网络原理初识
目录
一、网络互连
1、局域网
2、广域网
二、网络通信基础
1、IP地址
2、端口号
三、理解网络中的重要概念
1、认识协议（最核心的概念---协议）
2、协议分层
3、OSI七层模型
4、TCP / IP 五层网络模型
5、数据报
6、封装和分用
（1）封装
（２）分用
前言：
计算机源起时，就注定会对我们后续的生活带来巨大的改变。现如今，计算机的迅速普及，已被应用各种各样的领域，对我们的社会和生活带来了不可估量的影响。其应用范围上到办公室、工厂、实验室等，下到个人家庭，而且随着时代迅速发展，我们的计算机和计算机间已具备联网功能，可以实现远程通讯。
一、网络互连
独立模式 -> 网络互连模式：
随着时代的发展，刚开始的计算机是以独立模式（单机模式）被广泛使用的，后来越来越需要计算机之间的互相通讯，共享数据和操控，人们已经不再局限于该模式了。于是将多个计算机连接起来，形成一个计算机网络。通过多台计算机协同可以实现信息共享和信息传输。
网络互连：将多台计算机连接在一起，来完成数据共享。（数据共享的本质是 网络数据传输，即计算机之间通过网络进行的数据传输，即网络通信）。
计算机网络根据其规模可分为 WAN（广域网 --- Wide Area Network），LAN（局域网 --- Local Area Network）。
1、局域网
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。
局域网内的主机和主机之间可以进行网络通信进行数据传输，局域网又可称为 “ 内网 ”。但 局域网和局域网在没有连接的情况下，是无法进行网路通信的。
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
交换机 --- 用来把多个主机组建到同一个局域网内
交换机只有一类端口：LAN
借助交换机，可以让多个机器与交换机相连后，从而可以与其他机器进行通信。
任意两个主机可以借助交换机来进行数据交换，这些主机之间就构成了局域网，有了交换机的存在，布线的成本就大大降低了，每个主机只需一个网口即可。
为了连接更多的主机，也可以让交换机连交换机，从而让这些主机都在一个局域网内。
3）基于交换机和路由器直连
路由器 --- 可以把多个局域网连在一起
路由器相比于交换机，有两类端口 WAN口 和 LAN口。其插在路由器 LAN上的设备，表示在同一局域网内，而 WAN口连接外网（连接运营商提供的光猫/宽带网线等设备的）。
4）基于集线器直连
集线器的功能非常有限，现在组网的时候已经很少能看到集线器了。
相比于交换机，任意主机之间的相连是互不干扰的。
而A和B两个主机之间如果通过集线器进行通信的时候，A或B没法和C或其他的主机进行通信，集线器中主机之间的通信通道是独占通道。
2、广域网
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。
在交换机和路由器反复的连接下，可以把多个设备都连接到一起，使它们之间能够直接进行通信.当机器足够多时，就可以称为“广域网”。
广域网和局域网之间没有明确的界限，不是说机器数量多到什么时候构成“广域网”，也不是说少到什么程度构成局域网。一般认为连接到一起的设备比较少构成一个“局域网”，设备比较多构成“广域网”。
如果有多个海外分公司，它们以专线方式连接起来，其构成了规模比较大的网络，即形成了 “广域网”。
如果是属于全球化的公共型广域网，则称为 互联网（又称公网、外网），其属于广域网的子集。有时在不严格的情况下说的广域网，其实指的是互联网。
有些情况下有可以把“广域网”认为是一个比较大的“局域网”。
全世界最大的广域网 是 Inernet（因特网）。
二、网络通信基础
前面说到的网络互连，就是为了实现多台设备之间的网络通信和数据共享，也就是网络数据的传输，更具体一点是，网络主机中不同进程之间，基于网络传输数据。
但，在组建网络的时候，想要数据从哪个主机传输到目标主机，没有一个具体的标识是无法进行传输的，因此就需要使用到 IP地址来标识。
1、IP地址
1）什么是 IP地址？
所谓的 IP地址，就是连接到网络中所有主机中识别出进行通信的目标地址。因此通信中的所有主机设备都有自己的一个 IP地址。
其主要用来定位主机的网络地址。
可以将IP地址，想象成我们平常在网上购物一样，需要有收件人的地址，商品才可以由快递员送到我们的地址。
2）IP地址的格式
