Linux网络基础

Linux网络基础

12.1 计算机网络发展模式简述

独立模式

各台计算机相互独立运行，不进行通信。

适用于早期的计算环境，每台机器各自完成任务，不具备资源共享能力。

网络互联

多台计算机通过一定的通信方式（如网线、无线）连接在一起，可以进行数据传输与资源共享。

典型设备：网卡、集线器（Hub）、交换机（Switch）等。

局域网 LAN

通常在一个建筑物或一个组织内部连接多台计算机。

使用交换机和路由器等网络设备实现高效通信。

速度较快，延迟低，适用于办公网络、学校、家庭等小范围环境。

广域网 WAN

将地理位置相距较远的多个局域网连接起来，例如跨城市、跨国家。

需要依赖运营商的网络基础设施（如光缆、卫星等）。

互联网（Internet）就是最大的广域网。

12.2 协议

为什么要有协议？

设想一个场景：

在计算机网络中，计算机之间本来不能自然“听懂”对方的语言，也就是说：

每台计算机硬件/操作系统不同

网络环境复杂

没有统一标准，通信就会混乱甚至失败

所以我们必须定义一套大家都遵守的通信规则——这就是网络协议（Protocol），协议的存在也可以降低成本，

协议的概念以及协议的本质？

什么是协议？

协议是计算机网络中通信双方必须共同遵守的规则集合。

这个规则包括：

通信的格式：数据怎么封装

通信的顺序：先谁说、后谁说，谁先发起、谁回应

错误处理：丢包了怎么办？重传机制如何做？

数据表示：比如字符编码、比特顺序等

常见的网络协议有：

HTTP：浏览器访问网页的协议

TCP/IP：互联网通信的核心协议

FTP：文件传输协议

DNS：域名解析协议

协议的本质是什么？

协议的本质是“约定俗成的规则”，让通信变得可理解、可预测。

协议为什么要分层？

协议分层的目的是降低复杂度、提高灵活性和可维护性。

网络通信是一个非常复杂的过程，包括数据打包、传输、路由、接收、解析等等 ——

如果所有功能都堆在一起，不仅难以设计，也难以维护和扩展。

所以，计算机科学家们借鉴了“模块化设计”的思想，把协议体系分为多层，每层各司其职，互不干扰

两种常见的协议分层模型：

OSI七层模型（理论模型）

应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层

TCP/IP四层模型（实际应用中更常用）

应用层、传输层、网络层、网络接口层

12.3 OSI七层模型

OSI开放系统互联模型由ISO制定，把网络通信划分为 7 层，每一层解决一类特定问题。

补充：

应用、表示、会话层：这三层多由操作系统和软件层面来完成，比如浏览器处理 HTTP、TLS 加密等，不靠物理设备。

传输层：虽然没有专门的硬件，但 TCP/UDP 运行在操作系统内核中，有时会配合防火墙、负载均衡器工作。

网络层：核心设备是 路由器，负责不同网络之间的数据转发（跨网段通信）。

数据链路层：交换机工作在这一层，实现局域网内的数据帧转发；网卡也在这一层负责帧的组装和识别。

物理层：是最底层，涉及传输媒介和物理信号，像网线、光纤、集线器、调制解调器（光猫）、接口标准都属于这里。

12.4 TCP/IP四层模型

TCP/IP 四层模型是我们今天互联网通信的实际基础模型，相比OSI七层，它更简洁实用。主要由应用层、传输层、网络层、链路层组成。

1.应用层

直接面向用户，提供各种 网络应用服务

常见协议：

协议                                        作用

HTTP / HTTPS                网页传输协议（浏览器访问）

FTP                                  文件传输协议

DNS                                 域名解析协议（网址 → IP）

SMTP / POP3 / IMAP     邮件发送与接收协议

SSH / Telnet                    远程登录控制协议

举例：

你用浏览器访问一个网站

就会触发：

DNS：将域名转为 IP 地址

HTTP：发出网页请求并接收响应

2. 传输层

解决 “主机到主机” 的通信问题，数据怎么从一个程序发送到另一个程序

常见协议：

协议                           特点                                                用途举例

