计算机网络基础(一)

前言： 本文主要带大家认识计算机网络，对其有一个初步的认识，有个大体的了解，所以基本是概念，没有实践的操作，不过后续的文章会有实践内容的。

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1. 计算机网络发展的背景

最开始计算机是如何进行数据通信的？就是人为的操作，就是用磁盘等存储介质(类似于现在的U盘)，进行拷贝，从一个电脑拷贝到另一个电脑上，这样效率很低，这种模式被称为独立模式。

然后，当时主要需要用计算机的还是实验室里用的较多，所以就搞了一个小规模的计算机通信，多台计算机连在一起，完成数据共享，这个可以想象一下 我们初中时上的微机课。

但是随着链接的主机越来越多，单纯的链接不足以满足需求，所以加入了交换机和路由器，从而扩大了可链接的范围，这被称为局域网。也就是说完成了 小片范围的网络通信。

最后呢？需要链入的人越来越多。就是加入了多个路由器，满足更多的人链接入网络。这形成了广域网。

这就是网络的发展，非常的delicious，但是还有一点要说明，局域网和广域网只是一个相对的概念，它并没有明确指出：有多少台 机子 联网是局域网，或者是广域网。这只是一个相对的概念。

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2. 网络协议初识

2.1 协议的感性认识

计算机之间通信用的是光电信号，用频率和强弱来表示 0 1 这样的信息，这就需要 约定好通信双方的数据格式。通俗一点来说：对传来的光电信号有一个 统一 的规范，假如传来一个光电信号，不能你看成一个int 我看成一个char ，必须都 看成一种类型的数据，才行。

2.2 为什么要有协议

协议本质就是一种约定，它的存在使得通信更加的高效。这有点 秦始皇统一语言 一样，统一语言之后，人们之间的通信更快了，高效，从而带动了发展。协议也是一样，不过是计算机之间通信做一些规范。

这里可以举一个例子：

假如我要给家长打长途电话，但是通话话费太贵，所以双方搞了点协议：

• 响一下：我没钱了，给打点生活费
• 响俩下：我想和母亲通话
• 响三下：我想和父亲通话

就类似这种，所以协议的本质就是约定。计算机协议是大佬程序员们定制的协议，它提高了通信的效率。

2.3 网络协议栈

上面呢 我们对协议有了一定的认识，那么操作系统中 网络协议是 怎样体现的呢？

我先画一下操作系统的图：

首先 我们知道软件 是分层的，网络也是软件，所以网络协议栈是层状的结构。

网络就是以上图的方式 分布的，网络协议栈是TCP\ IP 贯穿 体系结构，属于操作系统的一部分：

3. 协议分层

协议分层最大的好处在于封装，其次协议分层也完成了解耦。

比如：人之间通信 这件事，以下 是两层协议

假如是老外 要用英语通信，那么只需要改一下 人之间的协议：

假如 之间通信要用 微信通信，那么 就改一下 底下的协议：

通过上面的例子，也许大家就能体会到 协议分层的好处。

3.1 TCP/IP 五层协议模型

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.

也就是下图，对照着看：

3.2 协议分层具体体现

• 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

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4. 网络传输基本流程

主机之间通信靠的是网络，其本质是一个软件，网络是如何完成数据传输呢？根据网络协议，完成网络传输。

4.1 网络传输初识

就比如 上图，客户端要给服务端传数据，是如何传输的呢？

数据可不能直接就从客户端传输到服务端，它需要被封装，怎么封装？是一层一层的往下封装，一个协议加一个报头，最后传到物理层也就是以太网上的是携带着多个报头的数据。

这个过程就是封装，然后还得解封，也就是 解包：

客户端自顶向下封装数据，服务端从下到上解包数据，然后就有一个奇怪现象，貌似每一层都是直接进行通信的，注意看 上图 每一层的数据格式都相同，这很巧妙。

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4.2 报头的理解

4.2.1 为什么要有报头

这个可以从邮寄快递这件事上去理解：假如我要从北京邮寄一个快递到张家口，一般情况下，不可能 商家用手直接给你扔过来，需要通过各个站点的邮寄：

假如是下面这样的一个过程：

快递在邮寄中，是不是会有一个邮寄单子，这个快递单子就可以理解为报头。

商家和用户之间虽然都知道自己的目的地，但是之间是如何流通快递，是不是得一步一步的来。

上面的过程就是封装的过程，也就是加报头的过程，加报头是为能够准确的传输到下一层，但是还有一个解包的过程，这个就不能联想上面的例子了。解包就是 将快递单子 一个一个撕掉。

