網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)1

1. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)背景

1.1 網(wǎng)路發(fā)展

獨(dú)立模式: 計(jì)算機(jī)之間相互獨(dú)立

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián): 多臺(tái)計(jì)算機(jī)連接在一起, 完成數(shù)據(jù)共享;

局域網(wǎng)LAN: 計(jì)算機(jī)數(shù)量更多了, 通過交換機(jī)和路由器連接在一起;

廣域網(wǎng)WAN: 將遠(yuǎn)隔千里的計(jì)算機(jī)都連在一起;

所謂 “局域網(wǎng)” 和 “廣域網(wǎng)” 只是一個(gè)相對(duì)的概念. 比如, 我們有 “天朝特色” 的廣域網(wǎng), 也可以看做一個(gè)比較大的局域
網(wǎng)。

1.2 認(rèn)識(shí) “協(xié)議”

“協(xié)議” 是一種約定.

計(jì)算機(jī)之間的傳輸媒介是光信號(hào)和電信號(hào). 通過 “頻率” 和 “強(qiáng)弱” 來表示 0 和 1 這樣的信息. 要想傳遞各種不同的信
息, 就需要約定好雙方的數(shù)據(jù)格式。

思考: 只要通信的兩臺(tái)主機(jī), 約定好協(xié)議就可以了么?

• 計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠商有很多;
• 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng), 也有很多;
• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備, 還是有很多;
• 如何讓這些不同廠商之間生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)能夠相互順暢的通信? 就需要有人站出來, 約定一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn),大家都來遵守, 這就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2. 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議初識(shí)

2.1 協(xié)議分層

我們以為什么要協(xié)議分層，引出以下兩個(gè)問題:

• 網(wǎng)絡(luò)通信的時(shí)候，會(huì)有那些需求要解決(有哪些問題產(chǎn)生)？

1. 長(zhǎng)距離傳輸，數(shù)據(jù)異常的問題(丟失)

2. 定位一臺(tái)主機(jī)的問題

3. 怎么進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，路徑選擇的問題(路由)

4. 010101硬件級(jí)別的協(xié)議

• 為什么會(huì)有這些問題呢？

  就是單純的傳輸距離變長(zhǎng)了

既然已經(jīng)產(chǎn)生了問題，那么需求就出來了，需要提出對(duì)應(yīng)的解決方案

• 上面的問題，是有先后上下的關(guān)系的! 我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)⒉煌墓δ苣K設(shè)計(jì)成為不同的模塊 — 低耦合
• 不同性質(zhì)的問題，不要把不相關(guān)的問題放在一起，要把相關(guān)的問題放在一起，做出解決方案 — 高內(nèi)聚

于是基于低耦合，高內(nèi)聚，將解決方案設(shè)計(jì)成為層狀結(jié)構(gòu)。

比如在打電話，人與人之間通信使用的是漢語，我們可以將其稱為語言層；而電話和電話之間通信使用的是電話協(xié)議，我們可以將其稱之為通信設(shè)備層

后來隨著科技的發(fā)展，我們都用上了智能手機(jī)，此時(shí)我們下層使用的通信設(shè)備變了，或是這部電話賣到了其他國(guó)家，此時(shí)上層使用的通信語言變了，但我們?nèi)匀豢梢哉贤ā?/p>

在這個(gè)例子中, 我們的協(xié)議只有兩層; 但是實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)通信會(huì)更加復(fù)雜, 需要分更多的層次。

分層最大的好處在于 “封裝” ，在分層情況下，將某層的協(xié)議進(jìn)行替換后，通信雙方之間是不會(huì)受到影響的 。

軟件分層之后，每一層都只關(guān)注自己同層的功能，只使用下層的接口，任何一層出現(xiàn)問題，都不會(huì)直接影響另一層，減少后期開發(fā)者的維護(hù)成本(高內(nèi)聚，低耦合)。