IP地址是一个32位（4个字节）的整数（可表示的IP地址有42亿9千万），通常被分割成 4个8位2进制数。例如：01100100.00000110.00101000.00000001
而因为32位的整数比较难以查看或记忆，因此发明了一种表示方式：点分十进制 ，通过三个点 将32 位的整数分成 4个部分，每个部分8位（1个字节）取值范围为：0 ~ 255 的十进制，即为：100.6.40.1。
2、端口号
除了通过 IP地址来识别找到数据传输的目标主机外，还需要有一个可以识别主机中发送、接收数据的进程。
①端口号：用于定位 主机中的进程，也就是我们可以通过端口号来找到对应主机里的应用程序。
类似我们寄/收快递时，除了填写寄件人/收件人地址（IP地址）外，还需填写对应的收件人或寄件人（端口号）。
②端口号的格式：
端口号是一个 2个字节（16位）的无符号整数（范围是 0 ~ 65535）。
③注意事项：
- 进程需要通过绑定一个端口号，来发送和接收网络上传输的数据。服务器启动的时候，用户（客户端）对服务器进行访问的时候，才能准确的找到对应的程序进行访问。
- 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。可以想象成一个人可以很多张电话卡，但一张电话卡没法多个人使用。
- 一个进程启动后，系统会自动的分配一个端口号（启动端口）。一般来说1024以下的端口号都是系统保留的（为知名端口号，这些端口号是预留给服务器程序绑定使用的应用层协议）。 因此，我们在自己手动分配端口号的时候，尽量使用1024 ~ 65535范围的端口号。【当然，1024 ~65535范围内的端口号，也可能有服务器绑定的知名端口号 】
- 常见端口号：例如 MySQL的端口号为 3306
三、理解网络中的重要概念
1、认识协议（最核心的概念---协议）
”协议“这个概念非常重要，毫不夸张的说，其贯穿了整个网络通信的体系，也可以说主机之间之所以有可以通过网络进行通讯，是全靠了 “ 协议 ”。
” 协议 “可以理解成 ” 约定 “，通过约定表达一定的含义，类似 ”暗号“。协议就是通信双方通讯时进行的一个约定。
比如：面基网友的时候，网友A和网友B彼此之间协商以什么提前的约定来作为标识，网友A穿大R图案的黑色T恤，网友B穿蓝色牛仔裤，那么他们就可以根据彼此的约定来寻找对方。这一种约定，也可也称为 协议。
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。
协议通常由三要素组成：
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。
网络上传输的数据，本质上是 光信号（光纤/无线网络/电磁波...）【光就是电磁波，无线网络是基于电磁波来通信的。】 / 电信号，通过电信号和光信号就可以传输二进制数据了。而要想传递不同的信息，就需要约定好双方的数据格式。
光信号、电信号是怎么传输二进制数据的？
光信号涉及到光的频率，通过频率进行编码，高频当成1，低频当成0，传输的时候通过传输不同频率的光信号，表示1010类似的二进制数据。
而电信号通过电平来传输，例如高电平1，低电平0，通过高低电平信号也可以传输二进制数据
不同的0和1之间的排列组合表达什么意思，就需要通过“协议”来约定。
2、协议分层
①为什么需要协议分层？
网络通信是一个非常复杂的过程，其中有许多要处理的问题和细节。如果只使用一个“协议”来解决所有的问题，那么该协议任务量会很大，协议也会变得很复杂。因此可以通过把一个 “ 协议 ” 进行拆分成多个协议来解决该问题。拆分后的协议分别处理一部分问题，从而提高效率。
拆分的时候，有些拆出来的“协议”解决的问题差不多，定位是类似的，只是解决问题的手段不太一样，因此程序猿就把这些“协议”分成很多类，该过程也称为为 “ 协议分层 ” ，每一层有很多个协议，这些“协议”干的活差不多。
我们当前看到的网络结构，是协议分层后的产物。
②什么是协议分层？
协议分层类似于打电话，以下述的打电话为例：
（1）语言层看成上层协议，通信设备层看成下层协议。语言层的人通过汉语进行交流，无需关注理解电话的工作原理或具体实现，这就导致使用电话的成本很低。相反，开发电话机的人无需关注语言层交流的语言是什么，即使开发电话机的人是外国人也无需懂得说汉语，只需懂通信原理即可。这就让这两个协议分层之间构成了一个很好的封装。
