Linux学习笔记之一（计算机网络基础）

1、计算机网络

1.1、IP地址和MAC地址

$IP$地址指的是互联网协议地址$(Internet$ $Protocol$ $Address)$，$MAC$地址指的是媒体存取控制位址$(Media$ $Access$ $Control$ $Address)$。$IP$地址是服务器分配的，而$MAC$地址则是计算机出产配置好的，具有唯一性。从通俗理解的角度，如果把电脑一看成个人，那$IP$地址就是这个人的居住地点，$MAC$地址就是这个人的名字。
无论是$IP$地址，还是$MAC$地址，都具备充当交流标识的作用。即，让参与通信的计算机或服务器，知道信息从何而来，又要到哪去。早期互联网还没发展出$IP$地址，就只能使用$MAC$地址作为交流标识。但现在$MAC$基本只用在局域网内的计算机之间相互通信，而与外界的交互基本采用$IP$地址协议。
我们现在采用的$IP$地址，通常是指$IPv4$地址，它由$4$个$8Bits$的二进制的数组成（会算换成十进制，如：$\mathrm{192.168.51.3}）$。同时它也被分为私有$IP$和公有$IP$，两种$IP$承当的任务不同。通常来说，一个公网$IP$下会衍生出许多个私网$IP$。
打个比方，私有IP记录了某一个人的居住地的门牌号，但并未交代此人所住在城市。公有IP则负责记录了这个人所居住的城市，但不记录此人具体的门牌号。因而一台计算机想访问互联网需要跟刨洋葱一样一层层的刨开，而保证这个递进过程无差错的东西便是我们接下来要讲的$NAT$协议。


对比以上两个图，由于每一个每台计算机都有自己的$MAC$地址，所以如果全部使用$MAC$地址来进行通信，那当计算机的数量激增的时候，势必导致交换机的负担过重。若使用$IP$地址则可以把无数计算机分为一个个局域网进行管理，高效且节约资源。

1.2、NAT、端口

• NAT：前文提到一台计算想要访问互联网，需要私网$IP$和公网$IP$在$NAT(NetworkAddressTranslation)$协议下的配合使用。接下来就具体介绍一些这个过程，首先我们先假设有一台家庭计算机想访问互联网，且此时这个家庭的光猫有一个公网IP。如图：
  
  那么当计算机访问互联网时，会首先把访问信息传递到家庭光猫。此时家庭光猫会为其分配一个端口，并把该计算的私有$IP$记录进一张表格中，然后再用自己的公有$IP$作为源地址（发送请求的$IP$地址）去访问互联网。同理，当互联网信息传递进来的时候，家庭光猫会根据刚刚所记录的$IP$和端口信息，把数据传回给计算机。这个过程就叫$NAT$，且用于记录端口信息、私有$IP$以及目的地址（接受请求的$IP$地址）的表格就叫$NAT$表格。
  举个例子：你（计算机）想约小红（互联网）出来，但又感到不妥。便叫了小明（光猫）以他自己的名义把小红约出来。当小明把小红约出来之后，再让小明把小红带到你身边。
• 端口(port)：上面提到当计算机要访问外界互联网时，光猫会为其分配一个端口并记录下该计算机的私有$IP$，其中的端口就是用来辨识具体是计算机中哪个应用程序发送请求的。
  举个例子：快递员通过$IP$地址，把快递送到你家，但还需要通过端口信息，才能知道是你们家中哪个人买的。

1.3、动态IP、静态IP、DHCP

• 动态$IP$指计算机的$IP$地址由光猫随机分配，一般来说计算机都是默认启用动态$IP$的，因为这不容易造成$IP$冲突。但动态IP的缺点也显而易见，每次计算机想要与其他计算机通信的时候，都得去查一遍自己的$IP$。为了避免这种情况，静态IP就应运而生。
• 静态$IP$要求光猫永远分配给计算机相同的$IP$，在许多场合，静态IP可以极大的提高通信效率。
• $DHCP(Dynamic$ $Host$ $Configuration$ $Protocol)$是一个支持动态IP的协议，同时该协议也配置了子网掩码、默认路由的$IP$以及域名服务器的$IP$地址。

