【Linux 24】网络基础概念

文章目录

🌈 一、计算机网络的发展
- ⭐ 1. 独立模式
- ⭐ 2. 网络互联
- ⭐ 3. 局域网 LAN
- ⭐ 4. 广域网 WAN
🌈 二、计算机网络的协议
- ⭐ 1. 协议的概念
- ⭐ 2. 协议分层
- ⭐ 3. OSI 七层参考模型
- ⭐ 4. TCP / IP 五层模型
🌈 三、网络传输基本流程
- ⭐ 1. 同局域网的网络传输
- - 🌙 1.1 局域网的通信原理
  - 🌙 1.2 数据包封装和分用
  - 🌙 1.3 报头与有效载荷
  - 🌙 1.4 碰撞的概念
- ⭐ 2. 跨局域网的网络传输
- - 🌙 2.1 路由器如何知道数据应该转发到哪一个局域网
🌈 四、网络中的地址管理
- ⭐ 1. 认识 IP 地址
- ⭐ 2. 认识 MAC 地址

🌈 一、计算机网络的发展

⭐ 1. 独立模式

在计算机发展的早期，计算机之间相互独立，这种情况的通信效率非常低下。
计算机之间如果想要进行业务协同，就需要将数据从一台计算机种拷贝到硬盘上，然后将硬盘中的数据再拷贝到另一台计算机。

⭐ 2. 网络互联

多台计算机通过服务器连接在一起，从而实现数据共享。
当某个业务需要多台计算机协同完成时，可以将共享的数据放到服务器中集中管理，各个计算机就能通过服务器获取这些共享的数据。

⭐ 3. 局域网 LAN

需要通信的计算机数量变的更多，这些计算机通过交换机和路由器连接在一起，形成局域网。
交换机：局域网中有一种叫做交换机的设备，其主要用于完成局域网内的数据转发工作。
- 数据转发：在局域网内将数据从一台主机转发给另一台主机。
路由器：各局域网之间通过路由器连接起来，其主要用于完成数据的路由转发工作。
- 路由转发：在局域网之间路由器根据路由信息，将数据包从一个局域网转发到另一个局域网。

⭐ 4. 广域网 WAN

广域网的作用是，将远隔千里的计算机都连接在一起。
N 个局域网之间通过路由器相互连接在一起，就形成了一个更大的网络结构，这个网络结构被称为广域网。
局域网和广域网是一种相对的概念，因为某些懂得都懂的原因，也可以将国内的广域网看成一个比较大的局域网。

🌈 二、计算机网络的协议

⭐ 1. 协议的概念

协议本身是一种约定，通信双方只有通过同一种协议才能进行通信。
从语言的角度看，协议是通信双方都认识的一种结构化的数据类型，双方的 OS 能通过同一种协议 (结构体) 进行通信。

struct protocol
{
    int a;
    int b;
    int c;
};

假设当前有如上这么一个协议 (结构体)，因为主机 A、B 的操作系统都是用 C/C++ 写的，并且都有相同的 struct protocol 结构体类型。
也就是说 A、B 使用了同样的代码来实现协议，这两台主机天然就具备着共识，能够识别出这个协议中的信息。

⭐ 2. 协议分层

协议栈是分层的，每层通信双方都有协议，同层之间互相可以认识对方的协议。
将协议栈设计成层状结构，其目的是为了将层与层之间进行解耦，保证代码的可维护性和可扩展性。
分层最大的好处在于 “封装”，在分层的情况下，将某层的协议进行替换后，通信双方之间并不会受到影响。
纯软件的网络协议分为四层，每一层都能解决一种因为网络通信距离变长时所产生的问题。

每一层都能解决一种因为网络通信距离变长时所产生的问题

应用层：解决如何使用送达的数据的问题。
传输层：解决报文在传输过程中出现错误，或者丢失的问题。
网络层：解决在转发中，如何进行路径选择、目标主机定位的问题。
数据链路层：解决如何保证将数据交给下一跳主机的问题。

