计算机基础之网络基础

Posted 2020-09-19 名刀

一、什么是互联网协议及为何要有互联网协议　　

问题引入

　　我们已经知道，一台电脑安装好必要的硬件，在装上操作系统后就可以使用，但是我们生活在互联网时代，我们还需要连接互联网才能与整个世界交流。那么，什么是互联网，我们又该怎样连接互联网呢？在中国，有很多很多种方言，要想无障碍的与其他人交流，就需要使用我国的标准语言，汉语。同样要想与世界上的其他人无障碍的交流，就要用到世界统一的标准语言，英语。在互联网中，世界统一的通信标准也是英语。连接电脑与电脑之间的互联网就是一系列统一的标准，这些标准就称之为互联网协议。互联网的本质就是一系列协议，它定义了计算机如何接入Internet，以及计算机接入Internet的计算机通信标准。

二、osi五层模型

　　互联网协议按照功能不同分为osi七层或者tcp/ip五层或者tcp/ip四层

　　我们平时使用的应用程序，是在应用层面上，这几层的关系上，每一层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件，自上而下每一层都依赖于下一层。我们从最下一层即物理层开始切入。

物理层

　　物理层主要是基于电器特性发送高低电压（电信号），高电压对应二进制的1，低电压对应二进制的0。常见的运行于物理层的设备有中继器、集线器、双绞线、光缆。

数据链路层

　　单纯的电信号0和1没有任何意义，数据链路层就定义了电信号的分组方式，规定电信号多少位一组，每组表示什么意思。

　　以太网协议

　　早期每个公司都有自己的分组方式，后来为了统一标准，形成了以太网协议Ethernet

　　Ethernet规定

　　1.一组电信号构成一个数据包，称为“帧”。

　　2.每一“帧”包括head头部和数据data两部分。

　　3.head头部包含固定的18个字节，其中发送者/源地址占6个字节；接受者/目标地址占6个字节；数据类型占6个字节。

　　4.data包含最短46字节，最长1500字节

　　5.整个数据包的长度最短64字节，最长1518字节，如果超过最大限制就分片发送。

　　mac地址

　　ethernet规定接入Internet的设备都必须具备网卡，而head中包含的源地址和目标地址就是网卡的地址，也就是mac地址。每块网卡出厂时都被烧制上了一个世界唯一的　mac地址，长度为48位2进制数，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

　　广播

　　有了mac地址，处于同一子网络中的两台主机就可以通信了，ethernet采用最原始的广播的方式进行通信，发送者以广播的方式发送数据包给目标电脑，但是广播的方式会使处于同一子网络中的所有电脑都收到该数据包，拆开后发现mac地址是自己的就响应，如果不是自己的就丢弃。过程模拟如图

网络层

　　处在一个子网络中的两台计算机可以用广播的方式发送数据包，但是如果是全世界范围内的两台电脑通信，就不能采用这种方式了，否则如果每一个数据包都被全世界所有的电脑收到，就变成一种灾难了。所以还必须要有一种方式来区分世界上这些子网络，如果处在一个广播域就采用广播的方式，如果不在一个广播域，就要采用路由的方式（向不同的子网发送数据包的方式）。这就是网络层存在的意义，引入网络地址来区分不同的子网或广播域。

　　ip协议

　　网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称为ip地址，ipv4规定网络地址由32位2进制数表示，ipv6扩展了路由和寻址的能力，规定网络地址由128位2进制数表示。我们主要以ipv4为例介绍ip地址。它的范围是0.0.0.0~255.255.255.255，通常写成四段十进制数，如192.168.1.0

　　ip地址分为标识子网的网络部分和标识主机的主机部分，从网络部分或者主机部分都不能辨识一个ip所处的子网。

　　子网掩码

　　子网掩码是表示子网特征的一个参数，跟ip地址的形式类似，也是由32位的二进制数构成，规定它的网络部分全为1，主机部分全为0。对于一个ip地址，如果已知网络部分是前16位，主机部分是后16位，那么子网掩码就是11111111.11111111.00000000.00000000,写成十进制就是255.255.0.0。

　　有了子网掩码，我们就能判断两个ip地址是否处于同一个子网络中。方法是将两个ip地址和子网掩码分别进行“与运算”（两个数都为1，结果为1，否则为0），如果结果相同，表明他们在一个子网络中，否则不是。

　　比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，

　　172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

　　255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

　　AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

 

　　172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010

　　255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

　　AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

　　结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。

 

　　ip协议的作用就是为每一台计算机分配一个ip地址，另一个作用就是确定哪些地址在同一个子网络中。

　　ip数据包

　　IP数据包也分为head和data部分，放入以太网包的data部分。其中head的长度是20-60字节，data最长为65515字节。但是以太网数据包的数据部分最长只有1500字节，所以如果ip数据包超过了1500字节，就需要分割成几个以太网数据包分开发送。

　　ARP协议（地址解析协议）

　　通信是基于mac地址的广播实现的，计算机获取自身的mac地址是很容易的，但是如果需要获取目标计算机的mac地址，就需要通过ARP协议。

　　协议的工作方式如下：

　　首先通过IP地址和子网掩码区分出自己所处的子网，如果处在同一子网，则数据包的地址是目标主机的mac地址和目标主机的ip；如果没有处在同一子网，则数据包的地址是网关的mac地址和目标主机的ip。此时会发出一个ARP request广播包，请求具有该ip地址的主机报告它的mac地址。　　

传输层

　　计算机之间的通讯，实际是软件与软件之间的通讯，ip地址帮我们找到了目标电脑所处的子网，以太网的mac地址帮我们找到了主机的具体位置，但是我们还需要知道软件的具体位置，这时就需要端口（port），端口即应用程序网卡关联的编号，端口的范围是0-65535，其中0-1023为系统占用的端口。传输层的功能就是建立端口到端口的通信。mac+ip+port确定一个独一无二的位置。

　　tcp和udp的区别

　　  tcp是可靠传输，没有长度限制（为了保证网络的效率，通常tcp数据包的长度不会超过ip数据包的长度）而udp是不可靠传输，“报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65535字节。tcp协议存在确认信息，而udp协议没有。下图是tcp数据包示例。

　　tcp的三次握手和四次挥手

应用层

　　应用层规定了程序的数据格式，包括dns,ftp,http等

网络通信流程 

　　想实现网络通信，每台主机需具备四要素

• 本机的IP地址
• 子网掩码
• 网关的IP地址
• DNS的IP地址

　　获取这四要素分两种方式

　　1.静态获取

　　即手动配置

　　2.动态获取

　　通过dhcp获取

以太网头

ip头

udp头

dhcp数据包

 

　　（1）最前面的”以太网标头”，设置发出方（本机）的MAC地址和接收方（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。 

　　（2）后面的”IP标头”，设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这两者，本机都不知道。于是，发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255。 

　　（3）最后的”UDP标头”，设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口。 

这个数据包构造完成后，就可以发出了。以太网是广播发送，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，所以每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服务器知道”这个包是发给我的”，而其他计算机就可以丢弃这个包。 

　　接下来，DHCP服务器读出这个包的数据内容，分配好IP地址，发送回去一个”DHCP响应”数据包。这个响应包的结构也是类似的，以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址，IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址（发出方）和255.255.255.255（接收方），UDP标头的端口是67（发出方）和68（接收方），分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。 

　　新加入的计算机收到这个响应包，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。