Linux入门真经-040网络简述与网络硬件设备介绍

本文主要是介绍Linux入门真经-040网络简述与网络硬件设备介绍，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

网络技术是为了让计算机之间实现通信。计算机之间是需要“交流”的。否则，每个计算机就是一座孤岛，无法对外提供相关服务，也无法实现自我价值，最终会沦为自娱自乐的玩具。

就和人与人之间需要使用相同语言才能沟通一样，计算机之间也要遵循某种相同的协议，以便于理解对方发送过来的数据格式。

一般而言，两个主机之间交换数据时，这种数据都是流式数据。什么意思呢？比如主机A向主机B发送一个文件，这个文件会被抽成“丝”，变成二进制数据流（0101），有线网物理上以高低电压的方式传到另一端，无线网则以5GHZ或2.4GHZ的电磁波信号传递。

网络通信不仅仅是收发流式数据这么简单，还有很多亟待解决的问题。比如，B接收到A发来的流式数据，他如何将其还原为原来的文件？（数据的封装与解封）。如果数据传输过程中数据发生了丢失或错误怎么办？（纠错与重传机制）。如果发送方发得特别快，接收方来不及接收怎么办？（拥塞控制）。等等等等。。。。这些都需要一系列的协议去规范和约束。

现在网络世界的实际标准是TCP/IP协议栈（也成协议族）。它是一整个系列的协议，而非某个协议。为了解决计算机通信一系列复杂的问题，TCP/IP被分成了多个层次，每个层次负责解决不通类型的问题。有人认为TCP/IP分成了四层，有人认为分成了五层。但我个人认为这都没有什么问题。因为TCP/IP本身就不是一个设计非常规范的协议栈，层与层之间在具体实现的时候的界定比较模糊。相比之下，ISO组织推出的OSI七层模型则是一个非常规范的模型。但是这并不妨碍TCP/IP打败他并成为事实上的标准。至于OSI为何没有成为事实上的标准，众说纷纭：如TCP/IP已经流行已久、深入人心，若使用OSI对网络架构的改动工作量太大；OSI虽然规范，但在设计上过于冗杂，不便于软件的快速实现和高效运行，等等等等。不管如何，历史做出了他的选择。TCP/IP成为了实际的霸主，而OSI却成为了供初学者学习和理解网络分层理念的模型。

我们先介绍网络硬件设备，阐述现网架构。有了本节的基础，下一节学习分层模型事半功倍。另外，对于初学网络者，即使一开始看不太明白也没关系，前两篇写得较为宏观一些，是为了让读者对网络有整体认识。后面会将相关内容展开介绍。

1网卡与集线器

计算机对外通信依赖的接口设备是网卡。每一个网卡都有一个独特的标识，称之为为MAC。我们也叫他硬件地址，它出厂时就被烧录进ROM，理论上讲，全球每个网卡的MAC地址都是独一无二的。MAC由48位二进制数组成，由美国的ICANN机构注册分配。前24位MAC地址由ICANN分配给硬件厂商，后24位由硬件厂商自行分配。硬件厂商每向ICANN申请到一个24位的地址块，就意味着拿到了2^24个MAC号码（约1600万个）。

好的，计算机有了网卡，并且有了MAC这个标识，理论上就可以向其他计算机传输信号了了，尽管这种信号非常的底层。数据从A主机的MAC发往B主机的MAC。

但是需要通信的设备往往远远不止两台，这个时候我们就需要一个设备将他们连接起来，最早期的时候使用一种设备叫做集线器。设备的外观如下图

集线器的另一个功能是中继信号，因为网线有传输距离限制，超过一定的距离信号衰减很大，接线器可以起到中继信号并重新放大的作用，增加了通信距离

集线器有很大的毛病：

1、工作在半双工模式（不能同时收数据和发数据）。如果两台计算机同时对外通信，会发生冲突，只能等其中一方一次通信完毕，另一方才能对外通信。因此我们把集线器所连接的网络称为一个冲突域。集线器是一种分时复用的设备。

2、无差别的转发所有数据，也就是说，比如1口接收数据，但是集线器会转发到所有的端口，最后只有真正的接收这接收数据，其他人发现目的MAC不是自己，会把数据包丢弃，浪费带宽。

