Linux初学之——网络的基本概念

网络的基础知识：
网络的概念
网络是由节点和连线构成，表示诸多对象及其相互联系。在数学上，网络是一种图，一般认为专指加权图。网络 除了数学定义外，还有具体的物理含义，即网络是从某种相同类型的实际问题中抽象出来的模型。在计算机域 中，网络是信息传输、接收、共享的虚拟平台，通过它把各个点、面、体的信息联系到一起，从而实现这些资源 的共享。网络是人类发展史来最重要的发明，提高了科技和人类社会的发展。
网络的功能：
数据通信
资源共享
两个模型
ISO/OSI
TCP/IP

网络的特征：
速度
成本
安全性
可用性： 可用时间/总时间
可扩展性
可靠性
拓扑：物理拓扑；
逻辑拓扑：数据传输的路径
网络的组成组件
一般来说，两台或以上计算机使用任意介质(电缆、光纤或无线电波)、任意网络来进行连接，并进行资源共享及通信，就可以称为计算机网络。
网络协议是网络上建立通信及传输数据的双方必须遵守的通信标准，它定义了接收方和发送方进行通信所必须遵循的规则，双方同层的协议必须一致，否则无法进行通信或数据错误。为了组建通信网络，通常需要一些特殊的设备，下图是一个常见的网络连接图：





节点(node)：节点主要是具有网络地址 (IP) 的设备之称。 服务器主机(server)：提供数据以响应给用户的主机，都可以被称为是一部服务器。 工作站(workstation)或客户端(client)：主动发起联机去要求数据的，就可以称为是客户(client)。 网卡(Network Interface Card,NIC)：主要提供网络联机的设备 网络接口：主要在提供网络地址(IP) 的任务。主机内部也都拥有一个内部的网络接口，就是loopback这个测 试接口！ 网络形态或拓朴(topology)：各个节点在网络上面的链接方式，一般讲的是物理连接方式。 路由(route):是指路由器从一个接口上收到数据包，根据数据包的目的地址进行定向并转发到另一个接口 程, 其工作在OSI参考模型第三层——网络层的数据包转发设备。 网关(gateway):又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用 于两个高层协议不同的网络互连。OSI网络模型与TCP/IP网络模型
由ISO所定义的7层网络模型--OSI(Open System Interconnect,开放系统互连)是网络发展中的一个重要里程碑，它的出现使各种网络技术和设备有了参考依据，在网络协议的设计和统一上起到一定作用。

OSI:开放式系统互连 根据功能分层
为什么要使用分层网络模型？
降低复杂性
标准化接口
模块化设计
确保技术的互操作性
加快发展速度
简化教学
OSI的7层模型中每一层都有清晰的特征。其中第7-4层处理数据源和数据目的地之间的通信问题，第3-1层处理网络设备间的通信。各层功能为：

物理层：定义了有关传输介质的特性标准规范。具电气特性；机械特性；过程特性；功能特性； 二进制传输 数据链路层：物理链路并不可靠，可能会出现错误。数据链路层将数据分成帧，以数据帧为最基本单位进行传输，通过收到的数据帧进行重新排序和整理，把不可靠的物理链路转化成网络模型的上层协议中可靠的数据链路。 定义物理地址； 建立逻辑链接； 数据校验功能
网络层：对数据按一定的长度进行分组，并在每个分组的头中记录源和目的主机的地址，然后根据这些地址来决定从源主机到目的主机的路径。如果存在多条路径，还要负责进行路由选择。 传输层：这层的功能包括是选择差错恢复协议还是无差错恢复协议，在同一主机上对不同应用的数据流的输入进行复用，以及对所收到的顺序不对的数据包进行重新排序。 会话层：在网络实体间建立、管理和终止通信应用服务请求和响应会话等。 表示层：进行代码转换功能，以保证源主机的数据在目的主机上同样能被识别。 应用层：OSI模型的最高层，实现网络与用户的直接对话。


