网络原理基础（认识IP地址、子网掩码、端口号、协议、五元组）
文章目录
- 前言
- 一、网络通信基础
-
- 1、IP地址
- 2、子网掩码
- 3、端口号
- 4、协议
- 5、五元组
- 二、协议基础知识
-
- 1.协议分层
- 2.OSI七层模型
- 3、==TCP/IP五层(或四层)模型==
- 4、网络设备所在分层
- 5、封装和分用
- 总结
前言
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。而进行网络通信又涉及很多知识点，本文将对各种概念做简单介绍并进行梳理，旨在讲清楚网络通信的原理和过程，
一、网络通信基础
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。
IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。
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。
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”来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制数）。如前面的ip表示为：100.4.5.6。
IPv4和IPv6：
IP协议有两个版本，IPv4和IPv6。我们整个的课程，凡是提到IP协议，没有特殊说明的，默认都是指IPv4。
IPv4数量=2^32，大约43亿左右，而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。对于全世界计算机来说，这个数量是不够的，所以后来推出了IPv6（长度128位，是IPv4的4倍）。
但因为目前IPv4还广泛的使用，且可以使用其他技术（NAT、NAPT）来解决IP地址不足的问题，所以IPv6也就没有普及。
组成：
- 网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
- 主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；
那么如何划分网络号和主机号呢？过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类，如下图所示。
各类地址的表示范围：
备注：主机最大连接数减去2，是扣除主机号为全0和全1的特殊IP地址
特殊IP：
- 将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网；
- 将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包；
- 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。
在上述的分类中，存在IP地址浪费的问题：
（1）单位一般会申请B类网络（C类连接主机数量有限），但实际网络架设时，连接的主机数量又常远小于65534（B类连接主机数），造成IP地址浪费；同理，A类网络的IP地址也会造成大量的浪费。
（2）当一个单位申请了一个网络号。他想将该网络能表示的IP地址再分给它下属的几个小单位时，如果在申请新的网络就会造成浪费。
为了解决以上问题，引入子网掩码来进行子网划分：
2、子网掩码
格式：
子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。
子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示，如子网掩码255.255.255.0，也可以表示为24。
作用：
1）划分A，B，C三类 IP 地址子网：
如一个B类IP地址：191.100.0.0，按A ~ E类分类来说，网络号二进制数为16位网络号+16位主机号。
假设使用子网掩码 255.255.128.0（即17） 来划分子网，意味着划分子网后，高17位都是网络位/网络号，也就是将原来16位主机号，划分为1位子网号+15位主机号。
此时，IP地址组成为：网络号+子网号+主机号，网络号和子网号统一为网络标识（划分子网后的网络号/网段）
（2）网络通信时，子网掩码结合IP地址，可以计算获得网络号（划分子网后的网络号）及主机号（划分子网后的主机号）。一般用于判断目的IP与本IP是否为同一个网段。
计算方式：
将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号。
将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。
示例：
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。
3、端口号
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：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。
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。
4、协议
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。通常由三要素组成：
- 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- 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！- 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。
协议最终体现为在网络上传输的数据包格式。
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
5、五元组
在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：
- 源IP：标识源主机
- 源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程
- 目的IP：标识目的主机
- 目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程
- 协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式
以寄信为例：
源(目的)IP相当于寄(收)件人的地址，源(目的)端口号相当于寄(收)件人的姓名电话，协议号相当于使用什么快递公司（韵达/顺丰/中通…）。
二、协议基础知识
1.协议分层
为什么要分层？
网路通信是一个非常复杂，而且里面有巨多细节的过程。如果我们只通过一个协议，来完成网络通信，那么这个协议会非常的复杂且庞大。
因此有一个好办法就是将协议分层，将这个庞大复杂的协议，拆分成多个小协议，每个协议分工明确，只负责自己的部分。就好像写代码一样，我们往往把一个复杂的模块，拆分成多个模块，每个模块只负责自己需要实现的功能。
协议分层的好处：
1 、每层协议不需要去了解其他层的协议
2、 可以更方便的对对应层的协议进行替换，根据不同的通信对象选择不同的协议
3、分层最大的好处，类似于面向接口编程：定义好两层间的接口规范，让双方遵循这个规范来对接。对于使用方来说，并不关心提供方是如何实现的，只需要使用接口即可
对于提供方来说，利用封装的特性，隐藏了实现的细节，只需要开放接口即可。
2.OSI七层模型
OSI：即Open System Interconnection，开放系统互连
- OSI 七层网络模型是一个逻辑上的定义和规范：把网络从逻辑上分为了7层。
- OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输；
- 它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整。通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯。
但是！OSI七层模型太复杂了，因此只存在于教科书中，实际落地只是以OSI设计中的部分分层，也就是TCP/IP五层（或四层）模型来实现的。
3、TCP/IP五层(或四层)模型
其实在具体的开发工作中，程序员打交道最多的就是应用层，因为其他四层大部分都是操作系统硬件已经实现了，我们可以直接调用操作系统的api进行通信就行。
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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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
通过下面这副图具体描述每一层的具体作用：
4、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，即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，即五层模型的下三层；
- 对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，即五层模型的下两层；
- 对于一台集线器，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）。随着现在网络设备技术的不断发展，也出现了很多3层或4层交换机，4层路由器。我们以下说的网络设
备都是传统意义上的交换机和路由器。
5、封装和分用
- 不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段(segment)，在网络层叫做数据报(datagram)，在链路层叫做帧(frame)。
- 应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部(header)，称为封装(Encapsulation)。
- 首部信息中包含了一些类似于首部有多长，载荷(payload)有多长，上层协议是什么等信息。
- 数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中的 “上层协议字段” 将数据交给对应的上层协议处理,称为分用
举例子：QQ发消息
封装的过程：
分用的过程：
无论网络多么复杂，传输的过程都是类似这样不断的封装和分用。
总结
本文介绍了网络通信的原理以及一些概念性的知识，介绍了什么是IP地址、端口号、协议、TCP/IP五层模型以及网络通信时数据的具体传输过程。这些都是网络通信的基础，后续将会针对各层的重点协议进行详细介绍。