.作業系統基礎

  作業系統:(Operating System，簡稱OS)是管理和控制計算機硬體與軟體資源的計算機程式，是直接執行在“裸機”上的最基本的系統軟體，任何其他軟體都必須在作業系統的支援下才能執行。

注：計算機(硬體)－>os－>應用軟體

二.網路通訊原理

2.1 網際網路的本質就是一系列的網路協議

一臺硬設有了作業系統，然後裝上軟體你就可以正常使用了，然而你也只能自己使用

像這樣，每個人都擁有一臺自己的機器，然而彼此孤立

如何能大家一起玩耍

然而internet為何物？

其實兩臺計算機之間通訊與兩個人打電話之間通訊的原理是一樣的（中國有很多地區，不同的地區有不同的方言，為了全中國人都可以聽懂，大家統一講普通話）

普通話屬於中國國內人與人之間通訊的標準，那如果是兩個國家的人交流呢？

問題是，你不可能要求一個人／計算機掌握全世界的語言／標準，於是有了世界統一的通訊標準：英語

結論：英語成為世界上所有人通訊的統一標準，如果把計算機看成分佈於世界各地的人，那麼連線兩臺計算機之間的internet實際上就是

一系列統一的標準，這些標準稱之為網際網路協議，網際網路的本質就是一系列的協議，總稱為‘網際網路協議’（Internet Protocol Suite).

網際網路協議的功能：定義計算機如何接入internet，以及接入internet的計算機通訊的標準。

2.2 osi七層協議

網際網路協議按照功能不同分為osi七層或tcp/ip五層或tcp/ip四層

每層執行常見物理裝置

2.3 tcp/ip五層模型講解

我們將應用層，表示層，會話層並作應用層，從tcp／ip五層協議的角度來闡述每層的由來與功能，搞清楚了每層的主要協議

就理解了整個網際網路通訊的原理。

首先，使用者感知到的只是最上面一層應用層，自上而下每層都依賴於下一層，所以我們從最下一層開始切入，比較好理解

每層都執行特定的協議，越往上越靠近使用者，越往下越靠近硬體

2.3.1 物理層

物理層由來：上面提到，孤立的計算機之間要想一起玩，就必須接入internet，言外之意就是計算機之間必須完成組網

物理層功能：主要是基於電器特性發送高低電壓(電訊號)，高電壓對應數字1，低電壓對應數字0

2.3.2 資料鏈路層

資料鏈路層由來：單純的電訊號0和1沒有任何意義，必須規定電訊號多少位一組，每組什麼意思

資料鏈路層的功能：定義了電訊號的分組方式

乙太網協議：

早期的時候各個公司都有自己的分組方式，後來形成了統一的標準，即乙太網協議ethernet

ethernet規定

• 一組電訊號構成一個數據包，叫做‘幀’
• 每一資料幀分成：報頭head和資料data兩部分

head包含：(固定18個位元組)

• 傳送者／源地址，6個位元組
• 接收者／目標地址，6個位元組
• 資料型別，6個位元組

data包含：(最短46位元組，最長1500位元組)

• 資料包的具體內容

head長度＋data長度＝最短64位元組，最長1518位元組，超過最大限制就分片傳送

mac地址：

head中包含的源和目標地址由來：ethernet規定接入internet的裝置都必須具備網絡卡，傳送端和接收端的地址便是指網絡卡的地址，即mac地址

mac地址：每塊網絡卡出廠時都被燒製上一個世界唯一的mac地址，長度為48位2進位制，通常由12位16進位制數表示（前六位是廠商編號，後六位是流水線號）

廣播：

有了mac地址，同一網路內的兩臺主機就可以通訊了（一臺主機通過arp協議獲取另外一臺主機的mac地址）

ethernet採用最原始的方式，廣播的方式進行通訊，即計算機通訊基本靠吼

2.3.3 網路層

網路層由來：有了ethernet、mac地址、廣播的傳送方式，世界上的計算機就可以彼此通訊了，問題是世界範圍的網際網路是由

一個個彼此隔離的小的區域網組成的，那麼如果所有的通訊都採用乙太網的廣播方式，那麼一臺機器傳送的包全世界都會收到，

這就不僅僅是效率低的問題了，這會是一種災難

上圖結論：必須找出一種方法來區分哪些計算機屬於同一廣播域，哪些不是，如果是就採用廣播的方式傳送，如果不是，

就採用路由的方式（向不同廣播域／子網分發資料包），mac地址是無法區分的，它只跟廠商有關

網路層功能：引入一套新的地址用來區分不同的廣播域／子網，這套地址即網路地址

IP協議：

• 規定網路地址的協議叫ip協議，它定義的地址稱之為ip地址，廣泛採用的v4版本即ipv4，它規定網路地址由32位2進製表示
• 範圍0.0.0.0-255.255.255.255
• 一個ip地址通常寫成四段十進位制數，例：172.16.10.1

ip地址分成兩部分

• 網路部分：標識子網
• 主機部分：標識主機

注意：單純的ip地址段只是標識了ip地址的種類，從網路部分或主機部分都無法辨識一個ip所處的子網

例：172.16.10.1與172.16.10.2並不能確定二者處於同一子網

子網掩碼

所謂”子網掩碼”，就是表示子網路特徵的一個引數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進位制數字，它的網路部分全部為1，主機部分全部為0。比如，IP地址172.16.10.1，如果已知網路部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網路掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進位制就是255.255.255.0。

