这篇文章目的在于帮你建立起一个网络基础的框架,让你在黑暗中找到前进的方向。
- 网络的模型结构
上图就是网络的基本结构,我们主要以TCP/IP四层模型进行分析。
- 为什么要分这么多层呢?
人们一般要解决一个比较复杂的问题时,总会想办法将这个问题分解成一个个的子问题,进行模块化处理,从而大大简化问题的处理方法。就像你用C语言写一个三子棋的小游戏时,你并不会将这个问题看成一个整体。而是对问题进行模块化的思考和处理。比如显示棋盘的模块、判断输赢的模块、双方落子的模块等等,而这些模块的实现就是一个个函数,最后你在将这些函数组合成游戏的逻辑,最终就完成了这个小游戏。面向对象的特性中的封装也是这个道理。
网络的分层也是为了简化,网络的模块化方式就是分层,每个分层都有着自己特定的功能,互不干涉但又相互包含,下层是上层的基础。
接下来我们将谈谈TCP/IP四层模型中各个分层的功能和作用。
- 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)工作在网络层.
- IP是什么?
互联网协议地址(Internet Protocol Address),缩写为IP地址。就像每个人都得有户籍一样,每个主机都需要一个ip地址才能上网。
- IP格式
IP地址是总长度为四个字节,采用点分十进制的写法。如:192.163.132.158
IP地址分为两个部分, 网络号和主机号
- 网络号: 保证相互连接的两个网段具有不同的标识;
- 主机号: 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。
在网络中增加一台主机,我们就需要为这台主机分配一个IP地址。IP中网络号和子网网络号一致,但主机号和子网内已使用的主机号不能重复,这样就生成了一个唯一的IP地址。
但是这个IP手动分配起来十分麻烦,所以出现了DHCP
- DHCP(动态主机配置协议),能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址;
- 一般的路由器都带有DHCP功能. 因此路由器也可以看做一个DHCP服务器.
过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有IP地址分为五类。但这种划分方法会造成大量IP地址的浪费,同时又造成某些类IP地址不足的问题(这里不详细叙述了,大家可以自行百度)。于是出现了一种新的划分方案,CIDR(Classless Interdomain Routing):
- 引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号;
- 子网掩码也是一个32位的正整数. 通常用一串 "0" 来结尾;
- 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;
- 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关;
- IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号, 主机号从全0到全1就是子网的地址范围。
划分网段是如何进行的?
为了更好的理解这个问题,我们讨论一个例子。
将192.168.1.0到192.168.1.255划分成四个网段,在这个网段内一共有256个可用IP,所以每个网段有64个IP,所以每个网段的IP范围我们就可以确定出来分别是:
网段1:192.168.1.0到192.168.1.63
网段2:192.168.1.64到192.168.1.127
网段3:192.168.1.128到192.168.1.191
网段4:192.168.1.192到192.168.1.255
将网段1的起始IP和终止IP分别写成32位的二进制形式,从左到右,有连续的26位都是相同的。
所以描述网段1时这样写更为简便:192.168.1.0/26 同时该网段的掩码就是由高位开始的26个1和低位的6个0组成。写成点分十进制就是
255.255.255.192
- 特殊的IP地址
- 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;
- 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1 。
- IP地址数量的限制
CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题(提高了利用率, 减少了浪费, 但是IP地址的绝对上限并没有增加), 仍然不是很够用. 这时候有三种方式来解决:
- 动态分配IP地址: 只给接入网络的设备分配IP地址. 因此同一个MAC地址的设备, 每次接⼊入互联网中,得到的IP地址不一定是相同的;
- NAT技术:子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换, 最终数据包中的IP地址成为一个公网IP. 这种技术称为NAT(Network Address Translation,网络地址转换).
- IPv6: IPv6并不是IPv4的简单升级版. 这是互不相干的两个协议, 彼此并不兼容; IPv6用16字节128位来表示一个IP地址; 但是目前IPv6还没有普及。
- 私有IP地址和公网IP地址
如果一个组织内部组建局域网,IP地址只用于局域网内的通信,而不直接连到Internet上,理论上 使用任意的IP地址都可以,但是RFC1918规定了用于组建局域网的私有IP地址如下:
10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址
172.16.*.* 到 172.31.*.*,前12位是网络号,共1,048,576个地址
192.168.*.*,前16位是网络号,共65,536个地址 包含在这个范围中的, 都称为私有IP, 其余的则称为全局IP(或公网IP);
- 一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP, 一个是LAN口IP(子网IP). 路由器LAN口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中. 不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1). 子网内的主机IP地址不能重复. 但是私有IP地址和公网IP地址
- 子网之间的IP地址就可以重复了.
- 每一个家用路由器, 其实⼜又作为运营商路由器的子网中的一个节点. 这样的运营商路由器可能会有很多级, 最外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了.
- 子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换, 最终数据包中的IP地址成为一个公网IP. 也就是NAT.
- 如果希望我们自己实现的服务器程序, 能够在公网上被访问到, 就需要把程序部署在一台具有外网IP 的服务器上. 这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买.
- 路由
在错综复杂的网络结构种找到一条通往目标地址的路线。
先写到这...