网络初识之协议分层

目录

一、初始网络

1.网络通信基础

1.1 IP地址

1.2 端口号

1.3 认识协议

1.4 五元组

2. 协议分层

2.1 什么是协议分层

2.2 协议分层的好处

2.3 TCP/IP五层模型（最核心的概念）

3. 封装和分用

3.1 发送过程（以QQ发送消息为例）

3.2 接收过程

3.3 真实网络环境中要经理多节点进行转发

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一、初始网络

1.网络通信基础

1.1 IP地址

1️⃣IP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。

2️⃣IP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。

3️⃣127.*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。

1.2 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）

✨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。

1.3 认识协议

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。通常由三要素组成：

1️⃣语法：即数据与控制信息的结构或格式；

2️⃣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；

3️⃣时序：即事件实现顺序的详细说明。

协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式

1.4 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

2. 协议分层

在网络通信中，需要约定的协议，其实是非常复杂的。面对复杂环境，就需要复杂协议，但是一个复杂的协议也是不好；那么我们就可以把一个协议拆分成多个协议：协议是拆分出很多存在小的协议，作用或者定位是类似的，就可以针对这些小协议进行“分层”，同时针对这些不同的类别进行分层（相当于是约定 层数 和 级数 之间的调用关系，要求上层协议调用下层协议，下层协议给上层提供支持，不能跨层调用）

2.1 什么是协议分层

协议分层类似于打电话时，定义不同的层次的协议

2.2 协议分层的好处

1️⃣分层之后就可以做到 层次之间，耦合程度比较低；上层协议不必了解写层的细节，下层也不必了解上层的细节

2️⃣方便对某一层的协议进行替换

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

在代码中，类似于定义好一个接口，一方为接口的实现类（提供方，提供服务），一方为接口的使用类（使用方，使用服务）：

1️⃣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

2️⃣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

2.3 TCP/IP五层模型（最核心的概念）

1️⃣应用层：关注传输过来的数据要干啥

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。

2️⃣传输层：不考虑中间路径，只关注起点和终点

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。

3️⃣网络层：主要负责两个遥远的节点之间 路径规划

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。

4️⃣数据链路层：主要关注的是两个相邻节点之间的传输

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

5️⃣物理层：网络通信的基础设施，网络，光纤，网络接口...网络上的高速公路

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

3. 封装和分用

在协议分层的背景下，数据如何让通过网络传输？封装 和 分用

1.即发送方发送数据，要把数据从上到下，依次交给对应的层次的协议，进行封装

2.接收方收到数据，要把数据从上到下，依次交给对应的层次的协议，进行解析

3.1 发送过程（以QQ发送消息为例）

1️⃣应用层拿到用户数据，进行封装，封装成应用层数据包

2️⃣ 传输层拿到上述数据，应用层要调用传输层提供的 api ，来处理这个数据，传输层有很多协议，最典型的是 TCP 和 UDP，此处以 UDP 为例：

一个典型的数据报都是通过报头+载荷的方式构成

此处，UDP协议再给应用层数据报加上 UDP 报头（本质上是字符串拼接），就是为了再贴一层标签，从而在标签上填写必要的属性；传输层协议最关键的属性就是源端口和目的端口

3️⃣ 传输层到网络层

UDP 数据报已经有了，接下来就要把这个数据报交给网络层的协议；网络层最常见的协议，就是 IP 协议；

上述 UDP 数据报，到达网络层，还需要进一步的封装：添加上 IP 协议报头

IP协议报头+整个 UDP 数据报，作为 IP 的载荷

IP协议报头有 1) 源IP 2) 目的IP (源IP 和目的IP 就描述了这次传输中，最初的起点和最终的终点)

整个 UDP 数据报有 1) 源端口(发送方程序的端口号) 2) 目的端口(接收方程序的端口号)

 4️⃣网络层交给数据链路层

最典型的协议，叫做 以太网(数据链路层+物理网)

以太网数据帧：以太网帧头+源IP、目的IP+源端口、目的端口+以太网帧尾

以太网帧头有 1) 源 mac(也叫物理地址，也是描述一个主机在网络上的位置，它的功能和ip很相似，但是当下就把这两个地址分别作用于不同的用途，IP用来进行网络层的路径规划)

                      2) 目的 mac 地址(mac用来进行描述数据链路层，两个即将进行传输的相邻节点)

 5️⃣数据链路层就要把上述以太网数据帧交给物理层，物理层要把上述 0101 的二进制数据 转化为 光信号/电信号/电磁波信号，进行传输

上述过程操作系统已经封装好了

3.2 接收过程

与上述过程刚好相反——发送：从上到下，依次封装，新增报头 接收，从上到下，依次分用，去掉报头

1️⃣物理层(网卡)：收到高低电平二进制数据，就会对这里的信号进行解析，还原成 0101 这样的二进制序列

2️⃣从物理层交给数据链路层

此时就把上述 0101 这系列数据当做一个 以太网数据帧(此处是从以太网线，收到的数据，就是要交给以太网协议来处理)

 把帧头去掉，帧尾去掉，取出中间的载荷，再往上交给网络层（以太网数据帧头中有一个消息类型，根据这个类型就知道网络层是 ip协议了）

3️⃣网络层

 此时就由网络层的 IP 协议进行解析数据报，也是去掉 IP 报头，同时会做一些工作，最重要的还是取出 载荷，交给更上层的传输层协议

（ip 数据报，报头中也有一个字段，标识当前传输层用的是哪个协议）

4️⃣传输层

此处是由 UDP 来解析，还是去掉报头，取出载荷，把数据交给应用层；借助端口来区分具体的应用程序；每个要接收网络数据的程序都需要关联上一个端口号

 5️⃣应用层

 由 qq 这个程序，进行解析应用层数据报，取出下列字段，放在程序的界面中

发送方：层次分装；接收方：层次分用

3.3 真实网络环境中要经理多节点进行转发

中间的交换机，只需要封装分用到 数据链路层(只需要改源 mac 目的 mac)

中间的路由器，则需要分装分用到 网络层(也需要改 mac，同时还需要根据目的 ip 进行下一阶段的路径规划)

通常也说：交换机是进行“二层转发”，路由器进行“三层转发”

 上述内容说的是“经典”的交换机路由器，也就是出现在教科书/考试试卷上的交换机路由器；但实际上，真实世界的路由器/交换机 之间的越界越来越小了；路由器可以通过设定特殊模式，只进行二层转发，交换机也有高端交换机，支持三层转发，甚至路由器/交换机还可以封装分用到 传输层 甚至 应用层