网络协议 一 OSI参考模型、计算机通信基础 (集线器、网桥、交换机、路由器)

萌宅鹿网络系列 的基础上增强

目录

• 互联网（internet）
• 为什么要学习网络协议
• 客户端-服务器
• 跨平台的原理（Java、C++）
• 网络互连模型（OSI参考模型）
• 计算机之间的通信基础
  • 计算机之间的连接方式 - 网线直连
  • 计算机之间的连接方式 - 同轴电缆(Coaxial)
  • 计算机之间的连接方式 - 集线器(Hub)
  • 计算机之间的连接方式 - 网桥（Bridge）
  • 计算机之间的连接方式 - 交换机（Switch）
  • 计算机之间的连接方式 - 路由器（Router）

互联网（internet）

数据是如何从一个设备传递到另一个设备的？

• 答：网络协议

为什么要学习网络协议

互联网、移动互联网、物联网，都离不开网络协议：

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

重点: 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、C++）

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。

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。

计算机之间的通信基础

需要得知对方的IP地址 (根据IP地址可以解析得到MAC地址)

最终是根据MAC地址(网卡地址), 输送数据到网卡, 被网卡接收

• 数据中包括源IP、目标IP地址、源MAC地址、目标MAC地址
• 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, 不会传递给上一层进行处理

计算机之间的连接方式 - 网线直连

• 需要用 交叉线（不是直通线）
  • 相同设备之间使用的是交叉线
  • 不同设备使用的是直通线

ARP协议的作用：已知 IP地址，通过 广播(和自己可以Ping通的) 获取 MAC地址。(因为数据是通过网卡(MAC)来接收的, 广播要在同一个网段中才能传播)

• ARP是有缓存的, ping命令实际就是使用的ICMP协议, 在ICMP之前会先走ARP协议(广播)来获取MAC地址
  • arp -a 来查看缓存的MAC地址

为什么右边出现3个ARP包，实际上是 一次完整的发送请求，接收响应的过程。

• 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。
• 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 (ping通)。
• 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。

计算机之间的连接方式 - 同轴电缆(Coaxial)

缺点:

• 半双工通信 : 同一时刻只能发送或者接收数据(不能同时接收, 同时发送)

• 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

注意：同轴电缆只要有一个地方线断了，整个线路都瘫痪了。

计算机之间的连接方式 - 集线器(Hub)

• 相当于同轴电缆的升级版。

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。

• 缺点: 获取MAC地址的时候, 会给相同网段的所有设备都发ARP协议(造成广播风暴), 获取MAC, 通过ICMP发送数据包也会给所有的设备发送, 这样会占用 带宽

计算机之间的连接方式 - 网桥（Bridge）

将 多个集线器 通过 网桥 连接

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。

• 所谓 隔绝冲突域 是通过：记录设备的MAC地址在左还是在右。

• 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。

当 6 给 7 发送数据包的时候, 网桥会判断7的MAC地址在网桥的左边, 所以就不会去网桥的右边进行寻找.

计算机之间的连接方式 - 交换机（Switch）

隔绝冲突域

• 集线器 + 网桥 的功能 = 交换机

• 交换机直接连接计算机, 每个接口都记录了计算机的MAC地址 (第一次还是通过广播, 交换机学习到同一网段中所有计算机的MAC地址)

若全球所有设备都用交换机连接会发生什么?

• 1、他们必然处于同一网段，因此 IP地址可能会不够用
• 2、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。
• 3、形成ARP广播风暴，只要有一个设备发送ARP广播，全球设备都能收到

计算机之间的连接方式 - 路由器（Router）

跨网段通信, 连接不同网段的计算机

主机在发数据之前，首先会判断目标主机的IP地址跟它是否在同一个网段：

1. 在同一个网段：ARP广播、通过 交换机/集线器 传递数据
2. 不在同一个网段：通过路由器转发数据

网线直连、同轴电缆、集线器、网桥、交换机

同一个网段, 才能形成一个 广播域

• 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 (同一网段中的计算机, 使用交换机, 不能使用路由器)
• 隔绝广播域

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(路由器网关要和发送主机在同一网段)。
    • 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。

每个交换机组成的计算机通信, 相当于一个局域网。多个局域网(不同网段)之间通信使用网关, 路由器中包含了网关, 所以一般通过路由器来解决不同网段之间通信, (网关接口要和不同的局域网中的ip地址要在同一网段) 上图流程 : 比如 192.168.3.10 给 192.168.4.11 发数据, 因为此时是不同网段所以通信要使用路由器

• 同一网段通信, 3.10首先发送到交换机0, 通过ARP广播, 会广播到3.11, 但是不会通过路由器(因为路由器会根据目标ip来判断)
• 不同网段通信, 3.10发送到交换机0, 通过ARP广播, 广播到路由器的4.1网关端口, 然后该网关再发送给交换机1, 通过ARP广播来获取4.11的MAC地址; 然后进行数据的传输

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