【Linux跬步积累】—— 网络基础

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一、认识“协议”

什么是“协议”

“协议”是一种约定，这个约定的作用就是用来减少通信成本和沟通成本；

计算机协议就是计算机之间的约定；

例如：

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。那么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呢？就需要有人站出来，约定一个共同的标准，大家都在遵守，这就是网络协议。

二、网络协议初识

网络的分层结构——网络 vs OS之间的关系

为什么要进行网络分层？

答：层和层之间是松耦合的，可以随时替换或者方便维护。

为什么要存在网络？主要解决什么问题？

首先我们需要知道一个客观事实，就是主机通信距离变远，一旦通信距离变远，必定会引发新的问题：

1. 如何使用数据的问题
2. 可靠性问题
3. 主机定位的问题
4. 数据包局域网转发的问题

有了以上的问题之后我们就需要解决这些问题，那么我们如何解决呢？

使用网络协议（tcp/ip协议），这些协议是为了解决在网络通信当中，因为通信距离变远而引发的一系列问题。网络协议其实就是一种解决方案，既然是一个解决方案，就可以有好的解决方案和坏的解决方案。

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衡量解决方案的标注是什么呢？

可扩展，方便维护。

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所以为了满足可扩展和可维护，大佬们就将网络协议设计成了层状结构。

那么为什么要将网络协议设计成层状结构呢？

原因是层状结构可以减少层与层之间的耦合度，松耦合度就可以实现随时替换、随时扩展、方便维护，一层不影响另一层，所以最终网络协议就表现成一种层状结构了

OSI七层模型

OSI七层模型是一种框架性的设计方法，其中最主要的功能就是帮助不同的主机之间实现数据传输，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。

• 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物理层的内容；
• 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；

• 应用层对应shell、应用程序

• 传输层和网络层对应着操作系统

• 数据链路层对应着驱动板块

• 物理层对应着硬件

网络和操作系统之间的关系

Windows和Linux系统之间，操作系统的设计是不一样的，因为如果一样的话，系统调用也肯定都是一样的，那么就不需要搞什么语言级别的跨平台性了。所以操作系统本身是不一样的，但是无论你是Windows还是Linux，他们的网络协议都是一样的，因为需要遵守OSI定出来的标准。

这就是为什么Windows和Linux操作系统不一样，但是可以直接进行通信的原因。

站在语言角度理解，什么是协议？

协议就是

双方都能认识的结构体数据类型！！！

三、网络传输基本流程

局域网通信

在同一个局域网中的主机，能不能直接通信呢？原理（以太网的通信原理）是什么？

答：能。如果A传输数据给C，每一个主机都能接收到数据，但是不会处理，会丢弃。但是只有C接收到之后，才会保留处理。

那么如何才能保证只有C接收到之后才会保留处理呢？

我们给每一个局域网的主机设置一个唯一标识符：Mac地址，这样我们就能知道是哪个主机发送给哪个主机了。

那么如果A给C传输数据的时候，主机X在不断的给我们对应的局域网里发送垃圾数据呢？那么有可能两条数据会混在一起，此时这个数据就识别不出来了。所以在这种以太网通信的时候，存在一个问题，叫做数据碰撞。

发生数据后，主机A会进行碰撞的检测和避免，如果发生碰撞，主机A会进行等待发送。

所以我们会把一个局域网称之为碰撞域。

所以在任何时刻，只允许一台主机在局域网中发送消息，这种网络就叫做以太网。因此在局域网中，主机越少越好。

网络与OS一统：

我们将A主机和C主机看成两个进程，所谓的A给C发数据，第一件事情就是A把数据交到局域网上，而这个局域网很明显就是被ABCDX所共享的一个网络，所以这个网络我们可以称之为它就是多个不同主机之间的公共资源。

