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网络协议基础

2019/09/30 计算机网络

网络协议学习笔记

1、 网络协议初识

1.1 协议三要素

  1. 语法：就是一段内容要符合一定的规则和格式。
  2. 语义：就是一段内容要代表某种意义。
  3. 顺序：就是先干啥，后干啥。

1.2 网络五层模型

从下往上的：物理层、链路层、网络层、传输层、应用层，他们的协议大致如下：

物理层：网络路线 链路层：ARP VLAN STP 网络层：ICMP IP OSPF BGP IPSec GPE 传输层：UDP TCP 应用层：DHCP HTTP HTTPS RTMP P2P DNS GTP RPC

扩展：计算机七层模型OSI：应表会传网数物（应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层）

1.3 知识点

只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层 数据包在内网中主要依靠mac地址投递 。ip 地址必须在有三层设备时才有用 ，而很多内网只有交换机，工作在2层的交换机是不能识别ip地址的。 数据包上ip 地址的作用是在外网或internet 上投递用的，内网就不行了，必须要用mac。网络协议的分层和网络实体的分级管理是对应的。

2、 IP

IP 地址是一个网卡在网络世界的通讯地址，相当于我们现实世界的门牌号码。

IP地址分为五类，由于分类不科学，在当时设计的时候没想到会发展成现在的样子。

IP分公有IP和私有IP

查看IP的方式：windows: ipconfig; linux:ifconfig / ip addr

  root@test:~# ip addr
  1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
      link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
      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> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
      link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
      inet 10.100.122.2/24 brd 10.100.122.255 scope global eth0
        valid_lft forever preferred_lft forever
      inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64 scope link 
        valid_lft forever preferred_lft forever

自己配置IP地址,瞎配会导致包发不出去。

  // ipconfig
  sudo ifconfig eth1 10.0.0.1/24
  sudo ifconfig eth1 up

  // -------------------------- iproute2
  
  sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev eth1
  sudo ip link set up eth1

2.1 CIDR

由于IP地址分类不科学，有了一个折中的方式叫做：无类型域间选路，简称CIDR，这种方式打破了原来设计的几类地址的做法，将32位IP地址一分为二，前面是网络号，后面是主机号。

例如：10.100.122.2/24，斜杠后面有个数字24，这个斜杠就是CIDR,24的意思是：32位中，前24位是网络号，后8位是主机号。

2.2 MAC地址

MAC地址是一个网卡的物理地址，一般为一组12位的16进制数。其中前6位代表网卡的生产厂商。后面的位数是设备号。MAC地址全球唯一，网卡生产后会携带。

MAC地址本身的缺陷：因为MAC地址是硬件提供商写在网卡中的，MAC地址虽然唯一但是不能表明用户在整个互联网中的位置，除非维护一个超级大MAC地址对应表，那寻址效率肯定爆炸。但是IP地址解决了这个问题，因为IP地址是网络提供商给你的，所以你在哪里整个网络都是知道的，获取MAC地址是通过ARP协议来完成的。

mac地址全球唯一，它是固化在网卡里的。网卡毕竟是个硬件，需要软件支持，既操作系统识别。重点来了，操作系统识别出来的mac地址是可以更改的，它只不过是一个字符串。我们常说的修改mac指的是修改电脑中记录的既注册表中的记录。

可以通过IP地址使用ARP协议解析出MAC地址

2.3 网络设备的状态标识

< BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP > 是干什么的？

net_device flags，网络设备的状态标识。 UP 表示网卡处于启动的状态； BROADCAST 表示这个网卡有广播地址，可以发送广播包； MULTICAST 表示网卡可以发送多播包； LOWER_UP 表示 L1 是启动的，也即网线插着呢。

2.4 知识点

ip是地址，有定位功能，MAC是身份证，无定位功能。 CIDR可以用来判断是不是本地人 IP分公有IP和私有IP。 不同系统的配置文件格式不同，但是无非就是 CIDR、子网掩码、广播地址和网关地址。

2.5 ARP协议

ARP协议的目的是获取MAC地址

ARP在局域网的情况下：会发一个广播，发送一个含源IP + 目标IP的包，然后获取到目标MAC地址,拿到目标的Mac地址，在局域网内就可以发包交互。 不在局域网的情况下：当发现不在一个局域网内的时候，会发一个包给网关，先获取网关的Mac地址，然后再发送一个包包含源Mac地址+网关Mac，源IP+目标IP的包，网关解析包发现Mac是自己，但是目标ip地址是外面，就会发送一个包出去（进行路由转发），然后找到目标。

3、 动态主机配置协议（DHCP）

网管配置多台电脑的IP地址的时候，不可能一台一台手配，就需要使用到DHCP协议，只需要配置一段共享的IP地址，每一台新机器接入都通过DHCP协议，然后在共享的IP地址里面申请一个IP，就自动配置好了。这个IP地址是有时间限制的，属于租一个IP。

