计算机网络基础(一)
文章目錄
- 1. 計算機網絡發展的背景
- 2. 網絡協議初識
- 2.1 協議的感性認識
- 2.2 為什么要有協議
- 2.3 網絡協議棧
- 3. 協議分層
- 3.1 TCP/IP 五層協議模型
- 3.2 協議分層具體體現
- 4. 網絡傳輸基本流程
- 4.1 網絡傳輸初識
- 4.2 報頭的理解
- 4.2.1 為什么要有報頭
- 4.2.2 加報頭和解包的過程
- 5. 加上路由器的網絡傳輸
- 5.1 網絡傳輸中的互斥和同步
- 5.2 廣域網網絡通信的示意圖
- 6. 網絡中的地址管理
- 6.1 認識IP地址
- 6.2 認識MAC地址
- 6.3 總結
- 7. 結尾語
前言： 本文主要帶大家認識計算機網絡，對其有一個初步的認識，有個大體的了解，所以基本是概念，沒有實踐的操作，不過后續的文章會有實踐內容的。
1. 計算機網絡發展的背景
最開始計算機是如何進行數據通信的？就是人為的操作，就是用磁盤等存儲介質(類似于現在的U盤)，進行拷貝，從一個電腦拷貝到另一個電腦上，這樣效率很低，這種模式被稱為獨立模式。
然后，當時主要需要用計算機的還是實驗室里用的較多，所以就搞了一個小規模的計算機通信，多臺計算機連在一起，完成數據共享，這個可以想象一下 我們初中時上的微機課。
但是隨著鏈接的主機越來越多，單純的鏈接不足以滿足需求，所以加入了交換機和路由器，從而擴大了可鏈接的范圍，這被稱為局域網。也就是說完成了 小片范圍的網絡通信。
最后呢？需要鏈入的人越來越多。就是加入了多個路由器，滿足更多的人鏈接入網絡。這形成了廣域網。
這就是網絡的發展，非常的delicious，但是還有一點要說明，局域網和廣域網只是一個相對的概念，它并沒有明確指出：有多少臺 機子 聯網是局域網，或者是廣域網。這只是一個相對的概念。
2. 網絡協議初識
2.1 協議的感性認識
計算機之間通信用的是光電信號，用頻率和強弱來表示 0 1 這樣的信息，這就需要 約定好通信雙方的數據格式。通俗一點來說：對傳來的光電信號有一個 統一 的規范，假如傳來一個光電信號，不能你看成一個int 我看成一個char ，必須都 看成一種類型的數據，才行。
2.2 為什么要有協議
協議本質就是一種約定，它的存在使得通信更加的高效。這有點 秦始皇統一語言 一樣，統一語言之后，人們之間的通信更快了，高效，從而帶動了發展。協議也是一樣，不過是計算機之間通信做一些規范。
這里可以舉一個例子：
假如我要給家長打長途電話，但是通話話費太貴，所以雙方搞了點協議：
- 響一下：我沒錢了，給打點生活費
- 響倆下：我想和母親通話
- 響三下：我想和父親通話
就類似這種，所以協議的本質就是約定。計算機協議是大佬程序員們定制的協議，它提高了通信的效率。
2.3 網絡協議棧
上面呢 我們對協議有了一定的認識，那么操作系統中 網絡協議是 怎樣體現的呢？
我先畫一下操作系統的圖：
首先 我們知道軟件 是分層的，網絡也是軟件，所以網絡協議棧是層狀的結構。
網絡就是以上圖的方式 分布的，網絡協議棧是TCP\ IP 貫穿 體系結構，屬于操作系統的一部分：
3. 協議分層
協議分層最大的好處在于封裝，其次協議分層也完成了解耦。
比如：人之間通信 這件事，以下 是兩層協議
假如是老外 要用英語通信，那么只需要改一下 人之間的協議：
假如 之間通信要用 微信通信，那么 就改一下 底下的協議：
通過上面的例子，也許大家就能體會到 協議分層的好處。
3.1 TCP/IP 五層協議模型
TCP/IP是一組協議的代名詞，它還包括許多協議，組成了TCP/IP協議簇.
