計算機間如何進行通訊？這些知識點看懂就好

一 單工/半雙工/全雙工通信的概念

1.單工通信:

單工通信定義:信息在兩點之間只能單方向發(fā)送的工作方式.它的意思是指:假設A 和B 通信,只能由一方向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)而不能接收來自另一方發(fā)送來的數(shù)據(jù).就像小朋友們玩的聽筒,在兩個杯子之間系上一條線再拉緊,這就可以對著杯子說話而另一邊能夠聽到聲音.

圖一 一個小孩對著罐子說話而另一個小孩在當聽眾

2.半雙工通信:

半雙工通信定義:信息在兩點之間能夠在兩個方向上進行發(fā)送,但不能同時發(fā)送的工作方式.這就表示發(fā)送/接收數(shù)據(jù) 是有先后順序的,比如:A 向B 發(fā)送數(shù)據(jù)請求后A 只能接收來自B 發(fā)送來的回傳數(shù)據(jù),但A 接收完來自B 發(fā)送來的會傳數(shù)據(jù)后又可以立即向B 發(fā)送數(shù)據(jù)請求,而且B 也可以向A 發(fā)送數(shù)據(jù).

圖二 "對講機"式問答

3.全雙工通信:

全雙工通信定義:通信允許數(shù)據(jù)在兩個方向上同時傳輸,它在能力上相當于兩個單工通信方式的結合.全雙工通信和半雙工通信的本質區(qū)別是半雙工通信雙方只共用一條線路實現(xiàn)雙向通信,但全雙工通信卻利用兩條線路,一條作發(fā)送數(shù)據(jù)用,另一條作接收數(shù)據(jù)用.

圖三 有線固定電話的模型

二 芯片間通信

1.串口通信:

主機和主機之間的通信,實質上就是兩顆芯片之間來回傳輸數(shù)據(jù)..

圖四 串行接口實物圖

串口通信是通過全雙工通信進行的按位傳輸?shù)耐ㄐ?它的優(yōu)點是可以長距離傳輸數(shù)據(jù)(通過太長的數(shù)據(jù)鏈路時信號是會減小的,但一般我們利用信號放大來實現(xiàn)更遠的數(shù)據(jù)傳輸),占用線路少(發(fā)送線路,接收線路,地線[主要是為了抗干擾]).不過串口通信比并口通信稍微慢些.一般我們使用RS-232 號傳輸標準來規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸.

圖五 串口針腳順序圖

對于DB 9腳的串口接口定義:2號線路 接收數(shù)據(jù)(RxD),3號線路發(fā)送數(shù)據(jù)(TxD),5號線路信號地(GND)[其用意就是屏蔽掉外界的電磁干擾]

*RS-232 協(xié)議設計:

圖六89S51 系列單片機與PC 間的通信

對于某些沒有輸出RS-232信號的芯片,設計者常用MAX 232 (芯片通信輸出的TTL 電平轉換到RS-232信號的器件) 來把PC 和該芯片相聯(lián).在圖六中,89S51 首先通過TxD 發(fā)送數(shù)據(jù)到MAX 232 T1IN,然后MAX 232 在它的內部把TTL 電平信號轉換為RS-232信號,最后MAX 232 通過T1OUT 發(fā)送到PC 的COM 接口,此時PC 就接收到了我們發(fā)送來的數(shù)據(jù)(反過來就是接收數(shù)據(jù):COM TxD ->R1IN ->R1OUT).關于單片機方面的知識可以上www.51hei.com查閱.寫得比較容易理解.

三 通信協(xié)議

1.以太網(wǎng) 傳輸協(xié)議:

以太網(wǎng)定義:當前廣泛使用,采用共享總線型傳輸媒體方式的局域網(wǎng).過去的年代,多臺計算機要想利用一個Moden 上網(wǎng)的話,就需要添加一塊集線器(HUB ) 來把這些計算機并聯(lián)起來.[PS:集線器和交換機(SWITCH) 相比,集線器會把總網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率平均分配到每臺計算機,但交換機卻不會,這和硬件設計有關]

圖七 集線器實物圖(這年頭找張沒有水印的圖片還真少啊..)

下面就是多臺計算機共享網(wǎng)絡線路的拓撲圖.

圖八 總線型數(shù)據(jù)傳輸鏈路

線路倒是共享了,作為在線路中的某臺計算機是怎么知道線路中的數(shù)據(jù)到底是發(fā)送到自己還是發(fā)送到其它計算機的呢?為此人們制定了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,下圖是傳輸數(shù)據(jù)結構.

