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【Linux网络】网络基础概念深度解析

news 来源：原创 2025/6/10 2:15:38

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文章目录

🏳️‍🌈一、计算机网络背景
- 1.1 网络发展
🏳️‍🌈二、初始协议
- 2.1 分层协议
- 2.2 OSI 七层模型
- 2.3 TCP/IP 五层(或四层)模型
🏳️‍🌈三、再识协议
- 3.1、为什么要有 TCP/IP 协议
- 3.2 什么是 TCP/IP 协议
- 3.3 TCP/IP 协议与操作系统的关系
- 3.4 所以究竟什么是协议
🏳️‍🌈四、网络传播基本流程
- 4.1、局域网网络传输流程图
- - 4.1.1 局域网(以太网为例)通信原理
  - 4.1.2 认识 MAC
  - 4.1.3 数据包封装和分用
- 4.2 跨网络传输流程图
- - 4.2.1 网络中的地址管理 - IP 地址
👥总结

🏳️‍🌈一、计算机网络背景

1.1 网络发展

独立模式: 计算机之间相互独立！

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网络互联: 多台计算机连接在一起, 完成数据共享！
局域网 LAN: 计算机数量更多了, 通过交换机和路由器连接在一起！

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广域网 WAN: 将远隔千里的计算机都连在一起！

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所谓 “局域网” 和 “广域网” 只是一个相对的概念. 比如, 我们有 “天朝特色” 的广域网, 也可以看做一个比较大的局域网.

计算机是人的工具，人要协同工作，注定了网络的产生是必然的.

🏳️‍🌈二、初始协议

“协议” 是 一种约定.
打电话约定电话铃响的次数的约定

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计算机之间的传输媒介是光信号和电信号，通过"频率"和"强弱"来表示0和1这样的信息，要想传递各种不同的信息，就需要约定好双方的数据格式.

思考: 只要通信的两台主机, 约定好协议就可以了么?

定好协议，但是你用频率表示 01，我用强弱表示 01，就好比我用中国话，你用葡萄牙语一样，虽然大家可能遵守的一套通信规则，但是语言不同，即是订好了基本的协议，也是无法正常通信的

所以，完善的协议，需要更多更细致的规定，并让参与的人都要遵守。

计算机生产厂商有很多;
计算机操作系统, 也有很多;
计算机网络硬件设备, 还是有很多;

如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信?

就需要有人站出来, 约定一个共同的标准, 大家都来遵守, 这就是 网络协议;
一般具有定制协议或者标准的资格的组织或者公司都必须是业界公认或者具有江湖地位的组织或者公司，下面是文心一言生成的标准制定组织

问：能定制协议标准的组织或者公司
答：能定制协议标准的组织或公司主要有以下几类：

国际标准化组织：
- IEEE（电气和电子工程师协会）：这是一个由计算机和工程领域专家组成的庞大技术组织，在通信协议领域贡献突出。IEEE 制定了全世界电子、电气和计算机科学领域 30%左右的标准，包括 IEEE 802 系列标准，这些标准涵盖了从局域网（LAN）到广域网（WAN）等多种网络技术。
- ISO（国际标准化组织）：ISO 是由多个国家的标准化团体组成的国际组织，它在开放系统互连（OSI）模型方面的工作尤为著名。OSI 模型定义了网络通信的七层协议结构，尽管在实际应用中，TCP/IP 协议族更为普遍，但 OSI 模型仍然在学术和理论研究中占有重要地位。
- ITU（国际电信联盟）：ITU 是联合国下属的专门机构，负责制定电信领域的国际标准。ITU-T 制定的标准涵盖了电话和网络通信，与 ISO 合作确保了通信技术的全球兼容性和互操作性。
区域标准化组织：
- ETSI（欧洲电信标准学会）：由欧洲共同体各国政府资助，是一个由电信行业的厂商与研究机构参加并从事研究开发到标准制定的组织。
- ASTAP（亚洲与泛太平洋电信标准化协会）：1998 年由日本与韩国发起成立的标准化组织，旨在加强亚洲与太平洋地区各国信息通信基础设施及其相互连接的标准化工作的协作。
公司：
- 某些公司，如泰凌微，也自研各种标准的软件协议栈，包括低功耗蓝牙、zigbee、thread 及 Matter 等，并可进行定制化改动，这是其核心竞争力之一。泰凌微还计划重点发展智能电子价签、智能遥控、智能家居等市场。
民间国际团体：
- IETF（互联网工程师任务组）：这是一个负责开发和推广互联网协议（特别是构成 TCP/IP 协议族的协议）的志愿组织，通过 RFC 发布新的或者取代老的协议标准。
官方机构：
- FCC（联邦通信委员会）：美国对通信技术的管理的官方机构，主要职责是通过对无线电、电视和有线通信的管理来保护公众利益。也对包括标准化在内的通信产品技术特性进行审查和监督。

