【网络原理】网络通信与协议

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一. 网络发展史

独立模式：计算机之间相互独立

网络互连：

随着时代的发展，越来越需要计算机之间互相通信，共享软件和数据，即以多个计算机协同工作来完成业务，就有了网络互连。
 
网络互连：将多台计算机连接在一起，完成数据共享。
 
数据共享本质是网络数据传输，即计算机之间通过网络来传输数据，也称为网络通信。
 
根据网络互连的规模不同，可以划分为局域网和广域网。

局域网LAN：

局域网，即 Local Area Network，简称LAN。
 
Local 即标识了局域网是本地，局部组建的一种私有网络。
 
局域网内的主机之间能方便的进行网络通信，又称为内网；局域网和局域网之间在没有连接的情况下，是无法通信的。

局域网组建网络的方式有很多种：

1. 基于网线直连

2. 基于交换机组建

3. 基于交换机和路由器组建

• 交换机：把多个机器连接到一个局域网中
• 路由器：连接多个局域网

4. 其实还有集线器，但是集线器比较特殊，它的功能非常有限，所以现在组网的时候很少看到了。

在交换机和路由器反复连接之下，就可以把很多很多的设备都连接在一起，使他们可以直接通信。当机器足够多的时候，就可以成为 " 广域网 "。广域网和局域网之间没有明确的界限。

广域网WAN

广域网，即 Wide Area Network，简称WAN。

通过路由器，将多个局域网连接起来，在物理上组成很大范围的网络，就形成了广域网。广域网内部的局域网都属于其子网。

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二. 网络通信基础

网络互连的目的是进行网络通信，也即是网络数据传输，更具体一点，是网络主机中的不同进程间，基于网络传输数据。

那么，在组建的网络中，如何判断到底是从哪台主机，将数据传输到那台主机呢？这就需要使用IP地址来标识。

1. IP地址

IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简单说，IP地址用于定位主机的网络地址。

就像我们发送快递一样，需要知道对方的收货地址，快递员才能将包裹送到目的地。

格式：

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110。

通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：100.4.5.6。

特殊IP：

127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1
本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于
开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

IP地址解决了网络通信时，定位网络主机的问题，但是还存在一个问题，传输到目的主机后，由哪个进程来接收这个数据呢？这就需要端口号来标识。

2. 端口号

概念：

在网络通信中，IP地址用于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。简单说：端口号用于定位主机中的进程。

类似发送快递时，不光需要指定收货地址（IP地址），还需要指定收货人（端口号）

格式：

端口号是0~65535范围的数字，在网络通信中，进程可以通过绑定一个端口号，来发送及接收网络数据。

注意事项：

两个不同的进程，不能绑定同一个端口号，但一个进程可以绑定多个端口号。

问题：

有了IP地址和端口号，可以定位到网络中唯一的一个进程，但还存在一个问题，网络通信是基于二进制0/1数据来传输，如何告诉对方发送的数据是什么样的呢？
 
网络通信传输的数据类型可能有多种：图片，视频，文本等。同一个类型的数据，格式可能也不同，如
发送一个文本字符串“你好！”：如何标识发送的数据是文本类型，及文本的编码格式呢？
 
基于网络数据传输，需要使用协议来规定双方的数据格式。

3. 认识协议（核心概念）

协议，网络协议的简称，网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。

由三要素组成：

1. 语法：即数据与控制信息的结构或格式；

类似打电话时，双方要使用同样的语言：普通话

2. 语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；

语义主要用来说明通信双方应当怎么做。用于协调与差错处理的控制信息。
类似打电话时，说话的内容。一方道：你瞅啥？另一方就得有对应的响应：瞅你咋的！

3. 时序，即事件实现顺序的详细说明。

时序定义了何时进行通信，先讲什么，后讲什么，讲话的速度等。比如是采用同步传输还是
异步传输。
女生和男生的通话，总是由男生主动发起通话，而总是在男生恋恋不舍的时候，由女生要求
结束通话。

协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

为什么需要协议？

好比相亲，彼此协商胸口插支玫瑰花见面，这就是一种提前的约定，也可以称之为协议。

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号。通过 “频率” 和 “强弱” 来表示 0 和 1 这样的信息。要想传递各种不同的信息，就需要约定好双方的数据格式。

• 计算机生产厂商有很多；
• 计算机操作系统，也有很多；
• 计算机网络硬件设备，还是有很多；

 
如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信? 就需要有人站出来，约定一个
共同的标准，大家都来遵守，这就是 网络协议；

知名协议的默认端口

系统端口号范围为 0 ~ 65535，其中：0 ~ 1023 为知名端口号，这些端口预留给服务端程序绑定广泛使用的应用层协议，如：

• 22端口：预留给SSH服务器绑定SSH协议
• 21端口：预留给FTP服务器绑定FTP协议
• 23端口：预留给Telnet服务器绑定Telnet协议
• 80端口：预留给HTTP服务器绑定HTTP协议
• 443端口：预留给HTTPS服务器绑定HTTPS协议

