文章目录

一、操作系统基础
二、网络通信原理
- 2.1 为什么要有网络：
- 2.1 互联网的本质就是一系列的网络协议
- 2.2 OSI七层协议
三、tcp/ip五层模型讲解
- 3.1 物理层
- 3.2 数据链路层
- 3.3 包、帧、数据包、段、消息
- 3.4 网络层
- - 3.4.1 IP协议：
  - 3.4.2 IP地址的表示方法
  - 3.4.3 常用IP地址的指派范围
  - 3.4.4 IP地址和硬件地址
  - **3.4.5 子网掩码**
- 3.5 ARP协议(Address Resolution Protocol) 地址解析协议
四、总结

一、操作系统基础

操作系统:(Operating System，简称OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。
注：计算机(硬件)－>os－>应用软件

二、网络通信原理

2.1 为什么要有网络：

打破了地域上数据传输的限制
提高信息之间的传输效率，以便更好的实现”资源的共享

2.1 互联网的本质就是一系列的网络协议

一台硬设有了操作系统，然后装上软件你就可以正常使用了，然而你也只能自己使用像这样，每个人都拥有一台自己的机器，然而彼此孤立

如何能与其他网络的电脑通信

然而internet为何物？
其实两台计算机之间通信与两个人打电话之间通信的原理是一样的（中国有很多地区，不同的地区有不同的方言，为了全中国人都可以听懂，大家统一讲普通话），而英语可以成为世界上所有人通信的统一标准，如果把计算机看成分布于世界各地的人，那么连接两台计算机之间的internet实际上就是一系列统一的标准，这些标准称之为互联网协议，互联网的本质就是一系列的协议，总称为‘互联网协议’（Internet Protocol Suite).
互联网协议的功能：定义计算机如何接入internet，以及接入internet的计算机通信的标准。
网络的本质：一系列通讯协议+基础硬件设施

2.2 OSI七层协议

互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层（OSI（Open System Interconnect 开放式系统互联参考模型）。国际标准化组织ISO(International Organization for Standardization)
网络模型介绍
在计算机网络中有著名的OSI七层协议体系结构，概念清楚，理论完整，但是它既复杂又不实用。TCP/IP体系结构则不同，得到的广泛的应用。最终结合OSI和TCP/IP的优点，采用了一种只有五层协议的体系结构，本文的讲述的IP都是基于五层协议模型中的网络层。

每层运行常见物理设备：

OSI七层协议数据传输的封包与解包过程
封包与解包过程

各层常见的协议如下：

三、tcp/ip五层模型讲解

我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，搞清楚了每层的主要协议就理解了整个互联网通信的原理。
首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于上一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解，每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件

3.1 物理层

物理层由来：孤立的计算机之间要想彼此连接，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网

物理层功能：定义物理设备的标准，如网卡网线，传输速率；最终实现数据转成电信号。基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0（将上一层传递的数据转换成二进制传输）

3.2 数据链路层

数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思。数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

Ethernet以太网协议：早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet。

ethernet规定：一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’
每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

head	data

head包含：(固字定18个节)

发送者／源地址	6个字节
接收者／目标地址	6个字节
数据类型	6个字节

data包含：(最短46字节，最长1500字节)
数据包（帧）的具体内容:
head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

但凡接入互联网的主机必须有一块网卡，网卡烧制了全世界唯一的MAC地址；

3.3 包、帧、数据包、段、消息

以上五个术语都用来表述数据的单位，大致区分如下：
数据包可以说是全能性术语；
段：则表示 TCP 或 UDP 数据流中的信息；
包：是 IP 等网络层以上的分层中包的单位；
帧：用于表示数据链路层中包的单位；
消息是指应用协议中数据的单位。
每个分层中，都会对所发送的数据附加一个首部，在这个首部中包含了该层必要的信息，如发送的目标地址以及协议相关信息。通常，为协议提供的信息为包首部，所要发送的内容为数据。在下一层的角度看，从上一层收到的包全部都被认为是本层的数据。

mac地址：
head中包含的源地址和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址。
mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制（6Bytes），通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）
广播：
有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）。ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼

3.4 网络层

网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难。

上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关。

网络层功能：引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址

3.4.1 IP协议：

规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示（4Bytes），范围0.0.0.0-255.255.255.255
一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1
ip地址分成两部分

