Linux学习笔记（二十）--网络基础1

计算机网络背景独立模式状态描述 这是最原始的阶段。计算机是大型、昂贵且独立的设备如大型机没有相互连接。每台计算机都拥有自己的专用外设打印机、磁带机运行自己的程序和存储自己的数据。特点1无连接 计算机之间无法直接通信和数据交换。2资源独占 所有硬件和计算资源被单用户或单一任务独占利用率低。3数据孤岛 信息无法共享协同工作极其困难。问题 资源无法共享成本高昂效率低下。局域网驱动因素随着个人计算机和小型机的普及一个办公室、一栋楼内的用户产生了共享昂贵资源如激光打印机、大容量硬盘和交换文件的需求。关键技术突破1网络硬件 出现了网卡、集线器、交换机和同轴电缆/双绞线等使得在短距离内物理连接多台计算机成为可能。2网络拓扑 形成了总线型、星型、环型等本地网络结构。3访问控制方法 为了解决多台电脑共享同一信道的问题发展了CSMA/CD带冲突检测的载波侦听多路访问用于以太网、令牌环等技术。典型代表1以太网​成为最主流的局域网技术标准。2Novell NetWare​是早期流行的局域网操作系统。意义实现了工作组级别的资源共享文件、打印机和通信。这是计算机网络化的第一步但网络范围被限制在几公里内。互联网网络/城域网驱动因素单个局域网无法满足一个园区、一个城市内多个部门或分支机构互联的需求。需要将多个独立的局域网连接起来。关键技术突破1网络层设备 - 路由器 这是质的飞跃。路由器能识别IP地址在不同网络之间选择最佳路径转发数据包实现了“互联”。2网络层协议 - IP协议 提供了一套全球统一的逻辑地址方案IP地址使得任何连接到网络中的设备都有一个唯一的标识数据包可以据此跨越不同网络被路由。3虚拟局域网 在交换机上通过逻辑划分将一个物理局域网划分为多个虚拟局域网提高安全性和管理效率。过程首先通过网桥、交换机连接多个局域网段形成更大的二层网络。然后通过路由器和IP协议将多个可能使用不同技术的局域网如以太网、令牌环连接起来形成一个“网络的网络”即互联网网络。城域网MAN可以看作是这种互联在一个城市范围内的体现。意义 突破了局域网的地理限制实现了更大范围内的网络互联。这是构建广域网和最终互联网的技术基石。广域网驱动因素将地理上分布极广一个国家、全球的网络可能是多个城域网或局域网连接起来最终实现全球互联。关键技术突破1长距离传输技术 从早期的租用电话公司的电路交换线路到后来的分组交换、帧中继、ATM再到现在的基于IP/MPLS和光纤的骨干网。2核心协议栈的成熟 - TCP/IP 传输控制协议TCP确保数据的可靠、有序传输网际协议IP负责全球寻址和路由。TCP/IP协议族战胜了OSI等模型成为互联网的事实标准。3运营商与自治系统 网络由不同的电信运营商和组织称为自治系统-AS运营。通过BGP等外部网关协议在AS之间交换路由信息共同维护全球路由表。4服务与应用 在TCP/IP之上构建了丰富的应用层协议如HTTP、FTP、SMTP、DNS等最终催生了万维网和今天的各种互联网服务。最终形态 - 互联网互联网本质上就是全球最大的、由无数个自治系统通过路由器互联而成的、覆盖全球的广域网。它是一个“网络的网络”完美体现了从独立主机到全球互联的终极形态。网络协议概念网络协议是一套预先定义的规则、标准和约定的集合用于管理网络中的设备如何进行通信和数据交换。它规定了1通信格式 数据如何“打包”和“解包”就像信封的书写格式。2传输时序 何时开始发送何时等待回复就像对话的节奏。3错误处理 数据出错时怎么办比如校验和错误。4交互过程 完成一项任务需要哪些步骤比如建立连接、传输、断开连接。没有协议网络就是一片混乱的电子噪音。协议分层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; 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; 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, 它既复杂又不实用; 所以我们按照TCP/IP四层模型来讲解.TCP/IP四层网络模型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4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.层级名称核心职责类比关键协议举例4应用层处理具体应用细节。为用户软件提供网络服务接口。写信的内容和目的。你想对朋友说什么邀请他吃饭HTTP (网页)、HTTPS (安全网页)、FTP (文件传输)、SMTP/POP3 (邮件)、DNS (域名解析)、WebSocket3传输层提供端到端的通信服务。