【Linux】网络基础

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一、网络的发展

• 独立模式

  • 产生背景：在计算机发展的早期阶段，计算机系统主要以单机形式存在，每台计算机都是一个独立的个体，不与其他计算机进行数据通信和资源共享，这就是独立模式，当时的计算机主要用于科学计算和简单的数据处理，用户只能在本地使用计算机的硬件和软件资源
  • 特点
    • 独立性：每台计算机独立运行，有自己的处理器、存储器、输入输出设备等，数据和程序都存储在本地，不依赖其他计算机
    • 资源有限性：用户只能使用本地计算机的资源，如本地的硬盘空间、内存、打印机等，无法共享其他计算机的资源，资源利用效率较低
    • 功能局限性：主要用于完成本地的计算任务，如数值计算、文本处理等，无法实现多台计算机之间的协同工作和信息共享

• 局域网LAN

  • 产生背景：随着计算机应用的逐渐普及，人们开始意识到多台计算机之间进行通信和资源共享的需求，于是局域网应运而生，20世纪70年代，一些科研机构和企业开始尝试将多台计算机连接在一起，形成一个小型的网络，以实现文件共享、打印机共享等功能
  • 特点
    • 地理范围有限：通常覆盖范围在几十米到几公里以内，如一个办公室、一栋建筑物或一个校园等
    • 高数据传输速率：一般能提供较高的数据传输速率，通常在10Mbps到1000Mbps甚至更高，能够快速地传输数据、文件和多媒体信息
    • 低误码率：由于传输距离较短，信号传输质量较好，误码率通常较低，一般在10⁻⁸到10⁻¹¹之间，保证了数据传输的准确性和完整性
    • 共享资源丰富：可以实现计算机之间的文件共享、打印机共享、数据库共享等，还能支持用户之间的信息交流和协同工作，如共享文档编辑、视频会议等
    • 易于管理和维护：网络规模相对较小，设备数量相对较少，因此网络的管理和维护相对简单，如网络配置、用户管理、故障排查等都比较容易实现

• 广域网WAN

  • 产生背景：随着计算机网络应用的不断拓展，人们需要将不同地区、甚至不同国家的计算机连接起来，实现更广泛的信息交流和资源共享，广域网便在此背景下迅速发展起来，20世纪80年代，随着通信技术的进步，如光纤通信、卫星通信等的应用，使得远距离的计算机通信成为可能，广域网得到了快速发展
  • 特点
    • 地理范围广：覆盖范围可以跨越城市、国家甚至全球，能够连接不同地区的局域网和计算机系统，实现全球范围内的信息传输和资源共享
    • 多种通信介质：由于传输距离远，需要使用多种通信介质来实现数据传输，如电话线、光纤、卫星通信等，以满足不同距离和环境的通信需求
    • 数据传输速率差异大：不同的广域网技术和通信介质提供的数据传输速率有所不同，从较低的拨号上网速率（如56Kbps）到高速的光纤网络速率（如10Gbps甚至更高）都有，整体数据传输速率相对局域网较低，但随着技术的发展，高速广域网连接也越来越普及
    • 复杂的网络结构：由多个节点交换机、路由器和通信线路组成，网络结构复杂，涉及到不同地区的网络设备和通信链路的互联，需要采用复杂的路由算法和网络协议来实现数据的准确传输和网络的高效运行
    • 可扩展性强：能够容纳大量的计算机和局域网接入，具有很强的可扩展性，可以根据用户需求不断增加网络节点和扩展网络覆盖范围，以满足不断增长的通信和业务需求

二、认识网络协议

协议就是一种由某一方制定出来的，大家共同遵守的标准

1、OSI七层模型

OSI七层模型是一个开放性的通信系统互联参考模型，从下到上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，其主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输，它最大的优点就是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分出来，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

这是早期的标准，我们现在使用更加广泛的是TCP/IP五层模型

层	名称	主要功能	协议及设备举例
7	应用层	为应用程序提供网络服务，直接与用户和应用程序交互，负责处理特定的应用程序协议，如文件传输、电子邮件、远程登录等	HTTP、FTP、SMTP、DNS；网关
6	表示层	处理数据的表示、转换和加密等，确保不同系统之间能够正确地理解和处理数据，包括数据格式转换、数据加密和解密、数据压缩和解压缩等功能	ASCII、JPEG、SSL/TLS
5	会话层	建立、维护和管理会话，负责在不同主机上的应用程序之间建立、维持和终止会话连接，并提供会话同步和检查点功能，以确保数据传输的可靠性和连续性	NetBIOS、RPC
4	传输层	提供端到端的通信服务，负责在不同主机上的应用程序之间进行数据传输，确保数据的可靠传输和流量控制，主要功能包括分段和重组数据、确认和重传、流量控制等	TCP、UDP；四层交换机
3	网络层	负责网络之间的数据路由和寻址，将数据从源主机传输到目标主机，主要功能包括寻址、路由选择、分组转发等	IP、ICMP、IGMP；路由器
2	数据链路层	将物理层接收到的信号转换为数据帧，并进行错误检测和纠正，负责在相邻节点之间传输数据帧，主要功能包括成帧、差错控制、流量控制、介质访问控制等	Ethernet、PPP、HDLC；网桥、交换机
1	物理层	负责处理物理介质上的信号传输，定义了设备与物理介质之间的电气、机械、功能和规程特性，包括电缆、连接器、信号的传输与接收等	RS-232、RJ45、光纤；集线器、中继器