⭐ 3. OSI 七层参考模型

OSI 七层网络模型被称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范。

层级	层名	功能	常用协议
7	应用层	针对特定应用的协议	HTTP、FTP、SMTP、POP3
6	表示层	设备固有数据格式和网络标准数据格式的转换	LPP、NBSSP
5	会话层	通信管理、负责建立和断开通信连接，管理传输层以下的分层	SSL、TLS、DAP、LDAP
4	传输层	管理两个结点之间的数据传输，负责可靠性传输	TCP、UDP
3	网络层	地址管理与路由选择	IP、ICMP、RIP、IGMP、OSPF
2	数据链路层	互联设备之间传送和识别数据帧	以太网、网卡、交换机、PPTP
1	物理层	以 0 / 1 代表电压的高低和灯光的闪灭，界定连接器和网线的规格	物理线路、光纤、中继器、集线器、双绞线

⭐ 4. TCP / IP 五层模型

OSI 参考模型和它的名字一样，仅供参考。
因为 OSI 七层网络模型实现起来难度很高，对其具体实现进行了调整，将 OSI 的上三层合并成一个应用层，就成了常见的 TCP / IP 模型。

1. TCP / IP 中各层负责的功能

物理层：负责光 / 电信号的传递方式，物理层的能力决定了最大的传输速率、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：帧同步、冲突检测、差错校验等，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，路由器 router 工作在网络层。
传输层：负责两台主机之间的数据传输，如传输控制协议 TCP，该协议能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
应用层：负责应用程序间的沟通，平时的网络变成主要就是针对应用层进行。

2. TCP / IP 模型名字的由来

网络层最典型的协议是 IP 协议，传输层最典型的协议是 TCP / UDP 协议。
传输和网络这两层本质上，位于操作系统的内核中，用户想使用协议栈，本质就是要使用操作系统，因此这个模型才被叫做 TCP / IP 协议。

🌈 三、网络传输基本流程

以两台主机之间的文件传输为例，在纯软件方面，TCP / IP 模型各层对应的协议如下：

层级	纯软件的 TCP / IP 层级名	常见协议
5	应用层	HTTP、FTP、DNS
4	传输层	TCP、UDP
3	网络层	IP、ICMP、IGMP
2	链路层	设备驱动程序及接口卡 (网卡)

⭐ 1. 同局域网的网络传输

在最初设计局域网时，就是为了能够让局域网内的主机能够进行通信，因此同局域网内的主机可以直接进行通信。

🌙 1.1 局域网的通信原理

局域网中的每台主机都有一张网卡，每张网卡都有一个唯一的 MAC 地址，局域网中的主机就是通过 MAC 地址进行通信的。
局域网中，A 主机向 B 主机通信采用的是 MAC 地址 + 广播的方式，该局域网中的其他主机都能听到 A 的消息，但因为 A 所指定的 MAC 地址是 B 主机的的，因此其他主机会丢弃 A 的通信消息，只有 B 会接收这段消息。

🌙 1.2 数据包封装和分用

用户 A 想和用户 B 进行通信时，用户 A 的消息并不是直接通过主机 A 的应用层直接交给主机 B 的应用层。
A 的数据要依次通过应用层、传输层、网络层、链路层，在每一次对数据进行封装之后，才能将数据通过主机 A 的链路层发给主机 B 的链路层。
用户 B 想收到消息，主机 B 的链路层需要将收到的数据包依次通过链路层、网络层、传输层、应用层，在每一次对数据进行解包分用之后，用户 B 才能看到用户 A 的消息。

1. 数据包封装

当应用层想将一段数据交给另一个主机时，TCP / IP 软件方面的 4 层协议从上至下要分别对该数据包进行封装。

将数据交给应用层，应用层会为该数据添加上对应的应用层协议的报头信息，然后将数据交给传输层。
传输层收到数据后，传输层会为该数据添加上对应的传输层协议的报头信息，然后将数据交给网路层。
网络层收到数据后，网络层会为该数据添加上对应的网络层协议的报头信息，然后将数据交给链路层。
链路层收到数据后，链路层会为该数据添加上对应的链路层协议的报头信息，到此数据彻底封装完毕。