2.2 OSI七層模型

• OSI（Open System Interconnection，開放系統(tǒng)互連）七層網(wǎng)絡(luò)模型稱為開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，是一個(gè)邏輯上的定義和規(guī)范;
• 把網(wǎng)絡(luò)從邏輯上分為了7層. 每一層都有相關(guān)、相對(duì)應(yīng)的物理設(shè)備，比如路由器，交換機(jī);
• OSI 七層模型是一種框架性的設(shè)計(jì)方法，其最主要的功能使就是幫助不同類型的主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;它的最大優(yōu)點(diǎn)是將服務(wù)、接口和協(xié)議這三個(gè)概念明確地區(qū)分開來，概念清楚，理論也比較完整. 通過七個(gè)層次化的結(jié)構(gòu)模型使不同的系統(tǒng)不同的網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)可靠的通訊;
• 但是, 它既復(fù)雜又不實(shí)用; 所以我們按照TCP/IP四層模型來講解。

	分層名稱	功能	每層功能概覽
7	應(yīng)用層	針對(duì)特定應(yīng)用的協(xié)議
6	表示層	設(shè)備固有數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換
5	會(huì)話層	通信管理、負(fù)責(zé)建立和斷開通信連接（數(shù)據(jù)流動(dòng)的邏輯通路）、管理傳輸層以下的分層
4	傳輸層	管理兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸、負(fù)責(zé)可靠性傳輸（確保數(shù)據(jù)被可靠地傳送到目標(biāo)地址）
3	網(wǎng)絡(luò)層	地址管理與路由選擇
2	數(shù)據(jù)鏈路層	互聯(lián)設(shè)備之間傳送和識(shí)別數(shù)據(jù)幀
1	物理層	以0/1代表電壓的高低以及燈光的閃滅、界定連接器和網(wǎng)線的規(guī)格

2.3 TCP/IP五層(或四層)模型

TCP/IP是一組協(xié)議的代名詞，它還包括許多協(xié)議，組成了TCP/IP協(xié)議簇。
TCP/IP通訊協(xié)議采用了5層的層級(jí)結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。

• 物理層: 負(fù)責(zé)光/電信號(hào)的傳遞方式. 比如現(xiàn)在以太網(wǎng)通用的網(wǎng)線(雙絞 線)、早期以太網(wǎng)采用的的同軸電纜(現(xiàn)在主要用于有線電視)、光纖, 現(xiàn)在的wifi無線網(wǎng)使用電磁波等都屬于物理層的概念。物理層的能力決定了最大傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等. 集線器(Hub)工作在物理層。
• 數(shù)據(jù)鏈路層: 負(fù)責(zé)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀的傳送和識(shí)別. 例如網(wǎng)卡設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、幀同步(就是說從網(wǎng)線上檢測(cè)到什么信號(hào)算作新幀的開始)、沖突檢測(cè)(如果檢測(cè)到?jīng)_突就自動(dòng)重發(fā))、數(shù)據(jù)差錯(cuò)校驗(yàn)等工作. 有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng), 無線LAN等標(biāo)準(zhǔn). 交換機(jī)(Switch)工作在數(shù)據(jù)鏈路層。
• 網(wǎng)絡(luò)層: 負(fù)責(zé)地址管理和路由選擇. 例如在IP協(xié)議中, 通過IP地址來標(biāo)識(shí)一臺(tái)主機(jī), 并通過路由表的方式規(guī)劃出兩臺(tái)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路(路由)，路由器(Router)工作在網(wǎng)路層。
• 傳輸層: 負(fù)責(zé)兩臺(tái)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸,如傳輸控制協(xié)議(TCP), 能夠確保數(shù)據(jù)可靠的從源主機(jī)發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)。
• 應(yīng)用層: 負(fù)責(zé)應(yīng)用程序間溝通，如簡(jiǎn)單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問協(xié)議（Telnet）等。 我們的網(wǎng)絡(luò)編程主要就是針對(duì)應(yīng)用層。
• 物理層我們考慮的比較少. 因此很多時(shí)候也可以稱為 TCP/IP四層模型。

