[LN_01] Linux计算机网络基础（网络模型|IP地址|子
目录结构
一、ISO/OSI七层模型
1. ISO/OSI七层模型概览
2. OSI七层模型
二、TCP/IP四层模型
1. 网络接口层
2. 网际互联层
3. 传输层
1）TCP与UDP对比
4. 应用层
1）数据封装 & 数据解封
2）OSI模型 与 TCP/IP模型 比较
三、IP地址详解
1. IP地址
2. IP地址分类
四、子网掩码
五、端口的作用
六、DNS的作用
1. DNS服务的作用
2. 域名空间结构
3. DNS查询类型
七、网关的作用
一、ISO/OSI七层模型
1. ISO/OSI七层模型概览
ISO：国际标准化组织
OSI：开放系统互联模型
| 层级 | 名称 | 数据单位 |
|---|---|---|
为用户提供服务 |
||
| 7 | 应用层 | 应用协议数据单元(APDU) |
| 6 | 表示层 | 表示协议数据单元(PPDU) |
| 5 | 会话层 | 会话协议数据单元(SPDU) |
实际进行传输数据 |
||
| 4 | 传输层 | 传输协议数据单元(TPDU)，主要为确定端口号 |
| 3 | 网络层 | 报文(主要存储IP地址，对应公网) |
| 2 | 数据链路层 | 帧(主要存储硬件网卡的MAC地址，对应局域网) |
| 1 | 物理层 | 比特(bit) |
2. OSI七层模型
【7】应用层：用户服务接口
【6】表示层：数据化表示（如：不同数据格式的转码、解码，翻译成0和1），特定功能实现（如：加密、压缩）
【5】会话层：对应用会话的管理、同步。为了确定网络数据是否要经过远程会话（如：邮件）
【4】传输层：可靠（TCP）与不可靠（UDP）的传输、传输前的错误检测、流量控制（网络流畅度关联）；确定端口号（具体的某一项服务）
【3】网络层：提供逻辑地址（IP地址）、选择通路（自动选择各个路由器连接构成的不同路径进行传输）
【2】数据链路层：成帧、用MAC地址访问媒介、错误检测与修正（数据包重传）
【1】物理层：设备之间的的比特流传输（0和1）、物理接口（如：网线、音频线、视频线）、电气特性（如：多根网线中传输数据的网线）
案例：Email的发送
应用层==>用来写邮件的网址，面向用户，用户可以看懂
表示层==>将用户写的内容（文字、图片、视频、压缩包...）翻译成计算机语言（0和1组成的字串，如：010101...）
会话层==>判断[010101]存放的位置：若需要通过网络传递，则传给传输层；若不需要网络远程传输，则存储在本地
传输层==>给[010101]分配端口，邮件发送端口为25，接收端口为110
网络层==>给[010101]分配IP地址，包括发件人和收件人的IP，并确定传递路线
数据链路层==>给[010101]分配网卡MAC地址，并在局域网中逐层传递
物理层==>识别[010101]电信号，通过各种电子元件、网线、网卡...对该电信号进行传递
PS：Email的发送是从（应用层→物理层）传递，Email的接收则是从（物理层→应用层）传递
二、TCP/IP四层模型
OSI七层模型相当于是作为参考而设计的模型，TCP/IP四层模型则更接近网络实际使用的框架。
1. 网络接口层
对应OSI参考模型（物理层+数据链路层），负责监视数据在主机与网络之间的交换。地址解析协议（ARP）工作在此层，即OSI参考模型的（数据链路层）
ARP作用：将公网使用的IP地址翻译成网卡的物理地址（MAC地址），然后在局域网环境中的机器通过MAC地址进行识别和通信。
MAC地址是用连字符分隔的6个十六进制字节，在cmd命令窗口输入：arp -a 可查询主机当前每个接口使用的ARP项（IP地址-MAC地址）
2. 网际互联层
对应OSI参考模型（网络层），主要解决主机与主机的通信。该层有3个主要协议：网际协议（IP）、互联网组管理协议（IGMP）、互联网控制报文协议（ICMP）。其协议涉及数据包在整个网络上的逻辑传输。
3. 传输层
对应OSI参考模型（传输层），为应用层实体提供端到端（E2E）的通信功能，保证了数据包的顺序传送以及数据的完整性。该层定义了2个主要协议：传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）。
1）TCP与UDP对比
（1）TCP是面向连接的协议，相对是可靠的。如：主机A和主机B通信时进行TCP/IP三次握手，然后传递数据包，数据传递过程中，A和B始终保持沟通交流状态（类似双方打电话，一旦数据传错，B会告知A重新传送，保证数据正确性）。应用：网页、邮件。优点是数据传送完整，缺点是传输速度相对慢。
（2）UDP是面向不连接的协议，相对不可靠。如：发短信、QQ信息交流，数据有可能传送不到。优点是速度快，缺点是数据包可能丢失。
