网络协议-基础概念

Potato_土豆
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  • 什么是网络协议

    网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合 例如平时我们签订的合同，主要用于约束两方的一些行为以及必须遵守的规则和约定，网络协议亦是如此，如果想要双方能够达成通信，必须约束双方，如果两个终端使用的字符集不一样，那么两个终端就不能识别对方发送的消息，所以无法完成通信，为了能进行通信，规定每个终端都要将各自字符集中的字符先变换为标准字符集的字符后，才进入网络传送，到达目的终端之后，再变换为该终端字符集的字符

  • 网络互联模型

    • 网络互联模型由来
      上文说到了网络协议的作用，如果网络协议的规则标准没有一个固定的标准那么大家每个人用的协议标准都是不一样的，那么每个人拿到的一个新协议就要重新学习新协议的标准，同时如果是一个开发同时需要访问两个公司的服务器，两个服务器两个协议，需要开发者熟悉两个协议的标准。因此就出现了一个国际标准来规范网络协议的标准，也就是网络互联模型
    • 网络互联模型概念
      就是OSI参考模型，具有7层结构（从低到高分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层），OSI参考模型只是一个标准模型，实际应用中认可的网络模型是TCP/IP协议参考模型（其实就是将会话层，表示层，应用层合并成了应用层，物理层，数据链路层合并成了网络接口层）四层模型（从低到高：网络接口层，网络层，运输层，应用层），也有研究使用的五层模型区别于国际标准就是将会话层，表示层，应用层合并成了应用层，其他都一样

  • 网络请求过程

    网络请求过程.png

  • 计算机之间的通信基础

    • 首先要知道接收端的ip
    • 其次是通过ip找到对应网卡地址（也就是MAC地址），然后将数据输送给网卡
    • 网卡通过判断目标的MAC地址来判断是否是自己，不是的话就将数据丢弃，是自己则上送给上一层进行处理

  • 计算机之间的链接方式

    • 网线直连（交叉线）

      这个很好理解就是将两台计算用一根网线链接，这里我们可以使用 Packet Tracer这个工具 image.png iShot2021-10-19 20.10.25.gif 通过仿真实验也可以看到两台计算机是可以通信的

    • 同轴电缆

      就是一根用于传输信号的电缆链接多个机器如下图 image.png 工作方式就是如果有一个计算机发出信号则同轴电缆会发送给所有链接它的计算机知道遇到终结电阻位置 优点相较于网线直连就是同时链接多个机器。
      缺点也很明显

      • 半双工通信（通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收））
      • 如果同时两个机器发送消息就会产生冲突，所以很容易冲突
      • 不安全，一个计算机发出的消息会发送给每个人，（应为集线器没有记忆的功能，所以每次发给所有的计算机让他们自己去判断该消息是否发给自己）
      • 跨网段不能通信
    • 集线器

      集线器基本上功能优缺点和同轴电缆一样，唯一的好处就是不像同轴电缆一栏中间线断了整个网络就瘫痪了，集线器是链接某个计算机的线断了 只有这一个计算机不能正常通信了其他都是正常的，其余和同轴电缆一样，一样是半双工通信，一样是不安全的、跨网段不能通信的 iShot2021-10-19 20.43.27.gif 同时两个计算机发出信号就会冲突如下图 iShot2021-10-19 20.51.51.gif

    • 网桥

      网桥一共只有两个接口，它不同于上面几种设备的是他能记住每个接口那侧的MAC地址从而可以起到隔绝冲突域的作用如下图所示 iShot2021-10-20 09.28.18.gif 计算机2发消息是带着本机的MAC地址的所以此时网桥记住了自己左边接口位置有计算机2的MAC地址，但是第一次发送是ARP广播协议没有目标MAC地址所以还是会发给所有人，当目标计算机回复计算机2本机的MAC地址的时候会带这计算机2的MAC地址回消息，所以回复的时候没有走到计算机3和计算机4，最后发送消息亦是如此

      当网桥记住了左右两边所有的MAC地址的时候左右两天就可以同时发送消息（前提是知道目标MAC的情况，不知道的会发送arp广播还是会发给所有人）如下图： iShot2021-10-20 09.37.34.gif

    • 交换机

      通俗点将就是接口更多的网桥，全双工通信，同时也有记忆功能，这样也就更安全，也能有效的解决冲突的问题，但是还不能解决跨网段访问的问题 iShot2021-10-20 10.30.10.gif
      如上图所示可以同时发送消息，并且信息不会发给所有人，认为交换机有记忆功能的 他能知道每个接口对应的MAC地址

    • 路由器

      上文中的说到的同轴电缆、集线器、交换机、网桥，都必须通信双方在同一个网段，如果需要跨网段访问此时就需要使用到路由器。

      现在有个问题是在跨段通信的时候如何知道对方的MAC地址，上文又说到，在不知道MAC地址的情况下会先发一个ARP广播去找到MAC地址，但是ARP广播是在同一个广播域中发送的（广播域：同一个网段的设备链接行程的一个局域网这所有设备的集合叫做广播域），现在是跨段访问所以通信的对方没有办法接收到ARP广播，所以还是没有办法获取到对方的MAC地址。

