引言

在當今互聯網時代，Linux操作系統在服務器領域占據著舉足輕重的地位。作為開源軟件的杰出代表，Linux以其穩定性、靈活性和高度可定制性而聞名。在Linux系統中，網絡編程一直是一個重要的領域，無論是開發服務器應用程序還是網絡服務，對于網絡基礎的理解都是至關重要的。本文旨在探討Linux網絡基礎知識，包括網絡的簡單發展歷史、網絡傳輸的基本邏輯以及網絡傳輸基本流程，幫助讀者深入了解Linux下的網絡編程原理和實踐應用。通過本文的學習，讀者將能夠更好地掌握Linux系統下網絡編程的核心概念，為后續深入學習和實際應用打下堅實的基礎。

一、計算機網絡背景

1. 網絡發展歷史

🍪網絡發展歷史可以從以下幾個關鍵時期展開介紹：

1. 60年代到70年代初：ARPANET時期

ARPANET是美國國防部高級研究計劃局（ARPA）于20世紀60年代初開展的一個計劃，旨在建立一種新型的通訊方法，以便對分布在美國各地的研究機構進行互聯。ARPANET采用了分組交換的方式，通過將數據分成若干個小的數據包進行傳輸，從而避免了傳統電路交換的局限性。

2. 70年代中期到80年代末：TCP/IP時期

1974年，美國國防部下屬的高級研究計劃局（ARPA）開始了一個新的項目，旨在開發一種新的協議套件，即TCP/IP協議套件。TCP/IP協議套件是目前互聯網所采用的基本協議，它由兩個協議組成：傳輸控制協議（TCP）和互聯網協議（IP）。這兩個協議的出現，使得互聯網實現了規模化的發展。

3. 90年代到2000年代初：萬維網時期

1991年，蒂姆·伯納斯-李（Tim Berners-Lee）在CERN（歐洲核子研究組織）創建了第一個Web服務器，開發了第一個Web瀏覽器，從而使得萬維網（World Wide Web）開始應運而生。萬維網的出現，極大地促進了互聯網信息的傳播和共享，成為了互聯網發展的一個重要時期。

4. 2000年代中期至今：移動互聯網時期

隨著智能手機、平板電腦等移動設備的普及，移動互聯網開始成為互聯網新的增長點。移動互聯網技術的快速發展，使得人們可以隨時隨地進行信息的交流和共享，網絡應用也逐漸從PC端轉向移動端，其范圍和應用場景不斷拓展。

網絡發展歷程是不斷演化和壯大的過程，它推動了人類社會的信息化進程，也催生了一系列新興技術和應用。未來，隨著物聯網、5G等技術的不斷發展，網絡將進一步融入我們的生活和工作中，為我們帶來更多便利。

二、認識 “協議”

1. 網絡協議概念

協議是指在計算機網絡中，為了實現數據通信和信息交換而制定的一系列規則和約定。這些規則和約定規定了數據傳輸的格式、順序、錯誤檢測與糾正、數據的確認方式等，確保不同設備之間能夠有效地通信和協作。

計算機之間的傳輸媒介是光信號和電信號. 通過 “頻率” 和 “強弱” 來表示 0 和 1 這樣的信息. 要想傳遞各種不同的信息, 就需要約定好雙方的數據格式。

2. 網絡協議初識

（1）協議分層

計算機網絡中的協議通常按照功能和目的分為不同的層次，這種組織結構被稱為協議分層。常見的協議分層模型是OSI參考模型和TCP/IP協議族模型。

（2）OSI參考模型（Open Systems Interconnection Reference Model）

OSI（Open Systems Interconnection）參考模型是一個由國際標準化組織（ISO）制定的用于網絡通信協議設計的參考框架，將計算機網絡通信劃分為七個層次，每個層次負責不同的功能。

1. 應用層（Application Layer）：應用層是最靠近用戶的一層，提供用戶應用程序與網絡的接口。它定義了用戶與網絡服務之間的通信規則，包括數據格式、加密和身份驗證等。

2. 表示層（Presentation Layer）：表示層負責處理數據的格式化、編碼和加密，確保不同系統之間能夠正確解釋、顯示和交換數據。

3. 會話層（Session Layer）：會話層管理不同設備之間的會話（session），包括建立、維護和終止會話連接，以及處理數據傳輸中出現的錯誤和恢復機制。

