文章大綱
一、網絡類型介紹
二、網絡七層協議詳細介紹
三、其他介紹
四、參考文章
一、網絡類型介紹
因特網
因特網
因特網是當今世界上最大的網絡, 是”網絡的網絡”. 即因特網是所有網絡互連起來的一個巨型網絡.
因特網的組成 :
（1）邊緣部分 : 主機
（2）核心部分 : 大量網絡和連接這些網絡的路由器(此路由器不是我們家用的路由器)
以太網
以太網是現在最常用的局域網通信協議, 以太網上傳輸的是MAC幀. 由於以太網同一時間只允許一臺計算機發送數據, 所以必須有一套檢測機制, 那就是CSMA/CD協議 :
多點接入 : 多臺計算機以多點接入的方式連接在一根總線上
載波監聽 : 不管是否正在發送, 每個站都必須不停地檢測信道
碰撞檢測 : 邊發送邊監聽
網絡規模
局域網：一個私有網絡，一般爲一個公司，小區
城域網：覆蓋一個城市的範圍
廣域網：全國、全球
二、網絡七層協議詳細介紹
開放系統互連基本參考模型, 只要遵守這個OSI標準, 任何兩個系統都能進行通信. OSI是七層協議體系結構, 而TCP/IP是一個四層協議體系結構, 於是我們採取折中的方法, 學習計算機網絡原理的時候往往用的是五層協議的體系結構 : 物理層, 數據鏈路層, 網絡層, 傳輸層和應用層
1. 物理層
計算機的世界裏只有0和1, 正如你現在所看這篇文章的文字, 存儲在計算機中也是一大串0和1的組合. 但是這些數字不能在真實的物理介質中傳輸的, 而需要把它轉換爲光信號或者電信號, 所以這一層負責將這些比特流(0101)與光電信號進行轉換.
如果沒有物理層, 那麼也就不存在互聯網, 不存在數據的共享, 因爲數據無法在網絡中流動.
2. 數據鏈路層
數據在這一層不再是以比特流的形式傳輸, 而是分割成一個一個的幀再進行傳輸.
MAC地址
又稱計算機的硬件地址, 被固化在適配器(網卡)ROM上的佔48位的地址. MAC地址可以用來唯一區別一臺計算機, 因爲它在全球是獨一無二的
分組交換
由於數據在這次曾要被分割成一個一個的幀, 由於不同的鏈路規定了不同的最大幀長, 即MTU(最大傳輸單元), 凡是超出這個MTU的幀都必須被分塊. 例如一臺貨車一次能運輸5噸的貨物, 而有條公路限載重2噸, 那麼你只好分3次運輸.
網橋
網橋工作在數據鏈路層, 根據MAC幀的目的地址對收到的幀進行轉發和過濾.
以太網交換機
實際上就是一個多接口的網橋, 以太網交換機的每個接口都直接與一個單個主機或另一個集線器相連, 可以很容易實現VLAN(虛擬局域網)
以太網的MAC幀
MAC幀的格式爲 :
目的地址 : 接收方48位的MAC地址
源地址 : 發送方48位的MAC地址
類型字段 : 標誌上一層使用的是什麼協議, 0×0800爲IP數據報
3. 網絡層
如果只有數據鏈路層沒有網絡層, 數據就只能在同一條鏈路上傳輸, 不能跨鏈路傳輸. 有了網絡層, 數據便能跨域不同的數據鏈路傳輸.
IP地址
IP地址又稱爲軟件地址, 存儲在計算機的存儲器上, IPv4地址爲32位, IPv6地址爲128位
IP地址和MAC地址
網絡層以上使用IP地址, 數據鏈路層以下使用MAC地址
IP地址是邏輯地址, MAC地址是物理地址
IP分組中首部的源地址和目的地址在傳輸中不會改變, MAC幀中首部的源地址和目的地址每到一個路由器會改變一次
IP地址分類
IP地址 = {<網絡號>, <主機號>}
A類地址 : 0.0.0.0 ~ 127.0.0.0
B類地址 : 128.0.0.0 ~ 191.255.0.0
C類地址 : 192.0.0.0 ~ 223.255.255.0
劃分子網之後的IP地址
IP地址 = {<網絡號>, <子網號>, <主機號>}
例如某單位擁有一個B類IP地址, 145.13.0.0, 但凡目的地址爲145.13.x.x的數據報都會被送到這個網絡上的路由器R. 內部劃分子網後變成 : 145.13.3.0, 145.13.7.0, 145.13.21.0. 但是對外仍表現爲一個網絡, 即145.13.0.0. 這樣路由器R收到報文後, 再根據目的地址發到對應的子網上.
