网络技术学习

今天请仔细阅读这篇文章，让你对网络知识的基本原理有个初步的了解。这一期，我们一起来学习一下网络技术知识。

今天网络技术的基本原理我们从以下12个目录中知道:

1. 网络层次划分2. OSI七层网络模型3. IP地址4. 子网掩码及网络划分5. ARP/RARP协议6. 路由选择协议7. TCP/IP协议8. UDP协议　9. DNS协议10. NAT协议11. DHCP协议12. HTTP协议13. 一个举例

计算机网络学习的核心内容是网络协议的学习。网络协议是为计算机网络中的数据交换而建立的一组规则、标准或约定。因为不同用户的数据终端可能采用不同的字符集，需要在一定的标准上相互通信。一个非常形象的比喻就是我们的语言。我国幅员辽阔，人口众多，各地语言也非常丰富，方言之间差距巨大。A区的方言可能B区的人无法接受，所以我们要建立一个民族名称交流的语言规范，这就是我们普通话的作用。同样，环顾世界，我们与外国朋友交流的标准语言是英语，这就是为什么我们要努力学习英语。

计算机网络协议就像我们的语言一样多种多样。从1977年到1979年，ARPA推出了名为ARPANET的网络协议，受到广泛欢迎。主要原因是它引入了众所周知的TCP/IP标准网络协议。目前，TCP/IP协议已经成为互联网上的“通用语言”。下图显示了使用TCP/IP的不同计算机组之间的通信。

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1.网络层次结构

为了使不同计算机制造商生产的计算机能够相互通信，在更大范围内建立计算机网络，国际标准化组织(ISO)于1978年提出了“开放系统互连/参考模型”，这就是著名的OSI/RM模型。它将计算机网络体系结构的通信协议分为七层，自下而上依次为:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。其中，第四层完成数据传输服务，上面三层是面向用户的。

2.OSI七层网络模型

毫无疑问，TCP/IP协议是互联网的基础协议。没有它就无法上网，任何与互联网相关的操作都离不开TCP/IP协议。无论是OSI七层模型，还是TCP/IP四层五层模型，每一层都应该有自己的专属协议，完成自己相应的工作，并与上下层进行通信。因为OSI七层模型是网络的标准层次，所以我们以OSI七层模型为例，自下而上的介绍。

1)物理层

激活、维护和关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。这一层为上层协议传输数据提供了可靠的物理介质。简单来说，物理层保证原始数据可以在各种物理介质上传输。物理层记住两个重要的设备名称，中继器(也称为放大器)和集线器。

2)数据链路层。

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将数据从网络层可靠地传输到相邻节点的目标网络层。为了实现这个目标，数据链必须具备一系列相应的功能，主要包括:如何将数据组合成数据块，数据块在数据链路层称为帧，帧是数据链路层的传输单位；如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输错误，如何调整传输速率以匹配接收方；并且提供两个网络实体之间的数据链路路径的建立、维护和释放的管理。数据链路层通过不可靠的物理介质提供可靠的传输。这一层的功能包括:物理地址寻址、数据成帧、流量控制、数据错误检测和重传。

关于数据链路层的重要知识点:

1 & gt数据链路层为网络层提供可靠的数据传输；

2 & gt基本数据单元是帧；

3 & gt主要协议:以太网协议；

4 & gt两个重要的设备名称:网桥和交换机。

3)网络层

网络层的目的是实现两个端系统之间透明的数据传输，其具体功能包括寻址和路由、连接建立、维护和终止。它提供的服务使得传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。如果想用尽可能少的单词记住网络层，那就是“路由、路由和逻辑块寻址”。

网络层涉及的协议很多，其中最重要的协议，也是TCP/IP-IP协议的核心协议。IP协议非常简单，只提供不可靠和无连接的传输服务。IP协议的主要功能有:无连接数据报传输、数据报路由和差错控制。其他IP协议有ARP、RARP、ICMP和IGMP。我们将在下一部分总结具体的协议，网络层的重点是:

