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)

冷不防 2022-10-29 11:17 165阅读 0赞

> [萌宅鹿网络系列][Link 1] 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） #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**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 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

# 跨平台的原理（Java、C++） #

Java跨平台的原理：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
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**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

# 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**。  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
> 请求过程：不管什么协议都是经过下列的 **`包装`** `+` **`解包`** 的过程。  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

# 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`

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

**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**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

*  `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)。  
    ![img][]
 *  `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)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

*  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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
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。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]
 *  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. ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

## 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)**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
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)  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzczNDA5NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
> 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

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_43734095/article/details/112449428
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