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大家好,我是晓星航。今天为大家带来的是 网络原理之TCP_IP 相关的讲解!😀
1.网络基础
1.1认识IP地址
概念
IP地址(Internet Protocol Address)是指互联网协议地址,又译为网际协议地址。
作用
IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式,它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址,以此来屏蔽物理地址的差异。
格式
IP地址是一个32位的二进制数,通常被分割为4个“8位二进制数”(也就是4个字节),如: 01100100.00000100.00000101.00000110。
通常用“点分十进制”的方式来表示,即 a.b.c.d 的形式(a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数)。如: 100.4.5.6。
IP协议有两个版本,IPv4和IPv6。我们整个的课程,凡是提到IP协议,没有特殊说明的,默认都是 指IPv4。
IPv4数量=2^32,大约43亿左右,而TCP/IP协议规定,每个主机都需要有一个IP地址。对于全世界 计算机来说,这个数量是不够的,所以后来推出了IPv6(长度128位,是IPv4的4倍)。但因为目 前IPv4还广泛的使用,且可以使用其他技术来解决IP地址不足的问题,所以IPv6也就没有普及。
组成
IP地址分为两个部分,网络号和主机号
- 网络号:标识网段,保证相互连接的两个网段具有不同的标识;
- 主机号:标识主机,同一网段内,主机之间具有相同的网络号,但是必须有不同的主机号;
通过合理设置网络号和主机号,就可以保证在相互连接的网络中,每台主机的IP地址都是唯一的。
那么,如何划分网络号和主机号呢?
分类
过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案,把所有IP 地址分为五类,如下图所示(该图出自 [TCPIP])。
各类地址的表示范围是:
备注:主机最大连接数减去2,是扣除主机号为全0和全1的特殊IP地址。
特殊的IP地址
- 将IP地址中的主机地址全部设为0,就成为了网络号,代表这个局域网;
- 将IP地址中的主机地址全部设为1,就成为了广播地址,用于给同一个链路中相互连接的所有 主机发送数据包;
- 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1
- 本机环回主要用于本机到本机的网络通信(系统内部为了性能,不会走网络的方式传输), 对于开发网络通信的程序(即网络编程)而言,常见的开发方式都是本机到本机的网络通 信。
在上述的分类中,存在IP地址浪费的问题:
(1)单位一般会申请B类网络(C类连接主机数量有限),但实际网络架设时,连接的主机数量又常远 小于65534(B类连接主机数),造成IP地址浪费;同理,A类网络的IP地址也会造成大量的浪费。
(2)当一个单位申请了一个网络号。他想将该网络能表示的IP地址再分给它下属的几个小单位时,如果 在申请新的网络就会造成浪费。
为了解决以上问题,引入子网掩码来进行子网划分:
1.2子网掩码
格式
子网掩码格式和IP地址一样,也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位,用二进制数字“1”表示,1 的数目等于网络位的长度;右边是主机位,用二进制数字“0”表示,0的数目等于主机位的长度。
子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示,如以上子网掩码也可以表示为24。
作用
(1)划分A,B,C三类 IP 地址子网:
如一个B类IP地址:191.100.0.0,按A ~ E类分类来说,网络号二进制数为16位网络号+16位主机号。
假设使用子网掩码 255.255.128.0(即17) 来划分子网,意味着划分子网后,高17位都是网络位/网络号,也就是将原来16位主机号,划分为1位子网号+15位主机号。
此时,IP地址组成为:网络号+子网号+主机号,网络号和子网号统一为网络标识(划分子网后的网络号/ 网段)
(2)网络通信时,子网掩码结合IP地址,可以计算获得网络号(划分子网后的网络号)及主机号(划分 子网后的主机号)。一般用于判断目的IP与本IP是否为同一个网段。
对于网络通信来说,发送数据报时,目的主机与发送端主机是否在同一个网段,流程是不一样的。