TCP/IP通訊協議采用了5層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求.
- 物理層: 負責光/電信號的傳遞方式. 比如現在以太網通用的網線(雙絞 線)、早期以太網采用的的同軸電纜
(現在主要用于有線電視)、光纖, 現在的wifi無線網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. - 數據鏈路層: 負責設備之間的數據幀的傳送和識別. 例如網卡設備的驅動、幀同步(就是說從網線上檢測到什么信號算作新幀的開始)、沖突檢測(如果檢測到沖突就自動重發)、數據差錯校驗等工作. 有以太網、令牌環網, 無線LAN等標準. 交換機(Switch)工作在數據鏈路層.
- 網絡層: 負責地址管理和路由選擇. 例如在IP協議中, 通過IP地址來標識一臺主機, 并通過路由表的方式規劃出兩臺主機之間的數據傳輸的線路(路由). 路由器(Router)工作在網路層.
- 傳輸層: 負責兩臺主機之間的數據傳輸. 如傳輸控制協議 (TCP), 能夠確保數據可靠的從源主機發送到目標主機.
- 應用層: 負責應用程序間溝通，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協議（FTP）、網絡遠程訪問協議（Telnet）等. 我們的網絡編程主要就是針對應用層.
也就是下圖，對照著看：
3.2 協議分層具體體現
- 對于一臺主機, 它的操作系統內核實現了從傳輸層到物理層的內容;
- 對于一臺路由器, 它實現了從網絡層到物理層;
- 對于一臺交換機, 它實現了從數據鏈路層到物理層;
- 對于集線器, 它只實現了物理層
4. 網絡傳輸基本流程
主機之間通信靠的是網絡，其本質是一個軟件，網絡是如何完成數據傳輸呢？根據網絡協議，完成網絡傳輸。
4.1 網絡傳輸初識
就比如 上圖，客戶端要給服務端傳數據，是如何傳輸的呢？
數據可不能直接就從客戶端傳輸到服務端，它需要被封裝，怎么封裝？是一層一層的往下封裝，一個協議加一個報頭，最后傳到物理層也就是以太網上的是攜帶著多個報頭的數據。
這個過程就是封裝，然后還得解封，也就是 解包：
客戶端自頂向下封裝數據，服務端從下到上解包數據，然后就有一個奇怪現象，貌似每一層都是直接進行通信的，注意看 上圖 每一層的數據格式都相同，這很巧妙。
4.2 報頭的理解
4.2.1 為什么要有報頭
這個可以從郵寄快遞這件事上去理解：假如我要從北京郵寄一個快遞到張家口，一般情況下，不可能 商家用手直接給你扔過來，需要通過各個站點的郵寄：
假如是下面這樣的一個過程：
快遞在郵寄中，是不是會有一個郵寄單子，這個快遞單子就可以理解為報頭。
商家和用戶之間雖然都知道自己的目的地，但是之間是如何流通快遞，是不是得一步一步的來。
上面的過程就是封裝的過程，也就是加報頭的過程，加報頭是為能夠準確的傳輸到下一層，但是還有一個解包的過程，這個就不能聯想上面的例子了。解包就是 將快遞單子 一個一個撕掉。
4.2.2 加報頭和解包的過程
報頭是數據嗎？是的，它是一種結構化數據。也就是一個結構體，而且用到了位段的知識，這里關于位段，就考驗大家的C語言基礎了。
我自定義一個報頭數據結構：
struct my_hdr {int str:16;int des:16;int type:16;int len:16; }(1)我們來模擬一下 加報頭的過程：
- 先得填入報頭的數據：
- 然后利用 memcpy或是memmove ，將報頭加到數據的前面
(2)再來模擬解包的過程：
- 先用 void* ptr指針指向這個數據段
- 然后對 ptr進行強轉，就可以訪問報頭中的數據
- 現在要解包，怎么操作？指針+1，是不是就跳過這個報頭了？
對某個類型的指針+1，跳過的是這個類型的大小，也就是跳過了上面的那個報頭。
