计算机网络基础
1. 什么是计算机网络
能让两台或两台以上的计算机相互通信的结构，叫做计算机网络。
为了实现计算机之间能够相互通信，有两个问题需要解决
- 一台计算机如何去找到其它计算机
- 找到其它计算机之后，它们之间如何通讯
为了解决这两个问题，人们定义和开发了两种协议
用于寻址的IP协议用于通信的TCP协议
2. 创建一个最简单的计算机网络
准备：
两台计算机，一根交叉网线
操作：
-
将两台电脑用网线连起来
-
寻找网络接口(网卡)
首先，你要知道你这台电脑在正在使用什么网络接口。以太网端口通常用“eth”加上一个从0开始的数字来指定。你可以使用ip命令来查询计算机上的接口：
$ ip address show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 ...
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd ...
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> ...
link/ether dc:a6:32:be:a3:e1 brd ...
3: wlan0: <BROADCAST,MULTICAST> ...
link/ether dc:a6:32:be:a3:e2 brd ...
在这个例子中，eth0是正确的接口名称。
-
分配IP地址
通常情况下，IP地址是从路由器获得的。当一台电脑连接到一个网络时，它请求一个网络地址，路由器通过MAC地址识别到设备，并给这台电脑分配一个IP地址。这就是计算机在网络上能找到彼此的方法。
在这个简单的网络中，没有路由空荡荡来分配IP地址及注册设备，因此我们需要手动手配IP地址，使用IP命令来给计算机分配IP地址：
sudo ip address add 192.168.0.0
给另外一台计算机分配IP地址
sudo ip address add 192.168.0.1
现在计算机有了网线连接网口，又有了唯一的IP地址用来识别身份。但是还有一个重要问题：计算机还不知道自己是网络的一部分。
-
设置路由表
路由器的另外一功能是设置计算机A到机算B的网络网络路径，称作路由表。
路由表可以看作计算机网络的城市地图。
我们可以通过route命令来查看路由表
$ route
Kernel IP routing table
Destination | Gateway | Genmask | Flags|Metric|Ref | Use | Iface
$
也可以使用ip命令来查看
$ ip route
$
通过ip命令一条路由信息：
sudo ip route \
add 192.168.0.0/24 \
dev eth0 \
proto static
这条命令为eth0接口添加一个地址范围（192.168.0.0~192.168.0.255）的路由表。
它将路由协议设置为“静态”。
通过route命令来查询路由表：
$ route
Kernel IP routing table
Destination | Gateway | Genmask | ... | Iface
link-local | 0.0.0.0 | 255.255.255.0 | ... | eth0
或使用ip命令从不同角度来查询路由表：
$ ip route
169.254.0.0/24 dev eth0 proto static scope link
-
开始通信
现在你的网络有了传输方式、寻址方法以及网络路由表。你可以使用你的计算机联系别的计算机了。
向别的计算机发送一个最简章的消息，就是ping
$ ping -c1 169.254.0.2
64 bytes from 169.254.0.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.233 ms
--- 169.254.0.2 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.244/0.244/0.244/0.000 ms
你可以通过下面的命令看到与你交互的计算机
$ ip neighbour
169.254.0.2 dev eth0 lladdr e8:6a:64:ac:ef:7c STALE
3. 扩展你的网络
使用物理层设备——集线器（hub）
对于多台计算机入网，使用一对一的网线接口的方案是不可行的。所以人们发明了集线器。
网络内的计算机都通过网线连接到集线器。它能将收到的消息，发送给所有连在它上面的计算机。
由每个计算机本身进行识别这条消息是不是给它的，识别方法就是消息包里的MAC地址。
如A 在发送数据包给 B 时，只要在头部拼接一个这样结构的数据，就可以了。
B判断目标MAC，是发给自己的，就收下。
好处：使整体物理布局干净不少；
不足：广播式传输消息，既不安全，也不节省网络资源。
使用数据链路层设备——交换机
那么能不能将集线器弄得更智能一些，只转发给目标MAC地址指向的那台电脑。
这样的设备就是交换机。
交换机里有一张MAC地址表，记录着每一个MAC对应哪个端口。
