第二章-网络的基本概念

2.1网络

操作系统很多，比如windows/linux/os X等，这么多的操作系统（不同国家的人）如何进行网络沟通（语言交流）呢？

制定共同的标准。然后在你的系统里提供可以加入该标准的程序代码。

网络是跨平台的。

2.1.1 什么是网络

网络就是几部计算机主机或者网络打印机之类的接口设备，通过网线或者无线网络技术，将这些主机与设备连接起来，使得数据可以通过网络介质（网线或者网卡等硬件）来传输的一种方式。

以太网已经是一项公认的标准接口了，大家可以依据这个标准来开发自己的硬件，然后就可以加入以太网的世界了。所以购买以太网络的时候，只需要查看以太网卡支持哪些标准，就能知道这个硬件的功能是什么，而不需要在意是哪个公司生产的。

2.1.2 计算机网络的组成组件

节点：具有网络地址（ip）的设备。

服务器主机：提供数据以响应用户主机。

工作站或者客户端：任何在计算机网络输入的设备都可以是工作站。主动请求去连接来获取数据的，就是客户端。

网卡（Network Interface Card）：内置或者外接在主机上的设备，用于提供网络连接。

网络接口：利用软件设计出来，提供网络地址（IP）。一张网卡至少可以搭配一个以上的网络接口。

网关（gateway）：具有两个以上的网络接口，可以连接两个以上不同网段的设备。比如IP路由器。

2.13 计算机网络的范围

局域网LAN，广域网WAN。

2.1.4 计算机网络协议：OSI七层协议

各个节点是如何沟通信息的呢？通过标准的通信协议。

但是由于整个网络的连接很复杂，比如包括硬件、软件数据封装、应用程序的互相链接等等。所以采用分层。提高可变性、降低耦合度。

OSI：open system interconnection。应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。（每层更详细的解释看书《服务器篇》p37 表2-1）//TODO

每层都只认识对方同一层次的数据。整个的传送过程：发送端把数据从第七层一直往下传递至第一层，然后传递到接收端，接收端把数据从第一层一直往上传递至第七层。

每一层都会对数据进行包裹或者拆封。相当于礼物的盒子，表面写了一些信息比如传给谁、来自谁等等。每传递一层都加一个外部盒子，或者拆封一个外部盒子。

第二层（数据链路层）比较特殊。因为它位于软件包（packet）和硬件数据帧（frame）中间，需要将软件包装的包裹放入到硬件能够处理的包裹中，所以这个盒子比较特殊，尾部还多了处理码，且分为两个子层进行处理。

2.1.5 计算机网络协议：TCP/IP

TCP/IP也是OSI七层协议的概念，只是将其简化成四层。

将OSI的应用层、表示层、会话层合并成了一个应用层。数据链路层和物理层合并成了一个网络接口层。（对比查看书《服务器篇》p38 图2-4）//TODO

举个例子，TCP/IP如何工作：

应用程序阶段：打开浏览器，输入网址，按下enter。浏览器将网址信息和数据打包成一个数据包，传递给TCP/IP的应用层。

应用层：此层有HTTP通信协议，按照此协议将接收到的数据包封装，添加一个应用层报头进行标记，传给传输层。

传输层：HTTP为可靠连接，所以被丢入TCP封装内，添加一个TCP封装报头进行标记，传给网络层。

网络层：将TCP数据封装到IP数据包中，添加一个IP报头标记，传给网络接口层。

网络接口层：假设使用的是以太网，此时IP会根据CSMA/CD标准，封装到MAC数据帧中，添加MAC帧头进行标记。再转成比特流后，利用传输介质发送到远程主机上。

总结一下，每层的动作都是：接收、封装、标记、传递。

等到雅虎收到数据包之后，再一层层解开来。最后传递给雅虎的www服务器软件获得用户想要的数据，再按照刚刚一样的步骤，层层封装传递给用户。

2.2 TCP/IP的网络接口层的相关协议

网络接口层是最底层。与硬件的关系比较密切。所以主要介绍硬件、硬件相关的协议、MAC数据帧等。

2.2.1 广域网使用的设备

2.2.2 局域网使用的设备---以太网

局域环境中，最常用的就是以太网。但是注意！整个网络世界并非只有以太网这个硬件接口。

1.以太网的速度

Mbps：M bits/seconds

2.以太网的网线接头（交叉/直连线）

2.2.3 以太网络的传输协议：CSMA/CD

整个以太网的重心就是以太网卡。以太网的传输就是网卡对网卡之间的数据传递。

每张以太网卡都有独一无二的卡号，即MAC（media access control）。

CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。

参看书《服务器篇》p43图2-6。//TODO

集线器：一种网络共享介质设备。网络共享介质设备，在单一时间点内，只能被一台主机所使用。打个比方，上述环境就是十字路口，集线器就是那个路口。这个路口一次只能通过一辆车，否则会发生车祸。

