《网络协议从入门到底层原理》笔记（一）基本概念、通信基础

第一章 前言

网络协议

数据是如何从一个设备传递到另一个设备的？
答：网络协议

互联网、移动互联网、物联网，都离不开网络协议：

• 最熟悉的网络协议：HTTP
• 为了满足各种需求，有各式各样的网络协议（HTTPS、SMTP、MQTT、RTMP等）

网络协议方面的面试题目近年来要求提高了：

•  TCP和UDP的区别？说一下它们的报文格式？
•  TCP的流量控制和和拥塞控制？TCP如何实现可靠性传输？
•  为什么连接是3次握手，关闭是4次挥手？
•  7层模型与4层模型的区别？每一层的作用是什么？
•   交换机与路由器的区别？

客户端—服务器

跨平台的原理

Java跨平台的原理：

 解释型语言跨平台的原理与 Java 类似：例如 JavaScript，甚至不需要经过编译，有浏览器即可解析。

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C++跨平台的原理：使用平台相关的编译器生成对应平台的可执行文件

网络互连模型（OSI参考模型）

什么是协议？为什么要有协议？

    协议就是通用的标准。
    如果没有一个国际通用的标准，那么各大公司按照自己的标准来，相互之间的交互就会很麻烦。比如我编写的代码在微软的服务器可以运行，但是要在苹果的服务器运行又需要重新编写…

为了更好地促进互联网络的研究和发展，国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型 OSI 参考模型(Open System Interconnect Reference Model)，具有7层结构。

实际上 OSI参考模型(7层) 更偏理论，而 TCP/IP 协议(4层) 在才是在实际中使用的协议，而为了研究和学习计算机网络，又常将之划分为 5层。

 

 请求过程：不管什么协议都是经过下列的 包装 + 解包 的过程。

网络分层

第二章 通信基础

1、需要得知对方的 IP地址

2、最终是根据 MAC地址（网卡地址），输送数据到网卡，被网卡接收

• 如果网卡发现数据的目标MAC地址是自己，就会将数据传递给上一层进行处理
• 如果网卡发现数据的目标MAC地址不是自己，就会将数据丢弃，不会传递给上一层

网线直连

需要用 交叉线（不是直通线）

• ping命令使用的是ICMP协议，前提是需要知道对方的ip地址，最终是根据MAC地址输送数据到网卡，被网卡接收。
• 当不知道对方MAC地址时，使用ARP协议，进行广播。ARP协议的作用：已知 IP地址，通过 广播 获取 MAC地址。
• 广播只在同一个网段中传播，目的是获取MAC地址，给所有连接设备发广播，询问对应ip地址下的MAC地址。
• ARP协议的广播中，目标MAC地址为FFFF.FFFF.FFFF。即16进制MAC地址，换算二进制全是1。
• 全是1的MAC地址，代表广播，表示在同一个网段的所有连接设备都能接收。
• ARP协议是有缓存的，当下次在ping的时候，就不需要再去获取ip地址了，而是直接执行ICMP协议。

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。

ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议。它是TCP/IP协议簇的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。

为什么下边出现3个ARP包，实际上是 一次完整的发送请求，接收响应的过程。

同轴电缆(Coaxial)

• 半双工通信
  • 同一时间，单向通信
• 容易冲突
  • 电缆两个方向同时有数据汇入时，会发生冲突。
• 不安全
  • 数据不会单向走入对应的计算机，而是向所有设备发送数据。
• 中间断了, 整个就瘫了
  • 失去了终止电阻

集线器（Hub）

集线器相比同轴电缆唯一的优点就是：哪怕连着集线器的某一个设备中间线路出问题，不会影响到连着集线器的其他设备。

• 优点：
  • 某两条线路发生冲突，其他线路任可通信
• 缺点：
  • 如果连接了1000台设备， ARP协议就会发送1000条数据。即使知道对方MAC地址，发送数据仍然需要同时发送给1000台设备。
  • 半双工通信
  • 容易冲突
  • 不安全

网桥（Bridge）

 能够通过自学习得知每个结构那侧的MAC地址，从而起到隔绝冲突域的作用。

• 通过MAC地址表
• 当数据通过网桥MAC地址表确定目标MAC地址不在另一侧时，就不会继续向另一侧发送数据了。
• 如果左右两侧数据可以被网桥分隔，那么左右两侧可以同时进行通信。

例如，6向7发数据包，
当6发出请求ARP广播时，网桥会记录6的MAC地址在左；
当7发出响应ARP广播时，网桥会记录7的MAC地址在左。

交换机（Switch）

• 相当于接口更多的网桥
• 全双工通信，双向通信
• 学习能力，能记住每个接口对应的MAC地址
• 比集线器安全
• 区域网最终方案

全球所有设备都用交换机连接会是什么情况？

• 他们必然处于同一网段（交换机上连接的主机要求是同一网段），因此 IP地址可能会不够用
• 即使使用交换机，第一次发送数据包仍然需要ARP广播，耗费大量时间。
• 形成广播风暴，只要有一个设备发送ARP广播，全球设备都能收到

路由器（Router）

可以在不同网段之间转发数据

• 隔绝广播域

不同网段之间的广播是发不过去的

不同网段如何通信？

主机发数据之前先判断目标IP地址与主机是否在相同网段

• 在同一个网段，发送ARP，通过交换机、集线器传递数据。
• 不在同一个网段
  • 主机先发送ARP到路由器网关，确定网关MAC地址。
  • 主机发送数据给网关，网关再决定出口是哪个网关。
  • 在出口网关发送ARP，以确认接收方MAC地址。
  • 最后出口网关将数据发送给接收方。

总结

• 网线直连, 同轴电缆, 集线器, 网桥, 交换机
  • 连接的设备必须在同一网段
  • 连接的设备处在同一广播域
• 路由器
  • 可以在不同网段之间转发数据
  • 隔绝广播域
    • 不同网段之间的广播是发不过去的
• 主机发数据之前, 首先会判断目标主机的ip地址跟它是否在同一个网段
  • 在同一个网段: ARP
  • 不在同一个网段: 通过路由器转发数据