子網掩碼
一般由一串1和一串0組成, 不管網絡有沒有劃分子網, 將子網掩碼和IP地址做按位與運算即可得出網絡地址.
所有的網絡都必須使用子網掩碼, 同時在路由表中必須有子網掩碼這一欄. 如果一個網絡不劃分子網, 那麼該網絡的子網掩碼就是默認的子網掩碼.
A類地址的默認子網掩碼爲255.0.0.0
B類地址的默認子網掩碼爲255.255.0.0
C類地址的默認子網掩碼爲255.255.255.0
儘管劃分子網增加了靈活性, 但是卻減少了能夠連接在網絡上的主機總數.
構成超網的IP地址
IP地址 = {<網絡前綴>, <主機號>}
使用網絡前綴, 無分類域間路由選擇CIDR
例如, 128.14.35.7/20, 意思是前20位爲網絡前綴, 後12位爲主機號. 另外, CIDR把網絡前綴相同的連續的IP地址組成一個”CIDR地址塊”
地址掩碼 : CIDR使用32位的地址掩碼, 類似於子網掩碼.
IP數據報
在網絡層, 數據是以IP數據報(IP分組)的形式傳輸的
IP數據報的格式
首部前20字節爲固定長度, 是所有IP數據報必備的. 後4字節是可選字段, 其長度可變.
IP數據報首部固定的字段分析 :
版本號 : IP協議的版本, IPv4或IPv6
首部長度 : 記錄了首部的長度, 最大爲1111, 即15個32位字長, 即60字節. 當首部長度不是4字節的整數倍時, 需要使用最後的填充字段加以填充.
服務類型 : 一般無用
總長度 : 指首部和數據之和的長度. 最大爲216-1 = 65535字節. 但是由於數據鏈路層規定每一幀的數據長度都有最大長度MTU, 以太網規定MTU爲1500字節, 所以超出範圍的數據報就必須進行分片處理
標識 : 每產生一個IP數據報, 計數器就+1, 並將此值賦值給標識字段. 再以後需要分片的數據報中, 標識相同說明是同一個數據報
標誌 : 佔3位, 最低位記爲MF(More Fragment). MF = 1說明還有分片; MF = 0說明這已經是最後一個分片. 中間一位記爲DF(Don’t Fragment), 意思是不能分片. 只有當DF = 0時才允許分片.
段位移 : 又稱片位移, 相對於用戶數據字段的起點, 該片從何處開始. 片位移以8個字節爲偏移單位. 所以, 每個分片的長度一定是8字節的整數倍.
生存時間 : TTL(Time To Live). 數據報能在因特網中經過路由器的最大次數爲255次, 每經過一個路由器則TTL – 1, 爲0時丟棄該報文.
協議 : 記錄該報文所攜帶的數據是使用何種協議.
首部檢驗和 : 只檢驗數據報的首部, 不檢驗數據部分. 不爲0則丟棄報文.
源地址和目的地址 : 不解釋
IP層轉發分組的流程
每個路由器內部都維護一個路由表, 路由表包含以下內容(目的網絡地址, 下一跳地址).
使用子網時分組轉發時, 路由表必須包含以下三項內容: 目的網絡地址, 子網掩碼和下一跳地址.
特定主機路由 : 對特定的目的地址指明一個路由
默認路由 : 不知道分組該發給哪個路由器時就發給默認路由. 當一個網絡只有很少的對外連接時使用默認路由非常合適.
路由器的分組轉發算法
從數據報中拿到目的IP地址D, 得出目的網絡地址N
若N就是與此路由器直接相連的某個網絡地址, 則直接交付(不需要再交給其他路由器轉發, 直接找到該目的主機交付), 否則 -> (3)
若路由表中有目的地址爲D的特定主機路由, 則把數據報傳給該路由器, 否則 -> (4)
若路由表中有到達網絡N的路由, 則把數據報傳給該路由器, 否則 -> (5)
若路由表中有默認路由, 則交給該路由器, 否則 -> (6)
報告轉發分組出錯
虛擬專用網VPN
因特網中的所有路由器對該目的地址是專用地址的數據報一律不轉發, 下面有3種專用地址(虛擬IP地址)
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
假設現在公司A有一個部門在廣州和另一個在上海, 而他們在當地都有自己的專用網. 那麼怎麼將這兩個專用網連接起來呢?