那么网卡之间是如何传输数据的？

假设A主机要发送数据给D主机，在CSMA/CD协议且图2-6情况下，步骤如下。

1.监听介质使用情况（carrier sense）：确认没有人在使用，A才发送数据帧。

2.多点传输（multiple access）：A主机发送的数据被集线器复制一份，然后发送给所有连接到此集线器的主机B、C、D。但是D才是真正目标，所以B、C将数据丢弃，D将数据抓取。

3.冲突检测（collision detection）：假设A、B在同时间发送数据帧，那么A、B送出的数据冲突，则这些数据被损毁。A、B各自随机等待时机再次发送。

既然共享介质设备同一时间只能有一个主机使用，那为何大家可以同时上网？

假设传输100MB的文件，以10Mbps传输时，集线器就得被某一个主机使用80s，在此期间别人都不能上网了？

不是的。标准数据帧在网卡或其他以太网设备中，一次只能传输1500bytes，因此100MB需要被拆分，一个个的传送。且每一个都要经过CSMA/CD机制。哪怕只有一台主机在使用，每次发送数据包时也要等待一段时间。

2.2.4 MAC的封装格式

上面提到的CSMA/CD发送出去的数据帧（frame），就是MAC。

这个数据帧上有两个很重要的信息：来源和目标的网卡卡号。所以又将网卡卡号成为MAC地址。

数据帧的组成，查看书《服务器篇》p44的图2-7 //TODO

网卡卡号就是硬件地址，可以用ipconfig（windows）查看。

范围是00:00:00:00:00:00 ~ FF:FF:FF:FF:FF:FF。

2.2.5 MTU（最大传输单位）

2.2.6 集线器、交换器的相关机制:

1.区别一：

前面提到，集线器是网络共享设备，因为CSMA/CD的缘故，在网络繁忙的时候会有冲突的情况发生。

交换器（switch）是非共享的设备。交换器等级很多，这里讨论支持OSI第二层的交换器。交换器内有一个内存，记录每个switch port与其连接的PC的MAC地址。所以当两端的PC要传递数据时，每个数据帧通过交换器的内存数据，直接传递到目标主机上。客服了数据包的冲突。

2.区别二：

集线器共享带宽，交换器每个端口都有独立带宽。比如一个10/100Mbps的集线器连接5台主机，那么这5台主机共享10/100Mbps。

但是交换器每个端口都有10/100Mbps。如果A和B都像C发数据，那么由于C有10/100Mbps，则A、B来抢占这10/100Mbps。

2.3 TCP/IP的网络层相关数据包与数据

要有网络，就要有网络相关的硬件。目前最常见的网络硬件接口为以太网，包括网线、网卡、Hub/Switch等。

而以太网上传输，使用（网卡卡号为标准的）MAC数据帧，配合CSMA/CD的标准传送。

软件部分，Internet就是TCP/IP这个通信协议的通称。Internet最重要的就是IP,所以下面讲网络层的IP和路由。

2.3.1 IP数据包的封装

IP有两种：IPv4和IPv6。

IPv4仅32位，预计2020年左右就会分配完毕。因此有了IPv6，IPv6可达128位。但目前还是IPv4比较多使用。所以下文中的IP都是针对IPv4。

在比MAC大的情况下，操作系统会将IP数据包进行拆分。IP数据包的报头数据封装，看书《服务器篇》p50的图2-11。//TODO

其中比较重要的参数：

只需要知道IP报头里含有：TTL、Protocol、来源地址与目标地址。

TTL（time to live）：生存时间，范围0~255。当这个IP数据包通过一个路由器时，TTL就会减1，当TTL=0时，这个数据包将被丢弃。所以让数据包通过255个路由器挺难的。

