Linux网络基础全面解析：从协议分层到局域网通信原理

Linux系列

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前言

Linux系统部分的学习告一段落，接下来我们将步入Linux网络部分。在本篇文章里，我们会着重介绍网络部分的基础概念，助力大家搭建起初步的知识框架。不过，本文不会对知识点进行深入剖析。

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一、计算机网络背景

特别声明：为了让逻辑自洽，以便大家更好理解，下面的故事是编的，大致方向是没错的

1.1 认识网络

我们知道，计算机最初被应用于军事领域，用于处理海量数据。那时，每台计算机都是独立运行的个体。想象一下，在一个军事指挥中心，有情报分析人员要整理数据、审核人员要核对数据准确性、战术研究人员要依据数据开展模拟实验等。这些工作理论上可以同时进行，但由于计算机之间无法传输数据，他们只能依次等待，原本可以并行开展的任务，变成了按顺序逐个执行。这就凸显出问题：当多人需要基于同一份数据协同工作时，数据难以转移成为极大阻碍。正因如此，网络的诞生成为必然，它打通了数据流通的壁垒，让协同作业得以高效实现。

基于上述需求，网络应运而生。起初，计算机之间通过线缆连接，实现信息传输。随着应用场景的拓展，“服务器”的概念诞生。各计算机能够将自身数据上传至服务器，当其他主机有需求时，可直接从服务器将数据拉取到本地。如此，最初的局域网雏形便形成了。

随着计算机技术的进步，各类实验室开始部署小型计算机网络用于学术研究。然而，不同实验室的网络之间无法直接传输数据，导致学术成果难以高效共享，严重制约了协作效率。

为打破这种信息孤岛，将不同实验室的局域网连接起来实现跨网络传输的需求日益迫切。在历史进程中，各个实验室的子网逐渐互联，这种子网的集联催生出规模更大的网络-------广域网。与此同时，新的问题随之涌现：

• 地理距离限制：当两个实验室位于不同楼层或楼宇时，会面临信号衰减等
• 设备定位难题：跨网络传输时，如何精准识别数据该发往哪个实验室的哪台设备

为解决这些问题，能够连接不同子网的路由器、交换机等网络设备应运而生（具体原理后续章节详细解析）。

1.2 认识协议

协议的本质是一种规则性约定，其诞生旨在解决网络通信中的各类实际问题。数据在网络传输过程中可能面临以下核心挑战：

• 传输可靠性：如何确认数据是否成功抵达目标主机；
• 数据处理逻辑：接收方如何解析和处理收到的数据；
• 路径寻址准确性：如何确保数据按正确路径传输至下一个节点。

通过预先约定“成功标识”“数据接收确认机制”等规则，不仅能降低主机间的通信成本，更能显著提升交互效率。计算机间的通信依赖光信号或电信号，通过频率高低和信号强弱来编码二进制信息（0和1）——这正是网络协议的核心价值之一。

协议部分后续的文章我们会详细介绍

二、网络协议初识

2.1 协议分层

接下来我们通过下面示例进一步了解协议：

日常打电话时，我们是通过接口与电话机交互。电话机依据底层协议，将信息传递给另一部电话机，随后这部电话机再经接口把信息传达给对方用户。从本质上看，这一过程是人与电话的沟通，但在逻辑层面，我们常觉得是人与人、电话与电话在交流。

打电话时，我们开口说的第一声“喂” ，类似于语音层通信中的一次握手。在这个过程中，人们并不在意电话之间遵循的协议，电话也无需理会人与人交流使用的语言（汉语、英语）。这便是协议分层的优势体现：层与层之间低耦合、高内聚，各层专注自身功能，互不干扰 。
网络通信也使用了协议分层思想， 在这个例子中, 我们的协议只有两层，但是实际的网络通信会更加复杂, 需要分更多的层次，为了实现解耦，会在每一层都提供对应的协议，下面我们来学习一下。

2.2 OSI七层模型

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OSI（国际标准化组织）是网络协议制定领域极具权威性的机构，网络分层标准由其制定。基于网络分层需求，OSI构建了七层网络模型，自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层 。

