计算机网络基础1
小小的自我感动时刻
经历过操作系统部分的拷打后，终于来到了计算机网络部分。网络虽然我们每天都在用，但是或许是因为太过于常见，而导致使用起来觉得很理所当然，深究其原理却又摸不着头脑，笔者从今天开始记录在学习计算机网络的过程中，一些重要的知识笔记和代码。尽可能有条理的分享我学到的知识。
计算机网络背景
在没有网络的时候，一台机器无法和其他机器进行联系，因此代码文件这种东西只能先通过一些像U盘光碟这样的东西储存起来，然后再给另一台机器使用，这样的效率太低下了。
随后出现了局域网，可以将几台机器进行连接
局域网越来越多，然后就出现了广域网
但是局域网和广域网其实只是一个相对的概念，比如我们国内的广域网其实就可以看作一个很大的局域网。
初始网络协议
为什么要有协议？
刚学网络可能对协议分层感到很抽象，举个例子，协议也就是约定。我们日常中想朋友进行交流，分享我们各自的信息，我们都说的是汉语，朋友能理解我说的汉语并提取信息，朋友对我也是如此，这其实就可以把汉语看作一种协议。
对于两台机器进行通信也是如此，我们需要先规定好双方的数据格式，这样才能理解对方发过来的信号的含义， 对于发送放也是如此。
协议分层
为什么要分层？
比如我们小时候用座机打电话
从逻辑层面上来 ，我们跟朋友用汉语直接进行信息交流，而座机是用信号来传递信息的。
因此从物理层面上来说，我们打电话的时候，我们的座机首先将我们说的话转化成了电信号这些，经过座机的处理后，再将处理好的信号依据座机之间的协议传给了对方的座机，然后这个座机处理好信号后，再播放给朋友。至此就完成一个通话流程。
在这个例子中，我们的协议只有两层，一层汉语协议，一层座机之间的协议。在网络通信中会更加复杂，因此需要分更多的层次。
分层的好处就是封装，可以使整个体系变得高内聚，低耦合，使其维护成本降低。
OSI七层模型
TCP/IP五层（或四层）模型
五层包括 物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层，对于每层的描述可以大概了解一下
其中路由器这个东西，它不但在网络层中发挥了作用，它在数据链路层也可以起到交换机的作用，在物理层可以起到集线器的作用。
OSI模型和TCP/IP模型分层的对比
OS与我们现在要学的网络的关系
OS也就是操作系统，它和网络协议栈有什么关系呢？
从上到下，用户可以看作是一个不会计算机的普通人，他只管用。
用户操作接口可以看作是应用层。
在Linux内核模块中就有传输层和网络层
驱动程序就是数据链路层
网卡就是物理层
所以一个用户要是想要发送信息，那么就是从上到下，直到网卡。
所以网络通信的本质就是贯穿协议的过程。
网络传输基本流程
TCP/IP的通讯流程
数据包的封装和分用
就如之前打电话的例子，虽然在逻辑层面上，我们是直接与朋友通过汉语进行交流的。然而，在物理层面上，我们的声信号会被先转化成电信号等等，然后再发送到远端的朋友的座机，然后这个信号又被翻译成声信号播放给朋友。这个声信号变成电信号的过程就是封装。
比如，我们通过网络在用户层给朋友发送了一个 “你好”。然后我们是用qq发送的，对于应用层，也就是这个qq来说，“你好”就是有效载荷，在一层会把“你好”封装，加上一个报头，这个报头也可以是当前这个用户所使用的qq的版本。这样这个信息就变成了报文，因此报文 = 报头 + 有效载荷。然后再将这个报文给下一层，直到使用以太网发送到另一台机器上，然后朋友的机器接收到这个信息后，就会从下往上对这个信息进行解包，也就是分用，每一层的解包会提取报文的报头，最终到用户时变只剩下了“你好”。
对于封装和解包，我们需要记住以下总结：
1.几乎任何层的协议，都需要提供将报头和有效载荷分离的能力。
2.几乎任何层的协议，都要在报头中提供，决定将自己的有效载荷交付给上层的哪一种协议的能力。（分用）
分用的示意图
以太网通信的原理 Mac地址
首先我们要知道，每台主机在局域网上，都要有自己的唯一的一个标识。
在局域网中，每一个主机都有一个Mac地址来标记当前主机。来保证当前主机在这个局域网的唯一性。
如图，有四台机器，它们通过一个网线连接在一起，一旦有机器想要给另一台机器发送消息，那么这个信息就会随着网线传输过去。但是我们发现，因为在这根网线上不只有这两台机器，因此其他机器也会收到这个消息，问题就来了，这样话发送信息岂不是没有隐私了吗？
正常情况下，比如有H1向H4发送信息，那么这个信息中的特定位置包含了H1和H4的信息，其他机器收到这个信息后，首先会读取这部分信息，然后跟自己的进行对比，如果对比发现并不是发送给自己的信息，那么这个机器会直接丢掉这个包。
我们的网卡有两种模式，一种是正常模式，对处理信息的方式如上；还有一种就是混杂模式，即便这个消息不是发送给自己的，机器依旧不会丢掉这个包。
网络上的抓包就是基于这样的原理来获取信息的。
除了信息安全问题，还有一个就是当一台机器在发送消息的时候，如果此时还有一台机器在发送信息，那么就会发送失败，这个就是数据碰撞问题。发送主机都要执行碰撞避免的算法。
如果一个局域网对请求的处理能力有限，但是需要处理的请求又很多时，网络就会变得卡顿，原因就是发生了很多数据碰撞。比如我们在军训或者疫情期间在操场排队做核酸时，如果人很多，那么网络就会变得很卡顿。