1 & gt网络层负责在子网之间路由数据包。此外，网络层还可以实现拥塞控制、互联网互联等功能；

2 & gt基本数据单元是IP数据报；

3 & gt主要协议包括:

IP协议(互联网协议)；

ICMP(互联网控制消息协议)；

ARP(地址解析协议)；

反向地址解析协议。

4 & gt重要设备:路由器。

4)传输层

第一个端到端，即主机到主机的层次结构。传输层负责将上层数据分段，并提供可靠或不可靠的端到端传输。此外，传输层必须处理端到端错误控制和流量控制。

传输层的任务是根据通信子网的特点，最大限度地利用网络资源，提供两端系统会话层之间建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。在这一层，信息传输的协议数据单元称为段或消息。

网络层只根据网络地址将源节点发送的数据包传输到目的节点，而传输层负责将数据可靠地传输到相应的端口。

关于网络层的要点:

1 & gt传输层负责对上层数据进行分段，提供端到端、可靠或不可靠的传输，以及端到端的差错控制和流量控制问题；

2 & gt主要协议:TCP(传输控制协议)、UDP(用户数据报协议)；

3 & gt重要设备:网关。

5)会话层

会话层管理主机间的会话进程，即负责进程间会话的建立、管理和终止。会话层还通过在数据中插入检查点来实现数据同步。

6)表示层

表示层对上层数据或信息进行转换，以确保一台主机的应用层信息能够被另一台主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据加密、压缩和格式转换。

7)应用层

为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。

会话层、表示层和应用层焦点:

1 & gt数据传输的基本单位是消息；

2 & gt主要协议:FTP(文件传输协议)、Telnet(远程登录协议)、DNS(域名解析协议)、TP(邮件传输协议)、POP3(邮局协议)、HTTP(超文本传输协议)。

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3.国际电脑互联网地址

1)网络地址

IP地址由网络号(包括子网号)和主机号组成。网络地址的主机号都是0，网络地址代表整个网络。

2)广播地址

广播地址通常称为直接广播地址，以区别受限广播地址。

广播地址的主机号正好与网络地址的相反。在广播地址中，主机号全是1。当消息发送到网络的广播地址时，网络中的所有主机都可以接收到该广播消息。

3)组播地址

d类地址是组播地址。

我们先回忆一下A、B、C、D的地址:

A类地址以0开头，第一个字节是网络号。地址范围为:0 . 0 . 0 ~ 127 . 255 . 255 . 255；(修改@2016.05.31)

B类地址以10开头，前两个字节为网络号，地址范围为:128 . 0 . 0 . 0 ~ 191 . 255 . 255 . 255；

C类地址以110开头，前三个字节是网络号，地址范围为:192.0.0.0~223.255.255.255。

D类地址以1110开头，地址范围为224.0.0 ~ 239.255.255.255，D类地址作为组播地址(一对多通信)；

E类地址以1111开头，范围从240.0.0.0到255.255.255.255。E类地址保留供将来使用。

注意:只有A、B、C有网络号和主机号，D类地址和E类地址没有划分网络号和主机号。

4)255.255.255.255

此IP地址指的是受限广播地址。限制广播地址与一般广播地址(直播地址)的区别在于，限制广播地址只能在本地网络中使用，路由器不会转发以限制广播地址为目的地址的数据包；通用广播地址可以在本地广播，也可以跨网段广播。比如主机192.168.1.1/30上的直播包之后，另一个网段192.168.1.5/30也可以接收到该数据报；如果发送受限制的广播数据报，它将无法被接收。

注意:一般广播地址(直播地址)可以通过部分路由器(当然不是所有路由器)，受限广播地址不能通过路由器。

5)0.0.0.0

它通常用于查找自己的IP地址。比如在我们的RARP、BOOTP、DHCP协议中，一台IP地址未知的无盘机，如果想知道自己的IP地址，就会以255.255.255.255为目的地址，向本地范围内(具体来说就是被各种路由器屏蔽的范围内)的服务器发送一个IP请求包。

