌—————┐
│ 应用层 │ ←包括OSI的上三层
├—————┤
│ 传输层 │
├—————┤
│ 网络层 │
├—————┤
│网络接口层 │←包括OSI模型的下两层,也就是各种不同局域网。
└—————┘
两台计算机通信所必须需要的东西:IP地址(网络层)+端口号(传送层)。
两台计算机通信(TCP/IP协议)的最精简模型大致如下:
主机A---->路由器(零个或多个)---->主机B
举个例子:主机A上的应用程序a想要和主机B上面的应用程序b通信,大致如下
程序a将要通信的数据发到传送层,在传送层上加上与该应用程序对应的通信端口号(主机A上不同的应用程序有不同的端口号),如果是用的TCP的话就加上TCP头部,UDP就加上UDP头部。
在传送成加上头部之后继续向往下传到网络层,然后加上IP头部(标识主机地址以及一些其他的数据,这里就不详细说了)。
然后传给下层到数据链路层封装成帧,最后到物理层变成二进制数据经过编码之后向外传输。
在这个过程中可能会经过许多各种各样的局域网,举个例子:
主机A--->(局域网1--->路由器--->局域网2)--->主机B
这个模型比上面一个稍微详细点,其中括号里面的可以没有也可能有一个或多个,这个取决于你和谁通信,也就是主机B的位置。
主机A的数据已经到了具体的物理介质了,然后经过局域网1到了路由器,路由器接受主机A来的数据先经过解码,还原成数据帧,然后变成网络层数据,这个过程也就是主机A的数据经过网络层、数据链路层、物理层在路由器上面的一个反过程。
然后路由器分析主机A来的数据的IP头部(也就是在主机A的网络层加上的数据),并且修改头部中的一些内容之后继续把数据传送出去。
一直到主机B收到数据为止,主机B就按照主机A处理数据的反过程处理数据,直到把数据交付给主机B的应用程序b。完成主机A到主机B的单方向通信。
这里的主机A、B只是为了书写方便而已,可能通信的双方不一定就是个人PC,服务器与主机,主机与主机,服务器与服务器之间的通信大致都是这样的。
再举个例子,我们开网页上百度:
就是我们的主机浏览器的这个应用程序和百度的服务器之间的通信。应用成所用的协议就是>
大致过程就是上面所说,其中的细节很复杂,任何一个细节都可以写成一本书,对于非专业人员也没有必要深究。
一、所谓计算机通信网就是将若干台具有独立功能的计算机通过通信设备及传输介质互连起来,在通信协议的支持下进行数据通信,以实现资源共享的系统。二、从硬件方面看,计算机通信网由两部分组成:
1、资源子网:主机、终端、各种I/O设备等组成,负责全网的数据处理业务,向网络用户提供各种网络资源与网络服务。
2、通信子网:由网络节点(即交换机)及连接它们的传输链路组成,负责主机或终端之间的数据信息传输与交换。
三、网络服务器属于资源子网的范畴,是指为网络提供服务、进行管理的计算机系统。
上面提到,我们之所以要建设计算机网络,目的是要在各终端用户间实现资源的共享。而网络服务器正是网络资源共享和管理的核心!!!
它提供资源和服务,并管理终端用户对该资源的多重并发访问。
实际上,用户依靠不同的服务器提供不同的网络服务。比如:
文件服务器:大容量的磁盘供客户使用,接受客户提出的数据处理、存取请求。
数据库服务器:提供数据库 *** 作,以数据库检索、更新为基础。
应用服务器:提供某种特定的服务。(邮件服务器、游戏服务器、视频服务器)
计算服务器:提供科学计算等需要大量计算和特定计算服务。
打印服务器:接受来自客户的打印任务,并将打印内容存入打印队列,送到打印机输出。
四、在电话通信网中,似乎还真的很难找到与之相对应的设备。因为电话网本身在计算机通信中扮演的只是通信子网的角色,仅仅起着信息传输和交换的作用。如果真的要比喻的话,我把服务器和电话查号台做一类比。后者面向所有电话用户提供查号服务,并且有相应的措施(排队机)来管理用户对于查号台的并发访问。
此处应该填写对等。
即原话为计算机网络有两种基本的工作模式,它们是对等模式和客户/服务器模式。
对等模式(P2P,peer-to-peer)是一种通信模式,其中每一方都拥有相同的功能,任何一方都可以启动通信会话。
客户/服务器模式(Client_servermodel)简称C/S结构,是一种网络架构,它把客户端 (Client)与服务器(Server)区分开来。每一个客户端软件的实例都可以向一个服务器或应用程序服务器发出请求。
拓展:
两者特点:
对等网络:简单方便,但是难于管理,且安全性能比较差。
客户/服务器:更安全,更稳定,但相对也更复杂。
参考资料:
对等网络百度百科
客户/服务器方式百度百科
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