网络编程--网络理论基础（二）

网络通信流程

mac地址、ip地址

在网络中通讯，本质上都在依赖网卡进行通讯，mac地址唯一标识一张网卡，相当于一张网卡的唯一id号，所以，发送数据时，知道了发送端的mac地址以及接收端的mac地址，就可以实现两个设备的网络通信
而ip地址，是在网络环境中唯一标识一台主机，是网络层的标识，ip地址是可变的（由相关设备进行分配），并不像mac地址一样（出厂即固定），尽管ip是可变的，但是我们可以固定一台主机的ip，所以这并不影响通信时，ip与mac的对应，所以，就有了arp协议

arp协议

由于网络通信本质上是网卡在进行数据传输，所以，我们发送一个数据时，我们肯定知道发送端的mac地址，但是接收端，我们一般只知道其ip地址，且在应用层，是使用ip地址进行代码编写，并不能指定其mac地址，那该如何呢，这时就用到了arp协议，arp协议会根据目标主机的ip地址，在当前的网络环境中进行广播（可能是交换机（内网）、也可能是互联网），发送arp报文请求，而对应的ip主机会收到该arp报文请求，并回复一份arp报文，将自己的mac地址告诉发送端，这样，发送端就知道了接收端的mac地址，且发送端会缓存每次请求来的mac地址

交换机

交换机是两张网卡通讯的桥梁，一个交换机上有许多的端口，交换机的各个端口之间是可以互相通信的，而每个端口又连接着一个网卡，所以，网卡与网卡之间的通讯，实际上是通过交换机的端口来进行，交换机就是网卡与网卡通讯的桥梁

这个端口与网卡的mac对应表，称为mac地址表

当一个网卡想给另一个网卡发送数据包时，依据交换机，如何可以直接在当前交换机查询到目标端口，则直接从目标端口发送到目标mac地址，而如果查询不到，则将该数据群发，称之为泛洪。
之所以群发，是因为交换机本身也不是孤立的，交换机可以与其他多台交换机连接，形成一张大的连接网，这就叫网络，群发的话，数据就会被发送到别的交换机，只要目标mac在当前的网络中，就一定可以找到目标mac

路由器

简介

路由器分为LAN口和WAN口，LAN口用来接各种家庭中的设备，而WAN口用来接运营商提供的互联网，从而连接到互联网中
LAN也被称为局域网，WAN也被称为广域网

如果没有WAN口，那么路由器就是一台交换机，也是一个子网
而WAN口，实际上是另一台交换机，只不过这台交换机是全球通信的巨大的一张网，称为互联网，是另一个子网
而路由器就是网关，负责两个子网之间的通信的桥梁

子网划分

首先要清楚子网掩码，子网掩码默认为255.255.255.0，用二进制表示就是111111…11100000000，前24位都是1，最后8位是0
而一个ip与子网掩码相&的结果，就是其子网，如果两个ip与子网掩码相&的结果相同，那么就说这两个ip在同一个子网中

而相&的规则是，1 & x = x，0 & x = 0，基于此规则，我们可以得出结论，如果两个ip的前三段一样，那么这两个ip就是在同一个子网中，如
192.168.1.6与192.168.1.7是在一个子网中

可以知道，连接在同一个路由器LAN口的设备，属于同一个子网，也就属于同一个交换机

我们可以使用1的数量来表示掩码是多少，因为掩码除了1就是0，所以可以使用子网的前三段再加上/掩码（1的个数），来表示一个子网。

而子网中0越多，表示可使用的ip数量越多，对应的也就1越少，而1越少，根据“可以使用1的个数来表示掩码”的原理，1越少，掩码越小
所以，就有：
调小子网掩码->就可以扩大ip数量
调大子网掩码->就可以减少ip数量

网关

而tcp/ip协议规定，不同子网直接是不可以直接进行网络通信的，而担当起不同子网之间通信的桥梁，就是网关，网关会安装不同的网卡，分配配置上“适用于不同子网的ip”，这样，网关就可以负责不同子网之间的通信连接了

当发生端想要发送数据时，先判断目标mac的ip是否在子网，如果是，那么目标就是在交换机上的内网，则直接通过网卡发出，如果不是子网，那么就将目标mac地址改为网关的mac，发送给网关，之后网关通过路由表，查询到对应的子网，将数据以自己的mac地址为源，发送到目标端

上面的这个判断过程，就是路由，由路由器判断如何进行数据发送以及完成最后的数据发送

补充：网关关注于网络间的数据传输和协议转换，其作用是连接和中介不同的网络环境。数据传输：就是我们上面谈到的不同子网之间数据的传输。而我们要补充的是，网关还负责着不同协议直接的转换，如下图：

在网关上下，有着两种不同类型的协议，网关可以负责帮助在不同协议之间进行数据的传输

路由

如果没有WAN口，那么路由器就是一台交换机，也是一个子网
而WAN口，实际上是另一台交换机，只不过这台交换机是全球通信的巨大的一张网，称为互联网，是另一个子网
而路由器就是网关，负责两个子网之间的通信的桥梁

而路由器根据ip判断是通过内网还是通过网关，进行数据发送，并执行数据发送的行为，就是路由（可见上面“网关”的最后一段话）

总结

路由器内LAN口：子网，内网，相当于普通内部道路
路由器内WAN口：另一个子网，互联网，相当于贯通全国的高速公路
网关：路由器就担任网关的角色，相当于高速收费站，是普通内部路到高速，或者高速到内部路的关卡、桥梁

为什么互联网可以连接那么广，可以将他视为一个巨大的交换机，每个路由器的WAN口都对应其中一个端口，通过WAN口可以与任何一个接通LAN口的路由器通讯，而路由器又可以完成互联网到内网的转发，从而保证任何“连接了互联网”的主机可以访问任何“连接到互联网”的内网服务

为什么ip相同的主机在与同一个互联网服务通信时不冲突

公网ip

那是因为主机连接的路由器会有一个公网ip，发出时，将源ip改为路由器公网ip发出（这个操作就叫snat），服务器回发数据时，将发给公网ip，路由器接到数据后，将目标ip改成主机ip，发送到主机上，这样，同一个路由器下的不同设备，ip不可能冲突，而不同路由器下的设备，虽然ip可能相同，但是因为使用的是路由器的公网ip进行互联网通信，所以，正是由于路由器不同，公网ip才不同，就不会产生ip冲突了

对于同一个路由器下的不同设备，虽然ip不冲突，但是因为都是由路由器的公网ip转发通信，接收返回的数据时，如何区分

对于这个情况，发出时，snat时，不仅仅在路由器层面修改源ip，同时再修改源端口号，哪怕两个主机ip相同以及端口号相同，发出时，会以公网ip+不同的端口号进行发送，即，会将两个主机的端口在路由器的位置，修改成不同的端口，接收时，根据端口号，判断是哪个主机，然后再改回原来主机的真实ip+端口号

VPN

简介

VPN是虚拟专用网络，主要用途是建立一条数据传输网络通道，并且该通道是加密通道，可以保护数据不被互联网的其他节点窃取
其次，VPN可以代理IP地址，可以隐藏自己真实的IP，伪装成不同地域的IP
或者包装数据为合规数据，进而绕过防火墙的检查

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