网络基础

操作系统基础

操作系统:(Operating System,简称OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序,是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件,任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。
注:计算机(硬件)->os->应用软件

 

网络通信原理

互联网的本质就是一系列的网络协议

一台硬设有了操作系统,然后装上软件你就可以正常使用了,然而你也只能自己使用,像这样,每个人都拥有一台自己的机器,然而彼此孤立
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如何能大家一起玩耍
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然而internet为何物?
其实两台计算机之间通信与两个人打电话之间通信的原理是一样的(中国有很多地区,不同的地区有不同的方言,为了全中国人都可以听懂,大家统一讲普通话)
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普通话属于中国国内人与人之间通信的标准,那如果是两个国家的人交流呢?
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问题是,你不可能要求一个人/计算机掌握全世界的语言/标准,于是有了世界统一的通信标准:英语
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结论:英语成为世界上所有人通信的统一标准,如果把计算机看成分布于世界各地的人,那么连接两台计算机之间的internet实际上就是一系列统一的标准,这些标准称之为互联网协议,互联网的本质就是一系列的协议,总称为‘互联网协议’(Internet Protocol Suite).
互联网协议的功能:定义计算机如何接入internet,以及接入internet的计算机通信的标准。
 

osi七层协议

互联网协议按照功能不同分为osi七层tcp/ip五层tcp/ip四层
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每层运行常见物理设备
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tcp/ip五层模型讲解

我们将应用层,表示层,会话层并作应用层,从tcp/ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能,搞清楚了每层的主要协议就理解了整个互联网通信的原理。首先,用户感知到的只是最上面一层应用层,自上而下每层都依赖于下一层,所以我们从最下一层开始切入,比较好理解每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

 

物理层

物理层由来:上面提到,孤立的计算机之间要想一起玩,就必须接入internet,言外之意就是计算机之间必须完成组网
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物理层功能:主要是基于电器特性发送高低电压(电信号),高电压对应数字1,低电压对应数字0

数据链路层

数据链路层由来:单纯的电信号0和1没有任何意义,必须规定电信号多少位一组,每组什么意思
数据链路层的功能:定义了电信号的分组方式
以太网协议:
早期的时候各个公司都有自己的分组方式,后来形成了统一的标准,即以太网协议ethernet
ethernet规定

  • 一组电信号构成一个数据包,叫做‘帧’
  • 每一数据帧分成:报头head和数据data两部分
 head                        data

head包含:(固定18个字节)

  • 发送者/源地址,6个字节
  • 接收者/目标地址,6个字节
  • 数据类型,6个字节

data包含:(最短46字节,最长1500字节)

  • 数据包的具体内容

head长度+data长度=最短64字节,最长1518字节,超过最大限制就分片发送
mac地址:
head中包含的源和目标地址由来:ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡,发送端和接收端的地址便是指网卡的地址,即mac地址
mac地址:每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址,长度为48位2进制,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)
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广播:
有了mac地址,同一网络内的两台主机就可以通信了(一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址),ethernet采用最原始的方式,广播的方式进行通信,即计算机通信基本靠吼
 

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网络层

网络层由来:有了ethernet、mac地址、广播的发送方式,世界上的计算机就可以彼此通信了,问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的,那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式,那么一台机器发送的包全世界都会收到,这就不仅仅是效率低的问题了,这会是一种灾难
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上图结论:必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域,哪些不是,如果是就采用广播的方式发送,如果不是,
就采用路由的方式(向不同广播域/子网分发数据包),mac地址是无法区分的,它只跟厂商有关
网络层功能:引入一套新的地址用来区分不同的广播域/子网,这套地址即网络地址
IP协议:

  • 规定网络地址的协议叫ip协议,它定义的地址称之为ip地址,广泛采用的v4版本即ipv4,它规定网络地址由32位2进制表示
  • 范围0.0.0.0-255.255.255.255
  • 一个ip地址通常写成四段十进制数,例:172.16.10.1

ip地址分成两部分

  • 网络部分:标识子网
  • 主机部分:标识主机

注意:单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类,从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网
例:172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网
子网掩码
所谓”子网掩码”,就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址,也是一个32位二进制数字,它的网络部分全部为1,主机部分全部为0。比如,IP地址172.16.10.1,如果已知网络部分是前24位,主机部分是后8位,那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000,写成十进制就是255.255.255.0。
知道”子网掩码”,我们就能判断,任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算(两个数位都为1,运算结果为1,否则为0),然后比较结果是否相同,如果是的话,就表明它们在同一个子网络中,否则就不是。
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。
总结一下,IP协议的作用主要有两个,一个是为每一台计算机分配IP地址,另一个是确定哪些地址在同一个子网络。
ip数据包
ip数据包也分为head和data部分,无须为ip包定义单独的栏位,直接放入以太网包的data部分
head:长度为20到60字节
data:最长为65,515字节。
而以太网数据包的”数据”部分,最长只有1500字节。因此,如果IP数据包超过了1500字节,它就需要分割成几个以太网数据包,分开发送了。

以太网头             ip 头                 ip数据

ARP协议
arp协议由来:计算机通信基本靠吼,即广播的方式,所有上层的包到最后都要封装上以太网头,然后通过以太网协议发送,在谈及以太网协议时候,我门了解到通信是基于mac的广播方式实现,计算机在发包时,获取自身的mac是容易的,如何获取目标主机的mac,就需要通过arp协议
arp协议功能:广播的方式发送数据包,获取目标主机的mac地址
协议工作方式:每台主机ip都是已知的
例如:主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24
一:首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

场景 数据包地址
同一子网 目标主机mac,目标主机ip
不同子网 网关mac,目标主机ip

二:分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络,那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

源mac 目标mac 源ip 目标ip 数据部分
发送端
主机
发送端
mac
FF:FF:FF:FF:FF:FF 172.16.10.10/24 172.16.10.11/24 数据

三:这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输,所有主机接收后拆开包,发现目标ip为自己的,就响应,返回自己的mac

传输层

传输层的由来:网络层的ip帮我们区分子网,以太网层的mac帮我们找到主机,然后大家使用的都是应用程序,你的电脑上可能同时开启qq,暴风影音,等多个应用程序,那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机,如何标识这台主机上的应用程序,答案就是端口,端口即应用程序与网卡关联的编号。
传输层功能:建立端口到端口的通信
补充:端口范围0-65535,0-1023为系统占用端口
tcp协议:
可靠传输,TCP数据包没有长度限制,理论上可以无限长,但是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,以确保单个TCP数据包不必再分割。

以太网头 ip 头 tcp头 数据

udp协议:
不可靠传输,”报头”部分一共只有8个字节,总长度不超过65,535字节,正好放进一个IP数据包。

以太网头 ip头     udp头 数据

tcp报文
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tcp三次握手和四次挥手
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为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次挥手呢?
这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答用,而SYN起同步作用)在一个报文里来发送。但关闭连接时,当收到对方的FIN报文通知时,它仅仅表示对方没有数据发送给你了;但未必你所有的数据全部发送给对方了,所以你可能未必会马上会关闭SOCKET,即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可关闭连接,ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的.

 

应用层

应用层由来:用户使用的都是应用程序,均工作于应用层,互联网是开发的,大家都可以开发自己的应用程序,数据多种多样,必须规定好数据的组织形式
应用层功能:规定应用程序的数据格式。
例:TCP协议可以为各种各样的程序传递数据,比如Email、WWW、FTP等等。那么,必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式,这些应用程序协议就构成了”应用层”。
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