Protocol Number（协议代码）：用于记录每个IP数据包的内容。然后通过这个代码知道该用什么协议来解析。比如6表示通信协议是TCP。

source address：32位的IP地址。

destination address：32位的IP地址。

2.3.2 IP地址的组成与分级

IP的表达式：

00000000.00000000.00000000.00000000 =》 0.0.0.0

11111111.11111111.11111111.11111111 =》255.255.255.255

前半部分是网络号码（Net_ID）,后半部分是主机号码（Host_ID）。在同一个物理网段内，主机的IP具有相同的网络号码，唯一的主机号码，那么这些IP群就属于同一个网络内的IP网段。

比如192.168.0.0~192.168.0.255就是同一网络的IP群。

注意：Host_ID全为0或1时已经有特殊含义，主机不能使用。

IP在同一网段有什么意义？

可以通过广播进行网络的连接，或者直接网卡对网卡传递数据。如果不在同一网段，那么由于广播地址不同（Host_ID全为1时为这个网段的广播地址），无法通过广播方式连接。需要通过路由器（Router）来将网络连在一起。

打个比方：在同一个网段可以看做住在同一街道，主机号码是门牌号。如果大家都住在这条街道，可以用街道广播的方式来沟通。如果有人不住在这条街道，就要去邮局发信息。邮局就是路由器，所以只要知道邮局在哪里，还是可以沟通的。

IP的分级：分为5级，只需要记住A、B、C级即可，因为能够用来设定在一般系统上面的，也就这三个级别。网络号码占据的位数会影响到主机的数量。分级方式查看书《服务器篇》p55 //TODO

2.3.3 IP的种类与取得方式

1.种类

public IP ：公共IP，有这种IP才可以连上Internet。

private IP：私有IP，不能直接连上Internet，主要局域网络内的主机连接规划。

2.取得方式

直接手动配置、通过拨号获取、自动获取参数（DHCP）。

2.3.4 Netmask、子网与CIDR（Classless Interdomain Routing）

考虑class等级的IP，网络号码占据24位，主机号码占据8位。在这个网段内，主机数量256-2。那么253台主机都会对你进行广播，很没有效率。更别说Class A的主机量有256*256*256-2台。

所以可以对网段C再进行划分。比如第一位Host_ID拿出来作为标记，分为两个子网，那么每个子网就只有254/2台主机了。

192.168.0.0 0000000（第一个子网）

192.168.0.1 0000000 （第二个子网）

1.Netmask与子网划分

又称subnet netmask，子网掩码。

以网段192.168.0.0~192.168.0.255这个网段举例。

11000000.10101000.00000000.00000000

11000000.10101000.00000000.11111111

对这个网段，前24位是net_id，后8位是host_id。net_id是不变的，所以前24位是不能使用的，只有后8位才能使用。

用掩码的方式表示，1表示占用，0表示可使用。

11111111.11111111.11111111.00000000 =》255.255.255.0

针对上面提到的两个Class C的两个子网，他们的掩码是：255.255.255.1 0000000。

192.168.0.0 0000000 （第一个子网）

192.168.0.1 0000000 （第二个子网）

因为倒数第八位已经用作net_id来区分两个子网，所以这一位不管是0还是1，都是子网内所有主机不能修改的，即被占用。在掩码里，被占用就用1表示。

两个例题。

（1）计算出172.16.0.0，当net_id占用23个位时，这个网络的netmask，network，brodcast等参数。

172.16.0.0是class b，正常情况下net_id占据16位，可见从host_id处借来7位用作划分子网。

掩码：255.255.1111111 0.00000000 =》255.255.254.0

network（第一个）：172.16.0000000 0.00000000 =》172.16.0.0

broadcast（最后一个）：172.16.0000000 1.11111111 =》172.16.1.255

（2）对192.168.0.0~192.168.0.255这个网段来说，当net_id为26位时，一共分了多少段？

192.168.0.0~192.168.0.255正常情况下，net_id=24位，所以借了2位host_id来划分子网。所以一共分为2^2=4个子网。

256/4 = 64，所以子网分别是0~63,64~127,128~191,192~255。

因为知道network和netmask之后，就可以计算出该网络的所有IP，所以可以用这两个参数来表示一个网络。

network/netmask：192.168.0.0/255.255.255.0 或者192.168.0.0/24

2. CIDR（classless interdomain routing）

无类别域间路由。

有时候网络划分得太细，担心路由信息庞大导致网络效能不佳。和子网划分相反，有时候反将net_id作为host_id来将多个网络写成一个。这种打破原本IP等级的方式就是CIDR。

