Linux—网络基础 (上)

目录

计算机网络背景

网络发展

认识 "协议"

网络协议初识

协议分层

 OSI七层模型

 TCP/IP五层(或四层)模型

网络传输基本流程

协议报头

局域网通信

网络传输流程图

局域网通信图

跨网络通信图

数据包封装和分用

网络中的地址管理

认识IP地址

认识MAC地址

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计算机网络背景

网络发展

独立模式:计算机最开始被创造出来时，计算机之间是相互独立的;

网络互联: 由于现实需求，需要多台计算机连接在一起, 完成数据共享； 

局域网LAN: 计算机数量更多了, 通过交换机和路由器连接在一起; 

广域网WAN: 将远隔千里的计算机都连在一起; 

所谓 "局域网" 和 "广域网" 只是一个相对的概念。

认识 "协议"

"协议" 是一种约定。

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号。通过 "频率" 和 "强弱" 来表示 0 和 1 这样的信息。 要想传递各种不同的信息, 就需要约定好双方的数据格式。

计算机生产厂商有很多；计算机操作系统也有很多；计算机网络硬件设备, 还是有很多；

如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信? 此时就需要有人站出来, 约定一个共同的标准,大家都来遵守, 这就是 网络协议;

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网络协议初识

协议分层

我们变更某一层的协议时，不需要再对其他层的协议也进行修改。

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" 。

如何理解分层？

1. 软件设计方面的优势，在设计的时候每个独立的功能都分开——低耦合

2. 分层的依据：像功能比较集中，耦合度比较高的模块，已经无法再拆分了，我们把它看作一层——高内聚

3. 每一层都要解决特定的问题。

网络传输需要解决的四个问题

 

 OSI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；但是, 它既复杂又不实用; 所以我们按照TCP/IP四层模型来讲解。

 TCP/IP五层(或四层)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. 我们的网络编程主要就是针对应用层。

 物理层我们考虑的比较少. 因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型。

一般而言
对于一台主机, 它的操作系统内核实现了从传输层到网络层的内容;
对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层;
对于一台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;
对于集线器, 它只实现了物理层;
但是并不绝对. 很多交换机也实现了网络层的转发; 很多路由器也实现了部分传输层的内容(比如端口转发);

网络传输基本流程

协议报头

1. 协议每一层都有，而每一个协议的最终表现是协议都要有报头；
2. 协议通常是通过协议报头来表达的；
3.  每一份数据在最终被发送或者在不同的协议层中，都要有自己的报头。

比如我们网购一个洗面奶，商家会通过快递发送给我们，商家发快递和我们收快递这就是一层协议。但是我们收到快递时往往不只有洗面奶，还会有快递盒子和单号，这个快递单号就相当于是报头，这个报头其实并不是给我们看的，而是给快递员看的，通过报头把这个商品送到对应的地方。

局域网通信

1. 局域网中两台主机是可以直接通信的
2. 局域网通信的原理：每一台主机都有自己的名字，每一台主机都有网卡，每一张网卡都有自己的地址->MAC地址，该地址表示自己在局域网中的唯一性。

 主机a向主机d发送消息时，局域网的所有主机都可以收到消息，只是通过对比后发现不是给自己的消息会直接忽略。

• 多个主机在同一时刻发送数据，可能会造成数据碰撞问题。
• 每个主机应该有避免碰撞问题的算法。
• 每个主机应该有检测碰撞的能力
• 局域网中的网络，站在系统的角度看就是一份共享资源

以太网和令牌环网的区别之一就在于检测碰撞的方法上：

以太网：

• 主机向网络中发送消息时，自己也会从中收到一份，通过对比来判断是否发生了碰撞，如果发生碰撞就重新发送一份。

令牌环网：

• 网络中只有一个主机持有令牌，持有令牌的主机才能发消息到网络中。（类似互斥锁）

无线LAN：

• 是以太网的一种变种，应用并没有以太网广泛。

网络传输流程图

局域网通信图

同一个网段内的两台主机进行文件传输。

 在网络协议中，我们可以认为同层协议在直接通信，也可以理解为向下交付，这是两种不同的认知。

跨网络通信图

跨网段的主机的文件传输. 数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器.

一个数据至少需要横跨两个网络，才能实现数据报跨网络转发，也就是说路由器至少要横跨两个网络，那么路由器必须要有两个网络接口才行。

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。

下图为数据封装的过程

下图为数据解包分用的过程
 

网络中的地址管理

认识IP地址

IP协议有两个版本, IPv4和IPv6。

• 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;

IP地址相当于是终极目标，我们的数据发送给别人，是通过对方的IP确定方向和目标，从而进行路径的选择，最终到达目的地。

认识MAC地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
• 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)。

MAC地址相当于是阶段性的目标，数据从初始节点开始，通过一个个的中间节点最终到达目标节点，不断地将目标节点的地址映射到一个个中间节点的MAC地址，再从一个个中间节点出发，直到找到最终的目标节点。