Linux网络初始及网络通信基本原理

文章目录

- 一、计算机网络背景
- - [1. 网络发展历程](#1. 网络发展历程)
- 二、认识"协议"
- - [1. 什么是协议？](#1. 什么是协议？)
  - [2. 为什么需要协议？](#2. 为什么需要协议？)
  - 3、协议分层
- [三、OSI 七层模型](#三、OSI 七层模型)
- [四、TCP/IP 五层模型](#四、TCP/IP 五层模型)
- 五、网络中的地址管理
- - [1. IP 地址](#1. IP 地址)
  - [2. MAC 地址](#2. MAC 地址)
- 六、网络传输基本流程
- - 数据传输流程
- 七、以太网(一种局域网)通信介绍
- 八、跨网络通信

一、计算机网络背景

1. 网络发展历程

独立模式：早期计算机相互独立，数据不共享，业务处理效率低。
网络互联：多台计算机连接，实现数据共享，提升协作效率。
局域网（LAN）：小范围内多台计算机通过交换机、路由器连接。
广域网（WAN）：跨越地理范围的大规模网络连接，如跨城市、国家。

提示：局域网和广域网是相对概念，例如中国的"广域网"也可视为一个大型局域网。

二、认识"协议"

1. 什么是协议？

协议是通信双方约定好的数据格式和规则。

通俗的理解，协议就是双方都认识的结构化的数据类型

举个例子：

在寄快递的时候会需要填快递单，而快递单上就会有各种信息，寄件人姓名，始发地，单号等，这些信息双方都知道其中的意思，也就是说，快递单就是寄件人和收件人双方所做的一个约定，这个约定依赖着快递公司所制定的协议

计算机通过光信号、电信号传输数据，需约定频率、强弱等表示 0 和 1 的方式。

2. 为什么需要协议？

本质目的是解决因为通信距离增加而带来的新问题，而使用协议就是为了解决这些问题。

这些问题包括：

通信距离远，需要通过路由器转发，怎么先发到路由器？
网络上主机过多，怎么确定需要发送的主机"位置"
数据发送出去，发生丢失怎么办？
发送只是为了将数据送到接收方手中，但最终的目的是为了让接收方使用处理数据，接收方式怎么知道如何处理呢？

3、协议分层

协议的具有不同性质，即存在不同种类的问题，因此根据处理问题类型的不同，需要将协议进行分层

分层的好处

模块化设计：低耦合，每层独立，易于开发、维护和替换。
封装性：每层只需关心自己的协议，无需了解其他层的细节。

三、OSI 七层模型

OSI模型是一个理想化的、理论上的概念模型，由国际标准化组织提出。它的核心价值在于提供了一个通用的标准框架，帮助我们理解和设计网络体系结构。它严格分为七层，每一层都为上一层提供服务，并调用下一层的服务，层与层之间通过接口进行通信。

层级	名称	核心功能与说明	数据单元	典型协议/设备
7	应用层	与用户直接交互，为应用程序提供网络服务接口。它决定了"为谁服务"。 - 例如：浏览器、电子邮件客户端	数据/报文	HTTP, HTTPS, FTP, SMTP, DNS, Telnet 设备：计算机、服务器上的应用程序本身
6	表示层	数据的翻译官，负责数据格式的转换、加密和解密、压缩和解压缩。 - 例如：将数据从GBK编码转为UTF-8	数据/报文	JPEG, MPEG, SSL/TLS（加密）、ASCII 设备：通常由软件实现，无独立设备
5	会话层	对话的协调者，负责建立、管理和终止两个应用进程之间的通信会话。 - 例如：断点续传、会话认证	数据/报文	NetBIOS, RPC 设备：通常由软件实现，无独立设备
4	传输层	端到端的可靠通信，负责将数据从源端送到目的端，并提供差错恢复和流量控制。 - 核心问题："对方收到了吗？"	段	TCP（传输控制协议） - 面向连接、可靠 UDP（用户数据报协议） - 无连接、高效设备：防火墙
3	网络层	寻址和路由，负责将数据包从一个网络路由到另一个网络，实现全球互联。 - 核心问题："走哪条路？"	包/数据报	IP（网际协议）、ICMP、ARP、路由器设备：路由器
2	数据链路层	相邻节点间的可靠传输，负责在同一局域网内通过MAC地址进行寻址，并提供差错校验。 - 核心问题："下一个设备是谁？"	帧	以太网协议、PPP、交换机、网桥设备：交换机、网桥
1	物理层	比特流的透明传输，定义物理设备的电气、机械、过程和功能规范，负责传输原始的比特流（0和1）。 - 核心问题："信号和媒介是什么？"	比特	RJ-45、光纤、同轴电缆、集线器、中继器设备：集线器、中继器、网卡、调制解调器