如果一个局域网内的机器数量太多，可以使用交换机来划分碰撞域，这样可以减少碰撞的次数。
Mac地址和IP地址的关系
IP地址可以标识唯一的一台主机，而Mac地址只能标识当前局域网内唯一的主机。
在远距离网络传输中，一台主机通过网络向另一台主机发送消息，中间可能会经过很多个路由器
通过在局域网类以太网的通信原理，信息从发送方，到目的地，它的Mac地址可能会不断变化，而IP地址是始终不变的。
关于IP协议
IP协议有两个版本，分别是IPV4和IPV6。现在主流还是IPV4。
IPV4协议，它是4字节，32位的整数。它的格式就是类似于192.168.1.1这样，每一个用点分隔的数字的范围是0~255，也就是一个字节的范围。不过目前IPV4可能已经有点不够用了，所以现在国家支持IPV6技术，只是现在推广度还不高，主流都还是IPV4。
在路由器的场景下简单通信流程
首先拓展一下令牌环网：
令牌环网也是网络协议的一种，我们知道以太网通信，所有主机都能自由的发送信息，只是可能会发生数据碰撞而导致发送错误或失败。那么令牌环网就是在当前局域网内只有一块令牌，拥有令牌的主机才能发送信息，如果令牌传给了其他主机，那么发送信息的能力就只有得到令牌的主机才拥有，虽然听起来很像OS里面的锁，但是由于锁的概念只在OS中，所以这里管叫做令牌，不过令牌环网并没有以太网这么常用，所以这里只做了解。
分析通信流程
比如在该场景中，用户发送了一个请求，那么这个请求就会从上到下依次进行封装，最后变成了帧，然后通过以太网被路由器所提取，那么首先路由器就要对这个帧进行解包，当然就读取到了关于Mac地址方面的信息，我们假设这个信息是Mac_c(发送方)和Mac_d（接收方）。然后路由器再根据IP信息（也分有发送方IP和接收方IP），分析接收方是否在路由器本地的局域网内，如果在，那么就重新封装然后发送给目的主机。这里需要特别注意的是，路由器拿到帧后，提取了对应层协议的报头信息后，是直接丢掉了报头信息，然后再重新封装成了一个新的帧，这个帧的Mac地址部分的发送方就变成了路由器--Mac_R，接收方依旧不变。
那么如果不在本地的局域网内，那么路由器作为中间人会做相同的事情，直到找到了目的主机。然后如果目的主机使用的是以太网，那么就按照以太网的协议对数据进行解包分用，如果是令牌环网，那么就按照令牌环网的协议来，最终也是从下至上层层解包和分用到达用户手里，至此就完成了一次简单的通信。
补充知识
计算机技术和通信协议是计算机网络产生与发展的两个基本要素。
一些协议
HTTP协议是超文本传输协议。
DNS协议为域名解析协议。
FTP协议为文件传输协议。
SMTP协议为电子邮件传输协议。
UDP协议为用户数据报协议，在传输层工作。
TCP协议为传输控制协议，在传输层工作。
IP协议为网际协议，在网络层工作。
ARP协议为地址解析协议，在网络层工作。
ICMP协议为Internet控制报文协议，它是TCP/IP协议簇的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息，所以是通过IP协议来进行传输。
TCP协议为传输控制协议，在传输层工作。
UDP协议为用户数据报协议，在传输层工作。
SMTP协议为电子邮件传输协议，在应用层工作。
OSPF为开放的最短路径优先协议，在传输层工作。
在OSI模型中
传输层负责两端之间的数据传输。
网络层负责地址管理与路由选择。
数据链路层负责相邻设备之间数据帧传输，完成帧同步，差错控制，流量管理，链路管理。
物理层负责物理光电信号传输。
交换机在数据链路层，路由器在网络层。
MAC地址，也叫物理硬件地址，用于识别相邻的两个物理硬件设备，它的大小为：6字节。
MAC地址是物理网卡硬件地址，在出厂时就会设定，不能修改，它的大小是6字节，用于识别相邻设备，在链路层完成相邻设备之间的数据传输。
一台计算机可以绑定多个网卡，进而可以拥有多个MAC地址。
关于IP地址和Mac地址
IP地址是一个数字，用于唯一标识网络中的一台主机。应用于网络层，基于网络拓扑描述起点和终点 。
Mac地址是物理网卡硬件地址，用于标识相邻设备，应用于链路层。
由于IP地址是一个逻辑地址，所以可以给MAC地址对应分配不同的IP地址，使网络通信更加灵活。
当需要跨网络进行传递的时候，也就是意味着需要找到该数据包的下一跳的MAC地址，所以认为从发送方出来，首先先到到达本网段的路由器，所以获取本网段的路由器的MAC地址。
每个网络都会有不同的网段，网段是该网络的标识，在该网络中分配的IP地址都会带有网段标识，标识自己所属网络，这样路由器才能进行路径规划，因此当主机改变所在网络时需要将IP地址改成该网段的ip地址，但是MAC地址不用修改，MAC地址本身也是不允许修改。
OSI的链路层通常同时使用报头和报尾进行封装。
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)。
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)。