計(jì)算機(jī)間如何進(jìn)行通訊？這些知識(shí)點(diǎn)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(diǎn)之間只能單方向發(fā)送的工作方式.它的意思是指:假設(shè)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(lái)自另一方發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù).就像小朋友們玩的聽(tīng)筒,在兩個(gè)杯子之間系上一條線再拉緊,這就可以對(duì)著杯子說(shuō)話而另一邊能夠聽(tīng)到聲音.

圖一 一個(gè)小孩對(duì)著罐子說(shuō)話而另一個(gè)小孩在當(dāng)聽(tīng)眾

2.半雙工通信:

半雙工通信定義:信息在兩點(diǎn)之間能夠在兩個(gè)方向上進(jìn)行發(fā)送,但不能同時(shí)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(qǐng)求后A 只能接收來(lái)自B 發(fā)送來(lái)的回傳數(shù)據(jù),但A 接收完來(lái)自B 發(fā)送來(lái)的會(huì)傳數(shù)據(jù)后又可以立即向B 發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求,而且B 也可以向A 發(fā)送數(shù)據(jù).

圖二 "對(duì)講機(jī)"式問(wèn)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(gè)方向上同時(shí)傳輸,它在能力上相當(dāng)于兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合.全雙工通信和半雙工通信的本質(zhì)區(qū)別是半雙工通信雙方只共用一條線路實(shí)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(jī)和主機(jī)之間的通信,實(shí)質(zhì)上就是兩顆芯片之間來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)..

圖四 串行接口實(shí)物圖

串口通信是通過(guò)全雙工通信進(jìn)行的按位傳輸?shù)耐ㄐ?它的優(yōu)點(diǎn)是可以長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)(通過(guò)太長(zhǎng)的數(shù)據(jù)鏈路時(shí)信號(hào)是會(huì)減小的,但一般我們利用信號(hào)放大來(lái)實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)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(guò)串口通信比并口通信稍微慢些.一般我們使用RS-232 號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸.

圖五 串口針腳順序圖

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

*RS-232 協(xié)議設(shè)計(jì):

圖六89S51 系列單片機(jī)與PC 間的通信

對(duì)于某些沒(méi)有輸出RS-232信號(hào)的芯片,設(shè)計(jì)者常用MAX 232 (芯片通信輸出的TTL 電平轉(zhuǎn)換到RS-232信號(hào)的器件) 來(lái)把PC 和該芯片相聯(lián).在圖六中,89S51 首先通過(guò)TxD 發(fā)送數(shù)據(jù)到MAX 232 T1IN,然后MAX 232 在它的內(nèi)部把TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào),最后MAX 232 通過(guò)T1OUT 發(fā)送到PC 的COM 接口,此時(shí)PC 就接收到了我們發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)(反過(guò)來(lái)就是接收數(shù)據(jù):COM TxD ->R1IN ->R1OUT).關(guān)于單片機(jī)方面的知識(shí)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(dāng)前廣泛使用,采用共享總線型傳輸媒體方式的局域網(wǎng).過(guò)去的年代,多臺(tái)計(jì)算機(jī)要想利用一個(gè)Moden 上網(wǎng)的話,就需要添加一塊集線器(HUB ) 來(lái)把這些計(jì)算機(jī)并聯(lián)起來(lái).[PS:集線器和交換機(jī)(SWITCH) 相比,集線器會(huì)把總網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率平均分配到每臺(tái)計(jì)算機(jī),但交換機(jī)卻不會(huì),這和硬件設(shè)計(jì)有關(guān)]

圖七 集線器實(shí)物圖(這年頭找張沒(méi)有水印的圖片還真少啊..)

下面就是多臺(tái)計(jì)算機(jī)共享網(wǎng)絡(luò)線路的拓?fù)鋱D.

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(tái)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu).