2.5.3 路由概念

前面提到过，不住在一条街道的，就需要通过邮局来传递信息了。即非局域网内的数据，需要通过路由器来连接。

当主机想要发送数据的时候，它参考“路由表”。每个主机都有自己的“路由表”。

（1）查询IP数据包的目标IP地址。

（2）查询该地址是否位于“路由表”里。

（3）不在同一个网段，路由表会找不到符合值。就会将IP数据包发送到默认网关（default gateway）里去，比如书《服务器篇》p62的图2-12中的server A。//TODO

（4）server A查询自己的路由表，将IP数据包传递至目标IP地址。

Gateway/Router（网关/路由器）就是负责在不同网络之间的数据传递。ps：你的主机一定要和主机配置的gateway在同一个网段（你要知道邮局才能寄信）。

Internet上的路由并不是静态的，它会随着环境的变化而修订数据包的传递方向。

2.3.6 观察主机路由：Route

[root@www ~] # route [-n]

-n：将主机名以IP的方式显示。

2.3.7 IP与MAC：网络接口层的ARP与RARP协议

ARP：Address Resolution Protocol，网络地址解析协议。

RARP：Revers ARP，反向网络地址解析协议。

三个问题：

1.前面提过，用于传递数据的是以太网，而以太网主要是用网卡卡号（MAC地址），那么IP和MAC之间的关系是什么？

我们的主机想要知道某个IP配置于哪个以太网卡上时，就会对整个局域网发出ARP数据包，对方接收到ARP数据包之后，返回它自己的MAC给我们的主机。接下来就是发送数据了。

但是每次传送数据都要获取一次IP地址很麻烦，所以当获取到MAC之后，就将目标IP和网卡卡号存于主机的ARP table中。保留20分钟。

2.如何获取本机的（网卡卡号）MAC？

linux：ifconfig eth0

windows：ipconfig/all

显示出来的物理地址即是。

3.如何获取ARP table中的IP/MAC对照数据呢？

arp -[nd] hostname

arp -[s] hostname(IP) Hardware_address

具体使用参看书《服务器篇》p66。

2.3.8 ICMP协议

ICMP：Internet Control Message Protocol，internet信息控制协议。

它是一个错误检测与报告的机制。用来确保网络的连接状态与连接的正确性。

指令：ping与traceroute。

ICMP还是网络层的重要数据包之一。

2.4 TCP/IP的传输层相关数据包与数据

网络层的IP数据包负责将数据送到正确的目标主机上去。但是这个数据包会不会被接收，有没有被正确接收，就是传输层的任务之一了。（传输层在网络层上，传输成的数据包打包好之后，放入IP数据包）

传输层有两个重点：面向连接的TCP数据包，无连接的UDP数据包。

MAC、IP、 TCP数据包的关系如图:

TCP数据包报头比较重要的几个参数：

source / destination port：IP数据包是利用IP地址连接两端，但是具体连接到哪里，是通过port决定的。我的主机必须启动一个可以让client端连接的端口，即port。同样，客户端想要连接我的主机，也要开一个端口。

code：进行连接的时候，需要说明这个连接的状态。比如ACK=1表示为响应数据包，SYN=1表示希望建立同步处理。

端口信息详解。

1.通信端口

TCP数据包中，报头数据最重要的参数就是16位的source port和destination port。前面提到过服务器与客户端要达成连接的话，两边必须要有一个对应的端口来达成连接信道，让数据通过这个信道来沟通。可以理解成使用飞路粉时的壁炉。知道地址不够，还要知道是那个壁炉出来。

通过程序的执行，可以打开端口。比如启动一个www服务器软件，这个软件会自动唤起port80来等待客户端连接。

2.特权端口（privileged port）

Internet上有很多固定端口，这些port number通常小于1024，比如80。他们提供给很多知名的网络服务软件使用。而小于1024的端口必须以root身份才能启动，所以叫做特权端口。

