【Linux网络】Linux网络初探：开启网络世界的大门

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前言：我们已经系统的学习了Linux的基本操作、进程、线程、文件、通信等待，但是在如今社会没有网络通信方式是万万不行的，今天我们就走进网络中，系统的学习一下有关Linux网络的基本内容。

目录

计算机网络背景

网络发展

认识 "协议"

网络协议初识 

协议分层

OSI七层模型

TCP/IP五层(或四层)模型 

OSVS网络

网络传输基本流程

网络传输流程图

​编辑 数据包封装和分用

​编辑 网络中的地址管理

认识IP地址 

 认识MAC地址

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计算机网络背景

网络发展

独立模式: 计算机之间相互独立;

网络互联: 多台计算机连接在一起, 完成数据共享; 

局域网LAN: 计算机数量更多了, 通过交换机和路由器连接在一起; 

广域网WAN: 将远隔千里的计算机都连在一起; 

 从最开始的军事需求，到现在的全球化信息共享需求，从最开始的独立模式到现在的挨家挨户都能上网，计算机网络已经成为现代社会不可或缺的东西。

认识 "协议"

"协议" 是一种约定.而计算机协议就是计算机之间的一种约定。计算机之间的传输媒介是光信号和电信号. 通过 "频率" 和 "强弱" 来表示 0 和 1 这样的信息. 要想传递各种不同的信息, 就需要约定好双方的数据格式。

计算机生产厂商有很多;
计算机操作系统, 也有很多;
计算机网络硬件设备, 还是有很多;
如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信? 就需要有人站出来, 约定一个共同的标准,大家都来遵守, 这就是 网络协议;

网络协议初识 

为什么要有网络协议，当两台主机在使用网络通信时肯定距离是越来越远，所以就会出现四种问题：
1.如何使用数据问题。
2.可靠性问题
3.主机定位问题
4.数据报局域网转发问题

这些问题需要去解决就需要制定网络协议(tcp/ip协议)，而协议也分好的坏的，协议分层就是好的解决方案。 

协议分层

在这个例子中, 我们的协议只有两层; 但是实际的网络通信会更加复杂, 需要分更多的层次.
分层最大的好处在于 "封装" . 面向对象例子 

为什么要进行分层呢？因为我们是现有的OS，再有的网络，而操作系统就是应用了软件分层使层与层之间是松耦合的，可以随时替换或方便维护。

OSI七层模型

OSI（Open 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五层(或四层)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5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.
物理层: 负责光/电信号的传递方式. 比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层.
数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层.
网络层: 负责地址管理和路由选择. 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层.
传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机.
应用层: 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等. 我们的网络编程主要就是针对应用层. 

上述远距离传输出现的四种问题就是由TCP/IP协议来解决的。
1.如何使用数据问题。（应用层解决）
2.可靠性问题。（传输层解决）
3.主机定位问题。 （网络层解决）
4.数据报局域网转发问题。 （数据链路层解决）

 物理层我们考虑的比较少. 因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型。

一般而言
对于一台主机, 它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容;
对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层;
对于一台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;
对于集线器, 它只实现了物理层;

但是并不绝对. 很多交换机也实现了网络层的转发; 很多路由器也实现了部分传输层的内容(比如端口转发); 

参考资料
TCP/IP四层模型和OSI七层模型的概念 

OSVS网络

在操作系统中我们有这么一张图代表我们操作系统的内容：

而网络要与操作系统相匹配也分为五层：

物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，其对应的也是OS中的五层。其中网络层和传输层是在操作系统内部实现的，网络也属于操作系统源代码的一部分。又因为传输层与网络层是操作系统内部的，用户不能直接访问，而OS中还有一层是系统调用接口所对应的网络也就是系统调用网络接口！！！

多主机下对OS与网络的理解：

 在多主机不同平台下的OS内存、文件、驱动、进程内核实现可能是不一样的，不然系统调用接口就是相同的，不会在语言层进行封装完善其跨平台性。但是在OS中网络协议一定是一样的，这就是Windows与Linux不同平台可以通信的原因。

