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子羽bro
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计算机网络学习的核心内容就是网络协议的学习。计算机网络协议同我们的语言一样，多种多样，可类比于人与人之间交流的语言(普通话、英语、法语等等)，网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或者说是约定的集合。而 ARPA 公司与 1977 年到 1979 年推出了一种名为 ARPANET 的网络协议受到了广泛的热捧，其中最主要的原因就是它推出了人尽皆知的TCP/IP标准网络协议

网络层次的划分

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织（ISO）在 1978 年提出了"开放系统互联参考模型"，即著名的 OSI/RM 模型（Open System Interconnection/Reference Model）

OSI 七层模型（自下而上）

  • 物理层：物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输,两个重要的设备名称 中继器（Repeater，也叫放大器）和集线器。
  • 数据链路层：如何将数据组合成数据块，在数据链路层中称这种数据块为帧（frame）；如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，两个重要设备名称：网桥和交换机
  • 网络层：IP 地址和路由选择。
  • 传输层：TCP 和 UDP，确保数据的可靠传输。
  • 会话层：建立、管理和终止会话。
  • 表示层：数据的表示、安全和压缩。
  • 应用层：为应用软件提供网络服务。

TCP/IP 模型

实际使用的互联网协议模型，简化为四个层次：

  • 网络接口层
  • 互联网层
  • 传输层
  • 应用层。

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IP 地址

IP 地址，全称是“Internet Protocol Address”，中文名叫“互联网协议地址”。它就像你家的门牌号，用来在互联网上标识每一个设备，确保信息能准确无误地发送到正确的地点。

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IP 地址相关词汇解释：

  1. IPv4：这是目前最常用的 IP 地址版本，由四组数字组成，每组数字范围是 0 到 255，比如192.168.1.1。

  2. IPv6：由于 IPv4 地址逐渐不够用，IPv6 被设计出来，拥有更大的地址空间。它由八组四个十六进制数表示，比如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

  3. 公网 IP：这是由互联网服务提供商（ISP）分配给你的，全世界唯一的 IP 地址，就像你房子的门牌号。

  4. 私网 IP：在家庭或办公室内部网络中使用的 IP 地址，只在局域网内有效，不会直接暴露在互联网上，比如192.168.x.x或10.x.x.x。

  5. 子网掩码：用来区分 IP 地址中的网络部分和主机部分，比如255.255.255.0。

  6. 默认网关：通常是路由器的 IP 地址，是局域网内设备访问互联网的出口。

  7. DNS：域名系统，用来将域名（如www.google.com）来包装IP地址，方便记忆。

私有地址

私有地址(private address)也叫专用地址，它们不会在全球使用，只具有本地意义。

A 类私有地址：10.0.0.0/8，范围是：10.0.0.0~10.255.255.255

B 类私有地址：172.16.0.0/12，范围是：172.16.0.0~172.31.255.255

C 类私有地址：192.168.0.0/16，范围是：192.168.0.0~192.168.255.255

IP 地址分类

IP 地址根据其第一位数字被分为不同的类别，这被称为 IP 地址的"类"。IPv4 地址分为 A、B、C、D 和 E 五类，其中 A、B 和 C 类是最常见的，用于不同的网络规模。

A 类地址 ：1.0.0.0 到 126.255.255.255

  • 子网掩码：默认为 255.0.0.0，意味着前 8 位是网络地址，后 24 位是主机地址。

B 类地址: 128.0.0.0 到 191.255.255.255

  • 子网掩码：默认为 255.255.0.0，意味着前 16 位是网络地址，后 16 位是主机地址。

C 类地址：192.0.0.0 到 223.255.255.255

  • 子网掩码：默认为 255.255.255.0，意味着前 24 位是网络地址，后 8 位是主机地址。

D 类地址 ：224.0.0.0 到 239.255.255.255

E 类地址：240.0.0.0 到 255.255.255.255

想象一下，IP 地址就像电话号码。A、B、C 类地址就像是不同地区的电话号码，有的地区很大（A 类），有的地区中等（B 类），有的地区很小（C 类）。

  • A 类地址：就像大城市的电话号码，有很多号码供很多人使用。
  • B 类地址：就像中等城市的电话号码，城市数量不多，但每个城市里有很多号码。
  • C 类地址：就像小城镇的电话号码，有很多这样的城镇，但每个城镇的号码不多。
  • D 类和 E 类地址：就像特殊服务的电话号码，比如紧急电话或测试电话，不用于普通通信。

子网掩码

每个 IP 地址都有一个子网掩码(一个 32 位的数字)，它告诉我们哪些数字是网络地址（就像区号），哪些是主机地址（就像电话号码的其余部分）,它在 IP 地址的分配和管理中起着至关重要的作用，特别是在大型网络或需要划分多个子网络的场景中。