2、TCP/IP五层模型

TCP/IP五层模型从下到上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层

层	名称	主要功能	协议及设备举例
5	应用层	为用户提供网络应用服务，直接与用户和应用程序交互，负责处理特定的应用程序协议，如文件传输、电子邮件、远程登录等	HTTP、FTP、SMTP、DNS、SNMP；网关
4	传输层	提供端到端的通信服务，负责在不同主机上的应用程序之间进行数据传输，确保数据的可靠传输和流量控制，主要功能包括分段和重组数据、确认和重传、流量控制等	TCP、UDP；四层交换机
3	网络层	负责网络之间的数据路由和寻址，将数据从源主机传输到目标主机，主要功能包括寻址、路由选择、分组转发等	IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP；路由器
2	数据链路层	将物理层接收到的信号转换为数据帧，并进行错误检测和纠正，负责在相邻节点之间传输数据帧，主要功能包括成帧、差错控制、流量控制、介质访问控制等	Ethernet、PPP、HDLC、SLIP；网桥、交换机
1	物理层	负责处理物理介质上的信号传输，定义了设备与物理介质之间的电气、机械、功能和规程特性，包括电缆、连接器、信号的传输与接收等	RS-232、RJ45、光纤、同轴电缆；集线器、中继器

由于物理层我们考虑地比较少，所以有时候又把第一层和第二层看作一层，叫网络接口层，这也是有说法说TCP/IP四层模型的依据

下图是操作系统结构图和TCP/IP五层模型相对应的图

三、网络传输流程

在网络传输时数据在每一层都要添加报头，以让该层知道这个数据可以在本层被解析

本层的整个数据叫做报文，报文=报头+有效载荷

发送数据时自上而下，也就是从应用层到链路层（硬件），由硬件发出
解析数据时自下而上，也就是从链路层（硬件）到应用层，由硬件接收

每个计算机上的网络模型一致，对应的层与层的协议是一致的，这也是保证我们能够正确解析报文的原因之一

封装：几乎任何层的协议，都要提供将报头和有效载荷分离的能力
分用：几乎任何层的协议，都要在报头中提供决定将自己的有效载荷交付给上层哪一个协议的能力

1、同网段通信

我们直接看图，对称分为两边，假设一个情境，左边用户1用着1号电脑（客户）给用着2号电脑的用户2（服务器）发了一个hello world，首先信息要到应用层，给上报头之后传到传输层，给上报头，以此类推到达链路层，以太网驱动程序（在网卡上）通过以太网的连接将数据发送到用户2（服务器）的网卡上，然后向上解析，通过报头找到对应的层，然后丢掉报头，最后解析出发出的内容

2、跨网段通信

• 以太网和令牌环是两种不同的局域网技术
  • 以太网的成本低，设备广泛普及，它在数据传输时的特点是多点接入、竞争式传输，要先监听网络介质是否空闲，空闲再发数据，如果两个设备同时发送数据会发生冲突，设备会检测到冲突并在随机时间后重试
  • 令牌环网设备较为昂贵，基本上已经被淘汰，它在数据传输时的特点是顺序接入、非竞争式传输，令牌在环形网络中按固定方向传递，只有持有令牌的设备才能发送数据，发送完成后，该设备会将令牌传递给下一个设备，避免了数据冲突，这里的令牌类似于我们的互斥锁

我们这里只是想演示出不同类型的局域网之间的跨网通信的可行性，彰显网络设计结构的强大

首先还是类似上面的，一个用户发送一个hello world，信息向下而行，发送到以太网当中，路由器连接在以太网中，通过以太网驱动程序将该信息捕捉，然后去掉以太网报头转移到IP层，再将有效载荷加上令牌环网报头通过令牌环驱动程序发送到令牌环网中（路由器只有第一层和第二层），然后被另一个用户的令牌环驱动程序接收并向上传递，最终传递到用户手中，这样就实现了不同用户跨网段的交流，以后所有局域之间的网络就算是不同的，我们通过路由器也是可以将用户发送的数据获取到，所以IP协议通过工作在IP层的路由器屏蔽了底层网络的差异化

四、以太网通信

1、MAC地址

MAC 地址是固化在网络设备硬件（如网卡）中，用于在数据链路层唯一标识网络设备的一组物理地址，在相同局域下MAC地址保持它的唯一性

2、通信原理

以太网驱动程序发送数据的时候所带的紫色四角星报头，其实是一个结构体，实际上，几乎所有层的报头都是结构体，偶尔在轻量化的网络通信中报头的设计可能是一个类似int的内置类型，这个结构体中有两个信息，一个是发送数据网卡的MAC地址，一个是将要接收数据网卡的MAC地址，数据在以太网中是共享的，但是通过这个报头就可以实现定向发送，只有字段相同的网卡才可以接收该数据

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今日分享就到这了~