计算机网络，IP，Mac地址，DHCP，交换机与路由器，家庭网络与因特网，SNAT，DNAT，TCP与UDP协议，三次握手，传输确认，四次挥手，UDP协议
计算机网络-掌知识
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1、IP与mac，DHCP协议
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IP地址是收件人，MAC地址就是收件地址。
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网络比喻成我们的生活城市，网卡就是生活中的建筑，mac地址就是这栋建筑的物理地址，而IP地址就是在这些建筑中的人。
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在计算机中发送信息，填写内容和对方的ip，操作系统会根据目标ip，自动查询arp表，获取对方mac地址，补齐这封信，从网卡发出。
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mac地址6个字节构成，前3个字节表示的是网络硬件厂商编号，后3个字节表示的是该制造商所制造的网卡序列号，全球唯一的地址。
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Mac地址表示网卡在网络中的确定位置，那这个位置是如何表示与确定的呢？
比如计算机a通过网线接入到交换机的端口1，那这个端口1就是网络中的具体位置，就像我们的门牌号一样，交换机就知道某个mac地址在端口1上，从而就把mac地址与端口进行了绑定。 -
网卡接入网络后如果要通信，需要配置ip地址。
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①DHCP协议，当电脑插上网线或手机接入wifi，操作系统网络协议栈会自动向外发送一包dhcp请求，请求为其分配ip地址；
②路由器获取到dhcp请求后，会为其分配一个ip地址，并通过dhcp回复报文发送回去；
③操作系统收到了dhcp回包后，将其分配的ip地址配置到网卡上。
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mac地址是由操作系统来补齐的，操作系统如何知道对方的mac地址？
①arp协议完成的，当计算机a想向计算机b发送消息时，操作系统并不会立即发出，它会先发送一包arp广播报文出去，问一下192.168.1.10的mac地址是多少，此时网络中的所有设备都收到了这一包请求报文，除了192.168.1.10以外的设备都会丢弃这包请求报文，只有192.168.1.10会回复自己的mac地址是多少，计算机a收到了回复，
②知道了计算机b的mac地址，它首先会把计算机b的mac地址缓存起来以便下次使用，然后把这封信补全从网卡发送出去，
③交换机根据数据包中的目标mac地址找到了计算机b所在的端口，从此端口发送出去，数据就内计算机b收到了。
2、交换机与路由器
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交换机主要功能就是把数据包发送到正确的位置，写信的例子中，交换机相当于邮递员，根据数据包中的目标mac地址，找到他对应的物理端口，一台交换机有很多个端口，它们都有自己的编号，计算机的网卡通过网线连接到交换机的网口上，这个端口就是一个确定的物理位置，我们只要知道某个网卡的mac地址，在那个端口上，我们就能正确的把数据包发给它，所以在交换机中有一张端口与mc地址的映射关系表，我们称之为mac地址表，交换机维护这张映射关系表，想要与某个mac地址通信时，只需要来查询一下，这个mac地址在那个端口上，然后从对应的端口发送出去就可以了。
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每一包数据都会有两个mac地址，一个是发送方的mac地址称为源mac，另一个是接收方的mac地址称为目标mac，交换机收到一包数据后，首先要把这包数据的源mac与接收端口进行绑定，然后交换机要根据目标mac查找，从哪个端口把数据包发送出去，这时候就会出现两种情况，第一种情况是mac地址表中查询到了关联的端口，则直接从关联端口发出，第二种情况是mac地址表中没有查询到关联端口，则向除了接收端口之外的所有端口群发，这种行为称为泛洪，如果目标mac地址在这个网络中，则它一定能收到群发的数据包，如此运行一段时间之后，通过交换机的mac地址表就可以找到网络中的所有网卡设备，由此可见，交换机只会关心数据包中的mac地址，而不会关心ip地址，mac地址在TCP/IP协议中，处于第二层数据链路层，所以交换机通常也被称为二层设备。
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路由器有两种接口LAN口和WAN口，LAN可以有多个用来接家庭网络设备，比如台式机、手机、笔记本，其他手机和笔记是通过wifi连接到路由器的设备，也相当于连接到了LAN口上，WAN口只有一个用来接入运营商网络，以连接到互联网上，如果把路由器的WAN口忽略，路由器其实就是交换机。
