计算机网络（1）基础篇

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1.TCP/IP 网络模型

2.键入网址--->网页显示

2.1 生成HTTP数据包

2.2 DNS服务器进行域名与IP转换

2.3 建立TCP连接

2.4 生成IP头部和MAC头部

2.5 网卡、交换机、路由器

3 Linux系统收发网络包

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1.TCP/IP 网络模型

首先，为什么要有 TCP/IP 网络模型？对于同一台设备上的进程间通信，有很多种方式；但对于不同设备上的进程间通信，就需要网络通信，而设备是多样的，要兼容不同的设备，就需要一套通用的网络协议，这个网络协议是分层的，TCP/IP 网络模型就是对每一层进行设计和介绍。

TCP/IP 网络通常是由上到下分成 4 层，分别是应用层，传输层，网络层和网络接口层。 

应用层的数据包会传给传输层，传输层是为应用层提供网络支持的。在传输层会有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP，要记住他俩都属于传输层协议。

TCP 的全称叫传输控制协议（Transmission Control Protocol），大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议，比如 HTTP 应用层协议。

应用需要传输的数据可能会非常大，直接传输不好控制，因此当传输层的数据包大小超过 MSS(TCP 最大报文段长度)，就要将数据包分块，这样即使中途有一个分块丢失或损坏了，只需要重新发送这一个分块，而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为一个 TCP 段(TCPSegment)。 

当设备作为接收方时，传输层则要负责把数据包传给应用，但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据，因此需要用一个编号将应用区分开来，这个编号就是端口。由于传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。

网络层负责实际的传输功能，最常用的网络层协议是IP协议(Internet Protocol)，IP 协议会将传输层的报文作为数据部分，再加上 IP 包头组装成 IP 报文，如果 IP 报文大小超过1500 字节就会再次进行分片，得到一个即将发送到网络的IP 报文。

网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备，那么不同设备之间如何寻找呢 ? 因此，网络层需要能区分设备的编号。我们一般用 IP 地址给设备进行编号，对于IPv4 协议，IP地址共 32 位，分成了四段(比如,192.168.100.1)，每段是8位。只有一个单纯的IP 地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来就特别麻烦，全世界那么多台设备，难道一个一个去匹配?这显然不科学。因此，需要将 IP 地址分成两种意义：一个是网络号，负责标识该IP地址是属于哪个的；一个是主机号，负责标识同一子网下的不同主机；配合子网掩码能算出 IP 地址的网络号和主机号。

IPv4地址和子网掩码_哔哩哔哩_bilibili

除了寻址能力，IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中，两台设备并不是用一条网线连接起来的，而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的，那么就会形成很多条网络的路，因此当数据包到达一个网络节点，就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。所以，IP 协议的寻址作用是告诉我们去往下一个目的地该朝哪个方向走，路由则是根据「下一个目的地」选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作方向盘。

生成了 IP 头部之后，接下来要交给网络接口层，将来自网络层（IP层）的IP数据封装成适合物理网络传输的数据帧，即添加头部和尾部信息（如MAC地址、帧校验序列），然后交给物理硬件传输。解封装：接收物理网络的数据帧后，剥离帧的头部和尾部，提取IP数据报传递给上层（网络层）。网络接口层是TCP/IP模型的基石，确保数据能够跨越物理网络实现“最后一公里”的传输，是连接软件协议栈与硬件设备的桥梁。

• 传输层，给应用数据前面增加了 TCP 头
• 网络层，给 TCP 数据包前面增加了IP 头
• 网络接口层，给 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾

网络接口层的传输单位是帧(frame)，IP层的传输单位是包(packet)，TCP 层的传输单位是段(segment)，HTTP 的传输单位则是消息或报文(message)。但这些名词并没有什么本质的区分，可以统称为数据包。

这些新增的头部和尾部，都有各自的作用，也都是按照特定的协议格式填充，这每一层都增加了各自的协议头，那自然网络包的大小就增大了，但物理链路并不能传输任意大小的数据包，所以在以太网中，规定了最大传输单元(MTU)是 1500 字节，也就是规定了单次传输的最大IP 包大小。

当网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以确保分片后的 IP 包不会超过 MTU 大小，如果 MTU越小，需要的分包就越多，那么网络吞吐能力就越差，相反的，如果 MTU 越大，需要的分包就越少，那么网络吞吐能力就越好。

2.键入网址--->网页显示

在浏览器输入URL回车之后发生了什么？_哔哩哔哩_bilibili

2.1 生成HTTP数据包

键入网址到网页显示，期间发生了什么？首先浏览器做的第一步工作就是要对 URL 进行解析，从而生成发送给 Web 服务器的请求信息。长长的 URL 实际上是请求服务器里的文件资源。当没有路径名时，就代表访问根目录下事先设置的默认文件，也就是/index.html 或者 /default.html 这些文件，这样就不会发生混乱了。