TCP       面向连接、可靠（有确认、重传、顺序）     访问网页、登录账号、下载文件

UDP      无连接、不可靠但更快（无确认、无顺序） 视频直播、语音通话、游戏

浏览器访问网页时用 TCP，确保网页数据完整； 微信语音消息/直播时用 UDP，稍微丢一点包也无妨，但要快。

3. 网络层

让“两台设备之间”的通信成为可能，实现跨网段传输

作用：

IP寻址 + 路由转发

找到“哪一台设备”是目标

常见协议：

协议                                               作用

IP（IPv4 / IPv6）           提供逻辑地址（如 192.168.1.1）

ICMP                               网络测试工具（如 ping）用它

ARP                                 IP地址 ↔ MAC地址转换

举例：

访问某网站，数据要从你电脑走到目标服务器，必须经过路由器转发，这一切由 IP 层控制。

4. 链路层

负责局域网内设备通信，直接与网卡、交换机等打交道

作用：

将数据封装成帧，在物理介质上传输

使用 MAC地址 识别设备

协议 / 技术                                         说明

以太网                             最常见的局域网通信协议

Wi-Fi（无线局域网）   无线连接协议

PPP                                  拨号上网协议

驱动程序 / 网卡            实现底层传输逻辑

四层之间的配合流程（打包发数据）

应用层：我要发 HTTP 请求（浏览器）

传输层：用 TCP 连接，拆成小段 + 加编号

网络层：附上目标 IP 地址，查路由表

链路层：查目标 MAC 地址，用网线/Wi-Fi 发送帧

对方收到后，每一层反过来解析，直到应用层显示网页

12.5 网络传输基本流程

12.6 数据包的封装与分用

什么是封装和分用？

封装

发送数据时，每一层都加上一层“头部信息（header）”来处理自己的任务。

应用层：产生数据（如网页请求内容）

传输层：加上TCP/UDP头（端口号、序号等）

网络层：加上IP头（源/目的IP地址）

链路层：加上MAC头（源/目的MAC地址）

最终生成一个完整的数据帧送出。

分用

接收数据时，每一层根据头部内容判断怎么处理，然后把“外壳”一层层剥掉，还原出原始数据。

12.7 网络中的地址管理

IP地址

IP地址是网络中每台设备的唯一标识符，用于定位设备并进行数据传输。它分为两种类型：

IPv4（Internet Protocol version 4）：由四个8位（即1字节）组成，总共32位，通常以四个十进制数表示，范围从0到255（如：192.168.1.1）。

IPv6（Internet Protocol version 6）：由于IPv4地址空间有限，IPv6为每个设备提供了更多的地址，使用128位表示，通常以八组16进制数表示（如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。

IP地址有两种类型：

公有IP：用于设备之间的全球通信。每个设备连接到互联网时，都有一个唯一的公有IP地址。

私有IP：用于局域网（LAN）内部设备之间的通信，不能直接在互联网中使用。例如，常见的私有IP地址范围包括：

10.0.0.0 到 10.255.255.255

172.16.0.0 到 172.31.255.255

192.168.0.0 到 192.168.255.255

MAC地址：

MAC地址是硬件设备的唯一标识符，通常被分配给网卡（NIC）。它用于局域网中识别设备，属于数据链路层地址。MAC地址通常由48位组成（6个字节），通常以16进制表示（如：00:1A:2B:3C:4D:5E）。

每个网络接口设备（例如Wi-Fi卡、以太网卡）都有唯一的MAC地址。MAC地址在设备启动时由制造商设置，通常无法修改。它在局域网内用于数据帧的发送与接收，设备通过MAC地址来进行直接通信。

关键区别：

IP地址用于在广域网（如互联网）中定位设备，类似于地址，用来引导数据包到达特定地点。

MAC地址用于局域网中设备的物理识别，类似于门牌号，它在本地网络中起作用，确保数据正确地发送到目标设备。