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加上WAN口，引入网关概念， 子网是如何划分，把ip地址和子网掩码按位相与，1&x=x,0&x=0,我们常用的子网掩码255.255.255.0，前3个字节也就是前24位全为1，后8位全为0，所以按位相与的结果，一定是这个ip地址的前3个字节，192.168.1.10&255.255.255.0=192.168.1.0，我们把ip地址与子网掩码相与之后的结果，相同的两个ip，认为是在同一个子网中，也就是说，ip为192.168.1.10，子网掩码为255.255.255.0的这张网卡与另一个192.168.1.x的网卡，一定是在同一个子网之中，因为子网掩码都是连续的1和连续的0，所以我们通常用1的数量来表示子网掩码，比如255.255.255.0，就是24，我们用ip/子网掩码来表示一个网络，比如192.168.1.0/24，表示的网络中拥有255个ip地址，所以如果想扩大子网中的ip数量，我们只需要把子网掩码调小，如果想减少子网中ip地址的数量，我们只需要把子网掩码调大就可以了。
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子网有什么意义呢？
因为tcp/ip协议规定，不同子网之间是不可以直接通信的，如果要通信需要通过网关来进行转发，网关上有两张网卡，分别配置了属于2个子网的ip地址，可以在两个网络之间转发数据包，这样我们就拥有了一个连接了两个子网的网络， -
例子：子网1中的计算机a发送数据包时，首先计算机a会根据目标ip，判断是否跟自己属于同一个子网，如果是同一个字网则直接从网卡发出，如果不是同一个子网，则需要把数据包的目标mac地址，改为网关mac，然后发送给网关，网关拿到这一包数据后，在通过路由表，查询到这一包数据属于子网2，网关修改目标mac地址为计算机b的mac地址，修改源mac为自己的mac，然后从子网2的网卡发出，以上出现了多次根据目标ip，判断数据包该如何发送的行为，我们就称之为路由。
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路由器有一个WAN口接入互联网，多个LAN口接入本地网络，它们就分别属于两个不同的子网，所以从内网访问互联网就是跨网络的行为，这时候就需要路由器来担任网关的角色，它的行为就叫路由。
3、家庭网络与因特网
在两个不同家庭中，通过路由器接入的两台电脑，两台电脑内网IP地址是192.168.1.10、192.168.1.11，公网IP地址123.123.123.123,同时访问互联网上的同一个网站，为什么IP地址不会冲突？
SNAT和DNAT是什么？
SNAT
在计算机网络中，数据包如何发送，是根据目标ip进行路由的，如果同一个网络中出现两个相同的IP（IP冲突），则arp表就会混乱，数据包发送到那台主机上，将变成不确定性的行为，那怎么解决这个问题呢？
就是让数据包从路由器发出去的时候，变成不同的IP不就可以了，这个技术叫做源地址转换技术，称之为SNAT。
为了简化模式，我们还是先假设路由器的WAN口，接入的IP地址为公网IP，比如123.123.123.123，我们的内网计算机地址是192.168.1.10，网关地址为192.168.1.1，我们访问的远程IP为234.234.234.234,首先计算机发送一包数据出来到路由器上，在这报数据的网络层有两个重要的信息，一个是源IP，192.168.1.10另一个是目标IP 234.234.234.234，路由器拿到这一包数据时，需要执行源地址转换，把源IP改一下，改成WAN口的公网ip123.123.123.123发送出去，服务器收到了数据，处理完之后需要回复，再把源IP作为目标IP发送回来，路由器收到回包执行反向SNAT，再把目标IP改成192.168.1.10发送给了家庭中的计算机，一次通信完成。
看着挺简单的但实际要复杂得多，假如家庭中有两台计算机，另一台计算机的IP，地址为192.168.1.11，他们俩同时访问同一个网站，发送了两包数据到路由器上，路由器执行SNAT发送出去，回来的数据包目标IP都是234.234.234.234如何从中区分出来两台计算机的数据包，所以这样看只关注IP地址是不行的，还需要增加一些确定性的标记，这时就要把关联的属性再往下扩展，扩展到传输层，我们以最常用的传输协议TCP协议举例，TCP协议有两个关键属性，源端口和目标端口，这时候我们的源地址转换就变成了修改源IP和源端口，并将修改后的端口号和源IP加源端口形成映射关系，比如主机1和主机2的源端口，都是12345修改后主机1的源端口变成23456，主机2变成34567，在返回包中根据目标端口号是23456还是34567，区分出来是主机1还是主机2的包，并且在反向SNAT的时候，把目标端口号改回，除了TCP协议外，UDP协议也是同样的道理，通过IP加端口进行关联，但是我们常用来检测目标联通性的ping命令，使用的是ICMP协议，它没有端口信息，则需要使用协议中的type+code来代替端口进行关联，其他的协议也都是类似的道理，通过协议特定的标记来进行关联。
DNAT
DNAT名为地址目标转换，DNAT是把目标地址修改的技术，有什么用呢？如果我们的内网计算机对外提供服务，公网发送过来的请求不能直接到达内网计算机，我们就需要路由器，用DNAT技术帮我们转发请求，比如我们内网上有一台主机上，有一个web服务监听80端口，我们需要在路由器上配置一个DNAT，内容为访问公网地址的8080端口，则帮我们转到计算机1，也就是192.168.1.10的80端口，则当访问数据包从WAN口进入后，路由器执行DNAT修改目标地址为192.168.1.10，修改目标端口为80，把数据包转发给了计算机1。
