【网络】网络基础
🥁作者： 華丞臧.
📕????專欄：【網(wǎng)絡】
各位讀者老爺如果覺得博主寫的不錯，請諸位多多支持(點贊+收藏+關注)。如果有錯誤的地方，歡迎在評論區(qū)指出。
推薦一款刷題網(wǎng)站 👉 LeetCode刷題網(wǎng)站
文章目錄
- 一、計算機網(wǎng)絡背景
- 1.1 網(wǎng)絡發(fā)展
- 1.2 協(xié)議
- 二、網(wǎng)絡協(xié)議初識
- 2.1 協(xié)議分層
- 2.1 OSI七層模型
- 2.2 TCP/IP五層(或四層)模型
- 三、網(wǎng)絡傳輸基本流程
- 3.1 網(wǎng)絡和操作系統(tǒng)
- 3.2 網(wǎng)絡傳輸流程圖
- 3.3 數(shù)據(jù)包封裝和分用
- 四、網(wǎng)絡中的地址管理
- 4.1 認識IP地址
- 4.2 認識MAC地址
一、計算機網(wǎng)絡背景
1.1 網(wǎng)絡發(fā)展
獨立模式：在發(fā)展之初，計算機之間相互獨立。
網(wǎng)絡互聯(lián)：多臺計算機連接連接在一起，完成數(shù)據(jù)共享。
局域網(wǎng)LAN：計算機數(shù)量更多了，通過交換機和路由器連接在一起，局域網(wǎng)內部沒有路由器。
廣域網(wǎng)WAN：將遠隔千里的計算機都連在一起，局域網(wǎng)通過路由器連接形成廣域網(wǎng)。
所謂 “局域網(wǎng)” 和 “廣域網(wǎng)” 只是一個相對的概念. 比如, 我們有 “天朝特色” 的廣域網(wǎng), 也可以看做一個比較大的局域網(wǎng)。
重新看待計算機結構，以理解計算機通過網(wǎng)絡互聯(lián)的可能性：根據(jù)馮諾依曼體系結構，一臺計算機由輸入輸出設備、存儲器和中央處理器構成，如下圖：
那么上圖中計算機上的硬件如何進行數(shù)據(jù)交互的呢？毫無疑問設備和設備之間一定要有線連接起來，只不過這些線比較短并且藏在計算機內部通常用戶是看不見的；那么計算機體系結構本質上也可以看做一個小型網(wǎng)絡。其次我們也可以使用多主機互相連通，構建宏觀的馮諾依曼體系結構，而多主機連接本質上也是通過“線”連接起來的–我們稱之為網(wǎng)線（也有用無限WAN連接）。
跨主機與主機內的小型網(wǎng)絡不同的是跨主機連接線變長了，線變長了相應地數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、效率降低?#xff0c;如何尋找對方的難度上升了，為了保證長距離傳輸?shù)目煽啃?、效?#xff0c;各種新的設備誕生了，如：路由器、交換機。
1.2 協(xié)議
計算機之間的傳輸媒介是光信號和電信號. 通過 “頻率” 和 “強弱” 來表示 0 和 1 這樣的信息，要想傳遞各種不同的信息，計算機之間進行通信需要約定好雙方的數(shù)據(jù)格式。在計算機當中把這種約定稱為協(xié)議，協(xié)議是一種約定。
思考：只要通信的兩臺主機約定好協(xié)議就可以了嗎？
并不是，計算機的生產(chǎn)廠商有很多如聯(lián)想、華碩、小米、華為等，計算機操作系統(tǒng)也有很多如windows、蘋果、Linux等，計算機網(wǎng)絡硬件設備同樣有很多，要讓這些不同的品牌的計算機實現(xiàn)相互順暢的通信，就必須制定一個共同的標準大家都來遵守，這就是網(wǎng)絡協(xié)議。
二、網(wǎng)絡協(xié)議初識
2.1 協(xié)議分層
軟件是可以分層的：在學習編程之初，比如學習C語言時，起初我們編寫代碼都是放在一個.c文件中；隨著學習的深入，我們知道可以將函數(shù)的聲明和定義分離，并且在主函數(shù)文件中包含聲明文件即可使用自己編寫好的函數(shù)，這就是在軟件上的分層：main函數(shù)是一層，聲明定義是第二層。
為什么要分層？
層狀結構下的網(wǎng)絡協(xié)議，我們認為：同層協(xié)議都可以認為自己在和對方直接通行，忽略底層細節(jié)；因此同層之間，一定都要有自己的協(xié)議。
2.1 OSI七層模型
- OSI（Open System Interconnection，開放系統(tǒng)互連）七層網(wǎng)絡模型稱為開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，是一個邏輯上的定義和規(guī)范;
- 把網(wǎng)絡從邏輯上分為了7層. 每一層都有相關、相對應的物理設備，比如路由器，交換機;
- OSI 七層模型是一種框架性的設計方法，其最主要的功能使就是幫助不同類型的主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;
