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一#xff0c;关于网络
二#xff0c;协议
2.1 协议是什么#xff0c;有什么用#xff1f;
2.2 协议标准谁定的#xff1f;
2.3 协议分层 2.4 OSI 七层模型
2.5 TCP/IP 四层模型
三#xff0c;网络传输基本流程
3.1 局域网中两台主机通信*
3.2 报文的封装与…目录
一关于网络
二协议
2.1 协议是什么有什么用
2.2 协议标准谁定的
2.3 协议分层 2.4 OSI 七层模型
2.5 TCP/IP 四层模型
三网络传输基本流程
3.1 局域网中两台主机通信*
3.2 报文的封装与解包
3.3 以太网通信
3.4 数据碰撞
3.5 跨网络的两台主机通信*
四网络中的地址管理
4.1 Mac地址
4.2 IP地址
五补充
5.1 “以太网”名字的由来
5.2 集线器
5.3 如何看待局域网 一关于网络 独立模式计算机之间相互独立 在早期的时候计算机是相互独立的但有时一台计算机难以完成某个大型计算所以需要多台计算机协同完成业务那么就只能等一台计算机处理完后再将数据传递给下一台计算机然后下一台计算机再进行相应的业务处理效率比较低下 网络互联多台计算机相互独立 于是为了更方便计算机之间进行数据交互于是就用一根数据线将三台电脑连上一个总的计算机这个计算机就叫做“服务器”所以这时就可以将共享的数据放到服务器中进行集中管理此时各个计算机就能获取到这些共享的数据了所以各个业务在处理时就能随时进行切换了 局域网LAN计算机的数量更多了通过交换机和路由器连接在一起 后来这样的网络雏形逐渐发展连入这个网络中的机器变得越来越多于是就有了局域网的概念
交换机的作用后面会介绍 广域网WAN将远隔千里的计算机连接在一起 各个局域网之间通过入口路由器和出口路由器相互连接在一起便组成了一个更大的网络结构我们称之为“广域网”。广域网和局域网是相对的概念也可以把广域网看作一个非常大的局域网 比如我们在学校里使用的校园网就是一个在校园范围内建立的局域网只在校园里有信号出了校园就没了
二协议
2.1 协议是什么有什么用
协议是一种约定。
两台计算机使用网络连接上后相隔距离可能会变得非常长而且数据也是有类别的有些数据就单纯的就是数据而有些数据是对另一台计算机的请求指令所以数据类别不同对数据的处理方式可能也会不同 场景 以前家里只有座机打电话时对方接了就要收费对方没接就不收费我在远方上大学老爸在家里于是我就和老爸约定每次往家里打电话响一声代表报平安响两声代表需要打生活费响三声才接电话这种我和我爸对响几声有什么含义表示我和我爸的一种约定而这就叫做我和你爸达成的某种协议 问题为啥要这样做 解答能减少沟通的成本提高双方沟通的效率 问题如何保证你的数据能准确到达下一个设备长距离传输的数据丢失如何解决如何定位主机接收方如何处理数据 解答前三个是数据问题第四个是应用问题丢包有tcp协议来解决定位主机就通过ip协议来数据能准确到达下一个设备用数据链路层来解决 上面所有的数据问题归根结底就一点单纯的传输距离变长了 场景
我们收快递我们只需要快递盒子里面的东西但是我们买的东西都会有一个盒子包装起来并且还贴上一张纸这个盒子以及上面的那张纸我们就称之为“协议”发给我们的东西比原来的东西多发给了我一些东西那张纸上面有很多信息如果对应到代码上就可以用结构体来表示计算机之间的传输媒介是光信号和电信号通过“频率”和“强弱”来表示 0 和 1 这样的信息要想传递各种不同的信息就需要约定好双方的数据格式 总结 协议就是双方的一种约定最终它的表现形式就是结构体对象。两个主机有相同的结构体对象这样的话传输的时候另一个主机就能立马识别到收到的结构体信息提高数据传输效率计算机生产厂商有很多OS也有很多硬件设备也有很多所以光光有协议也不够所以必须要有一个硬件通信标准称为“行业标准”硬件标准软件协议协议只是标准的一个子集 2.2 协议标准谁定的 上面也说过了现在的计算机生产厂商很多计算机操作系统也很多计算机硬件更多那么为了让这样的不同厂商的计算机能够相互顺畅地使用网络通信那么就需要有一个代表站出来与所有厂商约定一个共同地标准并且要求大家都遵守这样地标准这就是“网络协议”。
而这个代表一般都是该领域中地“大佬”因为网络协议地定制就是“规则”的定制比如5G标准就是华为定义的因为华为在通信领域已经是“大佬”了所以它就是通信领域的代表
