网络通信基础

IP地址

概念：IP地址用于定位主机的网络地址

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）

a.b.c.d（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）

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

分类

分类	范围	适用网络	网络数量	主机最大连接数
A类	0.0.0.0 ~127.255.255.255	大型网络	126	16777214(224-2)
B类	128.0.0.0 ~191.255.255.255	中等规模网络	约16000个	65534(216-2)
C类	192.0.0.0 ~223.255.255.255	小型网络	-	254(28-2)
D类	224.0.0.0 ~239.255.255.255
E类	240.0.0.0 ~247.255.255.255

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

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，如以上子网掩码也可以表示为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，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

MAC地址

MAC地址，即 Media Access Control Address，用于标识网络设备的硬件物理地址

• 主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡；其中每个网卡都有唯一的一个MAC地址
• 网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据
• 硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址
• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；
• 长度为48位，及6个字节,一般用16进制数字加上冒号的形式来表示（例如：08:00:27:03:fb:19）
• 在网卡出厂时就确定了，不能修改。虚拟机中的MAC地址不是真实的MAC地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置MAC地址

特殊MAC地址

广播数据报：发送一个广播数据报，表示对同网段所有主机发送数据报。广播数据报的MAC地址为：FF:FF:FF:FF:FF:FF

端口号(port)

概念：端口号用于定位主机中的进程

格式：端口号是0~65535范围的数字

知名端口号：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

注意：

1. 进程可以通过绑定一个端口号，来发送及接收网络数据
2. 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

网络协议(protocol)

概念：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。协议最终体现为在网络上传输的数据包的格式

三要素：

1. 语法：数据与控制信息的结构或格式
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
3. 时序，即事件实现顺序的详细说明

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

协议分层

OSI七层模型

分层名称	含义
应用层	应用程序所在的分层
表示层	规定数据展示的形式
会话层	约定建立和断开连接的方式
传输层	负责数据的可靠传输
网络层	地址管理与路由选择
数据链路层	互连设备之间的传送和识别数据帧
物理层	0/1光电信号

TCP/IP五层模型

分层名称	作用	代表性硬件/软件	代表性协议
应用层	约定两个进程使用一样的协议(数据格式)	进程	DNS，NAT/NAPT，FTP/SFTP，HTTP/HTTPS
传输层	负责可靠传输	操作系统(下四层)	TCP，UDP
网络层	地址管理与路由选择	路由器(Router，下三层)	IP
数据链路层	互连设备的传送和识别数据帧	交换机(Switcher，下两层)	以太网帧，ARP
物理层	0/1光电信号 在网线/WIFI电磁波	集线器(Hub)

封装和分用

封装：发送数据的时候，需要将数据按网络分层，从高到低的顺序来进行封装

分用：接收数据时，需要按照网络分层，从低到高的顺序来进行分用(解析)