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计算机网络协议详解

本篇文章主要总结一些常见的网络基础概念，并介绍了计算机网络相关协议。
相关参考资料：《鸟哥的Linux私房菜——服务器架设篇》

一、计算机网络协议：OSI七层协议

在服务器与客户端连接中，不论是接收端还是发送端，每一层只认识对方同一层次的数据。

• Layer 1：物理层
  由于网络媒体只能传送 0 与 1 这种位串，因此物理层必须定义所使用的媒体设备之电压与讯号等， 同时还必须了解数据讯框转成位串的编码方式，最后连接实体媒体并传送/接收位串。

• Layer 2：数据链路层
  这一层是比较特殊的一个阶层，因为底下是实体的定义，而上层则是软件封装的定义。因此第二层又分两个子层在进行数据的转换动作。 在偏硬件媒体部分，主要负责的是 MAC (Media Access Control) ，我们称这个数据报裹为 MAC 讯框 (frame)， MAC 是网络媒体所能处理的主要数据报裹，这也是最终被物理层编码成位串的数据。

• Layer 3：网络层
  IP就是在这一层定义的， 同时也定义出计算机之间的联机建立、终止与维持等，数据封包的传输路径选择等等。

• Layer 4：传送层
  定义了发送端与接收端的联机技术(如 TCP, UDP 技术)， 同时包括该技术的封包格式，数据封包的传送、流程的控制、传输过程的侦测检查与复原重新传送等，以确保各个资料封包可以正确无误的到达目的端。

• Layer 5：会谈层
  主要定义了两个地址之间的联机信道之连接与挂断，此外，亦可建立应用程序之对谈、 提供其他加强型服务如网络管理、签到签退、对谈之控制等，确定网络服务建立联机的确认。

• Layer 6：表现层
  主要定义的是网络服务(或程序)之间的数据格式的转换， 包括数据的加解密也是在这个分层上面处理。

• Layer 7：应用层
  应用层本身并不属于应用程序所有，而是在定义应用程序如何进入此层的沟通接口，以将数据接收或传送给应用程序，最终展示给用户。

二、计算机网络协议：TCP/IP协议

OSI七层协议虽然架构严谨，但是过于复杂，于是在OSI协议的基础上发展出了TCP/IP协议，目前主要使用的是TCP/IP协议。

1.TCP/IP网络接口层

• 以太网传输协议：CSMA/CD

1. 接听介质使用情况
   A 主机要发送网络数据包前，需要先对网络媒体进行监听，确认没有人在使用后， 才能够发送出讯框。

2. 多点传输
   A 主机所送出的数据会被集线器复制一份，然后传送给所有连接到此集线器的主机！ 也就是说， A 所送出的数据， B, C, D 三部计算机都能够接收的到！但由于目标是 D 主机，因此 B 与 C 会将此讯框数据丢弃，而 D 则会抓下来处理。

3. 冲突监测
   该通讯数据附有检测能力，若其他主机例如 B 计算机也刚好在同时间发送数据时， 那么 A 与 B 送出的数据碰撞在一块 (出车祸) ，此时这些通讯就是损毁，那么 A 与 B 就会各自随机等待一个时间， 然后重新通过第一步再传送一次数据。

• MAC的封装格式
  MAC数据包是整个网络硬件上传输的最小单位，每块物理网卡出厂都会设置一个唯一的MAC号，用于标识每台主机上的不同网卡。

• 最大传输单位（MTU）
  标准以太网络讯框所能传送的数据量最大可以到达 1500 bytes ， 这个数值就被我们称为 MTU。

• 设备：集线器（Hub）、交换器（Switch）等

2.TCP/IP网络层

• IP数据包的封装
  其中最重要的就是Source Address与Destination Address，分别记载了源IP地址与目标IP地址。
  

• IP地址

1. IP地址分级
   IP地址共32bits，主要划分为Net_ID（网域号码）与Host_ID（主机号码），在同一个网段内，Net_ID 是不变的，而 Host_ID 则是不可重复。

   以二进制说明Network第一个数字的定义：
   
   五种分级的十进制表示：
   

2. Private IP
   早在 IPv4 规划的时候就担心 IP 会有不足的情况，而且为了应付某些企业内部的网络设定，于是就有了私有 IP (Private IP) 的产生了。私有 IP 也分别在 A, B, C 三个 Class 当中各保留一段作为私有 IP 网段，分别是：
   Class A：10.0.0.0~10.255.255.255
   Class B：172.16.0.0~172.31.255.255
   Class C：192.168.0.0~192.168.255.255

3. lo网络：127.0.0.0/8
   lo网络是指主机内部还回网络，主要用于主机测试。

• 子网掩码Netmask
  子网掩码是用来表示Net_ID和Host_ID的，举例来说：
  
  子网掩码还被用来实现子网划分：
  

• 路由
  在同一物理网段中，IP地址设置为同一网域，各主机之间可以直接通讯；当IP不在同一网段中时，各主机无法直接通讯，需要经过网关的转递。流程如下：
  1.查询IP数据包的目标IP
  2.查询是否位于本机所在的网络路由表中
  3.查询默认路由
  4.送出数据包至Default Getway后，不予理会

  Linux中查询路由表：route
  

• ARP协议
  当想要了解某个 IP 是设定于某张以太网络卡上头时，主机会对整个区网发送出 ARP 数据包，对方收到ARP数据包后就会传回他的MAC，主机就会知道对方所在网卡。

3.TCP/IP传输层

• TCP协议：面向连接、可靠
  TCP数据包封装格式：
  
  TCP报头：
  

• TCP三次握手
  

1. A：数据包发起
   当客户端想要对服务器端联机时，就必须要送出一个要求联机的数据包，此时客户端必须随机取用一个大于 1024 以上的端口来做为程序沟通的接口。然后在 TCP 的表头当中，必须要带有 SYN 的主动联机(SYN=1)，并且记下发送出联机数据包给服务器端的序号 (Sequence number = 10001) 。
2. B：数据包接收与确认数据包传送
   当服务器接到这个数据包，并且确定要接收这个数据包后，就会开始制作一个同时带有 SYN=1, ACK=1 的数据包， 其中那个 acknowledge 的号码是要给 client 端确认用的，所以该数字会比(A 步骤)里面的 Sequence 号码多一号 (ack = 10001+1 = 10002)， 那我们服务器也必须要确认客户端确实可以接收我们的数据包才行，所以也会发送出一个 Sequence (seq=20001) 给客户端，并且开始等待客户端给服务器端的回应。
3. C：回送确认数据包
   当客户端收到来自服务器端的 ACK 数字后 (10002) 就能够确认之前那个要求数据包被正确的收受了， 接下来如果客户端也同意与服务器端建立联机时，就会再次的发送一个确认数据包 (ACK=1) 给服务器，亦即是 acknowledge = 20001+1 = 20002 。
4. D：取得最后确认
   若一切都顺利，在服务器端收到带有 ACK=1 且 ack=20002 序号的数据包后，就能够建立起这次的联机了。

• UDP协议：无连接、不可靠
  

总结

本篇文章对网络基础知识点进行了概括，重点关注IP、子网掩码和TCP的三次握手。