正所谓“一流的企业做标准二流的企业做品牌三流的企业做产品”。标准的定制已不是是公益性开源性的制定标准的目的是为了更方便人们的生活的同时在服务人们的同时还有一部分是有一定盈利性质的就比如“专利”毕竟人家也是要吃饭的能够理解
2.3 协议分层
操作系统里有多种协议所以要进行协议管理 -- 先描述再组织协议本质就是软件软件是可以“分层”的分层比如在类里面编写成员方法main函数去调用或者C有继承体系每一层继承可以认为就是一层软件层改子类不影响父类所以协议在设计的时候就是被层状划分的 生活中的例子我们打电话的时候本质是你的手机在和对方的手机进行通信表面上是人在人的语言层上交流底层则是两部电话用它们的方式来进行通信这也是一种分层 问题 为什么要划分为层状结构呢 解答 场景逐渐变得复杂比如前面打电话的例子随着技术发展人与人沟通从面对面沟通到远距离沟通这也是应用场景变复杂的体现功能解耦便于人们进行各种维护还是打电话的例子人与人沟通电话与电话沟通两者之间不影响而且便于维护是指如果出问题只需要在人的层面或者电话层面找问题就好了不用整体找--所以把网络协议也搞成了层状结构 总结 协议为什么要分层呢技术上网络代码的规模太大需要解耦实际情况下就是问题是分层的而协议是为了解决问题的所以协议也是分层的。 2.4 OSI 七层模型
OSIOpen System Interconnection开放系统互连七层网络模型称为开放式系统互联参考模型 是一个逻辑上的定义和规范。OSI把网络从逻辑上分为了7层. 每一层都有相关、相对应的物理设备比如路由器交换机。OSI 七层模型是一种框架性的设计方法其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输比如手机和电视之间的数据传输它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来概念清楚理论也比较完整. 通过七 个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯但是由于OSI七层模型比较复杂并且不太实用于是在后面具体实现的时候对其进行了跳转于是就有我们现在看到的TCP/IP 五层模型其中物理层我们做应用的暂不考虑于是也可以称为四层模型 分层名称 功能每层功能概览应用层针对特定应用的协议表示层通信固有数据格式和网络标准格式的转换会话层通信管理。负责建立和断开通信连接数据流动的逻辑通路。管理传输层以下的分层传输层管理两个节点之间的数据传输。负责可靠传输确保数据被可靠地传送到目标地址网络层地址管理与路由选择数据链路层互连设备之间传送和识别数据帧物理层以 0/1 代表电压地高低以及灯光地山灭界定连接器地网线的规格
2.5 TCP/IP 四层模型
TCP/IP是一组协议的代名词它还包括许多协议组成了TCP/IP协议簇。TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。
物理层: 负责 光/电 信号的传递方式。比如现在以太网通用的网线(双绞线)、早期以太网采用的的同轴电缆 (现在主要用于有线电视)、光纤现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决 定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器(Hub)工作在物理层。数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测 到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准。交换机(Switch)工作在数据链路层。 网络层: 负责地址管理和路由选择。例如在IP协议中通过IP地址来标识一台主机并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由)。路由器(Router)工作在网路层。传输层: 负责两台主机之间的数据传输。如传输控制协议 (TCP)能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。应用层负责应用程序间沟通如简单电子邮件传输SMTP、文件传输协议FTP、网络远程访问 协议Telnet等。我们的网络编程主要就是针对应用层
