7.网络原理之TCP_IP(上)

大家好，我是晓星航。今天为大家带来的是 网络原理之TCP_IP 相关的讲解！😀

1.网络基础

1.1认识IP地址

概念

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

作用

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

格式

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如： 01100100.00000100.00000101.00000110。

通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如： 100.4.5.6。

IP协议有两个版本，IPv4和IPv6。我们整个的课程，凡是提到IP协议，没有特殊说明的，默认都是 指IPv4。

IPv4数量=2^32，大约43亿左右，而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。对于全世界 计算机来说，这个数量是不够的，所以后来推出了IPv6（长度128位，是IPv4的4倍）。但因为目 前IPv4还广泛的使用，且可以使用其他技术来解决IP地址不足的问题，所以IPv6也就没有普及。

组成

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

• 网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
• 主机号：标识主机，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；

通过合理设置网络号和主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都是唯一的。

那么，如何划分网络号和主机号呢？

分类

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，如下图所示（该图出自 [TCPIP]）。

各类地址的表示范围是：

备注：主机最大连接数减去2，是扣除主机号为全0和全1的特殊IP地址。

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
• 本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输）， 对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通 信。

在上述的分类中，存在IP地址浪费的问题：

（1）单位一般会申请B类网络（C类连接主机数量有限），但实际网络架设时，连接的主机数量又常远 小于65534（B类连接主机数），造成IP地址浪费；同理，A类网络的IP地址也会造成大量的浪费。

（2）当一个单位申请了一个网络号。他想将该网络能表示的IP地址再分给它下属的几个小单位时，如果 在申请新的网络就会造成浪费。

为了解决以上问题，引入子网掩码来进行子网划分：

1.2子网掩码

格式

子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1 的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。

子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示，如以上子网掩码也可以表示为24。

作用

（1）划分A，B，C三类 IP 地址子网：

如一个B类IP地址：191.100.0.0，按A ~ E类分类来说，网络号二进制数为16位网络号+16位主机号。

假设使用子网掩码 255.255.128.0（即17） 来划分子网，意味着划分子网后，高17位都是网络位/网络号，也就是将原来16位主机号，划分为1位子网号+15位主机号。

此时，IP地址组成为：网络号+子网号+主机号，网络号和子网号统一为网络标识（划分子网后的网络号/ 网段）

（2）网络通信时，子网掩码结合IP地址，可以计算获得网络号（划分子网后的网络号）及主机号（划分 子网后的主机号）。一般用于判断目的IP与本IP是否为同一个网段。

对于网络通信来说，发送数据报时，目的主机与发送端主机是否在同一个网段，流程是不一样的。

对于网络通信来说，发送数据报时，目的主机与发送端主机是否在同一个网段，流程是不一样的。

计算方式

将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得 到的结果就是网络号。

将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。

示例：

1.3认识MAC地址

MAC地址，即 Media Access Control Address，用于标识网络设备的硬件物理地址。

• 主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡；其中每个网卡都有唯一的一个MAC地 址。
• 网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据。
• 硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；
• 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）
• 在网卡出厂时就确定了，不能修改。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。

特殊的MAC地址

广播数据报：发送一个广播数据报，表示对同网段所有主机发送数据报。广播数据报的MAC地址为： FF:FF:FF:FF:FF:FF

1.4一跳一跳的网络数据传输

对于以上经过的网络设备：

主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备；

路由器：即配有IP地址，又能进行路由控制；

节点：主机和路由器的统称；

集线器和二层交换机不会对数据报封装和分用，不算在下一跳设备。

对于网络数据传输，不是想象中那样，数据直接从源主机到达目的主机，而是类似在地图中，从A到B的 过程：

唐僧去西天取经，行程为长安、五指山、黑风山、女儿国……大雷音寺。

IP地址描述的是路途总体的起点和终点：

• 源IP就是整个行程的起点：长安；
• 目的IP对应为整个行程的终点：大雷音寺

而行进也必须一个地点一个地点的前进，由MAC地址来描述路途上每一个区间的起点和终点：

• 从长安到五指山，为一跳的区间，源MAC为长安，目的MAC为五指山；
• 从五指山到黑风山，为下一跳的区间，源MAC为五指山，目的MAC为黑风山。

1.5总结IP地址和MAC地址

• IP地址描述的是路途总体的起点和终点；是给人使用的网络逻辑地址。
• MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点，即每一跳的起点和终点；是给网络硬件设备 使用的网络物理地址。

1.6网络设备及相关技术

1.6.1集线器：转发所有端口

集线器是工作在物理层的网络设备，发送到集线器的任何数据，都只是简单的将数据复制并转发到其他所有端口。（端口指集线器后边的物理端口）

1.6.2交换机：MAC地址转换表+转发对应端口

交换机工作在数据链路层，交换机内部会记录并维护一张MAC地址转换表：

1. MAC地址转换表主要记录MAC地址与端口之间的映射。（端口指交换机后边的物理端口）
2. 主机连接到交换机，及主机发送数据的时候，交换机可以学习并记录该主机MAC地址与端口信息。
3. 交换机接收到数据报以后，在MAC地址转换表中，通过目的MAC查找到对应的端口，则目的主机 为该端口相连接的主机。只需要将数据报转发到对应端口上即可。