对于网络通信来说,发送数据报时,目的主机与发送端主机是否在同一个网段,流程是不一样的。
计算方式
将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作(二进制相同位,与操作,两个都是1结果为1,否则为0),得 到的结果就是网络号。
将子网掩码二进制按位取反,再与 IP 地址位与计算,得到的就是主机号。
示例:
1.3认识MAC地址
MAC地址,即 Media Access Control Address,用于标识网络设备的硬件物理地址。
- 主机具有一个或多个网卡,路由器具有两个或两个以上网卡;其中每个网卡都有唯一的一个MAC地 址。
- 网络通信,即网络数据传输,本质上是网络硬件设备,将数据发送到网卡上,或从网卡接收数据。
- 硬件层面,只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。
- MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
- 长度为48位,及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
- 在网卡出厂时就确定了,不能修改。虚拟机中的MAC地址不是真实的MAC地址,可能会冲 突;也有些网卡支持用户配置MAC地址。
特殊的MAC地址
广播数据报:发送一个广播数据报,表示对同网段所有主机发送数据报。广播数据报的MAC地址为: FF:FF:FF:FF:FF:FF
1.4一跳一跳的网络数据传输
对于以上经过的网络设备:
主机:配有IP地址,但是不进行路由控制的设备;
路由器:即配有IP地址,又能进行路由控制;
节点:主机和路由器的统称;
集线器和二层交换机不会对数据报封装和分用,不算在下一跳设备。
对于网络数据传输,不是想象中那样,数据直接从源主机到达目的主机,而是类似在地图中,从A到B的 过程:
唐僧去西天取经,行程为长安、五指山、黑风山、女儿国……大雷音寺。
IP地址描述的是路途总体的起点和终点:
- 源IP就是整个行程的起点:长安;
- 目的IP对应为整个行程的终点:大雷音寺
而行进也必须一个地点一个地点的前进,由MAC地址来描述路途上每一个区间的起点和终点:
- 从长安到五指山,为一跳的区间,源MAC为长安,目的MAC为五指山;
- 从五指山到黑风山,为下一跳的区间,源MAC为五指山,目的MAC为黑风山。
1.5总结IP地址和MAC地址
- IP地址描述的是路途总体的起点和终点;是给人使用的网络逻辑地址。
- MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点,即每一跳的起点和终点;是给网络硬件设备 使用的网络物理地址。
1.6网络设备及相关技术
1.6.1集线器:转发所有端口
集线器是工作在物理层的网络设备,发送到集线器的任何数据,都只是简单的将数据复制并转发到其他所有端口。(端口指集线器后边的物理端口)
1.6.2交换机:MAC地址转换表+转发对应端口
交换机工作在数据链路层,交换机内部会记录并维护一张MAC地址转换表:
- MAC地址转换表主要记录MAC地址与端口之间的映射。(端口指交换机后边的物理端口)
- 主机连接到交换机,及主机发送数据的时候,交换机可以学习并记录该主机MAC地址与端口信息。
- 交换机接收到数据报以后,在MAC地址转换表中,通过目的MAC查找到对应的端口,则目的主机 为该端口相连接的主机。只需要将数据报转发到对应端口上即可。
- 以上是使用MAC地址转换表,通过目的MAC能找到对应端口的情况;如果找不到,交换机设置数 据报目的MAC为广播地址FF:FF:FF:FF:FF:FF,发送到其他所有端口,目的主机返回响应后,交换机 再记录该主机MAC与端口的映射信息。
1.6.3主机:网络分层从上到下封装
发送数据报时,发送端主机都需要先根据网络分层从上到下封装:
由“一跳一跳的网络数据传输”可知,以上:
- 源IP与目的IP标识整个路途的起点和终点;
- 源MAC与目的MAC标识了每一跳的起点和终点;
此时,需要根据发送端主机(源主机)与接收端主机(目的主机)是否在同一网段,来设置下一跳设 备:
- 源主机和目的主机在同一个网段时,下一跳设备就是目的主机;
- 发送端主机和接收端主机在不同网段时,发送端主机是无法知道目的主机在哪,此时会设置下一跳 设备为网关设备;
所谓网关,我们这里可以简单理解为,不同网段的网络互连时,需要使用网关设备。
通常的网关设备是路由器,可以划分公网和局域网(内网),同时还可以把局域网划分为多 个子网(不同网段)
Windows中,可以在网络设置中,更改适配器设置查看网关IP:
