Linux应用编程和网络编程（10）------- 网络的基础知识

---

一，有关网络设备的功能简单介绍

1、网卡
(1)计算机上网必备硬件设备，CPU靠网卡来连接外部网络
(2)串转并设备
(3)数据帧封包和拆包
(4)网络数据缓存和速率适配

2、集线器（HUB）
(1)信号中继放大，相当于中继器
(2)组成局域网络，用广播方式工作。
(3)注意集线器是不能用来连接外网的

3、交换机
(1)包含集线器功能，但更高级
(2)交换机中有地址表，数据包查表后直达目的通信口而不是广播
(3)找不到目的口时广播并学习

4、路由器
(1)路由器是局域网和外部网络通信的出入口
(2)路由器将整个internet划分成一个个的局域网，却又互相联通。
(3)路由器对内管理子网（局域网），可以在路由器中设置子网的网段，设置有线端口的IP地址，设置dhcp功能等，因此局域网的IP地址是路由器决定的。
(4)路由器对外实现联网，联网方式取决于外部网络（如ADSL拨号上网、宽带帐号、局域网等）。这时候路由器又相当于是更高层级网络的其中一个节点而已。
(5)所以路由器相当于有2个网卡，一个对内做网关、一个对外做节点。
(6)路由器的主要功能是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳路径（路由）并转发出去。其实就是局域网内电脑要发到外网的数据包，和外网回复给局域网内电脑的数据包。
(7)路由器技术是网络中最重要技术，决定了网络的稳定性和速度。

---

二，网络有关的词：DNS，DHCP，NAT解释

1、DNS（Domain Name Service 域名服务）
(1)网络世界的门牌号：IP地址
(2)IP地址的缺点：难记、不直观
(3)IP地址的替代品：域名，譬如www.baidu.com。
(4)DNS服务器就是专门提供域名和IP地址之间的转换的服务的，因此域名要购买的。
(5)我们访问一个网站的流程是：先使用IP地址（譬如谷歌的DNS服务器IP地址为8.8.8.8）访问DNS服务器（DNS服务器不能是域名，只能是直接的IP地址），DNS服务器会在它建立的映射表上查询我们要访问的域名的IP地址，然后再使用该IP地址访问我们真正要访问的网站。这个过程被浏览器封装屏蔽，其中使用的就是DNS协议。
(6)浏览器需要DNS服务，而QQ这样的客户端却不需要（因为QQ软件编程时已经知道了腾讯的服务器的IP地址，因此可以直接IP方式访问服务器）。

2、DHCP（dynamic host configuration protocl，动态主机配置协议）
(1)每台计算机都需要一个IP地址，且局域网内各电脑IP地址不能重复，否则会地址冲突；不同局域网内的电脑IP地址可以相同。
(2)计算机的IP地址可以静态设定，也可以动态分配
(3)动态分配是局域网内的DHCP服务器来协调的，很多设备都能提供DHCP功能，譬如路由器。
(4)动态分配的优势：方便接入和断开、有限的IP地址得到充分利用。

3、NAT（network address translation，网络地址转换协议）
(1)IP地址分为公网IP（internet范围内唯一的IP地址）和私网IP（内网IP），局域网内的电脑使用的都是私网IP（常用的就是192.168.1.xx）

(2)网络通信的数据包中包含有目的地址的IP地址
这里以获取百度某张图片为例：首先子网中的某台设备的IP地址为192.168.1.1，它所连接的路由器的IP地址为172.1.1.1，那么设备想要从百度获取一张图片，一定是要向百度网站发送一个请求命令，这个命令就是一个数据，那么在发送前网卡会将数据进行打包（包头、数据、包尾），其中包头保存了公网IP（路由器）和私网IP（设备）和目的地IP（百度服务器），然后通过路由器规划路径后发送到百度的服务器上，服务器进行数据的解析，得知是要获取某张图片，于是将图片数据进行打包（仍然是3部分），其中包头中的目的地址和本地地址取反（发送地变为接收地，接收地变为发送地），将图片发送回网卡，路由器进行判断，知道该图片应该发送给192.168.1.1对应的设备，最终该设备收到了图片。

(3)当局域网中的主机要发送数据包给外网时，路由器要负责将数据包头中的局域网主机的内网IP替换为当前局域网的对外外网IP这个过程就叫NAT。
(4)NAT的作用是缓解IPv4的IP地址不够用问题，但只是类似于打补丁的形式，最终的解决方案还是要靠IPv6。

(5)NAT穿透简介
P2P下载方式叫做一种穿透，服务器作为中介，让两台连接局域网设备相连的技术叫做穿透。
这里以迅雷下载为例：假设我要下载一部电影（局域网A的设备1），如果从百度上下载这部电影时，需要前一个例子那样，走很长一段距离才能到达百度服务器，这无疑会浪费很多时间。但是P2P下载方式为我们提供了一种点对点的方式下载，也就是如果这部电影在另外一台设备上有（局域网B的设备1），同时我的设备和那台设备都连接了迅雷服务器，那么迅雷服务器会为我们两个局域网之间构成了一条通路（本来两个局域网互相不知道IP是无法进行连接的，但是如果2台设备都连接到了迅雷服务器，那么迅雷服务器会自动安排一种连接通道），这样我就可以直接到那台设备上下载电影。通过缩短了距离来提高了下载速度。如果同时有100台设备上都有这部电影，那么我的设备就与这100台设备都构成了通路，从而实现了一种并行下载，极大程度地提高了下载速度。这就好像本来两个局域网之间有一堵墙隔着，P2P的下载方式穿透了这堵墙，所以称为NAT穿透。

