Linux下的网络基础

文章目录

- [1. 网络引入](#1. 网络引入)
- [2. 初识协议（Protocol）](#2. 初识协议（Protocol）)
- - [2.1 协议是分层的](#2.1 协议是分层的)
  - [2.2 OSI 七层模型（了解即可）](#2.2 OSI 七层模型（了解即可）)
  - [2.3 TCP / IP 协议模型](#2.3 TCP / IP 协议模型)
  - - [2.3.1 为什么要有 TCP/IP 协议？](#2.3.1 为什么要有 TCP/IP 协议？)
    - - [通过本地通信 vs 网络通信理解](#通过本地通信 vs 网络通信理解)
    - [2.3.2 TCP/IP 协议和操作系统的关系](#2.3.2 TCP/IP 协议和操作系统的关系)
    - [2.3.3 协议的本质](#2.3.3 协议的本质)
- [3. 局域网的传输流程](#3. 局域网的传输流程)
- - [3.1 理解局域网](#3.1 理解局域网)
  - [3.2 局域网通信核心结论](#3.2 局域网通信核心结论)
  - [3.3 MAC 地址认知](#3.3 MAC 地址认知)
  - [3.4 局域网通信原理（以太网）](#3.4 局域网通信原理（以太网）)
  - [3.5 同一个网段内的两台主机进行发送消息的过程](#3.5 同一个网段内的两台主机进行发送消息的过程)
  - [3.6 对齐颗粒度](#3.6 对齐颗粒度)
- [4. 跨网络传输流程(对比局域网)](#4. 跨网络传输流程(对比局域网))
- - [4.1 对齐颗粒度](#4.1 对齐颗粒度)
  - [4.2 通过网络传输理解IP地址和mac地址](#4.2 通过网络传输理解IP地址和mac地址)
- [5. 总结](#5. 总结)

1. 网络引入

Q：为什么会产生网络？

A：计算机产生之初，只存在小范围使用 ，多用于实验室、研究室等场景。

后来，不同研究室之间出现了数据交换需求，再加上计算机的大范围普及且：

人工进行数据交换 → 繁琐、低效、易出错
数据交换需求 → 越来越频繁、越来越规模化

网络由此诞生

结论：

网络的发展过程：从局部 → 整体

2. 初识协议（Protocol）

多台主机进行通信，必须遵守统一的规则 ，就像两个人交流，必须使用同一种语言一样。

对于人与人之间： 协议 = 一种约定

Q：计算机之间如何进行约定？

A：网络协议

从 硬件到软件 都必须遵守
协议的核心作用：
- 降低通信成本
- 快速形成共识

📌 补充说明

网络协议一般由 国际标准化组织 发布

能够制定标准的组织或公司，必须是：

业界公认的龙头

2.1 协议是分层的

上述例子中，"协议" 只有两层：

🗣️ 语言层

🔌 通信设备层

假设我们只更换语言：

汉语 → 英语
通信设备层 完全不需要改动

结论：

网络协议分层的意义：解耦 → 易维护 → 易扩展

2.2 OSI 七层模型（了解即可）

国际标准化组织 ISO 提出的 OSI 七层模型

2.3 TCP / IP 协议模型

现实中使用的是 TCP/IP 五层模型：

应用层
传输层
网络层
数据链路层
物理层

2.3.1 为什么要有 TCP/IP 协议？

先回答问题：

TCP/IP 协议意义是：解决长距离网络通信。

通过本地通信 vs 网络通信理解

我们PC的内存，CPU，网卡等硬件都通过线路连接，因此可以实现本地通信。

现在假设一台 PC：

CPU 在东北
硬盘在西藏
网卡在浙江
通过足够长的线路连接

Q：这台PC还能通信吗？

A：可以。

结论：

PC内部的冯诺依曼体系本身就是一个网络结构，将远处的CPU、硬盘、网卡想象成执行相应工作的大公司，那这些大公司本质也可以看成一个大型计算机。

Q：那为什么还需要网络通信？直接用线路连接起来不就可以了？

PC 内部通信距离有限
多台主机通信 → 距离被无限拉长

📌 距离变长，问题就来了：

1️⃣ 数据丢了怎么办？

2️⃣ 如何定位目标主机？

3️⃣ 下一跳该去哪里？

4️⃣ 数据如何被正确处理？

由此就产生了TCP/IP 协议

2.3.2 TCP/IP 协议和操作系统的关系

对齐理解颗粒度：
OS是分层的，而网络协议栈也是分层的。层级如下：

层级	归属
网卡	硬件
数据链路层	驱动程序（解决当下数据应该发送到哪里的问题）
网络层 / 传输层	操作系统（分别解决数据如何定位 and 数据丢失的问的问题）
应用层	用户态（解决处理数据的问题）

