【二】操作系统基础与网络通信基础

【一】操作系统基础

• 操作系统：
  • （Operating System，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序
  • 是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件
  • 任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。

注：计算机(硬件)－>os－>应用软件

【二】网络通信基础

【1】互联网的本质就是一系列的网络协议

• 一台硬件设备有了操作系统，然后装上软件之后我们就可以正常使用了
  • 然而我们也只能自己使用。
  • 像这样，每个人都拥有一台自己的机器，然而彼此孤立

• 如何能大家一起玩耍

• 然而 Internet 为何物？

• 其实两台计算机之间通信与两个人打电话之间通信的原理是一样的（中国有很多地区，不同的地区有不同的方言，为了全中国人都可以听懂，大家统一讲普通话）

• 普通话属于中国国内人与人之间通信的标准，那如果是两个国家的人交流呢？

• 问题是，你不可能要求一个人／计算机掌握全世界的语言／标准
  • 于是有了世界统一的通信标准：英语

• 结论：
  • 英语成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
• 一系列统一的标准，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)。
• 互联网协议的功能：
  • 定义计算机如何接入 Internet，以及接入 Internet 的计算机通信的标准。

【2】OSI七层协议

• 互联网协议按照功能不同分为OSI七层或 TCP/IP 五层或 TCP/IP 四层

• 每层运行常见物理设备

• OSI七层协议数据传输的封包与解包过程

【3】TCP/IP五层模型讲解

• 我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从TCP/IP五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，搞清楚了每层的主要协议
• 就理解了整个互联网通信的原理。
• 首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解
• 每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件

（1）物理层

• 物理层由来：
  • 上面提到，不同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。

• 物理层功能：
  • 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）数据链路层

• 数据链路层由来：
  • 单纯的电信号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

  head	data

  • • 一组电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：
  • ethernet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指网卡的地址，即mac地址
• mac地址：
  • 每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48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，即计算机通信基本靠吼

（3）网络层

• 网络层由来：
  • 有了ethernet、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的
• 如果所有的通信都采用以太网的广播方式
  • 那么一台机器发送的包全世界都会收到，
• 这就不仅仅是效率低的问题了
  • 这会是一种灾难

• 上图结论：
  • 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（向不同广播域／子网分发数据包）
  • mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关
• 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数

​ 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：

• 所谓”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，那么子网络掩码就是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，运算结果为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。
• 总结一下，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，无须为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到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，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

以太网头	ip 头	ip数据

ARP协议

• arp协议由来：
  • 计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到
• 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

场景	数据包地址
同一子网	目标主机mac，目标主机ip
不同子网	网关mac，目标主机ip

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172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

	源mac	目标mac	源ip	目标ip	数据部分
发送端主机	发送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	数据

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

（4）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
  • 你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，
• 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
  • 答案就是端口
  • 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。

以太网头	ip 头	tcp头	数据

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。

以太网头	ip头	udp头	数据

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：Email、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”。