以上这些组织或公司都能在一定程度上定制协议标准，以满足特定需求或推动技术发展。

2.1 分层协议

协议本质也是软件，在设计上为了更好的进行模块化，解耦合，也是被设计成为层状结构的

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在这个例子中, 我们的"协议"只有两层: 语言层、通信设备层。
但是实际的网络通信协议，设计的会更加复杂, 需要分更多的层
但是通过上面的简单例子，我们是能理解，分层可以实现解耦合，让软件维护的成本更低

2.2 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; 所以我们按照 TCP/IP 四层模型来讲解.

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其实在网络角度，OSI 定的协议 7 层模型其实非常完善，但是在实际操作的过程中，会话层、表示层是不可能接入到操作系统中的，所以在工程实践中，最终落地的是 5 层协议。
但是要理解上面的话，需要我们学习完网络才可以理解，这里就知道就可以。

2.3 TCP/IP 五层(或四层)模型

TCP/IP 是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了 TCP/IP 协议簇.
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.

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物理层我们考虑的比较少，我们只考虑软件相关的内容. 因此很多时候我们直接称为 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;

但是并不绝对. 很多交换机也实现了网络层的转发; 很多路由器也实现了部分传输层的内容(比如端口转发);

🏳️‍🌈三、再识协议

上面的内容，我们只是懂了一些基本概念，还是达不到我们的目标，下面我们再次重新理解协议和协议分层。

3.1、为什么要有 TCP/IP 协议

首先，即便是单机，你的计算机内部，其实都是存在协议的，比如：其他设备和内存通信，会有内存协议。其他设备和磁盘通信，会有磁盘相关的协议，比如：SATA，IDE，SCSI 等。只不过我们感知不到罢了。而且这些协议都在本地主机各自的硬件中，通信的成本、问题比较少。
其次，网络通信最大的特点就是主机之间变远了。任何通信特征的变化，一定会带来新的问题，有问题就得解决问题，所以需要新的协议咯。

可是目标主机C和我距离太远了

我要发数据给主机C，得先发到路由器R吧？怎么办？
网上这么多主机，怎么定位并找到主机C呢？怎么办？
如果我的数据发出去，丢失了？怎么办？
发数据不是目的，只是手段，用数据才是目的？
主机C怎么知道我发出去的数据该怎么被处理，被使用呢？

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所以，为什么要有 TCP/IP 协议？ 本质就是通信主机距离变远了

3.2 什么是 TCP/IP 协议

TCP/IP 协议的本质是一种 解决方案
TCP/IP 协议能分层，前提是因为问题们本身能分层

3.3 TCP/IP 协议与操作系统的关系

宏观上，怎么实现！

所有的主机上面安装的OS可以不同，事实也就是不同。但是所有的主机上面的协议栈必须按照标准进行相同的实现，这就是为什么不同的主机，可以互相通信的秘密。

传输层最著名的协议就是TCP;
网络层最著名的协议就是IP;