协议是种约定，而我们的操作系统通常是用C语言来实现的，而这些约定我们就得用C语言来实现。具体就是使用结构体来实现，这些结构体在双方都必须得认识，知道其对应每个字段的含义。这就是TCP/IP协议在语言层的理解。

什么是计算机网络协议：双方都认识的结构体类型！！！

网络传输基本流程

我们先来说一个问题，现有局域网还是先有互联网。肯定是先有局域网，而局域网种又分很多种以太网、令牌环网等待。

现在有一个局域网，里面有多个主机进行使用我们要实现主机A向主机X进行通信，他们可以直接进行通信。就比如当一群人在教室中上课，老师询问小张有没有交作业，小张说交了。在这个情景对话中教室中的所有人都可以听到老师与小张之间的对话，但是因为不是自己所以就忽视了其行为而自己做自己的事情。以太网也是这个道理，每台主机都有自己的mac地址，当一台主机给另一台主机发送消息时，其余主机检测mac地址是否是给自己发送的，如果是就接收反之就忽略！！ 

但是以太网有一个问题，当主机C往以太网中发送大量垃圾消息，主机A在向主机X发送消息就会识别不到，这就叫作数据碰撞。而在以太网中每个主机都有碰撞的检测和避免，如果有数据被碰撞就会隔一段时间再次发送数据。我们将一个局域网叫做一个碰撞域，所以在一个局域网中只允许一台主机发消息。

所以我们可以将两台主机看作两个进程，而局域网就叫做不同主机的临界资源！而以太网不是通过加锁的操作完成的，而是先发送数据，如果有数据碰撞就会过一会再次发送数据，通过碰撞检测和避免的策略来发送数据。

而局域网中的令牌环网就是以类似加锁的形式避免消息碰撞的！所以在一个局域网中，主机越少越好！ 

网络传输流程图

同一个网段内的两台主机进行文件传输.

 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.

 数据包封装和分用

不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在网络层叫做数据报 (datagram),在链路层叫做帧(frame).
应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装
(Encapsulation).
首部信息中包含了一些类似于首部有多长, 载荷(payload)有多长, 上层协议是什么等信息.
数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部, 根据首部中的 "上层协议字段" 将数据交给对应的上层协议处理. 

下图为数据封装的过程：

 传输流程->先封装->再传输->最后再解包：

在解包时，向上传输每一个协议报头都有上一次的具体协议，因为上层协议不止一个。

逻辑上：同层协议都可以直接认为直接通信。

 上述就是在同一局域网中的网络传输流。

而当跨网络通信时我们就需要路由器作为中间媒介传输，这我们也可以得出一个结论就是路由器一般至少横跨两个子网，就会有两张网卡两个mac地址。

我们先来说一个故事西游记中的唐僧每到一个地方都会说贫僧自东土大唐而来前往西天取真经。而所谓的东土大唐就是原IP地址，西天就是目标IP地址。(IP地址一般是十进制的三十二位)但是每到一个地方就会询问去往西天的下一站该怎么走，好心人会给他指引下一站的路，而上一站与下一站就是原mac地址与目标mac地址。IP地址一但确定一般是不会改变的，mac地址是一直在变的。 

而前面网络传输都是相同的，都是封装自己的报头。而在网络层中封装里面就包含了两个IP地址，原IP与目标IP，就是简单的从哪里来到哪里去。然后就到物理层的封装的地址中就包含了原mac地址与下一站路由器的mac地址，这时我们的数据报文就到了路由器，然后路由器解包知道目标IP，发送给目标IP对应的物理层，而发送时必须要对其报文进行再一次封装，然后进行发送。

下图为数据分用的过程：

 网络中的地址管理

认识IP地址 

IP协议有两个版本, IPv4和IPv6. 我们整个的博客中, 凡是提到IP协议, 没有特殊说明的, 默认都是指IPv4 

IP地址是在IP协议中, 用来标识网络中不同主机的地址;
对于IPv4来说, IP地址是一个4字节, 32位的整数;
我们通常也使用 "点分十进制" 的字符串表示IP地址, 例如 192.168.0.1 ; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255;

 认识MAC地址

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址). 

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以上就是本次全部内容，感谢大家观看！