      此时就需要用到路由器了，所有的设备在发数据之前都会判断通信对方的IP是否和自己在同一个网段

      • 在同一个网段，那么就如上文说的直接发送ARP广播
      • 如果不在同一个网段，此时就需要通过路由器转发数据，路由器接口会提供一个网关，跨网段访问，数据会先发送到网关，然后路由器再跨网段，传输到对应的网段

      所以如果想要跨网段发送数据首先还是会发送ARP广播，但此时IP并不是目标IP而是网关IP(路由器要设置网关IP,同时计算机也要设置网关IP，网关IP要和链接的广播域在同一网段)，获取到网关MAC地址之后向网关发送数据，然后路由器接收到数据在发送到指定网段然后再找目标IP的MAC地址最后完成数据发送，整个流程如下图
      iShot2021-11-09 08.47.39.gif image.png

  • 数据包传输过程

    这里先简单说一下传输过程中的ip和MAC地址的变化其他信息后文会继续讲解

    如下图： image.png 计算机0和计算机2通信，整个过程目标IP源IP都是不变的，但是随着经过更多的设备，MAC地址一直都在变化如上图所示（回来亦是如此）

  • ISP

    Internet Service Provider，Internet服务提供商，比如移动、电信、网通、铁通

    就比如平时我们上网此时我们在新疆需要访问一个在北京的服务器，我们自己的经济实力不可能让我们自己部署一个网络一直到北京，所以此时需要借助ISP帮助我们访问北京的服务器（也就是部署这个网络的工作交给提供商去做我们付钱他们给我们提供接口上网）

  • 网络分类

    • 局域网(Local Area NetWork, LAN)
      • 一般是范围在几百米到十几公里内的计算机所构成的计算机网络
      • 局域网中使用最广泛的网络技术就是 以太网（Etherent）
      • 无线局域网 WLAN(Wireless LAN)
    • 城域网(Metropolitan Area NetWork, MAN)
      一般范围是数十公里到数百公里，可以覆盖一个城市
    • 广域网(Wide Area NetWork, WAN)
      一般范围是几百公里到几千公里，可以覆盖一个国家，一般会租用ISP线路

  • 常见的几种接口

    • FastEthernet

      快速以太网接口（也就是百兆接口）

    • GigabitEthernet

      千兆以太网接口

      平时在家办理宽带是千兆的但是自己测网速发现是百兆的宽带，此时你就可以查一下你的路由器是否有千兆以太网接口，如果没有的话那么你的网速也就只能达到百兆

    • Serial

      串行接口
      用来连接路由器的（路由器之间的项链也可以使用以太网口如下图） image.png

  • 上网方式

    • 电话线入户 image.png 如上图所示：
      • 猫：调制解调器，进行数字信号和模拟信号的转换
      • 是非对称数字用户线路，提供上下行部队称的传输带宽（也就是平时自己在家测网速，上传速度往往都要比下载速度慢）
    • 光纤入户 image.png 这里是个光猫是光调制解调器，是进行数字信号和光信号的转换

  • 家用无线路由器的逻辑结构

    image.png

  • 公网IP、私网IP

    • 公网IP
      公网IP时可以链接外网的，全球公网IP都是唯一的，Internet上的路由器中只有到达公网的路由表，没有到达私网的路由表，是由公网IP由因特网信息中心统一分配和管理的，ISP需要想Inter NIC申请公网IP,也就是我们去办宽带ISP就会分配一个公网IP给你以供你家能连上因特网

    • 私网IP
      和公网最大的区别在于，私网ip只局限与局域网，是不能够链接外网的，并且如果多台设备不在同一个局域网那么他们的私网IP有可能是相同的。但是在同一个局域网私网IP肯定是要唯一的，平时我们办理的宽带就是分你一个公网IP，然后全家的设备链接行程一个局域网然后共享这个公网IP,所以一般我们能看到的IP都是私网IP.

      主要用于局域网的保留私网网段：

      • A类： 10.0.0.0/8， 1个A类网络、
      • B类： 172.16.0.0/16~172.31.0.0/16, 16个B类网络
      • C类：192.168.0.0/24 ~ 192.168.255.0/24，256个C类网

  • NAT

    NAT主要功能是可以在内网配置私有IP地址，然后在路由或者防火墙等边界设备上统一转换为公网地址在访问互联网，这样就不需要为局域网内的每台终端设备配置公网IP地址，解决了公网IPV4地址枯竭的问题。

    配置方式：

    1. 静态转换：手动配置NAT映射表实现一对一转换
    2. 动态转换：定义外部地址池，动态随机转换

    缺点就是只能一对一转换此时可以使用PAT

    PAT: 可以实现多对一转换最大程度的节约公网IP资源，采用端口多路复用方式，通过端口号标识不同的数据流

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