[网络协议]网络知识点集合

1、网络划分

（1）局域网

局域网，某个小范围组建的网络，内部可以传输数据；
典型代表：家用路由器；

（2）广域网

广域网：多个局域网构建的大型网络；
公认的广域网，一般是通过网络运营商提供的网络服务来进行网站访问的；

能否访问到对应主机，使用Ping命令来检验；

能够Ping通，说明能够访问！

2、网络通信

（1）IP地址

1. 概念：IP地址是指互联网协议地址，又译为网际协议地址；
2. 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），常用 点分十进制表示，即 a.b.c.d格式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）；

3. 作用：用于标识网络中唯一的一台主机；

4. 组成：网络号 + 主机号

• 网络号：用来标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
• 主机号：用来标识主机，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？

IP地址分类：A~E 五类

从上到下表示，A类，B类，C类，D类，E类，如下图所示：

各类地址的表示范围：

注意：

• 局域网IP是内部才可以使用（内部唯一），不同的局域网IP可能重复；
• 广域网IP是全局唯一；
• 本机IP：127.0.0.1

特殊IP：

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；

上述分类中，存在IP地址浪费的问题，因此，为了避免浪费，引入了 子网掩码；

子网掩码：与IP地址格式相同，也是32位二进制数；其中，左边为网络位，用二进制数字“1”表示，1的数目等于网络位的长度；右边为主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度；

作用：

• 划分A，B，C三类IP地址子网；
• 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；下面为计算方式：

计算方式：

• 将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作，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；

（2） MAC地址

1. 作用：用来标识网络设备的硬件物理地址；
2. 网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备来传输数据，硬件要发送数据到另一个硬件上，只认识硬件的物理地址（MAC地址）；
3. 主机有一个或多个网卡（多数情况只使用一个网卡）；
   （如使用WiFi就是使用无线网卡来接收发送数据；使用网线，就是用有线网卡来接收发送数据）；
4. 一个网卡具有全球唯一的MAC地址（出厂时设置好）

IP地址 VS MAC地址

IP地址：标识整个路途的起点与终点，供用户使用的逻辑地址；
MAC地址：标识每一跳的起点与终点，供网络硬件设备使用的物理地址；

网络数据传输是一跳一跳的传输过程，如下简单所示：

对于从B到F，源MAC就是主机B的MAC，目的MAC就是路由器F的MAC；

特殊的MAC地址

• 广播数据报的MAC地址为： FF:FF:FF:FF:FF:FF

（3）端口号

1. 作用：用于标识主机中的进程；
2. 格式：端口号是0~65535范围的数字，在网络通信中，进程可以通过绑定一个端口号，来发送和接收网络数据；

（4）网络协议

网络协议：网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则；（如怎么样建立连接、怎么样互相识别等），只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。
通常由三要素组成：
（1）语法：数据与控制信息的结构或格式（如规定公共场所使用普通话）；
（2）语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；
（3）时序：事件实现顺序的详细说明，先干什么，再干什么…

协议最终体现为在网络上传输的数据包的格式！

知名协议的默认端口：

系统端口号范围为 0 ~ 65535，其中：0 ~ 1023 为知名端口号；

• 80端口：http 协议
• 443端口：https 协议
• 22端口：ssh 协议

（5）五元组

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信；

五元组包括：

1. 源IP：标识源主机；
2. 源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程；
3. 目的IP：标识目的主机；
4. 目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程；
5. 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式；

类似于发快递：

查看五元组信息：

• windows： netstat -ano | findstr 过滤字符串
• linux：netstat -anp | grep 过滤字符串

3、网络分层两种方式

网络分层的好处：便于扩展和维护

两种划分方式：

方式1: OSI七层模型

从低到高分别有（从下到上）：

1. 物理层：网络/WiFi传输 0，1 数据
2. 数据链路层：识别数据帧
3. 网络层：地址与路由选择
4. 传输层：确保数据传输的可靠性
5. 会话层：建立会话
6. 表示层：接收端的展示方式
7. 应用层：应用程序所处的分层

特点：并没有实际落地，属于理论上的模型；

方式2: TCP/IP五层（四层）模型

从低到高分别有：

网络设备所在分层

• 对于一台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容，也即是TCP/IP五层模型的下四层；
• 对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下三层；
• 对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下两层；
• 对于集线器，它只实现了物理层；