OSI的7层模型是一个理论模型，由于它太过庞大和复杂受到很多批评，而技术人员自己开发的TCP/IP协议栈则获得更为广泛的应用。与OSI的7层模型不同，TCP/IP模型没有把主要精力放在严格的层次划分上，而是侧重于设备间的数据传输。TCP/IP模型的各层功能：
网络接口层(链结层)：定义了如何在已有的物理网络介质上传输数据，在这层中包含以太网、令牌环网、帧中继和异步传输模式等。
网络层：将数据封装成IP(Internet Protocol)数据包，发往目标网络或主机。在这层包含了IP、ICMP、IGMP、以及ARP等协议。 传输层：定义了数据传输时所使用的服务质量以及连接状态，实现源端主机和目标主机上对等实体间的会话。在传输层上有两个不同的协议：TCP、UDP。 应用层：TCP/IP模型将OSI参考模型中的会话层和表示层的合并到应用层，它定义了TCP/IP应用程序通信协议，包括HTTP、FTP、DNS和SMTP等。其中，没中协议都对应不同的网络服务，他们一般都会有特殊的端口号。
TCP/IP ：根据协议分层
应用层
||-----协议端口
传输层
||---协议号
Internet层
||---协议类型
网络访问层
TCP/IP网络层
Internet层：
协议特征：
运行于OSI网络层
面向无连接协议
独立处理数据包
分层编址
尽力而为传输
无数据恢复功能
Internet Protocol---IP
ARP协议：地址解析协议
逻辑地址---》物理地址
在已知逻辑地址的情况下获取对应的物理地址
如何解析:
1.每一个参与网络设备的功能中都有一个ARP库
2.ARP缓存，通过ARP协议进行广播，指定的目标主机进行回应，本机缓存对应的结果信息
RARP：反向地址解析协议
物理地址--》逻辑地址
已知本机物理地址获取合法逻辑地址
用于无盘工作站

面向无连接：
1.无需在通信之前建立通信连接，也无需维护连接稳定，通信结束也无需拆除连接
2.无序数据传输
3.数据恢复机制和数据可靠性保证

平面编址和分层编址：
平面编址：将所需管理的资源从头到尾按照固定大小分成若干个cell，每个cell进行独立编址
特点：编址容易，寻址需要遍历
分层编址：将所需要管理的资源进行各种分类，按照对应的类别进行编制
特点：编址复杂，寻址方便
IP地址由两部分组成：
网络：用来描述指定主机所在的网络范围
主机：用来描述指定主机在特定的网络范围中的具体位置

IP地址：是由IPv4协议定制的
整个地址由32位2进制构成： 网络位+主机位=32

IP地址分类：
A类：第一个二进制位必须为0，并且网络位8位
B类：前两个二进制位必须为10，并且网络位16位
C类：前三个二进制位必须为110，并且网络位24位
D类：前四个二进制位必须为1110，并且网络位32位，通常用于组播通信
E类：前四个二进制位必须为1111，保留未被使用，用于科学研究

IP地址的点分十进制表示法：
1.将32位的IP地址位，以8位为一组划分为4组
2.每组间以.为分隔
3.将每个8位组转换为十进制表达

使用点分十进制表示法表示的各类ip地址范围
A类：0.0.0.0 —— 127.255.255.255
第一个8位组全为0的为无效IP，因为其表示整个IP栈
第一个8位组中除了第一个外全为1的，称为环回地址
有效IP地址：1.0.0.0 - 126.255.255.255
B类：128.0.0.0 - 191.255.255.255

C类：192.0.0.0 - 223.255.255.255

D类：224.0.0.0 - 239.255.255.255

E类：240.0.0.0 - 255.255.255.255

6.4

IP地址2
保留地址：不能选择为其他主机使用的IP地址
0.0.0.0 —— 0.255.255.255
127.0.0.0 —— 127.255.255.255

自动分配地址
169.254.0.0 —— 169.254.255.255

网络地址：主机位全为0的地址
1.0.0.0：表示一个范围名称

广播地址：主机位全为1的地址
1.255.255.255：作为目的地址代表整个网段中的所有IP地址

定向广播地址：
255.255.255.255：作为目的地址代表整个IP地址栈中的所有IP地址

IPv4地址总数：4亿9400万
取出IP地址：
D,E类：5亿
0和127网段地址：3500万
169.254网段地址：65536
网络地址：126+16384+209万
广播地址：126+16384+209万
可以分配给主机使用的地址 大约36亿
为了解决IP地址枯竭的问题：
增加IP地址复用次数
私有IP地址：可以重复使用，互联网无法为其路由
A:10.0.0.0 —— 10.255.255.255
B:172.16.0.0 -- 172.31.255.255
C:192.168.0.0 -- 192.168.255.255
共有IP地址：可以在互联网中使用，但必须唯一
NAT：net address translation
SNET：源地址转换，使用公有IP地址替换数据包中私有IP地址
DNET：目的地址转换，使用私有IP地址替换包中的公有IP地址