而 传输层(TCP) 和 网络层(IP) 两层必须实现在内核中，无论OS再怎么不同，这部分大家必须遵守协议必须一样！

网卡就是底层硬件
数据链路层在驱动程序中
网络层和传输层被集中在内核中
应用层就在OS上层，由用户实现

整个协议栈，既涉及到硬件，又涉及到驱动，又涉及到OS，甚至用户。所以这个协议一定是需要IT各行业都要进行支持和配合的。

3.4 所以究竟什么是协议

截止到目前，我们还没接触过任何协议，但是如何朴素的理解协议，我们已经可以试试了。
OS 源代码一般都是用 C/C++语言写的。

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问题：主机 B 能识别 data，并且准确提取 a=10，b=20，c=30 吗

回答：答案是肯定的！因为双方都有同样的结构体类型 struct protocol。也就是说，用同样的代码实现协议，用同样的自定义数据类型，天然就具有”共识“，能够识别对方发来的数据，这不就是约定吗？

关于协议的朴素理解：所谓协议，就是通信双方都认识的结构化的数据类型
因为协议栈是分层的，所以，每层都有双方都有协议，同层之间，互相可以认识对方的协议。

网络购物，快递单的例子
比如我们在网上买了一个鼠标，其中会经过很多个快递站点，最后到我们手中，为了让快递员和分拣员们知道送往哪里，收件人是谁，商家在发快递的时候会贴一张快递单，这种快递单就相当于是一个协议，双方都能够认识，最后我们也会收到快递单(协议报头)和鼠标(有效载荷)！

🏳️‍🌈四、网络传播基本流程

4.1、局域网网络传输流程图

4.1.1 局域网(以太网为例)通信原理

首先回答，两台主机在同一个局域网，是否能够直接通信？ 可以
原理类似上课(任意的人都能够互相通信)
每台主机在局域网上，要有唯一的标识来保证主机的唯一性：mac 地址

4.1.2 认识 MAC

MAC 地址用来识别数据链路层中相连的节点;
长度为 48 位, 即 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)
在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac 地址通常是唯一的 (虚拟机中的 mac 地址不是真实的 mac 地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置 mac 地址).

Linux中使用命令查看MAC地址：

ifconfig # 查看和配置Linux系统中的网络接口

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后面我们详细谈论数据链路层的时候，会谈 mac 帧协议，此处我们做一个了解即可。

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以太网中，任何时刻，只允许一台机器向网络中发送数据
如果有多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞
所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免
没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域
局域网通信的过程中，主机对收到的报文确认是否是发给自己的，是通过目标mac 地址判定
这里可以试着从系统角度来理解局域网通信原理

初步明白了局域网通信原理，再来看同一个网段内的两台主机进行发送消息的过程

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而其中每层都有协议，所以当我进行进行上述传输流程的时候，要进行封装和解包

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注意：每一层往下加报头实际是入栈的过程，每一层往上解包实际是出栈的过程，因此称为网络协议栈！

下面我们明确一下概念

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报头部分，就是对应协议层的结构体字段，我们一般叫做报头
除了报头，剩下的叫做有效载荷
故，报文 = 报头 + 有效载荷

然后，我们在明确一下不同层的完整报文的叫法

不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在网络层叫做数据报 (datagram),在链路层叫做帧(frame).
应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装(Encapsulation).
首部信息中包含了一些类似于首部有多长, 载荷(payload)有多长, 上层协议是什么等信息.
数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部,根据首部中的 “上层协议字段” 将数据交给对应的上层协议处理.

最后，在整体复盘一下：
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在网络传输的过程中，数据不是直接发送给对方主机的 ，而是先要自定向下将数据交付给下层协议，最后由底层发送，然后由对方主机的底层来进行接受，在自底向上进行向上交付，上面是一张示意图。