4. 以上是使用MAC地址转换表，通过目的MAC能找到对应端口的情况；如果找不到，交换机设置数 据报目的MAC为广播地址FF:FF:FF:FF:FF:FF，发送到其他所有端口，目的主机返回响应后，交换机 再记录该主机MAC与端口的映射信息。

1.6.3主机：网络分层从上到下封装

发送数据报时，发送端主机都需要先根据网络分层从上到下封装：

由“一跳一跳的网络数据传输”可知，以上：

• 源IP与目的IP标识整个路途的起点和终点；
• 源MAC与目的MAC标识了每一跳的起点和终点；

此时，需要根据发送端主机（源主机）与接收端主机（目的主机）是否在同一网段，来设置下一跳设 备：

• 源主机和目的主机在同一个网段时，下一跳设备就是目的主机；
• 发送端主机和接收端主机在不同网段时，发送端主机是无法知道目的主机在哪，此时会设置下一跳 设备为网关设备；

所谓网关，我们这里可以简单理解为，不同网段的网络互连时，需要使用网关设备。

通常的网关设备是路由器，可以划分公网和局域网（内网），同时还可以把局域网划分为多 个子网（不同网段）

Windows中，可以在网络设置中，更改适配器设置查看网关IP：

以上两种情况，下一跳设备IP地址都可以获取到，但该设备的MAC地址（即目的MAC）可能不知道，就 需要使用以下ARP寻址：

1.6.4主机&路由器：ARP缓存表+ARP寻址

首先，ARP是一个介于数据链路层和网络层之间的协议；ARP协议建立了IP地址与MAC地址的映射关系。

在数据链路层，寻找下一跳设备MAC地址的过程，称为ARP寻址：

（1）主机和路由器中都保存了一张ARP缓存表：通过IP地址可以找到对应的MAC地址。

（2）根据下一跳设备的IP地址，在ARP缓存表中能找到对应的MAC地址，则可以设置目的MAC并发送 数据报。

（3）如果找不到，则发送ARP广播数据报：目的MAC为广播地址，询问下一跳设备的MAC地址。

这个过程类似于QQ群喊话：张三（下一跳设备IP地址），我要给你发快递（发送数据报），请告诉我 你的收货地址（MAC地址）。

参见以下流程：

1.6.5路由器：路由+NAPT

路由器主要有两个作用：

（1）网关

路由器作为网关，可以划分公网和局域网，某些路由器还可以将局域网划分为多个子网（不同网段）

公网端口即WAN口，为单独的网卡，具有公网IP地址和公网MAC地址。

划分的多个子网，是由局域网端口即LAN口划分，每个端口都有单独的网卡，具有该网段IP地址和 MAC地址。

了解：家庭用的路由器不能划分局域网子网，企业级专业路由器才能划分。

路由器作为网关：

1. 划分局域网多个子网时，可以直接通过ARP寻址找到局域网任意主机。（这里的局域网就是路由器 下的多个子网组成的局域网）。
2. 划分公网和局域网时，局域网内主机发送数据报到公网主机时，需要基于NAPT协议，将局域网主 机的IP地址和端口号，转换为路由器公网IP和端口号（指路由器中运行的程序的端口）。

局域网IP+端口需要转换为公网IP+端口，原因是接收端返回的响应数据报，目的IP和目的端 口无法使用局域网IP和端口。

（2）路由

所谓路由，即在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线；

网络通信（网络数据传输），路由器中的路由功能，就类似于规划路线，往哪个方向行进能更快到达目的地。

以下为北京教堂部分地图，可以看到，从新街口到中国美术馆附近，路线2比路线1更近；路由就是规划类似行进路线：

1.7冲突域

主机之间通过网络设备（集线器、交换机）的物理端口、网线相连时，两个主机在同一时刻同时发送数 据报，如果存在冲突，则该网络范围为一个冲突域（Collision Domain）。

冲突域是基于第一层物理层，又称为碰撞域。

所谓的冲突，类似两个人（主机）在一个房间（网络范围）同时说话，导致房间内其他人无法听清 讲话的内容，即产生了冲突。

冲突域中的网络通信，要解决冲突，就得按时间顺序来发送多个数据报：同一时刻，网络设备只能 接收并转发一个数据报，多余的会丢弃，让发送端主机重新发送。

• 集线器接收到数据报后，是将数据报简单的复制、转发到其他所有端口，如果有两个数据报要同时 转发，就会出现冲突。整个集线器，即集线器的所有端口为一个冲突域。

• 交换机接收到数据报后，是将数据报转发到对应的一个端口：两个数据报同时转发到不同端口不存 在冲突，但同时转发到一个端口就出现冲突。即交换机可以分割冲突域，分割后，一个端口为一个冲突域。