以上两种情况,下一跳设备IP地址都可以获取到,但该设备的MAC地址(即目的MAC)可能不知道,就 需要使用以下ARP寻址:
1.6.4主机&路由器:ARP缓存表+ARP寻址
首先,ARP是一个介于数据链路层和网络层之间的协议;ARP协议建立了IP地址与MAC地址的映射关系。
在数据链路层,寻找下一跳设备MAC地址的过程,称为ARP寻址:
(1)主机和路由器中都保存了一张ARP缓存表:通过IP地址可以找到对应的MAC地址。
(2)根据下一跳设备的IP地址,在ARP缓存表中能找到对应的MAC地址,则可以设置目的MAC并发送 数据报。
(3)如果找不到,则发送ARP广播数据报:目的MAC为广播地址,询问下一跳设备的MAC地址。
这个过程类似于QQ群喊话:张三(下一跳设备IP地址),我要给你发快递(发送数据报),请告诉我 你的收货地址(MAC地址)。
参见以下流程:
1.6.5路由器:路由+NAPT
路由器主要有两个作用:
(1)网关
路由器作为网关,可以划分公网和局域网,某些路由器还可以将局域网划分为多个子网(不同网段)
公网端口即WAN口,为单独的网卡,具有公网IP地址和公网MAC地址。
划分的多个子网,是由局域网端口即LAN口划分,每个端口都有单独的网卡,具有该网段IP地址和 MAC地址。
了解:家庭用的路由器不能划分局域网子网,企业级专业路由器才能划分。
路由器作为网关:
- 划分局域网多个子网时,可以直接通过ARP寻址找到局域网任意主机。(这里的局域网就是路由器 下的多个子网组成的局域网)。
- 划分公网和局域网时,局域网内主机发送数据报到公网主机时,需要基于NAPT协议,将局域网主 机的IP地址和端口号,转换为路由器公网IP和端口号(指路由器中运行的程序的端口)。
局域网IP+端口需要转换为公网IP+端口,原因是接收端返回的响应数据报,目的IP和目的端 口无法使用局域网IP和端口。
(2)路由
所谓路由,即在复杂的网络结构中,找出一条通往终点的路线;
网络通信(网络数据传输),路由器中的路由功能,就类似于规划路线,往哪个方向行进能更快到达目的地。
以下为北京教堂部分地图,可以看到,从新街口到中国美术馆附近,路线2比路线1更近;路由就是规划类似行进路线:
1.7冲突域
主机之间通过网络设备(集线器、交换机)的物理端口、网线相连时,两个主机在同一时刻同时发送数 据报,如果存在冲突,则该网络范围为一个冲突域(Collision Domain)。
冲突域是基于第一层物理层,又称为碰撞域。
所谓的冲突,类似两个人(主机)在一个房间(网络范围)同时说话,导致房间内其他人无法听清 讲话的内容,即产生了冲突。
冲突域中的网络通信,要解决冲突,就得按时间顺序来发送多个数据报:同一时刻,网络设备只能 接收并转发一个数据报,多余的会丢弃,让发送端主机重新发送。
- 集线器接收到数据报后,是将数据报简单的复制、转发到其他所有端口,如果有两个数据报要同时 转发,就会出现冲突。整个集线器,即集线器的所有端口为一个冲突域。
- 交换机接收到数据报后,是将数据报转发到对应的一个端口:两个数据报同时转发到不同端口不存 在冲突,但同时转发到一个端口就出现冲突。即交换机可以分割冲突域,分割后,一个端口为一个冲突域。
1.8广播域
广播是指某个网络中的主机同时向网络中其它所有主机发送数据(IP、MAC地址设置为广播地址),这 个数据所能传播到的范围即为广播域(Broadcast Domain)。
广播域基于第二层数据链路层。
- 集线器接收到广播数据报,仍是简单的复制、转发到其他所有端口,所以集线器的所有端口为一个 广播域。
- 交换机接收到广播数据报,会转发到其他所有端口;而路由器可以隔离广播域
路由器某个LAN口网卡接收到广播数据报,如果发现是同网段,则丢弃,即广播数据不会扩 散到路由器以外。
2.网络数据传输流程
2.1局域网传输流程:集线器
使用集线器网络互联的情况下,发送端主机发送数据包时,需要先从上到下封装数据报。但封装时,目 的MAC可能并不知道,需要先进行ARP寻址:
(1)发送端在本机ARP缓存表中,根据目的IP查找对应的MAC地址
(2)如果找到,则可以在数据链路层以太网帧头中,设置目的MAC并发送数据包
(3)如果没有找到,需要先发送ARP广播请求,让接收端,即目的主机告诉自己,目的MAC是多少
(4)发送端更新本机ARP缓存表:保存目的IP与目的MAC的映射
(5)有了目的MAC,就可以按照第(2)个步骤发送数据了。
以下为本机ARP缓存表能找到目的MAC的流程:
涉及的知识:封装,集线器转发, ARP寻址
如果本机ARP缓存表中找不到目的MAC,则需要先发送广播请求:
涉及的知识:ARP寻址,ARP广播