知道”子網掩碼”，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網路。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），然後比較結果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網路中，否則就不是。

比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子網掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網路？兩者與子網掩碼分別進行AND運算，

172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND運算得網路地址結果：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運算得網路地址結果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

結果都是172.16.10.0，因此它們在同一個子網路。

總結一下，IP協議的作用主要有兩個，一個是為每一臺計算機分配IP地址，另一個是確定哪些地址在同一個子網路。

ip資料包

ip資料包也分為head和data部分，無須為ip包定義單獨的欄位，直接放入乙太網包的data部分

head：長度為20到60位元組

data：最長為65,515位元組。

而乙太網資料包的”資料”部分，最長只有1500位元組。因此，如果IP資料包超過了1500位元組，它就需要分割成幾個乙太網資料包，分開發送了。

 ARP協議

arp協議由來：計算機通訊基本靠吼，即廣播的方式，所有上層的包到最後都要封裝上乙太網頭，然後通過乙太網協議傳送，在談及乙太網協議時候，我門瞭解到

通訊是基於mac的廣播方式實現，計算機在發包時，獲取自身的mac是容易的，如何獲取目標主機的mac，就需要通過arp協議

arp協議功能：廣播的方式傳送資料包，獲取目標主機的mac地址

協議工作方式：每臺主機ip都是已知的

例如：主機172.16.10.10/24訪問172.16.10.11/24

一：首先通過ip地址和子網掩碼區分出自己所處的子網

二：分析172.16.10.10/24與172.16.10.11/24處於同一網路(如果不是同一網路，那麼下表中目標ip為172.16.10.1,通過arp獲取的是閘道器的mac)

三：這個包會以廣播的方式在傳送端所處的自網內傳輸，所有主機接收後拆開包，發現目標ip為自己的，就響應，返回自己的mac

2.3.4 傳輸層

傳輸層的由來：網路層的ip幫我們區分子網，乙太網層的mac幫我們找到主機，然後大家使用的都是應用程式，你的電腦上可能同時開啟qq，暴風影音，等多個應用程式，

那麼我們通過ip和mac找到了一臺特定的主機，如何標識這臺主機上的應用程式，答案就是埠，埠即應用程式與網絡卡關聯的編號。

傳輸層功能：建立埠到埠的通訊

補充：埠範圍0-65535，0-1023為系統佔用埠

tcp協議：

可靠傳輸，TCP資料包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網路的效率，通常TCP資料包的長度不會超過IP資料包的長度，以確保單個TCP資料包不必再分割。

udp協議：

不可靠傳輸，”報頭”部分一共只有8個位元組，總長度不超過65,535位元組，正好放進一個IP資料包。

tcp報文

tcp三次握手和四次揮手

2.3.5 應用層

應用層由來：使用者使用的都是應用程式，均工作於應用層，網際網路是開發的，大家都可以開發自己的應用程式，資料多種多樣，必須規定好資料的組織形式 

應用層功能：規定應用程式的資料格式。

例：TCP協議可以為各種各樣的程式傳遞資料，比如Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP資料的格式，這些應用程式協議就構成了”應用層”。

2.3.6 socket

我們知道兩個程序如果需要進行通訊最基本的一個前提能能夠唯一的標示一個程序，在本地程序通訊中我們可以使用PID來唯一標示一個程序，但PID只在本地唯一，網路中的兩個程序PID衝突機率很大，這時候我們需要另闢它徑了，我們知道IP層的ip地址可以唯一標示主機，而TCP層協議和埠號可以唯一標示主機的一個程序，這樣我們可以利用ip地址＋協議＋埠號唯一標示網路中的一個程序。

能夠唯一標示網路中的程序後，它們就可以利用socket進行通訊了，什麼是socket呢？我們經常把socket翻譯為套接字，socket是在應用層和傳輸層之間的一個抽象層，它把TCP/IP層複雜的操作抽象為幾個簡單的介面供應用層呼叫已實現程序在網路中通訊。

socket起源於UNIX，在Unix一切皆檔案哲學的思想下，socket是一種"開啟—讀/寫—關閉"模式的實現，伺服器和客戶端各自維護一個"檔案"，在建立連線開啟後，可以向自己檔案寫入內容供對方讀取或者讀取對方內容，通訊結束時關閉檔案。