租用電信的通信線路爲本機構專用, 但是太貴了
利用公用的因特網當做通信載體, 這就是虛擬專用網VPN
網絡地址轉換NAT
多個專用網內部的主機公用一個NAT路由器的IP地址, 在主機發送和接收IP數據報時必須先通過NAT路由器進行網絡地址轉換.
NAT路由器的工作原理
不僅如此, NAT還能使用端口號, 搖身一變成爲網絡地址和端口轉換NAPT
ARP協議
ARP是解決同一個局域網上的主機或路由器的IP地址和MAC地址的映射問題, 即 IP地址 -> ARP -> MAC地址
每一個主機都有一個ARP高速緩存, 裏面有本局域網上的各主機和路由器的IP地址到MAC地址的映射表. 以下是ARP的工作原理 :
4. 傳輸層
這一層是重中之重, 因爲數據鏈路層, 網絡層這兩層的數據傳輸都是不可靠的, 盡最大能力交付的. 什麼意思的? 就是它們不負責提交給你的就是正確的數據. 然而這一層的TCP協議將要提供可靠傳輸
這一層主要重點是兩個協議 : UDP 和 TCP
用戶數據報協議UDP
UDP主要特點 :
無連接
盡最大努力交付
面向報文 : 應用層交下來的報文直接加上UDP頭部就往IP層扔, 不合並也不拆分
沒有擁塞控制
支持一對一, 一對多, 多對一和多對多的交互通信
首部開銷小, 只有8個字節
UDP首部
UDP首部格式
源端口 : 源端口號. 在需要對方回信時選用, 不需要則全0
目的端口 : 目的端口號. 這在終點交付報文時必須要使用到
長度 : UDP數據報的長度, 最小值爲8(僅有首部)
檢驗和 : 與IP數據報只檢驗首部不同的是, UDP需要把首部和數據部分一起檢驗
傳輸控制協議TCP
TCP主要特點 :
面向連接的運輸層協議
每一條TCP連接只能有2個端點, TCP是點對點的
提供可靠交付
全雙工通信
面向字節流
TCP的工作流程
TCP三次握手
TCP三次握手建立連接和四次揮手斷開連接是面試愛問的知識點.
Q : 爲什麼要三次握手, 兩次不可以嗎?
A : 試想一下, A第一次發送請求連接, 但是在網絡某節點滯留了, A超時重傳, 然後這一次一切正常, A跟B就愉快地進行數據傳輸了. 等到連接釋放了以後, 那個迷失了的連接請求突然到了B那, 如果是兩次握手的話, B發送確認, 它們就算是建立起了連接了. 事實上A並不會理會這個確認, 因爲我壓根沒有要傳數據啊. 但是B卻傻傻地以爲有數據要來, 苦苦等待. 結果就是造成資源的浪費.
更加接地氣的解釋就是 : A打電話給B
第一次握手 : 你好, 我是A, 你能聽到我說話嗎
第二次握手 : 聽到了, 我是B, 你能聽到我說話嗎
第三次握手 : 聽到了, 我們可以開始聊天了
三次握手其實就是爲了檢測雙方的發送和接收能力是否正常, 你說呢?
TCP四次揮手
Q : 爲什麼要四次揮手, 而不是兩次, 三次?
A :
首先, 由於TCP的全雙工通信, 雙方都能作爲數據發送方. A想要關閉連接, 必須要等數據都發送完畢, 才發送FIN給B. (此時A處於半關閉狀態)
然後, B發送確認ACK, 並且B此時如果要發送數據, 就發送(例如做一些釋放前的處理)
再者, B發送完數據之後, 發送FIN給A. (此時B處於半關閉狀態)
然後, A發送ACK, 進入TIME-WAIT狀態
最後, 經過2MSL時間後沒有收到B傳來的報文, 則確定B收到了ACK了. (此時A, B纔算是處於完全關閉狀態)
PS : 仔細分析以上步驟就知道爲什麼不能少於四次揮手了.