6)环回地址

127.0.0.0/8作为环回地址，表示本机的地址，常用于测试本机，以127.0.0.1最常用。

7)A、B和C类私有地址

私有地址也称为私有地址。它们不是在世界范围内使用的，而是具有本地意义的。

A类私有地址:10.0.0.0/8，范围从10.0.0.0到10.255.255。

B类私有地址:172.16.0.0/12，范围从172.16.0.0到172.31.255.255。

C类私有地址:192.168.0.0/16，范围从192.168.0.0到192.168.255.255。

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4.子网掩码和网络划分

随着互联网应用的不断扩大，原有IPv4的弊端逐渐暴露出来，即网络号占用的地方太多，主机号太少，所以它能提供的主机地址越来越稀缺。目前，除了使用NAT来分配企业内部的预留地址之外，一个高等级的IP地址通常会被细分为多个子网，供不同规模的用户使用。

这里的主要目的是在网络分段的情况下有效地使用IP地址。通过将主机号的高位部分作为子网号，从通常的网络位边界扩展或压缩子网掩码，来创建更多的某类地址的子网。但是，当创建更多子网时，每个子网上的可用主机地址数量将会比以前少。

什么是子网掩码？

子网掩码表示两个IP地址是否属于同一个子网，它也是一个32位二进制地址。它们每个都是1，表示该位是网络位，0表示主机位。和IP地址一样，它也用点分十进制表示。如果两个IP地址在子网掩码的按位AND计算下得到相同的结果，说明它们都属于同一个子网。

在计算子网掩码时，要注意IP地址中的保留地址，即“0”地址和广播地址。它们是指主机地址或网络地址都是“0”或“1”时的IP地址，代表本地网络地址和广播地址，一般不能统计。

子网掩码的计算:

对于一个不需要划分子网的IP地址，它的子网掩码很简单，就是根据它的定义，可以写成:如果一个B类IP地址是10.12.3.0，它不需要划分子网，那么这个IP地址的子网掩码就是255.255.0.0。如果是C类地址，则其子网掩码为255.255.255.0。其他类比就不赘述了。下面我们要介绍的是一个IP地址，它的主机高位需要作为划分的子网网络号，剩下的就是每个子网的主机号。此时如何计算每个子网的掩码？

下面总结一下关于子网掩码和网络划分的常见面试问题:

1)使用子网数量进行计算。

在找到子网掩码之前，有必要找出要划分的子网数量以及每个子网需要的主机数量。

(1)将子网数量转换成二进制表示；

如果要把B类IP地址168.195.0.0分成27个子网:27 = 11011；

(2)获得二进制的位数，其为n；

二进制是五位数，N = 5。

(3)获取IP地址的子网掩码，将主机地址部分的前n位设置为1，得到将IP地址划分成子网的子网掩码。

将B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址的前五位设置为1，得到255.255.248.0。

2)使用主机数量进行计算

如果您想将B类IP地址168.195.0.0划分为几个子网，每个子网有700台主机:

(1)将主机数量转换成二进制来表示；

700=1010111100;

(2)如果主机数小于等于254(注意去掉保留的两个IP地址)，得到主机的二进制数，为n，其中n : 8，表示主机地址会占用8位以上；

二进制是十位数，n = 10

(3)用255.255.255.255把这个IP地址的主机地址位全部设置为1，然后把n位从后往前全部设置为0，就是子网掩码值。

将此B类地址的子网掩码255.255.0.0的所有主机地址设置为1得到255.255.255.255，然后将后10位从后往前设置为0，即:1111111111.11100.0000000，即255。这是要划分为700台主机的B类IP地址168.195.0.0的子网掩码。

3)还有一个问题，要求你根据每个网络的主机数量，规划子网地址，计算子网掩码。这个也可以按照上面的原理来计算。

例如，一个子网有10台主机，因此该子网所需的IP地址为:

10+1+1+1=13

注意:添加的第一个1是指该网络连接所需的网关地址，后面两个1分别是指网络地址和广播地址。

因为13小于16(16等于2的4次方)，所以主机位是4位。256-16 = 240，因此子网掩码为255.255.255.240。

如果一个子网有14台主机，很多人经常会犯这样的错误，他们仍然分配了16个地址的子网空，而忘记给网关分配地址。这是错误的，因为14+1+1+1 = 17，而17大于16，所以我们只能分配32个地址的子网(32等于2的5次方)空。子网掩码是:255.255.255.224。