网络部分：标识子网
主机部分：标识主机

主机位全为零表示子网或网段地址, 主机位全为1表示该网段的广播地址

注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网。例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网,一个合法的ipv4地址组成部分=
ip地址/子网掩码。在线子网计算器

3.4.2 IP地址的表示方法

IP地址就是给英特网上的每个主机（路由器）的每个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标识符。其组成第一个字段是网络号，第二个字段是主机号。一个主机号在前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的，所以一个IP地址在整个网络中都是唯一的。目前分为A、B、C、D、E 五类IP地址。

在A、B、C 三类地址中灰色的部分即为网络号，网络号的前三位是类别位，分别是0,10，110。也就是说我们可以凭借这个类别位置来判断网络类别。
32位的总长度，由于A、B、C 三类网络号的长度的不同，导致A、B、C 类地址的主机号字段的字节数分别为3、2、1（一个字节8位）。
D 类地址的网络号为1110，用于多播（一对多通讯）。E 类地址的网络号为1111，保留以后使用。
因此我们一般使用的就是ABC三类网络地址，IP地址是32位的二进制代码，为了提高可读性，把32位的IP地址中的每8位用等效的十进制表示出来（点分十进制），于是我们日常生活中常见的IP地址就出现了。
例如：IP地址，128.11.3.31，转化为二进制为 10000000 00001011 00000011 00011111 ，可以看出类别位为 10，可以判断为一个B类地址。

3.4.3 常用IP地址的指派范围

网络号指派范围
1. A类地址网络号占用一个字节，但是由于有一位是类别位，只有7位可供使用，但是由于规定，网络字段全0是个保留字段表示本网络，而127（01111111）是另外一个保留字段，作为本地软件的环回测试。我们常见的127.0.0.1表示本机，原因也是出自这里。所以A类地址可以指派的网络号个数为（2⁷-2）.
2. B类网络地址网络号有两个字节，前两位为10已经固定，只剩下14位可用，由于这14位无论怎么取值都不会使得网络号为全0或者全1，单实际上规定，规定B类最小网络地址为128.1.0.0。因此B类地址可指派的网络号个数为（2¹⁴-1）.
3. C类地址有3个字节的网络字段号，前三位固定110，只有剩下21位可用，同样C类地址可指派的最小网络地址也是192.0.1.0。因此C类地址可指派的网络号个数为（2²¹-1）.
主机号指派范围
1. 由于主机号有规定，全0的主机号代表IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址（例，一主机地址为5.6.7.8，则该主机所在的网络地址为5.0.0.0），而全1则表示“所有的”，即表示该网络上的所有主机。
2. A类地址的主机号是由三个字节，24位组成，所以每一个A类网络中可分配的主机个数为（2²⁴-2）.
3. B类地址的主机号是由两个字节，16位组成，所以每一个B类网络中可分配的主机个数为（2¹⁶-2）.
4. C类地址的主机号是由一个字节，8位组成，所以每一个C类网络中可分配的主机个数为（2⁸-2）.
总结IP指派范围
综上网络号和主机号的指派描述可知，IP地址空间共有2³²个地址。
所有A类地址共有（2⁷-2）∗∗（2²⁴-2）个，大约2³¹，占50%；
所有B类地址共有（2¹⁴-1）∗∗（2¹⁶-2）个，大约2³⁰,占25%；
所有C类地址共有（2²¹-1）∗∗（2⁸-2）个，大约2²⁹,占12.5%；

网络类别	最大可分配网络数	首个可分配网络号	最后一个可分配网络号	每个网络中最大主机数	IP地址范围	私有IP地址范围
A	126（2⁷-2）	1	127	16777214	0.0.0.0-----127.255.255.255	10.0.0.0—10.255.255.255
B	16383（2¹⁴-1）	128.1	191.255	65534	128.1.0.0----191.255.255.255	172.16.0.0----172.31.255.255
C	2097151（2²¹-1）	192.0.1	223.255.255	254	192.0.1.0—223.255.255.255	192.168.0.0----192.168.255.255