TCP/IP 四层模型和OSI七层模型的关系如下 通信的复杂程度本质是和距离成正比的
问题复杂体现在哪里是协议栈要解决的问题吗
应用范畴 如何处理数据 -- 应用层协议 -- 对应计算机体系结构的“用户层”丢包我发出去的消息对方没接收到 -- 传输层协议 -- 对应OS层定位问题如何快速定位对方的主机 -- 网络层协议 -- 也是OS层这两个传输层和网络层协议都对应这Linux内核中的模块前两个问题解决了但是两个主机相隔几千米数据传输时会经过很多路由器所以要解决主机切换的问题解决下一跳主机的问题 -- 数据链路层协议还有物理层协议但不是软件层的所以暂时不考虑 -- 对应驱动层物理层对应硬件层 这五种协议就称之为 -- TCP/IP协议的五层层状协议 问题网络协议栈和我们之前学习的Linux系统有什么关系呢 解答 往后我们学习的网络层和传输层就是在OS内实现的所以我们要花大量时间学习OS的知识。网卡是一个硬件所以网络通信的本质就是用户在访问硬件而我们写的各种代码本质也是在和硬件交流所以网络通信本质也是在访问硬件。但是用户没资格直接访问硬件因为OS是硬件的管理者它不允许上层用户直接访问硬件。但是我们用户要想达成目的就必须得访问网卡等硬件所以OS要给用户提供对应的相关系统调用接口。 所以操作系统有很多但是网络都是一样的都必须遵守上面的网络标准不然你这个操作系统就没法入网网络协议栈都是一样的 网络通信的本质 就是贯穿协议栈的过程。
三网络传输基本流程
3.1 局域网中两台主机通信*
同一个局域网内的主机是可以不用跨网络直接通信的因为局域网最初的设计目的就是为了让局域网内的主机进行快速通信
局域网协议有很多但是现在以太网是主流以太网是属于局域网通信标准的一种 网络通信的的本质就是贯穿协议栈的过程所以当用户要将文件传输给另一台主机前要对该文件数据贯穿网络协议栈进行封装
①应用层FTP协议首先如果用户发送信息“你好”首先对在“你好”前面加上应用层自己对应的报头然后拼接起来形成了在应用层的一个报文②传输层TCP协议我们需要保证发送的消息有序所以需要两个设备的传输层要有一定的协商所以传输层也要有自己的协议然后给每一个报文信息加上序号而这个需要由传输层自己实现③网络层IP协议一样的再次在报文前面加上网络层它自己的报文信息srcdst等④链路层以太网协议和上面一样的逻辑 像上面这样将信息自顶向下添加各自层报文的动作我们叫做“封装”的过程每层都要添加的信息我们叫做“报头”其中我们把去掉报头的剩下的部分称之为“有效载荷” -- 所以我们目前可以认为报文 报头 有效载荷 我们把数据发出去后最先是对方的网卡最先拿到数据然后网卡把数据放到OS的内存里 问题为什么要交到内存里 解答冯诺依曼体系结构这样规定的外设拿到的数据要想被CPU处理必须先放到内存里 通过以太网把报文从一个设备放到另一个设备的链路层然后接收方再一层一层把报头去掉把有效载荷向上交付最后到应用层时就能够把“你好”呈现给对方的屏幕上完成一次局域网通信过程。 去报头的过程叫做“解包”而局域网两台设备通信的过程本质就是不断进行 封装 和 解包 的过程
3.2 报文的封装与解包
不同的协议层对数据包有不同的称谓在传输层叫做段(segment)在网络层叫做数据报 (datagram)在链路层叫做帧(frame)。应用层数据通过协议栈发到网络上时每层协议都要加上一个数据首部(header)称为封装 (Encapsulation)。首部信息中包含了一些类似于首部有多长载荷(payload)有多长上层协议是什么等信息。后面详细介绍协议报头字段时会具体介绍数据封装成帧后发到传输介质上到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部根据首部中的 上层协议字段 将数据交给对应的上层协议处理
下面是数据封装的过程 下面是数据分用的过程 重点 封装的时候也要考虑未来对方设备解包的问题如果不考虑解包问题那么就相当于把两杯水倒在一起容易但是想从一杯水中分离原来两杯水就难。 几乎任何层的协议都要提供一种能力将报头和有效载荷分离的能力几乎任何层的协议都要在报头中提供决定将自己的有效载荷交付给上层的哪一个协议的能力 -- 报文的分用的过程 上面两点是大部分协议的共性未来我们具体学习协议的时候会经常涉及这两个问题就和之前学习Linux的“先描述再组织”一样 3.3 以太网通信