- 它的最大優(yōu)點是將服務、接口和協(xié)議這三個概念明確地區(qū)分開來，概念清楚，理論也比較完整. 通過七
個層次化的結構模型使不同的系統(tǒng)不同的網(wǎng)絡之間實現(xiàn)可靠的通訊; - 但是, 它既復雜又不實用。
| 7 | 應用層 | 針對特定應用的協(xié)議 |
| 6 | 表示層 | 設備固有數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡標準數(shù)據(jù)格式的轉換 |
| 5 | 會話層 | 通信管理，負者建立和斷開通信連接（數(shù)據(jù)流動的邏輯通路）。管理傳輸層以下的分層 |
| 4 | 傳輸層 | 管理兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。負者可靠傳輸（確保三個月后又被可靠地傳送到目標地址） |
| 3 | 網(wǎng)絡層 | 地址管理與路由選擇 |
| 2 | 數(shù)據(jù)鏈路層 | 互連設備之間傳送和識別數(shù)據(jù)幀 |
| 1 | 物理層 | 以“0”、“1”代表電壓的高低。燈光的閃滅。界定連接器和網(wǎng)線的規(guī)格。 |
2.2 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層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)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(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: 負責設備之間的數(shù)據(jù)幀的傳送和識別. 例如網(wǎng)卡設備的驅動、幀同步(就是說從網(wǎng)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?jīng)_突就自動重發(fā))、數(shù)據(jù)差錯校驗等工作. 有以太
網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng), 無線LAN等標準. 交換機(Switch)工作在數(shù)據(jù)鏈路層. - 網(wǎng)絡層: 負責地址管理和路由選擇. 例如在IP協(xié)議中, 通過IP地址來標識一臺主機, 并通過路由表的方式規(guī)
劃出兩臺主機之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路(路由). 路由器(Router)工作在網(wǎng)路層. - 傳輸層: 負責兩臺主機之間的數(shù)據(jù)傳輸. 如傳輸控制協(xié)議 (TCP), 能夠確保數(shù)據(jù)可靠的從源主機發(fā)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(xié)議（FTP）、網(wǎng)絡遠程訪問
協(xié)議（Telnet）等. 我們的網(wǎng)絡編程主要就是針對應用層.
物理層考慮的比較少，因此很多時候也可以稱為 TCP/IP四層模型，一般而言：
- 對于一臺主機, 它的操作系統(tǒng)內核實現(xiàn)了從傳輸層到物理層的內容；
- 對于一臺路由器, 它實現(xiàn)了從網(wǎng)絡層到物理層；
- 對于一臺交換機, 它實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)鏈路層到物理層；
- 對于集線器, 它只實現(xiàn)了物理層；
三、網(wǎng)絡傳輸基本流程
3.1 網(wǎng)絡和操作系統(tǒng)
體系結構直接決定：數(shù)據(jù)包在主機內進行流動的時候，一定要進行自頂向下或者自底向上進行流動的。
計算機發(fā)數(shù)據(jù)需要底層硬件轉發(fā)，用戶層數(shù)據(jù)無法直接抵達硬件必須貫穿操作系統(tǒng)，而網(wǎng)絡協(xié)議棧隸屬于操作系統(tǒng)，因此必須自頂向下交付給硬件；發(fā)數(shù)據(jù)一般是用戶發(fā)給用戶，底層硬件沒辦法直接將數(shù)據(jù)發(fā)給用戶，必須貫穿操作系統(tǒng)和協(xié)議棧才能將數(shù)據(jù)交給用戶。，因此需要自底向上。
3.2 網(wǎng)絡傳輸流程圖
- 重談協(xié)議：計算機視角看待協(xié)議，體現(xiàn)在代碼邏輯上，計算機通過協(xié)議完成對數(shù)據(jù)包的轉發(fā)；體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上，計算機為了維護協(xié)議在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)上一定新增其他的協(xié)議數(shù)據(jù)。