圖九 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸結構

目的地址 指的是該數(shù)據(jù)是由哪臺計算機接收.源地址 就是這個數(shù)據(jù)是從哪兒發(fā)送的.打個比方:比如A 主機需要發(fā)送數(shù)據(jù)到廣域網(wǎng),那這個目的地址就填寫集線器的網(wǎng)絡適配器的地址(這個地址就做MAC地址,它是網(wǎng)絡適配器所擁有的唯一地址). 當集線器接收到數(shù)據(jù)并轉發(fā)B 主機時,總線上所有主機都可以接收都這個數(shù)據(jù)包,假設A 主機接收到這個數(shù)據(jù)包,它會把數(shù)據(jù)包中的目的地址和自己的網(wǎng)絡適配器作對比,相同的話則表明這個數(shù)據(jù)是傳遞到我的,若不相同則丟棄數(shù)據(jù)包.這也就解釋了同集線器總線下監(jiān)聽其它主機發(fā)送/接收網(wǎng)絡信息的原理.

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包有許多不同的類型,上面是在集線器下常用的三個類型:IP 數(shù)據(jù)傳輸[0x0800],ARP 請求/應答[0x0806],RARP 請求/應答[0x8035].

ARP 請求/應答:它的用處是利用某個網(wǎng)絡適配器的地址在總線中發(fā)起詢問,然后得到要查詢的網(wǎng)絡適配器的IP 地址.由于在計算機需要依靠集線器或交換機或路由器來傳遞消息之前,它一定要利用ARP 請求告訴集線器等轉遞消息硬件本機的網(wǎng)絡適配器的MAC 地址[PS:也可以利用RIP (路由信息協(xié)議)協(xié)議來向轉遞消息硬件獲取IP地址(發(fā)送網(wǎng)絡適配器的MAC地址獲取IP 地址)].在轉遞消息硬件接收到這個請求后會在ARP 緩存表(對應著計算機的IP地址和網(wǎng)絡適配器的MAC 地址)中查找,若無該MAC 地址,則在ARP 緩存表更新該MAC 地址,然后發(fā)送ARP 應答數(shù)據(jù)包,那么當轉遞消息硬件接收到消息后就可以根據(jù)數(shù)據(jù)中的IP 地址在ARP 緩存表尋找MAC 地址然后就在總線上發(fā)送.假如接收到一個數(shù)據(jù)包的的IP 地址在ARP 緩存表中找不到的話,那轉遞消息硬件將會丟棄該數(shù)據(jù)包并向源IP 地址發(fā)送ICMP 數(shù)據(jù)不可到達的數(shù)據(jù)包.注意,轉遞消息硬件一般是三十分鐘刷新一次ARP 緩存表的.

RARP 請求/應答:假如我們只知道同集線器下的某臺計算機的IP 地址并想發(fā)送數(shù)據(jù)給它但又沒有該計算機的網(wǎng)絡適配器的MAC 地址那怎么辦呢?那就需要向總線廣播RARP (反向地址轉換協(xié)議)請求,此時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)結構中的目的地址置為FFFFFFFFFFFF (即:-1),RARP 數(shù)據(jù)包結構(見圖十三)中的目的IP 地址則置為需要查詢的IP 地址.接下來,當總線下的某臺計算機的網(wǎng)絡適配器接收到后就會把該IP 和自己的對比,假若查詢的是自己的IP 地址,那就返回包含這個網(wǎng)絡適配器的IP 地址和MAC 地址的RARP 應答,最后查詢主機接收到該數(shù)據(jù)包后就更新本機的ARP 緩存表,然后就可以進行IP 層的數(shù)據(jù)發(fā)送了.

圖十 ARP /RARP 數(shù)據(jù)包結構

2.IP 協(xié)議:

由于以太網(wǎng)協(xié)議只適用于局域網(wǎng),而且以太網(wǎng)數(shù)據(jù)不能跨轉遞消息硬件發(fā)送,所以人們制定了IP (Internet Protocol ,因特網(wǎng)協(xié)議)協(xié)議.有了它,只要計算機連接到因特網(wǎng)那它都可以利用IP 地址(就像手機號碼) 來實現(xiàn)通信(就像手機利用GSM 協(xié)議打電話).下面就是IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包結構:


圖十一 IP 協(xié)議頭部數(shù)據(jù)包結構
源IP 地址和目的IP 地址的意思和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包結構中的源地址和目的地址作用相同.(這里略去了其它TCP 特性,因為它們與本文無關)

讀者們先來看看下面的網(wǎng)絡拓撲圖:

圖十二 網(wǎng)絡門禁系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲圖

在每一個門禁控制系統(tǒng)里面都有主控制器.而這些主控制器利用以太網(wǎng)通過交換機來實現(xiàn)把數(shù)據(jù)傳遞到因特網(wǎng)(Internet)上.由于以太網(wǎng)傳輸協(xié)議只能使用在同一以太網(wǎng)下,所以這些數(shù)據(jù)是不可能傳遞到這個區(qū)域的外面的.你可以這樣想一下:廣州分廠的其中一個門禁控制系統(tǒng)的主控制器向它所屬的以太網(wǎng)發(fā)送一條信息給上海分廠的管理電腦及卡證中心主機顯然是不行的.而IP 協(xié)議卻不同,IP (Internet Protocol) 協(xié)議適合所有只要連接到因特網(wǎng)而且還擁有其獨立的IP 地址的主機.所以,當廣州分廠的其中一個門禁控制系統(tǒng)要和上海分廠的管理電腦及卡證中心主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換那就必須要知道該主機的IP 地址.有了它,系統(tǒng)會根據(jù)實際情況把IP 協(xié)議頭部數(shù)據(jù)包的各個數(shù)據(jù)填充好,然后通過以太網(wǎng)指定發(fā)送到交換機.交換機會再把我們的數(shù)據(jù)包轉發(fā)到因特網(wǎng)上,接下來這個數(shù)據(jù)包會到達上海分廠的交換機, 最后上海分廠的交換機通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)包到管理電腦及卡證中心主機.