3.socket pair

要达成连接必须要同时提供IP和端口。这个成对的数据就是socket pair。

IP：port

2.4.2 TCP的三次握手

TCP称为可靠数据传输协议，传送数据的机制很复杂，最重要的就是三次握手。

四个阶段：

A 数据包发起（我要和你聊天啦，你在吗？）

B 数据包接收，确认数据包传送（我在，你在吗？）

C 回送确认数据包（我也在。）

D 取得最后确认（知道你在了，那开始聊天吧。）

2.4.3 无连接的UDP协议

UDP：user datagram protocol，用户数据报协议。它不提供可靠的传输模式，接收端在收到数据包（我要和你聊天啦）之后不会回复确认数据包。

参考场景：老师讲课，不可能一直问，你在听吗我要开始讲了哦，你如果开始听了告诉我，我就开始讲。这样速度太慢。它不管你听不听，就一直讲（传输数据）。

适用于数据正确性不是很重要，而速度更为重要的场景。

很多软件同时提供TCP、UDP传输协议。

2.4.4 防火墙与OSI七层协议

从前面可以知道，数据的传送其实就是数据包的发送与接收动作。并且不同的数据包上面都有不一样的header。此外，数据包上还有IP:port信息，如果是可靠性连接的TCP数据包，还含有SYN/ACK等信息。

所以，可以通过过滤某些特定的IP、port或者header信息，将某些数据包丢弃掉。这就是防火墙的基本原理。

以OSI七层协议为例：

第二层：针对source或destination的MAC进行阻挡

第三层：针对source或destination的IP，或者ICMP的类别进行阻挡

第三层：针对source或destination的port，或者TCP连接的code进行阻挡

2.5 连上Internet前的准备事项

为什么我不知道yahoo的主机IP，但是我的主机却可以连接到yahoo的主机？

2.5.1 IP地址、主机名与DNS系统

主机名称host name对应IP的系统，就是Domain Name System（DNS）。DNS最大的功能就是进行主机名称与该主机IP的解析。

在浏览器输入http://tw.yahoo.com时，计算机向DNS主机请求查询对应这个网址的IP是多少，DNS将查询到的IP回应给浏览器。浏览器根据此IP进行连接。

所以主机必须要知道DNS主机的IP，否则无法进行查询。

linux里，DNS主机IP的设定在/etc/resolv.conf这个文件里。

2.5.2 连上Internet的必要网络参数

IP、Netmask、Network、Broadcast、Gateway、DNS。而Network和Broadcast可以通过IP和Netmask得到，所以实际是四个：IP、Netmask、Gateway、DNS。

2.6重点回顾

更为详细的回顾查看书《服务器篇》p77。

1.目前网络媒体大部分以以太网为标准，但是以太网只是其中一个选择而已。

2.以太网上最重要的传输数据技术为CSMA/CD。而传输过程中，最重要的MAC数据帧内，硬件地址hardware address最重要。硬件地址有时也说出MAC地址。

3.OSI七层协议与TCP/IP四层协议。现今网络基础架构在TCP/IP上。

4.ARP table可以记录MAC与IP的对应关系。

5.Hub为共享带宽设备，Switch不是，它克服了数据包冲突。

6.IPv4为32位。

7.IP由Net_ID与Host_ID组成，加上Netmask参数，可以设置网段。

8.IP的等级分为A、B、C常见等级。

9.网段可以继续分为更小的Subnetwork，通过将Host_ID借位给Net_ID技术。

10.IP分为私有IP和公有IP，私有IP不能连上Internet。

11.每个主机都有自己的路由表，这个路由表规定了数据包的传送路径。最重要的参数是默认网关Gateway/Router。

12.TCP数据包的报头数据中，Code所带有的ACK、SYN、FIN等是最常用的标记，可以控制数据包的连接成功与否。

13.TCP是可靠连接协议，需要通过三次握手。UDP不需要连接确认。

14.ICMP数据包最重要的功能是汇报网络的检测状况，所以不要使用防火墙完全阻挡。

15.一台主机的重要网络参数：IP、Netmask、Gateway、DNS。

16.在主机的port中，只有root能使用小于1024的port。

17.DNS最主要用户host name与IP的解析。

2016.9.21 鸟哥私房菜服务器篇-第二章网络基础-总结