场景描述：
主机A：“Hi, 在不？”
主机B：“在的，你还在吗？”
主机A：“我在的，我准备发数据给你了，请接收”
>>传递数据ing。。。
>>B对数据正确性、完整性检验，保持与A的沟通和反馈
>>数据传递和接收完成确认OK
4. 应用层
对应OSI参考模型的高层（应用层+表示层+会话层），为用户提供所需要的各种服务，如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等。
1）数据封装 & 数据解封
场景：用户通过文件服务器上传文件
封装过程：
①应用数据==>数据点击，传入应用层
②应用层==>数据是FTP文件，打入FTP包头，数据传入传输层
③传输层==>发送的是TCP协议，将发送和接收端口写入TCP头，数据传递到网络层
④网络层==>写入对应的信息（源IP、目标IP）
⑤数据链路层==>打入以太帧头（源MAC、目标MAC），通过网线传递给目标MAC
解封过程：
⑤数据链路层==>数据传递到目标MAC之后，判断MAC地址若是自己的MAC，则往上回传数据到网络层；若不是自己的MAC则丢弃数据
④网络层==>判断目标IP若是自己的IP，则拆解IP头，继续往上传递到传输层
③传输层==>判断目标端口，要传给FTP服务器，拆解TCP头，数据传给应用层
②应用层==>FTP服务器判断是给自己的数据，然后拆解FTP头，继续往上传递
①应用数据==>接收到所传递的数据之后，客户使用FTP工具即可读取数据内容
2）OSI模型 与 TCP/IP模型 比较
-
共同点
（1）两者都采用了层次结构的概念
（2）都能够提供面向连接和无连接两种通信服务机制 -
不同点
（1）OSI模型是七层模型，TCP/IP模型是四层结构
（2）TCP/IP模型对可靠性要求更高
（3）OSI模型是在协议开发前设计的，具有通用性，作为参考；TCP/IP是在协议集的基础之上建立模型，不适用于非TCP/IP网络
（4）OSI模型作为理论上的模型，并没有成熟的产品；TCP/IP模型已经成为“实际上的国际标准”
三、IP地址详解
1. IP地址
网络层打入的IP包头，其内会包含源IP地址、目标IP地址。IP地址（IPv4）有32位二进制组成，每8位以点号.间隔，其范围如下：
二进制表示：
下界：00000000.00000000.00000000.00000000
上界：11111111.11111111.11111111.11111111
十进制表示：
下界：0.0.0.0
上界：255.255.255.255
2. IP地址分类
| 网络类别 | 网络数 (max) |
IP地址范围（公网） | 主机数 (max) |
私有IP地址范围（内网） |
|---|---|---|---|---|
| A |
|
1.0.0.0--126.255.255.255 | 10.0.0.0--10.255.255.255 | |
| B |
|
128.0.0.0--191.255.255.255 | 172.16.0.0--172.31.255.255 | |
| C |
|
192.0.0.0--223.255.255.255 | 192.168.0.0--192.168.255.255 |
网段说明：
A类：IP中的第1段数字代表一个网段，其余3段数字代表同一网段中的不同主机
B类：IP中的第1、2段数字代表一个网段，其余2段数字代表不同主机
C类：IP中的第1、2、3段数字代表一个网段，最后1段数字代表不同主机
其他备注：
1）IP地址的分类，A,B,C三类，D和E不对民用开放
2）IP地址范围是根据网段来划分。127网段只有一个IP（127.0.0.1）可用，代表当前计算机自己
3）私有IP地址（内网）不能直接访问公网，需要进行转换才可以访问；不同的局域网内的计算机可以使用相同的IP地址
4）不同网段通信使用路由器，同一网段通信使用交换机
5）同一网段内的首地址为网络本身不能被使用，同一网段内的末地址为当前网络的广播地址（如：A类IP地址，1.0.0.0为网络本身，1.255.255.255为广播地址）
四、子网掩码
子网掩码：决定IP中的网络位、主机位；IP、子网掩码不能单独使用，实际上是需要同时配合使用的。标准的子网掩码有：
255.0.0.0
255.255.0.0
255.255.255.0
| A类 | B类 | C类 | |
|---|---|---|---|
| IP Address |
10.1.1.200 |
172.16.1.200 |
192.168.1.200 |
| Subnet Mask |
255.0.0.0 |
255.255.0.0 |
255.255.255.0 |
| Network ID |
