計算機網絡基礎

1. 什么是互聯網協議

   一系列統一的標准，這些標准稱之為互聯網協議，互聯網的本質就是一系列的協議，總稱為‘互聯網協議’（Internet Protocol Suite)。

   互聯網協議的功能：定義計算機如何接入internet，以及接入internet的計算機通信的標准。

2. osi七層協議

   互聯網協議按照功能不同分為osi七層或tcp/ip五層或tcp/ip四層

   

   我們將應用層，表示層，會話層並作應用層，從tcp／ip五層協議的角度來闡述每層的由來與功能，搞清楚了每層的主要協議，就理解了整個互聯網通信的原理。

   • 物理層

     物理層的由來：孤立的計算機之間要想一起玩，就必須接入internet，言外之意就是計算機之間必須完成組網。

     

     物理層功能：主要是基於電器特性發送高低電壓(電信號)，高電壓對應數字1，低電壓對應數字0

   • 數據鏈路層

     數據鏈路層由來：單純的電信號0和1沒有任何意義，必須規定電信號多少位一組，每組什么意思

     數據鏈路層的功能：定義了電信號的分組方式

     • 以太網協議

       早期的時候各個公司都有自己的分組方式，后來形成了統一的標准，即以太網協議ethernet

       ethernet規定：一組電信號構成一個數據包，叫做‘幀。每一數據幀分成報頭head和數據data兩部分

       head包含：① 發送者/源地址 ② 接受者/目標地址 ③ 數據類型

       data包含：數據包的具體內容

     • mac地址

       head中包含的源和目標地址由來：ethernet規定接入internet的設備都必須具備網卡，發送端和接收端的地址便是指網卡的地址，即mac地址

       mac地址：每塊網卡出廠時都被燒制上一個世界唯一的mac地址，長度為48位2進制，通常由12位16進制數表示

       

     • arp協議

       arp協議：通過目標IP地址獲取目標mac地址的一個協議

       arp協議由來：計算機通信基本靠吼，即廣播的方式，所有上層的包到最后都要封裝上以太網頭，然后通過以太網協議發送，而通信是基於mac的廣播方式實現，計算機在發包時，獲取自身的mac是容易的，如何獲取目標主機的mac，就需要通過arp協議

       arp協議功能：廣播的方式發送數據包，獲取目標主機的mac地址

       協議工作方式：每台主機ip都是已知的

       例如：主機172.16.10.10/24訪問172.16.10.11/24

       一：首先通過IP地址和子網掩碼區分出自己所處的子網

       ​ 將子網掩碼和IP地址進行與（&）運算即可得出IP地址所處的網段

       二：分析172.16.10.10/24與172.16.10.11/24是否處於同一網絡

       ​ 場景：同一子網 數據包地址：目標主機mac，目標主機IP

       ​ 場景：不同子網 數據包地址：網管mac，目標主機IP

       ​ (如果不是同一網絡，那么目標IP為172.16.10.11,通過arp獲取的是網關的mac)

       三：這個包會以廣播的方式在發送端所處的自網內傳輸，所有主機接收后拆開包，發現目標IP為自己的，就響應，返回自己的mac地址

     • 廣播

       有了mac地址，同一網絡內的兩台主機就可以通信了（一台主機通過arp協議獲取另外一台主機的mac地址）

       ethernet采用最原始的方式，廣播的方式進行通信，即計算機通信基本靠吼

       

       服務器1按照上圖的格式以廣播的方式給服務器4發送以太網包，然而服務器234都會收到服務器1發來的包，拆開后發現目標mac地址不是自己的，就會將其丟棄，若是發現目標mac是自己的，就會做出響應。

   • 網絡層

     網絡層由來：有了ethernet、mac地址、廣播的發送方式，世界上的計算機就可以彼此通信了，問題是世界范圍的互聯網是由一個個彼此隔離的小的局域網組成的，那么如果所有的通信都采用以太網的廣播方式，那么一台機器發送的包全世界都會收到，這就不僅僅是效率低的問題了，這會是一種災難。

     

     上圖結論：必須找出一種方法來區分哪些計算機屬於同一廣播域，哪些不是，如果是就采用廣播的方式發送，如果不是，就采用路由的方式（向不同廣播域／子網分發數據包），mac地址是無法區分的，它只跟廠商有關。

     網絡層功能：引入一套新的地址用來區分不同的廣播域／子網，這套地址即網絡地址

     • IP協議

       規定網絡地址的協議叫IP協議，它定義的地址稱之為IP地址，廣泛采用的v4版本即ipv4，它規定網絡地址由32位2進制表示，范圍0.0.0.0-255.255.255.255，一個IP地址通常寫成四段十進制數，例：192.168.1.1