对 URL进行解析后，浏览器确定了 Web 服务器和文件名，接下来就是根据这些信息来生成 HTTP 请求消息了。

2.2 DNS服务器进行域名与IP转换

首先我们要先学习DNS域名的解析：DNS域名解析过程_哔哩哔哩_bilibili

通过浏览器解析 URL 并生成 HTTP 消息后，需要委托操作系统将消息发送给 web 服务器。但在发送之前，还有一项工作需要完成，那就是查询服务器域名对应的IP 地址，因为委托操作系统发送消息时，必须提供通信对象的IP 地址。有一种服务器就专门保存了 web服务器域名与 IP的对应关系，它就是 DNS服务器，其实DNS服务器就是一个数据库，里面记录了很多URL和对应的IP地址。

这个根是由一群服务器组成的，这群服务器用了13个不同的域名，这13个根域名服务器是由12个独立机构营运的，注意是13个域名不是13台机器。

当用户在浏览器中输入一个域名，比如www.example.com，客户端（如浏览器）会首先检查自己的缓存（还要检查本机缓存），看是否已经有该域名对应的 IP 地址记录。如果有缓存记录，就直接使用缓存中的 IP 地址进行连接，解析流程结束；如果没有，则会向本地配置的 DNS 服务器发送域名解析请求。如果你的主机里面DNS服务器设置错误就会存在可以登录QQ客户端但是不能浏览网页的情况，因为QQ客户端是直接用IP访问的。

这个DNS服务器一般会是最接近我们的本地DNS服务器，这台本地DNS服务器一般由ISP负责管理，ISP也就是互联网服务提供商（移动、电信）。本地 DNS 服务器接收到请求后，也会先检查自己的缓存。如果缓存中有该域名的记录，就直接将对应的 IP 地址返回给客户端。如果本地 DNS 服务器缓存中没有相关记录，它会根据配置的转发规则，将请求转发给其他 DNS 服务器，比如根 DNS 服务器或上级 DNS 服务器，进行进一步的查询。

2.3 建立TCP连接

2.2 键入网址到网页显示，期间发生了什么？ | 小林coding

首先，源端口号和目标端口号是不可少的，如果没有这两个端口号，数据就不知道应该发给哪个应用。
接下来是包的序号，这个是为了解决包乱序的问题。还有应该有的是确认号，目的是确认发出去对方是否有收到。如果没有收到就应该重新发送，直到送达这个是为了解决丢包的问题。
接下来还有一些状态位。例如SYN是发起一个连接，ACK是回复，RST是重新连接，FIN 是结束连接等。TCP 是面向连接的，因而双方要维护连接的状态，这些带状态位的包的发送，会引起双方的状态变更。
还有一个重要的就是窗口大小。TCP 要做流量控制，通信双方各声明一个窗口(缓存大小)，标识自己当前能够的处理能力，别发送的太快，撑死我，也别发的太慢，饿死我。除了做流量控制以外，TCP还会做拥塞控制，对于真正的通路堵车不堵车，它无能为力，唯一能做的就是控制自己，也即控制发送的速度。

2.4 生成IP头部和MAC头部

分别对应了网络层和网络接口层

2.5 网卡、交换机、路由器

网络包只是存放在主机内存中的一串二进制数字信息，没有办法直接发送给对方。因此，我们需要将数字信号转换为电信号，才能在网线上传输，也就是说，这才是真正的数据发送过程。
负责执行这一操作的是网卡，要控制网卡还需要靠网卡驱动程序。网卡驱动获取网络包之后，会将其复制到网卡内的缓存区中，接着会在其开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列。

• 起始帧分界符是一个用来表示包起始位置的标记
• 末尾的 FCS(帧校验序列)用来检查包传输过程是否有损坏

交换机是将网络包原样转发到目的地。交换机工作在 MAC 层，也称为二层网络设备。那么交换机是如何接收包的呢？

首先，电信号到达网线接口，交换机里的模块进行接收，接下来交换机里的模块将电信号转换为数字信号，然后通过包末尾的 FCS 校验错误，如果没问题则放到缓冲区。

计算机的网卡本身具有 MAC 地址，并通过核对收到的包的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的，如果不是发给自己的则丢弃；相对地，交换机的端口不核对接收方 MAC 地址，而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此，和网卡不同，交换机的端口不具有 MAC 地址。

网络包经过交换机之后，现在到达了路由器，并在此被转发到下一个路由器或目标设备。这一步转发的工作原理和交换机类似，也是通过查表判断包转发的目标。不过在具体的操作过程上，路由器和交换机是有区别的：

• 路由器是基于 IP 设计的，俗称三层网络设备，路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址
• 而交换机是基于以太网设计的，俗称二层网络设备，交换机的端口不具有 MAC 地址

在网络包传输的过程中，源 IP 和目标 IP 始终是不会变的，一直变化的是 MAC 地址，因为需要 MAC 地址在以太网内进行两个设备之间的包传输。

3 Linux系统收发网络包

2.3 Linux 系统是如何收发网络包的？ | 小林coding