Q : 爲什麼要等待2MSL(Maximum Segment Lifetime)時間, 才從TIME_WAIT到CLOSED？
A : 在Client發送出最後的ACK回覆，但該ACK可能丟失。Server如果沒有收到ACK，將不斷重複發送FIN片段。所以Client不能立即關閉，它必須確認Server接收到了該ACK。Client會在發送出ACK之後進入到TIME_WAIT狀態。Client會設置一個計時器，等待2MSL的時間。如果在該時間內再次收到FIN，那麼Client會重發ACK並再次等待2MSL。MSL指一個片段在網絡中最大的存活時間，2MSL就是一個發送和一個回覆所需的最大時間。如果直到2MSL，Client都沒有再次收到FIN，那麼Client推斷ACK已經被成功接收，則結束TCP連接。
更加接地氣的解釋 :
第一次揮手 : A告訴B, 我沒數據發了, 準備關閉連接了, 你要發送數據嗎
第二次揮手 : B發送最後的數據
第三次揮手 : B告訴A, 我也要關閉連接了
第四次揮手 : A告訴B你可以關閉了, 我這邊也關閉了
5. 應用層
應用層協議最著名的就是HTTP, FTP了, 還有一個重要的DNS
域名系統(DNS, Domain Name System)
DNS 能將域名(例如, www.jianshu.com)解析成IP地址.
域名服務器分類
根域名服務器 : 最高層次的域名服務器
頂級域名服務器 : 如其名
權限域名服務器 : 負責一個區的應服務器
本地域名服務器 : 主機發送DNS查詢請求就是發給它
DNS查詢
（1）主機向本地域名服務器的查詢一般都是採用遞歸查詢
（2）本地域名服務器向根域名服務器的查詢通常是採用迭代查詢
遞歸查詢 : B問A廣州怎麼去, A不知道, A就問C, C不知道就問D...直到知道了再一層一層轉告直到A告訴B. 迭代查詢 : B問A廣州怎麼去, A不知道, A就告訴你可以去問C, 然後B就去問C, C不知道, C就告訴你可以去問D, 然後B就去問D...直到B知道爲止
DNS查詢例子
域名爲x.tom.com的主機想知道y.jerry.com的IP地址
主機x.tom.com先向本地域名服務器dns.tom.com進行遞歸查詢
本地域名服務器採用迭代查詢. 它先問一個根域名服務器
根域名服務器告訴它, 你去問頂級域名服務器dns.com
本地域名服務器問頂級域名服務器dns.com
頂級域名服務器告訴它, 你去問權限域名服務器dns.jerry.com
本地域名服務器問權限域名服務器dns.jerry.com
權限域名服務器dns.jerry.com告訴它所查詢的主機的IP地址
本地域名服務器把查詢結果告訴主機x.tom.com
PS : 該查詢使用UDP, 並且爲了提高DNS查詢效率, 每個域名服務器都使用高速緩存.
三、其他介紹
1. 什麼是交換機？
作用：實現多臺主機之間進行通訊。
原理：交換機採用廣播方式進行通訊。
在交換網絡中，需要給每臺PC機一個身份表示信息，便於在交換網絡中相互通訊，
這個身份表示信息就稱爲MAC地址，並且MAC地址具有全球唯一行，又稱爲物理地址
MAC地址：採用十六進制方式顯示，共由48位二進制組成
網絡中數據傳輸，是有去必有回
2. 什麼是路由器？
實現不同局域網之間主機設備通訊，實現不同網段之間的主機通訊
可以隔離廣播風暴，路由器進行數據通訊時，只識別IP地址，不識別MAC地址
路由器轉發數據信息時，需要查看路由表。
IP地址=局域網網絡位+主機位
route -n ：查看centos系統路由表信息命令
3. 如何實現數據通訊？
（1）要有傳輸介質：網線、光纖、wifi、藍牙
（2）網卡硬件設備
（3）調製過程：利用網卡將二進制數字信息，轉換爲相應的高低電壓，進程傳輸發送，
（4）解調過程：在利用網卡將高低電壓轉換爲相應的二進制數，最終識別出傳輸的數據信息
網絡數據傳輸過程：
網絡屬性信息裏面（ncpa.cpl）：網卡速率 100Mbps=每秒鐘傳輸 100Mbit（1bit=1信號 0 1）
網絡傳輸的數據單位：成爲bit=小b 1b=1/8B
文件存儲的數據單位：稱爲byte=大B 1B=8bit