以太网解决的问题是一台主机是怎么把数据准确交给另一台主机的 场景 一个教室有很多人老师叫张三站起来答问题张三站起来了但其他同学没有这时候老师说的话全班都听到了但是只有张三站起来了。李四当然也听到了老师的话所以李四对老师发的报文做提取然后发现这个消息是要发给张三的然后李四将自己的名字和张三做对比发现自己不是张三然后李四就把接收到的报文全部丢弃了。然后老师问张三要作业然后张三说他昨天交了然后老师想起来昨天已经收了作业了于是让张三坐下。张三说昨天交了的时候全班同学再次听到了张三发出的报文但是依旧丢弃因为这个报文是发给老师的这样老师就和张三在局域网中完成了一次通信 以太网通信和上面的场景类似一台主机发送报文的时候其实所有的主机都接受到了消息每个设备读取报文然后丢弃报文但是只有指定的设备才会开始解包丢弃报文的阶段在链路层就已经完成上层不关心 像这种所有主机收到了报文但是大部分都在数据链路层都丢弃了只有指定设备才会继续解包这种所有主机都遵守的“约定”叫做“以太网协议”以“以太网协议”构建的网络通信叫做“以太网通信”保证以太网通信的基础是Mac地址后面介绍 3.4 数据碰撞 场景还是教室的场景在课间的时候都会乱糟糟的大家都在大声喧哗张三对李四说的话李四可能都听不清楚。 所以局域网也和教室类似每台主机都可以往网络中发送报文同时每台主机也可以接收报文
但就和上面场景一样当每台主机都往局域网中发送大量报文就又可能发生“数据碰撞”所以要想“搞掉”局域网就可以直接往网络里塞大量垃圾报文就可以增加碰撞概率使所有数据失效 我们也把多台主机构成的局域网叫”碰撞域“。 所以发送方主机都要执行避免碰撞的算法让可能会发送碰撞的数据等待随机时间再发 问题我咋知道碰撞了 解答 最简单的例子我们自己说话我们自己也能听到数据发送也是同理。当主机收到一个数据后将其与之前发送的数据做对比如果收到的数据与之前发送的数据不一样则可以计算出发送过程中发送了碰撞那么当检测到发生了碰撞之后主机可以选择等待一段时间再重新发送该数据。就像现实生活中的两个人想要同时说话此时会有一方说“你先说吧”这也是一种碰撞避免 注意
大多数情况下网卡会直接丢掉不属于自己的报文但是网卡有一种工作模式叫做”混杂模式“可以通过系统接口打开这种模式下网卡拿到报文之后如果不是自己的报文也会交给上层去解包而这样肯定会有安全问题。但是我们一般不用担心如果我们的数据在应用层做了加密就算被抓包了它也看不到所以我们怕的就是没有加密的数据被抓包在局域网中主机越多碰撞的概率越大所以大的局域网都会有”交换机“这个设备它的原理类似把一个大的局域网再次分成了很多个小局域网当一个小局域网的两台设备要进行数据交换的时候只要在它的那个小局域网内进行数据交流即可防止了数据交流的进一步扩大。所以交换机的核心工作就是 划分碰撞域。
3.5 跨网络的两台主机通信*
局域网之间是通过路由器连接起来的路由器可以认为是局域网中的一台“特殊”主机没错路由器也是主机它的“特殊”是因为路由器可以跨局域网与其他局域网的路由器进行数据通信因此路由器是跨网络两台主机通信的基本保证。 上面的是路由器级联的两个采用相同的通信标准进行通信的过程但是被路由器级联的局域网可能采用的是不同的通信标准比如局域网1采用的是“以太网通信”而局域网2采用的是“令牌环网”通信 由于 以太网 和 令牌环 网采用的是不同的通信表春因此它们给数据添加的报头也是不一样的所以令牌环网中的主机无法对以太网的数据帧进行解包
这样的问题一般是由路由器来解决的 路由器也是局域网中的主机当数据从局域网1发到局域网2时最先是路由器的数据链路层收到报文然后路由器先对报文进行解包将以太网对应的报头去掉然后交给上层网络层网络层进行一系列数据分析后再将数据向下交付给链路层此时链路层会再次给报文添加上令牌环网对应的报头然后再发送到局域网2中这样就能使数据在令牌环网中传输了具体过程如下图 四网络中的地址管理
4.1 Mac地址
前面在以太网通信时提到了“如何保证局域网中每台主机的唯一性”就是通过Mac地址来的保证的每一个网卡在出厂时都有一个48比特位的长度的序列号并且在全球是唯一的其实只要保证其在局域网的唯一性即可然后这个序列就是Mac地址不能修改。