管理数据包的拆分、重组确保可靠或高效的传输。选择快递公司和邮寄方式。用顺丰加急还是邮政平邮TCP可靠有确认像打电话、UDP高效无确认像发广播 / 短信2网络层负责寻址和路由。将数据包从一个网络通过多个路由器转发到目标网络。规划运送路径和填地址。从北京海淀区到上海浦东区走哪条高速IP核心协议负责寻址、ICMP错误与控制如 Ping、路由协议如 OSPF, BGP1网络接口层负责在单一链路上传输数据帧。处理与物理媒介网线、Wi-Fi 信号的交互。卡车和司机在具体某段路上行驶。在京津高速上司机如何开车、超车、遵守这段路的规则以太网协议、Wi-Fi、ARP将 IP 地址转为物理 MAC 地址数据流动过程封装与解封装当你发送一封邮件时1.应用层 你用Outlook写好邮件内容应用层数据。2.传输层 TCP将内容分段加上TCP包头包含源端口、目标端口形成“数据段”。3.网络层 IP加上IP包头包含源IP、目标IP形成“数据包”。4.网络接口层 以太网协议加上帧头帧尾包含源MAC、目标MAC形成“数据帧”通过网线/电波发出。接收方则相反一层层拆开“包装”最终将原始数据交给对方的邮件应用。网络传输的基本流程跨网段的主机的文件传输. 数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器.核心思想分层处理与封装/解封装我们以“用浏览器访问 www.example.com”为例追踪一个HTTP请求的完整生命过程。第一步发送端处理流程封装过程当你在浏览器输入网址并按下回车数据开始从左你的电脑向右服务器传输。第4层应用层 —— “写下信的内容”任务生成具体的应用数据。浏览器根据HTTP协议生成一个HTTP GET请求报文内容大致是GET /index.html HTTP/1.1 Host: www.example.com User-Agent: Mozilla/5.0...输出这个纯文本的HTTP请求被交给下一层传输层处理。类比你写好了信的具体内容。第3层传输层 —— “装入信封选择快递方式”任务建立端到端的逻辑通信通道。传输层以TCP为例会做几件关键事分配端口为这次通信分配一个本地临时端口如50000并指定目标端口HTTP默认是80。确保可靠准备进行“三次握手”建立连接这是TCP独有的在正式发数据前完成。封装段在HTTP请求前面加上TCP头。TCP头里包含至关重要的信息源端口、目标端口、序列号、确认号、校验和等。输出形成一个 TCP段。类比将信纸装入一个标准信封写上发信人姓名和收信人姓名端口并选择挂号信服务TCP确保对方收到。序列号就像给信纸编了页码。第2层网络层 —— “写上地址规划路径”任务实现主机到主机的寻址和路由。网络层IP协议拿到TCP段后查询DNS在封装前应用层其实已经通过DNS协议将 www.example.com解析成了服务器的IP地址如93.184.216.34。封装包在TCP段前面加上IP头。IP头里包含更关键的信息源IP地址你的公网IP如101.202.103.104和目标IP地址93.184.216.34。决定下一跳 查询本地的路由表根据目标IP决定这个数据包应该发给谁通常是你的家庭路由器即默认网关。输出形成一个 IP数据包。类比在挂号信信封外面套上一个大快递袋写上详细的发件地址和收件地址IP地址。并决定先去哪个邮局默认网关。第1层网络接口层 —— “装车驶入本地公路”任务在单个物理链路上传输数据。这一层与硬件紧密相关。获取MAC地址通过网络层已经决定要发给“默认网关”你的路由器。但路由器在本地网络中是用MAC地址标识的。因此电脑会通过ARP协议查询路由器接口的MAC地址。封装帧在IP数据包前后分别加上帧头和帧尾。帧头里最重要的是源MAC地址你电脑网卡的MAC和目标MAC地址路由器接口的MAC。物理传输将这一串由0和1组成的比特流通过网线电信号或Wi-Fi无线电波发送出去。输出一个在物理链路上传输的数据帧。类比将快递袋装上本地邮局的卡车并在快递袋上贴上“本路段运输标签”写明这趟车从你家门口开到本地邮局的路线指令MAC地址。然后卡车驶上公路网线/空气。第二步网络中的旅程路由与交换数据帧离开你的电脑后开始在复杂的网络中穿梭第一站家庭/企业路由器路由器收到数据帧查看目标MAC地址发现是自己于是拆掉帧头帧尾露出IP数据包。查看IP包头里的目标IP地址发现不是给自己的是给93.184.216.34的。于是它根据自身的路由表为这个IP包选择下一个最佳路由器你的ISP运营商的路由器。重新封装将IP包放入一个新的数据帧中这个新帧的源MAC地址变成路由器出口的MAC目标MAC地址变成下一个路由器的入口MAC。