[计算机网络]网络基础

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1.网络协议

1.1协议分层

在这个例子中, 我们的协议只有两层，但是实际的网络通信会更加复杂, 需要分更多的层次。
分层最大的好处在于 “封装” 。

1.2OSI七层模型

• OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范。
• 把网络从逻辑上分为了7层. 每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机。
  OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输。
• 它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整. 通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯。

1.3TCP/IP五层模型

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。
TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

• 物理层: 负责光/电信号的传递方式。 比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层。
• 数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层。
• 网络层: 负责地址管理和路由选择。 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层.
• 传输层: 负责两台主机之间的数据传输。 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
• 应用层: 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

因为我们是学软件的，所以物理层考虑的比较少，因此很多时候也可以称为TCP/IP四层模型。

2.网络传输基本流程

2.1网络传输流程图

假设主机A给主机B发信息，这个过程是怎么样的？
比如说是两个人之间发QQ，应用层就是主机A发了在吗。
应用层加了报头以后传给传输层，传输层加了报头以后给网络层，网络层加了报头以后给链路层，然后通过以太网传输给主机B，主机B自下而上一步步解包，拿到报头，最终主机B的应用层收到了主机A发的消息在吗。

说了这么多报头，那什么是报头？
举个例子，生活中我们去拿快递，每个快递上贴有快递单，快递单里有各种信息，比如发货人，发挥地址，商品类型等。所以报头中的数据是用来指导当前层进行某种协议决策。
从OS的角度来理解报头其实就是一个结构体，而数据称为有效载荷。
几乎每一层的协议报头中，都要包含两种字段:
1.当前报文的有效载荷要交付给上层的某个协议
2.明确报头和有效载荷的边界。

2.2数据包封装和分用

• 不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在网络层叫做数据报 (datagram),在链路层叫做帧(frame)。
• 应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装(Encapsulation)。
• 首部信息中包含了一些类似于首部有多长, 载荷(payload)有多长, 上层协议是什么等信息。
• 数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部, 根据首部中的 “上层协议字段” 将数据交给对应的上层协议处理。

3.网络中的地址管理

3.1IP地址

• IP地址是在IP协议中, 用来标识网络中不同主机的地址。
• 对于IPv4来说, IP地址是一个4字节, 32位的整数。
• 我们通常也使用"点分十进制"的字符串表示IP地址,例如 192.168.0.1 。用点分割的每一个数字表示一个字节，范围是 0 - 255。

3.2MAC地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的结点。
• 长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如:08:00:27:03:fb:19)
• 在网卡出厂时就确定了, 不能修改。mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突，也有些网卡支持用户配置mac地址)

这样说可能太抽象了，看张图。

注:macB指路由器的mac地址。
我们发现实际上就是用来标识位置，方便寻找下一个结点以便数据传输。
从这张图我们还能得出一个结论，首先从主机A经层层封装到达网络层(将到目前为止封装好的资源叫做有效载荷)，网络层交给链路层进行封装，再由以太网驱动程序交给路由器时，会进行解包，此时交给路由器的就是我们刚刚所说的有效载荷，然后路由器再进行封装，交给主机B，主机B进行解包交给网络层，我们会发现主机B网络层接收到的还是有效载荷，因为从链路层经由路由器到另一台主机的链路层实际上是一个不断封装和解包的过程。所以网络层及其以上看不到底层网络的任何差异，因为路由器帮我们屏蔽了底层网络的差异，所以互联网底层最核心的协议是IP。
再举个场景来理解mac地址。

此时在一个局域网内，假设主机A要和主机G进行通信，当主机A和主机G通过WiFi进行通信时，实际上所有连接这个WiFi的主机都能接收到信息，但是其它主机接收了并不处理，而是丢包，mac地址在里边起了一个什么作用呢？
就像刚开始那张图一样，报文中会有一个src和dst，src存的就是A的mac地址，dst存的就是G的mac地址。

3.3令牌环

在一个局域网内，可能会有多台主机，但某一台主机进行通信时，其它主机都是可以接收到的，只是不相关的主机不处理数据，但那么多台主机，可能存在同一时段，多台主机都在进行数据通信，那怎么确保这个数据能准确送达，所以就有了令牌环，令牌环现在我们非常好理解，可以理解成互斥锁，拥有令牌环的主机才能进行通信。

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