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5.ARP/RARP协议

地址解析协议，即ARP(Address Resolution Protocol)，是一种根据IP地址获取物理地址的TCP/IP协议。主机发送信息时，向网络上的所有主机广播包含目标IP地址的ARP请求，并接收返回消息，确定目标的物理地址；收到返回消息后，将IP地址和物理地址存储在本地ARP缓存中并保持一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存，节省资源。地址解析协议基于网络中主机的相互信任。网络上的主机可以独立发送ARP回复报文，其他主机会将回复报文记录在自己的ARP缓存中，不检测真伪。因此，攻击者可以向主机发送伪ARP回复消息，使其发送的信息无法到达预期的主机或错误的主机，这就构成了ARP欺骗。ARP命令可以用来查询本机ARP缓存中IP地址和MAC地址的对应关系，以及添加或删除静态对应关系。

ARP工作流示例:

主机A的IP地址是192.168.1.1，MAC地址是0A-11-22-33-44-01。

主机B的IP地址是192.168.1.2，MAC地址是0A-11-22-33-44-02。

当主机A要与主机B通信时，地址解析协议可以将主机B的IP地址(192.168.1.2)解析为主机B的MAC地址，工作流程如下:

(1)根据主机A上路由表的内容，IP确定访问主机B的转发IP地址为192.168.1.2。然后，主机A在其本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。

(2)如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它会询问硬件地址192.168.1.2，从而将ARP请求帧广播到本地网络中的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址包含在ARP请求中。本地网络中的每台主机都会收到ARP请求，并检查它是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。

(3)主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，然后将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。

(4)主机B直接将包含其MAC地址的ARP回复消息发送回主机A..

(5)当主机A收到主机B发送的ARP回复消息时，它将使用主机B的IP和MAC地址映射来更新ARP缓存..本机缓存具有生存期。有生之年结束后，将再次重复上述过程。一旦确定了主机B的MAC地址，主机A就可以向主机B发送IP通信..

反向地址解析协议(即RARP)的功能与ARP协议相反。它将局域网中主机的物理地址转换为IP地址。比如局域网中的一台主机，只知道物理地址，不知道IP地址，可以通过RARP协议发出对自己IP地址的广播请求，然后由RARP服务器负责应答。

RARP协议工作流程:

(1)向主机发送本地RARP广播，在该广播中，您声明自己的MAC地址，并请求任何接收到此请求的RARP服务器分配IP地址；

(2)本地网段上的RARP服务器收到该请求后，检查其RARP列表，查找MAC地址对应的IP地址；

(3)如果存在，RARP服务器向源主机发送响应包，并将IP地址提供给对方主机使用；

(4)如果不存在，RARP服务器不会响应；

(5)当源主机接收到来自RARP服务器的响应信息时，使用获得的IP地址进行通信；如果没有收到RARP服务器的响应信息，说明初始化失败。

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6.路由协议

常见的路由协议有RIP协议和OSPF协议。

RIP协议:底层是伯曼福特算法。路由的度量是跳数，最大跳数是15跳。如果它大于15跳，它将丢弃该数据包。

OSPF协议:开放最短路径优先考虑最短路径，Dijkstra算法是底层，是一种链路状态路由协议。路由选择的度量是带宽和延迟。

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7.TCP/IP协议

TCP/IP协议是互联网最基本的协议，是互联网的基础，它由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。一般来说，TCP负责发现传输问题，一有问题就发出信号，请求重传，直到所有数据都安全正确地传输到目的地。IP是为互联网上的每个联网设备指定一个地址。

IP层接收下层(网络接口层如以太网设备驱动)发来的数据包，并将数据包发送到更高层——TCP或UDP层；相反，IP层也将从TCP或UDP层接收的分组传输到较低层。IP数据包是不可靠的，因为IP不做任何事情来确认数据包是否按顺序发送。IP数据包包含发送它的主机的地址(源地址)和接收它的主机的地址(目的地址)。

