Linux网络——认识网络、模型分层、数据包封装和分用

一、从网络发展认识模型分层和网络传输基本流程

计算机网络发展可以分为以下四个过程

• 独立模式(单机互相独立)
• 网络互连(多主机连接数据共享)
• 局域网LAN(多主机由交换机和路由器连接)
• 广域网WAN(全世界计算机互联)

这样的发展过程也能帮我们认识TCP/IP四层模型，下面我们详细来说每个过程，这个过程帮助我们建立对计算机网络分层模型的整体认识，不谈网络各层的细节

很久以前，所有的计算机都是独立运行的，它们之间不能共享数据，每个计算机都只存各自的数据，想要完成一项任务你就需要不停的更换计算机，如果这几台机器在一个实验室里我们还能轻松些，如果在不同的实验室那我们可太累了

<1> 物理层、MAC地址、封装和分用

于是我们想出了一个办法，每台机器各开两个网口，通过三根网线就可以实现通信了。

通过这种办法可以实现不同主机间的通信，但是很快随着机器的增多，我们就要不断为机器增加网口，网线也变得凌乱不堪

于是我们又想出了一个办法,通过一个集线器来实现所有电脑的连接，并且我们只需要将数据发送给集线器端口，集线器就会以广播的形式发送给所有主机，而这个局域网我们称为以太网。

既然每台机器有一个网口，那我们就给每个网卡定义一个唯一的标识符MAC地址

• MAC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)

MAC地址相当于我们人类的身份证号，是独一无二的，当我们发送数据时，只要在数据包前加上MAC地址就可以知道谁发送的数据谁接收数据了，我们在数据上加一个数据头部的过程就叫封装。


如上图所示当主机A发送数据到集线器，集线器把数据发给所有主机后，所有主机都需要查看数据的头部，如果不是自己的就会将数据丢弃，如果是自己的就会去掉这个头部只留下数据，这个过程我们称为分用。

但这同样面临一个问题，所有的主机都会收到数据，而这份数据并不是所有人都需要的，一定程度上造成网络资源的浪费。

<2> 数据链路层

为了只给目标主机发送数据，我们使用一个交换机来实现，交换机的内部会维护一张MAC地址表，一个MAC地址对应一个端口

• 源主机A向交换机发送数据给交换机
• 交换机收到数据后会和MAC地址表比对
• 找到目标主机C的MAC地址并映射到端口3，通过3号端口发送给目标主机C
  
  我们将这一层定义为数据链路层，然而这样的方式面对庞大的计算机数量时，就需要更多交换机和端口，从而让MAC地址表变的越来越大，交换机无法存储这么多的映射关系！

<3> 网络层和IP地址

于是乎，我们又发明了一种设备叫做路由器，交换机将数据发给路由器，路由器的每个端口具有独立的MAC地址，路由器再转发到目标主机，但是这个过程又出现了一个问题，就是主机A要发给主机C数据，会记录源MAC地址和目标MAC地址，而前面说过路由器每个端口都有独立的MAC地址，这就要记录路由器的MAC地址，这种方式非常麻烦且不易查寻，我们重新定义了一个大家现在熟悉的IP地址，这样数据包的格式变成下图这样


整个网络的发送过程为（这里我们只关心MAC和IP的变化，不看细节）

• 主机A的的数据由交换机发送到路由器
  源MAC地址为:aa:aa:aa:aa:aa::aa
  目标MAC地址为: ab: ab: ab: ab: ab: ab
  源IP地址:192.168.0.1
  目标IP地址:192.168.1.1

• 路由器将A发送的数据再转发到主机C
  源MAC地址为:cd :cd :cd :cd :cd :cd
  目标MAC地址为: cc: cc: cc: cc: cc: cc
  源IP地址:192.168.0.1
  目标IP地址:192.168.1.1

我们会发现在这个转发过程中，MAC地址一直在发生变化，而IP地址一直没有改变，这也是数据能由A发送到C的原因。

<4> 规律总结

1. 数据包=报头+有效载荷(数据)
2. 几乎所有协议都要解决报头和有效载荷分解问题
3. 局域网中所有主机可以直接通信，全部的主机都会收到网络发来的信息
4. 在网络传输过程中，MAC地址一直在发生变化，而IP地址一直没有改变

二、OSI七层模型和TCP/IP五层（四层）模型

通过上面这个栗子建立了我们对网络一个整体的认识，当今主流的分层模型主要是OSI七层模型，而作为软件开发者我们更关心的是TCP/IP四层模型

<1> OSI七层模型

• OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范;
• 把网络从逻辑上分为了7层. 每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机;
• OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输;
• 它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整. 通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯;
  但是, 它既复杂又不实用; 所以我们更加关注TCP/IP四层模型来讲解

<2> TCP/IP五层(四层)模型

TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求.

• 物理层: 负责光/电信号的传递方式. 比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层.
• 数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层.
• 网络层: 负责地址管理和路由选择. 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层.
• 传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机.
• 应用层: 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问
  协议（Telnet）等. 我们的网络编程主要就是针对应用层.
  物理层我们考虑的比较少. 因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型.
  

一般而言

• 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;
• 对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层;
• 对于一台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;
• 对于集线器, 它只实现了物理层;