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系统编程-网络编程

article 2024/11/15 11:14:58

网络编程

引入

-- 网路通信都应该具备两个条件

- OSI网络七层模型 -- 了解

TCP/IP协议模型

通信的时代变化

1、物理层：

2、数据链路层： mac

3、网络层： ip

引入

-- 网路通信都应该具备两个条件

物理媒介（物理层面）
协议（软件层次）

- OSI网络七层模型 -- 了解

-- 网络模型的作用：进行数据的封装

-- OSI 模型把网络通信的工作分为 7 层，
从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
OSI 只是存在于概念和理论上的一种模型，它的缺点是分层太多，增加了网络工作的复杂性，所以没有大规模应用。
后来人们对 OSI 进行了简化，合并了一些层，最终只保留了 4 层，从下到上分别是接口层、网络层、传输层和应用层，这就是大名鼎鼎的 TCP/IP 模型。

TCP/IP协议模型

-- TCP/IP协议模型，包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议。

-- 基于TCP/IP的参考模型将协议分成四个层次，它们分别是链路层、网络层、传输层和应用层。下图表示TCP/IP模型与OSI模型各层的对照关系。

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TCP/IP协议族按照层次由上到下，层层包装。
最上面的是应用层，这里面有http，ftp,等等我们熟悉的协议。
而第二层则是传输层，著名的TCP和UDP协议就在这个层次。
第三层是网络层，IP协议就在这里，它负责对数据加上IP地址和其他的数据以确定传输的目标。
第四层是数据链路层，这个层次为待传送的数据加入一个以太网协议头，并进行CRC编码，为最后的数据传输做准备。

通信的时代变化

1、物理层：

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2、数据链路层： mac

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3、网络层： ip

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相关问题

1、子网的由来

-- A 给 C 发数据包，怎么知道是否要通过路由器转发呢？

答案：子网

如果源 IP 与目的 IP 处于一个子网，直接将包通过交换机发出去。
如果源 IP 与目的 IP 不处于一个子网，就交给路由器去处理。

-- 那么什么是子网？

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2、路由器如何知道转发给谁？

答案：路由表

现在 A 要给 C 发数据包，已经可以成功发到路由器这里了，最后一个问题就是，路由器怎么知道，收到的这个数据包，该从自己的哪个端口出去，才能直接（或间接）地最终到达目的地 C 呢。
路由器收到的数据包有目的 IP 也就是 C 的 IP 地址，需要转化成从自己的哪个端口出去，很容易想到，应该有个表，就像 MAC 地址表一样。

这个表就叫路由表。

-- 至于这个路由表是怎么出来的，有很多路由算法，本文不展开.
-- 不同于 MAC 地址表的是，路由表并不是一对一这种明确关系，我们下面看一个路由表的结构。

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-- 我们学习一种新的表示方法，由于子网掩码其实就表示前多少位表示子网的网段，所以如192.168.0.0（255.255.255.0）也可以简写为 192.168.0.0/24 -- 24就是24位

3、刚才说的都是 IP 层，但发送数据包的数据链路层需要知道 MAC 地址，可是我只知道 IP 地址该怎么办呢？

-- 答案：ARP

-- 假如你（A）此时不知道你同伴 B 的 MAC 地址（现实中就是不知道的，刚刚我们只是假设已知），你只知道它的 IP 地址，你该怎么把数据包准确传给 B 呢？

-- 答案很简单，在网络层，我需要把 IP 地址对应的 MAC 地址找到，也就是通过某种方式，找到 192.168.0.2 对应的 MAC 地址 BBBB。

-- 这种方式就是 ARP 协议，同时电脑 A 和 B 里面也会有一张 ARP 缓存表，表中记录着 IP 与 MAC 地址的对应关系。

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-- 一开始的时候这个表是空的，电脑 A 为了知道电脑 B（192.168.0.2）的 MAC 地址，将会广播一条 arp 请求，B 收到请求后，带上自己的 MAC 地址给 A 一个响应。此时 A 便更新了自己的 arp 表。