重要结论

结论 1：网络是操作系统的一部分
结论 2：不同 OS 的网络部分一定相同

这就是：

Windows
Linux
macOS / iOS

👉 可以互相通信的根本原因，因为他们的网络部分一定是一样的。

2.3.3 协议的本质

协议的本质：约定好的结构体，通信双方都认识的结构化数据类型。

因为协议是分层的，所以每层都有双方的协议，并且同层之间相互认识。

举个例子：比如快递单，收发双方都能够认识，这个快递单如果用C语言来表示，就是 struct 结构体，而快递单子就是双方的协议。

3. 局域网的传输流程

目前主流的局域网形式：

以太网
无线 LAN
令牌环网（基本淘汰）

3.1 理解局域网

简单认识一下局域网，举个生活中的例子：

同学们在同一间教室上课，老师喊了学生A，老师和学生A双方都认为是一对一的在通信，但其他学生都听到了老师的消息，但是不做回应。只有学生A对老师的消息做出回应。因为学生A是具有唯一性的，老师喊了谁，那老师的消息就是由该学生接收的。

对于局域网，就好比这间教室，而局域网内的每台pc就是每名学生，每台pc是通过MAC地址来标识自己的唯一性的！

注：MAC地址是在网卡出厂时就确定了，且全球唯一！不可更改！

3.2 局域网通信核心结论

同一局域网内 → 各台主机可以直接通信
各个主机的唯一标识 → MAC 地址

3.3 MAC 地址认知

ipconfig /all可以查看自己的IP信息
mac地址用来识别数据链路层中相连的结点
mac地址长度为6Bytes（48位），一般用16进制数字＋冒号的形式表示（如：08:00:27:03:fb:19）
mac地址在网卡出厂时就确定了，一般不能修改。mac地址通常是唯一的（虚拟中的mac地址不是真实的mac地址，可能会冲突）

3.4 局域网通信原理（以太网）

当主机A发送数据时，会将目标地址填到dst中。

其他主机会根据自己的src地址进行对比，不同则不做处理。

src与dst地址相同则做处理，因此只有主机E会做回应。

结论：

以太网中，任何时刻，只允许一台机器向网络中发送数据。
如果由多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞。
没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域。
所有发送数据的主机要进行碰撞检测 和碰撞避免。

所以以太网本质是： 共享资源（任何时候只允许一台主机向以太网中发送数据），也就是临界资源，因此需要维持互斥属性。

3.5 同一个网段内的两台主机进行发送消息的过程

同一网段就是指同一局域网下。局域网内不同pc之间如何通过网络实现数据的传递的？

之所以这么问，首先需要明确一点：那就是90%的网络通信是用户之间进行的，是人借助pc和网络进行通信！

而用户(人)无论在操作系统还是网络系统中，都是处于用户层的！

因此：两台局域网内pc之间通过网络进行数据传递应当是，由用户层自顶而下，经过网卡A传递给网卡B时，再由网卡B自底而上交付给用户层。

数据传输流程图：

• 对于左边发送方：

每层都有协议。
报文 = 报头 + 有效载荷（实实在在的数据）
报头是协议的 "信息载体"，协议是报头的 "设计依据"。协议是看不见的规则，报头是看得见的信息结构。

想一个收快递的例子：我们收到的快递本身是一个盒子加上盒子上的一张信息纸，而不是物品本身。报头就是盒子上的那张纸。我们想买的物品就是盒子里的东西，但是我们收到的会比我们需要的多一部分。