3.4.4 IP地址和硬件地址

从层次角度来看，硬件地址是数据链路层和物理层使用的地址（常称作MAC地址），而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。在网络层我们进行数据报文从IP1传输到IP2，无论我们中间经过多少次转发，从网络层来看，源地址始终是IP1，目的地址始终是IP2。但是从数据链路层来看，显然就不是这样了，这些是物理地址，很有可能从源节点经过多次中间节点的物理地址的转变才能到达目的节点。

而IP地址和物理地址的之间的转化则需要依靠两个重要的协议ARP（地址解析协议），RARP（逆地址解析协议）。IP地址通过ARP转化成物理地址，物理地址可以通过RARP转化成相应的IP地址。

子网和超网
简单的来说就是如何来管理一个IP地址下的多台主机
子网
现在假设这样一个场景，一个数据报起目的地址是145.13.3.10（在子网 145.13.3.0中），已经到达路由器R1（145.13.0.0），那么这个路由器怎么将它转发到145.13.3.0呢？
我们并不知道目的地址是否进行了子网的划分。
这就引出了子网掩码的概念了，子网掩码也是32位，由一串1和0组成，子网掩码中的1对应于IP地址中的网络号位置+子网网络号位置，子网掩码中的0对应与IP地址中现在的主机号位置。
我们只要将IP地址和子网掩码进行“与”运算，如果进行子网的划分，就立刻得出要找的子网的网络地址，如果没有进行子网划分（有默认的子网掩码），则直接能够得出该IP地址的网络地址出来。
- A类地址的默认子网掩码是255.0.0.0
- B类地址的默认子网掩码是255.255.0.0
- C类地址的默认子网掩码是255.255.255.0
超网
无分类编址CIDR，使用变长的子网掩码，可以进一步提高IP地址的资源利用率。有两个特点
第一，消除了传统的ABC类地址及划分子网的概念，CIRD把32位的IP地址划分成为两个部分，网络前缀和剩下的部分，表示方法为，在IP地址后面加上“/”，然后写上网络前缀所占位数。
第二，把网络前缀相同的IP地址组成一个CIDR地址块，例如，IP地址 128.14.35.7/20 用二进制表示 100000000 00001110 00100011 00000111，所以我们很容易可以得出这块地址中最小地址为128.14.32.0,即 100000000 00001110 00100000 00000000，最大地址为128.14.47.255，即 100000000 00001110 00101111 11111111.
为了更加方便进行路由选择，CIDR使用32位的地址掩码，1的个数就是网络前缀的长度，如上面所举例中的/20的地址块的地址掩码是 11111111 11111111 11110000 00000000
因此可以看出，网络前缀越短，其地址块所包含的地址就越多，这样可以根据实际情况更加有效的分配IPv4的地址空间。而由很多个CIDR地址快构成的庞大的网络就就被称为“超网”。

3.4.5 子网掩码

所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，


172.16.10.1：	10101100.00010000.00001010.000000001
255255.255.255.0:	11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果：	10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

172.16.10.2：	10101100.00010000.00001010.000000010
255255.255.255.0:	11111111.11111111.11111111.00000000
AND运算得网络地址结果：	10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。

总结一下，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

ip数据包
ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分
head：长度为20到60字节
data：最长为65,515字节。
而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

以太网头	ip 头	ip数据

3.5 ARP协议(Address Resolution Protocol) 地址解析协议

arp协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议

arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

协议工作方式：每台主机ip都是已知的
例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网

场景	数据包地址
同一子网	目标主机mac，目标主机ip
不同子网	网关mac，目标主机ip

分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)

–	源mac	目标mac	源ip	目标ip 数据部分
发送端主机	发送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24

这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac，这个格式的包只有网关会识别并且回复自己的mac地址。
参考：
1.什么是ARP协议，都分为那些类型
2.arp详解