4、TCP与UDP协议
TCP和UDP协议都工作在传输层，它们的目标都是在程序之间传输数据，数据可以是文本、图片、视频等，对于TCP和UDP协议来说，都是一堆二进制数，并没有多大的区别，那tcp与udp之前的区别是什么，tcp基于连接（打电话），udp基于非连接（发邮件）。
TCP
三个关键步骤：三次握手，传输确认，四次挥手。
三次握手
三次握手是建立连接的过程，当客户端向服务端发起连接时，会先发一包连接请求数据，过去询问一下，能否与你建立连接，这包数据我们称之为SYN包，如果对端同意连接，则回复一包SYN+ACK包，客户端收到之后回复一包ACK包，连接建立，因为这个过程中相互发送了三包数据，所以称之为三次握手。
为什么要三次握手而不是两次握手，服务端回复SYN+ACK之后就建立连接，这是为了防止因为已失效的请求报文，突然又传到服务器引起错误，假设采用两次握手建立连接，客户端向服务端发送了一个SYN包，来请求建立连接，因为某些未知的原因并没有到达服务器，在中间某个网络节点产生了滞留，为了建立连接客户端会重发SYN包，这次数据包正常到达，服务端回复SYN+ACk之后建立起了连接，但是第一包数据阻塞的网络节点，突然恢复，第一包SYN包又送达到服务端，这是服务端会误认为是客户端，又发起一次新的连接，从而在两次握手之后，进入等待数据状态，服务端认为是两个连接，而客户端认为是一个连接，造成了状态不一致，如果在三次握手的情况下，服务端收不到最后的ACK包，自然不会认为建立连接成功，所以三次握手本质上来说，就是为了解决网络信道不可靠的问题，为了能够在不可靠的信道上，建立起可靠的连接。
ACK位为1，seq：序列号，
传输确认
经过三次握手之后，客户端和服务端都进入了数据传输状态，tcp协议需要在不可靠的信道上，保证可靠的连接，现在就有几个问题需要面对，一包数据有可能会被拆成包多发送，如何处理丢包问题，这些数据包到达的先后顺序不同，如何处理乱序问题，针对这些要求，tcp协议为每一个连接，建立了一个发送缓冲区，从建立连接后的第一个字节的序列号为0，后面每个字节的序列号就会增加1，发送数据时，从发送缓冲区取一部分数据组成发送报文，在其tcp协议头中会附带序列号和长度，接收端在收到数据后，需要回复确认报文，确认报文中的ACK，等于接收序列号加长度，也就是下一包数据需要发送的起始序列号，这样一问一答的发送方式，能够使发送端确认发送的数据已经被对方收到，发送端也可以一次发送，连续的多包数据，接收端只需要回复一次ACK就可以了，这样发送端就可以把待发送的数据，分割成一系列的碎片，发送到对端，对端根据序列号的长度，在接收后重构出来完成的数据，假设其中丢失了某些数据包，在接收端可以要求发送端重传，比如丢失了100-199这100个字节接收端向发送端发送ack=100的报文，发送端收到后重传这一包数据，接收端进行补齐，以上过程不区分客户端和服务端，tcp连接时全双工的，对于两端来说均采用上述机制。
四次挥手
处于连接状态的客户端和服务端，都可以发起关闭连接请求，此时需要四次挥手来进行连接关闭，假设客户端主动发起连接关闭请求，他需要将服务端发起一包FIN包，表示要关闭连接，自己进入终止等待1状态，这是第一次挥手，服务端收到FIN包，发送一包ACK包，表示自己进入了关闭等待状态，客户端进入终止等待2状态，这是第二次挥手，服务端此时还可以发送未发送的数据，而客户端还可以接收数据，待服务端发送完数据之后，发送一包FIN包，进入最后确认状态，这是第三次挥手，客户端收到之后回复ACK包，进入超时等待状态，经过超时时间后关闭连接，而服务端收到ACK包后，立即关闭连接，这是第四次挥手。
为什么客户端需要等待超时时间？这是为了保证对方已经收到ACK包，因为假设客户端发发送完最后一包ACK包后就释放了连接，一旦ACK包在网络中丢失，服务端将一直停留在最后确认状态，如果客户端发送最后一包ACK包后，等待一段时间，这是服务端因为没有收到ACK包，会重发FIN包，客户端会响应这个FIN包，重发ACK包并刷新超时时间，这个机制跟三次握手一样，也是为了保证在不可靠的网络链路中，进行可靠的连接断开确认。
UDP协议
UDP协议是基于非连接的，就是简单的把数据包封装一下，然后从网卡发出去就可以了，数据包之间并没有状态上的联系，正因为udp这种简单的处理方式，导致它的性能虽好非常少，对于cpu内存资源占用也远小于tcp，但是对于网络传输过程中产生的丢包，udp协议并不能保证，所以udp在传输稳定性上要弱于tcp。
TCP可靠稳定，适用于对网络质量通信较高的场景，需要准确无误的传输给对方，比如传输文件、发送邮件、浏览网页等。
UDP速度快，但是可能产生丢包，所以适用于对实时性要求较高，但是对少量丢包，并没有太大影响的场景，比如域名查询，语音通话，视频直播等。
VPN隧道网络，SDN隧道网络VXLAN。
软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是由美国斯坦福大学Clean-Slate课题研究组提出的一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。
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