报文在每一层传递时，会从上向下传递。因此每一层的报文都是：当前层的协议报头 + 上一层的报文。这实际上就是报文封装的过程。
自顶向下的封装，经网卡传递给pc2。

由此解释自顶向下封装的原因：操作系统是硬件的管理者，所以必须贯穿整个操作系统，也就是贯穿协议栈。

• 对于右边接收方：

需要做解包和分用，将当前层的报头和有效载荷(上一层的报文)分离，再将有效载荷交付给上层，
这样层层解包分离，最终两台不同pc之间在同层看到了相同的报头和报文。

结论1：不考虑应用层协议，任何协议在实现时，必须做到：

a. 报头必须要能做到：和有效载荷进行分离的能力

b. 报头中必须包含：如何将自己的有效载荷，交付给上层的哪一个协议的能力。
注：每一层有很多协议构成

结论2：数据链路层收到报文，对比mac地址，该报文不是发给该主机，数据链路层就会直接丢弃该报文。

注：数据链路层存储当前pc的MAC地址和目标pc的MAC地址

结论3：封装的过程其实就是入栈的过程，解包和分用是出栈的过程，所以把网络的分层叫做协议栈。

这里太妙了，网络的分层结构就是一个栈！！

3.6 对齐颗粒度

应用层的报文又叫请求与应答
传输层的报文又叫数据段
网络层的报文又叫数据报
数据链路层的报文又叫数据帧 (传数据时，又叫传了一个数据帧)
混杂模式是指：不做差别接收所有局域网中的数据（数据链路层不再对比mac地址，而是将所有的报文全部都向上传输）这也就是抓包的本质，就是设置了网卡模式

4. 跨网络传输流程(对比局域网)

4.1 对齐颗粒度

IP 协议有两个版本, IPv4 和 IPv6 ，我们一般讨论IPv4。
IP 地址是在 IP 协议中用来标识网络中不同主机的地址。
对于 IPv4 来说, IP 地址是一个 4 字节, 32 位的整数。
我们通常使用 "点分十进制" 的字符串表示 IP 地址, 例如 192.168.0.1 ; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255。
IP地址是用来标识全球范围内，主机的唯一性(这里的IP地址指的是公网IP)

注：公网和内网是用来解决IP地址不足的问题。公网下的IP地址不允许重复，内网可以（这里的内网重复是指不同公网下的内网可以重复）。

Q：IP地址是标识主机唯一性的，MAC地址也是，二者有什么区别？

A：IP地址是最初起点到最后终点，IP地址从始至终不改变，意义是路由的参考依据。而MAC地址是中间站的起点和终点。对于长距离网络通信，IP地址的终点和起点始终是不变的，而源mac地址和目标mac地址一直在变。

Q：为什么有了mac还要有ip地址？？

网络是从局部到整体发展的，也就是说：刚开始只有局域网，也就只有mac地址。但是随着发展出现了IP地址，总不能将之前的mac地址废除。
之前pc之间的通信只存在于局域网之间，并且数量也不多，所以通过交换机查表就可以找到对应的pc，但是随着网络发展，出现了很多局域网，局域网之间如果只通过mac地址通信效率很低，所以增加了ip地址。有点像页目录和页表的关系。

4.2 通过网络传输理解IP地址和mac地址

对齐颗粒度：

路由器的作用是用来桥接两个子网的。
路由器也存在IP地址。
路由器也是支持多层的，有数据链路层和网络层，当代路由器已经可以到应用层了。
路由器有多张网卡。

两个主机之间的通信实际上两个协议栈之间的通信。

流程分析：

对于用户A，他想经主机A、主机B将数据发送给用户B时，首先会在主机A进行封装操作，到网络层时，会将主机A的IP地址和主机B的IP地址(即目标地址)纳入报文中。
此时网络层必须具备一种功能：识别目标IP地址是否在当前局域网内！
如果主机B的IP不在当前局域网内，那么主机A在向下层封装时，数据链路层会将路由器的MAC地址作为目标地址。经网卡将报文发送给路由器。（主机A能和路由器直接通信的原因是：二者处在同一个局域网）

注：根据IP地址的前几位来识别是否处于同一局域网内。

路由器收到报文后，对报文进行解包分离，路由器在网络层就看到了主机A的IP和主机B的IP。路由器在另一张网卡中，根据主机B的前几位IP地址，来确定主机B的MAC地址，数据链路层存储了路由器中另一个网卡的MAC地址和主机B的MAC地址，再经网卡将报文传给主机B
主机B进行解包分离操作后，用户B最终得到用户A的数据。

• 知识补充：

电脑没联网的情况下是没有IP地址的。当接入网络后路由器给电脑分配IP地址。路由器具有构造子网的功能。
IP地址可以更改，在家和在学校的IP地址不同。mac由网卡决定，出厂时就决定，不可更改。

5. 总结

网络层+IP的本质意义：给网络提供了一层虚拟化层，让世界上所有的网络都叫做IP网路。这也是从局部到整体的精髓。

完