读书笔记：计算机网络基本概念

0.网络

    网络就是若干计算机主机或者其他接口设备，通过网线或者无线网络技术连接起来，使得数据得以通过网络介质（网线以及其他网卡等硬件）来传输的一种方式。网络硬件和软件非常多，经IEEE和ISO标准规范的是以太网（Ethernet）和因特网（Internet）。

1.计算机网络组成组件

• 节点（node）：具有网络地址（IP）的设备的统称，如一般PC、服务器主机、ADSL调制解调器和网络打印机。
• 服务器（server）：提供数据以响应给用户的网络节点。
• 客户端（client）或工作站（workstation）：发起连接去请求数据的网络节点。
• 网卡（Network Interface Card，NIC）：网络连接硬件设备，一般节点上都具有一个以上的网卡来实现网络连接。
• 网络接口：网络连接软件实现，主要任务是提供网络地址（IP），每张网卡可以搭配一个以上的网络接口，每部机器拥有一个内部网络接口loopback（lo）循环测试。
• 网络拓扑（topology）：各个节点在网络上的（物理）连接方式。
• 网关（gateway）：具有两个以上的网络接口，连接两个以上不同网段的设备，如IP路由器。

2.计算机网络范围

     局域网（Local Area Network，LAN）和广域网（Wide Area Network，WAN），以数据传输距离定义，可以使用“速度”作为一个网络区域范围的评价标准。

3.计算机网络协议：OSI七层协议

     OSI（Open System Interconnection）七层协议将整个网络连接过程分成七个层次（layer），每个层次都有特定的独立的功能，越接近硬件的层次为底层（layer 1），越接近应用程序的层次为高层（layer 7），不论是接收端还是发送端，每一层都只认识对方的同一层次的数据。数据传送时，发送端通过应用程序将数据放入第七层的包裹，再将第七层的包裹放到第六层的包裹内，依序一直放到第一层的包裹内，然后传送给接收端；接收端从接收的第一个包裹开始，依序将每个包裹拆开，然后一个一个地交给对应负责的层次来查看。每层的包裹都有自己独特的头部信息（header），记录包裹来自哪里、要去哪里、接受者是谁等，包裹里面才是真正的数据。其中第二层（Data-Link Layer）比较特殊，位于软件包（packet）和硬件数据帧（frame）之间，需要将软件包装的包裹放入到硬件能够处理的包裹中。

• 物理层（Physical Layer）

     定义传输设备电压信号，数据帧（MAC frame）编码为比特流，连接实际传输介质发送/接收比特信号。

• 数据链路层（Data-Link Layer）

     特殊的一层，其下层是实体的定义，上层是软件封装的定义，因此分为两个子层进行数据转换操作。硬件部分MAC（Media Access Control），获取网络介质，接收和发送MAC frame；软件部分LLC（Logical Link Control），多任务处理来自上层的数据包（packet）并转换成MAC格式。

• 网络层（Network Layer）

     定义IP（Internet Protocol）和路由（route）数据包：计算机之间连接的建立、维持与终止，选择packet的传输路径。

• 传输层（Transport Layer）

     定义发送端与接收端的连接技术 （TCP、UDP），包括该技术的数据包格式、数据包的发送接收、流程控制、传输过程的侦测检查与重新发送。

• 会话层（Session Layer）

     定义两个地址之间连接信道的连接与中断，建立应用程序之间的会话。

• 表示层（Presentation Layer）

     定义应用程序数据格式与网络标准格式的转换，加密解密。

• 应用层（Application Layer）

     定义应用程序进入应用层的接口，接收和发送数据给应用程序。

4.计算机网络协议：TCP/IP

     TCP/IP协议将OSI七层协议简化为四层：

• 网络接口层（OSI的物理层和数据链路层）；
• 网络层；
• 传输层；
• 应用层（OSI的会话层、表示层和应用层）。

5.TCP/IP网络接口层的以太网传输协议：CSMA/CD

     Ethernet的传输主要是NIC到NIC之间的数据传输，使用载波监听多路访问技术（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）。

• 监听介质使用情况（Carrier Sense）：发送端发送数据包前需要先对网络介质进行监听，确定没有被占用后，才能够发送出数据帧。
• 多点传输（Multiple Access）：发送端发送的数据会被集线器（Hub）复制一份然后发送给所有连接到此Hub的计算机，接收端会将此数据帧抓下来处理，其他主机会丢弃。
• 冲突检测（Collision Detection）：数据帧附有检测能力，其他主机刚好在同一时间发送数据帧时，产生数据冲突，此时这些数据帧会被损毁，两个发送端需要随机等待一个时间，重新执行传输。
  