1.8广播域

广播是指某个网络中的主机同时向网络中其它所有主机发送数据（IP、MAC地址设置为广播地址），这 个数据所能传播到的范围即为广播域（Broadcast Domain）。

广播域基于第二层数据链路层。

• 集线器接收到广播数据报，仍是简单的复制、转发到其他所有端口，所以集线器的所有端口为一个 广播域。

• 交换机接收到广播数据报，会转发到其他所有端口；而路由器可以隔离广播域

路由器某个LAN口网卡接收到广播数据报，如果发现是同网段，则丢弃，即广播数据不会扩 散到路由器以外。

2.网络数据传输流程

2.1局域网传输流程：集线器

使用集线器网络互联的情况下，发送端主机发送数据包时，需要先从上到下封装数据报。但封装时，目 的MAC可能并不知道，需要先进行ARP寻址：

（1）发送端在本机ARP缓存表中，根据目的IP查找对应的MAC地址

（2）如果找到，则可以在数据链路层以太网帧头中，设置目的MAC并发送数据包

（3）如果没有找到，需要先发送ARP广播请求，让接收端，即目的主机告诉自己，目的MAC是多少

（4）发送端更新本机ARP缓存表：保存目的IP与目的MAC的映射

（5）有了目的MAC，就可以按照第（2）个步骤发送数据了。

以下为本机ARP缓存表能找到目的MAC的流程：

涉及的知识：封装，集线器转发， ARP寻址

如果本机ARP缓存表中找不到目的MAC，则需要先发送广播请求：

涉及的知识：ARP寻址，ARP广播

2.2局域网传输流程：交换机

涉及的知识：交换机MAC地址转换表

2.3局域网传输流程：交换机+路由器

涉及的知识：子网掩码，网关

2.4广域网数据传输流程

涉及的知识：DNS，NAPT，路由

2.5作业

请说明浏览器中输入www.baidu.com后，发生的事情，越详细越好。

这是一个经典的面试题，没有固定答案。

参考： 将以上广域网数据传输流程说明，并在后续Web课程学习后，补充说明Web服务器内部的工作流程。

3.应用层重点协议

我们主要学习TCP/IP四层模型中的重点网络协议

3.1DNS

DNS，即Domain Name System，域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统。

TCP/IP中使用IP地址来确定网络上的一台主机，但是IP地址不方便记忆，且不能表达地址组织信息，于是人们发明了域名，并通过域名系统来映射域名和IP地址。

域名是一个字符串，如 www.baidu.com ， hr.nowcoder.com

域名系统为一个树形结构的系统，包含多个根节点。其中：

1. 根节点即为根域名服务器，最早 IPv4的根域名服务器全球只有13台，IPv6在此基础上扩充了数量。
2. 子节点主要由各级DNS服务器，或DNS缓存构成。
   1. DNS域名服务器，即提供域名转换为 IP地址的服务器。
   2. 浏览器、主机系统、路由器中都保存有DNS缓存。
   3. Windows系统的DNS缓存在 C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts 文件中， Mac/Linux系统的DNS缓存在 /etc/hosts 文件中。

网络通信发送数据时，如果使用目的主机的域名，需要先通过域名解析查找到对应的IP地址：

• 域名解析的过程，可以简单的理解为：发送端主机作为域名系统树形结构的一个子节点，通过域名信息，从下到上查找对应IP地址的过程。如果到根节点（根域名服务器）还找不到，即找不到该主机。
• 域名解析使用DNS协议来传输数据。DNS协议是应用层协议，基于传输层UDP或TCP协议来实现。

当前要求网站的域名不能重复。(保证唯一性)全世界这么多网站，如何保证唯一呢？？？
有 一级域名的 DNS 服务器，还有 二级域名，三级域名…

3.2NAT

3.2.1技术背景

之前我们讨论了，IPv4协议中，IP地址数量不充足的问题

NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能；

• NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术 方法:
• 很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全 局IP；
• 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的；

3.2.2NAT IP转换过程

• NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37；
• NAT路由器收到外部的数据时，又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10；
• 在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表；
• 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系；

3.3NATP

那么问题来了，如果局域网内，有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中， 目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？

这时候NAPT来解决这个问题了。使用IP+port来建立这个关联关系

这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成这个表项； 在断开连接后，就会删除这个表项

3.3.1NAT技术的缺陷

由于NAT依赖这个转换表，所以有诸多限制：

• 无法从NAT外部向内部服务器建立连接；
• 转换表的生成和销毁都需要额外开销；
• 通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开；

3.4HTTP/HTTPS

HTTP及HTTPS是应用层重点协议，我们会在Web开发中学习。

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