- 報頭：每一層在要交付給下一層的數(shù)據(jù)上添加上本層的協(xié)議數(shù)據(jù)拼接在原始數(shù)據(jù)的開頭，其中添加的協(xié)議數(shù)據(jù)稱為報頭。
如果兩臺局域網(wǎng)處于同一個局域網(wǎng)，這兩臺主機是可以直接通信的（以太網(wǎng)，最常見的一種局域網(wǎng)標準）。站在系統(tǒng)的角度，以太網(wǎng)就是臨界資源。
局域網(wǎng)通信的原理：
- 碰撞域：在一局域網(wǎng)中，任何一臺主機，在任何時候，都可以隨時發(fā)消息。
在LInux上查看機器的MAC地址：
跨網(wǎng)段的主機的文件傳輸. 數(shù)據(jù)從一臺計算機到另一臺計算機傳輸過程中要經(jīng)過一個或多個路由器。
在上圖的過程中，MAC地址用于在局域網(wǎng)中標定主機的唯一性；而IP地址用來在廣域網(wǎng)（公網(wǎng)）標定主機的唯一性。在遠距離傳輸中，數(shù)據(jù)傳輸會經(jīng)過多個局域網(wǎng)，在數(shù)據(jù)通過不同的局域網(wǎng)時MAC地址是在不斷變化的，因為數(shù)據(jù)需要通過不同路由器傳輸，路由器用于連接兩個不同的局域網(wǎng)，而數(shù)據(jù)中的IP地址是不變的。從上圖可以得出結論，IP網(wǎng)絡屏蔽了底層網(wǎng)絡的差異，所有的IP層向上的協(xié)議發(fā)送和接收主機看到的數(shù)據(jù)是一模一樣的。
例子：假如張三在長沙讀大學，放假了張三要回家，所以張三買了去武漢的高鐵票，那么張三的起點就是長沙，目的地就是武漢；在上了高鐵之后，高鐵會經(jīng)過一個一個的站，直到到了武漢張三才會下高鐵。那么在這個過程中，源IP地址就是起點長沙，目的IP地址就是武漢，源MAC地址是高鐵在中途停留的某個高鐵站，而目的MAC地址就是高鐵下一個將要停留的高鐵站。
3.3 數(shù)據(jù)包封裝和分用
- 不同的協(xié)議層對數(shù)據(jù)包有不同的稱謂,在傳輸層叫做段(segment),在網(wǎng)絡層叫做數(shù)據(jù)報 (datagram),在鏈路層叫做幀(frame)。
- 應用層數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧發(fā)到網(wǎng)絡上時,每層協(xié)議都要加上一個數(shù)據(jù)首部(header),稱為封裝(Encapsulation).。
- 首部信息中包含了一些類似于首部有多長, 載荷(payload)有多長, 上層協(xié)議是什么等信息。
- 數(shù)據(jù)封裝成幀后發(fā)到傳輸介質上,到達目的主機后每層協(xié)議再剝掉相應的首部, 根據(jù)首部中的 “上層協(xié)議字段” 將數(shù)據(jù)交給對應的上層協(xié)議處理。
下圖為數(shù)據(jù)封裝的過程：
- 有效載荷：本層需要傳遞的數(shù)據(jù)，注意是沒有添加本層報頭的數(shù)據(jù)稱為有效載荷。
下圖為數(shù)據(jù)分用的過程：
- 首先需要注意，每一層都有多種協(xié)議，因此數(shù)據(jù)包在添加報頭的時候，也要考慮未來解包的時候將自己的有效載荷交付給上一層的哪一個協(xié)議。
- 將有效載荷交付給上層的協(xié)議稱為有效載荷的分用過程。
通過數(shù)據(jù)封裝和分用的過程可以得出以下兩個結論：
四、網(wǎng)絡中的地址管理
4.1 認識IP地址
IP協(xié)議有兩個版本, IPv4和IPv6。目前一般的使用的都是IPV4。
- IP地址是在IP協(xié)議中, 用來標識網(wǎng)絡中不同主機的地址；
- 對于IPv4來說, IP地址是一個4字節(jié), 32位的整數(shù)；
- 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(shù)字表示一個字節(jié), 范圍是 0 - 255。
4.2 認識MAC地址
- MAC地址用來識別數(shù)據(jù)鏈路層中相連的節(jié)點；
- 長度為48位, 及6個字節(jié). 一般用16進制數(shù)字加上冒號的形式來表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)；
- 在網(wǎng)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(wǎng)卡支持用戶配置mac地址)。
總結
- 上一篇： React--简单的抽卡模拟器
- 下一篇： OpenMV测距