需要补充的是：

以上只是说明 0 ~ 1023 范围的知名端口号用于绑定知名协议，但某个服务器也可以使用其他 1024 ~ 65535 范围内的端口来绑定知名协议。

餐厅的VIP包房是给会员使用，但会员也可以不坐包房，坐其他普通座位。

4. 五元组

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：

1. 源IP：标识源主机
2. 源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程
3. 目的IP：标识目的主机
4. 目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程
5. 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

用发送快递来讲就是：

1. 源IP：寄件人地址
2. 源端口号：寄件人
3. 目的IP：收件人地址
4. 目的端口号：收件人
5. 协议：顺丰快递

5. 协议分层

网络通信，是一个非常复杂的过程，有很多的问题，很多的细节要处理，如果就用一个协议，把所有的问题都解决，就会造成这个协议复杂无比。

于是在这里就有了协议拆分，把协议拆分成多个协议，但是在后续的发展中发现拆分出来的协议解决的问题差不多，因此就再把这些协议分成很多类，就是协议分层。（每一层里都有很多协议，这些协议做的工作都差不多）

当前我们看到的网络结构就是协议分层之后的产物。

网络协议拆分，并分层之后，有啥好处呢？
 

1. 下层协议给上层提供服务，上层调用下层协议。（封装）
    
   实现上层协议的人，不必考虑下层协议的细节
2. 解耦合：可以把同一层协议替换成其他协议，对于其他层次的协议来说，基本是无感知的
    
   类似于打电话我们只需要有语言协议即可，并不需要了解电话协议，也互不影响

当前有两种分层方式：

1. OSI七层网络模型（理论上存在，实际上没有这么实现的）
2. TCP/IP五层（或四层）模型

OSI七层网络模型：

TCP/IP五层（或四层）模型：

上面三层统称为应用层

• 应用层：负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。我们的网络编程主要就是针对应用层。（数据传输过去之后，具体怎么使用）
• 传输层：负责两台主机之间的数据传输。如传输控制协议 (TCP)，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。（两个点之间的通信，不考虑路径规划）
• 网络层：负责地址管理和路由选择。例如在IP协议中，通过IP地址来标识一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路（路由）。路由器（Router）工作在网路层。（两个点之间的路径规划）
• 数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网，无线LAN等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层。（两个相邻节点之间如何传输）
• 物理层：负责光/电信号的传递方式。比如现在以太网通用的网线(双绞 线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤，现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）工作在物理层。（网络通行基础）

只有应用层是程序可以写代码处理的，其他的都是由操作系统和硬件设备来处理的

网络编程的主要工作就是写应用层代码，来处理应用层的协议数据

物理层我们考虑的比较少。因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型。

网络设备所在分层：

• 对于一台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容，也即是TCP/IP五层模型的下四层；
• 对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下三层；
• 对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下两层；
• 对于集线器，它只实现了物理层；

注意我们这里说的是传统意义上的交换机和路由器，也称为二层交换机（工作在TCP/IP五层模型的下两层）、三层路由器（工作在TCP/IP五层模型的下三层）。

面试拓展：

交换机和路由器功能都是用来组建局域网
 
交换机是工作在数据链路层；路由器是工作在网络层；

实际上路由器和交换机都越来越强大，彼此之间有许多功能的重叠

6. 封装和分用

封装描述了网络是如何传输数据的

例如我们使用 QQ 传输消息，主机 A 发送消息

1. 应用层，QQ 应用程序，把用户输入的数据整理成应用层数据报（相当类似于 “字符串拼接” 的方式，构成更完整，信息更多的数据，再传输）
   
   接下来就需要把这个报交给传输层（操作系统内核）

2. 传输层，会根据当前使用的传输层协议，给应用层数据报进行进一步组装
   
   继续把这个数据报交给网络层

3. 网络层，主要使用的是 IP 协议，再进行进一步组装
   
   数据组合好了之后，再交给数据链路层

4. 数据链路层，比如使用以太网协议，再进一步组装
   
   构造成了一个以太网数据帧，再把这个数据交给了物理层

5. 物理层，拿到数据之后，把这里的这些二进制序列，转换成 光信号/电信号，把光电信号发送出去即可

上述从上到下依次添加报头的过程，就称为封装

当主机 B 收到上述数据的时候，就是封装的 “逆过程” ，称为 “分用”，每一层协议把对应的协议报头给解析出来，并且去掉报头。

1. 物理层，把光电信号转换回二进制的数据，得到以太网数据帧，交给数据链路层

2. 数据链路层，去掉帧头帧尾，把载荷部分取出来，交给网络层
   

3. 网络层，IP 协议解析出 IP 报头，并去掉，把载荷取出来，交给传输层
   

4. 传输层，UDP 协议再进行解析，解析出 UDP 报头，把载荷取出来，交给应用程序
   

5. 应用层，qq这个程序，qq再解析这里的信息，显示到界面上
   

上述过程中也就体现出网络通信中各个协议是如何配合工作的

封装分用不仅仅出现在主机上，也出现在传输过程中，包括在交换机和路由器上。

• 经典路由器，是封装分用到网络层
• 经典交换机，是封装分用到数据链路层