計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（三）——數(shù)據(jù)通信

  計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信過(guò)程主要基于下三層來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這里我簡(jiǎn)單的說(shuō)一下關(guān)于下三層的硬件結(jié)構(gòu)；

  物理層主要是進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換的，兩個(gè)主機(jī)互聯(lián)，首先它的比特率必須一致，否則數(shù)據(jù)就無(wú)法正常的傳輸，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致等情況；而物理層的硬件設(shè)施有中繼器，集線(xiàn)器；中繼器，具有兩個(gè)端口，可以在數(shù)據(jù)通信時(shí)因?yàn)榫嚯x過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法通信的問(wèn)題，數(shù)據(jù)從一個(gè)接口進(jìn)入中繼器，由另一個(gè)接口出來(lái)后，數(shù)據(jù)通信的強(qiáng)度就會(huì)恢復(fù)，但是中繼器只有兩個(gè)接口，這樣效率就會(huì)很低，而集線(xiàn)器的產(chǎn)生就是在中繼器的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)化，集線(xiàn)器具有多個(gè)接口，可以將多個(gè)主機(jī)設(shè)備連接在一起，形成一個(gè)物理上是星型結(jié)構(gòu)，邏輯上卻是總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；但集線(xiàn)器的一個(gè)問(wèn)題就是，他這樣的連接方式會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間的沖突過(guò)多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男示蜁?huì)慢；而什么是沖突，在下面會(huì)講述到；

  數(shù)據(jù)鏈路層主要是定義物理地址，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，判斷是否有差錯(cuò)產(chǎn)生；數(shù)據(jù)鏈路層的主要設(shè)備是網(wǎng)卡，網(wǎng)橋以及交換機(jī)；其中網(wǎng)橋和交換機(jī)是在數(shù)據(jù)鏈路層的基礎(chǔ)上擴(kuò)展以太網(wǎng)；網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，他根據(jù)MAC幀的目的地址對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和過(guò)濾，當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí)，不是立刻將其廣播給所有接口，而是判斷該幀是否存在于網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)表中，若存在，則根據(jù)目的MAC地址在轉(zhuǎn)發(fā)表中對(duì)應(yīng)的接口進(jìn)行單播轉(zhuǎn)發(fā)，若沒(méi)有，則廣播所有接口；交換機(jī)實(shí)際上就是一個(gè)多接口的網(wǎng)橋；在交換機(jī)中，每一個(gè)主機(jī)都擁有自己的一個(gè)沖突域，即每一個(gè)主機(jī)之間是不會(huì)產(chǎn)生沖突的，但但這一點(diǎn)，就比集線(xiàn)器好很多，所以現(xiàn)在市面上所用的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備一般都是交換機(jī)了，很少看到有集線(xiàn)器的存在；

  數(shù)據(jù)鏈路層所具有的差錯(cuò)檢測(cè)功能是由CSMA/CD協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，它是一種帶有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議；該協(xié)議具有多路訪(fǎng)問(wèn)的特性，每一個(gè)主機(jī)都可從其信道上發(fā)送數(shù)據(jù)到總線(xiàn)上進(jìn)行傳輸，這種多路訪(fǎng)問(wèn)的結(jié)構(gòu)也容易導(dǎo)致沖突；CSMA/CD協(xié)議的一個(gè)重要的功能就是載波監(jiān)聽(tīng)，主機(jī)在進(jìn)行發(fā)送的時(shí)候，需要進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)，如果檢測(cè)到載波，就說(shuō)明有數(shù)據(jù)在運(yùn)行，就延時(shí)發(fā)送，延時(shí)時(shí)間為隨機(jī)數(shù)，若沒(méi)有檢測(cè)到載波，表示總線(xiàn)空閑，則可發(fā)送數(shù)據(jù)，但如果有多個(gè)主機(jī)檢測(cè)到總線(xiàn)空閑，一起發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)導(dǎo)致沖突，一旦產(chǎn)生沖突，所有的站點(diǎn)都回退，各個(gè)站點(diǎn)均等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間重新進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)；

  交換機(jī)的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

  ①學(xué)習(xí)：交換機(jī)對(duì)于每一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)到它這里具有IP和MAC地址的幀，它會(huì)判斷是否有這個(gè)幀的源MAC地址，若沒(méi)有，則將源MAC地址寫(xiě)入交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表，然后在進(jìn)行廣播，尋找符合該目的MAC地址的接口；如果接收到的數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址，已經(jīng)出現(xiàn)在MAC地址表中，則更新該條目的時(shí)間戳；