以IP 協(xié)議為基礎,我們還可以利用TCP 和UDP 的傳輸數(shù)據(jù)方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸.一般地,TCP 會提供"無差別","可靠的" 的數(shù)據(jù)傳輸服務.

3.TCP 協(xié)議:

TCP 協(xié)議作為現(xiàn)在廣泛使用的協(xié)議,它有著許多網(wǎng)絡通信協(xié)議所沒有的特性(比如:重傳).TCP 協(xié)議是基于IP 協(xié)議上開發(fā)的.下面先來討論TCP 的數(shù)據(jù)包結構:

圖十三 TCP協(xié)議頭部數(shù)據(jù)結構

TCP 協(xié)議并沒有指定發(fā)送方/接收方的地址,因為它是以IP 協(xié)議作為基礎的協(xié)議,所以IP 協(xié)議的地址也可以說是TCP 協(xié)議的地址.在TCP 協(xié)議頭部數(shù)據(jù)結構里,有一個新名詞叫"端口",它的用意是為了標識不同的程序接收不同的數(shù)據(jù)包,比如:80 端口發(fā)送/接收HTTP 協(xié)議數(shù)據(jù)包,21 端口實現(xiàn)TELNET 協(xié)議 等.TCP 協(xié)議的傳輸機制是比較特殊的,它首先需要兩臺主機之間建立通信連接,然后才可以傳輸數(shù)據(jù),最后數(shù)據(jù)傳輸完成的時候還必須要對這個連接進行關閉.先看看下面是TCP 的通信流程圖:

圖十三 TCP 協(xié)議通信連接與關閉連接時數(shù)據(jù)包傳送情況(由于源圖被畫了很多紅圈,沒辦法啊只能搶救成這樣,原諒LC 吧)

對于上面的數(shù)據(jù)包交換我們可以分為兩部分來分析:前三個數(shù)據(jù)包表示的意思是建立TCP 連接,后四個數(shù)據(jù)包的意思是關閉TCP 連接.

在TCP 建立連接的時候,主動建立的一方將會發(fā)送SYN_SENT 類型的TCP 數(shù)據(jù)包到目的主機,目的主機處理完成這個連接請求后立即返回SYN_ACK類型的TCP 數(shù)據(jù)包(編者注:無論目的主機是否愿意和它建立連接,要想實現(xiàn)這個結構那就必須忽略防火墻等的外界影響條件),最后在主動建立的一方接收到該SYN_ACK 數(shù)據(jù)包后返回ACK 數(shù)據(jù)包,它也就代表了TCP 連接真正建立成功.這就是TCP 三次握手過程.

兩臺主機之間的數(shù)據(jù)傳輸結束了,那就要關閉連接.當一方主動關閉連接時,它將會發(fā)送FIN 數(shù)據(jù)包來通告對方.對方接收FIN 數(shù)據(jù)包后就會返回FIN_ACK 數(shù)據(jù)包來確認.(編者注:凡是已經主動發(fā)送過FIN 數(shù)據(jù)包的主機都不能夠再發(fā)送任何數(shù)據(jù),但可以接收數(shù)據(jù))只有雙方都各自都完成了發(fā)送FIN 數(shù)據(jù)包,那么TCP連接也就關閉了.這就是TCP 的四次握手過程.

發(fā)送數(shù)據(jù)和這些差不多,有興趣的讀者可以看看<> 或者給LCatro 留個言.

4.小總結:

數(shù)據(jù)包的結構搞亂了?請看看下圖吧..

圖十四 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包結構

由于我們在以太網(wǎng)下利用以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù),所以我們的要發(fā)送到目的主機的數(shù)據(jù)就包含在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)里面.對于這個數(shù)據(jù),實際上是IP 數(shù)據(jù)包,然而IP 數(shù)據(jù)包里面的數(shù)據(jù)其實是TCP 數(shù)據(jù)包,TCP 數(shù)據(jù)包里面的數(shù)據(jù)就是我們要發(fā)送的信息.所以讀者們結合上圖來理解網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包結構(右邊)就容易了..

至于左邊的結構圖的意思是網(wǎng)絡模型,它代表了哪個協(xié)議所在哪一個網(wǎng)絡模型層的級別.