计算机网络（一）——互联网层

计算机网络，顾名思义，是由若干链路组成的，这些链路结点可以是计算机，集线器，交换机或路由器等；网络和网络之间可以通过路由器进行互联，这就是互联网的由来，而因特网就是最大的互联网；网络的存在是将许多计算机连接在一起，而因特网的存在是将许多网络连接在一起；网络的主要功能是让不同的主机之间进行数据的通信，实现大范围的资源共享；计算机之间的数据通信是通过接口来实现的；

因特网的组成部分分为边缘部分和核心部分；边缘部分为网络中的各个主机组成，核心部分是由连接这些网络的路由器组成，为边缘部分的主机提供服务；

计算机网络之间的通信是一个十分复杂的问题，为了实现计算机之间的通信，人们提出了关于是各种计算机能够在世界各个范围内通信的开放系统互连基本参考模型OSI/RM；只要遵循OSI定律的计算机，就可以在世界任何一个地方进行通信；OSI的七层协议由底向上为物理层，数据链路层，网络层，运输层，会话层，表示层，以及应用层；其中运输层是为了协调上三层与下三层之间的关系，上三层是资源子网，实现了资源共享的功能，下三层是通信子网，实现了数据通信的功能；层次结构实现了下一层的协议为上层提供服务，要实现本层的协议，还需要下一层协议所提供的服务；OSI的协议实现太过复杂，且运行效率太低，层次划分不够合理，有些功能在多个层次中出现，这些都是导致OSI协议失败的原因；但这不妨碍我们去了解一下关于这老牌的通信协议OSI；

OSI协议：

物理层：其作用是尽可能的屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使上层的数据链路层没有感觉到这些差异；物理层还可以通过使用信道复用技术，如频分复用，时分复用，和统计时分复用等，节省系统资源；

数据链路层：其主要使用的是点对点通信以及广播通信，首先将一段数据封装成帧，进行透明传输处理，进行差错检测，若无差错则将数据从数据链路层发往网络层；

网络层：主要是为了网上不同主机提供通信服务，以及选择合适的路由，使从运输层传下来的数据能够通过合适的路由找到目的主机；

运输层：屏蔽上三层与下三层的细节，上三层不需要理会下三层是如何实现，反之亦然；起到一个纽带的作用；在传输层将数据分为更小的数据段，以此实现更可靠的数据传输机制，防止资源狼粪；可以进行虚电路机制，流量控制等功能；

会话层：会话层定义了如何开始结束一个会话；

表示层：编码和解码，加密和解密，压缩和解压缩；表示层是为了统一数据格式；确保某一个系统应用层所发送的信息能够正确的理解；

应用层：应用层是与其他计算机进行通信的一个应用，他是对应应用程序的通信服务；

OSI的七层协议的概念虽然清楚但却不够实用；反之TCP/IP协议是一个四层的体系结构，它包含着应用层，运输层，网络层，网络接口层；

在这里先讲解一下关于网络层的主要功能；网路层负责为不同的主机传递信息，在TCP/IP协议，网络层将数据封装成IP数据报的形式进行传输；在网络层所具有的协议有ARP，RARP,ICMP,IGMP；IP协议需要依赖于ARP与RARP协议所提供的服务，而ICMP,IGMP协议的实现需要依赖于IP协议；