圖九 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

目的地址 指的是該數(shù)據(jù)是由哪臺(tái)計(jì)算機(jī)接收.源地址 就是這個(gè)數(shù)據(jù)是從哪兒發(fā)送的.打個(gè)比方:比如A 主機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)到廣域網(wǎng),那這個(gè)目的地址就填寫集線器的網(wǎng)絡(luò)適配器的地址(這個(gè)地址就做MAC地址,它是網(wǎng)絡(luò)適配器所擁有的唯一地址). 當(dāng)集線器接收到數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)B 主機(jī)時(shí),總線上所有主機(jī)都可以接收都這個(gè)數(shù)據(jù)包,假設(shè)A 主機(jī)接收到這個(gè)數(shù)據(jù)包,它會(huì)把數(shù)據(jù)包中的目的地址和自己的網(wǎng)絡(luò)適配器作對(duì)比,相同的話則表明這個(gè)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(tīng)其它主機(jī)發(fā)送/接收網(wǎng)絡(luò)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(gè)類型:IP 數(shù)據(jù)傳輸[0x0800],ARP 請(qǐng)求/應(yīng)答[0x0806],RARP 請(qǐng)求/應(yīng)答[0x8035].

ARP 請(qǐng)求/應(yīng)答:它的用處是利用某個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器的地址在總線中發(fā)起詢問(wèn),然后得到要查詢的網(wǎng)絡(luò)適配器的IP 地址.由于在計(jì)算機(jī)需要依靠集線器或交換機(jī)或路由器來(lái)傳遞消息之前,它一定要利用ARP 請(qǐng)求告訴集線器等轉(zhuǎn)遞消息硬件本機(jī)的網(wǎng)絡(luò)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(lái)向轉(zhuǎn)遞消息硬件獲取IP地址(發(fā)送網(wǎng)絡(luò)適配器的MAC地址獲取IP 地址)].在轉(zhuǎn)遞消息硬件接收到這個(gè)請(qǐng)求后會(huì)在ARP 緩存表(對(duì)應(yīng)著計(jì)算機(jī)的IP地址和網(wǎng)絡(luò)適配器的MAC 地址)中查找,若無(wú)該MAC 地址,則在ARP 緩存表更新該MAC 地址,然后發(fā)送ARP 應(yīng)答數(shù)據(jù)包,那么當(dāng)轉(zhuǎn)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(gè)數(shù)據(jù)包的的IP 地址在ARP 緩存表中找不到的話,那轉(zhuǎn)遞消息硬件將會(huì)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(dá)的數(shù)據(jù)包.注意,轉(zhuǎn)遞消息硬件一般是三十分鐘刷新一次ARP 緩存表的.

RARP 請(qǐng)求/應(yīng)答:假如我們只知道同集線器下的某臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP 地址并想發(fā)送數(shù)據(jù)給它但又沒(méi)有該計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換協(xié)議)請(qǐng)求,此時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的目的地址置為FFFFFFFFFFFF (即:-1),RARP 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖十三)中的目的IP 地址則置為需要查詢的IP 地址.接下來(lái),當(dāng)總線下的某臺(tái)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器接收到后就會(huì)把該IP 和自己的對(duì)比,假若查詢的是自己的IP 地址,那就返回包含這個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器的IP 地址和MAC 地址的RARP 應(yīng)答,最后查詢主機(jī)接收到該數(shù)據(jù)包后就更新本機(jī)的ARP 緩存表,然后就可以進(jìn)行IP 層的數(shù)據(jù)發(fā)送了.

圖十 ARP /RARP 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)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(jì)算機(jī)連接到因特網(wǎng)那它都可以利用IP 地址(就像手機(jī)號(hào)碼) 來(lái)實(shí)現(xiàn)通信(就像手機(jī)利用GSM 協(xié)議打電話).下面就是IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu):


圖十一 IP 協(xié)議頭部數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
源IP 地址和目的IP 地址的意思和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)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?yàn)樗鼈兣c本文無(wú)關(guān))

讀者們先來(lái)看看下面的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D:

圖十二 網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在每一個(gè)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(guò)交換機(jī)來(lái)實(shí)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(gè)區(qū)域的外面的.你可以這樣想一下:廣州分廠的其中一個(gè)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(jī)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(dú)立的IP 地址的主機(jī).所以,當(dāng)廣州分廠的其中一個(gè)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(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換那就必須要知道該主機(jī)的IP 地址.有了它,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況把IP 協(xié)議頭部數(shù)據(jù)包的各個(gè)數(shù)據(jù)填充好,然后通過(guò)以太網(wǎng)指定發(fā)送到交換機(jī).交換機(jī)會(huì)再把我們的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到因特網(wǎng)上,接下來(lái)這個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)到達(dá)上海分廠的交換機(jī), 最后上海分廠的交換機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)包到管理電腦及卡證中心主機(jī).

以IP 協(xié)議為基礎(chǔ),我們還可以利用TCP 和UDP 的傳輸數(shù)據(jù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸.一般地,TCP 會(huì)提供"無(wú)差別","可靠的" 的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù).

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(luò)通信協(xié)議所沒(méi)有的特性(比如:重傳).TCP 協(xié)議是基于IP 協(xié)議上開(kāi)發(fā)的.下面先來(lái)討論TCP 的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu):

圖十三 TCP協(xié)議頭部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

TCP 協(xié)議并沒(méi)有指定發(fā)送方/接收方的地址,因?yàn)樗且訧P 協(xié)議作為基礎(chǔ)的協(xié)議,所以IP 協(xié)議的地址也可以說(shuō)是TCP 協(xié)議的地址.在TCP 協(xié)議頭部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里,有一個(gè)新名詞叫"端口",它的用意是為了標(biāo)識(shí)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(shí)現(xiàn)TELNET 協(xié)議 等.TCP 協(xié)議的傳輸機(jī)制是比較特殊的,它首先需要兩臺(tái)主機(jī)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(shí)候還必須要對(duì)這個(gè)連接進(jìn)行關(guān)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(guān)閉連接時(shí)數(shù)據(jù)包傳送情況(由于源圖被畫了很多紅圈,沒(méi)辦法啊只能搶救成這樣,原諒LC 吧)

對(duì)于上面的數(shù)據(jù)包交換我們可以分為兩部分來(lái)分析:前三個(gè)數(shù)據(jù)包表示的意思是建立TCP 連接,后四個(gè)數(shù)據(jù)包的意思是關(guān)閉TCP 連接.

在TCP 建立連接的時(shí)候,主動(dòng)建立的一方將會(huì)發(fā)送SYN_SENT 類型的TCP 數(shù)據(jù)包到目的主機(jī),目的主機(jī)處理完成這個(gè)連接請(qǐng)求后立即返回SYN_ACK類型的TCP 數(shù)據(jù)包(編者注:無(wú)論目的主機(jī)是否愿意和它建立連接,要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)那就必須忽略防火墻等的外界影響條件),最后在主動(dòng)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(guò)程.

兩臺(tái)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束了,那就要關(guān)閉連接.當(dāng)一方主動(dòng)關(guān)閉連接時(shí),它將會(huì)發(fā)送FIN 數(shù)據(jù)包來(lái)通告對(duì)方.對(duì)方接收FIN 數(shù)據(jù)包后就會(huì)返回FIN_ACK 數(shù)據(jù)包來(lái)確認(rèn).(編者注:凡是已經(jīng)主動(dòng)發(fā)送過(guò)FIN 數(shù)據(jù)包的主機(jī)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(guān)閉了.這就是TCP 的四次握手過(guò)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(gè)言.

4.小總結(jié):

數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)搞亂了?請(qǐng)看看下圖吧..

圖十四 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

由于我們?cè)谝蕴W(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(jī)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(duì)于這個(gè)數(shù)據(jù),實(shí)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(shí)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(jié)合上圖來(lái)理解網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)(右邊)就容易了..

至于左邊的結(jié)構(gòu)圖的意思是網(wǎng)絡(luò)模型,它代表了哪個(gè)協(xié)議所在哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型層的級(jí)別.