网络编程1—— IP地址 + 端口号 +TCP/IP协议 + 协议分层的封装与应用

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前言

本人是一个刚刚上路的IT新兵,菜鸟!分享一点自己的见解,如果有错误的地方欢迎各位大佬莅临指导,如果这篇文章可以帮助到你,劳请大家点赞转发支持一下!

从本篇文章开始就要分享网络编程的内容了，越发的感受到了编程的魅力，鸡汤来喽！！

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一、网络发展各阶段

1️⃣单机阶段：计算机跟计算机之间是不互通的。即电脑A中的资源，电脑B是无法直接获取。只能通过外部设备进行拷贝。

2️⃣局域网阶段：局域网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)局域网内的主机等设备之间能方便的进行网络通信，又称为内网；两个局域网之间在没有连接的情况下，是无法进行通信的。

3️⃣广域网阶段：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。

4️⃣移动互联网阶段：移动互联网，就是将移动通信和互联网二者结合起来，指互联网的技术、平台、商业模式和应用与移动通信技术结合并实践的活动的总称。

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二、网络通信的三大要素

1.IP地址

IP地址就类似于身份证上的家庭地址，

IP地址描述了该设备在互联网上的位置 。

简单来讲IP地址就是用来定位设备在网络上的位置，从而完成通信。

另一台设备将信息送到了这个位置上，那么这个位置上的设备就可以获得该信息。

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2.端口号

在一个地址上，可能同时住了几个人。因此当信息送达后，需要通过姓名或电话来识别接收的人是谁。

端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。端口号是用来定位主机中的进程的 。(主机上的每一个进程都有一个端口号，同一主机上的不同进程的端口号必须不同)

一台主机上可能运行多个进程，因此当信息送达时，就是通过端口号来识别是哪个进程要接收信息，而后将信息送达。

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3.网络协议

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。
最终体现为在网络上传输的数据包的格式

网络协议的作用：
网络设备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。网络传输的各种信息，其实本质都是传输的一串二进制数字，要想将这一串数字变成想要传递的信息，就需要双方约定好数据格式。
网络协议就是用来规定传输数据的格式 。

现如今的网络设备越来越多，网络环境非常复杂，因此网络协议也非常复杂。

分层的原因
因此就将复杂的网络协议拆分成 多个协议 。
其中一些小协议的 作用 / 定位类似 。
因此就针对这些小协议进行 “分类” ,同时再针对这些不同的类进行 “分层” 。

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分层的作用
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 。

下层为上层提供使用接口，下层即为接口的实现类(提供方)，
上层使用下层提供的接口，上层即为接口使用类(使用方)，

上下层互不关心对方的细节，从而更有利于维护与扩展。
(上层不关心下层如何实现的接口，下层不关心上层怎么使用接口)

上层只能够调用相邻的下层，严禁跨层调用 。

而实际应用当中， TCP/IP五层网络模型 使用的最为广泛。

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三、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。

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各层级的用处

应用层对应咱们程序员写的应用程序，而下面四层系统内核已经封装好了，因此我们应更加关注应用层，而传输层被应用层调用，所以也应了解传输层

1️⃣ 应用层：负责应用程序间的沟通。 该层的工作内容为：得到数据以后，如何处理数据。

2️⃣传输层：负责两台主机之间的数据传输。 主要为TCP协议 / UDP协议 该层的工作内容为：保证数据可靠的从源主机传输到目标主机。

3️⃣网络层：决定数据在网络中的传输路径，数据路由(决定数据在网络的路径)。 主要为IP协议 该层的工作内容为：负责地址管理和路由选择。

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。

4️⃣数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别。 主要为Ethernet以太网协议
该层的工作内容为：负责网络上两个相邻节点(通过网线/无线/光纤直接连接的设备)之间的传输。

5️⃣物理层：负责光/电信号的传递方式。
该层的工作内容为：网络通信的基础设施 网线/光纤/网络接口等硬件设备被设计时所遵守的规范协议。

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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 一般的路由器 ， 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 一般的交换机 ， 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 ；

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四、封装和分用

在协议分层的背景下，数据通过 封装 ， 分用 来进行网络传输。

如何封装
发送方发送数据，会把数据从应用层依次向下，交给对应的层次的协议，进行封装。

如何分用
接收方接收数据，会把数据从物理层依次向上，交给对应的层次的协议，进行解析。

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概念先知

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)，因此 数据包 == 数据报 == 数据段 == 数据帧。
经典数据报都是通过 报头 + 载荷的结构构成。

封装(Encapsulation)：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)。
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。