協(xié)議棧與OS的關(guān)系

OSI七層模型提出了一種標(biāo)準(zhǔn)，而TCP/IP五層模型是一種具體的解決方案。
TCP/IP五層模型中將OSI中的應(yīng)用層，表示層，會(huì)話層合并成了一層 — 應(yīng)用層。

• 這就是具體的協(xié)議棧，那么這個(gè)協(xié)議棧在哪里呢？和OS有什么關(guān)系呢？

為什么叫TCP/IP四層模型？
傳輸層最具有代表性的協(xié)議：TCP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層最具有代表性的協(xié)議：IP協(xié)議，傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層都在OS中，所以TCP/IP協(xié)議棧占據(jù)核心地位。

一般而言

• 對(duì)于一臺(tái)主機(jī), 它的操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了從傳輸層到物理層的內(nèi)容;
• 對(duì)于一臺(tái)路由器, 它實(shí)現(xiàn)了從網(wǎng)絡(luò)層到物理層;
• 對(duì)于一臺(tái)交換機(jī), 它實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)鏈路層到物理層;
• 對(duì)于集線器, 它只實(shí)現(xiàn)了物理層;

但是并不絕對(duì)，很多交換機(jī)也實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層的轉(zhuǎn)發(fā)； 很多路由器也實(shí)現(xiàn)了部分傳輸層的內(nèi)容(比如端口轉(zhuǎn)發(fā))；

3. 網(wǎng)絡(luò)傳輸基本流程

3.1 同一個(gè)局域網(wǎng)兩臺(tái)主機(jī)通信

同一個(gè)局域網(wǎng)兩臺(tái)主機(jī)可以直接通信嗎？可以

數(shù)據(jù)在兩臺(tái)機(jī)器是如何流轉(zhuǎn)的呢？

兩個(gè)主機(jī)通信的本質(zhì)：兩個(gè)主機(jī)的OS與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在通信

我們首先來介紹一種概念：報(bào)頭

報(bào)頭的本質(zhì)是一種數(shù)據(jù)。比如你網(wǎng)購了某件物品，當(dāng)你拿到快遞后，你得到的實(shí)際是快遞單+商品，你很可能只關(guān)心包裹里的商品，并不在意快遞單本身，這里包裹上的快遞訂單就是一種報(bào)頭。

向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，會(huì)添加報(bào)頭，每一層協(xié)議都有自己的報(bào)頭。

下面以用戶發(fā)送"你好，吃了嗎"為例，來講解同一局域網(wǎng)中兩臺(tái)主機(jī)的通信過程:

結(jié)論:

• 每一層，都會(huì)把上層交付給自己的數(shù)據(jù)，作為自己的有效載荷
• 每一層，都有自己的協(xié)議報(bào)頭
• 對(duì)應(yīng)的層，自己要發(fā)送的報(bào)文 = 報(bào)頭 + 有效載荷 ==> 封裝
• 在邏輯上，同層協(xié)議，都認(rèn)為自己在和對(duì)方的同層協(xié)議在通信
• 同層協(xié)議，能夠互相認(rèn)識(shí)對(duì)方的報(bào)頭
• 幾乎每層協(xié)議都要有ab這兩個(gè)功能，未來，任何協(xié)議都要有兩個(gè)基本功能: a. 將報(bào)頭和有效載荷進(jìn)行分離 b. 將有效載荷交付給上層的哪一個(gè)具體協(xié)議；這是一種公共功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)分用。

3.2 同一個(gè)路由器的兩個(gè)子網(wǎng)通信

• 路由器有3層的功能： 網(wǎng)絡(luò)層，鏈路層，物理層
• 路由器也是一臺(tái)主機(jī)(節(jié)點(diǎn))
• 路由器至少要級(jí)聯(lián)兩個(gè)子網(wǎng)，路由器至少要有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口