10.0.0.0 |
172.16.0.0 |
192.168.1.0 |
PS：
1）对于IP Address，以上红色标识为网络位，其余为主机位；网络位和主机位由Subnet Mask决定
2）Network ID：相应网段的第一个IP
五、端口的作用
在传输层的包头中主要确定传输端口的协议（TCP、UDP）、端口号（源端口、目标端口）。通过IP可确定服务器的地址，通过端口号（IP地址+端口号）则可确定服务器提供的某个具体服务（网页访问、文件上传、邮件...）。
端口号由16位的二进制组成，其中：
取值组合数：
取值范围：0-65535
| 服务/协议类型 | 端口号 |
|---|---|
| 文件传输协议：FTP | 20（数据传输） 21（登录） |
| 安全shell协议：SSH | 22 |
| 远程登录协议：Telnet | 23（未加密，不安全） |
| 域名系统：DNS | 53（域名解析） |
| 超文本传输协议：HTTP | 80 |
| 简单邮件传输协议：SMTP | 25（发信） |
| 邮件协议3代：POP3 | 110（收信） |
查看本机启用的端口：
netstat -an
-a：查看所有连接和监听端口
-n：显示IP地址和端口号，不显示域名和服务名
TCP具有三次握手，有监听状态
UDP无连接状态，无监听状态
状态说明：
LISTENING：FTP服务启动后首先处于监听状态
ESTABLISHED：建立连接，正在通信ing
CLOSE_WAIT：对方关闭连接or网络异常
TIME_WAIT：我方断开连接
六、DNS的作用
1. DNS服务的作用
将域名解析为IP地址
1）客户机向DNS服务器发送域名查询请求
2）DNS服务器将Web服务器的IP地址告知客户机
3）客户机与Web服务器通过IP通信
域名解析-通俗描述：
1）将域名翻译成IP地址，网络通过识别IP地址进行通信（正向查询）
2）将IP地址翻译成域名，自然人通过域名辨别网站服务器（反向查询）
hosts 与 DNS 对比：
hosts：hosts存放路径（C:\Windows\System32\drivers\etc），专门设置静态IP-域名的对应，优先级高于DNS解析；当hosts配置容量较大时，域名解析效能较低；主机维护困难，如：每次手动修改比较麻烦
DNS：层次性、分布式的性能可解决hosts存在的不足
2. 域名空间结构
域名组成：三级域名+二级域名+顶级域名。该结构完整的域名，具有全有唯一性
根域名的服务器有13台，根域管理顶级域（一级域名），顶级域管理二级域名，二级域名管理三级域名；DNS服务器知晓根域名的服务器的IP，通过根域名服务器可实现查询解析域名，获取域名对应的IP地址，然后即可利用该IP访问网站服务器。
某个域名解析过一次之后，会在本地DNS服务器缓存3d时间。当再次解析同一个域名时，若在缓存有效期内，则不会再去根DNS服务器请求查询，而是首先在本地读取缓存；若缓存已失效，则会重新向根DNS服务器请求查询域名对应的IP。
3. DNS查询类型
-
按查询方式
（1）递归查询：对应DNS查询过程示意图之步骤[1、6]
要么做出查询成功响应，要么作出查询失败的响应。一般客户机和服务器之间属递归查询，即当客户机向DNS服务器发出请求后，若DNS服务器本身不能解析，则会向另外的DNS服务器发出查询请求，得到结果后转交给客户机
（2）迭代查询：对应DNS查询过程示意图之步骤[2、3、4、5]
服务器收到一次迭代查询回复一次结果，这个结果不一定是目标IP与域名的映射关系，也可以是其它DNS服务器的地址（每一次会将最接近的结果返回） -
按查询内容
（1）正向查询：由域名查找IP地址
（2）反向查询：由IP地址查找域名
七、网关的作用
网关作用（教科书版）：
1）网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器
2）网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连
3）网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连
4）网关是一种充当转换重任的服务器或路由器
网关的作用（通俗版）：
1）网关在所有内网计算机访问非本网段数据报时使用（同一局域网，不同网段）
2）网关将内网IP转换为公网IP，公网IP转换为内网IP（不同局域网，不同网段）
PS：
1）交换机用作局域网同一网段之内进行数据交换；路由器用作不同网段之间进行数据交换，此时需要借助网关进行转换
2）局域网通信：可不配置网关、DNS服务器，但需要配置IP地址、子网掩码；公网通信：IP地址、子网掩码、网关、DNS服务器-都需要配置