2.3 TCP/IP协议栈

由于部分层次的功能复杂庞大，难以完全融入操作系统，在工程实践中，网络协议的分层结构最终被简化为五层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，会话层与表示层未被直接纳入协议架构。不过，在代码编写过程中，开发者会发现，尽管这两层未在底层协议中明确体现，但在实际编程实现中是不可或缺的。通常，会话层与表示层的功能并非由操作系统内核实现，而是由上层应用程序来完成 。

在操作系统里，网络层和传输层是尤为关键的两层协议。传输层中最具代表性的协议是TCP（传输控制协议），网络层中则是IP（网际协议） 。

物理层：负责光/电信号的传输方式。像常见的以太网网线、光纤，以及如今WiFi无线网借助的电磁波等，都属于物理层范畴。 它决定了网络的最大传输速率、传输距离和抗干扰能力等。集线器（Hub）就工作在这一层。

数据链路层：主要处理设备间数据帧的传送与识别。涵盖网卡驱动、冲突检测。存在以太网、令牌环网、无线LAN等标准。交换机（Switch）工作于此层。

网络层：承担地址管理和路由选择任务。以IP协议为例，用IP地址标识主机，通过路由表规划主机间数据传输路径（路由）。路由器（Router）工作在网络层。

传输层：负责实现两台主机间的数据传输。比如传输控制协议（TCP），能保障数据从源主机可靠发至目标主机。

应用层：负责应用程序之间的通信，像简单电子邮件传输、文件传输协议等。网络编程很多时候针对的就是应用层。

2.4 网络协议栈与OS的关系

在之前我们学习了，Linux系统部分的知识，而今天我们把网络协议栈也有了大致了解，那么这两个又存在什么样的对应关系呢？

在整个协议栈体系中，网络层与传输层的核心功能均由操作系统内核实现（即内置在操作系统底层架构中），当主机A通过网络向主机B发送数据时，本质上是用户A与用户B通过网络进行通信。在此过程中，数据必须通过网卡才能发送至网络，而用户无法直接访问硬件设备，因此数据需在协议栈中逐层传递，这一过程会贯穿整个网络协议栈。同理，用户B若想获取A发送的数据，必须由网卡接收数据，再经过逐层解析与转换，最终才能获取数据。所以网络通信的本质就是在访问硬件！！
但是我们的数据要想贯穿协议栈就必须访问操作系统，而操作系统又不允许用户直接访问操作系统，所以， 我们对应的系统在网络层就必须给我们提供系统调用！！！ 而开发者根据系统调用， 就能开发出各种各样的应用协议。

2.5 网络协议在网络传输时的作用

我们已经了解到，在网络协议栈的分层结构中，每一层都有对应的协议，而协议的核心作用是解决网络通信中的各类问题。接下来，我们通过一个的例子来模拟网络通信过程，直观呈现协议所发挥的关键作用：

每一层，具有下滑线的为该层的有效载荷，新添加的为报头，报文=报头+有效载荷
当客户A在给服务器发送“你好”请求时，该数据需要贯穿协议栈到达网卡进入网络，为了保证数据安全高效的传递，在网络协议栈的每一层，我们都会给该数据添加一些报头（专业名词），如：应用层：添加软件版本号、传输层：添加数据序号（防止传输过程中，数据紊乱）等。当接收方收到数据后，会对该报文逐层解包，并将解包后的报文再次传递给上层，在通信双方看来，各自都是在和对方对应的网络层直接通信，并不关心他的上一层，或下一层具体做了什么事。

在网络协议栈的分层结构中，每一层添加的报头本质上多为结构体对象。由于不同主机遵循同一协议标准，共享相同的结构体定义，因此接收方能够识别发送方添加的报文格式，并完成解析工作。这一机制确保了异构设备在网络中实现标准化通信。

我们还能发现， 当我们的数据包到达目标主机的时候， 从底向上的交付的过程， 其实就是去掉报头的过程。 我们把它， 叫做解包， 而通信的过程， 本身就是做不断地封装和解包的过程！
此处示例为方便理解每层只展示了一个协议，但实时上同一层存在许多协议
为此我们还需要知道下面两个实现思想：
第一个问题：
若直接将碗中水倒入水桶则无法分离，但若用瓶子装水再放入水桶，取瓶即可分离。
类比协议：每层协议封装时需用报头（如瓶身）标记载荷边界，便于接收方逐层解包（如取瓶倒水），实现报头与载荷分离。

