计算机网络深入浅出主机通信

wangxilong
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计算机网络五层结构功能

层级名称主要作用和功能
物理层发送和接收比特流；负责将比特流调制到载波上面（调幅、调频、调相）；可以用信道复用等技术提升发送速率；
数据链路层负责相邻设备间通信，这两个设备间没有交换节点，具体表现为点对点通信（PPP协议）和广播通信（CSMA/CD协议）；用MAC地址识别参与通信的两个节点（源节点、目的节点），MAC地址是本层及以下层专用；上层网络层根据目的IP确定下一跳IP地址，数据链路层(交换机)根据下一跳IP地址就能确定下一跳的MAC地址，并将网络层数据报再次封装，加上目的MAC地址，交由物理层传送；负责帧的差错检测，丢弃错误的帧（只检错不纠错），错误可能是帧丢失、帧重复、帧失序；
网络层负责不相邻的两个节点间的通信，比如我的电脑和网页服务器之间的通信；用IP地址识别源地址、目的地址，IP地址是本层及以上层专用；能够确定转发路线，使得效率最高；
运输层识别并将数据报正确交付相应的应用程序，识别数据报属于哪个应用程序的方法为看端口；TCP可靠传输，UDP不可靠传输；
应用层使用得到的报文段，为用户提供各种服务（浏览器、邮件、远程通信）；向上面向用户（域名给用户看），向下面向运输层和网络层（域名解析给他们看）；

计算机通信过程

描述A主机到B主机各种通信过程。

1、A主机和B主机在同一网段，如源主机A：192.168.1.1/24和目标主机B：192.168.1.2/24。

　　A主机会利用这两个IP地址和子网掩码相与，判断出目标地址与自己在同一网段，就会查询B主机的MAC地址；如果本地记录了就会直接把包扔给B主机，B主机看到目标MAC地址是自己，目标IP也是自己，就会收下此数据包；如果本地没有记录目标主机的MAC地址，就会通过ARP广播询问目标主机的MAC地址是什么，目标地址收到广播后返回自己的MAC地址给A主机，然后A主机就会把包扔给B主机，B主机查看MAC、IP地址都是自己，就收下此数据包。

2、A主机和B主机不在同一网段，如源主机A：192.168.1.1/24和目标主机B：192.168.2.1/24。主机A的默认网关为C，主机B的默认网关为D。

　　首先A主机还是会利用这两个IP地址和子网掩码相与，判断出目标地址与自己不在同一网段，A主机会查看自己的路由表，查看路由表中是否指定了B主机网段的网关D；如果有就会把包发送给网关D，D就会经过1中的过程，把包发给B主机；如果本地路由表中没有B网段的信息，那么就会把包发送给本机的默认网关C，网关C也会查询本地路由表，是否有指定网关D的信息，如果有就会扔给网关D，否则就会扔给默认路由，以此类推总会找到网关D，然后主机B收到此数据包。

udp、tcp等一些通信协议是为了确定应用的，IP地址是为了确定主机，MAC地址是为了确定网卡。

交换机：二层交换机只是有一个汇聚功能；三层交换机就可以实现路由功能，也有汇聚功能。

路由器：只有路由功能，没有汇聚功能，只要经过路由器，就可以肯定两IP不会在同一网段。

举个栗子：

A主机和B主机在同一网段，如A和B都在一个宿舍楼。（把大学的所有学生宿舍看为整个网络）

　　A给B发送一个包，A通过子网掩码判断出B和自己住在一个宿舍楼，看一下自己有没有记录B的门牌号，如果有就直接送给他，如果没有，就会在走廊喊一声，“B你的门牌号是什么”，B收到这个广播就会回应，然后A听到后就会发包给B。

A主机和B主机不在同一个网段，如A在M楼，B在N楼。

　　A判断B和自己不在同一个宿舍楼，就会直接把包扔给宿管大爷，宿管大爷对查看自己的路由表，看B在哪个宿舍楼。如果有记载就会发给B的宿管大爷，如果没有，就会发给默认的宿管大爷（默认路由），宿管大爷一直查路由表转发，直到把包送给B的宿管大爷，B的宿管大爷收到后，看一下B的门牌号，如果有就把包发过去，如果没有就喊一嗓子“B门牌号多少啊” B收到后给予答复，宿管大爷就会把包发给B。

TCP

三次握手的详细描述

  1. 第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认；
  2. 第二次握手：服务器收到SYN报文段。服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置Acknowledgment Number为x+1(Sequence Number+1)和位码ACK为1；同时，自己自己还要发送SYN请求信息，将SYN位置为1，Sequence Number为y；服务器端将上述所有信息放到一个报文段（即SYN+ACK报文段）中，一并发送给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态；
  3. 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段和判断位码ACK是否为1。然后将Acknowledgment Number设置为y+1，向服务器发送ACK报文段，这个报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态，完成TCP三次握手。 那么问题来了，为什么要三次握手呢，两次不行么。

为什么要三次握手

既然总结了TCP的三次握手，那为什么非要三次呢？怎么觉得两次就可以完成了。那TCP为什么非要进行三次连接呢？在谢希仁的《计算机网络》中是这样说的：

为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。 在书中同时举了一个例子，如下： “已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”

三次握手是为了防止了服务器端的一直等待而浪费资源。

四次挥手的详细描述

当客户端和服务器通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，肯定是要断开TCP连接的啊。那对于TCP的断开连接，这里就有了神秘的“四次分手”。

  1. 第一次分手：主机1（可以使客户端，也可以是服务器端），设置Sequence Number和Acknowledgment Number，向主机2发送一个FIN报文段；此时，主机1进入FIN_WAIT_1状态；这表示主机1没有数据要发送给主机2了；
  2. 第二次分手：主机2收到了主机1发送的FIN报文段，向主机1回一个ACK报文段，Acknowledgment Number为Sequence Number加1；主机1进入FIN_WAIT_2状态；主机2告诉主机1，我也没有数据要发送了，可以进行关闭连接了；
  3. 第三次分手：主机2向主机1发送FIN报文段，请求关闭连接，同时主机2进入CLOSE_WAIT状态；
  4. 第四次分手：主机1收到主机2发送的FIN报文段，向主机2发送ACK报文段，然后主机1进入TIME_WAIT状态；主机2收到主机1的ACK报文段以后，就关闭连接；此时，主机1等待2MSL后依然没有收到回复，则证明Server端已正常关闭，那好，主机1也可以关闭连接了。 至此，TCP的四次分手就这么愉快的完成了。当你看到这里，你的脑子里会有很多的疑问，很多的不懂，感觉很凌乱；没事，我们继续分析。

为什么要四次分手

那四次分手又是为何呢？TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议。TCP是全双工模式，这就意味着，当主机1发出FIN报文段时，只是表示主机1已经没有数据要发送了，主机1告诉主机2，它的数据已经全部发送完毕了；但是，这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据；当主机2返回ACK报文段时，表示它已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的；当主机2也发送了FIN报文段时，这个时候就表示主机2也没有数据要发送了，就会告诉主机1，我也没有数据要发送了，之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。如果要正确的理解四次分手的原理，就需要了解四次分手过程中的状态变化。

  • FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到* * * FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。（主动方）
  • FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你(ACK信息)，稍后再关闭连接。（主动方）
  • CLOSE_WAIT：这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。（被动方）
  • LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。（被动方）
  • TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FINWAIT1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。（主动方）
  • CLOSED: 表示连接中断。

总结

文章有摘选也有自己的理解，难免有疏忽和错误，希望大家指正。

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