  ②轉(zhuǎn)發(fā)：

   有目的轉(zhuǎn)發(fā)：交換機(jī)在接受到數(shù)據(jù)幀時(shí)，若該目的MAC地址存在于交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中，則按該目的MAC地址所對(duì)應(yīng)的接口進(jìn)行單播轉(zhuǎn)發(fā)；

   無(wú)目的轉(zhuǎn)發(fā)：交換機(jī)在接受到數(shù)據(jù)幀時(shí)，該目的MAC地址不存在于交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中，則將該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行廣播，也可稱(chēng)之為泛洪；

   過(guò)濾：如果交換機(jī)收到的一個(gè)數(shù)據(jù)幀，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口和接收數(shù)據(jù)的端口是同一個(gè)端口，則這樣的數(shù)據(jù)，過(guò)濾不接收；

   網(wǎng)絡(luò)層主要是為上層運(yùn)輸層所傳下來(lái)的分組能夠找到合適的路由去尋找到目的主機(jī)；而在網(wǎng)絡(luò)層中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不能使用IP地址，而要使用這個(gè)IP地址所對(duì)應(yīng)的MAC地址，只有通過(guò)這個(gè)MAC地址才能找到合適的路由，IP地址一開(kāi)始是由應(yīng)用程序向DNS服務(wù)器進(jìn)行請(qǐng)求所得出的，IP地址可以通過(guò)ARP協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成物理地址即MAC地址，在這個(gè)過(guò)程中，需要知道的是，每一個(gè)主機(jī)都有其所對(duì)應(yīng)的ARP緩存表，在表中有所對(duì)應(yīng)的IP地址和其MAC地址，將IP地址轉(zhuǎn)化為MAC地址的過(guò)程中，若能在該主機(jī)自身的ARP緩存表中找到所對(duì)應(yīng)的MAC地址，則可直接獲得，若無(wú)法找到，則需要通過(guò)ARP協(xié)議封裝出一個(gè)ARP數(shù)據(jù)包里面有對(duì)應(yīng)的MAC地址，將其廣播出去，目的主機(jī)收到之后，將源MAC地址和源IP地址存在自身的ARP緩存表中，并將自己的MAC地址和IP地址數(shù)據(jù)封裝后，以單播的形式返回，這樣就可以獲得目的主機(jī)的MAC地址；

  數(shù)據(jù)通信之雙機(jī)互連：

  ①如果用戶(hù)在應(yīng)用程序中沒(méi)有指定目標(biāo)IP地址，則可由應(yīng)用程序發(fā)送請(qǐng)求到DNS服務(wù)器獲取目標(biāo)IP地址，或由用戶(hù)自己手動(dòng)指定；

  ②獲取IP地址后，確定將要連接的傳輸層協(xié)議；選擇TCP/IP協(xié)議；則要進(jìn)行三次握手連接后再發(fā)送數(shù)據(jù)；

  ③IP協(xié)議會(huì)按照正確的地址和對(duì)應(yīng)格式完成數(shù)據(jù)封裝，但是網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)層需要通過(guò)MAC地址完成數(shù)據(jù)傳輸，因此需要查詢(xún)ARP緩存中是否有對(duì)應(yīng)該IP地址的MAC地址記錄；在ARP緩存表中查找目標(biāo)IP地址的MAC地址，若無(wú)，則將TCP三次握手連接暫存在內(nèi)存中；封裝ARP數(shù)據(jù)包，廣播發(fā)送，目標(biāo)主機(jī)收到ARP數(shù)據(jù)包后，將源IP地址及MAC地址緩存，再將自身的IP地址和MAC地址封裝單播發(fā)送回來(lái)；

  ④源主機(jī)接收到ARP數(shù)據(jù)包后，獲得了目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，開(kāi)始進(jìn)行TCP三次握手連接；

  ⑤數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸完畢后，再進(jìn)行TCP四次揮手結(jié)束連接；

  數(shù)據(jù)通信之交換機(jī)通信（UDP）

  ①如果用戶(hù)在應(yīng)用程序中沒(méi)有指定目標(biāo)IP地址，則可由應(yīng)用程序發(fā)送請(qǐng)求到DNS服務(wù)器獲取目標(biāo)IP地址，或由用戶(hù)自己手動(dòng)指定；