     CSMA/CD发送的数据为MAC frame。MAC frame上有目标和来源网卡卡号（Hardware Address，硬件地址），因此网卡卡号简称为MAC地址。每一张网卡都有一个6bytes大小的独一无二的卡号，从00:00:00:00:00:00到FF:FF:FF:FF:FF:FF（十六进制）。这6bytes中，前3bytes为厂商代码；后3bytes为厂商自定义配置码。MAC frame是网络硬件上传送数据的最小单位。如果网线是“一次仅可通过一个人”的独木桥，MAC frame就是独木桥上行走的人。

     MAC的传送仅能在局域网LAN内生效，MAC不能Router。

     标准Ethernet所能传送的最大frame为1500bytes，这个数值称为最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）。

     在CSMA/CD下，使用Hub会产生传输冲突，因为Hub是网络共享设备。使用交换器（Switch）可以避免这种情况。Switch里面有一个特别的内存，记录每个Switch port与其连接的节点的MAC地址，当来自Switch两端的计算机要互传数据时，每个frame直接通过Switch的内存传送到目标主机。Switch不是共享设备，每个port都具有独立的带宽。8蕊网线被实际使用的两对中，一对用于发送，另一对用于接收，以实现全双工（full-duplex）。Hub不支持全双工，而支持full-duplex的Switch设备，其两端的计算机可以达到全双工。

6.TCP/IP网络层

     Ethernet是目前最常见的网络硬件接口，包括网线、网卡以及Hub/Switch等，Ethernet传输使用网卡卡号为标准的MAC frame，配合CSMA/CD标准传送数据帧；Internet是软件部分，是TCP/IP通信协议的通称。TCP/IP网络层主要是IP与路由。IP是一种网络数据包封装，可以达到65535bytes，操作系统会对IP packet拆解来适应MAC的大小。每个IP packet包含若干行头数据，每行32bits。

• Time TO Live（TTL，生存时间）

     IP packet的生存时间，范围为0~255。IP packet每通过一个Router时TTL就会减1，当TTL为0时，这个数据包就会被丢弃。

• Protocol Number（协议代码）

     记录packet内的数据是什么，其代码与指代数据包协议名称如下。

1 → ICMP（Internet Control Message Protocol）

2 → IGMP（Internet Group Management Protocol）

3 → GGP（Gateway-to-Gateway Protocol）

4 → IP（IP in IP encapsulation）

6 → TCP（Transmission Control Protocol）

8 → EGP（Exterior Gateway Protocol）

17 → UDP（User Datagram Protocol）

• Source Address（来源IP地址）
• Destination Address（目标IP地址）
  

     IP packet头数据里面最重要的信息就是32位的来源和目标IP网络地址。IP地址由32bits的数值组成，即32个0和1组成的一连串数字。为了顺应人们对十进制的依赖性，每8bits分成一段，换算成十进制，共分为四个小段，段与段之间以小数点隔开。

     所以IP最小可以由0.0.0.0一直到255.255.255.255。IP地址还可以细分为Net_ID（网络ID）和Host_ID（主机ID）两部分。同一个网络（网段）的定义即指在同一个物理网段内，主机IP具有相同的Net_ID，而具有唯一的Host_ID，这些IP群就是同一个网络内的IP网段，一共256个。在同一网段内，Host_ID在二进制表示法中不能同时为0也不能同时为1，全为0表示整个网段（Network IP），而全为1则表示广播地址（Broadcast IP）。

     Internet IP有两种版本，一种是目前使用的IPv4（Internet Protocol version 4），记录的地址32位；另一种是前瞻的IPv6，可以记录128位地址。IPv4有两种类别，Public IP（公共IP）和Private IP（私有IP），前者用于连接Internet，后者应用于局域网。DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自动获取网络参数。

     为了IP管理和发放注册的方便性，整个IP网段分为五个等级（class），其32bits二进制数值的开头分别为0、10、110、1110和1111。

     将Host_ID位用作Net_ID位，子网（Subnet）还可以继续划分为更小的Subnet，这通过子网掩码（Netmask）这个网络参数定义。netmask也是32位，所有的Net_ID位值都为1，Host_ID位值都为0。

     网络细分太严重会使得路由信息过于庞大导致网络效能不佳。相反地，某些情况下，反而将Net_ID位借来用作Host_ID，合并多个网络为一个。这种借助Netmask规范打破原本IP等级的方式称为无类别域间路由（Classless Interdomain Routing，CIDR）。通过Network和Netmask就可以定义网络内的所有IP，Broadcast可以根据Netmask推算出来。所以，常以Network和Netmask来表示一个网络。

     相同的网段内可以通过Broadcast来传输数据，跨网络数据传输就涉及到IP的路径选择（routing）。网关/路由器（Gateway/Router）负责不同网络间数据包的转递（IP Forwarding）。Router具有IP Forwarding的功能，管理路由的能力，可以将来自不同网络之间的packet进行转递。每一台主机都有自己的路由表（Route table），数据的传递以此为依据进行传送。Linux下可以通过route命令查看主机的路由表，其第一栏为目的地网络，最后一栏是要去到这个目的地要使用哪一个网络接口。如果要传输的packet目的地IP不在路由规则里面，数据包就会被传送到“default”。几乎每一台主机都会有一个Default Gateway来负责非网络内的packet传输。

