网络基础知识

一、什么是互联网协议及为何要有互联网协议

英语称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实际上就是一系列的的标准，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）。

为了定义计算机如何接入Internet，以及接入Internet的计算机通信标准，我们建立了互联网协议。

二、osi五层模型

1.物理层

物理层由来：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（网口）

物理层的功能：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

2.数据连路层

数据连路层由来：单纯的的电信号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：ether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独一无二的mac地址，长度为45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）


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



3.网络层

网络层由来：有了ether、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，如果采用以太网的广播通信，一台机器发送的包全世界都会收到，这会是一场灾难



由上图可得：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（像不同广播域/子网分发数据包），mac地址是无法区分的，他只跟厂商有关

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，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

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，运算结果位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。

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，无须位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20-60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，他就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。


ARP协议

ARP协议的由来：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



（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17231631031，通过arp获取的是网关的mac）



（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

四、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，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，答案就在端口，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。



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。



tcp报文



tcp三次握手和四次挥手



5.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Eail、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”。

三、用户上网流程

1.本机获取

本机的IP地址：192.168.1.100

子网掩码：255.255.255.0

网关的IP地址：192.168.1.1

DNS的IP地址：8.8.8.8

2.打开浏览器，想要访问Google，在地址栏输入了网址：www.google.com。

3.dns协议(基于udp协议)



首先由本地DNS服务器进行查看，如果有该IP地址的话，直接提供给用户；如果本地DNS服务器没有缓存的话，需要去台根服务器去查，台跟服务器会给一个台顶级域名服务器地址，访问这个地址后又获得一个新的地址，这个新的地址就是我们需要的IP地址，访问后就可以实现上网

13台根dns：

A.root-servers.net198.41.0.4美国
B.root-servers.net192.228.79.201美国（另支持IPv6）
C.root-servers.net192.33.4.12法国
D.root-servers.net128.8.10.90美国
E.root-servers.net192.203.230.10美国
F.root-servers.net192.5.5.241美国（另支持IPv6）
G.root-servers.net192.112.36.4美国
H.root-servers.net128.63.2.53美国（另支持IPv6）
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美国
K.root-servers.net193.0.14.129英国（另支持IPv6）
L.root-servers.net198.32.64.12美国
M.root-servers.net202.12.27.33日本（另支持IPv6）

域名定义：http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

顶级域名：以.com,.net,.org,.cn等等属于国际顶级域名，根据目前的国际互联网域名体系，国际顶级域名分为两类：类别顶级域名(gTLD)和地理顶级域名(ccTLD)两种。类别顶级域名是　　　　　　　　 以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等结尾的域名，均由国外公司负责管理。地理顶级域名是以国家或地区代码为结尾的域名，如"CN"代表中国，"UK"代表英国。地理顶级域名一般由各个国家或地区负责管理。

二级域名：二级域名是以顶级域名为基础的地理域名，比喻中国的二级域有，.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn等.子域名是其父域名的子域名，比喻父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者*.abc.com.
一般来说，二级域名是域名的一条记录，比如alidiedie.com是一个域名，www.alidiedie.com是其中比较常用的记录，一般默认是用这个，但是类似*.alidiedie.com的域名全部称作是alidiedie.com的二级

4.HTTP部分的内容，类似于下面这样：



我们假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。

5.TCP协议

TCP数据包需要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。

TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度变为4980字节。

6.IP协议

然后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。

IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。

7 以太网协议

最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡MAC地址，接收方为网关192.168.1.1的MAC地址（通过ARP协议得到）。

以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而现在的IP数据包长度为5000字节。因此，IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头（20字节），所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。