4. 傳輸層（Transport Layer）：傳輸層負責可靠地傳輸數據，提供端到端的數據傳輸服務，包括流量控制、錯誤檢測和糾正，以及數據重傳。

5. 網絡層（Network Layer）：網絡層處理數據在網絡中的路由和轉發，負責確定數據的最佳路徑，并實現不同網絡之間的互聯互通。

6. 數據鏈路層（Data Link Layer）：數據鏈路層負責在相鄰節點之間傳輸數據，通過物理地址（MAC地址）進行數據幀的傳輸和接收。

7. 物理層（Physical Layer）：物理層負責在物理媒介上傳輸比特流，包括電氣信號、光信號等，以及定義傳輸媒介的接口標準和傳輸速率。

這種七層模型的分層設計使得不同層次的協議可以獨立開發和實現，同時也提供了靈活性和可擴展性，促進了網絡通信協議的發展和應用。

（3） TCP/IP協議族模型

?這些分層模型將網絡通信劃分為多個層次，每個層次負責特定的功能，且各層之間通過定義好的接口進行交互。通過分層設計，不同層次的協議可以獨立地進行開發、實現和維護，提高了系統的可擴展性和靈活性，同時也方便了協議的替換和更新。

在實際的網絡通信中，每個層次的協議都有其特定的作用和職責，通過協同工作，實現了復雜的網絡通信需求。例如，應用層協議負責定義應用程序間的通信規則，傳輸層協議負責提供端到端的數據傳輸服務，網絡層協議負責進行數據包的路由和轉發，數據鏈路層協議負責實現數據在物理介質上的傳輸等。

三、網絡傳輸基本流程

1. 同一個網段內的兩臺主機進行文件傳輸

2. 跨網段的主機的文件傳輸

🍔數據從一臺計算機到另一臺計算機傳輸過程中要經過一個或多個路由器

1. ARP（地址解析協議）請求：當源主機要發送數據到目標主機時，首先需要確定目標主機的物理地址（MAC地址）。如果目標主機的IP地址不在同一子網內，源主機會向本地路由器發送ARP請求，以獲取目標主機所在網段的網關路由器的MAC地址。

2. 路由器轉發：本地路由器接收到數據包后，根據目標主機的IP地址和路由表信息，確定下一跳路由器的IP地址，并將數據包轉發給下一跳路由器。

3. 跨網段傳輸：數據包經過本地路由器后，進入到連接不同網絡的路由器，這些路由器負責在不同網絡之間傳輸數據。每個路由器根據目標主機的IP地址和路由表信息，決定數據包的下一跳路由器或目標主機。

4. 目標主機接收：最終數據包到達目標主機所在網絡的路由器，路由器將數據包轉發給目標主機。目標主機接收數據包，并進行相應的處理，將數據包重新組裝為文件。

🚩總而言之，在跨網段的主機文件傳輸過程中，涉及到源主機和目標主機之間的IP地址解析、跨網段傳輸、路由器的轉發等步驟，網絡中的路由器起著至關重要的作用，負責在不同網絡之間進行數據包的轉發和路由選擇，確保數據能夠準確、高效地傳輸到目標主機。這些網絡變化和數據傳輸過程都是在網絡層（第三層）和數據鏈路層（第二層）上進行的。

四、數據包封裝和分用

1. 數據包封裝（Packet Encapsulation）

數據包封裝是將要傳輸的數據劃分為小塊，并在每個數據塊（稱為分組或數據包）中添加必要的標識和控制信息的過程。封裝發生在發送方主機上，主要涉及到從應用層到物理層的不同網絡協議層。

1. 應用層封裝：應用層負責將要傳輸的數據劃分為較小的數據塊，通常稱為消息或報文。每個消息或報文都會被添加一個應用層頭部，其中包含了源和目標應用程序的端口號等信息。

2. 傳輸層封裝：傳輸層接收應用層的數據塊，并在每個數據塊的前面增加傳輸層頭部。傳輸層頭部包含了源和目標主機的端口號、傳輸協議（如TCP或UDP）以及用于錯誤檢測的校驗和等信息。

3. 網絡層封裝：網絡層接收傳輸層的數據塊，為每個數據塊添加網絡層頭部。網絡層頭部包含了源和目標主機的IP地址，以及用于路由選擇和數據分片的其他信息。

4. 數據鏈路層封裝：數據鏈路層接收網絡層的數據塊，并在每個數據塊的前面增加數據鏈路層頭部。數據鏈路層頭部包含了源和目標主機的MAC地址，以及用于錯誤檢測和流量控制的其他信息。

