网络协议 一 OSI参考模型、计算机通信基础 (集线器、网桥、交换机、路由器)

萌宅鹿网络系列 的基础上增强

目录

  • 互联网(internet)
  • 为什么要学习网络协议
  • 客户端-服务器
  • 跨平台的原理(Java、C++)
  • 网络互连模型(OSI参考模型)
  • 计算机之间的通信基础
    • 计算机之间的连接方式 - 网线直连
    • 计算机之间的连接方式 - 同轴电缆(Coaxial)
    • 计算机之间的连接方式 - 集线器(Hub)
    • 计算机之间的连接方式 - 网桥(Bridge)
    • 计算机之间的连接方式 - 交换机(Switch)
    • 计算机之间的连接方式 - 路由器(Router)

互联网(internet)

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数据是如何从一个设备传递到另一个设备的?

  • 答:网络协议

为什么要学习网络协议

互联网、移动互联网、物联网,都离不开网络协议:

  • 最常用的网络协议:HTTP
  • 为了满足各种需求,有各式各样的网络协议(HTTPS、SMTP、MQTT、RTMP等)

重点: 网络协议方面的面试题目近年来要求提高了:

  • TCP和UDP的区别?说一下它们的报文格式?
  • TCP的流量控制和和拥塞控制?TCP如何实现可靠性传输?
  • 为什么连接是3次握手,关闭是4次挥手?
  • 7层模型与4层模型的区别?每一层的作用是什么?
  • 交换机与路由器的区别?

客户端-服务器

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跨平台的原理(Java、C++)

Java跨平台的原理:
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解释型语言跨平台的原理与 Java 类似:例如 JavaScript,甚至不需要经过编译,有浏览器即可解析。


C++跨平台的原理:使用平台相关的编译器生成对应平台的可执行文件
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网络互连模型(OSI参考模型)

什么是协议?为什么要有协议?

  • 协议就是通用的标准
    • 如果没有一个国际通用的标准,那么各大公司按照自己的标准来,相互之间的交互就会很麻烦。比如我编写的代码在微软的服务器可以运行,但是要在苹果的服务器运行又需要重新编写

为了更好地促进互联网络的研究和发展,国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型 OSI 参考模型(Open System Interconnect Reference Model),具有7层结构。

实际上 OSI参考模型(7层) 更偏理论,而 TCP/IP 协议(4层) 在才是在实际中使用的协议,而为了研究和学习计算机网络,又常将之划分为 5层
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请求过程:不管什么协议都是经过下列的 包装 + 解包 的过程。
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计算机之间的通信基础

需要得知对方的IP地址 (根据IP地址可以解析得到MAC地址)

最终是根据MAC地址(网卡地址), 输送数据到网卡, 被网卡接收

  • 数据中包括源IP目标IP地址源MAC地址目标MAC地址
  • 如果网卡发现数据的目标MAC地址是自己, 就会将数据传递给上一层处理
  • 如果网卡发现数据的目标MAC地址 不是自己, 就会将数据丢弃, 不会传递给上一层进行处理

计算机之间的连接方式 - 网线直连

  • 需要用 交叉线(不是直通线)
    • 相同设备之间使用的是交叉线
    • 不同设备使用的是直通线

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ARP协议的作用:已知 IP地址,通过 广播(和自己可以Ping通的) 获取 MAC地址。(因为数据是通过网卡(MAC)来接收的, 广播要在同一个网段中才能传播)

  • ARP是有缓存的, ping命令实际就是使用的ICMP协议, 在ICMP之前会先走ARP协议(广播)来获取MAC地址
    • arp -a 来查看缓存的MAC地址

为什么右边出现3个ARP包,实际上是 一次完整的发送请求,接收响应的过程
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  • ping命令使用的是ICMP协议,前提是需要知道对方的ip地址,最终是根据MAC地址输送数据到网卡,被网卡接收。
  • 当不知道对方MAC地址时,使用ARP协议,进行广播
  • 广播只在同一个网段中传播,目的是获取MAC地址,给所有连接设备发广播,询问对应ip地址下的MAC地址
  • ARP协议的广播中,目标MAC地址FFFF.FFFF.FFFF。即16进制MAC地址,换算二进制全是1
  • 全是1的MAC地址,代表广播,表示在同一个网段的所有连接设备都能接收 (ping通)。
    网络协议 一 OSI参考模型、计算机通信基础 (集线器、网桥、交换机、路由器)_第1张图片
  • ARP协议是有缓存的,当下次在ping的时候,就不需要再去获取ip地址了,而是直接执行ICMP协议。

计算机之间的连接方式 - 同轴电缆(Coaxial)

缺点:

  • 半双工通信 : 同一时刻只能发送或者接收数据(不能同时接收, 同时发送)

