网络中的计算机互相通信网络分层和各层协议

因为这段时间都在研究C#网络编程的一些知识， 所以在这里把我学习到的在这里和大家分享下的，这样既可以达到分享的目的也可以让大家监督我，如果有什么地方理解错了，还请大家不吝赐教的。

很多人写网络编程这快都没有怎么讲网络中的协议，然而我觉得既然是网络编程肯定要介绍下网络编程中一些协议的，这样可以让更好的梳理网络编程的知识的，所以我在这系列中会用两个专题去讲协议，第一个专题简单介绍网络分层以及各层之间如何通信的只是，第二专题将会介绍下应用层协议——Http协议，了解这个不仅对网络编程有个理论基础，也可以帮助更好地理解Web（Asp.net）的开发。

一、网络分层

网络上的计算机之所以可以互相通信，是因为它们之间都遵守互相都可以“认识”的互联网协议（就如同人交流一样，两个人能够交流，互相必须知道对象的语言），互联网上的计算机互相通信又归根于网络中层与层之间的通信，OSI模型把网络通信分成七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，对于开发网络应用人员来说，一般把网络分成五层，这样比较容易理解。这五层为：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层（最顶层），下面是一张网络分层的图片（来源于网络）：

二、各层的协议

网络中的计算机互相通信就是实现了层与层之间的通信，要实现层与层之间的通信，则各层都要遵守规则，这样才能完成更好的通信， 我们就把它们之间遵守的规则就叫个“协议”，然而网络上的五层之间遵守的协议不一样，每层都有各自的协议。下面就由下至上的讲述每层的协议

2.1 物理层协议

物理层是五层模型中的最底层，物理层为计算机之间的数据通信提供了传输媒体和互连设备，为数据传输提供了可靠的环境，媒体包括电缆、光纤、无线信道等，互连设备指是计算机和调制解调器之间的互连设备，如各种插头、插座等。该层的作用是透明的传输比特流（即二进制流），为数据链路层提供一个传输原始比特流的物理连接

2.2 数据链路层

数据链路层是模型中的第2层，该层对接受到物理层传输过来的比特流进行分组，一组电信号构成的数据包，就叫做“帧”，数据链链路层就是来传输以“帧”为单位的数据包，把数据传递给上一层（网络层），帧数据由两部分组成：帧头和帧数据，帧头包括接受方物理地址（就是网卡的地址）和其他的网络信息，帧数据就是要传输的数据体。数据帧的最长为1500字节，如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。

2.3 网络层

该层通过寻址（寻址地址）来建立两个节点之间的连接，大家都知道我们的电脑连接上网络后都一个IP地址，我们可以通过IP地址来确定不同的计算机是否在同一个子网路。如果我们的电脑连接上网络后就有两种地址：物理地址和网络地址（IP地址），网络上的计算机要通信，必须要知道通信的计算机“在哪里”， 首先通过网络地址来判断是否处于同一个子网络，然后再对物理地址（MAC）地址进行处理，从而准确确定要通信计算机的位置。

在网络层中有我们熟悉的IP协议（即规定网络地址的协议），目前广泛采用的是IP协议第四版（IPv4），这个版本规定，网络地址由32位二进制位组成。我们可以自己配置IP地址也可以自动获得的方式得到IP地址，Ip地址分成两部分，前24位代表网络，后8位代表主机号， 如192.168.254.1和192.168.254.2就处于同一个子网络里，因为这两个IP地址的前24位相同。

网络层中以IP数据包的形式来传递数据，IP数据包也包括两部分：头（Head）和数据（Data），IP数据包放进数据帧中的数据部分进行传输。

2.4 传输层

通过MAC和IP地址，我们可以找到互联网上任意两台主机来建立通信。然而这里有一个问题，找到主机后，主机上有很多程序都需要用到网络，比如说你在一边听歌和好用QQ聊天， 当网络上发送来一个数据包时， 是怎么知道它是表示聊天的内容还是歌曲的内容的， 这时候就需要一个参数来表示这个数据包是发送给那个程序（进程）来使用的，这个参数我们就叫做端口号，主机上用端口号来标识不同的程序（进程），端口是0到65535之间的一个整数，0到1023的端口被系统占用，用户只能选择大于1023的端口。

传输层的功能就是建立端口到端口的通信，网络层就是建立主机与主机的通信，这样如果我们确定了主机和端口，这样就可以实现程序之间的通信了。我们所说的Socket编程就是通过代码来实现传输层之间的通信。因为初始化Socket类对象要指定IP地址和端口号。

在传输层有两个非常重要的协议：UDP 协议和TCP协议

采用UDP协议话传输的就是UDP数据包，同样UDP数据包也由头和数据两部分组成，头部分主要标识了发送端口和接受端口，数据部分就是具体的内容信息。同样UDP数据包是放入IP数据包中的“数据”部分，IP数据包再放入数据帧中在网络上传输。

由于UDP协议的可靠性差（数据发送后无法确定对方是否收到），所以又定义了一个可靠性高的协议——TCP协议，TCP协议采取了握手的方式要确保对方收到了数据。

2.5 应用层

应用层是模型中的最顶层，是用户与网络的接口，该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求。该层的数据放在TCP数据包的数据部分，该层定义了一个很重要的协议——Http协议，我们一般的Web开发都是基于应用层的开发， 所以后面专题将会和大家介绍下Http协议。理解Http协议可以帮助我们理解Asp.net的请求响应模型以及帮助我们自定义发出请求和自定义服务器。

三、总结

现在通过一个简单的访问网页的例子来说明网络中的通信。

当我们在浏览器中输入www.baidu.com时，这意味着浏览器要向百度发送一个网页数据包，要发送数据包，需要知道对方的IP地址，这里我们只知道网址为www.baidu.com，却不知道IP地址，此时应用层协议DNS协议会帮我们把网址解析为IP地址，此时会发送一个DNS数据包给DNS服务器，DNS服务器再做出响应来告诉我们百度的IP地址为220.181.111.147，这样我们就知道百度（我们需要通信的主机）的IP地址。

应用层：

浏览网页采用的是HTTP 协议，HTTP数据包会嵌入在TCP数据包中，此时我们发送的HTTP数据包内容为：

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

传输层：

TCP数据包需要设置端口，接收方（百度）的Http端口默认是80，本机的端口是一个1024-65535之间的随机整数，这里假设为1025，这样TCP数据包由标头（标识着发方和接收方的端口信息）+HTTP数据包，这样TCP数据包再嵌入IP数据包中在网络上传送

网络层：

IP数据包需要知道双方的IP地址，本机IP地址假定为192.168.1.5，接受方IP地址为220.181.111.147（百度），这样IP数据包由头部（IP地址信息）+TCP数据包，

数据链路层：

IP数据包嵌入到数据帧（以太网数据包）中，以太网数据包需要知道双方的MAC（物理地址），发送方为本机的网卡地址，接受方为网关192.168.1.1的MAC地址（通过ARP地址解析协议得到的）。这样数据帧由头部（MAC地址）+IP数据包组成。

经过多个网关的转发到百度服务器220.181.111.147，服务器接受到发送过来的以太网数据包，然后再从以太网数据包中提取IP数据包——》TCP数据包——》HTTP数据包，最后服务器做出“HTTP响应”，再用TCP协议发回给客户端（浏览器），浏览器同样的过程读取到HTTP响应的内容（HTTP响应数据包），然后浏览器对接受到的HTML页面进行解析，把网页显示出来呈现给用户，这样就完成了一次网络通信了。

编辑：hfy