     • IP地址

       IP地址分成兩部分

       1. 網絡部分：標識子網
       2. 主機部分：標識主機

       注意：單純的IP地址段只是標識了IP地址的種類，從網絡部分或主機部分都無法辨識一個IP所處的子網

       例：172.16.10.1與172.16.10.2並不能確定二者處於同一子網

     • 子網掩碼

       所謂”子網掩碼”，就是表示子網絡特征的一個參數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分全部為1，主機部分全部為0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知網絡部分是前24位，主機部分是后8位，那么子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。

       知道”子網掩碼”，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），然后比較結果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網絡中，否則就不是。

   • 傳輸層

     傳輸層的由來：網絡層的IP幫我們區分子網，以太網層的mac幫我們找到主機，然后大家使用的都是應用程序，你的電腦上可能同時開啟QQ，暴風影音，等多個應用程序，

     那么我們通過IP和mac找到了一台特定的主機，如何標識這台主機上的應用程序，答案就是端口，端口即應用程序與網卡關聯的編號。

     傳輸層功能：建立端口到端口的通信

     補充：端口范圍0-65535，0-1023為系統占用端口

     • TCP協議

       可靠傳輸，TCP數據包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網絡的效率，通常TCP數據包的長度不會超過IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包不必再分割。

     • UDP協議

       不可靠傳輸，”報頭”部分一共只有8個字節，總長度不超過65,535字節，正好放進一個IP數據包。

     • TCP與UDP的對比

       TCP：傳輸控制協議,提供的是面向連接、可靠的字節流服務。當客戶和服務器彼此交換數據前，必須先在雙方之間建立一個TCP連接，之后才能傳輸數據。TCP提供超時重發，丟棄重復數據，檢驗數據，流量控制等功能，保證數據能從一端傳到另一端。
       UDP：用戶數據報協議，是一個簡單的面向數據報的運輸層協議。UDP不提供可靠性，它只是把應用程序傳給IP層的數據報發送出去，但是並不能保證它們能到達目的地。由於UDP在傳輸數據報前不用在客戶和服務器之間建立一個連接，且沒有超時重發等機制，故而傳輸速度很快

     • TCP的三次握手和四次揮手

       

       三次握手

       TCP是主機對主機層的傳輸控制協議，提供可靠的連接服務，采用三次握手確認建立一個連接:

       位碼即tcp標志位,有6種標示:SYN(synchronous建立聯機) ACK(acknowledgement 確認) PSH(push傳送) FIN(finish結束) RST(reset重置) URG(urgent緊急)

       Sequence number(順序號碼) Acknowledge number(確認號碼)

       第一次握手：主機A發送位碼為syn＝1,隨機產生seq number=1234567的數據包到服務器，主機B由SYN=1知道，A要求建立聯機；

       第二次握手：主機B收到請求后要確認聯機信息，向A發送ack number=(主機A的seq+1),syn=1,ack=1,隨機產生seq=7654321的包

       第三次握手：主機A收到后檢查ack number是否正確，即第一次發送的seq number+1,以及位碼ack是否為1，若正確，主機A會再發送ack number=(主機B的seq+1),ack=1，主機B收到后確認seq值與ack=1則連接建立成功。

       完成三次握手，主機A與主機B開始傳送數據。

       一個完整的三次握手也就是 請求---應答---再次確認

       四次揮手：

       由於TCP連接是全雙工的，因此每個方向都必須單獨進行關閉。這個原則是當一方完成它的數據發送任務后就能發送一個FIN來終止這個方向的連接。收到一個 FIN只意味着這一方向上沒有數據流動，一個TCP連接在收到一個FIN后仍能發送數據。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方執行被動關閉。

       （1）客戶端A發送一個FIN，用來關閉客戶A到服務器B的數據傳送。

       （2）服務器B收到這個FIN，它發回一個ACK，確認序號為收到的序號加1。和SYN一樣，一個FIN將占用一個序號。

       （3）服務器B關閉與客戶端A的連接，發送一個FIN給客戶端A。

       （4）客戶端A發回ACK報文確認，並將確認序號設置為收到序號加1。

   • 應用層

     應用層由來：用戶使用的都是應用程序，均工作於應用層，互聯網是開放的，大家都可以開發自己的應用程序，數據多種多樣，必須規定好數據的組織形式

     應用層功能：規定應用程序的數據格式。

     例：TCP協議可以為各種各樣的程序傳遞數據，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了”應用層”。

3. 每層運行的常見物理設備

   

4. 每層運行的常見的協議

   

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