假设你有一个 C 类 IP 地址范围 192.168.1.0 到 192.168.1.255，使用默认的 C 类子网掩码 255.255.255.0：

  • 网络地址：192.168.1.0（网络地址总是以 0 结尾）
  • 广播地址：192.168.1.255（用于发送到网络上所有主机的广播消息）
  • 可用主机地址：从 192.168.1.1 到 192.168.1.254（除去网络地址和广播地址）

TCP/IP 协议

TCP 是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接

IP 层是接收和发送 TCP 或 UDP 层的数据包，IP 数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。

TCP/IP 协议的主要特点：

  • 无连接性：IP 协议是无连接的，每个数据包独立发送，不建立端到端的连接。
  • 尽最大努力交付：IP 协议不保证数据包的顺序或可靠性，只负责将数据包发送出去。
  • 面向字节流：TCP 协议将数据视为字节流，提供有序、可靠、全双工的字节流传输服务。
  • 拥塞控制和流量控制：TCP 协议具有拥塞控制和流量控制机制，以避免网络过载。

为什么要三次握手？

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  1. 客户端发送 SYN（同步序列编号）包：客户端向服务器发送一个 SYN 包，其中包含客户端的初始序列号。这个包告诉服务器，客户端希望建立连接。

  2. 服务器响应 SYN-ACK（同步-确认）包：服务器收到客户端的 SYN 包后，会发送一个 SYN-ACK 包作为响应。这个包包含服务器的初始序列号，并且是对客户端序列号的确认（ACK）。

  3. 客户端发送 ACK（确认）包：客户端收到服务器的 SYN-ACK 包后，会发送一个 ACK 包来确认服务器的序列号。至此，三次握手完成，TCP 连接建立。

三次握手的主要目的：

  • 防止重复连接请求：通过序列号，可以避免旧的连接请求在网络延迟后到达服务器，导致不必要的连接建立。
  • 确保双方的接收和发送能力：三次握手确保了客户端和服务器都能够接收和发送数据，从而可以建立一个双向通信通道。

为什么要四次挥手？

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  1. 主动方发送 FIN（结束）包：当一方（主动方）完成数据发送并准备关闭连接时，它会发送一个 FIN 包给另一方（被动方）。这个包表明主动方已经没有数据要发送了。

  2. 被动方发送 ACK（确认）包：被动方收到 FIN 包后，会发送一个 ACK 包作为响应，确认已经收到了主动方的结束请求。

  3. 被动方发送 FIN 包：被动方在发送完所有剩余数据后，也会发送一个 FIN 包给主动方，表明它也没有数据要发送了。

  4. 主动方发送最终的 ACK 包：主动方收到被动方的 FIN 包后，会发送最后一个 ACK 包作为响应，确认已经收到了被动方的结束请求。至此，四次挥手完成，TCP 连接被关闭。

四次挥手的主要原因：

  • 确保数据传输的完整性：通过确保双方都发送了 FIN 包，可以避免一方在另一方还有数据未发送时关闭连接。

  • 有序关闭连接：四次挥手允许双方在数据传输完成后，有序地关闭连接，而不是突然断开。

  • 处理不同步的数据流：由于 TCP 是全双工通信，双方都可以独立地开始和结束数据发送，因此需要四次挥手来分别确认双方的结束请求。

  • 处理延迟确认：TCP 连接可能存在延迟确认的情况，四次挥手确保了即使在这种情况下，连接也能被正确关闭。

名词解释

  • "sequance"序列号；
  • ack:"acknowledge"确认号
  • SYN:"synchronize"请求同步标志
  • ACK:"acknowledge"确认标志"
  • FIN："Finally"结束标志。

UDP

UDP用户数据报协议，是面向无连接的通讯协议，UDP 数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。

UDP 通讯时不需要接收方确认，属于不可靠的传输，可能会出现丢包现象，实际应用中要求程序员编程验证。

image.png UDP 与 TCP 位于同一层，但它不管数据包的顺序、错误或重发。因此，UDP 不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP 主要用于那些面向查询---应答的服务，例如 NFS。相对于 FTP 或 Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。

每个 UDP 报文分 UDP 报头和 UDP 数据区两部分。报头由四个 16 位长（2 字节）字段组成，分别说明该报文的源端口、目的端口、报文长度以及校验值。UDP 报头由 4 个域组成，其中每个域各占用 2 个字节，具体如下：

（1）源端口号；

（2）目标端口号；

（3）数据报长度；

（4）校验值。

NAT

NAT 网络地址转换(Network Address Translation)属接入广域网(WAN)技术，是一种 将私有（保留）地址转化为合法 IP 地址的转换技术，它被广泛应用于各种类型 Internet 接入方式和各种类型的网络中。原因很简单，NAT 不仅完美地解决了 lP 地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。

DHCP

DHCP 动态主机设置协议（Dynamic Host Configuration Protocol） 是 一个局域网的网络协议，使用 UDP 协议工作

主要有两个用途：给内部网络或网络服务供应商自动分配 IP 地址，给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。

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