注意点：

1. 这里的交换机和路由器是传统意义上的，也称为二层交换机，三层路由器；
2. 网络通信时，经过的所有网络设备，不同的设备在相同的网络分层，都需要使用一致的协议；

4、封装和分用

• 封装：

发送数据时，需要把数据包装成某个协议的格式，再发送；（一个网络设备，按从高到低的顺序，使用对应分层的协议来进行包装数据）；

下图为数据封装的过程：

• 分用：

接收数据时，需要把数据按照某个协议格式来解析，再使用；
（一个网络设备，按从低到高的顺序，按对应分层的协议解析，使用数据）
过程与封装相反；

5、网络设备

（1）集线器

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；

（2）交换机

交换机：内部维护了一个MAC地址转换表（每一台主机与交换机相连时，交换机就纪录主机的MAC和连接的端口），MAC地址转换表：记录主机MAC地址与端口的映射关系；

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（从高到低），如下所示：

如果封装到数据链路层，不知道目的MAC，怎么办？

解决方案：以广播的方式，发送数据到其他所有主机（此时是知道目的IP的），此时目的IP的主机再返回自己的MAC地址给交换机（如，在群里找人聊天）；

发送数据时，分两种情况：

• 情况1:同一个网段：下一跳的过程就是目的主机；

• 情况2:不同网段（知道目的ip，不知道目的MAC）：需要发送数据到网关设备（通常的网关设备是路由器）；

因此，首先需要判断发送端主机（源主机）与接收端主机（目的主机）是否属于同一网段？

判断方式：使用子网掩码
（1）子网掩码+源ip 就是源主机的网络号；
（2）子网掩码+目的ip 就是目的主机的网络号；
（3）判断 源主机网络号=目的主机的网络号，相等就是一个网段，否则就不是；

（3）主机&路由器

主机与路由器中包含一种技术：ARP缓存表；

ARP缓存表作用：纪录IP地址与MAC地址的映射关系；

使用场景：

• 源主机与目的主机不在同一个网段，使用源主机中的ARP缓存表（通过网关的IP找网关的MAC）；
• 源主机与目的主机在同一个网段，也可以使用源主机中的ARP缓存表（通过目的主机IP找目的主机MAC）；

路由器：

• （1）路由器具有一个wan口（连接公网，具有公网IP）；
• （2）路由器搭建了一个局域网，但具有多个不同网段（这些不同网段的主机，处于一个局域网），由路由器多个LAN口来划分；

此时，当源主机发送数据到目的主机时，有以下三种情况：

（1）源主机与目的主机处于同一网段

（2）源主机与目的主机处于同一个局域网，但不同网段

（1）(2）两种情况，使用ARP缓存表就可以找到目的主机（通过目的IP找对应的MAC地址）；

（3）源主机与目的主机处于不同的局域网（公网上的其他主机）

此时路由器也可能不知道目的IP的主机在哪里，就需要NAPT技术转换局域网IP和端口为路由器公网IP和端口；

路由功能：规划路线（路由器中存在一个路由表，纪录IP和坐标点，用于计算目的IP的最短路径）；

路由器小结：

• （1）划分子网（一个局域网，划分为不同网段）；
• （2）ARP缓存表：纪录路由器所在的局域网所有主机的IP和MAC地址；
• （3）具有wan口，绑定公网IP，目的主机不在局域网内，使用NAPT技术，将源IP和端口从局域网主机的转换为路由器公网的IP和端口；
• （4）路由功能：如果目的IP是公网主机，通过路由功能就能够计算出那个方向更近；

补充：冲突域与广播域

冲突域：同一时间，多台主机同时发送数据，如果产生冲突，这个范围就是冲突域；

表现：

• 集线器：所有端口构成一个冲突域；
• 交换机：一个端口构成一个冲突域；

广播域：发送广播数据报（MAC地址全为FF），能到达的范围； 表现：

• 集线器：所有端口处于一个广播域；
• 交换机：所有端口处于一个广播域；
• 路由器：LAN口（不同网段），隔离广播域；

6、网络套接字

套接字分类：

• 流套接字：传输层使用TCP协议
• 数据报套接字：传输层使用UDP协议
• 原始套接字：传输层协议自定义

Java编程时，应用层协议自定义（以上三个）！

7、广域网数据传输流程<?>

应用层重点协议：DNS协议，全球DNS服务器/DNS缓存，构成了一个树形结构（多个根节点，每个根节点就是一棵树）；

DNS协议：通过域名找IP（从下到上来查找）

因为IP地址不方便记忆，且不能表达地址组织信息，于是就有了域名，可以通过域名系统来映射域名和IP地址；

如在浏览器地址栏输入URL（www.baidu.com），就会有以下步骤过程：

步骤过程1:

通过DNS协议，查找 www.baidu.com 这个域名对应的IP地址；

步骤过程2:

• 源主机：从上到下封装

首先需要判断下一跳设备是那个？

方法：通过子网掩码计算，目的主机与源主机是否处于同一网段？
如果是同一网段，下一跳设备就是目的主机；
如果不是同一网段，下一跳设备就是网关路由器；
然后，需要设置目的MAC为下一跳设备的MAC（此时源MAC为源主机的MAC）；

如何设置目的MAC？
基于本机ARP缓存表，通过网关IP查找MAC地址；

• 交换机接收到数据报：转发到目的MAC对应的端口（路由器相连的端口），此处是基于交换机的MAC地址转换表，通过MAC找端口；

步骤过程3: 路由器接收到数据报

路由器接收到数据报，做以下事情：

1. 先从下到上分用：物理层到网络层（路由器是工作在下三层）；
2. 基于NAPT协议，将源IP和源端口号（局域网源主机的IP和端口）修改为路由器公网的IP和端口；
3. 基于路由功能，根据目的IP，计算出下一跳设备是那个设备，且到目的主机的方向那个更近；

2，3步骤目的IP不在路由器局域网内，路由器也不知道这个主机在哪；

4. 从上到下封装：修改源IP为路由器公网IP，源端口为路由器公网端口；修改源MAC为路由器的MAC，目的MAC为下一跳设备的MAC；

步骤过程4: 路途中经过的其他多个设备

与步骤过程3类似

步骤过程5：目的主机接收到数据报

目的主机接收到数据报，需要做以下事情：

1. 从下到上分用：

分用到网络层：目的IP 与我的一致，就再次分用；
分用到传输层：根据目的端口将数据报交给对应端口的进程（如tomcat）来处理；
分用到应用层：tomcat程序根据应用层HTTP协议来进行解析；
此时的数据报：

• 源IP：路由器公网IP
• 源端口：路由器端口
• 目的IP：目的主机IP
• 目的端口：目的主机tomcat端口

2. tomcat 处理请求
3. tomcat返回响应

返回响应时，从上到下封装，再发送数据到起点（先发送数据给路由器，路由器查找局域网内的主机，将数据发送给对应主机）；

此时数据报：

• 源IP：百度服务器IP

• 源端口：百度服务器进程的端口

• 目的IP：路由器的公网IP

• 目的端口：路由器的端口

小结

• 局域网：集线器相连

步骤：

（1）源主机：从上到下封装；
（2）集线器转发数据报到其他所有端口；
（3）目的主机：从下到上分用；

• 局域网：交换机相连

步骤：

（1）源主机：从上到下封装；
（2）交换机转发数据报到对应的一个端口；
基于下一跳设备的MAC，通过交换机中MAC地址转换表，查找对应端口；
（3）目的主机：从下到上分用；

• 局域网，交换机+路由器（一个局域网，跨网段）

步骤：

（1）源主机：从上到下封装，到链路数据层，发现主机源IP与目的IP 处于不同网段时(子网掩码计算而来），此时，下一跳的设备就要设置为网关设备（目的设备设置为网关设备，即就是网关路由器），采用本机ARP缓存表通过网关IP查找MAC；

（2）路由器
先分用：获取目的IP
再封装：修改源MAC，目的MAC
（3）目的主机：从下到上分用；
其中，从源主机到网关设备（路由器），涉及有：

• 目的IP：目的主机的IP
• 源MAC：源主机的MAC
• 目的MAC：路由器的MAC

其中，从网关设备（路由器）到目的主机，涉及有：

• 目的IP：目的主机的IP
• 源MAC：路由器的MAC
• 目的MAC：目的主机的MAC

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