计算机网络基础

1. 什么是互联网协议

   一系列统一的标准，这些标准称之为互联网协议，互联网的本质就是一系列的协议，总称为‘互联网协议’（Internet Protocol Suite)。

   互联网协议的功能：定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机通信的标准。

2. osi七层协议

   互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

   

   我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，搞清楚了每层的主要协议，就理解了整个互联网通信的原理。

   • 物理层

     物理层的由来：孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网。

     

     物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

   • 数据链路层

     数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思

     数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

     • 以太网协议

       早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet

       ethernet规定：一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧。每一数据帧分成报头head和数据data两部分

       head包含：① 发送者/源地址 ② 接受者/目标地址 ③ 数据类型

       data包含：数据包的具体内容

     • mac地址

       head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址

       mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示

       

     • arp协议

       arp协议：通过目标IP地址获取目标mac地址的一个协议

       arp协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，而通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议

       arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

       协议工作方式：每台主机ip都是已知的

       例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

       一：首先通过IP地址和子网掩码区分出自己所处的子网

       ​ 将子网掩码和IP地址进行与（&）运算即可得出IP地址所处的网段

       二：分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24是否处于同一网络

       ​ 场景：同一子网 数据包地址：目标主机mac，目标主机IP

       ​ 场景：不同子网 数据包地址：网管mac，目标主机IP

       ​ (如果不是同一网络，那么目标IP为172.16.10.11,通过arp获取的是网关的mac)

       三：这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标IP为自己的，就响应，返回自己的mac地址

     • 广播

       有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）

       ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼

       

       服务器1按照上图的格式以广播的方式给服务器4发送以太网包，然而服务器234都会收到服务器1发来的包，拆开后发现目标mac地址不是自己的，就会将其丢弃，若是发现目标mac是自己的，就会做出响应。

   • 网络层

     网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难。

     

     上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关。

     网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址

     • IP协议

       规定网络地址的协议叫IP协议，它定义的地址称之为IP地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示，范围0.0.0.0-255.255.255.255，一个IP地址通常写成四段十进制数，例：192.168.1.1

     • IP地址

       IP地址分成两部分

       1. 网络部分：标识子网
       2. 主机部分：标识主机

       注意：单纯的IP地址段只是标识了IP地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个IP所处的子网

       例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

     • 子网掩码

       所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

       知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

   • 传输层

     传输层的由来：网络层的IP帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启QQ，暴风影音，等多个应用程序，

     那么我们通过IP和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

     传输层功能：建立端口到端口的通信

     补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

     • TCP协议

       可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

     • UDP协议

       不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

     • TCP与UDP的对比

       TCP：传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。
       UDP：用户数据报协议，是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快

     • TCP的三次握手和四次挥手

       

       三次握手

       TCP是主机对主机层的传输控制协议，提供可靠的连接服务，采用三次握手确认建立一个连接:

       位码即tcp标志位,有6种标示:SYN(synchronous建立联机) ACK(acknowledgement 确认) PSH(push传送) FIN(finish结束) RST(reset重置) URG(urgent紧急)

       Sequence number(顺序号码) Acknowledge number(确认号码)

       第一次握手：主机A发送位码为syn＝1,随机产生seq number=1234567的数据包到服务器，主机B由SYN=1知道，A要求建立联机；

       第二次握手：主机B收到请求后要确认联机信息，向A发送ack number=(主机A的seq+1),syn=1,ack=1,随机产生seq=7654321的包

       第三次握手：主机A收到后检查ack number是否正确，即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1，若正确，主机A会再发送ack number=(主机B的seq+1),ack=1，主机B收到后确认seq值与ack=1则连接建立成功。

       完成三次握手，主机A与主机B开始传送数据。

       一个完整的三次握手也就是 请求—应答—再次确认

       四次挥手：

       由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

       （1）客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送。

       （2）服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。

       （3）服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A。

       （4）客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

   • 应用层

     应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开放的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式

     应用层功能：规定应用程序的数据格式。

     例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

3. 每层运行的常见物理设备

   

4. 每层运行的常见的协议

   

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