网络是怎样连接的

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本书的立意好，组织架构清晰，感觉翻译有点怪。亮点是画图很形象、精致，日本作者喜欢用图来解释概念，而且多数通俗易懂。这方面比中国图书强很多。

探索协议栈和网卡

用电信号传输TCP/IP数据——探索协议栈和网卡

协议栈：操作系统内部的网络控制软件，也叫“协议驱动”“TCP/IP 驱动”等。

IP地址的表示方法，图画解释得很好，简洁明了。

子网掩码：表示网络号与主机号之间的边界。

应用层查询DNS服务器的过程示意图：

分配给根域 DNS 服务器的 IP 地址在全世界仅有 13 个。根域 DNS 服务器在运营上使用多台服务器来对应一个 IP 地址，因此尽管 IP 地址只有 13 个，但其实服务器的数量是很多的。

DNS服务器之间的查询示意：

向操作系统内部的协议栈发出委托时，需要按照指定的顺序来调用 Socket 库中的程序组件。

用 TCP 协议来收发数据的过程：

这个图同样很形象，完美阐释什么是端到端的逻辑管道。

使用 Socket 库来收发数据的操作过程如图 1.17 所示。简单来说，收发数据的两台计算机之间连接了一条数据通道，数据沿着这条通道流动，最终到达目的地。我们可以把数据通道想象成一条管道，将数据从一端送入管道，数据就会到达管道的另一端然后被取出。

数据可以从任何一端被送入管道，数据的流动是双向的。

建立管道的关键在于管道两端的数据出入口，这些出入口称为套接字。我们需要先创建套接字，然后再将套接字连接起来形成管道。

实际的过程是下面这样的。首先，服务器一方先创建套接字，然后等待客户端向该套接字连接管道。当服务器进入等待状态时，客户端就可以连接管道了。

具体来说，客户端也会先创建一个套接字，然后从该套接字延伸出管道，最后管道连接到服务器端的套接字上。当双方的套接字连接起来之后，通信准备就完成了。接下来，就像我们刚刚讲过的一样，只要将数据送入套接字就可以收发数据了。

服务器程序一般会在启动后就创建好套接字并等待客户端连接管道。

管道在连接时是由客户端发起的，但在断开时可以由客户端或服务器任意一方发起。其中一方断开后，另一方也会随之断开，当管道断开后，套接字也会被删除。到此为止，通信操作就结束了。

综上所述，收发数据的操作分为若干个阶段，可以大致总结为以下 4 个：

创建套接字（创建套接字阶段）
将管道连接到服务器端的套接字上（连接阶段）
收发数据（通信阶段）
断开管道并删除套接字（断开阶段）

探索集线器、交换机和路由器

从网线到网络设备——探索集线器、交换机和路由器

每个网络包都是独立传输的；所有的包在传输到目的地的过程中都是独立的，相互之间没有任何关联。

网络包从客户端计算机发出之后，要经过集线器、交换机和路由器最终进入互联网。实际上，我们家里用的路由器已经集成了集线器和交换机的功能，像图上这样使用独立设备的情况很少见。不过，把每个功能独立出来更容易理解，而且理解了这种模式之后，也就能理解集成了多种功能的设备了。

当信号到达集线器后，会被广播到整个网络中。以太网的基本架构就是将包发到所有的设备，然后由设备根据接收方 MAC 地址来判断应该接收哪些包，而集线器就是这一架构的忠实体现，它就是负责按照以太网的基本架构将信号广播出去。

交换机的一个端口就相当于计算机上的一块网卡。但交换机的工作方式和网卡有一点不同。网卡本身具有 MAC 地址，并通过核对收到的包的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的，如果不是发给自己的则丢弃；相对地，交换机的端口不核对接收方 MAC 地址，而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此，和网卡不同，交换机的端口不具有 MAC 地址。

全双工模式是交换机特有的工作模式，它可以同时进行发送和接收操作，集线器不具备这样的特性。

网络包经过集线器和交换机之后，现在到达了路由器，并在此被转发到下一个路由器。这一步转发的工作原理和交换机类似，也是通过查表判断包转发的目标。不过在具体的操作过程上，路由器和交换机是有区别的。因为路由器是基于 IP 设计的，而交换机是基于以太网设计的。

路由器的结构图：

转发模块会根据接收到的包的 IP 头部中记录的接收方 IP 地址，在路由表中进行查询，以此判断转发目标。然后，转发模块将包转移到转发目标对应的端口，端口再按照硬件的规则将包发送出去，也就是转发模块委托端口模块将包发送出去的意思。

路由表转发网络包示意图：

路由MAC地址：

交换机与路由器的关系：

给包加上 MAC 头部并发送，从本质上说是将 IP 包装进以太网包的数据部分中，委托以太网去传输这些数据。IP 协议本身没有传输包的功能，因此包的实际传输要委托以太网来进行。路由器是基于 IP 设计的，而交换机是基于以太网设计的，因此 IP 与以太网的关系也就是路由器与交换机的关系。换句话说，路由器将包的传输工作委托给交换机来进行。当然，这里讲的内容只适用于原本实现 IP 和以太网机制的纯粹的路由器和交换机，实际的路由器有内置交换机功能的，比如用于连接互联网的家用路由器就属于这一种，对于这种路由器，上面内容可能就不适用了。

网络并非只有以太网（以太网是一种计算机局域网（LAN）技术，由IEEE 802.3标准定义，主要用于在小范围内连接计算机和网络设备。它通过物理线缆和交换机组成，覆盖范围相对较小，如一个建筑物或一个地理区域）一种，还有无线局域网，以及接入互联网的通信线路（以太网是互联网的一个子集，是现在主流的局域网标准。互联网则是将大量的局域网连接起来，进行资源共享的更大网络），它们和 IP 之间的关系又是什么样的呢？其实只要将以太网替换成无线局域网、互联网线路等通信规格就可以了。也就是说，如果和下一个路由器之间是通过无线局域网连接的，那么就委托无线局域网将包传输过去；如果是通过互联网线路连接的，那么就委托它将包传输过去。除了这里列举的例子之外，世界上还有很多其他类型的通信技术，它们之间的关系也是一样的，都是委托所使用的通信技术将包传输过去。

公有地址与私有地址之间的NAT地址转换：