所以局域网本质就是一个临界资源！

那么我们如果想要黑掉一个局域网，我该怎么做呢？

一直发送垃圾数据，产生碰撞。

如何查看Mac地址

我们可以使用ifconfig进行查看

其中ether的意思就是以太

通信过程

什么是封装？

我们所谓的添加报头，就是给一串二进制数据前面再拷贝一个结构体对象，这个过程我们叫做封装。

报文在不同层有着不同的名称：

• 应用层：request/response
• 传输层：数据段
• 网络层：数据报
• 链路层：数据帧

什么是报文？

“报文” = 协议报头 + 有效载荷

什么是协议报头？

上层数据向下传送时，会在有效载荷前面加上一个协议报头，目的就是为了在对方主机的同一层可以正确的解析和处理数据。每一层都会有不同的协议，所以在报头中需要包含上层的协议是谁。

可以理解成快递单子和鞋子，你买了一个鞋子，商家发货时是不是会粘贴一个快递单，上面有发货地址和收货地址，快递就通过这个信息送到你手上。快递单就可以理解成协议报头，而鞋子就是有效载荷。

对方主机收到后就需要自底向上开始解包和分用，先将报头和有效载荷分离开，因为是同层协议，所以两个报头的源代码都是一样的，就可以正常解析，然后将有效载荷发送给上一层的协议。

协议的共性：

1. 将报头和有效载荷进行分离； ——> 解包
2. 将自己的有效载荷交付给上一层的哪个协议；——> 分用

以上的过程是在物理层面的过程。

但是在逻辑上：同层协议，都可以认为自己在和对方直接通信。

那么如何理解呢？

逻辑层面就可以看成你在给室友打电话，那么你是不是认为你在跟室友直接沟通。但实际上，你是在跟你手机说的，你把声音录给了手机，手机通过基站将声音打包转到你室友的手机上，你室友的手机再进行解压，然后把声音播放。

跨路由器传输

传输过程

当数据要从局域网1发送数据到局域网2时，自定向下封装时，在网络层的报头中会添加两个信息：源IP地址(IPA)和目的IP地址(IPB)，在数据链路层的报头中会有源Mac地址(MacA)和目的Mac地址(Mac_left)。

路由器接收到局域网1的数据后，会将以太网对应的报头进行解包，然后将剩下的数据向上交付给网络层网络层此时对报头进行分析，因为报头中包含源IP地址和目的IP地址，所以网络层分析之后就知道将有效载荷发给哪台计算机了，因为每个计算机都有自己唯一的IP地址。

然后再将数据交付给链路层，此时在链路层当中就会给数据添加上令牌环对应的报头信息：源Mac地址(Mac_right)和目的Mac地址(MacB)，然后再将该数据发送到局域网2当中，此时该数据就能够在令牌环网当中传输了。

总结一下：路由器为什么能够知道数据应该转发给哪个局域网

路由器是通过IP地址来确定数据的转发方向的，因特网上的每台计算机都有一个唯一的IP地址，在数据向下封装时，在网络层封装的报头中会包含两个字段：源IP地址和目的IP地址。

当路由器需要将一个局域网中的数据转发到另外一个局域网时，在路由器的链路层会先将当前局域网对应的底层报头去掉，然后将剩下的数据上交给网络层，此时网络层就可以获取当前的报头信息了：源IP地址和目的IP地址，也就知道数据是哪台机器发送的，以及发送给谁。然后路由器就可以根据IP地址在路由表中查找，最终就能确定该数据应该发送到哪一个局域网中的哪台机器了。

具体过程如下图所示：

Mac地址和IP地址的区别？

• Mac地址只能作用在局域网当中，每经过一个路由器，它都会被路由器解包，再重新封装
• IP地址则是一直不变的

屏蔽底层差异

IP地址的存在除了帮助数据“路由”之外，还有一个很重要的作用，就是屏蔽了底层网络的差异。对与通信双方主机的IP地址以及往上的协议来说，他们不需要过多关心底层采用的是以太网还是令牌环网，因为有路由器帮我们适配两个局域网之间的不同，他们只需要知道源IP地址和目的IP地址就可以将数据正确的发送出去，因此现在主流的网络也叫做IP网络。

四、网络中的地址管理

认识IP地址

IP协议有两个版本，IPv4和IPv6，IPv4用32个比特位来标识IP地址，而IPv6用128个比特位来标识IP地址。

• 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”的字符串标识IP地址，例如192.160.0.1，用点分割的每一个数字表示一个字节，范围是0-255。

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）。