ARP协议是一种地址解析协议，将描述范围的逻辑地址转化为具体描述的物理地址；

RARP协议则与ARP协议相反，是将具体描述的物理地址转化为描述范围的逻辑地址；

IGMP：完成互联网多播通信的协议；

ICMP：用于在IP主机与路由器之间传递控制消息；

IP：

IP地址一共32位二进制构成，由两部分组成，网络位部分以及主机位部分，根据不同类型的IP地址网络号与主机号之间的分配存在变化；

A类IP地址：第一位二进制位必须为0，网络位有八位，主机位有24位；

B类IP地址：前两位二进制位必须为10，网络位为16位，主机位为16位；

C类IP地址：前三位二进制位必须为110，网络位为24位，主机位为8位；

D类IP地址：前四位二进制位必须为1110，网络位为32位，通常用于组播通信，不给主机用；

E类IP地址：前四个二进制位必须为1111，保留用于科学研究；

IP地址

A类

00000000 00000000 00000000 00000000-011111111 11111111 11111111 11111111

0.0.0.0-127.255.255.255

第一个8位组全为0的，是无效的IP，因为其表示整个IP地址栈；

第一个8位组，除了第一位以外全部为1，称为环回地址；两者皆非有效地址；

所以A类地址可指派的网络位有2^7-2；可指派的主机位有2^24-2

B类：128.0.0.0~191.255.255.255

10000000.00000000.00000000.00000000

10111111.11111111.11111111.11111111

C类：192.0.0.0~223.255.255.255

11000000.00000000.00000000.00000000

11011111.11111111.11111111.11111111

D类：224.0.0.0~239.255.255.255

11100000.00000000.00000000.00000000

11101111.11111111.11111111.11111111

E类：240.0.0.0~255.255.255.255

11110000.00000000.00000000.0000000

11111111.11111111.11111111.1111111

IP地址适用于点分十进制表示法：

1.将32位的IP地址位，以8位为一组，共划分为4组；

2.每一组之间使用"."符号进行分隔；

3.将每个8位组转换为十进制表示；

如：10000000 00001011 00000011 00011111

128 11 3 31

IP地址2：

保留地址：不能选择为其他主机配置使用的IP地址；

0.0.0.0-0.255.255.255

127.0.0.0-127.255.255.255

自动分配地址段：

169.254.0.0-169.254.255.255

网络地址：主机位全为0的地址；

1.0.0.0：表示一个范围的名称；

广播地址：主机位全为1的地址；

1.255.255.255：作为目的地址代表整个网段中的所有IP地址；

定向广播地址：往这个地址发送数据，所有主机都可收到；

255.255.255.255

IPv4：的地址总数：2^32=42亿9400万

去除的IP地址：

D类和E类：5亿

0和127网段的地址：3500万

169，254的网段地址：65536

网络地址：126+16384+209万

广播地址：126+16384+209万

可以分配给主机使用的IP地址为36亿

为了解决IP地址枯竭的问题，人们采用了私有地址与公有地址转换的方式来提高IP地址利用率，减少IP地址的消耗；

私有地址：可以在不同互联网中使用；

公有地址：可以在互联网中使用但地址必须唯一；

NAT：地址转换；

SNAT：源地址转化；使用公有IP地址替换私有IP地址，但用户需要访问另一个网络时可以通过将私有IP地址转化为公有IP地址进行访问；在多个网络中进行访问的公有地址，若想访问一个网络，需要将公有地址的外壳换成私有地址，才能在该网络中使用；

DNAT：目的地址转换，使用私有IP地址替换数据包中的公有IP地址；

IP数据报：

IP数据报的格式能够说明IP协议都具有什么功能，一个数据报由首部和数据两部分组成，首部的固定长度共20个字节，下面介绍各个字段的含义；

（1）版本：4位，指IP协议的版本，通信双方所使用的IP协议必须一样；

（2）首部长度：4位，表示首部的长度，首部长度最少20字，最多达60字；

（3）区分服务：8位，用来获得更好的服务；

（4）总长度：16位，表示包括首部的整个数据报的长度；

（5）标识：16位，标识数据来源以及由哪个数据分片得来的；

（6）标志：3位，最低位记为MF标志后面是否还有分片，中间位DF标志该数据段是否不能分片，最后 一位无意义；

（7）片偏移：13位，较长的数据段通过分组成多个片，某片在分组中的相对位置；

（8）生存时间：8位，表明数据报在网络中的寿命；

（9）协议：8位，协议字段表示该数据段使用的是哪种协议；

（10）首部检验和：16位，这个字段只检验首部，不检验数据部分；每经过一个路由器，都要重新检 验一个首部检验和，因为首部可能会发生变化；

（11）源地址：32位，发送方地址；

（12）目的地址：32位，接收方地址；

使用IP地址：

使用IP地址进行数据的通信，最基本的就是要知道两个进行通信的主机的源地址和目的地址，在这里讲述一下如何获得通信双方的源地址以及目的地址;

源IPv4地址，发送数据的主机上配置的IP地址；

源IPv4的配置方式：

手动配置：

手动配置必须要对各个IP地址非常了解，避免IP地址选择错误，这种方式定义的IP地址虽然精确到 位，但也容易发生手误，这在某些特殊环境中是不被允许的，所以不建议使用；

自动配置：

BOOTP：启动协议，这种协议下分配的IP地址其周期是永久的，即主机分配的IP地址永久使用，不更改

但这种情况的弊端也很明显，那就是浪费IP资源，针对目前世界IP地址匮乏的环境下，这种浪费资源 的做法并不可取；

DHCP：动态主机配置协议；这个协议下所分配的IP地址,并不是永久分配给一个主机使用的，它存在 着"租约"协定，即当分配一个IP地址后，由服务器给定一个租约时间，当租约到期时，视情 况而定是否续租，或者不再使用这个IP地址；当到达租约的50%时，主机就会向分配此IP地址的 服务器发出续租请求，发送三次仍没有回应时放弃，当到达租约的87.5%时，广播信道，看是否 有服务器能够提供与当前使用的相同的IP地址，若有则建立联系，若无则在IP地址租约满时， 放弃此IP地址，采用其他IP地址；

DHCP协议客户端地址的租借过程--四线会话

①客户端发送DHCP Discover消息，搜索当前网络中的服务器是否有合适的IP地址给主机使用；

②接收到DHCP Discover的服务器查看自身的地址池中是否有合适的IP地址，若有则将该IP地址的信 息，封装到DHCP Offer中发送给客户端；

③客户端接收到的第一个DHCP Offer的消息作为IP地址的首选，因为第一个到达的，他的服务器的效 率较高，在续租时也会容易些；客户端接受到后，发送DHCP request的消息给服务器，表示可以使用 此IP地址；

④提供IP地址的服务器收到DHCPRequest消息后，将IP地址和对应主机的物理地址临时绑定；并且开始 租约计时；发生DHCP ACK确认消息；不是提供该IP地址的服务器收到DHCP Request，将该IP地址重新 放入地址池中，并给客户端发送DHCP NAK消息，非确认消息；

配置目的IP地址：

手动解析：在地址栏中直接指定目标的IP地址，不过这种形式，要记住几种常用的IP地址还行，若是 大量的IP地址，则明显不适用；

自动解析：

DNS协议：使用域名的方式代替IP地址，解析域名获得其IP地址并跳转；在DNS服务器上保存在特定 的域名和IP地址的映射关系；可以完成地址解析的任务；

正向解析协议：将域名解析成IP地址进行跳转；

反向解析协议：将IP地址解析成域名进行跳转；

DNS解析的结果会还存在本地服务器中，需要我们网卡配置中开启才可使用；