这样通过大家不断广播 arp 请求，最终所有电脑里面都将 arp 缓存表更新完整。

4、传输过程

从各个视角看

从电脑视角

首先我要知道我的 IP 以及对方的 IP
通过子网掩码判断我们是否在同一个子网
在同一个子网就通过 arp 获取对方 mac 地址直接扔出去
不在同一个子网就通过 arp 获取默认网关的 mac 地址直接扔出去

交换机视角

我收到的数据包必须有目标 MAC 地址
通过 MAC 地址表查映射关系
查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去
查不到就所有端口都发出去

路由器视角

我收到的数据包必须有目标 IP 地址
通过路由表查映射关系
查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去（不在任何一个子网范围，走其路由器的默认网关也是查到了）
查不到则返回一个路由不可达的数据包

-- 注：网络层（IP协议）本身没有传输包的功能，包的实际传输是委托给数据链路层（以太网中的交换机）来实现的。

-- 涉及到的三张表分别是

交换机中有 MAC 地址表用于映射 MAC 地址和它的端口
路由器中有路由表用于映射 IP 地址(段)和它的端口
电脑和路由器中都有 arp 缓存表用于缓存 IP 和 MAC 地址的映射关系

-- 这三张表是怎么来的

MAC 地址表是通过以太网内各节点之间不断通过交换机通信，不断完善起来的。
路由表是各种路由算法 + 人工配置逐步完善起来的。
arp 缓存表是不断通过 arp 协议的请求逐步完善起来的。

知道了以上这些，目前网络上两个节点是如何发送数据包的这个过程，就完全可以解释通了！

补充：下一跳

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这时路由器 1 连接了路由器 2，所以其路由表有了下一条地址这一个概念，所以它的路由表就变成了这个样子。如果匹配到了有下一跳地址的一项，则需要再次匹配，找到其端口，并找到下一跳 IP 的 MAC 地址。

-- 也就是说找来找去，最终必须能映射到一个端口号，然后从这个端口号把数据包发出去。

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如果 A 给 F 发送一个数据包，能不能通呢？如果通的话整个过程是怎样的呢？

-- 详细过程文字描述

1、首先 A（192.168.0.1）通过子网掩码（255.255.255.0）计算出自己与 F（192.168.2.2）并不在同一个子网内，于是决定发送给默认网关（192.168.0.254）
2、A 通过 ARP 找到默认网关 192.168.0.254 的 MAC 地址。
3、A 将源 MAC 地址（AAAA）与网关 MAC 地址（ABAB）封装在数据链路层头部，又将源 IP 地址（192.168.0.1）和目的 IP 地址（192.168.2.2）（注意这里千万不要以为填写的是默认网关的 IP 地址，从始至终这个数据包的两个 IP 地址都是不变的，只有 MAC 地址在不断变化）封装在网络层头部，然后发包
4、交换机 1 收到数据包后，发现目标 MAC 地址是 ABAB，转发给路由器1
5、数据包来到了路由器 1，发现其目标 IP 地址是 192.168.2.2，查看其路由表，发现了下一跳的地址是 192.168.100.5*
6、所以此时路由器 1 需要做两件事，第一件是再次匹配路由表，发现匹配到了端口为 2，于是将其封装到数据链路层，最后把包从 2 号口发出去。
7、此时路由器 2 收到了数据包，看到其目的地址是 192.168.2.2，查询其路由表，匹配到端口号为 1，准备从 1 号口把数据包送出去。
8、但此时路由器 2 需要知道 192.168.2.2 的 MAC 地址了，于是查看其 arp 缓存，找到其 MAC 地址为 FFFF，将其封装在数据链路层头部，并从 1 号端口把包发出去。
9、交换机 3 收到了数据包，发现目的 MAC 地址为 FFFF，查询其 MAC 地址表，发现应该从其 6 号端口出去，于是从 6 号端口把数据包发出去。
10、F 最终收到了数据包！**并且发现目的 MAC 地址就是自己，于是收下了这个包