局當(dāng)域網(wǎng)采用的是不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，比如局域網(wǎng)1采用的是以太網(wǎng)，而局域網(wǎng)2采用的卻是令牌環(huán)網(wǎng)，如何進(jìn)行通信呢？

由于以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)是不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，它們給數(shù)據(jù)添加的報(bào)頭也是不一樣的，因此令牌環(huán)網(wǎng)當(dāng)中的主機(jī)無法對(duì)以太網(wǎng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包，反過來也是如此。

這種情況實(shí)際是由路由器來處理的，路由器是工作在網(wǎng)絡(luò)層的一個(gè)設(shè)備(路由器必須要有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，因?yàn)槁酚善髦辽贆M跨兩個(gè)網(wǎng)絡(luò))

數(shù)據(jù)要從局域網(wǎng)1發(fā)送到局域網(wǎng)2時(shí)，路由器收到局域網(wǎng)1的數(shù)據(jù)后，會(huì)先將以太網(wǎng)對(duì)應(yīng)的報(bào)頭進(jìn)行解包，然后將剩下的有效載荷向上交付給網(wǎng)絡(luò)層，在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)分析后，再將數(shù)據(jù)包進(jìn)行再一次封裝，再交付給鏈路層，此時(shí)在鏈路層當(dāng)中就會(huì)給該數(shù)據(jù)包添加上令牌環(huán)對(duì)應(yīng)的報(bào)頭信息，然后再將該數(shù)據(jù)發(fā)送到局域網(wǎng)2當(dāng)中，此時(shí)該數(shù)據(jù)就能夠在令牌環(huán)網(wǎng)當(dāng)中傳輸了。

上面的這種方式屏蔽了底層子網(wǎng)機(jī)制的差異，使IP協(xié)議及其以上的協(xié)議沒有看到任何網(wǎng)絡(luò)方面的差異；

怎么做到屏蔽了底層網(wǎng)絡(luò)方面的差異？在 路由器 + IP協(xié)議

所以IP協(xié)議是全球網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ) => 變成了軟件工程中的核心思路:

任何一個(gè)軟硬件問題，都可以通過添加一層軟件層來解決

4. 網(wǎng)絡(luò)中的地址管理

在網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)常用的地址：IP地址和MAC地址

4.0 感性認(rèn)識(shí)

4.1 認(rèn)識(shí)IP地址

IP協(xié)議有兩個(gè)版本, IPv4和IPv6.后序凡是提到IP協(xié)議, 沒有特殊說明的, 默認(rèn)都是指IPv4

• IP地址是在IP協(xié)議中, 用來標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)的地址;
• 對(duì)于IPv4來說, IP地址是一個(gè)4字節(jié), 32位的整數(shù);
• 我們通常也使用 “點(diǎn)分十進(jìn)制” 的字符串表示IP地址, 例如 192.168.0.1 ; 用點(diǎn)分割的每一個(gè)數(shù)字表示一個(gè)字節(jié), 范圍是 0 - 255;

還有另一個(gè)版本的IPv6的原因是：IPv4的IP地址不夠用了，IPv6用128個(gè)比特位來標(biāo)識(shí)IP地址，16字節(jié)

注：IPv4和IPv6不兼容

4.2 認(rèn)識(shí)MAC地址

• MAC地址用來識(shí)別數(shù)據(jù)鏈路層中相連的節(jié)點(diǎn);
• 長(zhǎng)度為48位, 及6個(gè)字節(jié). 一般用16進(jìn)制數(shù)字加上冒號(hào)的形式來表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
• 在網(wǎng)卡出廠時(shí)就確定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虛擬機(jī)中的mac地址不是真實(shí)的mac地址, 可能會(huì)沖突; 也有些網(wǎng)卡支持用戶配置mac地址)

我們可以用 ifconfig 命令，在Linux中顯示和配置網(wǎng)絡(luò)接口的信息

我們用到的大部分局域網(wǎng)都是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中 ether 對(duì)應(yīng)就有”以太“的意思, ether后面跟的就是MAC地址