网络编程基础概述--TCP/IP

一：TCP/IP 协议族（TCP/IP 协议栈）

    互联网协议族（Internet Protocol Suite，缩写IPS）是一个网络通信模型，以及一整个网络传输协议家族，为互联网的基础通信架构。它常被通称为TCP/IP协议族(TCP/IP Protocol Suite），简称TCP/IP，因为该协议家族的两个核心协议：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议）。

    TCP/IP提供点对点的链接机制，将数据应该如何封装、定址、传输、路由以及在目的地如何接收，都加以标准化。

二：互联网分层与各层主要功能

    互联网分层方式主要有以下三种：

    这里主要分析互联网五层结构：

    1，物理层

    就是把电脑连接起来的物理手段，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号

    2，数据链路层

    单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？

    本层的主要功能就是确定 0与1 的分组方式。

    2.1 以太网协议--一种确定0与1分组的标准

    MAC地址：相当于网卡编号；每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。前6个十六进制数是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号。

    以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做”帧”（Frame）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）(具体格式见上图)。

    2.2 广播：以太网发送数据包的方式

    向本子网络内所有计算机发送数据包，让每台计算机自己判断（对比MAC地址或IP地址），是否为接收方，是则接收该数据包，不是则丢弃。

    2.3 ARP协议：能从IP地址得到对方MAC地址的实现方式

    在一个子网络内，以IP地址与MAC地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF 称为广播地址）进行广播，IP地址匹配的那台机器接收数据，然后回复本机的MAC地址。

    3，网络层

    3.1 为啥要有网络层

    以太网依靠MAC地址采用广播方式发送数据包，所有成员人手一"包"，不仅效率低，而且局限在发送者所在的子网络。如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有数据包，那会引起灾难。

    所以就有了网络层：它的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做"网络地址”，简称”网址 ”。

    3.2 IP协议：规定网络地址(IP地址)的协议

    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

    目前，广泛采用的是IP协议第四版，简称IPv4。这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成。习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255

    IP地址：分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机（可从子网掩码中判断出哪部分是网络，哪部分是主机）

    3.3 如何确定两主机是否在同一个子网络

    子网掩码：subnet mask  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，它表示网络部分全部为1，主机部分全部为0

    将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算，若结果相同，就表明它们在同一个子网络中

    简单的说就是：根据子网掩码判断出两IP的网络部分(对应子网掩码二进制格式为1部分)，再对比两IP的网络部分，一样则表示这两主机在同一个子网络内，不同则表示不在同一个子网络内。

    4，传输层

    同一台主机上有许多程序都需要用到网络，当一个数据包从互联网上发来的时候，如何确定这个数据包该给哪个程序使用？传输层主要就是用来解决这个问题的，传输层的功能，就是建立"端口到端口"的通信。

    4.1 端口 port

    这里指的是虚拟端口，TCP/IP协议规定的使用网卡的一种虚拟接口，这种接口有多个，它们的编号称为端口号

    端口号是0-65535之间的一个整数；0-1023的端口被系统占用，用户的应用程序会被系统随机分配一个大于1023的端口

    一个应用程序要使用网络需通过网卡接收和发送数据，系统会自动为该应用程序分配一个能使用网卡的虚拟接口，表现形式就是系统为该应用程序随机分配一个端口号。有了端口号，计算机就能确定从互联网接收到的数据包该给谁使用了。

    4.2 UDP协议：User Datagram Protocol  用户数据报协议

    UDP是一种无连接的，不可靠的，面向报文的传输层通信协议
    无连接：传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上
    不可靠：不提供数据传送的保证机制，在网络质量很差的环境下，UDP协议数据包丢失会比较严重

    面向报文：对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层；既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

    标头(首部)格式：固定8字节，分为四部分，各部分均为2字节；源端口号 目标端口号 数据报长度 校验和

    4.3 TCP协议：Transmission Control Protocol 传输控制协议

    TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
    面向连接：在彼此交换数据包之前必须先建立一个TCP连接(这一过程与打电话很相似)
    可靠的：包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确认消息，数据包丢失会重发

    基于字节流：TCP把应用程序交下来的报文看成一连串无结构的字节流，然后把数据流分割成适当长度的报文段，适当加工后添加首部向下交付给IP层。

    标头(首部)格式：20-60字节；源端口号 目标端口号 数据包中的第一个字节的序列号 确认序列号 校验和.....

UDP/TCP 优缺点对比

	优点	缺点	应用场景
UDP	占用系统资源少，传输速度快，效率高	不可靠传输	实时音视频聊天等
TCP	可靠传输	占用系统资源多，传输速度较慢	大部分情况；when in doubt, use TCP.

    5，应用层

    应用层的主要作用是规定应用程序的数据格式

    主要协议有以下几种：

    超文本传输协议(HTTP)：用于实现WWW服务；规定了浏览器这类应用程序通信的数据格式
    文件传输协议(FTP)：用于实现交互式文件传输功能；规定了文件传输形式的数据格式
    域名系统(DNS)：用于实现网络设备名字到IP地址映射的网络服务。
    简单邮件传送协议(SMTP)：用于实现电子邮箱传送功能
    远程登录协议(Telnet)：用于实现远程登录功能。
    简单网络管理协议(SNMP)：用于管理与监视网络设备