最終，數據包被封裝為一個完整的數據幀，該幀包含了從應用層到物理層的所有頭部和數據內容。

2. 數據包分用（Packet Demultiplexing）

數據包分用是在接收方主機上將接收到的數據包按照協議層次進行解析和處理的過程。數據包分用發生在接收方主機的物理層到應用層之間。

1. 物理層分用：物理層接收到數據包后，根據物理媒介（如電纜或無線信號）的特性將數據傳遞給數據鏈路層。

2. 數據鏈路層分用：數據鏈路層首先解析數據鏈路層頭部，獲取目標主機的MAC地址等信息，然后將數據包傳遞給網絡層。

3. 網絡層分用：網絡層解析網絡層頭部，根據目標IP地址確定數據包的下一步處理方式，將數據包傳遞給傳輸層。

4. 傳輸層分用：傳輸層解析傳輸層頭部，根據端口號等信息將數據包傳遞給相應的應用程序。

5. 應用層分用：最后，應用層解析應用層頭部和數據內容，將數據交給目標應用程序進行處理。

通過數據包分用，接收方主機能夠正確地將接收到的數據包傳遞給相應的應用程序進行進一步處理和響應。

五、網絡中的地址管理

1. IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）是在互聯網上用于識別和定位計算機或網絡設備的唯一地址。它是在TCP/IP協議中定義的一種地址，用于在網絡中準確定位主機或路由器，并實現數據包的傳輸和路由。

IP地址通常分為IPv4地址和IPv6地址兩種類型：

1. IPv4地址：IPv4地址是目前廣泛采用的IP地址格式，由32位二進制數表示，通常以4組十進制數（0-255）表示，每組之間用點號分隔。例如，192.168.1.1是一個常見的IPv4地址。

2. IPv6地址：IPv6地址是為了解決IPv4地址空間不足的問題而推出的新一代IP地址格式，采用128位二進制數表示，通常以8組16進制數表示，每組之間用冒號分隔。例如，2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334是一個IPv6地址。

IP地址被分為兩部分：網絡部分和主機部分。網絡部分用來標識網絡，主機部分用來標識該網絡中的主機或設備。根據不同的IP地址類別，網絡部分和主機部分的劃分方式不同。

IP地址的作用包括但不限于以下幾點：

• 確定主機或設備在網絡中的位置和身份。
• 實現數據包的路由和轉發。
• 提供網絡通信中的端到端連接。
• 支持互聯網上各種應用和服務的正常運作。

在網絡通信中，IP地址是一個非常重要的概念，它是整個互聯網中數據傳輸和通信的基礎。不同的主機通過其唯一的IP地址可以相互識別和進行通信，從而實現信息的交換和資源共享。

2. MAC地址

MAC地址（Media Access Control Address）是網絡設備（如計算機、路由器、網絡打印機等）網卡上的硬件地址，用于在局域網中唯一標識網絡設備。每個網絡設備的網卡都有一個唯一的MAC地址，由廠商在生產過程中分配，并以十六進制數表示。

MAC地址通常由6組16進制數表示，用冒號或連字符分隔，例如：00:1A:2B:3C:4D:5E。其中，前3組數字代表了廠商識別碼（Organizationally Unique Identifier，OUI），由IEEE注冊管理，用來識別設備的廠商，后面3組數字是由廠商分配給設備的唯一標識。

MAC地址的作用包括但不限于以下幾點：

• 在局域網中唯一標識網絡設備，用于進行數據幀的尋址和傳輸。
• 作為數據鏈路層的一個重要參數，用于實現局域網中設備之間的數據通信。

在局域網中，當一個設備需要向另一個設備發送數據時，它會將數據幀封裝，并在數據幀中附加目標設備的MAC地址。網絡設備會根據目標MAC地址來判斷是否接收該數據幀。因此，MAC地址在局域網中扮演著非常重要的角色，它是實現局域網內設備通信的關鍵。

🚨🚨注意：MAC地址是數據鏈路層的概念，它只在局域網范圍內具有唯一性，而不同的局域網中可能存在相同的MAC地址。在跨網段通信時，會使用IP地址來確定目標設備的位置和身份，而不直接使用MAC地址。

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