2交换机（switch）

出于以上原因，集线器慢慢被历史的潮流所淘汰，替换他的设备通常是交换机。如下图：

从外观上讲，交换机和集线器差不太多，但是交换机有着本质的提升：

1、继承了集线器的所有功能优点：中继信号，放大通信距离；完成设备互联

2、切割了冲突域，每一个端口都是一个冲突域，因此允许多个计算机同时对外通信

3、具有学习功能。能够记录各个终端的MAC地址，将他们存放在CAM表中（Content Addressable Memery）。这张表记录了：当我要去往某个MAC地址的时候，交换机应该向哪个口转发。因此当明确知道接收端MAC是多少时，直接从对应的端口转发，而不像集线器一样无脑全端口转发。只有CAM表中找不到对应的MAC地址时，才会向所有的端口转发，大大降低了网络带宽。

当CAM表中没有目的MAC的记录时，交换机会将数据从所有的端口全部发出去，以期望数据包能够到达对应的MAC。这样的行为我们称之为泛洪，泛洪所能到达的最大范围为一个广播域。全1的mac地址（FFFF-FFFF-FFFF）也能引发交换机的泛洪，任何终端都能接收，我们称其为广播地址。

试想一下，如果全世界的网络都用交换机连起来，那么如果目的MAC是一个不存在的地址，那岂不是全球的交换机都要疯狂地发送数据而不停歇了？这当然是不科学的。大量的广播资源疯狂的消耗带宽和网络设备CPU，我们把这种现象称为广播风暴。所以，我们需要采取一些措施将广播域切割成一小块一小块。路由器就是实现这样一种功能的设备。在路由器的基础上，网络具有了层次性，数据能够更好地去寻找接收方。

3路由器（router）

如上文所述，路由器切割了广播域。此时，以MAC为唯一通信标识的机制有时候就行不通了。比如我们看下面这幅图

路由器隔离了广播域，所以交换机1里必然没有MAC2的信息，交换机2里也必然没有MAC1的信息

当PC1知道PC2的MAC，想要和PC2通信时，由于交换机1里没有查到MAC2的信息，于是它广播泛洪，但是在广播域1的范围内并不能送达PC2，所以两台计算机没法通信。

所以跨广播域要实现通信，还得借助于另一个东西-----IP地址。

IP地址的出现并不是为了取代MAC地址，我们会在后面的小节去详细地介绍IP地址及相关协议。事实上，IP和MAC有着亲密无间的合作关系。

路由器通常用IP地址去标识每一个设备。

下一幅图来简述有了IP地址之后的通信过程。（此处我省略了非常多的通信细节。只是为了让你理解IP和路由器的作用，更细节的通信机制会在以后的小节详述）

如上图，路由器上与交换1相连的网卡IP地址为IP3，与交换2相连的网卡IP为IP4，PC1网卡的IP为IP1，PC2网卡的IP为IP2。IP可以跨广播域传播。

当PC1和PC2通信时，PC1一开始会企图去寻找IP2所对应的MAC地址，如果发现找不着PC2的MAC，它会企图把所有的数据发给IP3，此处我们就称IP3为PC1的网关。

IP3的接口和PC1同属一个广播域，PC1知道IP3对应的MAC是多少。PC1发送出的数据的目的MAC是MAC3，目的IP是IP2（PC2的IP）。数据经过交换1，交换1查找CAM表后把数据从与路由器相连的接口发出。

PC1将数据全部发到IP3之后，路由器会去查自己内部的一张表，我们称之为路由表。根据路由表他发现，如果要去往IP2，就从IP4所在的网卡发送出去。（这样一个动作我们称之为路由）。而且路由器IP4所在的接口与PC2同属于一个广播域，因此他知道IP2所对应的MAC是多少。因此数据从IP4所在的接口发出，目的IP是IP2,目的MAC是MAC2。

数据包经过交换2，交换2查到MAC2所在的接口，并把数据转发到了PC2。PC2成功接收。

遵循这样一种机制，交换机和路由器、MAC和IP协同工作，为我们实现了各个主机之间的通信与互联。

4套接字端口（socket port）

路由可以为我们实现不同广播域之间网络的互通，主机间的通信已经不成问题。那么我们接下来思考下一个问题：

我的电脑上同时开启了QQ、浏览器、微信。他们都要对外发送数据，我的电脑如何区分发出去或接收到的数据，哪些是QQ的，哪些是浏览器的，哪些是微信的呢？

这时候，套接字端口就起到作用了。

计算机本地会有一个叫做端口的软件概念。范围在1-65535。其中1-1024是知名端口，保留给一些一直的协议使用。比如，http默认使用80端口、https默认使用443端口等等。

大于1024的端口为非知名端口，可以由管理员指定分配给某个进程或者进程自行获取。

这样一来，进程发送数据时就可以指定往哪个IP的哪个端口发数据，接收方收到的时候，就知道要送给哪个端口所对应的进程。

5小结

总结一下

MAC：本地通信；范围：本地局域网（广播域内）；