这个过程在沿途的每一台路由器上不断重复直到数据包到达目标服务器所在的网络。这就是路由。穿越互联网骨干网数据包经过你的ISP进入由无数高速路由器和光纤构成的互联网骨干网在各大运营商网络间被高效转发。第三步接收端处理流程解封装过程数据包终于到达了 www.example.com的服务器。第1层网络接口层服务器服务器的网卡接收到比特流将其重组为数据帧。检查帧的目标MAC地址是否与自己匹配匹配则接收。第2层网络层服务器服务器操作系统拆掉帧头帧尾将内部的IP数据包交给网络层处理。网络层检查IP包头的目标IP地址是否与本机某个IP匹配匹配则接收并拆掉IP头。第3层传输层服务器将得到的TCP段交给传输层。传输层TCP协议在这里执行关键操作检查序列号确保数据有序。计算校验和验证数据在途中是否损坏。如果一切正常会向客户端发送一个TCP确认包。拆掉TCP头根据TCP头中的目标端口号这里是80决定将数据交给哪个正在监听这个端口的应用程序。第4层应用层服务器服务器的Web服务器软件如Nginx, Apache正在80端口监听。它收到了原始的HTTP GET请求报文。Web服务器解析这个请求明白客户端想要 /index.html这个页面。服务器生成响应 它找到这个文件并按照同样的流程反向封装生成一个携带网页数据的HTTP响应报文发送回你的电脑。网络中的地址管理IP地址定义IP地址是一个分配给网络中每个设备电脑、手机、服务器、智能硬件等的唯一逻辑标识符。它有两个核心作用1主机标识 在网络中唯一地标识一台设备。2位置寻址 提供该设备所在网络的位置信息使数据包能够被路由过去。IPV4目前最广泛使用的是IPv4它是一个32位4字节的二进制数。为了方便人类阅读通常写成“点分十进制”形式。二进制 11000000.10101000.00000001.00000001点分十进制 192.168.1.1IP 地址构成IP地址 网络号 主机号网络号 标识设备所属的网络。就像邮政编码或城市区号所有在同一物理网络下的设备共享同一个网络号。主机号 标识该网络内的具体设备。就像街道和门牌号用于在同一网络内区分不同设备。MAC地址定义一个48位6字节​ 的二进制数被固化在设备的网络接口硬件如网卡、Wi-Fi模块中因此也称为物理地址或硬件地址。格式 通常表示为12个十六进制数每两个一组用冒号或连字符分隔。格式 通常表示为12个十六进制数每两个一组用冒号或连字符分隔。全球唯一性 原则上每个网络设备的MAC地址在全世界是独一无二的。前24位是厂商标识由IEEE统一分配后24位是厂商为该设备分配的唯一序列号。核心作用MAC地址工作在OSI模型的第二层数据链路层​ 和TCP/IP模型的网络接口层。它的核心职责是在同一个本地网络内进行设备间的精确寻址和数据帧交换。ARP协议连接IP与MAC的桥梁既然局域网内通信最终要靠MAC地址但应用程序只知道目标IP地址那如何通过IP找到对应的MAC呢这就是ARP协议的工作。ARP地址解析协议过程假设你的电脑192.168.1.100想和同一局域网内的另一台设备192.168.1.200通信但不知道它的MAC地址。发送ARP广播请求你的电脑会在局域网内广播一个ARP请求包大意是“嘿谁的IP地址是192.168.1.200请告诉192.168.1.100你的MAC地址”这个广播帧的目标MAC地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF广播地址意味着局域网内所有设备都会收到。目标设备单播回应只有IP为192.168.1.200的设备会识别出这是找自己的请求。它会向你的电脑发送一个单播ARP回复“你好192.168.1.100我是192.168.1.200我的MAC地址是XX:XX:XX:XX:XX:XX。”建立ARP缓存你的电脑收到回复后会把 192.168.1.200和其MAC地址的对应关系存入本机的ARP缓存表下次通信时直接查表无需再次广播。缓存有过期时间防止映射关系变化。IP地址与MAC地址区别特性MAC 地址IP 地址所属 OSI 层数据链路层第 2 层网络层第 3 层地址性质物理地址、硬件地址逻辑地址、软件地址唯一性全球唯一由 IEEE 和厂商保证网络内唯一公网 IP 全球唯一私网 IP 在局域网内唯一可变性基本不可变固化在硬件中可变可手动或自动DHCP分配寻址范围同一局域网内同一广播域全球范围跨越不同网络设备角色标识网络接口一个设备可有多个网卡标识网络接口在逻辑网络中的位置类比你的身份证号唯一标识你这个人你的家庭住址标识你的位置搬家就变通信中的作用“当前路段的下一个接棒人是谁”“最终的目的地是哪里”