第二个问题：
瓶身若标注“饮用”（类似报头信息），水桶管理者会将瓶中水分给“饮用水区”而非“浇花区”。
类比协议：报头需标明载荷归属的上层协议，确保数据精准分发给对应模块，即“分用能力”。

总结：
1、任何协议都必须提供，一种将报文和有效载荷分离的能力。
2、任何协议都要在报头中提供，决定将自己的有效载荷交付给上层哪个协议的能力。

三、网络通信

接下来我们以，以太网通信（局域网）为例，具体介绍

这是一间教室，老师正在给同学们上课。班级里有很多学生，其中有两位同学分别叫张三和李四。

当老师说“张三，站起来，你作业写没写”时，全班同学都听到了这句话，但只有张三会站起来。为什么李四没有反应？因为同学们在听到老师的“报文”后，会提取其中的关键信息——老师喊的是“张三”而非自己的名字，因此判断该消息与己无关，便将其“丢弃”了。

随后，张三回答：“老师，我交给您了，您忘记了。”这时全班同学又都听到了这句话，但其他同学（如李四）不会回应，因为他们意识到这是张三与老师之间的对话，并非针对自己。于是，其他同学再次将这条消息“丢弃”，只有老师会处理并回应张三的回答。

在这个场景中，老师和张三都认为彼此在直接沟通，但实际上全班同学都接收到了通信内容。只不过其他同学通过“提取报文中的目标标识”（如名字），判断自己并非接收方，从而忽略了消息。这种“一对多广播发送，但接收方仅处理目标为自己的消息”的模式，正是局域网（如以太网）的通信原理——数据在局域网中广播传输，每个设备通过解析报头中的目标地址（类似“名字”），决定是否处理该数据。在主机间通信时每个主机都已Mac地址作为自己的名字，该地址存在于数据链路层的报文中。

当主机H1向主机H10发送数据时，数据会以帧的形式通过以太网进行传播。在此过程中，H2、H3、H4等局域网内的所有主机都会接收到该帧，并对其进行解包处理。这些主机会首先检查帧头部中的目标MAC地址，发现该地址并非自己的MAC地址后，便会将整个帧丢弃。而H10主机在接收到该帧后，同样会对帧头部进行检查，当其发现目标MAC地址与自己的MAC地址相匹配时，就会将该帧的数据部分向上传递至网络层，随后再逐层进行解包处理，最终将数据交付给对应的应用程序。这就是以太网中主机的通信原理。

在局域网环境中，多台主机同时发送消息时，可能会引发数据碰撞问题在以太网中，当光电信号发生碰撞时，波形会紊乱，导致信息混乱。若想干扰局域网正常通信，一种简单的方式是持续向网络中发送垃圾信息，使其与正常信息频繁碰撞。

为解决这一问题，发送数据的主机需执行碰撞避免算法（由以太网驱动程序实现）。其核心原理是：当检测到碰撞发生时，主机暂停发送并随机延迟一段时间后重新尝试，通过“错峰发送”降低再次碰撞的概率。

局域网通信的安全隐患与应对

1. 数据明文（裸漏、不加保护）传输风险
   当主机H1向H10发送数据时，信息会以明文形式在局域网中传播。理论上，其他主机（如H2）虽默认会丢弃非目标帧，但通过将网卡设置为混杂模式（非正常工作模式），可强制接收并解析所有流经的数据帧。此时，若数据未加密，H2等主机便可窃取并读取通信内容。

2. 数据加密的重要性
   应对上述风险的有效手段是上层数据加密。例如，在应用层对数据进行加密处理后，再将密文传递给下层协议栈。即使数据在局域网中被截获，攻击者也难以破解加密后的内容。反之，若数据全程以明文形式传输（未加密），则存在极高的信息泄露风险。

总结

局域网的碰撞问题可通过驱动层的算法优化缓解，而通信安全的核心在于数据加密——通过上层协议对数据“加密保护”，即使我们的数据被非法窃取，也不会出现安全风险。