最后就可以通过局域网将封装好的数据发送给对端主机。

2. 数据包分用

当对端主机的链路层收到一段数据包后，需要由下至上经过 TCP / IP 的 4 层，对该收到的数据机型解包和分用。

链路层收到数据后，将数据包中关于链路层协议的报头信息分离出来，然后将剩下的数据交给网络层。
网络层收到数据后，将数据包中关于网络层协议的报头信息分离出来，然后将剩下的数据交给传输层。
传输层收到数据后，将数据包中关于传输层协议的报头信息分离出来，然后将剩下的数据交给应用层。
应用层收到数据后，将数据包中关于应用层协议的报头信息分离出来，到此数据的解包分用彻底完成。

🌙 1.3 报头与有效载荷

报头：本质也是一种数据，报头一般是通过位段实现的，协议栈的每一层都有一个对应的位段来表示当前层的报头。
有效载荷：数据包中，除了当前曾的报头以外的数据就叫做有效载荷。

如何分离报头与有效载荷

要将数据中的报头取出来，就得知道报头与有效载荷之间的界限在哪。
又因为报头往往都在数据包的最前端，只要知道报头的大小，就可以确定报头与有效载荷的界限了。
有两种获取报头大小的方式
1. 定长报头：报头的大小是固定的，发送方和接收方都能够知道报头的大小，这就是一种约定。
2. 自描述字段：报头当中提供一个用来表示报头长度的字段。

🌙 1.4 碰撞的概念

局域网中，同时有多台主机在发送数据，如果某个主机发送的数据与其他主机发送的数据之间互相干扰，这种情况被称为数据碰撞。

1. 如何判断发送的数据是否发生了碰撞

因为是采用广播的形式将数据发送到局域网中，当 A 主机发送数据后，A 主机自己也能收到这个数据。
当 A 主机收到数据后，可将其与之前发送出去的数据进行对比，如果此时收到的数据和之前发送的不一致，就说明发生了数据碰撞。

2. 发生了碰撞后该如何处理

当 A 主机发现自己发送的数据产生了数据碰撞后，A 主机可以选择等待一段时间，过一阵子在重新发送该数据。
从系统的角度看，局域网就是临界资源，碰撞的检测和避免，本质上就是在进行互斥访问。

3. 主机如何判断数据是否是发送给自己的

发送出去的数据包会带有源 MAC 和目的 MAC 地址，其中源 MAC 地址表示的是发送数据的主机，目的 MAC 地址就不用说了。
主机在收到数据包后，会对比该数据包中的目的 MAC 地址和自己的 MAC 地址，如果不一致则该数据就不是发给自己的。

⭐ 2. 跨局域网的网络传输

局域网之间通过路由器连接起来，因此一个路由器至少能够横跨两个局域网。
而这些被路由器级联局域网都认为，该路由器就是本局域网内的一台主机，因此路由器可以和这些局域网内的任意一台主机进行直接通信。
假设局域网 1 中的 A 主机想和局域网 2 中的主机进行通信，A 主机就可以先将数据发送给路由器，然后路由器再将数据转发给局域网 2 当中的 B 主机。

🌙 2.1 路由器如何知道数据应该转发到哪一个局域网

路由器会通过 IP 地址来确定数据的转发方向，互联网中的每一台主机都有一个唯一的 IP 地址，而在数据自定向下进行封装时，在网络层封装的报头中会包含两个字段，分别是源 IP 地址和目的 IP 地址。
- 源 IP 地址和目的 IP 地址分别标识从哪来和到哪去，在数据转发的过程中，所持有的IP 地址不会改变。
网络中有很多的路由器，数据在每经过一个路由器时，路由器都会分析这个数据的上一站从哪来，然后根据这个数据包中得目的 IP 地址，选择这个数据下一站该到哪去最终才能走到目的地，这个一直会变得地址就是 MAC 地址。
IP 地址的意义就在于路径选择，只要有了目标，途中的路由器就能够为数据包指定越来越靠近目的 IP 地址的下一站路由器。