1.4、子网掩码、网关地址、DNS服务器

• 子网掩码$(Netmask)$：如果想判断计算机A和计算机B是否在同一局域网内，可以用计算机$A、B$的$IP$地址和其自身的子网掩码做与（&）运算，如果它们的结果相同，则视为在同一子网中（局域网）。这样两个计算机之间的通信就不必通过网关了，且两个计算之间可以互ping。一般子网掩码都是：$\mathrm{255.255.255.0}$
• 网关$(Gateway)$：比如WiFi、光猫之类的都属于网关，它是计算机与外界连通的网络桥梁。
• $DNS$服务器$(Domain$ $Name$ $Server)$：其存在的意义是将域名解析成$IP$地址。比如$www.baidu.com$这些都属于域名，它得通过$DNS$解析成百度服务器的$IP$地址之后，计算机才能正常访问。

1.5、TCP、UDP、ftp、http

从网络传输层面（通信方式）可分为：

• TCP： TCP(Transmission Control Protocol) ，又称传输控制协议。在通信之前需要通信双方进行”三次握手四次挥手“之后才能开始通信，即确保双方准备就绪再通信，故而这种通信方式也归为可靠通信。
• UDP： UDP(User Datagram Protocol)，又称用户数据报协议。它属于不可靠协议，即发送方只管发送报文，直接报文能否被接受则一概不负责。

从网络应用层面（通信内容）可以分为：

• ftp： ftp(File Transfer Protocol)，又称文件传输协议。由此衍生协议的协议有sftp, ftps等等。它是基于TCP通信基础上的一种应用层协议，通常用来传输一些文件、文本之类的数据。比如Filezilla用的就是这一类的协议。
• http： http(Hyper Text Transfer Protocol)，又称超文本传输协议。它也是基于TCP通信基础上的应用层协议，不仅可以传输数字，还可传输静态图、动态图、视频等内容。‘

以上只是我对一些常见的协议进行笼统的分类和简单概括，事实上各种网络协议数不胜数，特别是应用层的协议更是令人眼花缭乱。

2、虚拟机的网络管理

2.1、桥接模式

桥接模式(Bridge)无论是否有网线都能建立，一般虚拟机的桥接模式无需网线，而开发板需要网线。在这种模式下，计算机相当于一个交换机，让光猫为虚拟机分配IP地址。所以此时计算机和虚拟机在网络中属于同一个层级的，即虚拟机和计算机的IP应当在同一网段，唯一特殊的是虚拟机和外界交互的数据得经过计算机中转一下。
简而言之，在桥接模式下，虚拟机把计算机当成一个数据中转站，但从$ip$的角度来看，它相当于一台独立的计算机。

2.2、NAT模式

第一小节简单介绍过NAT大概是一个数据转发协议，它允许光猫以自己的名义帮计算机去访问外界互联网。而在此处的NAT也起到同样的作用，只不过此时变成虚拟机借用计算机的名义去联网。如图，虚拟机借用计算机的名义去访问光猫，光猫再用自己的名义去访问外界互联网。
总的来说，NAT模式下的虚拟机逐渐沦为计算机的附庸。相比于桥接模式，它没能和计算享有同个层级的$ip$。

2.3、仅主机模式

仅主机模式(Host-Only)下的虚拟机无法连接互联网，它仅允许虚拟机和计算机之间的通信。相比于NAT模式，仅主机模式显然更加封闭，它将虚拟机和外界完全隔离开了。

2.4、总结

本小节介绍了虚拟机和外界通信的三种方式，分别是桥接模式、NAT模式、仅主机模式。它们三者的共通点在于虚拟机想与外界交流都必须经过计算机，区别仅在于以什么身段居于计算机之下。桥接模式下虚拟机只当计算机为数据中转站，NAT模式下虚拟机把计算机当成了对外的窗口，而仅主机模式下则完全依赖主机。
最后，虚拟机网络部分参考了这篇文章：桥接模式、NAT模式和仅主机模式