（2）把通信设备层的电话协议替换成无线电协议，对于使用人来说是没有感知的，他们之间使用什么语言进行交流，就还使用什么语言进行交流，下层协议的替换对上层协议没有影响，这就称之为透明的。 即使是语言层的汉语协议改成英语协议交流，对于下层协议来说，也是没有影响的，对于电话机来说也只是将声音进行传输，交流使用什么语言它并不关心。
③协议分层的作用
- 下层协议给上层协议进行服务，上层调用下层协议。（提供了一种 “ 封装 ” 的服务） 此处的封装与Java中面向对象的封装本质相同。-------实现上层协议的不必考虑下层协议里的细节，只需直接调用的方法即可
- 解耦合，可以把同一层的协议替换成其他协议，对于其他层次的协议来说，基本是察觉不出，无感知的，透明的（理解：底层协议变了，对于上层协议没有影响，上层协议依旧一样 。上层协议变了，对于底层协议来说也没有影响）。
像上述的打电话为例，其中的分层很好的体现了其 封装 和 解耦合 的优点。
3、OSI七层模型
OSI ：即 开放系统互连（Open System Interconnection）。
该模型 是一个逻辑上的定义和规范，主要是用来帮助不同类型的主机实现数据的传输。其优点是将服务、接口、协议三个概念明确地区分开来，通过七个层次化的结构模型使不同的网络之间实现可靠的通讯。
OSI七层模型由上到下，越往下越偏向硬件方面，越往上越偏向软件方面。实际组建网路的时候，只是以 OSI七层模型设计的部分分层，也即是 TCP/IP 五层模型来实现。
4、TCP / IP 五层网络模型
TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。
TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。
其中传输层、网络层、数据链路层和物理层是一样的。
应用层、表示层和会话层统称为应用层（针对用户态）。
OSI参考模型中的有各自的叫法，但其实都是同一个东西，例如：OSI参考模型中的网络层和TCP/IP分层模型中的互联网层就是一样的。
4.1 TCP / IP 五层模型的结构：
- 物理层：属于网络通信的基础设施。
- 数据链路层：解决两个相邻节点之间是如何传输的
- 网络层：负责两个点之间的路径规划
- 传输层：考虑两个点之间的通讯，不考虑两个点之间的路径规划
- 应用层：属于数据传输过去后具体怎么使用。
以在网上买东西为例：
萨日朗在淘宝买了一个西瓜，下单后，卖家就把货通过快递发给萨日朗。
卖家在发货的时候，只考虑发件人（起点）和收件人（终点）。
（1）运快递的公路 想象成网络通信的基础设施 ----- 物理层
（2）卖家发货只考虑发件人（起点）和收件人（终点），不考虑路上的快递是如何运输的----- 传输层（不考虑路径规划）
（3）把货交到物流公司，物流公司需要规划从哪条路线派送快递比较好------- 网络层
（4）货在两个仓库（集散点）之间的传输 ------ 数据链路层
（5）货拿到萨日朗手上要怎么使用，是萨日朗自己的事情 ------- 应用层
4.2 网络设备对应的分层：
- 物理层和数据链路层对应的是 驱动 和 硬件
- 传输层和网络层，由操作系统内核实现的。
- 应用层、表示层和会话层是应用程序实现的（用户态）。
而统称的应用层是由程序员来实现的。 换句话说，只有应用层是程序员自己写代码处理的，以下的四层都是由操作系统和硬件设备来处理好的。
网络编程的主要工作就是写应用层的代码，来处理应用层的协议数据。
4.3 理解网络层和数据链路层
1、路径规划
以上面的送货过程，从一个地方到另外一个地方有很多条路线。考虑走哪条路线，是网络层处理的（宏观）。
2、传输方式
确定好路线，从一个地方到另外地方是要坐高铁，坐飞机还是坐大巴。具体要怎么走是数据链路层要考虑的事情。两个相邻节点之间要怎么走是数据链路层要考虑的事情（微观）。
4.4 交换机 和 路由器
交换机：其工作在 数据链路层
路由器：其工作在 网络层
交换机和路由器工作在哪一个协议分层，是面试中也会考的。
当下 交换机 和 路由器的功能越来越强大，彼此之间有许多功能也相互重叠，也就是彼此之间存在相同的功能。
比如： 三层交换机（带有路由器的功能） 、 路由器的桥接模式（相当于交换机）。
交换机和路由器之间的定位越来越模糊，而且这些设备也有一些传输层，甚至应用层的功能。
5、数据报
数据报是通过网络传输的数据的基本单元；