ps:交换机在两种情况下才会广播
1.目标mac是FF-FF-FF-FF
2.目标mac不在mac地址表中

四、总结

# 1、CS架构与BS架构
Client<===========>Server客户端软件send             服务端软件recv
操作系统                   操作系统
计算机硬件<====物理介质=====>计算机硬件Browser<===========>Server
bs架构特点： 优点，开发简单，通常只需要开发服务端，安全，用户不需要下载其他软件，默认用浏览器就能打开
跨平台性好。 缺点：不能缓存大量数据。
cs架构  优点：可以预先缓存大量数据，协议自由，可以自定义协议。 缺点：开发繁琐，需要同时开发客户端和服务端# 2、网络通信
网络存在的意义就是跨地域数据传输=》称之为通信
网络=物理链接介质+互联网通信协议# 3、OSI七层协议
五层协议应用层传输层网络层数据链路层物理层协议：规定数据的组织格式格式：头部+数据部分封包裹的过程：数据外加头拆包裹的过程：拆掉头获取数据#4、五层协议
计算机1：                            计算机2：应用层                               应用层
传输层                               传输层
网络层                               网络层
数据链路层                            数据链路层
物理层  <===========交互机===========> 物理层0101010101010（源mac地址，目标mac地址）（源ip地址，目标ip地址）数据#4.1 物理层负责发送电信号
一组物理层数据称之为：位
单纯的电信号毫无意义，必须对其进行分组#4.2 数据链路层：ethernet以太网协议
规定1：一组数据称之为一个数据帧
规定2：数据帧分成两部分=》头+数据头包含：源地址与目标地址，该地址是mac地址数据包含：包含的是网络层发过来的整体的内容规定3：规定但凡接入互联网的主机必须有一块网卡，每块网卡在出厂时都烧制好一个全世界独一无二的地址，该地址称之为mac地址注意：计算机通信基本靠吼，即以太网协议的工作方式是广播#4.3 网络层：IP协议
要达到的目的：
划分广播域
每一个广播域但凡要接通外部，一定要有一个网关帮内部的计算机转发包到公网
网关与外界通信走的是路由协议规定1：一组数据称之为一个数据包
规定2：数据帧分成两部分=》头+数据头包含：源地址与目标地址，该地址是IP地址数据包含的：传输层发过来的整体的内容ipv4地址：
8bit.8bit.8bit.8bit0.0.0.0
255.255.255.255子网掩码：
8bit.8bit.8bit.8bit255.255.255.0对应的二进制表达
11111111.11111111.11111111.00000000一个合法的ipv4地址组成部分=ip地址/子网掩码地址
172.16.10.1/255.255.255.0
172.16.10.1/24计算机1：
172.16.10.1：     10101100.00010000.00001010.000000001
255255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.000000000
172.16.10.0:      10101100.00010000.00001010.000000000计算机2：
172.16.10.2：      10101100.00010000.00001010.000000010
255.255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.000000000
172.16.10.0:       10101100.00010000.00001010.000000000计算机1：                            计算机2：应用层                               应用层
传输层                               传输层
网络层                               网络层
数据链路层                           数据链路层
物理层  <=========二层交互机========> 物理层0101010101010（源mac地址，xxxx）（源ip地址，目标ip地址）数据
（源mac地址，网关的mac地址）（172.16.10.10/24，101.100.200.11/10）数据事先知道的是对方的ip地址
但是计算机的底层通信是基于ethernet以太网协议的mac地址通信ARP：(Address Resolution Protocol)
所以必须能够将ip地址解析成mac地址# 两台计算机在同一个局域网内
计算机1：172.16.10.10/24             直接              计算机2：172.16.10.11/24
ARP：
自己的ip，对方的ip
1、计算二者网络地址，如果一样，拿到计算机2的mac地址就可以了
2、发送广播包
发送端mac FF:FF:FF:FF:FF:FF  172.16.10.10/24    172.16.10.11/24    数据# 两台计算机不在同一个局域网内计算机1：172.16.10.10/24                 网关           计算机2：101.100.200.11/10
ARP：
自己的ip，对方的ip
1、计算机二者网络地址，如果不一样，应该拿到网关的mac地址
2、发送广播包
发送端mac FF:FF:FF:FF:FF:FF  172.16.10.10/24    172.16.10.1/24 数据#4.3.1 总结******
ip地址+mac地址=》标识全世界范围内独一无二的一台计算机或者：
ip地址=》标识全世界范围内独一无二的一台计算机

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目录一.IP地址的分配二.IP地址分配举例三.划分CIDR地址块将142.150.64.0/24划分为3个CIDR地址块,其中一个地址块的大小是另外两个地址块大小之和,请给出每个地址块的CID ...

网络通信原理与IP地址的分配原理