三.網路通訊實現

想實現網路通訊，每臺主機需具備四要素

• 本機的IP地址
• 子網掩碼
• 閘道器的IP地址
• DNS的IP地址

獲取這四要素分兩種方式

1.靜態獲取

即手動配置

2.動態獲取

通過dhcp獲取

（1）最前面的”乙太網標頭”，設定發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP伺服器）的MAC地址。前者就是本機網絡卡的MAC地址，後者這時不知道，就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

（2）後面的”IP標頭”，設定發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，對於這兩者，本機都不知道。於是，發出方的IP地址就設為0.0.0.0，接收方的IP地址設為255.255.255.255。

（3）最後的”UDP標頭”，設定發出方的埠和接收方的埠。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68埠，接收方是67埠。

這個資料包構造完成後，就可以發出了。乙太網是廣播發送，同一個子網路的每臺計算機都收到了這個包。因為接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，所以每臺收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP地址，才能確定是不是發給自己的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，於是DHCP伺服器知道”這個包是發給我的”，而其他計算機就可以丟棄這個包。

接下來，DHCP伺服器讀出這個包的資料內容，分配好IP地址，傳送回去一個”DHCP響應”資料包。這個響應包的結構也是類似的，乙太網標頭的MAC地址是雙方的網絡卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP伺服器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的埠是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地址和本網路的具體引數則包含在Data部分。

新加入的計算機收到這個響應包，於是就知道了自己的IP地址、子網掩碼、閘道器地址、DNS伺服器等等引數

四.網路通訊流程

1.本機獲取

• 本機的IP地址：192.168.1.100
• 子網掩碼：255.255.255.0
• 閘道器的IP地址：192.168.1.1
• DNS的IP地址：8.8.8.8

2.開啟瀏覽器，想要訪問Google，在位址列輸入了網址：www.google.com。

3.dns協議(基於udp協議)

13臺根dns：

A.root-servers.net198.41.0.4美國
B.root-servers.net192.228.79.201美國（另支援IPv6）
C.root-servers.net192.33.4.12法國
D.root-servers.net128.8.10.90美國
E.root-servers.net192.203.230.10美國
F.root-servers.net192.5.5.241美國（另支援IPv6）
G.root-servers.net192.112.36.4美國
H.root-servers.net128.63.2.53美國（另支援IPv6）
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美國
K.root-servers.net193.0.14.129英國（另支援IPv6）
L.root-servers.net198.32.64.12美國
M.root-servers.net202.12.27.33日本（另支援IPv6）

域名定義：http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

頂級域名：以.com,.net,.org,.cn等等屬於國際頂級域名，根據目前的國際網際網路域名體系，國際頂級域名分為兩類：類別頂級域名(gTLD)和地理頂級域名(ccTLD)兩種。類別頂級域名是　　　　　　　　            以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等結尾的域名，均由國外公司負責管理。地理頂級域名是以國家或地區程式碼為結尾的域名，如"CN"代表中國，"UK"代表英國。地理頂級域名一般由各個國家或地區負責管理。

二級域名：二級域名是以頂級域名為基礎的地理域名，比喻中國的二級域有，.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn等.子域名是其父域名的子域名，比喻父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者*.abc.com.
一般來說，二級域名是域名的一條記錄，比如alidiedie.com是一個域名，www.alidiedie.com是其中比較常用的記錄，一般預設是用這個，但是類似*.alidiedie.com的域名全部稱作是alidiedie.com的二級

4.HTTP部分的內容，類似於下面這樣：

GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: … …

我們假定這個部分的長度為4960位元組，它會被嵌在TCP資料包之中。

5 TCP協議

TCP資料包需要設定埠，接收方（Google）的HTTP埠預設是80，傳送方（本機）的埠是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定為51775。

TCP資料包的標頭長度為20位元組，加上嵌入HTTP的資料包，總長度變為4980位元組。

6 IP協議

然後，TCP資料包再嵌入IP資料包。IP資料包需要設定雙方的IP地址，這是已知的，傳送方是192.168.1.100（本機），接收方是172.194.72.105（Google）。

IP資料包的標頭長度為20位元組，加上嵌入的TCP資料包，總長度變為5000位元組。

7 乙太網協議

最後，IP資料包嵌入乙太網資料包。乙太網資料包需要設定雙方的MAC地址，傳送方為本機的網絡卡MAC地址，接收方為閘道器192.168.1.1的MAC地址（通過ARP協議得到）。

乙太網資料包的資料部分，最大長度為1500位元組，而現在的IP資料包長度為5000位元組。因此，IP資料包必須分割成四個包。因為每個包都有自己的IP標頭（20位元組），所以四個包的IP資料包的長度分別為1500、1500、1500、560。

8 伺服器端響應

經過多個閘道器的轉發，Google的伺服器172.194.72.105，收到了這四個乙太網資料包。

根據IP標頭的序號，Google將四個包拼起來，取出完整的TCP資料包，然後讀出裡面的”HTTP請求”，接著做出”HTTP響應”，再用TCP協議發回來。

本機收到HTTP響應以後，就可以將網頁顯示出來，完成一次網路通訊。