研究更加庞大的地址栈
IPv6：128bit
冒号分，16进制

IPV4 IPV6共存
1.地址转换
2.IPv6地址包含IPv4地址：IPv6地址的最右侧的32位就是IPv4的地址

IP首部的格式：



Ver：version，4bit，协议版本信息； ipv4：0100 ipv6：0110
IHL：Internet protocol Header Length，IP首部长度， 4bit 15行
20byte —— 60byte，必须为4的整数倍
服务类型：
4bits：服务类型
0000,0001,0010,0100,1000
最大带宽，最小延迟，最大吞吐量，最高可靠性
1bit：保留位
3bits：优先级
000,001,010,011,100,101,110,111
数据包长度：16bits，65536byte，包括首部；64KB
标识：16bits，标识数据的来源，标识指定的数据是由哪个源数据分片得到的
标志：3bits，
第一位：保留
第二位：是否分片，未分片数据为0分片为1
第三位：是否有更多分片，表示数据是否为最后一片
000,010,011
片偏移：13bits，IP协议对数据包进行分片之后的序号
生存时间(TTL)：8bits，计数器
每一个数据包都会获得一个初始的TTL值，在每次经过一个路由设备后，都会自减1，
0表示该数据包为不可用数据，下一次路由设备将其获取后会直接丢弃，可以有效
防止数据包无限循环传输
TTL初始值：255,128,64
协议号：8bits，互联网层和传输层直接的通信接口，根据协议号指示的内容，正确接收数据 之后，向上交给传输层的哪个协议进行进一步解封处理
TCP:6
UDP:17
OSPE:89
EIGRP:88
首部校验和：16bits，进行首部校验可靠性校验
源地址：32bits
目的地址：32bits

计算机如何使用IP地址
源IPv4地址：发送数据的主机上配置的IP地址
源IPv4的配置方式：
手动配置：直接向网卡的配置文件中填入我们认为合法的IPv4地址
特点：地址分配精确，但是管理员重复工作量大，容易手误导致主机无法接入网络
自动配置：没有IP地址的计算机通过特定协议向其他能够提供IP地址的计算机进行通信，
并获得IP地址
协议：
BOOTP:启动协议
利用RARP协议向全网广播获取IP地址的需求 ；BOOTP服务器会从其他地址池中选择
一个ip地址，永久归这台主机使用
DHCP：动态主机配置协议
地址租借规划；
每一个地址都有其对应的租约期限
续租的规则：
当租约期限过去一半的时候，客户端联系服务器进行地址续租；如果续租不成功， 客 户端会尝试连续三次，如果三次都不成功
当租约期限过去87.5%，客户端会放弃IP地址；重新广播是否有其他服务器能够让 其继续使用之前的IP地址；
一直等到客户端IP地址彻底被释放，客户端将试图从其他的服务器获得其他的IP地 址以链接网络

DHCP客户端地址租借过程：四线会话
1.客户端广播发送DHCP Discover消息，以确定网络中是否有DHCP服务器为本机提供IP地址
2.服务器收到DHCP Discover消息后，会检查自己的地址池，如果仍有IP地址，，就从中选择一个向客户端广播发送DHCP OFFER消息
3.客户端接收到第一个DHCP OFFER消息中的IP地址作为可选择的IP地址，向网络中广播DHCP Request消息，通知服务器，钻钉这个IP地址作为本次通信的IP地址
4.提供IP地址的服务器收到DHCP Request消息后，将IP地址和对应主机的物理地址临时绑定；并且开始租约计时，给客户端发送DHCP ACK消息。 不是提供该IP地址的服务器收到DHCP Request，将刚刚提供的IP地址放入地址池中，并给客户端发送DHCP NAK消息

目的IP地址如何给出：
手动指定：
直接在地址栏中手动书写目标主机的IP地址
自动解析：
DNS协议：Domain Name System，

在DNS服务器上保存着特定的域名和IP地址的映射关系；可以完成地址解析任务
地址解析：
正向地址解析：
通过域名获得其对应的IP地址的过程
反向地址解析：
通过IP地址解析其域名的过程