分用：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。

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下面以QQ发送消息为案例讲解一下 封装 与 分用 。

忽略中间网络设备的转发过程，只将发送方发送时的封装过程与接收方接收时的分用过程

封装

发送方，层层封装，类似包装快递

1️⃣应用层

应用层(QQ这个程序)拿到你要发送的消息，并将消息封装成 应用层数据包 ，应用层调用传输层提供的api来处理这个数据包。
其中数据包的字段是由程序员手动规定的

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2️⃣传输层

以TCP协议举例

此时传输层拿到应用层传输过来的 整个应用层数据包作为载荷再添加一个TCP报头 。然后调用 网络层提供的api 来处理这个数据报。

TCP报头中最重要的属性就是， 源端口号 (发送程序)和 目的端口号 (接收程序)

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3️⃣网络层

此时网络层拿到传输层传输过来的 整个传输层数据报作为载荷再添加一个IP协议报头 。然后调用 数据链路层提供的api 来处理这个数据报。

IP协议报头中的最重要属性是 源IP (发送方主机的网络地址)与 目的IP (接收方主机的网络地址)

4️⃣数据链路层
此时数据链路层拿到网络层传输过来的 整个网络层数据报作为载荷再添加一个以太网数据帧头 / 帧尾 。然后调用 物理层提供的api 来处理这个数据帧。
以太网数据帧分为两种：封装以太网帧头 / 封装以太网帧尾

以太网帧头/尾中的最重要属性为与目的。 源mac地址 和 目的mac地址

mac地址也叫做物理地址，是描述一个主机在网络世界上的地址。
它的功能与IP地址很相似，但用途不同。
IP地址用来进行网络层的路径规划。
mac地址用来描述 数据链路层即将进行传输的两个相邻节点。

5️⃣物理层

物理层把上述的 一串0，1的二进制数据 转换成 光 /电 /电磁波信号 进行传输。

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• 注意：
  上述的所有数据报，以及下面将要讲到的，数据包，数据帧本质上都是字符串，而加上各种报头也都是进行字符串的拼接。

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分用

接收方，层层分用，类似拆快递

1️⃣物理层

网卡收到 二进制的光 /电 /电磁波信号等二进制数据 ，然后进行解析，还原成 0101 这样的二进制序列 交给数据链路层。

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2️⃣数据链路层

根据传输过来的方式来交给对应的协议处理
数据链路层拿到数据报，交给以太网协议来进行解析，(如果数据是从以太网线传输过来的那么就会交给以太网协议来处理)。

数据帧头 /尾中会有一个消息类型，根据消息类型就可以知道用网络层的哪个协议了
然后数据链路层去掉数据帧头 /数据帧尾，取出载荷再交给网络层。

3️⃣网络层

IP数据报头中有一个字段，标识传输层用的哪个协议
网络层拿到数据报，根据相应的协议来分析数据，然后去掉报头，同时在做一些其他工作。

然后取出载荷交给传输层

4️⃣传输层

每个要接收网络数据的程序都要关联上一个端口号

借助TCP报头中的重要属性，端口号来区分具体的应用程序。
此处是由TCP协议解析，仍是去掉TCP报头，取出载荷交给应用层

5️⃣应用层

交给对应的程序来解析应用层数据包，取出并使用相关数据。

此处是交给QQ这个程序来解析应用层数据包。

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网络传输的实际情况

真是的网络环境十分复杂，数据的传输中间可能要经历很多节点 (交换机，路由器等设备) 进行转发，才能发送到目的地。

数据从发送方主机出发，一路可能会遇到交换机路由器等设备，最后传输到目的主机。

发送方主机：将"数据" 从应用层封装到物理层，得到光或其他信号 ，然后这个信号可能会 顺着网线到达交换机或者路由器 。

信号如果到达交换机：交换机会进行分用， 从物理层分用到数据链路层，判断目的mac是否正确，然后进行重新封装到物理层 ， 重新封装时封装到数据链路层时，会调整源mac与目的mac 。然后继续进行转发。

信号如果到达路由器：路由器也会进行分用， 从物理层分用到网络层，根据目的IP进行下一阶段的寻路操作，然后重新封装到物理层 ，继续进行转发。 重新封装时封装到数据链路层时，也会调整源mac与目的mac

接收方主机： 一路从物理层分用到应用层 ，然后相应进程使用数据。

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文像大家介绍了网络通信的三大要素，以及常用的TCP/IP协议，以及传输过程中各层间的封装与分用。
开始网络编程的学习了，以后的内容只会越来越复杂了，大家加油啊！！！

路漫漫不止修身，也养性。