4.2.2 加报头和解包的过程

报头是数据吗？是的，它是一种结构化数据。也就是一个结构体，而且用到了位段的知识，这里关于位段，就考验大家的C语言基础了。

我自定义一个报头数据结构：

struct my_hdr
{
  int str:16;
  int des:16;
  int type:16;
  int len:16;
}
1
2
3
4
5
6
7

(1)我们来模拟一下 加报头的过程：

• 先得填入报头的数据：

my_hdr hdr;
hdr.str =0X1;
hdr.des =0X2;
hdr.typr =0X3;
hdr.len = 0X4;
1
2
3
4
5

• 然后利用 memcpy或是memmove ，将报头加到数据的前面

(2)再来模拟解包的过程：

• 先用 void* ptr指针指向这个数据段

• 然后对 ptr进行强转，就可以访问报头中的数据

• 现在要解包，怎么操作？指针+1，是不是就跳过这个报头了？

对某个类型的指针+1，跳过的是这个类型的大小，也就是跳过了上面的那个报头。

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5. 加上路由器的网络传输

上面的网络传输只是服务端与客户端两台主机的网络交流，只是帮助大家理解，但是网络传输并不是那么的简单。

先拿局域网来说说：

这种情况下，我提一个问题：主机2和主机3可以接收到 带报头的数据吗？

答案是当然可以，因为数据传输到物理层是以光电的形式，无法控制它具体传送到何处。就比如：一个教师里 老师说 李四你去一趟办公室。其它同学听到了吗？当然听到了，但是他们会有所行为吗？不会动的，因为这个信息不属于他们，李四也听到了，昂，就是叫我呢。所以李四出了教师。

关键在于：这些主机怎么判断传出的数据 是给谁的？靠的是什么？给出两个概念 IP和MAC地址。后面讲这俩概念，现在就可以理解成 主机的名字。这俩货存在哪？存在报头种，也就是说：传来的带报头的数据，在每个主机中进行解包，发现 这个数据不是给我的，那我就不处理。是通过报头来判断的。

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5.1 网络传输中的互斥和同步

还是上面的例子，如果有多个主机往物理层传数据，会发生什么？数据碰撞。它会导致 数据出现问题，那么就应该避免这个情况。

多个主机共享网络资源(以太网)，那么这个网络资源就是临界资源，它需要被保护，也就是说：任何时刻只允许一台主机在局域网中发送数据。这像不像 进程中的 互斥。进程互斥靠的是锁，局域网靠的是令牌环，也就是说 持有令牌的才能发送数据。

但是 如果只有一个主机手持令牌，这就导致了其它主机的饥饿问题，所以还得怎么办？那就是需要同步呗。同步也是靠的令牌环，它不允许一台主机长期霸占令牌。

我画个通信的路线图：

有点潦草，但是我想表达的意思就是，数据经过路由器也是一个 加报头，解包的过程。

其实聊点题外话：如果想要攻击局域网怎么办？那就是破环临界资源，怎么破环，不停的往局域网中发送数据，导致数据碰撞，是不是就完成了 攻击？

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5.2 广域网网络通信的示意图

6. 网络中的地址管理

6.1 认识IP地址

• IP协议有两个版本, IPv4和IPv6.
• 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

6.2 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

6.3 总结

对于以上地址，后续文章还会讲到，毕竟这是网络基础(一)，没必要大彻大悟，咱们对网络个大概的认识，就达标了。

IP地址：在通信中是不变的，在网络中标识唯一个一台主机。
MAC地址：在通信中是变化的，而且是一直在变化。

举个例子：

唐僧取经，唐僧每到一个地方就对人说：我从东土大唐而来，前往西天取经。那么唐僧的IP地址就是 东土大唐，他的目的地IP地址就是 西天 。这是不变，走哪都这样说。

然后，他到了具体的一个地方，他还得问 我该去向何处？也就是下一个站点是哪？人家可能说：你下一个地点就是女儿国。这个就是MAC地址，唐僧每到一个地方，它的MAC地址就会变化。

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7. 结尾语

以上就是本期内容，有问题私信或者评论，感觉有帮助可以点个小赞。