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  • 半双工通信
    • 同一时间,单向通信
  • 容易冲突
    • 电缆两个方向同时有数据汇入时,会发生冲突。
  • 不安全
    • 数据不会单向走入对应的计算机,而是向所有设备发送数据。
  • 中间断了, 整个就瘫了
    • 失去了终止电阻

注意:同轴电缆只要有一个地方线断了,整个线路都瘫痪了。

计算机之间的连接方式 - 集线器(Hub)

  • 相当于同轴电缆的升级版。

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集线器相比同轴电缆唯一的优点就是:哪怕连着集线器的某一个设备中间线路出问题,不会影响到连着集线器的其他设备。

  • 缺点: 获取MAC地址的时候, 会给相同网段的所有设备都发ARP协议(造成广播风暴), 获取MAC, 通过ICMP发送数据包也会给所有的设备发送, 这样会占用 带宽

计算机之间的连接方式 - 网桥(Bridge)

将 多个集线器 通过 网桥 连接

能够通过自学习得知每个结构那侧的MAC地址,从而起到隔绝冲突域的作用。

  • 通过MAC地址表

  • 当数据通过网桥MAC地址表确定目标MAC地址不在另一侧时,就不会继续向另一侧发送数据了。

  • 如果左右两侧数据可以被网桥分隔,那么左右两侧可以同时进行通信。
    在这里插入图片描述

  • 所谓 隔绝冲突域 是通过:记录设备的MAC地址在左还是在右

  • 例如,6向7发数据包,

    • 当6发出请求ARP广播时,网桥会记录6的MAC地址在左;
    • 当7发出响应ARP广播时,网桥会记录7的MAC地址在左。

当 6 给 7 发送数据包的时候, 网桥会判断7的MAC地址在网桥的左边, 所以就不会去网桥的右边进行寻找. 在这里插入图片描述

计算机之间的连接方式 - 交换机(Switch)

隔绝冲突域

  • 集线器 + 网桥 的功能 = 交换机

  • 交换机直接连接计算机, 每个接口都记录了计算机的MAC地址 (第一次还是通过广播, 交换机学习到同一网段中所有计算机的MAC地址)

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若全球所有设备都用交换机连接会发生什么?

  • 1、他们必然处于同一网段,因此 IP地址可能会不够用
  • 2、即使使用交换机,第一次发送数据包仍然需要ARP广播,耗费大量时间。
  • 3、形成ARP广播风暴,只要有一个设备发送ARP广播,全球设备都能收到

计算机之间的连接方式 - 路由器(Router)

跨网段通信, 连接不同网段的计算机

主机在发数据之前,首先会判断目标主机的IP地址跟它是否在同一个网段:

  1. 在同一个网段:ARP广播、通过 交换机/集线器 传递数据
  2. 不在同一个网段:通过路由器转发数据

网线直连、同轴电缆、集线器、网桥、交换机

同一个网段, 才能形成一个 广播域

  • 连接的设备必须在 同一网段
  • 连接的设备处在 同一广播域

路由器

  • 可以在不同网段之间转发数据 (同一网段中的计算机, 使用交换机, 不能使用路由器)
  • 隔绝广播域

不同网段如何通信

  • 主机发数据之前先判断目标IP地址与主机是否在相同网段
    • 在同一个网段,发送ARP,通过交换机集线器传递数据。
    • 不在同一个网段
      • 主机先发送ARP到路由器网关,确定网关MAC地址(路由器网关要和发送主机在同一网段)。
      • 主机发送数据给网关网关再决定出口是哪个网关
      • 出口网关发送ARP,以确认接收方MAC地址
      • 最后出口网关将数据发送给接收方。

每个交换机组成的计算机通信, 相当于一个局域网。多个局域网(不同网段)之间通信使用网关, 路由器中包含了网关, 所以一般通过路由器来解决不同网段之间通信, (网关接口要和不同的局域网中的ip地址要在同一网段)
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上图流程 : 比如 192.168.3.10 给 192.168.4.11 发数据, 因为此时是不同网段所以通信要使用路由器

  • 同一网段通信, 3.10首先发送到交换机0, 通过ARP广播, 会广播到3.11, 但是不会通过路由器(因为路由器会根据目标ip来判断)
  • 不同网段通信, 3.10发送到交换机0, 通过ARP广播, 广播到路由器的4.1网关端口, 然后该网关再发送给交换机1, 通过ARP广播来获取4.11的MAC地址; 然后进行数据的传输

总结

  • 网线直连, 同轴电缆, 集线器, 网桥, 交换机
    • 连接的设备必须在同一网段
    • 连接的设备处在同一广播域
  • 路由器
    • 可以在不同网段之间转发数据
    • 隔绝广播域
      • 不同网段之间的广播是发不过去的
  • 主机发数据之前, 首先会判断目标主机的ip地址跟它是否在同一个网段
    • 在同一个网段: ARP
    • 不在同一个网段: 通过路由器转发数据

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