在Linux中使用 ifconfig 命令可以查看当前主机对应的网卡信息 4.2 IP地址 场景假如你是辽宁人你要去云南玩不坐飞机就坐火车边坐边玩你们先到河北然后再去山西接着陕西四川最后云南。最后我们规划出来一条辽宁到四川的路线而在每两个节点之间都有两套地址“上一站你从哪来下一站要到哪里去”。我们这个两站地址一直变化的但是总路程的不变还是辽宁到云南。中间站变化的依据是“我要去哪里”。当我们到四川时问当地人问题当地人会说“你从哪里来辽宁”“你要去哪里云南”“你上一站从哪来陕西” 所以我们会有两套地址一套是你从辽宁到四川这个不变另一套是你的临时地址你的上一站和下一站这个会根据你当前的位置一直变化而前者我们不变的地址就叫做 “IP”地址有原地址IP和目的IP地址后者变化的地址就是Mac地址 问题①IP地址是什么②为什么要有IP地址 解答 ①IP地址是IPv4的简称为四字节32比特位的整数类似 192.168.1.1 这样的风格②可以指导我们进行路径规划我们就可以拿着ip地址不断进行路径规划 IP地址的使用过程 ip协议加报头时会加个srcip和dstip表示发送地和接收地然后继续往下交付给以太网驱动程序以太网也添加报头然后我要把客户端C的数据转发给客户端S如果目的ip和我在一个子网就不给路由器了如果不在一个子网就要先把数据交给路由器1而两者的本质是一样的局域网通信当C要把数据给路由器1就得先知道路由器1的Mac地址假设路由器的ip地址是IP_RMac地址为Mac_R所以以太网驱动加报头时就把Mac_C和Mac_R加进去然后扔到以太网去然后就和前面的局域网通信原理一样 最后只有路由器1拿到了报文然后路由器1做报头方面的解析然后识别到ip协议报文中目的地S的ip然后如果路由器查自己的路由表发现刚好和S的ip相连于是就把报文直接发到S所在局域网的路由器2但是路由器2不能把数据直接交给S要先向下交付交给令牌环驱动程序然后添加令牌环的报头然后令牌环进行识别将报头和有效荷载分离然后就和前面一样一层层向上交付就到了S主机的应用层。在这个给过程中 除了令牌环协议每一层的收发结果是完全一样的 总结
有了路由器就保证了ip报文才可以在全球所有的子网当中自由通行因为到一个子网当中路由器会去掉老的报头在封装个符合当前局域网的新的报头这样的话我们的局域网中以太网和令牌环网在整个网络中底层的差异就屏蔽了因为路由器会更新报头并且路由器要横跨两网络所以路由器也必须有以太网驱动也要有令牌环驱动所以报文在每个路由器跳转过程中虽然每个路由器都会对报文进行解包但是都只是解包局部然后重新封装时也是只封装局部在路由器会重新解包和封装的过程之中IP层往上所有的协议都可以做成一样的底层协议可以有很大的差异但正是因为有IP地址再加上工作在IP层的路由器的存在IP实现了全球主机的软件虚拟层的“一切皆是IP报文”屏蔽了底层硬件的各种差别。Mac的使命就是在局域网中把数据从一个主机送到另一个主机然后到下一个路由器时会把旧的Mac地址丢掉然后加上新路由器在它的局域网中的Mac地址 ip尤其是目的ip一般是不会改变的协助我们进行路径选择mac地址出局域网之后来源和目的都要丢弃让路由器重新封装 五补充
5.1 “以太网”名字的由来
“以太”这个名字来源于物理学在20世界初很多科学家认为“光的传播也是需要介质的”那么科学家们就发现光能从太阳经过太空传播到地球上那么地外空间的真空中一定也有一种物质能使光传播所以科学家们就把这个物质称为“以太”
但是后面科学家们经过实验发现“以太”不可能存在真空就是真空里面没有任何东西但值得一提的是在这个故事线中图灵和冯诺依曼也参与过这场讨论因为它们不仅仅是科学家也是数学家
经过后面的发展诞生了互联网而互联网也需要有个名字于是当时的人们将其命名为“以太网”因为在物理学史上人们认为“以太”就是传送物质的介质也就是说“以太”具有某种通信能力虽然“以太”实际上不存在诞生现在计算机领域出来了一个能够传输信息的“网络”于是早期的局域网标准就被命名为“以太网”
5.2 集线器
集线器是工作在物理层上的一个设备
电磁信号在长距离传输过程中信号是会衰减的所以集线器的功能就是对接收到的信号进行再生整形放大以扩大传输距离
需要注意的是集线器属于纯硬件网络底层设备基本上不具有类似于交换机的“只能记忆”能力和“学习”能力也不具备交换机有的Mac地址表所以它发送数据没有针对性所以是采用广播方式发送简单来说就是把数据包发送到与集线器相连的所有节点
5.3 如何看待局域网
局域网某种程度上算是该局域网中所有主机的共享资源任何时刻都只允许一个主机向局域网当中发数据换句话说就是保证多台设备访问共享资源时的互斥访问所以局域网可以看作多台设备共享的临界资源 未来我们往网络发送数据本质也是通过进程在网络读和网络写