在具体设备发消息时，交换机会查一下数据头，看一下目标MAC在哪个端口上，然后直接将消息转发过去。
那么MAC地址表是怎么建立的呢？
答案：交换机自动建立。
刚一开始时，MAC地址表是空的。交换机此时是用广播式方式给各个设备通信，与集线器一样。
当一电脑发起消息，交换机收到后，就能知道当前MAC对应哪个端口，并做记录。
经过该网络中的机器不断地通信，交换机最终将MAC地址表建立完毕。
同时，交换机之间可又相互串联，用来增加接入电脑的数量。
随着接入电脑的越来越多，交换机里的MAC地址端口映射表会越来越大，由于实际机器的限制，这个表不能无限增加，所以这种方法能接入的电脑也是有个上限的。
那么怎么办呢？
添加网络层设备--路由器
（这一段超精彩，感谢原作者：闪客sun）
既然串联交换机的数量有上限，那么能不能做一个设备，用来连接两个或多个交换机网络呢？这个设备每个端口都有独立MAC，用来连接交换机群，而且能实现从交换机群之间的数据转发。
这个设备就是路由器，它的功能就是做交换机群之间的数据包转发，并且每个与交换机群相连的端口有一个自己独立的MAC。
那么问题来了，在这种网络中，计算机之间是如何通信的呢？
情形1：A->B
A，B在同一个交换机下，所以利用交换机就可以相互通信，不经过路由器
情形2：A->路由器->C
那么问题来了，
A怎么知道要给C发消息，要先发消息给路由器？
因为每个交换机群都被路由器分配了一个子网段,当A发现C的IP地址与它不在同一网段，A会直接将消息发给路由器。
怎么划分子网？
答案：依据当前网络拓扑结构，分配不同的IP地址格式。
由于MAC值是出厂就被厂家分配好了，而且你到市场上买的每个网卡MAC号也各自没有规律；一旦用这MAC来划分好子网，以后这个网络结构维护起来会极为困难。
所以，采用了对网络上的每台电脑进行重新编号的方法；
如采用32bit来表示
11000000101010000000000000000001
你觉得有些不清晰，于是把它分成四个部分，中间用点相连。
11000000.10101000.00000000.00000001
你还觉得不清晰，于是把它转换成 10 进制。
192.168.0.1
这个地址有一个响亮的名字，IP 地址
IP地址用32bit，被称为IPv4(internet protocol version 4)；
IP地址用128bit,被称为IPv6(internet protocol version 6)；
现在每一台电脑既有自己的MAC地址，又有自己的IP地址。只不过IP地址只是软件层面的，可以随时修改，比MAC地址灵活方便太多。
那么发送端如何知道对方与自己有没有处在同一子网中呢？
答案：IP地址与子网mask
采用源IP与目的IP分别与子网mask进行位与运算，算出来的结果相等则是在同一个子网，不相等就是在不同子网，就是这么简单。
比如
A电脑：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
B电脑：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
C电脑：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
D电脑：192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
那么 A 与 B 在同一个子网，C 与 D 在同一个子网，但是 A 与 C 就不在同一个子网，与 D 也不在同一个子网，以此类推。
如交换机群1被分配在了192.168.1.x，交换机群2被分配在了192.168.2.x，每个交换机群最多可以接254台电脑（0和255用来保留）。
这样就可以依据你的网络组织结构，自由灵活地分配IP地址了。
有了上面的介绍，我们给上面的组网方式中的每一台设备加上自己的IP
由于有IP的概念，所以现在的数据包除了MAC字段外，还要加上IP字段。
A->路由器这段数据包如下：
路由器->C这段数据包如下：
所以如果A给C发消息，A和C的IP地址分别&A机器配置的子网mask，发现其值不相等，则A将数据包发给路由器就不管了。
A怎么知道哪个是路由器
答案：在A上要设置默认网关
其实说A发给路由器不准确，应该说A会把包发给默认网关。
对于A来说，A只能直接把包发给在相同子网下的某个IP上，所以发给路由器还是发给某个电脑，对A来说是不关心的，只要这个设备有个IP地址就行。
所以默认网关，就是A在自己电脑里配置的一个IP地址，只要有数据要发给别的子网设备时，只需要将数据发给这个IP地址就可以了。
路由器怎么知道要转发给C
答案：路由表
现在A给C发的数据包，已经成功发到路由器这里了，最后一个问题就是，路由器怎么知道，收到的数据包该从自己的哪个PORT出去，才能直接或间接地最终送到C呢。
路由器收到的数据包里有目的IP，也就是C的IP的地址，需要转化成从自己的哪个端口出去，类比交换机，应该有个表来管理子网与路由器端口的对应关系。
这个表就叫路由表。
路由表举例如下：
| 目的地址 | 下一跳 | 端口 |
|---|---|---|
| 192.168.0.0/24 | 0 | |
| 192.168.1.0/24 | 1 |