5. 加上路由器的網絡傳輸
上面的網絡傳輸只是服務端與客戶端兩臺主機的網絡交流，只是幫助大家理解，但是網絡傳輸并不是那么的簡單。
先拿局域網來說說：
這種情況下，我提一個問題：主機2和主機3可以接收到 帶報頭的數據嗎？
答案是當然可以，因為數據傳輸到物理層是以光電的形式，無法控制它具體傳送到何處。就比如：一個教師里 老師說 李四你去一趟辦公室。其它同學聽到了嗎？當然聽到了，但是他們會有所行為嗎？不會動的，因為這個信息不屬于他們，李四也聽到了，昂，就是叫我呢。所以李四出了教師。
關鍵在于：這些主機怎么判斷傳出的數據 是給誰的？靠的是什么？給出兩個概念 IP和MAC地址。后面講這倆概念，現在就可以理解成 主機的名字。這倆貨存在哪？存在報頭種，也就是說：傳來的帶報頭的數據，在每個主機中進行解包，發現 這個數據不是給我的，那我就不處理。是通過報頭來判斷的。
5.1 網絡傳輸中的互斥和同步
還是上面的例子，如果有多個主機往物理層傳數據，會發生什么？數據碰撞。它會導致 數據出現問題，那么就應該避免這個情況。
多個主機共享網絡資源(以太網)，那么這個網絡資源就是臨界資源，它需要被保護，也就是說：任何時刻只允許一臺主機在局域網中發送數據。這像不像 進程中的 互斥。進程互斥靠的是鎖，局域網靠的是令牌環，也就是說 持有令牌的才能發送數據。
但是 如果只有一個主機手持令牌，這就導致了其它主機的饑餓問題，所以還得怎么辦？那就是需要同步唄。同步也是靠的令牌環，它不允許一臺主機長期霸占令牌。
我畫個通信的路線圖：
有點潦草，但是我想表達的意思就是，數據經過路由器也是一個 加報頭，解包的過程。
其實聊點題外話：如果想要攻擊局域網怎么辦？那就是破環臨界資源，怎么破環，不停的往局域網中發送數據，導致數據碰撞，是不是就完成了 攻擊？
5.2 廣域網網絡通信的示意圖
6. 網絡中的地址管理
6.1 認識IP地址
- IP協議有兩個版本, IPv4和IPv6.
- IP地址是在IP協議中, 用來標識網絡中不同主機的地址;
- 對于IPv4來說, IP地址是一個4字節, 32位的整數;
- 我們通常也使用 “點分十進制” 的字符串表示IP地址, 例如 192.168.0.1 ; 用點分割的每一個數字表示一個字節, 范圍是 0 - 255
6.2 認識MAC地址
- MAC地址用來識別數據鏈路層中相連的節點;
- 長度為48位, 及6個字節. 一般用16進制數字加上冒號的形式來表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
- 在網卡出廠時就確定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虛擬機中的mac地址不是真實的mac地址, 可能會沖突; 也有些網卡支持用戶配置mac地址
6.3 總結
對于以上地址，后續文章還會講到，畢竟這是網絡基礎(一)，沒必要大徹大悟，咱們對網絡個大概的認識，就達標了。
IP地址：在通信中是不變的，在網絡中標識唯一個一臺主機。
MAC地址：在通信中是變化的，而且是一直在變化。
舉個例子：
唐僧取經，唐僧每到一個地方就對人說：我從東土大唐而來，前往西天取經。那么唐僧的IP地址就是 東土大唐，他的目的地IP地址就是 西天 。這是不變，走哪都這樣說。
然后，他到了具體的一個地方，他還得問 我該去向何處？也就是下一個站點是哪？人家可能說：你下一個地點就是女兒國。這個就是MAC地址，唐僧每到一個地方，它的MAC地址就會變化。
7. 結尾語
以上就是本期內容，有問題私信或者評論，感覺有幫助可以點個小贊。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络基础(一)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