     Internet实际上还是通过Ethernet传递数据的，Internet IP与Ethernet MAC之间的关联，就是网络地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）以及反向网络地址解析协议（Reverse ARP）。当需要了解某个IP配置于哪张以太网卡上时，主机会对整个网络发送出ARP数据包，对方收到ARP数据包后就会返回它的MAC，主机就会知道对方的网卡，就下来就能够开始数据传输了。如果每次数据传输前都走一遍ARP协议是非常麻烦的。因此，使用ARP协议获取目标IP与其网卡卡号后，就会记录到主机的ARP table中，缓存20分钟。

     因特网信息控制协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）是一个错误检测与报告的机制，最大的功能就是可以确保网络连接与连接状态的正确性。ICMP数据包并不是独立存在的，同样是通过IP packet进行数据传送的。常用的网络状态检查命令ping和traceroute就是利用ICMP packet。

7.TCP/IP传输层

     网络层的IP packet只负责将数据送到正确的目标主机，但这个packet会不会被接受以及有没有正确的接收，就不是IP的任务了，这是传输层的任务之一。传输层主要包括两种数据包，一种是面向连接的TCP packet，另一种是无连接的UDP packet。其中最常见的是TCP数据包，TCP packet需要放到IP packet中。TCP也有头数据记录数据包的相关信息。

• Code（Control Flag，控制标志码）

大小为6bits，分别代表6个状态位句柄。

①URG（Urgent）：若为1代表该packet为紧急数据包。

②ACK（Acknowledge）：若为1代表该packet为响应数据包。

③PSH（Push function）：若为1代表要求对方立即传送缓冲区内的其他对应数据包，而无需等待缓冲区用满。

④RST（Reset）：若为1表示连接会马上结束而无需等待终止确认，即这是个强制结束的连接，发送端已断线。

⑤SYN（Synchronous）：若为1表示发送端希望双方建立同步处理，“主动”连接对方。

⑥FIN（Finish）：若为1表示传送结束，通知对方数据传毕是否同意断线，发送者还在等待对方响应。

• Source Port（源端口）
• Destination Port（目标端口）
  

     TCP头信息中，最重要的就是一对16位的来源与目标端口。因为是16bits，所以端口最大可达65535。为了方便和规范端口使用，Internet规定了一些特权端口（Privileged Port），启动者的身份必须要是root。这些port通常小于1024。Linux环境下，各网络服务与port number的对应默认写在/etc/services文件内。

     由于网络是双向的，要达成连接需要服务器和客户端均提供IP与port才行，这个成对的数据称为Socket pair，网络寻址常常使用“IP:Port”。TCP是可靠的数据传输协议，主要的实现机制被称为“TCP三次握手”（Three-way handshake），不论是服务器还是客户端，都必须通过一次SYN和ACK来建立连接。

     UDP不提供可靠的数据传输模式，它不考虑连接请求、连接终止和流量控制，不是面向连接的机制。在UDP传输过程中，接收端在接收到数据后，不会回复响应数据包给发送端。TCP packet的确是比较可靠的，因为通过三次握手。正因如此，TCP的传输速度会比较慢。UDP不需要ACK，头数据较少，packet里面可以填入更多的数据。UDP比较适合需要实时反应的一些数据流。

8.连接Internet

     Internet使用TCP/IP通信协议，使用Public IP可以连接Internet。原始的32位IP即便转换成4小段的十进制数字，还是不方便记忆使用。好在计算机都有自己的主机名称，将主机名称与它的IP对应起来，要连接上该计算机，只要知道它的主机名称就可以了。主机名称（Host Name）对应IP地址的系统，即域名系统（Domain Name System，DNS）。即DNS最大的功能就是进行“主机名称与主机IP的解析”的一项协议。计算机要向DNS服务器查询Host Name对应的IP信息，就需要设置DNS主机的IP，以连接DNS服务器发送域名解析请求。Linux环境下，DNS服务器的IP设定是在/etc/resolv.conf文件。

     一台主机如果要使用网络，必须要有IP。在IP的设置中，必须要有Network、Broadcast、Netmask等参数。跨网段传送数据包，还需要考虑路由里面的Default Gateway。为了主机名与IP的对应，还需要给系统添加一个DNS服务器的IP。所以，一组完整的网络设置包括以下参数。

• IP
• Netmask
• Network
• Broadcast
• Gateway
• DNS
  

内容整理自：

《鸟哥的Linux私房菜-服务器架设篇》（https://book.douban.com/subject/10794788/）

《Computer Networking A Top-Down Approach》（https://book.douban.com/subject/10573157/）