3.1 解析DHCP的工作方式

当有新机器进入DHCP协议的时候，需要先报道，报道操作称为DHCP Discover。

新来的机器使用IP地址(初始为0.0.0.0)发送了一个广播包，目的IP地址为255.255.255.255，（广播包封装了，UDP是无连接的传输协议，UDP封装了BOOTP），在广播包里新机器会显示出自己的MAC地址，只能通过MAC地址，我们才知道这个机器是不是一个新机器，新机器需要给他分配一个IP地址（可能有多个，多个的话一般选择最先到达的那个），这个过程称为DHCP Offer

新来的机器收到IP地址之后，需要发送一条广播，告诉DHCP Server，我是谁(MAC地址)，我的IP地址是多少(接收到的IP地址)。

DHCP收到新机器的确认IP广播，然后返回给客户机一个DECP ACK消息包，表明已经接受并将这一 IP 地址的合法租用信息和其他的配置信息都放入该广播包，发给客户机。

新来的机器收到配置后，配置完成，发送广播，通知所有机器。

客户机在IP的租期过去一半的时候，会发送一个DHCP request消息包,DHCP会返回一个DHCP ACK消息包，客户机接到服务器的消息包后，会根据包里新的租期以及他更新的TCP/IP参数更新自己的配置，续租完成。

4、局域网

局域网需要用到路由器，是在第三层，先从第一层物理层开始。

4.1 物理层

两台电脑直接连接没有路由器、集线器之类的工具如何做呢？打一根交叉线互联，网线插好，需要配置一下IP地址，在同个网段、子网掩码和网关都配置一下成为一个网络就可以了。这样就组成了一个最小的局域网，也就是LAN。

交叉线：橙绿蓝棕蓝绿调，1-3/2-6调。 水晶头的第 1、2 和第 3、6 脚，它们分别起着收、发信号的作用。将一端的 1 号和 3 号线、2 号和 6 号线互换一下位置，就能够在物理层实现一端发送的信号，另一端能收到。

4.2 数据链路层

数据链路层就是控制发包，数据传输的层。

数据链路层的问题也即MAC层要解决的问题，MAC 的全称是 Medium Access Control，即媒体访问控制。控制什么呢？其实就是控制在往媒体上发数据的时候，谁先发、谁后发的问题。防止发生混乱。学名叫多路访问。

当有大于2台的电脑要互联的时候，问题就来了，大家都在发，谁发谁接收，谁先谁后有什么规则来约束呢？大概解决方式就是下面这三种。

方式一：分多个车道。每个车一个车道，你走你的，我走我的。这在计算机网络里叫作信道划分； 方式二：今天单号出行，明天双号出行，轮着来。这在计算机网络里叫作轮流协议； 方式三：不管三七二十一，有事儿先出门，发现特堵，就回去。错过高峰再出。我们叫作随机接入协议。著名的以太网，用的就是这个方式。

至于谁发谁接收就是看发的网络包格式了，包里面会有目标MAC,源MAC,协议类型，数据，CRC。

  1. 目标MAC：就是要发给谁
  2. 源MAC： 谁发的
  3. 协议类型：包含 TCP、UDP，以及 HTTP 等
  4. 数据：发送的数据
  5. CRC：循环冗余检测。通过 XOR 异或的算法，来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误

发送包需要自己知道目标机器的MAC，如果不知道，就需要ARP 协议（ARP 协议：地址解析协议，已知IP地址，求MAC地址的协议）。

ARP协议：ARP协议寻找MAC地址就是靠广播，发一个广播包，查询到就会就缓存到本地，避免频繁广播，有一定的过期时间。

但是一直广播广播还是有浪费的，这个时候就需要硬件交换机来处理了，交换机会把请求准确发到对应的MAC地址上的那个口上，如果不知道就只能全发了，发完一次它就会记录下来，下次就可以准确直达了，交换机记录学习到的所有口会记录一个结果，称为转发表，有过期时间。

当交换机的数目越来越多的时候，会遭遇环路问题，让网络包迷路，这就需要使用 STP 协议，通过华山论剑比武的方式，将有环路的图变成没有环路的树，从而解决环路问题。

交换机数目多会面临隔离问题，可以通过 VLAN 形成虚拟局域网，从而解决广播问题和安全问题。

4.3 网络层

网络层主要硬件就是路由器。家庭路由器会有内网网口和外网网口。把外网网口的线插到校园网的网口上，将这个外网网口配置成和网管部的一样。内网网口连上我们的电脑。

网络=底层的物理连接介质+互联网通信协议

网络层主要的是IP头信息，头信息具体如图所示：

5、ping

很多时候没网会想到ping一下，ping是如何实现的？

ping 是基于 ICMP 协议工作的,常用的 ping 就是查询报文，是一种主动请求，并且获得主动应答的 ICMP 协议。ICMP 全称 Internet Control Message Protocol，就是互联网控制报文协议。 ICMP 相当于网络世界的侦察兵。两种类型的 ICMP 报文，一种是主动探查的查询报文，一种异常报告的差错报文； ping 使用查询报文，Traceroute 使用差错报文。

6、网络、传输层

传输层协议：tcp、udp

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