  ②獲取IP地址后，確定將要連接的傳輸層協(xié)議；選擇UDP協(xié)議；則數(shù)據(jù)直接由應(yīng)用層發(fā)往UDP進(jìn)行直接傳傳輸；將UDP封裝好的數(shù)據(jù)交給IP協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步的封裝；

  ③將封裝好的IP協(xié)議交由網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行封裝，網(wǎng)絡(luò)層需要獲取目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，才可在網(wǎng)絡(luò)層中進(jìn)行傳輸，訪(fǎng)問(wèn)當(dāng)前主機(jī)的ARP緩存表，看是否有對(duì)應(yīng)目標(biāo)IP地址的MAC地址，若無(wú)，則將UDP連接暫存在內(nèi)存中；封裝ARP數(shù)據(jù)包，廣播發(fā)送，經(jīng)過(guò)交換機(jī)時(shí)，由交換機(jī)查看是否有該ARP封裝的源MAC地址，若無(wú)，則將源MAC地址寫(xiě)入交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中，進(jìn)行泛洪操作，若有，則進(jìn)行單播發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)；目標(biāo)主機(jī)收到ARP數(shù)據(jù)包后，將源IP地址及MAC地址緩存，再將自身的IP地址和MAC地址封裝單播發(fā)送到交換機(jī)，交換機(jī)查看是否有該主機(jī)的源MAC地址，若無(wú)，則將源MAC地址寫(xiě)入交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中，進(jìn)行泛洪操作，若有，則進(jìn)行單播發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)；這樣就可使源主機(jī)獲取目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，并寫(xiě)入到源主機(jī)的ARP緩存表中，可以開(kāi)始在網(wǎng)絡(luò)層中傳輸；

  ④按照ARP緩存表中的目標(biāo)MAC地址傳送數(shù)據(jù)；

  數(shù)據(jù)通信之交換機(jī)通信（TCP）

  ①如果用戶(hù)在應(yīng)用程序中沒(méi)有指定目標(biāo)IP地址，則可由應(yīng)用程序發(fā)送請(qǐng)求到DNS服務(wù)器獲取目標(biāo)IP地址，或由用戶(hù)自己手動(dòng)指定；

  ②獲取IP地址后，確定將要連接的傳輸層協(xié)議；選擇TCP協(xié)議；則數(shù)據(jù)需要先建立TCP的連接，即三次握手后，才可傳輸數(shù)據(jù)；將TCP封裝好的數(shù)據(jù)交給IP協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步的封裝；

  ③將封裝好的IP協(xié)議交由網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行封裝，網(wǎng)絡(luò)層需要獲取目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，才可在網(wǎng)絡(luò)層中進(jìn)行傳輸，訪(fǎng)問(wèn)當(dāng)前主機(jī)的ARP緩存表，看是否有對(duì)應(yīng)目標(biāo)IP地址的MAC地址，若無(wú)，則將TCP三次握手連接暫存在內(nèi)存中；封裝ARP數(shù)據(jù)包，廣播發(fā)送，經(jīng)過(guò)交換機(jī)時(shí)，由交換機(jī)查看是否有該ARP封裝的源MAC地址，若無(wú)，則將源MAC地址寫(xiě)入交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中，進(jìn)行泛洪操作，若有，則進(jìn)行單播發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)；目標(biāo)主機(jī)收到ARP數(shù)據(jù)包后，將源IP地址及MAC地址緩存，再將自身的IP地址和MAC地址封裝單播發(fā)送到交換機(jī)，交換機(jī)查看是否有該主機(jī)的源MAC地址，若無(wú)，則將源MAC地址寫(xiě)入交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表中，進(jìn)行泛洪操作，若有，則進(jìn)行單播發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)；這樣就可使源主機(jī)獲取目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，并寫(xiě)入到源主機(jī)的ARP緩存表中，可以開(kāi)始在網(wǎng)絡(luò)層中傳輸；

  ④進(jìn)行TCP三次握手連接，按照ARP緩存表中的目標(biāo)MAC地址傳送數(shù)據(jù)；

  ⑤當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸完畢后，發(fā)起斷開(kāi)TCP連接，四次揮手；