---

三，IP地址基础

1、IP地址的组成分析

(1)IP地址实际是一个32位二进制构成，在网络通信数据包中就是32位二进制，而在人机交互中使用点分十进制方式显示。

二进制方式	0xffffffff	0xC0A80166/0x6601A8C0
点分十进制方式	255.255.255.255	192.168.1.102

(2)IP地址中32位实际包含2部分，分别为：网络地址和主机地址。子网掩码，用来说明网络地址和主机地址各自占多少位。

IP地址 = 网络地址 + 主机地址；网络地址用来表示子网，主机地址是用来表示子网中的具体某一台主机的。

譬如可以8位表示网络，24位表示主机
也可以16位表示网络，16位表示主机
14为表示网络，18位表示主机

子网掩码为255.255.255.0时表示前24位为网络地址，后8位为主机地址
子网掩码为255.255.0.0时表示前16位为网络地址，后16位为主机地址

网络地址决定了这种网络中一定可以有多少个网络，譬如子网掩码为255.255.255.0时表示我们这一种网络一共最多可以有2的24次方个，每个这种网络中可以有2的8次方个主机。

2、如何判断2个IP地址是否在同一子网内

(1)网络标识 = IP地址 & 子网掩码
(2)2个IP地址的网络标识一样，那么就处于同一网络。

192.168.1.102 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
192.168.1.253 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

192.168.1.4和192.168.12.5，如果子网掩码是255.255.255.0那么不在同一网段，如果子网掩码是255.255.0.0那么就在同一个网段

---

四，OSI 7层网络模型

1、OSI的来源
OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互联。 一般都叫OSI参考模型，是ISO（国际标准化组织）组织在1985年研究的网络互连模型。
ISO为了更好的使网络应用更为普及，推出了OSI参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范，就能互联了。

2、OSI七层模型的划分
OSI定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），即ISO开放互连系统参考模型。如下图。
每一层实现各自的功能和协议，并完成与相邻层的接口通信。OSI的服务定义详细说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服务是怎么实现的无关。

3、各层功能定义
这里我们只对OSI各层进行功能上的大概阐述，不详细深究，因为每一层实际都是一个复杂的层。后面我也会根据个人方向展开部分层的深入学习。这里我们就大概了解一下。我们从最顶层——应用层 开始介绍。整个过程以公司A和公司B的一次商业报价单发送为例子进行讲解。

---

<1> 应用层
OSI参考模型中最靠近用户的一层，是为计算机用户提供应用接口，也为用户直接提供各种网络服务。我们常见应用层的网络服务协议有：HTTP，HTTPS，FTP，POP3、SMTP等。
实际公司A的老板就是我们所述的用户，而他要发送的商业报价单，就是应用层提供的一种网络服务，当然，老板也可以选择其他服务，比如说，发一份商业合同，发一份询价单，等等。

---

<2> 表示层
表示层提供各种用于应用层数据的编码和转换功能,确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据格式转换成通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。
由于公司A和公司B是不同国家的公司，他们之间的商定统一用英语作为交流的语言，所以此时表示层（公司的文秘），就是将应用层的传递信息转翻译成英语。同时为了防止别的公司看到，公司A的人也会对这份报价单做一些加密的处理。这就是表示的作用，将应用层的数据转换翻译等。

---

<3> 会话层
会话层就是负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。
会话层的同事拿到表示层的同事转换后资料，（会话层的同事类似公司的外联部），会话层的同事那里可能会掌握本公司与其他好多公司的联系方式，这里公司就是实际传递过程中的实体。他们要管理本公司与外界好多公司的联系会话。当接收到表示层的数据后，会话层将会建立并记录本次会话，他首先要找到公司B的地址信息，然后将整份资料放进信封，并写上地址和联系方式。准备将资料寄出。等到确定公司B接收到此份报价单后，此次会话就算结束了，外联部的同事就会终止此次会话

---

<4> 传输层
传输层建立了主机端到端的链接，传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。我们通常说的，TCP UDP就是在这一层。端口号既是这里的“端”。
传输层就相当于公司中的负责快递邮件收发的人，公司自己的投递员，他们负责将上一层的要寄出的资料投递到快递公司或邮局。

---

<5> 网络层
本层通过IP寻址来建立两个节点之间的连接，为源端的运输层送来的分组，选择合适的路由和交换节点，正确无误地按照地址传送给目的端的运输层。就是通常说的IP层。这一层就是我们经常说的IP协议层。IP协议是Internet的基础。
网络层就相当于快递公司庞大的快递网络，全国不同的集散中心，比如说，从深圳发往北京的顺丰快递（陆运为例啊，空运好像直接就飞到北京了），首先要到顺丰的深圳集散中心，从深圳集散中心再送到武汉集散中心，从武汉集散中心再寄到北京顺义集散中心。这个每个集散中心，就相当于网络中的一个IP节点。

---

<6> 数据链路层
将比特组合成字节,再将字节组合成帧,使用链路层地址 (以太网使用MAC地址)来访问介质,并进行差错检测。
数据链路层又分为2个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。
MAC子层处理CSMA/CD算法、数据出错校验、成帧等；LLC子层定义了一些字段使上次协议能共享数据链路层。 在实际使用中，LLC子层并非必需的。

---

<7> 物理层
实际最终信号的传输是通过物理层实现的。通过物理介质传输比特流。规定了电平、速度和电缆针脚。常用设备有（各种物理设备）集线器、中继器、调制解调器、网线、双绞线、同轴电缆。这些都是物理层的传输介质。
快递寄送过程中的交通工具，就相当于我们的物理层，例如汽车，火车，飞机，船。

4、通信特点：对等通信
对等通信，为了使数据分组从源传送到目的地，源端OSI模型的每一层都必须与目的端的对等层进行通信，这种通信方式称为对等层通信。在每一层通信过程中，使用本层自己协议进行通信。