TCP是面向连接的通信协议。当通过三次握手建立连接时，应该在通信完成时移除连接。因为TCP是面向连接的，所以只能用于端到端的通信。TCP提供可靠的数据流服务，采用“肯定应答加重传”的技术实现传输的可靠性。TCP还使用一种叫做“滑动窗口”的方式来控制流量。所谓窗口，其实代表的是接收能力，用来限制发送方的发送速度。

注:SEQ:“顺序性”序号；Ack:“确认”确认号；SYN:“synchronize”请求同步标志；；ACK:“确认“确认标志”；芬:“终于”结束标志。

TCP连接建立过程:首先客户端发送连接请求消息，服务器端接受连接后回复ACK消息，并为这个连接分配资源。客户端收到ACK消息后，也向服务器段发送ACK消息并分配资源，从而建立TCP连接。

TCP断开流程:假设客户端发起断开请求，即发送FIN消息。服务器收到FIN消息后，表示“我在客户端没有数据发送给你”，但如果你还有数据要发送，你也不用急着关闭Socket，可以继续发送数据。所以你先发一个ACK，“告诉客户端我收到了你的请求，但是我还没准备好。请继续等我的消息”。此时客户端会进入FIN_WAIT状态，继续等待来自服务器的FIN消息。当服务端确定数据已经发出，就向客户端发送FIN消息，“告诉客户端，嗯，我的数据已经发出去了，我准备关闭连接”。客户端收到FIN消息后“知道可以关闭连接，但还是不相信网络，怕服务器端不知道关闭，所以发送ACK后进入TIME_WAIT状态，如果服务器端没有收到ACK可以重新发送。”服务器端收到ACK后“知道可以断开连接了”。等待2MSL后，客户端仍然没有收到回复，证明服务器已经正常关闭。我的客户也可以关闭连接。好了，TCP连接是这样关闭的！

你为什么挥了三次手？

在只有两次“握手”的情况下，假设客户端想与服务器建立连接，但是因为连接请求的数据报丢失，客户端不得不重新发送；此时，服务器只接收到一个连接请求，因此可以正常建立连接。但有时客户端重发请求并不是因为数据报丢失，而是因为网络并发量大，数据传输过程在某个节点受阻。在这种情况下，服务器将连续接收两个请求，并继续等待两个客户端请求向他发送数据…问题来了，Cient实际上只有一个请求，但是服务器有两个响应。极端情况下，客户端可能会多次重发请求数据，导致服务器最终建立n次以上的响应等待，从而造成资源的极大浪费！所以，“三次握手”是必须的！

你为什么挥了四次手？

想象一下，如果你现在是一个客户端，你想断开和服务器的所有连接，你该怎么做？第一步是停止向服务器发送数据，等待服务器的回复。但是事情还没有结束。虽然你自己不发送数据给服务器，但是因为你之前已经建立了平等的连接，他这个时候也有主动权发送数据给你。所以服务器端不得不主动停止向你发送数据，等待你的确认。其实说白了就是保证双方一个合同的完全履行！

使用TCP的协议:FTP(文件传输协议)、Telnet(远程登录协议)、TP(简单邮件传输协议)、POP3(与TP相反，用于接收邮件)、HTTP协议等。

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8.UDP协议

UDP用户数据报协议是一种无连接的通信协议。UDP数据包括目的端口号和源端口号信息。因为通信不需要连接，所以可以广播。UDP通信不需要接收方的确认，这是一种不可靠的传输，可能会出现丢包。在实际应用中，需要程序员进行编程和验证。

UDP和TCP在同一层，但是它不关心包的顺序，错误或者重传。因此，UDP不适用于使用虚电路的面向连接的服务。UDP主要用于面向查询-响应的服务，如NFS。与FTP或Telnet相比，这些服务需要交换的信息更少。

每个UDP消息分为两部分:UDP头和UDP数据区。报头由4个16位长(2字节)的字段组成，分别描述报文的源端口、目的端口、报文长度和校验值。UDP报头由四个域组成，每个域占用2个字节，如下所示:

(1)源端口号；

(2)目的端口号；

(3)数据报的长度；

(4)检查值。

使用的UDP协议包括TFTP(简单文件传输协议)、SNMP(简单网络管理协议)、DNS(域名解析协议)、NFS和BOOTP。

TCP和UDP的区别:TCP是面向连接的可靠的字节流服务；UDP是一种无连接且不可靠的数据报服务。

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9.DNS协议

DNS是DomainNameSystem的缩写，用于命名组织成域层次结构的计算机和网络服务。可以简单理解为把URL转换成IP地址。域名由一串用点分隔的单词或缩写组成，每个域名对应一个唯一的IP地址。互联网上域名和IP地址是一一对应的，DNS是域名解析的服务器。DNS命名用于TCP/IP网络(如Internet)中，通过用户友好的名称来查找计算机和服务。

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10.NAT协议

NAT网络地址转换属于访问广域网(WAN)的技术，是一种将私有(保留)地址转换为合法IP地址的转换技术。它广泛应用于各种类型的互联网接入方式和各种类型的网络中。原因很简单。NAT不仅完美解决了lP地址不足的问题，还能有效避免来自网络外部的攻击，隐藏和保护网络内部的计算机。

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11.DHCP协议

DHCP动态主机配置协议是一种LAN网络协议，它与UDP协议一起工作，有两个主要目的:自动将IP地址分配给内部网络或网络服务提供商，以及分配给用户或内部网络管理员，作为集中管理所有计算机的一种手段。

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12.HTTP协议

超文本传输协议(HTTP)是互联网上使用最广泛的网络协议。所有WWW文档都必须符合该标准。

HTTP协议包括哪些请求？

GET:请求读取URL标记的信息。

POST:向服务器添加信息(比如评论)。

PUT:在给定的URL下存储一个文档。

删除:删除由给定URL标记的资源。

HTTP中POST和GET的区别

1)Get是从服务器获取数据，Post是向服务器传输数据。

2)Get是将参数数据队列添加到提交表单的Action属性所指向的URL中，值与表单中的每个字段一一对应，在URL中可以看到。

3)3)Get传输的数据量较小，不能大于2KB；Post传输大量数据，一般默认为无限制。

4)根据HTTP规范，GET用于信息获取，应该是安全的，幂等的。

一、所谓安全，就是用操作来获取信息，而不是修改信息。换句话说，GET请求一般不会有副作用。也就是说，它只是获取资源信息，就像数据库查询一样，不会修改或添加数据，也不会影响资源的状态。

二。幂等意味着对同一个URL的多个请求应该返回相同的结果。

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13.一个例子

在浏览器中输入www.baidu.com后执行的所有过程。

现在假设我们在客户端(client)浏览器中输入http://www.baidu.com，Baidu.com是要访问的服务器(server)，我们将详细分析客户端为了访问服务器而执行的一系列协议操作:

1)客户端浏览器通过DNS解析到www.baidu.com的IP地址220.181.27.48，并通过该IP地址找到客户端到服务器的路径。客户端浏览器向220.161.27.48发起HTTP会话，然后通过TCP封装数据包，输入到网络层。

2)在客户端的传输层，将HTTP会话请求分成消息段，并添加源端口和目的端口。比如服务器使用80端口监听客户端的请求，客户端会随机选择5000之类的端口与服务器交换，服务器会将相应的请求返回给客户端的5000端口。然后使用IP层的IP地址找到目的地。

3)客户端的网络层与应用层或传输层没有任何关系。它主要做的是通过查找路由表，找出如何到达服务器，可能会经过多台路由器。这些工作都是路由器完成的，不做过多描述，无非就是找路由表决定哪条路径到达服务器。

4)在客户端的链路层，通过链路层将数据包发送到路由器，通过邻居协议查找给定IP地址的MAC地址，然后发送ARP请求查找目的地址。如果收到响应，可以使用ARP请求传输交换的IP包，然后将IP包发送到服务器的地址。