【Linux】网络基础

前言：
  早期使用计算机的大多是进行实验的科学家，他们需要将数据从一个计算机传输到另一个计算机时，常通过软盘拷贝，这种方式非常低效。于是世界各地的实验室都开发了自己的通信方式，但随着时间的推移，只有那些经过竞争筛选出的更优秀的网络通信方式被保留下来。计算机作为人类的工具，人们需要协同工作，这决定了网络的产生是必然的。
  其中网络分为局域网和广域网，局域网：计算机的数量太多通过交换机和路由器连接在一起网络；广域网：通过多个路由器相互连接起来的网络。当然，所谓的局域网和广域网是一个相对的概念，广域网可以看作一个较大的局域网。

局域网通信原理

  首先我们要知道，不同主机之间是通过各自的网卡来进行通信的，而网卡都有自己的地址，这个地址就是Mac地址。在局域网中，每台主机使用唯一的Mac地址保证在局域网中的唯一性。数据要转发到其他主机，首先需要的是将数据转发到工作在IP层和数据链路层的路由器中，路由器再把数据发送到对方网卡中。
Mac地址具有以下特点：
   1、识别节点：Mac地址用于识别数据链路层中相连的节点，它是网络接口卡（NIC）在制造时被赋予的物理地址。
   2、长度和表示：Mac地址长度为48位，即6个字节。通常以六组两位十六进制数字表示(如：11:aa:bb:cc:dd:ee）
   3、唯一性：每个网卡的MAC地址在出厂时就被确定，并且是全球唯一的，由IEEE负责分配和管理。
   4、不可修改性：标准的Mac地址是不可修改的，以确保网络中每个设备的唯一标识。然而，某些网卡可能允许用户配置Mac地址，这种做法应谨慎使用，以避免地址冲突。
   5、虚拟机Mac地址：虚拟机中的Mac地址是由虚拟化软件生成的，可能不是唯一的，有时可能会在虚拟机之间发生冲突。
   如上，主机 A 向主机 E 发送信息的时候，数据就会在以太网上传输，但是对于这个信息以太网中的主机都可以接收到。但是各主机会对照自己网卡中的Mac地址，只有目标主机才会处理该数据，其它主机只会将这个信息给忽略。
局域网中通信的特点：
  1、在任何时刻，只会允许一台机器向网络中发送数据。若有多台同时发送，会发生数据干扰，也就是数据碰撞。对此，所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免；
  2、可以使用交换机来可以划分碰撞域，局域网越大，发生数据碰撞的概率就越高。如上图，若把A发送数据给B，交换机判定两台机子都在自己左边，就不把数据传到自己右边，降低数据碰撞概率。
  3、任何主机都可以往局域网发消息，且任何时刻只能有一台主机发消息，局域网可以看作一个大的临界资源。但访问网卡的最终是OS，即便是进程调用，也是通过系统调用访问的，访问硬件资源不存在临界资源的问题，因为只有一个人在访问，就是OS

OSI七层网络模型和网络协议

局域网（LAN）只能进行短距离的通信，长距离通信时，不同主机之间会面临以下几个问题：
  1、如何定位目标主机？
  2、如何保证数据传输的可靠性？
  3、收到数据后如何处理数据？
  协议就是为了处理以上问题而诞生的，起初各个实验室定下的的网络协议不同，需要将它们统一起来提高通信效率。在1977年国际标准化组织提出了 OSI 七层网络模型，为什么要进行分层呢？因为在网络数据传输的过程中，问题是层状的，各层都有各自需要解决的网络传输问题，而分层其实就是进行解耦，每一层都是功能比较集中，用于处理该层面临的网络传输问题，达到高内聚低耦合的效果。
  该OSI七层网络模型也可以称为 TCP/IP 四层模型，正是因为TCP和IP这两层太重要了，才以它们的名字命名。工程中我们常把567三层合为一层，这三层可以被个性化设计，提供业务性功能，而物理层我们编程时不过多关心。我们的网络编程主要就是针对应用层，必须要调用操作系统给我们提供的系统调用接口来访问底层的硬件，因为操作系统是硬件的管理者。

各层主要作用：
数据链路层： 负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网，无线 LAN 等标准。交换机 (Switch)工作在数据链路层。
网络层： 负责地址管理和路由选择。例如在 IP 协议中, 通过 IP 地址来标识一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由)。路由器 (Router)工作在网路层。
传输层： 负责两台主机之间的数据传输。如传输控制协议 (TCP),，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
应用层： 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

数据包的封装和分用

  当一个主机要向另一个主机发送信息的时候，信息会从应用层向下一直传递。由于问题是分层的，每一层都有自己要解决的问题，此时，数据在实际发送的时候都会多发一部分数据，这部分数据称为协议报头。除了报头，剩下的叫做有效载荷，即报文 = 报头 + 有效载荷。 封装完自己的有效数据后，依次向下推送，最后通过网卡传输到另一个主机中。当另一个主机接收到之后，因为同层使用的是相同的协议，所以它具有把报头和有效载荷分离的能力，即解包能力。解包后依次向上传递，到达应用层后进行数据处理。
  这样的每一层封包，然后在每一层的解包，其实很像入栈和出栈，所以就有了网络协议栈的由来。在每一层中，将数据报文分为报头和有效载荷，只有本层的数据报头才为报头，上层的报头和数据共同组成有效载荷。 不同的协议层对报文有不同的称谓，在传输层叫做数据段，在网络层叫做数据报，在数据链路层叫做数据帧。
   在接收方，在对数据解包后，还会面临一个问题：就是把数据交付给上层的哪一个协议？（因为每层中都会有很多的协议，且封装的时候也是不同的协议进行封装的），这就涉及数据的分用了，分用就是将数据拆包之后将数据向上层对应的协议递交。

跨网络通信

  前面我们用Mac地址来标识一张网卡，而IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简单来说，IP地址用于定位主机的网络地址。IP地址分为IPv4和IPv6（16字节）两种版本，其中IPv4是目前最广泛使用的，而IPv6则设计用于解决IPv4地址耗尽的问题。对于 IPv4 来说，IP 地址是一个 4 字节，32 位的整数。我们通常也使用 “点分十进制” 的字符串表示 IP 地址（例如 192.168.0.1），用点分割的每一个数字表示一个字节，范围是 0 - 255。
  当主机A需要向主机B发送数据时，如果B不在A的局域网内，数据包会先发送到连接A的路由器。在这个过程中，数据包的MAC地址会被设置为路由器的Mac地址，以便路由器接收。路由器收到数据后，根据数据包中的IP地址，通过其路由表确定最佳的传输路径。传输过程中，路由器通过不断更新数据包的Mac地址并利用IP路由，最终使其指向B的Mac地址。这样，数据就可以跨越多个网络，到达目的地B。
  在数据传输过程中，目的IP地址作为路由选择的关键，始终保持不变，而Mac地址则随着数据在不同局域网间的转发而变化，作为局域网内设备通信的依据。路由器负责解封装、处理数据包，并重新封装，确保数据包能够跨越多种底层网络技术，如以太网或令牌环网。IP网络层的作用就是创建一个统一的网络虚拟层，使得所有底层网络的差异对上层应用透明化，上层无需关心底层网络的具体实现细节或技术差异，即可进行通信和数据传输，从而构建了一个全球统一的IP网络环境。

对此网络通信的宏观流程如下：