其包含一个报头（header）和数据本身，其中报头描述了数据的目的地以及和其它数据之间的关系。数据报是完备的、独立的数据实体，该实体携带要从源计算机传递到目的计算机的信息，该信息不依赖以前在源计算机和目的计算机以及传输网络间交换。
6、封装和分用
不同协议层对数据包有不同的称谓：
- 传输层中称为 ： 段（segment）
- 网络层中称为： 数据报（datagram）
- 数据链路层称为： 帧（frame）
封装 和 分用 描述了网络上是如何传输数据的。
封装：协议分层后每一层的数据 通过协议栈发到下一层协议层，每一层协议都要加 上一个数据首部（header），其首部包含一些重要信息（首部长度、载荷payload 长度、源地址、目的地址之类的）。
此处的的 封装 的和 面向对象中继承多态的封装 效果上是类似，但是所指的含义不同 ，不要与其混淆，注意进行区分。
(1) 封装
封装的过程
以使用QQ发送消息为例：
用户A 向 用户B发送一条信息，用户A通过键盘输入想要发送的信息（你好）。
1. 应用层（QQ程序）
根据用户A输入的内容数据，整理成应用层数据报（相当于类似“字符串拼接”的方式，构成更完整的，信息更多的数据，再传输） ，假设该应用层数据报结构为：
接下来应用层协议就调用操作系统中的socket API，将这个应用层数据报交给传输层（进入到操作系统内核）
2. 传输层
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的组装。
例如：此处以的UDP协议（传输层的协议）为例，将刚刚的应用层数据报装到UDP数据报内。（传输层中常见的协议有 UDP 和 TCP）
之后就将这个UDP数据报交给网络层。
3.网络层
网络层主要使用的是IP协议，其对UDP数据报再进行进一步的组装。
对其数据报 加上报头（本质上是 “ 字符串拼接 ”）
同理，IP协议报文 = IP协议报头 + IP协议载荷（完整的TCP / UDP数据报）
4. 数据链路层
数据链路层，使用的是以太网协议，对其数据报再进行进一步的组装。构成了一个以太网数据帧，之后再把这个数据交给物理层。
5. 物理层
数据到达物理层，其拿到数据之后，把这里的这些以太网数据帧的 二进制序列转换为 光信号 / 电信号。
上面的数据报本质上就是二进制序列，由0和1构成的整体格式，把这些0和1转换为光信号或电信号，变成一些高低电平或高低频率的电磁波，再通过光纤或无线的方式对光电信号进行传输。
上述的过程就是发送的时候，把当前的数据从我们的主机发送出去的过程。从上到下一次添加报头的过程，就称为 “封装”。
此处的封装操作，每一层都会进行。这一过程类似派送一个快递时，会将物品套上很多层包装（塑料袋 ->泡沫盒子 -> 纸壳 ->黑色快递袋），再进行派送。
实际上发出去的是上面那一串很长数据报的二进制序列。
以上的过程结束，代表要发送的数据已经离开主机A，发往另外的设备，当然用户A和用户Ｂ的主机很小概率是网络直连的，数据的传输过程中，还需经过多个路由器和交换机之间的转发，才最终到达用户Ｂ的主机，这中间的内容此章节暂不介绍。
（２）分用
省略中间的传输过程，当主机B收到主机A发送的上述数据时，其就是封装的 “ 逆过程 ”，称为 ” 分用 “。每一层协议把对应的报头给解析出来，并且去掉报头。
其接收过程：
1、物理层（硬件设备），主机Ｂ把收到的光电信号转换为二进制数据，得到以太网数据帧，再将其交给数据链路层。
2、数据链路层（驱动），数据链路层会对该传输过来的数据进行解析，去掉帧头和帧尾，把载荷部分取出来并交给网络层
3、网络层，IP协议解析出IP报头，之后去掉报头，将载荷部分取出来交给传输层。
4、传输层（操作系统内核），把UDP协议解析出UDP报头，然后去掉报头，把载荷部分取出来交给应用层。
5、应用层，调用操作系统内核的socket api读取数据报 并按照应用层协议进行解析（qq这个程序解析这个信息），然后再把解析后的信息显示到用户Ｂ主机的窗口。
以上就完成了数据的解析过程。说到底“分用”就是“封装”的逆过程。
上述过程也体现出了网络通信过程中，各个层次的协议是如何配合工作的。
封装和分用不仅仅会出现在主机上，也出现在传输过程中，包括交换机和路由器上。（此处对交换机和路由器上的封装和分用不做介绍）
其中 路由器是封装、分用到 网络层；
交换机是封装、分用到 数据链路层。
本节的内容到这里就结束了，该文章也为我自己的学习笔记，如果其中有哪些部分有误，还希望大佬们能指点一二，共同进步！