计算机网络基础——网络分层和IP地址

协议

在因特网中，凡是涉及两个或者多个远程通信实体的所有活动都首协议的制约。
一个协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及报文发送、接受一条报文或其他事件所采取的动作。

简单而说，协议就像人类之间通信的语言，它就像机器之间通信的方式和语言。

协议三要素

• 语法：就是一段内容要符合一定的规则和格式
• 语义：就是这一段内容要代表某种意义
• 顺序：就是先干啥，后干啥

网络分层

我们知道，网络是有分层的，可是为什么要分层呢？因为，是个复杂的程序都要分层。
我们可以这样来想，想象网络包就是一段Buffer，或者一块内存，它是有格式的，同时有一个可以跑在电脑，跑在服务器，跑在交换机，跑在路由器上的程序，程序可以处理这个网络包，我们知道，一台机器一般有很多个网口，从某一个网口拿进来一个网络包，程序处理后，再出另外一个口出去。说了简单，可是网络包很复杂，程序也很复杂。
复杂的程序都要分层，这是程序设计的要求。让每一层专注做本层的事情。

而且，网络每一层协议负责的工作都是不一样的，也就对应了有不同的设备来处理

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OSI七层模型：

• 物理层：包含了多种与物理介质相关的协议，这些物理介质用以支撑TCP/IP通信。以二进制数据形式在物理媒体上传输数据。
• 数据链路层：包含了控制物理层的协议：如何访问和共享介质，怎样标识介质上的设备，以及在介质上发送数据之前如何完成数据成帧。典型的数据链路协议有IEEE802.3/以太网，帧中继，ATM以及SONET
• 网络层：主要负责定义数据包格式和地址格式，为经过逻辑网络路径的数据进行路由选择，IP，ICMP，RIP，OSPF等
• 传输层：指定了控制网络层的协议。这就像数据链路层控制物理层一样，传输层和数据链路层都定义了流控和差错机制。二者不同在于，数据链路层协议强调控制数据链路上的流量，即连接两台设备的物理介质上的流量；而传输层控制逻辑链路上的流量，即两台设备的端到端的连接，这种逻辑连接可能跨越一连串数据链路。
• 会话层：解除或提供两进程之间建立、维护和结束会话连接的功能；提供交互会话的管理功能，如三种数据流方向的控制，即一路交互、两路交替和两路同时会话模式。没有协议
• 表示层：数据格式化，代码转换，数据加密。没有协议
• 应用层：最常用的服务是向用户提供访问网络的接口：文件传输，电子邮件，虚拟终端等。HTTP，FTP等

现在，我们常用的是TCP/IP四层模型：

• 物理层：中继器，集线器，双绞线都工作在物理层
• 网络层：IP，ICMP，ARP，等等
• 传输层：TCP，UDP
• 应用层：HTTP，TFTP，FTP等等

知道了这些之后，我们前面有提到程序，程序来处理网络包，那么程序是如何工作的呢？

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当我点击一个网页想要浏览的时候，首先会发送HTTP请求，发送请求，在网络上跑的肯定也是报文嘛，这个时候，报文会加上HTTP头和HTTP正文，然后往传输层发送，因为这里是浏览网页，传输层上会加上tcp头和端口号，然后发往网络层，在这一层，报文会加上IP头，里面含有目标IP地址，然后发往物理层，在物理层，会加上MAC头，里面含有目标MAC或者网关MAC还有源MAC地址。

之后这个包就在网络中传输。

当一个网络包从一个网口经过的时候，首先看看看要不要请进来，处理一下。
拿进来以后，就交给一段程序进行处理。
首先，会摘掉MAC头，看一下是否和这个网口的MAC地址相符，如果不是，就丢弃，不处理。如果MAC地址和网口的相符，就说明是发给它的，于是它就会继续摘掉IP头，看看到底是发送给自己的，还是希望自己转发出去的。

如果目标IP地址不是自己的，那么就是转发出去的；如果IP地址是自己的，那么就是发给自己的，就会进行下一层的处理，我们这里是TCP的，所以会摘掉TCP头，这个时候，就需要查看TCP的头，看这是一个发起，还是一个应答，又或者是一个正常的数据包，然后分别由不同的逻辑进行处理。

如果是发起或者应答，接下来可能要发送一个回复包；如果是一个正常的数据包，就需要交给上层进行处理，这个时候会交给一个应用来进行处理，可是交给哪个应用呢？这个时候，TCP的头里面就有端口号，不同的应用监听不同的端口号。如果发现浏览器应用在监听这个端口，那么程序就会把包发给浏览器，交给浏览器处理。

浏览器自然是解析HTML，显示页面出来。

要记住一点：只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层。

IP地址

IP地址是一个网卡在网络中的通讯地址，相当于我们现实世界的门牌号码。

IP地址分类

IP地址分为5类

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对于A，B，C类来说，主要分为两部分：网络号和主机号

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我们可以看到，C类地址的最大主机数太少了，而A类又很多，会造成浪费，于是出现了一个协议：无类型域间选路（CIDR）
它将32为的IP地址分为两部分，前一部分是网络号，后面是主机号
如：10.100.122.2/24 ，这个IP地址后面有一个斜杠，斜杠后面有一个数字24，这个24就代表这个IP地址前24位是网络号，后8为是主机号。与此对应的子网掩码是255.255.255.0。在10.100.122.XXX这个网络段中，有一个IP地址比较特殊：10.100.122.255，这个是广播地址，如果发送一个包，包的目标IP是它，那么在10.100.122.xxx这个网络段的所有主机都能接收到这个包。

当我发送一个包的时候，必须在同一网段下，才能接收到。
如：192.168.1.1/24 发一个包给 192.168.1.121/26 ，是不可以的。

MAC地址

MAC地址是一个网卡的物理地址，用十六进制，6个byte表示。MAC地址是全局唯一的，不会有两个网卡有相同的MAC地址。

那么我们为什么不用MAC地址进行通信呢？

因为MAC地址更像是一个人的身份证，是一个标识，它没有远程定位的功能。一个网络包从源到目标，中间会经过很多路由器等，MAC地址的通信范围很小，局限在一个子网里面，找到MAC地址，就考喊，也就是广播，当一个网络包要经过很多子网的时候，MAC地址就不能通信了。

MAC头和IP头

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在MAC头里面，先是目标MAC地址，然后是源MAC地址，然后有一个协议类型，用来说明里面是IP协议。

IP头里面：
版本：IPv4还是IPv6
TTL：最大生存时间，当一个网络包在网络上转发时，每到下一跳是，这个值会加1，当达到255时，说明包不可达，包被丢弃。这也一定程度上避免网络风暴。
协议：说明是TCP协议还是UDP协议

本文参考：

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