为什么OSI模型不常用？

过于复杂和理想化：将功能划分得过细，例如会话层和表示层在实际中很少被单独实现。
历史竞争：在OSI标准制定完成时，更简单、实用的TCP/IP协议栈已经在互联网上被广泛部署和应用。

四、TCP/IP 五层模型

TCP/IP模型并非由官方机构设计，而是源于美国国防部的ARPANET项目 ，并在互联网的发展中成为事实上的国际标准 。它是一个协议簇，更注重实践而非严格的分层。我们常说的"五层模型"是为了教学和理解方便，将OSI的底两层保留，同时将OSI的上三层合并为"应用层"，从而与TCP/IP协议栈对应起来。

TCP/IP 分层	核心功能与说明	对应OSI层	数据单元	常见协议	典型设备
应用层	将OSI的应用层、表示层、会话层功能合一。直接为用户的应用程序进程提供通信服务。	5, 6, 7	数据/报文	HTTP/HTTPS （网页）、FTP （文件传输）、SMTP/POP3 （邮件）、DNS （域名解析）、SSH	计算机、服务器
传输层	与OSI传输层功能完全一致。负责端到端的通信，确保数据可靠、有序、无差错地传输。	4	段	TCP （可靠，如网页、邮件）、UDP（高效，如DNS、视频流）	防火墙
网络层	与OSI网络层功能基本一致。也称为网际层，是整个TCP/IP模型的核心，负责将数据包发往全球任何网络。	3	包/数据报	IP （核心）、ICMP （ping命令）、ARP（地址解析）	路由器（核心设备）
数据链路层	与OSI数据链路层功能基本一致。负责在同一个子网内，通过MAC地址将数据帧从一个设备传输到另一个相邻设备。	2	帧	以太网、Wi-Fi（IEEE 802.11）、PPP	交换机、网桥、网卡
物理层	与OSI物理层功能完全一致。负责将帧中的比特流转换为物理信号（电信号、光信号、无线电波）在媒介中传输。	1	比特	-	集线器、中继器、网线、光纤、无线AP

重要说明：

TCP/IP四层模型 ：当忽略物理层（即不关心具体传输介质）时，就变成了四层模型：应用层、传输层、网络层、网络接口层。其中"网络接口层"对应了OSI的数据链路层和物理层。
为什么TCP/IP模型是"实践的混合模型"？ 因为它没有严格遵循OSI的七层划分，而是根据实际通信需求，将功能更紧凑地组合在一起，形成了以IP协议为核心的、高效且灵活的体系结构。

五、网络中的地址管理

1. IP 地址

用于标识网络中不同主机的逻辑地址。
IPv4：32位，4字节，常用点分十进制表示（如 192.168.0.1）。
IPv6：128位，解决 IPv4 地址不足问题。

2. MAC 地址

用于识别数据链路层中的设备。
48位，6字节，十六进制表示（如 08:00:27:03:fb:19）。
出厂时固化在网卡中，通常唯一（虚拟机除外，虚拟机不是真实的mac地址，可能会产生冲突），有些网卡支持用户配置mac地址

六、网络传输基本流程

数据传输流程

在网络传输的时候，发送方上层所要传送的数据会经过层层封装，每一层会加入自己的报头，形成一个新的数据报，然后交给下一层。对于下层来说，上层交付的新的数据报就是该层的有效载荷（有效数据），加上自已的报头，就形成了该层的报文。

在接收方收到一个报文后，他会进行层层拆封，底层根据自身的协议将报头拆分，将有效数据递给上层，层层拆封，最终拿到用户层所需要的真正的数据。

在宏观上，我们可以认为发送方和接收方在每一层都在进行传输数据。应用层传输给应用层，传输层传输给传输层，以此类推，因为每一层的数据在经过拆封和解封后，同一层拿到的有效载荷一定是一样的。

网络协议栈

在上方的网络传输基本流程中，发送方在进行层层封装，不断的将报头插入在数据头部，就像在一个栈里不断插入数据，而在接收方，不断的拆分报头，就像在一个栈里弹出数据，因此网络传输也可以称为网络协议栈传输数据。