2.2局域网传输流程:交换机
涉及的知识:交换机MAC地址转换表
2.3局域网传输流程:交换机+路由器
涉及的知识:子网掩码,网关
2.4广域网数据传输流程
涉及的知识:DNS,NAPT,路由
2.5作业
请说明浏览器中输入www.baidu.com后,发生的事情,越详细越好。
这是一个经典的面试题,没有固定答案。
参考: 将以上广域网数据传输流程说明,并在后续Web课程学习后,补充说明Web服务器内部的工作流程。
3.应用层重点协议
我们主要学习TCP/IP四层模型中的重点网络协议
3.1DNS
DNS,即Domain Name System,域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统。
TCP/IP中使用IP地址来确定网络上的一台主机,但是IP地址不方便记忆,且不能表达地址组织信息,于是人们发明了域名,并通过域名系统来映射域名和IP地址。
域名是一个字符串,如
www.baidu.com
,
hr.nowcoder.com
域名系统为一个树形结构的系统,包含多个根节点。其中:
- 根节点即为根域名服务器,最早 IPv4的根域名服务器全球只有13台,IPv6在此基础上扩充了数量。
- 子节点主要由各级DNS服务器,或DNS缓存构成。 1. DNS域名服务器,即提供域名转换为 IP地址的服务器。2. 浏览器、主机系统、路由器中都保存有DNS缓存。3. Windows系统的DNS缓存在
C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts
文件中, Mac/Linux系统的DNS缓存在/etc/hosts
文件中。
网络通信发送数据时,如果使用目的主机的域名,需要先通过域名解析查找到对应的IP地址:
- 域名解析的过程,可以简单的理解为:发送端主机作为域名系统树形结构的一个子节点,通过域名信息,从下到上查找对应IP地址的过程。如果到根节点(根域名服务器)还找不到,即找不到该主机。
- 域名解析使用DNS协议来传输数据。DNS协议是应用层协议,基于传输层UDP或TCP协议来实现。
当前要求网站的域名不能重复。(保证唯一性)全世界这么多网站,如何保证唯一呢???
有 一级域名的 DNS 服务器,还有 二级域名,三级域名…
3.2NAT
3.2.1技术背景
之前我们讨论了,IPv4协议中,IP地址数量不充足的问题
NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段,是路由器的一个重要功能;
- NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术 方法:
- 很多学校,家庭,公司内部采用每个终端设置私有IP,而在路由器或必要的服务器上设置全 局IP;
- 全局IP要求唯一,但是私有IP不需要;在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的;
3.2.2NAT IP转换过程
- NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37;
- NAT路由器收到外部的数据时,又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10;
- 在NAT路由器内部,有一张自动生成的,用于地址转换的表;
- 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系;
3.3NATP
那么问题来了,如果局域网内,有多个主机都访问同一个外网服务器,那么对于服务器返回的数据中, 目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机?
这时候NAPT来解决这个问题了。使用IP+port来建立这个关联关系
这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下,建立连接时,就会生成这个表项; 在断开连接后,就会删除这个表项
3.3.1NAT技术的缺陷
由于NAT依赖这个转换表,所以有诸多限制:
- 无法从NAT外部向内部服务器建立连接;
- 转换表的生成和销毁都需要额外开销;
- 通信过程中一旦NAT设备异常,即使存在热备,所有的TCP连接也都会断开;
3.4HTTP/HTTPS
HTTP及HTTPS是应用层重点协议,我们会在Web开发中学习。
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