子网mask （255.255.255.0,从左向右数，一共24个1,故也可用/24来表示）
第一行表示，192.168.0.xxx这个子网，接在了0号端口；
第二行表示，192.168.1.xxx这个子网，连在了1号端口；
那么在刚一开始时，A是怎么知道C的MAC值的呢？
答案：arp协议
在现实中，我们是知道对方机器的IP地址的，但是不知道对方MAC值。这时可以通过ARP协议，能找到一个IP地址下的MAC值。
电脑里也会存一张ARP缓存表，表中记录着IP与MAC值的对应关系。
| IP地址 | MAC地址 |
|---|---|
| 192.168.0.2 | BBBB |
| 一开始这个表是空的，电脑A为了知道电脑B（192.168.0.2）的MAC地址，会广播一条ARP请求，B收到请求后，会带上自己的MAC值给A一个响应。A收到后便更新了自己的ARP表。 | |
| 这样大家不断广播ARP请求，最终所有电脑里都将ARP缓存表更新完整。 |
总结一下
电脑视角：
- 首先要知道自己的IP以及对方的IP；
- 能过子网mask判断我们是否在同一个子网；
- 在同一个子网，通过ARP获取对方MAC后，将数据直接发出去；
- 不在同一个子网，能过ARP获取默认网关的MAC后，将数据发出去；
交换机视角
- 我收到的数据包必须有目标MAC地址
- 通过MAC地址表查映射关系
- 查到了就按映射关系里的端口发出去
- 查不到就向所有的端口发出去
路由器视角
- 我收到的数据包必须有目标IP地址
- 通过路由表查映射关系
- 查到了就按照映射关系从指定端口发出
- 查不到则返回一个路由不可达的数据包
涉及到的三张表分别是
- 交换机中有
MAC地址表用于映射MAC地址和它的端口 - 路由器中有
路由表用于映射IP地址(段)和它的端口 - 电脑和路由器中都有
ARP缓存表用于缓存IP和MAC的映射关系
这三张表是怎么来的
MAC地址表是通过网络中的各节点不断的通过交换机通信，不断完善起来的；
路由表是各种路由算法+人工配置逐步完善起来的；
ARP缓存表是不断通过ARP协议请求逐步完善起来的；
知道了以上这些，目前网络上两个节点是如何发送数据包的这个过程，就完全可以解释通了。
最终实战
在本图中，路由器1连接了路由器2,所以其路由表有了下一跳地址这个概念。最终必须能映射到一个端口号，然后从这个端口号把数据包发出去。
| 目的地址 | 下一跳 | 端口 |
|---|---|---|
| 192.168.0.0/24 | 0 | |
| 192.168.0.254/32 | 0 | |
| 192.168.1.0/24 | 1 | |
| 192.168.1.254/32 | 1 | |
| 192.168.2.0/24 | 192.168.100.5 | |
| 192.168.100.0/24 | 2 | |
| 192.168.100.4/32 | 2 |
这时如果 A 给 F 发送一个数据包，能不能通呢？如果通的话整个过程是怎样的呢？
详细过程动画描述：
详细过程文字描述：
A（192.168.0.1）通过子网mask（255.255.255.0）计算出自己与F（192.168.2.2）并不在同一个子网内，于是将数据发给它的默认网关（192.168.0.254）；- A通过ARP找到默认网关 192.168.0.254 的MAC地址；
- A将源MAC地址（AAAA）与网关地址（ABAB）封装在数据链路层头部，又将IP地址（192.168.0.1）和目的IP地址（192.168.2.2）封装在网络层头部，然后发包；注意:这里千万不要以为填写的是默认网关的 IP 地址，从始至终这个数据包的两个 IP 地址都是不变的，只有 MAC 地址在不断变化!
- 交换机1收到数据包后，发现目标MAC地址是ABAB,通过查自己的MAC端口对应表，转发给相应端口上的路由器1；
- 数据包来到了路由器1,发现其目标IP地址是192.168.2.2，查看其路由表，发现了下一跳的地址是192.168.100.5；
- 此时路由器1再次查找路由表，发现下一跳的IP子网在端口2,于是从2号端口里转发出去。
- 路由器2收到了数据包，看到其目的IP是192.168.2.2，查询其路由表，匹配到端口号为1,准备从1号口将数据包发送出去；
- 但是路由器需要知道192.168.2.2的MAC地址，这样地能让下面的交换机进行转发。于是查看其ARP缓存表，找到其MAC地址为FFFF，将数据包里的目标MAC换为FFFF，并从1号端口把包发出去；
- 交换机3收到了数据包，发现包里的目的MAC地址为FFFF，查询MAC地址端口映射表，发现该MAC设备在6号端口，于是从6号端口把数据包发出去。
- F最终收到了数据包，并且发现目的MAC值就是自己，于是收下了这个包。
后记
至此，经过物理层，数据链路层，网络层这前三层的协议，以及根据这些协议设计的各种网络设备(网线，集线器，交换机，路由器)。理论上，只要有了对方的IP地址，就可以将地球上任意位置的两个节点连通。
为了简化操作，实际也会用到以下服务
DHCP服务，为加入网络的设备分配和跟踪IP地址；DNS服务，将域名转换为IP地址；防火墙，控制这个网络的外部访问以及访问外部的动作；