网络协议的共性：

报头和有效载荷分离的问题---解包
除了应用层，每一层协议，都必须解决一个问题，自己的有效载荷，应该要交给上层的那一种协议---分用，下层封装上层的协议

网络传输流程总结一下就是

数据从应用层开始，逐层封装，每层添加首部信息。
到达目标后，逐层解封装 （也称作分用），根据首部信息交给上层协议，

七、以太网(一种局域网)通信介绍

在局域网中，两台主机之间可以进行通信，他们具有标识主机的唯一性标识mac地址，下面介绍一下通信的大致过程

假设有5台主机A，B，C，D，E，他们处于同一个局域网，并且每一个主机的mac地址为macA，macB，以此类推。

主机B要给主机D发送信息"hello D"，这个数据在经过网络协议栈的层层包装后，在某一层会加上自己的mac地址macA，以及目标主机的mac地址macD，并且将要发送的信息也封装在数据中。

当信息发送到局域网上，其他主机都可以接受到该消息，但是他们会比对该消息的目的mac地址macD，若不是自己的则直接丢弃，若是，则进一步进行拆封，交给自己的上层。

最终，D主机会识别到该信息的目标是自己，则会接受消息交给上层。

该方法的特点：

以太网中,任何时刻，只允许一台机器向网络中发送数据
如果有多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞
所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免
没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域
局域网通信的过程中，主机对收到的报文确认是否是发给自己，是通过目标mac地址判定

八、跨网络通信

路由：不是发给自己局域网主机的报文，就推送给路由器。

路由器是应用在网络层的设备，他具有多张网卡，可以同时处于不同的局域网中，当不同的局域网进行通信是，就会经过路由器转发，就相当于两节两个大陆的"桥梁"。

在跨网络通信中，需要由路由器来进行转发，发送方要将数据发送给另一个局域网中的接收方，发送了数据后在发送方的局域网中无接收方的ip地址，此时就会交给路由器进行转发，路由器选择有目的ip的局域网并将数据交给该局域网，如果没有，那么会交给另外一个路由器，知道找到为止。此时就相当于路由器在该局域网中的通信，底层采用的协议对上层没有影响，无论是令牌环还是以太网或者其他局域网协议，他们都工作在各自的局域网中，最终交送的数据在网络层之上看到的都相同。也就相当于将局域网的协议进行了屏蔽，下层无论用什么，都不影响上层。

举一个例子：

如图所示，存在2个局域网，第一个局域网中有用户A，C，D，第二个局域网中有B，E，F，他们由一个路由器相连。macA为A主机mac地址，BCD......类似。

上图省略了用户层和传输层的报头，因为在此只为解释跨网络通信基本原理。

当用户A想将数据"你好"发送给另一个局域网中的用户B的时候，会经历6个过程，对应图中的标注

用户A将数据进行封装，在网络层封装了源IP地址（src）和目的IP地址（dst），在数据链路层封装了源mac地址和目的mac地址，这里的目的mac地址是指在链路层上的"下一站"，并非接收方用户B的mac地址

用户A封装好的数据在链路上传播，期间用户C，用户D以及路由器的left网卡都可以接收到，但是他们会将目的mac地址与自身mac地址比对，最终只有路由器的left端口识别接收到了该数据。

路由器接收到数据后进行解封，分用，将数据链路层的报头拆掉，剩余数据交由网络层

路由器网络层识别到目的IP地址在右边的局域网中，于是将第3步得到的有效数据再次进行封装，此时源mac地址为送往目的局域网的端口的mac地址，即macright，目的mac地址为macB，封装好后交由网卡进行发送

由路由器转发的数据在用户B所在的局域网传播，传播方式与2类似，最终只有主机B接收到该数据

主机B进行拆封，最终比对目的IP地址为自己，则进一步拆封，拆掉网络层报头后，剩余数据交由上层处理。

从上述示例，我们可以看到，在网络层我们拿到的有效载荷都是一样的。在实际的tcp/ip协议的跨网络传输中，每一个主机在网络层以及网络层的上层拿到的报文（每一层的有效载荷）在整个网络中都是一样的。

因此ip可以屏蔽底层的网络差异，我们生活中所使用的网络都可以称为IP网络。

上述示例只经过了一个路由器转发，在实际中可能会经过多个路由器转发，因此数据在整个网络中的传输示意图如下：